目前蜘蛛网般的光学纤维开始把全世界的城市连结起来。利用头发丝细的玻璃纤维高容量传输光子的通讯网络代替了铜导线中传输电子的线路。

国际电话和电报科学家查理 · 凯欧（Charles Kao）曾先驱性的发展了光学纤维通讯，他坚信到21世纪初期这种通讯网络传输信息的容量将比现在使用的体系大1000倍。凯欧写道，“光学纤维通讯将开阔我们的视野和思维，把我们的视力和思考延伸到地球的每一个角落，乃至超出我们居住的星球。”

但是这种引人注目的新的通讯方式，即通妇：纤维作为光的通道还有一些发展中的问题：目前连接电话，电视和计算机系统的光学纤维硬件还要与带有分立的电光元件、像光发射二极管和探测纤维光学信号的变换器的常规电子学器件组合。这样一种混合体系带来许多困难：它必须把电信号转变成光波信号或相反的变换。只有传送光脉冲时，你的电话才能呼叫或计算机的数据传输才可免除电的干扰，但是只有在金属导线中传送的电信号才能被储存。同时与光学纤维相比，电光部分显得过于庞大。那就意味着在肉眼几乎看不见的纤维之间存在着校准和振动问题。

但是，目前在实验室中发展的一种异乎寻常，并崭露头角的新型集成光学线路可以解决这些问题。集成光学线路在单块小型晶片上可以把电学和光学部分结合起来。它们可以与普通的微电子学线路相比，微电子学线路是在硅单晶片上布上缩小的变换器和其他元件。在这种新的光学线路里，光源和用于编码、开关、放大、探测和处理光波信号的元件以另一种办法在微小的基板上形成。

发展集成光学或者集成光学线路的工作十年前就开始了，当时光学纤维就已显示出有希望用于电话通讯。在贝尔实验室，美国电话和电报的研究支柱，许多品种的集成光学线路已制造出来。一年多来只有少数几种可以用在电话网络中。但是贝尔波导研究实验室主任斯图尔特 · 米勒（Stewart Miller）告诉我，八十年代中期到后期大多数品种准备使用。集成光学线路同样用于军事方面处理雷达信号，并且某些研究人员已开始把这种器件用于计算机逻辑和记忆线路。

混合型线路和单块集成光学

用于制备集成光学的技术与制备微电子学集成块的技术是十分类似的：用掩膜来完成需要的线路图形固定在基板材料上。光束或其他粒子束通过掩膜曝光基板上光敏抗蚀材料，然后用化学试剂或离化气体腐蚀掉曝光的抗蚀材料，露出线路的图形。假如需要的话可以增加几层材料和图案，以增加传输信息的容量。

微电子学和集成光学之间另一个对应是：两者都经历了从混合型器件到所谓单块形式的演变和发展。在此过程获得令人惊奇的简化。早期混合型集成光学线路边长可以是0.3英寸，它所以叫混合型是因为线路在一单块基板上用各种材料制成的。相反单块的线路可由相同材料组成，可以集成在每边0.02英寸的晶片上。

虽然集成光学线路处理光波和微电子学集成块操作电荷，但是它们的工艺可以重叠。例如在一块带有许多光学线路的微小晶片上制成的集成光学器件可以有许多半导体激光器，光变换器和其他的固体线路。

集成光学线路用于激光器可谓天配良缘，激光器是高容量通讯系统的起点。在一个像砷化镓那样的薄膜基板上制成的半导体激光器像一个矩形的波导管（在基板上一个波导管与一根光学纤维相对应，从而使光波限定在一个很窄的通道里）。另外几层半导体合金包裹着波导管。当通电时，每一个半导体激光器可以产生具有精确波长的三互激光输出——这比太阳表面的光还强。这个激光能够调制成十分高的频率。

在一块晶片上能够形成许多个激光器以用于多个通讯通道，这差不多与制备单个器件一样容易。贝尔实验室把18个激光器一个靠一个装在一个研究器件上。这样一个激光器方阵大约270微米宽、差不多是一个针头的1/4。这样一排激光器假如有一个坏了，随时可以换上备用的一个。像布拉格反射器那样一种结构可与激光器组合起来，以保持激光有精确的输出波长。日本研究人员利用这种技术采用六个激光线路来产生六个预定的波长。因为光学纤维能同时传输许多不同颜色而被编码的光波，因此这样的集成光学线路极大地提高了每根光学纤维的容量。

因为激光能够用信号直接调制，当几个集成光学器件同时存在时，可以在激光产生后通过编码送入一个光束中。像LiNbO₃这种电光材料上的电极可用来改变材料的折射指数和变更通过它的激光的波长。然后这些变换再被探测，解码成各种光波。用LiNbO₃和相同技术同样能偏转一个光束进入各种传输光路，如不同的光学纤维。

在过去的电话网络里通过转播才能完成的事情，在将来的系统中只要使用GaAs基板上微型开关矩阵就可以实现。在贝尔实验室研制的这样一种开关矩阵里，制造的波导管彼此平行好像一对对精密的铁路导轨。在穿过这些波导管的一个电极上电压的变化能导致光跳出波导管，或者从一个通道转入另一个。

在许多实验室研究集成光学线路的焦点是能够处理长波的光（2 ~ 20微米），以取代目前用于某些集成光学系统短波长的光。比较长波长的光在光学纤维中损失比较小。为了探测被减弱的信号，放大和转播它们无需中继站。先进的光导纤维系统将采用单模的这样一些光波，所用的光学纤维是如此细，以至于只有单束光才能通过它们。这容许更高的调制频率（能够运载更多的信息），因为其他光不能产生失真的信号。最新的多模系统利用比较厚的光导纤维和传播许多相干光束。

集成光学正飞快地扩展到非电话领域。威斯汀豪斯已经制成系列化的军用器件，用来识别雷达频率。这样一些器件取决于各种信号和光波在一块集成光学的基板上相互作用。同样，实验光学器件也研制出来了，并用作计算机的逻辑功能元件。这些光学逻辑器件最终将发展成以光速运转的计算机。集成光学正加速铺设达到这个处理信息最终速率的希望之路。

[Popular Science，1982年第5期]