电路芯片至今发展得相当完备。一个更新的进展是处理集成光路。现在正在研制能同时处理光和电的光电子集成芯片、从而使一系列的光开关能够成为计算机的基础元件。

在过去几年里，当失业人数不断上升的时候，一种崭新技术的需要却为人们提供了就业机会。这种新技术需要能处理光子线路的光电子工程师，他们工作的方法与电子学工程师运用电子和集成电路进行工作的方法大体上相同。这个新技术领域被称为集成光学，它们是淀积在平面衬底上、具有电学和光学特性的薄层线路。工程光技术已经能进行简单的信号处理和实现逻辑运算功能。实际上，尽管采用光子技术的元件的进展是与光纤通信的发展紧密相连的，但这些元件可以形成数字式光计算机的基础。

集成光学的诞生可以追溯到1965年，可是直到1969年，研究刚进入光纤通信领域，贝尔实验室的斯图尔特 · E · 米勒（Stewart E. Miller）才创造了这个术语。从那时以来，已经发展了几代光纤通信系统。最早的一代，在不设转发器的情况下，通信只限于几公里距离之内。它们能应用于工业遥测装置、计算机局部网络、闭路电视或光缆电视以及飞行器的控制系统中。

第二代光纤通信系统可靠的传送距离超过十公里而无需转发器。并且沿着一根光导纤维，能够传输两千或更多路的电话。最新的一代不需转发器能在大于几十公里的距离内传送更多的信息，它们目前被安装在公用长途通信线路上使用。这种最新的系统与先前的几代不同，它们使用的光导纤维的纤芯要细得多，直径只有5 ~ 10微米。这种光纤叫做“单模光纤”，因为它们仅以光波的电磁传输基模进行传输。这种光纤只引起很小的色散，因此容许传送频带宽度更宽的信号（频带宽度是电磁波所载运的信息量的度量）。

发展集成光学的一个重要因素是它的元件势必要与单模光纤相兼容。下一代的光纤通信在很大程度上将依赖于集成光学。但是集成光器件在许多情况下是电子线路的“再创造”，它除了与光纤兼容外，还具有一些其他的优点。

电路工作速度的极限大约为10¹⁰赫兹，这使得它在传输频带宽度大于数吉（1吉=10⁹）赫兹的信号时变得困难。如果用光来代替电——实质上光也是电磁波，其频率范围在10¹⁴ ~ 10¹⁶赫兹之间——那么这种光路的速度将比人们可以想象的任何电子器件快大约一万倍。光还能以10^-12 ~ 10^-15秒的速度和半导体、透明介质相互作用，这为制成亚皮（1皮=10^-12）秒级的开关奠定了基础。

在同一光纤或器件中，可以由不同频率和波长的光波运载多种信号。这叫做“频分（或波分）多路复用”。这种技术能够比采用任何电子的方法在一条线路上传送更多的信息。多路复用还容许在一个光学系统内并行存取信息。结合高速运算，它为通信和计算提供巨大潜力。

集成光学的基本单元是波导管，它很像微电子线路中的细条形金属线。最简单的介质透明波导管是一条夹在衬底与覆盖层之间的矩形透明膜，衬底与覆盖层的折射率要比透明膜的小一些。覆盖层通常是折射率为1的空气。依靠全内反射，光被限定在膜层内传播。

覆盖层与衬底之间的不同折射率产生不对称波：导。这种与光纤折射对称的相对偏离限定膜层的最小厚度目前至少为1微米，如果单模传输可能的话。将来要是这个微米级厚度障碍不突破的话，那就会严重地，限制光器件缩小尺寸，增加密度，从而妨碍它们集成到一块微小芯片上。一个平面波导只允许光越过波导层传输。为了把光限定在一条特定的路径中，波导层被制成细条形，使能产生全内反射并避免光的逸散（图1略）。

电 - 光学效应

光路衬底的选择主要取决于光路的功能。并不是集成光学中所必需的器件，例如光束分离器、定向耦合器、开关、调制器、滤波器、波长多路调制器、变频器、激光器、光频放大器、光电检测器以及双稳态元件等，都，可以制作在同一块衬底上。

平面波导可以是玻璃的，或者是其他各向同性材料如二氧化硅或聚合物。这些材料宜于制造简单的元件，但是它们的某些特性在使用中不易改变。为了对接收到的光进行偏转、聚焦、开关和调制，必须选择某种晶体材料，这种材料的折射率在外加电场、磁场或声波的作用下会发生小幅度的变化。

借助于波导管两侧施加一个电场以改变介质折射率的方法而产生电 - 光学效应，这是最普遍应用的技术。它容易控制而且效率高。至于合适的材料，通常有二种类型：一种是不能发光的（如硝酸锂和钽酸锂），另一种是会发光的（如砷化镓和铟镓砷）。铌酸锂呈现出较强的电 - 光学特性以及优良的光学性能。但是由于大部分光路光源（例如发光二极管或半导体激光器），因此不能用电 - 光学效应虽强但不能发光的铌酸锂或许多其他类似的材料来制造。

这种情况导致了集成光学中有二种基本的光路一种是混合衬底光路，即由两种以上的衬底材料洽成一块衬底，以提供单一材料的衬底不能获得的多种功能。另一种基本形式是“单块的”或“全集成的”光路，即在同种材料的一块衬底上集成了包括光源和检测器在内的所有装置。单块光路通常由能发光的Ⅲ - Ⅴ族半导体材料制成。

图2表示了三种能用锯酸锂或砷化镓制作的基本光器件。图2b所示的这种器件作为高速开关能及时地分离在一条线路上传送的几个数据通道。当几个耦合器连在一起工作时，可实现全部的逻辑功能。这类器件的发展可以改变将来光缆电视和光电信电话局的面貌。

在马赫 · 泽恩德（Mach Zehnder）干涉仪中光束的单相位调制也可以应用电 - 光学效应来获得（参阅图2c）。当干涉仪的电极上没加电压时，光分成两路同相位到达输出端，这种情况相当于“接通”状态；当电极t加上偏压后，光在支路中发生了nπ弧度的相对相移，引起相消干涉，这相当于“关断”状态。这个过程把相位调制转换成了幅度调制。

设在马特利萨的英国电信实验室正在研究铌酸锂衬底的集成电 - 光学器件。这项工作特别针对着将来光纤相干通信系统的应用。

在过去几年里，已经开发了许多单块线路，上面集成了含有电子元件的光源和检测器。这被称为光电

子集成。光电子线路需采用Ⅲ - Ⅴ族半导体材料，以便在一块衬底上集成激光器和发光二极管等装置，这些装置带有适当的电子器件，例如为激光器提供激励以及为发光二极管放大电流的某一类型的晶体管。具有狭窄的光谱宽度和能够单模工作的半导体激光器是进行长距离传送所必需的。有几种适合于光电子集成的半导体激光器已经取得了进展。

Ⅲ - Ⅴ族半导体器件技术是十分先进的，应用这种技术的实验性小规模光电子集成已经取得成功。例如奥尔特公司和加利福尼亚技术研究所最近都宣布，他们已研制成功了一个初级的光转发器。这个单块线路在半绝缘的砷化镓衬底上集成了一个隐埋异质结构激光器、一个发光二极管和一个用作放大的金属 - 半导体场效应晶体管。这种单块结构可以把装有发射器、接收器和转发器的单块芯片直接应用于光纤通信。

然而，光子开关及其他控制元件会导致高速数字光计算机的产生吗？现代计算机系统由数量巨大的互连所组成，它的范围从肉眼几乎看不见的微电子线路间的间隔到计算机网络中遥远的距离。可是在计算中运用光处理技术还需要逻辑光路。

电子计算机电路中完成主要逻辑运算的基本元件是双态开关。在光计算机中与此对应的是双稳态光器件（BOD）。BOD能构成光逻辑线路、光存储单元以及其他一些更普通的信号处理装置如横数转换推等。它的最简单形式是法布里 - 珀罗共振腔，包恬非线性变化折射率的材料（参阅图3a）。跟激光器相同的是，当所穿过的光的半波长是共振腔光路长度的整倍数时，这种共振腔就呈现出锐谐振。而与激光器不大相同的是，这种共振腔的折射率值控制了发射——谐振时高输出，停振时低输出。如图3b传输特性曲线所示，法布里 - 珀罗共振腔呈现出双态滞后现象（激励的变化与其引起的响应之间的迟滞）。这是由于折射率改变而使输出进入或脱离谐振状态而引起的。由此可见，BOD能够在两种不同的光学状态间变换，这种双态开关提供了记忆和逻辑功能。

BOD的开关速率取决于驱动功率，但只要在一瞬间内为它提供低功率电平的势能：大约在一皮秒的时间内仅消耗10^-12焦耳的能量。像这样的双稳态光器件将远比与此相应的电子器件优越，不过还必须有待于适宜的非线性材料和合理的器件结构的问世。

应用电 - 光学效应可以使共振腔材料的折射率发生变化。像铌酸锂和砷化镓这些材料的电 - 光学效应不是线性的，能和电了反馈间路连接起来。集成光学中的这种光电子混合的BOD（见图4）已被制造出来；典型的是由在一块铌酸锂衬底上的钛扩散光波导构成，衬底的两端是镀银的解理晶面以形成光共振腔。从共振腔射出的光被放大。由雪崩光电二极管产生的电压被反馈到共振腔两侧的电极上以改变折射率，这样就使装置呈现出滞后性和双稳态性。混合双稳态器件的开关速率终究因使用了电反馈而受到限制。尽管如此，几个这样的器件连接起来组成一个复杂的逻辑线路仍是可能的。

另一方面，所有BOD都可以用某种合适的非线性光介质制造。当前研究的重点是一些吸收光以后折射率会变化的材料，例如锑化铟、硒化锌、砷化镓、铝镓砷和铟镓砷磷等等。遗憾的是这种效应通常很微弱，一般只能在低温下工作。但是对制造小型快速启闭的用于实时处理和数字计算的集成光器件的一线希望，已经大大地激发了海利尔特 - 瓦特大学和贝尔实验室的积极性。

在海利尔特 - 瓦特大学，由德斯蒙德 · 史密斯（Desmond Smith）和布赖恩 · 韦雷特（Brian Wherrett）领导的20人小组正在77 K的温度下在近红外区域里考察锑化铟，更近些时候则改在可视光区域中进行，他们已经于室温下在硒化锌干涉滤波器中发现了双稳定性。用可见光来做这件工作，可以使得人们观察到开关和滞后效应。这个组还正在研究镓铟砷和铟镓砷磷，他们使用近红外光线旨在达到与光纤通信的兼容性。为了这后一个目标，贝尔实验室也正在进行同样的研究——他们正集中精力研究砷化镓及其有关化合物产生双稳态的能力。

这项工作的前景是在BOD的研究中，把一束辅助光引入共振腔以控制主光束的谐振和发射，从而产生与晶体三极管的放大作用相似的光效应。这种光晶体管——用一束弱光束来控制另一束强光——已被海利尔特一瓦特大学的试验小组命名为“transphasor”。这种transphasor被认为是光信号处理中的基础元件，因为它赋予集成光路放大光信号的能力。

由于采用了频分复用，光学系统能并行地互不干扰地进行多信道通信。在理论上，这意味着所有的存储单元并行存取是可能的，因此可以消除拥塞现象。所以数字式光计算机潜在的优越性不单单是小于皮秒级的开关时间。

光子信息技术仍处于它的幼年时代，特别是在单块芯片上集成火量各种类型的光器件方面，目前还存在着一定的限制。在集成光路中主要的限制看来包括器件的尺寸、为达到一定强度应有的材料形状、与散热有关的功耗问题和单片集成之间的矛盾。这最后一个问题很快就可能解决，但并不会令人欢欣鼓舞，因为它在集成光路领域里不是最突出的难题。

为了克服其中一部分困难，科学家们正在不懈地努力，例如对某些有希望的有机材料已经进行调查研究，同时，人们清楚地认识到，这些障碍并不影响小规模集成光路的应用，尤其是在光纤通信领域中的应用。

此外，由光纤通信所提供的高速数据传输很可能促成某些领域的变革，由于在这些领域里使用光信号所产生的种种问题只能用光学的方法来解决。光路将以何等的速度在怎样的程度上取代传统的电子学，人们正拭目以待。

[New Scientist，1985年5月30日]