1.3　光電子技術的發展與展望

光電子技術正以無與倫比的速度迅速發展，1976年美國在波士頓和華盛頓之間鋪設了第一條光纖通信線路，全長1200km，傳輸速率為44Mbit/s。當時的第一根光纖僅可供兩人通話，而現在世界上最先進的“波分復用”技術，已能使上億人通過一對光纖實現同時通話。

大規模光纖用戶網絡方案是：①光纖到路邊，然后用銅線連接到住宅的支線；②光纖到商業用戶，然后用雙絞線連接到用戶；③光纖到家庭，這是光纖用戶網的最終方案。這些就是“信息高速公路”建設的基礎。光通信、光存儲和光電顯示技術的興起和它們在近幾十年來的飛快發展，已使人們認識到光電子學技術的重要性和它廣闊的發展前景，并且成為光電子領域的支柱產業。

就信息高速傳輸而言，目前，實用化波分復用系統最大波道數已達80個，美國朗訊已推出80個波長的波分復用系統。從理論上講，光纖全部可用頻段達25THz，為無線通信全部頻段的800多倍，具有巨大的優勢。在光連接器、光耦合器、光發射/接收器、光放大器等器件方面也取得了長足的進步。最近，光纖喇曼放大器成功地應用于高密度波分復用技術系統中，富士通在211×10Gbit/s的高密度波分復用技術系統中，使無中繼傳輸距離從50km增加到80km，系統傳輸距離達到7200km。

在高速信息傳輸系統中，光交換器件也是關鍵部分之一。近年來，在光交叉連接（OXC）和光分插復用（OADM）中所必需的光交換器件，其性能不斷提高，在插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性、尺寸等方面均具有良好的性能。日本NTT的研究人員利用二維陣列實現了超過1000個輸入通道的自由空間光交換實驗系統。在光連接器和光耦合器技術上也已能滿足高速的信息傳輸的要求。目前利用光子集成技術已制成了應用于光電系統的多波長激光器列陣、光探測器列陣、波導光柵路由器等器件，使用這樣的集成芯片大大加強了光電系統的數據傳輸能力。

在光通信中，遠距離和高比特率一直是人們努力追求的方向，而且正在為21世紀信息時代的需求研制各種新的光通信系統。在光纖通信領域中，波分復用系統及其技術的突飛猛進，使得寬頻帶大容量通信光纖系統達到技術高峰。大容量波分復用光纖通信系統樣機，將是全球通信網的主要骨架。另一方面，光孤子通信系統的研究是目前光纖通信研究最活躍的領域。由于光孤子脈沖傳輸不變形的特性，再加上光放大和光脈沖壓縮技術，將極大地提高傳輸速率和大幅度增加無中繼的傳輸距離。

近年來，由于光電子技術不斷地向前發展，出現了很多新的發展趨勢和研究熱點。在光互連和光計算領域的研究方面，國外的研究人員已經開始研究在路由器中用全光學矩陣開關來取代原有的電開關，并在光計算方面也取得了進展。在因特網迅速發展的今天，信息快速入網和出網的分派能力決定系統所傳輸的巨大信息量能實時利用的有效性。光纖通信和光子連接技術將更加成熟，光交換設備、光探測器和調制器將大大優化電子系統。這些光子元件將與電子元件一同制造在光電芯片上。其優點之一就是具有很高的輸入輸出能力，能夠處理大量信息。而且，將來光子信息處理將有效地擴展和延伸到電子領域。

我們將看到靠光來控制光的新趨勢，而它正是光子邏輯功能的關鍵。未來這種趨勢將完全形成，光子邏輯功能也將完全成熟。非線性光器件使我們得以間接地用光來控制光。這些器件使我們能夠用光來控制電子，進而在原子層上再用這些電子來控制光。在很多應用中，光子邏輯將比電子顯示出更佳的特性。這種趨勢顯示了光子處理器能夠廣泛用于執行圖像識別這類復雜任務上。可以預見這種處理器可用于諸如話音、圖像處理等平行圖形識別上。因此，現代信息載體技術經歷了電子學、光電子學兩個階段的發展，第三階段將步入光子學階段，即光子技術將成為信息的載體技術。而不論是現在的光電子技術還是將來的光子技術，作為信息的載體，其發展的關鍵都是信息高速處理技術。這是信息載體技術發展的必然趨勢，光電子將是今后電子技術與通信技術的核心。

隨著光電技術及空間技術的發展，空間光通信又成為下一代光通信的重要發展領域。空間光通信包括星際間、衛星間、衛星與地面站以及地面站之間的激光通信和地面無線光通信等。在通信上，由于激光與微波相比具有獨特的優點以及空間通信諸多問題的解決，可以預見激光通信將逐步取代微波通信成為星際通信的主要手段，而量子保密通信也將得到應用。美國、歐洲和日本均先后建立了星際間模擬通信系統。如美國麻省理工學院林肯實驗室建立的LITE裝置，采用30mW LD激光器、8in（20.3cm）口徑望遠鏡，傳輸速率200Mbit/s。模擬星際間通信距離40000km。在空間光通信方面，國外目前衛星激光通信已經從理論研究進入到應用基礎研究的試驗階段，發展日新月異。衛星激光通信的出現是現代信息社會對大容量、遠距離、低成本通信的需求必然結果，而它的優點也表明了它能夠承擔此重任，但就目前技術水平來看還有許多技術關鍵尚待解決，要進入實用化階段還有一段較長的時間。

激光研究正朝著前所未有的超快、超強、短波長、寬調諧和小型化的方向發展。在拓展波長上，如能在遠紫外的X光波段研制成功新型光源或激光器，則在生物學、化學和物理結構等多方面的研究以及在半導體器件光刻應用開拓上將獲得重大進展。可調諧激光主要以全固化寬調諧激光器為研究重點，理想的器件是波長可任意調諧和功率可任意控制，這類激光器在激光分離同位素、化學、生物學、材料科學及醫學上有重要應用。

在軍事光電子技術中，精確光電制導武器的發展正朝著防區外發射武器、直接碰撞動能攔截器、天基紅外探測預警系統、機載紅外反導探測系統方向發展。

（1）防區外發射武器

這種新一代精確制導武器除已研制完成并投入使用的AGM-130、斯拉姆、陸軍戰術導彈系統外，正在發展的還有防區外發射多用途撒布器、反裝甲戰斧巡航導彈以及遠射程火炮制導導彈等。在新型的精確制導武器發展中，大多數制導方案是用慣導/全球定位系統接收機作為中段制導，用紅外成像或毫米波作為末制導。

（2）直接碰撞動能攔截器

所謂動能攔截器（KI），通常是指新一代高層攔截防空導彈的末級。國外在研的新一代具有反導能力的防空導彈大都采用動能攔截器技術，而且主要采用紅外成像探測技術，包括中波（3～5μm）、長波（8～12μm）以及中、長波復合探測技術。例如，美國戰區高空區域防御（T HAAD）系統導引頭采用中波紅外尋的器，而大氣層外動能殺傷攔截器（ERIS）則采用長波紅外尋的器，在大氣層內外攔截器（EZI）采用中波與長波紅外復合導引頭。由于紅外探測距離遠、精度高，美國已把它視為反戰術導彈的一種主要探測和跟蹤手段。

（3）天基紅外探測預警系統

紅外預警衛星作為探測彈道導彈飛行軌跡，在現代立體戰爭中起著其他設備無法替代的作用。海灣戰爭中愛國者導彈成功地擊落飛毛腿導彈，其主要的原因之一就在于美國國防支援計劃（DSP）紅外預警衛星及早地探測到導彈的發射。美國正在從海灣戰爭中美國國防支援計劃衛星暴露出的許多問題（例如實時傳輸數據、對短程小導彈的探測能力等問題）入手，一方面改進國防支援計劃系統，增設地面移動接收站；另一方面提出天基紅外系統（SBIRS）計劃，其目的是要代替美國國防支援計劃衛星。

（4）機載紅外反導探測系統

機載紅外預警和監視系統方面紅外搜索跟蹤系統是迅速探測、預警、定位和識別紅外威脅源的關鍵技術，而且將裝備在現有的預警機上，成為機載反導紅外探測預警系統。海灣戰爭期間，盡管美國國防支援計劃預警衛星能夠觀察到飛毛腿導彈的發射和飛行方面，但不能知道導彈的落點。為此，美國一方面積極改進預警衛星；另一方面積極發展機載反導探測系統，其中包括：第一，用于機載激光攔截戰術彈道導彈的助推段紅外探測系統；第二，用于攻擊戰術彈道導彈發射車的紅外探測系統；第三，用于巡航導彈發射的預警紅外系統；第四，正在研究把預警衛星和機載紅外焦平面陣列傳感器的數據融合問題；最后，紅外探測與激光測距相結合，提高定位精度。美國機載反導探測、跟蹤、預警技術正在從單一雷達探測向紅外、激光探測方向發展。

隨著高技術武器裝備的發展，從總體上看，光電子武器裝備正朝著智能化方向發展。目前世界上智能化程度最高的武器裝備，不僅能自動尋得攻擊目標，還具有一定的邏輯判斷、推理和識別能力。在實施攻擊時，不僅可以準確的命中目標，而且還可以進行協助判斷、多目標選擇和自適應抗干擾，在選擇命中點時，能自動尋找目標最易損最薄弱或最關鍵的部位，以獲得極高的作戰效能。除智能化方向外，無人駕駛戰車、無人駕駛飛機和無人駕駛潛水艇等方向都是21世紀武器裝備必將發展的方向。所有這些支撐技術都是光電技術，如紅外熱像儀、激光雷達、電視攝像機、光計算機、光神經網絡等。美國機器人技術有限公司董事長羅伯特·芬克爾斯坦說：“軍用機器人的應用有可能改變戰爭的性質。”在地面作戰中，可能會出現“機器人部隊”。甚至有人設想，未來戰爭中的突擊部隊將是一支遙控的機器人裝甲部隊，跟隨其后的才是由人組成的部隊。

光子時代已經到來，光子技術將引起一場超過電子技術的產業革命，將給工業和社會帶來比電子技術更為巨大的沖擊，國際上光子信息處理器件的產值將達到可與電子信息器件產值相比擬的程度，到21世紀中期，光子產業將超過電子產業的規模和影響。所以說，光電子產業是21世紀的支柱產業。展望未來，光子學與電子學將更緊密合作，互為補充，相互促進，把未來信息社會推向新的發展階段，為人類美好的未來做出更大的貢獻。