通常人們認為“光電子學”這個名稱誕生于1966年。那是在慶祝激光誕生五周年的一個會議上，有人提出，代表光學領域的權威學會，美國光學學會（OSA）和微波通訊方面最有影響力的IEEE，應該開展廣泛的交流合作，加快光電融合技術的發(fā)展。象現(xiàn)在的JLT，就是在這樣的背景下，由OSA和IEEE共同資助創(chuàng)建的期刊。據(jù)最新的統(tǒng)計，OSA和IEEE下LEOS這兩個學會擁有三分之一以上的共同會員，足見光電技術融合交叉的快速發(fā)展。本期的JLT旨在慶祝光電子誕生40周年，編輯邀請部分這一領域最權威的研究人員，共同回顧展望光電子學的快速發(fā)展和對未來生活的影響。和以往的專刊不同，本次�？�全部都是特邀論文，沒有自由投稿。因此所有論文具有一定的學術權威性。雖然不能涵蓋光電子技術的方方面面，但足以揭示光電子學在現(xiàn)代科學技術中占據(jù)的重要地位。下面按內(nèi)容評析如下：

一、 基本光電子技術：
1． 集成光波導材料：
   對最經(jīng)典的硅基二氧化硅集成材料，本期有篇來自朗訊長達27頁的論文。詳細總結(jié)了氧化硅波導器件的過去現(xiàn)在和未來。作者指出氧化硅是光通訊發(fā)展過程里應用最成功的集成材料，其主要優(yōu)勢是可靠性好、低插損、易與光纖耦合、集成度高、易實現(xiàn)較高精度等。對基于該材料的器件，在商用市場上占主導銷售地位的是光耦合器和功分器，這和近年來來勢洶涌的光纖到戶有密切關聯(lián)。作者也指出，更復雜的氧化硅器件如AWG等，在1990年以后的銷量也呈快速增長趨勢。而最近，一些更復雜的元器件，如VOA、ROADM等也已經(jīng)成功商用。另外，盡管基于硅基氧化硅材料的內(nèi)部控制器件，如光均衡器、脈沖整形器和解調(diào)器等卻還沒有商用化。但作者暗示它們的商用化也就在不久以后。而光集成最具代表性器件，一般認為是AWG，一方面它是集成度的代表，因為整個器件都是由波導組成。因此對一個AWG，單位面積上波導的數(shù)目會反映集成工藝的進展狀況。另一方面，AWG和不同器件結(jié)合，能實現(xiàn)各種復雜的功能。因此作者以較大篇幅回顧了AWG技術的發(fā)展。性能上主要談到了通道平坦化、色散抑制和旁瓣抑制等。應用上主要談到了基于AWG的拓展器件和系統(tǒng)，如OADM器、時域脈沖發(fā)生器、光色散補償器等等。
    對硅波導（這里主要指SOI材料），早先的吸引力主要在于其可以有效利用成熟的IC工藝來制造光器件，近年來主要是由于研究者看重了其半導體特性，試圖將有無源器件單片集成在一塊芯片上。本期有一篇來自California大學的特邀論文回顧該技術的發(fā)展。正如前面說的那些特性，決定了硅光子材料不同于氧化硅材料，其應用已遠超出光通訊的范圍。從使用方式上看，主要有基于SOI的單片集成應用，和與CMOS電子器件的互聯(lián)應用兩種。前者作者提到了Luxtera公司的最新發(fā)射機，其利用90nm的SOI CMOS加工工藝，單片集成了包括濾波器。探測器、電子放大器和驅(qū)動器等元件。但這里激光器部分仍是InP材料做的。兩部分通過鍵合工藝集成在單片上。對后者作者談到SONY的Playstation 3的游戲控制平臺就采用了類似技術。之所以采用該技術，主要是因為其25Gb/s的數(shù)據(jù)讀取能力是通常的銅線纜吃不消的。而類似技術目前的主要缺陷是功耗太大。對SOI的具體應用方向,作者主要談到：（1）無源器件，這是最通常的應用，就不多介紹了；（2）調(diào)制器：由于硅的電光效應遠低于鈮酸鋰，因此目前硅調(diào)制器主流是基于等離子體色散效應。目前Intel公司已經(jīng)基于該技術制作了10Gb/s的硅調(diào)制器；（3）探測器：這是硅材料應用歷史最久的一個領域。但由于硅在光通訊波段的透明特性，使得其做探測器很難在這一波段使用。而摻入鍺或炭等元素則會明顯增大其光吸收特性；（4）硅材料目前最熱門的一個研究方向，必定是非線性應用。由于硅的拉曼增益大約是光纖的一千到一萬倍，且由于波導高折射率差特性，能將能量約束在非常小的區(qū)域。因此可以在單芯片尺度內(nèi)利用受激拉曼實現(xiàn)光發(fā)射、放大等多種功能。這本來是偶然的發(fā)現(xiàn)，卻讓該材料在光放大、激光發(fā)射、波長轉(zhuǎn)換等眾多領域有了新的應用潛力。而這一研究方向僅僅始于2002年，顯然擁有很大的研究空間。
2． 光子晶體：
    從90年代開始，光子晶體經(jīng)歷了一個空前火熱的研究階段。這在整個光學發(fā)展過程里都是一個奇跡。所謂光子晶體，我認為最通俗的解釋就是“光的半導體”。也就是說對電子材料，存在天然的半導體結(jié)構(gòu)，即對電子－空穴載流子對，存在導帶、禁帶和價帶。那么對光是否也存在類似結(jié)構(gòu)呢，是否也存在禁帶，光不能傳輸呢？實現(xiàn)這個的載體就叫光子晶體。
   首先Stanford大學的研究者對光子晶體的理論發(fā)展做了回顧。既談到了能帶結(jié)構(gòu)計算，也談到了解析，以及嚴格電磁場數(shù)值計算對光傳輸機理的探討和仿真。作者指出，隨著對光子晶體復雜物理現(xiàn)象的揭示，許多結(jié)構(gòu)新穎的器件必將光學信息處理推向一個新的研究高度；
而京都大學的研究者主要探討了二維、三維光子晶體的發(fā)展現(xiàn)狀。對二維光子晶體，作者談到利用硅技術的成熟，能夠制作更多結(jié)構(gòu)緊湊，且光電集成的光子晶體器件。而利用光子晶體還可以實現(xiàn)大面積的單波長、單偏振激光發(fā)射。而對三維光子晶體，作者談到了制作的難度，但作者認為這是目前能夠?qū)崿F(xiàn)對光場自由控制的最好媒介；
最后德國Erlangen-Nuremberg大學的研究者回顧了光子晶體光纖（PCF）的發(fā)展、理論以及應用。在應用方面，作者主要強調(diào)了以下方面：（1）實現(xiàn)高功率傳輸，這主要利用了PCF能對所有波長維持單模傳輸?shù)奶匦裕唬?）光纖激光器和放大器，和前面類似，也主要是在大功率應用方面。特別是針對傳統(tǒng)玻璃光纖無法承受的功率段；（3）利用其內(nèi)部的非線性效應，制作相關元器件，如超連續(xù)脈沖發(fā)射、參量放大、孤子傳輸?shù)龋唬?）通訊應用。首先PCF具有很低的克爾效應，因此比起SMF，其不容易受導非線性噪聲的影響，因此具有長距離傳輸?shù)臐摿�。其次PCF制作過程靈活，很容易實現(xiàn)任意GVD設計，因此可以應用于光通訊的色散補償；（5）最后作者談到了PCF做光鑷和光傳感的應用。
3．垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的應用：
    VCSEL激光器的概念是由Tokyo Institute of Technology的Emeritus教授于1977年提出的。所以本期關于VCSEL的特邀論文來自同一課題組。作者認為當前VCSEL的市場主要面向Gbit的以太網(wǎng)以及光通訊兩個方向。同樣，長波VCSEL激光器仍是作者關注的重點。此外作者談到其它相關應用主要有：（1）快速調(diào)制，作者暗示基于GaInAs的VCSEL激光器最高可以實現(xiàn)25Gb/s的調(diào)制；（2）利用MEMs技術，實現(xiàn)可調(diào)發(fā)射；（3）利用其非線性特性，實現(xiàn)全光信號處理，例如格式轉(zhuǎn)換、相位和群速度調(diào)節(jié)等。1

二、 光傳輸：
1． 調(diào)制格式：
    關于調(diào)制格式的特邀論文來自Bell實驗室。作者首先談到了調(diào)制格式受到研究關注的背景，重點強調(diào)了網(wǎng)格狀可重構(gòu)光網(wǎng)絡的快速發(fā)展以及當前對單通道40Gb/s以上大傳輸容量要求。之后作者詳細論述了調(diào)制格式的分類。從可利用的光特征量上來看，分為強度調(diào)制、相位調(diào)制以及偏振調(diào)制。而后者由于需要穩(wěn)定可靠的偏振管理，而偏振這個量隨著傳輸距離增加，經(jīng)常又是隨機可變的，所以通常所說的調(diào)制格式只針對強度和相位。而兩者又都可以分為二進制編碼和多進制編碼兩種，再往下，根據(jù)是否歸零，又可分為RZ和NRZ兩種。而對強度調(diào)制則還有許多更復雜的子分類，如脈沖是否啁啾，是否占有較多的存儲單元，是單邊帶還是殘留邊帶調(diào)制等等。這樣一來總共便有了十幾種調(diào)制格式。但考慮到實際應用效果，真正受到關注的格式就不多了。比如由于探測器很難檢測多進制的強度信號，所以對多進制調(diào)制，通常只是對相位調(diào)制，即通常所說的差分求積相差鍵控（DQPSK）格式。類似較常用的格式還有：最簡單的RZ（NRZ）－OOK格式；為了提高譜利用率的“偽多進制”強度格式CSRZ；為抑制色散而提出的載波抑制強度調(diào)制CB和AMI；最后就是目前最受關注的差分相移監(jiān)控，如是二進制調(diào)制，則簡寫作DBPSK（或直接稱DPSK），如是多進制調(diào)制，則成為DQPSK。
2． 自由空間光通訊：
    對自由空間光通訊，盡管早先在實驗上已經(jīng)取得了很多進展。但限于成本問題，普遍認為其實用價值不高。本期MIT的研究者就這個主題有一篇文章。文章用很大的篇幅介紹了目前該技術的兩個主要革新。一個是靠使用光子計數(shù)的接收器來從物理層將通訊效率提高了一個數(shù)量級，這樣可以大大降低空間通道的要求，降低系統(tǒng)復雜性和重量，也降低對功耗的要求；另一個重要技術革新是使用了相干系統(tǒng)來避免空氣擾動對傳輸效率的影響，通過相干的處理也降低了多址干擾的影響。為了使自由空間光通訊的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更高效，作者認為有三個問題必須被重點關注，即由空氣擾動帶來的相位扭曲和退化、多址干擾和那些延誤率較大的設施。對前兩個問題，作者認為可以通過使用相干系統(tǒng)來改進性能。而對后一個問題，作者認為需要選取合適的傳輸層協(xié)議。而對兩種接入鏈路，即RF接入系統(tǒng)和光接入系統(tǒng)，作者提到，出于性價比考慮，僅幾個非常大的用戶使用光接入。而對小流量和突發(fā)接入，均采用RF接入。
3． 光網(wǎng)絡容量增長：
    對這個問題法國的研究者提供了一份非常詳細的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。作者主要統(tǒng)計了從1998年到2006年光網(wǎng)絡應用的各種數(shù)據(jù)，從而對近來光網(wǎng)絡市場做評估，最后通過數(shù)據(jù)曲線擬合，來對今后兩年的發(fā)展做預測。首先對全球網(wǎng)絡業(yè)務分類看，近年來流量增長最大的還是Internet，其增長率率為157％，相比下語音業(yè)務的增長僅為8％；而對全球IP流量，卻呈明顯增長放緩趨勢，從2000年的157％到05年的112％，而剛結(jié)束的06年，卻僅增長了22－45％左右。而對IP業(yè)務，地區(qū)增長也很不平衡，亞洲明顯增速高于歐美；再來看海底光纜的傳輸容量，增長最快的是美國－歐洲的，到06年，主干線已經(jīng)達到3Tb/s，其次美國－亞洲的海底光纜傳送量也達到1.45Tb/s。而發(fā)展最慢的則是歐洲到亞非大陸的海底光纜業(yè)務，到06年，僅達到88Gb/s；在對光纖鋪設增長率來看，近年美國的增速則遠高于世界平均水平；最后在對FTTP到戶數(shù)量來看，歐洲增長仍相對緩慢，美國已經(jīng)度過快速增長期，而日本則呈現(xiàn)高速增長。預計2010年，其使用數(shù)量將超越美國。
    此外，對光傳輸問題，還涉及到慢光、微波光子學以及偏振效應等話題。這些問題或者由于前面已經(jīng)有�？�介紹，或者由于問題過于理論化，因此限于篇幅就不再介紹這些子話題了。

三、 光網(wǎng)絡技術：
1． 光纖到戶（FTTH）：
    本期FTTH的文章來自韓國科技學院，作者首先回顧了近年FTTH的進展情況。首先作者認為促進FTTH建設進程的是視頻業(yè)務，例如近來高清晰度電視（HDTV）的發(fā)展就明顯要求較大的傳輸容量。另據(jù)Telcordia預測，到2010年，超過一半的電話公司將以視頻電話為主要業(yè)務。這都加快了FTTH建設進程。之后作者提到，隨著近年技術的發(fā)展，F(xiàn)TTH的建設成本也在急劇下降。從00年到05年，費用大致降了四倍，而單用戶的年維護費也降了125美元左右。到最近，日本FTTH用戶數(shù)量已突破兩百萬，美國突破三百萬。之后作者則詳細比較了支持FTTH的四種光接入技術，即TDMA、WDMA、SCMA和CDMA。作者比較傾向于前兩項技術。而對當前的市場，顯然TDM仍是最通用的技術。要實現(xiàn)TDM接入，主要需注意兩點，一是OLT對ONT應該有足夠精確的時間延遲信息，二是為保持系統(tǒng)高效工作，在OLT必須有能應對突發(fā)模式的光接收器。此外，對TDM一個顯著優(yōu)勢是靈活性高，即當一些ONT沒數(shù)據(jù)發(fā)送時，空閑時間段可以相對容易的分配給其它繁忙ONT。
2． 光交換：
    對光交換的回顧文章，來自California大學。作者仍高度評價了分組交換（OPS）和光突發(fā)交換（OBS）兩項技術。對兩種交換模式，作者主要從交換協(xié)議、邊界路由、應用的開關等幾個角度做論述。對各種交換技術，作者的主要衡量指標有三個，即信號質(zhì)量、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交換性能。由于這部分涉及技術內(nèi)容過多，且在以往文獻里都有過介紹，就不詳細評析了。
    此外，網(wǎng)絡這部分還有幾篇有意思的文章，例如康寧公司研究者對美國光網(wǎng)絡發(fā)展的回顧以及英國研究者對近期光網(wǎng)絡發(fā)展的預估等。但知識點多少都和以上談的的有些重合，限于篇幅也不詳細論述了。但總之這期的JLT是很難得的一期，并沒有很多枯燥的理論性文章，而都是生動有趣的回顧性評論。很值得閱讀。
作者：宋軍博士