从电子学到光子学

1883 年，爱迪生(Edison,ThomasAlva1847～1931)在一次改进电灯的实验中，将一根金属线密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了灯丝与金属线之间的空隙。1884 年，他取得了该发明的专利权。这是人类第一次控制了电子的运动，这一现象的发现，为 20世纪蓬勃发展的电子学提供了生长点。这一生长点上的第一只蓓芽就是弗莱明(Fleming,Sir John Ambrose 1849～1945)发明的整流器。弗莱明曾与电报的发明者、意大利的电机工程师马可尼(Marconi, Marchese Coglielmo1874～1937)一起工作，他把爱迪生及马可尼两位大师的发明成果结合起来，着手研究真空电流的效应。1904 年，他发明了真空二级管整流器。紧接着，1906年，美国发明家德福累斯特（DeForest,Lee 1875～1961）在弗莱明的二极管中又加入一块栅极，制成了第一个不仅可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。三极管的研制成功不愧为把电子器件用于实用的点睛之作。1910年，德福累斯特首次把它用于声音的传送系统。
     1916年，在他的主持下，建立了第一个广播电台，开始了新闻广播。到本世纪的20年代，真空电子器件已经成为广播事业与电子工业的心脏，它推动着无线电、雷达、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速发展。德福累斯特在电子技术方面拥有300多项发明专利权，仅由于其中三极管的发明，他被誉为无线电之父也是当之无愧的。电子学与信息技术的第一次重大变革发生在本世纪 50 年代。 1948年，贝尔电话实验室的肖克莱（Shockley，WilliamBrad-ford1910～)、布拉顿（Brattain，walterHouser1902～)和巴丁(Bardeen,John1908～)共同发明了晶体三极管。自此，以晶体管为基础的固体电子学得到了突飞猛进的发展。 1958 年，半导体集成电路问世，不仅使高速计算机得以实现，还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。
     其实，从电子学的建立伊始，到它的发展壮大，光子学始终在其中蕴育生长着。维系着它们的，就是二者之间的共同点——信息。从信息论的观点看，无论电、光还是声，都是荷载与传递信息的载体。当电子通信容量达到最大限度而不能继续扩大时，人们很自然地把目光转向波长更短的光波。到了本世纪60年代，光通信已成为很重要的研究领域，光子学的诞生迫在眉睫。历史似乎是在重演。本世纪第一个10年，真空管问世，促使电子学的诞生；而60年代，红宝石激光器的问世，又促使了光子学的诞生。从 20年代到 60 年代，电子器件从真空管过渡到固体三极管，随之实现了集成化，在促进电子学大发展的同时，光电子学、量子电子学也随之建立和发展起来，它们形成了现代电子学的学科群体；从60年代到90年代，激光器从谐振腔体型向着固体半导体激光器过渡，随之实现了光子器件的集成化，不仅促使了光子学的大发展，非线性光学、纤维光学、集成光学、激光光谱学、量子光学与全息光学也形成了现代光子学的学科群体，目前它们正在蓬勃发展之中。电子学领域中几乎所有的概念、方法无一不在光子学领域中重新出现。
     电子学和光子学分别用于电、光过程的控制及信息处理，它们都在扩展与延伸着人类的体能与智能，在信息学与信息工程学中，它们都居于核心与统治地位。然而，仔细翻阅历史却发现，历史却并没有简单地重演。电子电路不能在同一点重叠相交，这种空间的不共容性限制了密集度的提高；集成电路的平面结构只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，要使信息贮存密集度再提高 4 个数量级，实现非定址的联想记忆(associative momery)，以发展人工智能，必须发展三维并列处理机构。与电子学的这些局限性相比，光子学的信息荷载量要大得多，光的焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波、微波短得多，经二次谐波产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。电子开关的响应最短为10-7～10-9秒，而光子开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子属于玻色子，不带电荷，不易发生相互作用，因而光束可以交叉。光子过程一般也不受电磁干扰。光场之间的相互作用极弱，不会引起传递过程中信号的相互干扰。这些优点为光子学器件的三维互连、神经网络等应用开拓了光明前景。
     早在30年代，就有人提出了“光子学”的设想。由于找不到光学非线性效应特别强、响应速度又特别快的材料，这一设想竟然几十年未能实现。近年来，人们在无机半导体和有机高分子材料中发现了要寻找的目标，已制成诸如混频、调频、开关、逻辑、存贮和限制器等一系列光子器件。光计算机是在探索与发展光信息与处理技术中的重要研究课题。多种光信息处理系统和光学模拟运算，不仅已经实现，并在综合孔径雷达和光学图象去模糊等领域得到了成功的应用。1990年1月，贝尔实验室研制成功第一台数字化光处理器，其光开关的速度已达到每秒10亿次，它是实现光计算机目标的征途上迈出的重要一步。下一目标是实现具有识别、推理与联想等人工智能特点的光计算机。近年来，光学人工智能的研究已经起步。1982年霍普菲尔德(Hopfield)研制成功第一个神经网络的物理模型，并在光学模拟系统中得以实现。
     在光信息存贮方面，光盘的数据存贮密度高、可靠性强、误码率低、存贮信息类型广、适应性好，便于计算机处理与查询，既可进网实现资源共享，又可便于个人使用，还有价格低、复制方便等特点。光盘的研制成功为解决当今信息膨胀危机起了至关重要的作用，它被誉为本世纪，继汽车、电视和微机之后的又一重要发明。无论光纤通讯系统、光计算机还是其它光信息处理系统，都面临小型化与集成化的发展方向。光集成和光电集成器件将成为今后各种光通信系统的重要核心部件。虽然光计算机目前还处在多条途径上的探索之中，但是，一旦所采用的功能元件、算法及体系结构确立之后，必然会像电子计算机那样，采用不同集成度的集成光路和集成光电回路，目前它们已成为发达国家优先发展的领域。现在，许多高科技技术与高科技产品中，大多是光、电、机、算结合的产物。光子学与电子学无论在理论研究，还是在工业技术的发展中，它们都在相互依存与补充、相互渗透与促进着。光子学与电子学的结合有着相当广阔的前景。