未来光子学设计基础-光子学设计基础：原书第2版

在前面章节已经阐述了光子、电子的性质及其与物质和在物质内的各种反应。

已经介绍过，尽管目前还缺少对基本过程的量子性质进行全面理解，但是，对光子学的了解程度足以使研究人员不仅能够设计光子学系统和器件，而且还可以预见新的现象：已经形成了一种“启发式”理论，能够很好地为当前的技术目的服务。

作为信息革命，光子学技术当今发展得非常迅速。极其多的信息需要收集、传输和处理，以满足工业、事业、商业、娱乐、教育和政府部门的需要，大量的信息流和可访问性几乎改变着社会的整个结构，使其朝着更好的方向发展。

信息革命的需求已经导致上述各个领域对光子学的应用：收集信息用的光学传感技术，传输信息的光学通信，以及数据简化用的光学信号处理。未来，根据当前趋势预报短期（约5年）的发展不会太困难。信息收集将得益于比较先进的光子学传感技术，尤其是分布式光纤传感技术，确保提供空间和时间方面的信息以便理解、监视和控制结构的各种属性。智能材料技术与光子学技术相结合将导致自调节、自补偿的人工制品，从连续变化的飞机形状到抗震大楼和桥梁，范围非常之广。

为了实时地利用和分享以该方式收集到的所有信息，除了将这些信息传输给事业、商业、工业、教育、媒体传播、娱乐等外，当前的光纤通信系统竟会变得越来越复杂和更为快速。一直在研究40Gbit/s的系统，并且140Gbit/s的系统也在考虑之中。毫无疑问，相干系统、光孤子系统和光子晶体光纤将相当快地对这些未来的发展有所贡献。

为了开关这些通信系统的多个通道，并将远端的信息处理成所需要的形式以便利用，需要快速的光学信号开关和处理装置。目前，这些设备都比较慢，对速度的限制很大程度上源自材料有限，很难找到合适的材料，这些约束造成当前发展的瓶颈。下面，将专门讨论这个问题。

对于短期应用的预测是非常有自信的，在信息的收集、可访问性和流动方面会有重大发展，将给娱乐（交互式）、教育（以软件为基础）、医药（即时访问最好的建议/处置）、法律（同上）等方面更多的社会便利。简言之，这些发展将会由信息流替代人流（即，来去学校、工作场所、医院/诊所、法院）。人们的生活将比目前状态更为便利，而且社会发展仍以当今状态为基础。如果基于现在展望未来，假如一些新的光子学材料已经可用，全新的传输、开关、网络和存储项目的研发都可实现，那么未来将会是多么美好。

在此，让我们马上想到的是当前这类材料领域中的研究。新型光纤将使低色散、低衰减通信遍布全球，内置光纤放大器完成“中继站”功能。但是，真正的突破是量子级新材料性质的“调整”。目前，多量子阱（Multiple-Quantum-Well，MQW）材料和一些纳米技术正在进行研究。在这些方面，为了按照要求将一个给定的带结构（或者其他性质）“写”（或加工）进材料中，清楚地规定了材料结构层的纳米尺寸（nm级）。因此，可以想象，研究出一些可用的材料，通过非常快速（ps级？）、灵敏、非线性现象，如光折射效应、电光效应、磁效应和某些尚未发现的效应以便高速存储、开关、处理和控制信息。(www.xing528.com)

最后，有理由希望，一个“比特”的信息将对应着单个电子中态的一种变化，至少就像一块材料中大量原子存储的许多比特一样。例如，就可以使莎士比亚（Shakespeare）的全部著作存储在一个针尖上。

显然，在能够以这样的密度存储和访问信息之前，还有很长一段路要走，非常可能要通过光子学途径达到最终目的。光子具有的非常大的优势就是能够在材料内部与电子相互作用，而不会彼此（在线性光学范畴内）反应。因此，例如利用光折射率材料内没有相互作用的光子流的特性，可以使多种光电子过程同时出现。

这些过程完全打开了光子“并行处理”的可能性，许多处理功能同时出现，从而导致计算速度有巨大提高。的确，非常清楚地，人脑就是用这种方式工作的，因此有时并行处理系统又称为“神经网络”。

被称为“神经元”的生物开关控制着人脑中各个信息的位，人脑的巨大（信息）容量，即人类智慧本身，似乎并不太依赖这些开关的速度，而是它们相互交连的超常复杂性。当然，关于人脑的工作原理还有非常多的内容需要理解。但是，如果初步理解基本正确，就有可能建造一个非常高速的神经计算网络。这或许比人类有更高的智慧（无论哪一方面），或许使用有机光子学材料。

无论这种可能性的道德、宗教、伦理、哲学或者医学含义是什么，很明显，沿着这个方向进行研究，或多或少会促进社会突破目前状态，使用光子学机器人完成大部分重复性、功能性的任务及光子信息存储/访问流，不再需要人力或物力。那么，光学计算机可以改变社会。

所有这些事情在下一个50年就有可能发生。如果适当地管理和促进这些进步而使人类受益，就应当对全体人类广泛传播光子学知识，作者希望本书有助于这方面工作的开展。正如您所承担的社会责任一样，光子学学科也背负着同样的责任。