光辉奇迹 - 彭博社

嵌入在跨越佛蒙特州威诺斯基河的新大坝中的是四英里的光纤。激光光束在其中快速穿梭，将在故障发生之前很久就警告出应力和压力。事实上，在四月下旬，光纤传感器就提醒大坝操作员一个即将断裂的涡轮齿轮。

在宾夕法尼亚大学的实验室里，科学家布里顿·钱斯和阿尔君·约德解读了当无害的低功率激光束穿过人体时产生的混沌光模式。他们的目标是基于光的医学成像，能够比今天的磁共振系统更便宜地检测脑肿瘤和其他疾病。

激光束在AT&T贝尔实验室的房间中闪烁，艾伦·黄正在设计一种通过光而非电子传输数据的计算机。他最新的光学处理器可以运行洗衣机。“我们已经从疯狂走向不可能，再到不切实际，”黄说。他相信，总有一天，他的技术将催生出惊人强大的计算机。

在短短几十年内，硅芯片的巨大力量将世界的许多地方从工业革命带入信息时代。许多科学家认为，下一次伟大的飞跃将来自一种称为光电电子学的技术——光与电的结合。一旦完全利用，他们说，光将极大提升通信和计算机的速度，并带来从大气到人体的全新探测方式。市场研究公司Strategies Unlimited的总裁约翰·戴说，这些可能性“真是令人惊叹”。“我们正在从电子的世界走向质子的世界”——光的最基本单位。

这种奇妙的光已经开始塑造日常生活。每小时，数百万的声音和大量的数据通过光纤线路以光子的流动快速传输。每当你使用激光打印机、在有条形码扫描器的商店购物、凝视笔记本电脑或听麦当娜的光盘时，文字、购买、数据和旋律都是通过光束传递的。来自AT&T、惠普、索尼、NEC、富士通以及无数小型创新者的光电设备销售每年增长15%，预计到1993年将总计390亿美元，光电行业发展协会（OIDA）估计。“光电技术正成为信息时代的支柱，”贝尔科尔（Bellcore）研究与开发部门的高级官员阿尔帕德·A·贝尔赫（Arpad A. Bergh）说。“没有它，我们无法收集、存储或传输信息。”

然而，光电时代才刚刚开始。正如1960年代从单独的晶体管连接到成千上万的晶体管刻蚀在硅芯片上那样，光电技术也准备从单个激光器和设备“向集成电路技术”迈进，伊利诺伊大学光子学先驱尼克·霍洛尼亚克（Nick Holonyak Jr.）说。在贝尔实验室、贝尔科尔和其他设施，科学家们正在构建包含数千个微型激光器的原型芯片。这些芯片将不再依赖于通过微小电线流动的电子，而是通过每秒闪烁数百万次的激光来发送和接收信息。

预见到这样的进步，克林顿政府将全国范围内的光纤“信息高速公路”作为其技术政策的核心。同时，五角大楼也在光电技术上投入数百万，用于军事装备和如平板显示器等民用衍生产品。

这两项努力都受到与日本的激烈竞争的推动。基本的光电发明是美国制造的。但今天，日本在CD播放器、CD-ROM和平板显示器市场上占据主导地位。它正在投资数十亿美元用于尖端研发，并计划到2015年将每个家庭和企业与光纤连接起来。“日本正在把国家的未来押在光电技术上，”波士顿地区激光制造商Schwartz Optics研究部门副总裁彼得·F·莫尔顿说。

拦截。考虑到潜在的收益，这样的承诺并不令人惊讶。仅在电信领域，用光子替代缓慢的电子设备和铜线可以将传输线路的容量提高10,000倍。同样的方法可能使今天的计算机相当于T型车。在IBM、AT&T、马丁·玛丽埃塔和霍尼韦尔，工程师们正在构建混合系统，其中光束取代连接芯片和计算机的电线。AT&T CommVault Systems的总裁斯科特·R·尼尔表示，计算机内存技术也将迎来重大进展。“革命这个词被过度使用，但它正在发生。你将能够在一个盒子里存放比全世界所有书籍所包含的信息还要多，并在几秒钟内访问它。”

这项技术的影响将远远超出这些。未来十年将带来监测工厂过程的光传感器，发现建筑物和其他结构的压力，或探测潜艇。在汽车中，光学传感器可能控制发动机性能并帮助避免碰撞。综合来看，东京的分析师预计到2010年，仅日本的光电销售将超过3000亿美元。由于这项技术，“21世纪将是一个非常不同的地方，”贝尔实验室光电研究负责人菲尔·安东尼沉思道。

过度炒作？这仍然是一个推测的问题。正如任何新兴技术一样，“我们的预测几乎肯定是错误的，”贝尔实验室物理学家大卫·A·B·米勒说。当半导体激光器——光电子学的一个基石——在1962年被发明时，几乎没有人预料到它的首次大众市场用途会是通过复杂到“我们不应该让普通人购买它们”的CD播放器来听音乐，贝尔科尔应用研究副总裁罗伯特·W·拉基开玩笑说。尽管如此，拉基和其他人仍然怀疑光电子奇迹的愿景是否大多只是炒作。“光子学是如此美丽，它一定对其他事情有好处，”他说。“但我不知道是什么。”

对于这项技术的支持者来说，拉基的怀疑让人想起那些称电子集成电路不可能的悲观主义者。但很容易理解他的立场。要研究这项技术的细节，就要进入一个由奇异材料和深奥设备构成的世界，这些设备在量子力学的颠倒规则下运行，光同时作为粒子（或光子）和波动存在。

从最简单的角度来看，光电子学涉及将电能转化为光能，然后再转回，主要通过半导体材料的奇迹。通过对其结构的复杂工程，诸如砷化镓等半导体可以在电流通过时发出光。这些设备中最简单的是发光二极管（LED），于1961年发明。如今，每年生产200亿个，用于从手机上的闪烁灯到新车上的高位刹车灯等各种用途。

下一个进展发生在1962年。最早的激光器需要一个红宝石或笨重的气体管来产生光。为了制造更小的设备，IBM、GE和其他实验室的研究人员在半导体中微小的光产生区域的两端放置了镜子。当光在镜子之间来回反射时，它被放大，直到足够明亮以透过一个镜子发出光束——并产生单一波长或颜色的纯光。这种设备的大小与盐粒相当，是一种半导体激光器。今天，这些激光器是CD播放器和许多其他产品的核心。

半导体激光器也是光纤传输的引擎。通过贝尔实验室的安东尼所称的“自然的意外”，其中一些激光器在光纤最透明的红外波长下精确地产生光——这种特性使它们能够在很远的距离上传输数据。然而，直到最近，仍然存在一个瓶颈：光脉冲在光纤中传播时会衰减。因此，每35英里，它们会被转换回电力，放大，再转换回光，并重新发送。

随着光放大器的发明，这一限制已经消失。1986年，作为贝尔实验室新研究员的埃马纽埃尔·德苏尔维尔在尝试制造这种设备时，他的老板们持怀疑态度。然而，德苏尔维尔坚持不懈。在英格兰和日本的进展基础上，他在玻璃光纤中掺入了一种稀土元素铒，并设计了一种方法，可以从外部激光器持续向光纤中注入能量。这增强了光脉冲的亮度——并结束了对电子中继器的需求。因此，显著更快的光纤网络成为可能——光基计算处理也是如此。德苏尔维尔的设备“即将彻底改变这个行业，”贝尔实验室光波系统研究主任丁耶·李说。

‘通过光飞行。’ 在所有这些中，最热衷的追随者之一是国防承包商。在过去十年中，休斯、波音、霍尼韦尔和洛克希德开始或加强了光电研发。洛克希德-波音F-22战斗机和波音-西科斯基Comanche直升机将使用光纤在其各个系统之间传输大量数据。此外，五角大楼的高级研究计划局（ARPA）和一些公司希望用“通过光飞行”系统替代电子控制。两种方法都将节省重量，并保持信息不受其他设备、闪电或核爆炸的电磁干扰。

国防公司还在为雷达开发传感器和光电组件，这些雷达敏感到可以从卫星读取车牌。他们还在创造“智能”翼，能够传递危险的应力——例如，通过分析激光光线的吸收或散射的传感器。洛克希德公司的一个系统通过反射空气中的尘埃颗粒的光来探测风切变，这种剧烈的下沉气流可能导致飞机坠毁。

基本上同样的方法也被应用于监测血糖等医疗工作。事实上，当惠普公司的马克·钱德勒去年开始评估该技术在生物医学中的应用时，他“对市场机会的规模感到惊讶，”他说。该小组预测，到2013年，医疗市场将超过100亿美元。激光已经被用于清除堵塞动脉的斑块和进行手术。现在，它们在成像方面显示出潜力。“我们可以大幅降低医疗成本，”宾夕法尼亚大学的布里顿·钱斯说，他认为光电检测脑肿瘤的成本可能比磁共振成像低99%。”

然而，光电技术的最大影响可能在于电信和计算。即使光纤网络扩展到家庭——例如，新泽西贝尔电话公司计划在2010年前覆盖所有客户——它们的容量将会飙升。在纽约州约克镇的IBM托马斯·J·沃森研究中心，科学家们正在创建一个惊人强大的光纤网络，计划在1990年代末推出。他们的关键创新是增加通过光纤传播的光波长数量。现在，光纤仅携带单一波长或颜色的光脉冲，就像一条单车道的高速公路。使用一组激光器，每个激光器产生略微不同波长的光，可以在同一光纤内创建数千条车道。

拨号获取数据。每个通道足够大，可以在一秒钟内发送《大英百科全书》的内容。因此，该系统的整体容量将是巨大的——足以深刻改变通信业务。如今，客户通常按位向电话公司支付费用，将信息转换为光脉冲并通过光纤系统传输。但是，IBM的高级光网络经理保罗·格林所称的“愚蠢、黑暗”网络，企业可以简单地以固定费用租用未使用的——或黑暗的——光纤。它将使用自己的激光器发送数据，就像在一条私人高速公路上。

光电技术还将帮助解决一个随之而来的问题：如何存储如此庞大的信息量。光学CD-ROM，其中激光在磁盘表面刻蚀信息为微小的凹坑，提供了今天软盘容量的100倍。这解释了为什么自1990年以来，计算机CD-ROM驱动器的销售量翻了一番。而光学存储的潜力几乎没有被开发。IBM及其他地方的科学家正在设计方法，使凹坑更小、更紧凑——包括使用发出短波长蓝光的激光器——以将磁盘存储容量提高三到四倍。

更具异国情调的解决方案在前方。位于德克萨斯州奥斯丁的微电子与计算机技术公司（Microelectronics & Computer Technology Corp.）的研究人员成立了一家公司，名为塔玛拉克存储设备公司（Tamarack Storage Devices Inc.），以商业化一种全息存储系统。该设备将两束激光照射到一种在光照射下会发生化学变化的材料上。就像交叉船只的波浪一样，光波相互干扰。结果是形成一种独特的波形模式，或称全息图，能够存储信息，并可以通过另一束激光检索。这项技术提高了存储容量，并加快了数据访问时间。“它可以替代软盘、磁带驱动器、CD-ROM，甚至一些硬盘，”塔玛拉克总裁约翰·斯托克顿（John Stockton）说，他希望第一批产品能在明年上市。

没有电线。光电子技术也承诺提供移动这庞大数据所需的计算能力。在1980年代，一些研究人员开始为纯光计算机奠定基础——完全基于光的机器，内部没有电线。在这些机器中，数据将完全通过相互交叉而不干扰的光束进行传输。光计算机的梦想依然存在：贝尔实验室的黄博士（Huang）已经构建了一种全光处理器。而在1月份，科罗拉多大学的研究人员展示了一种基础的光计算机，能够进行简单的数学运算。然而，为更复杂的任务编程仍然很困难。因此，实用版本仍需数十年才能实现。

与此同时，大多数研究人员已转向一个更容易的目标——一种结合电子和光学的混合计算机。“合理的选择是光电子计算，”加州大学圣迭戈分校的工程教授萨迪克·C·埃塞纳（Sadik C. Esener）说。IBM、马丁·马里埃塔（Martin Marietta）、霍尼韦尔（Honeywell）和AT&T成立了光电子技术联盟（Optoelectronic Technology Consortium），获得了来自ARPA的800万美元资金，以开发处理器、两个存储单元和机器通信端口之间的光连接。这种所谓的光背板将消除当前机器中的接线瓶颈，使其运行更快。“许多人认为这将是系统设计中的下一个趋势，广泛应用于超级计算和高速电信，”马丁·马里埃塔在纽约锡拉丘兹的电子实验室光电子部门负责人大卫·刘易斯（David Lewis）说。

光电子技术也为计算机处理信息的方式带来了根本性的变化。“真正的优势在于，图像而不是比特是信息的单位，”普渡大学物理学家大卫·诺尔特说。“一幅图像可以包含10亿个比特。”例如，为了匹配指纹，计算机现在通过比较构成每幅图像的数千个单独像素或点来寻找两幅图像之间的相似之处。相比之下，光处理器可以叠加两幅图像并立即发现相似之处。科罗拉多大学计算机科学家克里斯蒂娜·M·约翰逊正在利用这一点设计一种光学芯片，可以在宫颈涂片中识别癌细胞。

这些大胆想法面临的主要障碍是复杂性和成本。由于当前的激光器从芯片的侧面发光，因此每个激光器必须从母体砷化镓晶圆上切割出来，然后用大约人类头发宽度的光纤手动对齐——这是一项昂贵的工作。更好的方法是从单个激光器转向集成系统。

这一飞跃将需要一些魔法。在科罗拉多州博尔德的初创公司Photonics Research Inc.，联合创始人杰克·L·朱厄尔与贝尔核心公司的研究人员合作，采用从芯片制造中改编的技术，制造一种新型微型激光器。这些激光器从晶圆向上发光，使得能够创建数百或数千个激光器朝同一方向发射，形成强大的光束。此外，将这一激光阵列与相应的光纤阵列对齐的工作应该简单得多，从而大幅降低制造成本。“改进设备的市场数量巨大，”朱厄尔说。这些市场包括激光打印机、计算机的光学存储和先进的电信网络。

鹰眼。另一种有前景的计算机技术涉及所谓的智能像素——带有激光器和晶体管阵列的芯片——它们使用数百或数千束光束发送和接收信息。这些混合设备已经能够进行一些基本的处理，例如在网络中将信号从一条路径路由到另一条路径。在贝尔实验室，米勒的团队已经构建了能够以每秒处理一亿比特的实验性智能像素。非常快速的传统芯片也能做到这一点。但智能像素的优势在于它们可以包含数百或数千个以该速度运行的通道。因此，它们应该能够使构建更快的混合光电计算机和更快速的高速交换机在通信网络中成为可能。智能像素还可以用于能够匹配指纹或作为自导车辆“眼睛”的计算机视觉系统。

智能像素是朝着实用集成光电电路迈出的重要一步，但它们仍然难以制造。例如，贝尔实验室的设备是由复杂的晶圆制成的，这些晶圆经过处理以制造晶体管和激光器。另一种方法使用不那么特殊的晶圆和一种称为选择性区域外延生长的技术。科罗拉多州立大学的电气工程师亨利克·特姆金表示，这种方法允许在同一芯片上分别制造激光器和晶体管。他预计这一技术需要几年时间才能完善，但预测它将大大降低制造许多光电设备的成本。

一些研究人员甚至试图从硅本身中引导出光。如果这成为可能，制造商可以在不使用如砷化镓等昂贵且难以处理的材料的情况下制造光电设备。到目前为止，科学家们通过在硅中打孔或用硫或锗掺杂，然后施加电流，获得了一些光线。但他们仍然对芯片内部发生的事情一无所知。“我们在寻找突破，”罗切斯特大学的光学教授丹尼斯·G·霍尔说，他正在研究硅中的硫。他补充说，过去的一个教训是，在光电领域，合理地期待新的发现。

单独来看，这些进步每一个都只是一个小的飞跃。举例来说，当光纤取代计算机中的电线时，这可能并不明显——除了机器的工作速度会更快。但光电子的显著特征是它的巨大广度。它将涉及从医学到战争的方方面面。随着这项技术的逐步应用，视频电话上的图像质量将显著提高，数据库能够容纳的信息量将呈指数级增长。由更智能材料制成的飞机将更安全，医疗设备将更好且更便宜，直到有一天，光电子将引发一场与硅芯片所带来的革命一样深远的变革。