2.3.3 光子信息处理技术
   光子学信息处理是一门研究以光子为载体对信息进行处理的科学分支，是光子学的一个主要研究领域。
   60年代初，由于发射相干光的激光器的问世以及记录和再现三维波面的全息技术的发明，使得光子不仅作为零维信息的载体而且作为多维信息的相干载体变为现实，同时也为信息的光子直接处理开辟了实质意义上的新途径，并显示出光子比电子处理的无以比拟的优点，从而开拓和迅速地发展了以图像处理为主要内容的光信息处理学科。近十年来，由于通信和计算的需要，信息的处理从模拟量向数字量转化，信息的传递从空不变到空变交换转化；由于大批生产的微电子工艺的渗人，光学元件的制作从单个冷加工工艺向大批量复制工艺转化；由于半导体光子学器件的发展，光学分立式块结构器件向集成化微结构器件转化。这些变化促使光子信息处理技术成为研究内容广泛、目标明确并涉及光学、通信学、计算机学、微电子学、材料学、生物学等的一门交叉性高科技学科。充分利用光子作为信息载体所具有的高速、高效率、高并行能力等，以完成信息处理的诸多功能，这是光子信息处理的主要研究内容，而数字化和微结构化是当代光子信息处理的主要技术特征。
   1, 光子信息处理的发展
   光子信息处理技术的主要研究内容及其发展情况可概括为以下四个领域：光信息处理，光互连技术，空间光调制器，光子系统的微型化和集成化．
   (1) 光信息处理
   以光子为载体对信息进行加工处理，目前大体上有三种方式，即模拟光学方式、数字光学方式和光电子学处理。模拟光学和数字光学处理都可分为对数值进行计算和对图像进行处理的两大应用领域。光电子处理可分为光电混合处理和光互连的电子处理两大类。
   A 模拟光学处理   模拟光学信息处理由于具有大信息容量，并行高速等特点已在光信息处理领域获得广泛应用。具有代表性的系统有：
   a, 特征识别的光学相关器   原理基于光学傅里叶变换，基本结构有两种，在频谱面上直接综合的全息匹配滤波和用特征图像变换综合的光学联合变换。光学相关器在原理、体系、光学实现等各方面进行了广泛而深人的研究，目前重点是实用化；
   b, 综合孔径雷达光学成像   综合孔径雷达的接收信号可采用扫描的方法生成二维图像，经光学傅里叶滤波后可取得物体三维数据，地面上的光学处理系统已经实用，研制低能耗的机载或星载系统将对电子计算机处理有相当的竞争力；
c, 光学神经网络   神经网络是由广泛互连的简单处理器所构成的并行、分布处理的体系，不同于编程操作的数字计算机，它具有自学习、自组织和高容错等一系列智能化处理的特点。由于光学能提供无交叉干扰的全局互连，光学神经网络已经成为光信息处理中的一门新兴学科，已对算法结构体系光学实现进行了全方位的研究；
d, 光学小波变换   小波分析是一种利用尺度和时移变化的小波对信号进行时间—频率分析的数学技术。在信号分析和图像处理方面有着重要应用。因此光学实现成为硬件实施的一条有意义的途径，其一般原理基于光学傅里叶变换，目前的研究方向是对两维信号的处理，因为这时需要四维形式的输出。
   现时在国际上具有多层网络结构的用于多目标多维特征识别分类的智能光学视觉系统成为研究的热点，结合相关识别、数学形态学探测、神经网络分类等诸多优点，有可能克服单一处理器的局限。
   B 数字光学图像处理
   图像处理的先进算法是数字化处理，而且图像从传输开始已采用数字化编码。由于光学能提供大规模的邻近域互连和非线性操作，使得基于非线性变换的数字光学图像处理得到飞速发展。目前采用的主要算法是数学形态学，基本原理是以一个几何结构核对图像进行探测，从而能实现对图像分析和处理的各种变换。光学实现的主要执行体系结构是并行处理的细胞逻辑列阵。光学实现中的光互连包括有衍射互连、相关互连、双折射互连等多种实现方案。光学逻辑门采用空间编码逻辑、空间光调制器非线性阈值逻辑或SEED双稳器件。光学数学形态学和细胞逻辑图像处理在国际上已成为一个新兴的光信息处理分支。
   C 数字光计算及系统
   以数值计算为目的的光计算研究分为专用性的光计算系统和通用性的光计算系统两大领域，数值的光学处理又分为模拟量编码和数字量编码两种。专用性光计算系统主要包括以光学矩阵运算为主导的光学代数运算器。光学矩阵运算有两种体系：基于内积的并行处理和利用啮合或脉冲结构的阵列处理．光强编码采用模拟调制或数字编码常用的和发展出的数制有：二进制，二的补码，修正符号码，混合负二进制等。列阵运算中的数字乘法一般采用模拟数字卷积法。运算和接口器件采用声光调制器，电光外积运算器或开孔模板。目前已可达到高精度大容量的计算。通用性的光计算系统的算法和体系主要借助于已有的并行计算机的算法和体系。有代表性的系统有：
   a, 采用组合逻辑算法   使用智能化空间光调制器进行运算和采用两元光学元件进行互连的数字光计算机；
   b, 采用阵列逻辑概念的两层空间光学编码逻辑的光学并行阵列逻辑处理系统；
   c, 基于细胞列阵概念的全息近域互连和SEED器件逻辑门的光学细胞逻辑阵列处理器；
   d, 为克服光学暂存器的困难，也发展了时间流存储程序光纤全光学计算系统。
   D 光电子处理
   光学处理的优点是并行、高速、无交叉干扰。而电子学处理则是串行操作，其最大特点是高度的灵活性。因此发展光子学信息处理系统的现实途径和可能的应用方向是进行光电子处理。光电混合处理系统的含义是同时进行光学处理和电子学处理。事实上上述许多光学处理系统本身就是光电混合处理系统例如其中的非线性操作、数据暂存、反馈、输入和输出或多或少使用了电子学处理。另一个典型的光电混合处理设计是视觉传感器，它由多层光学处理层和电子处理层堆栈而成，以实现视网膜的初级处理功能。
   在光互连的电子处理系统中，光学主要提供光数据的互连、交换光时钟信号的分配和能量的光束馈送等。目前有两种层次的结构，一种是多芯片的电子处理器列阵之间的光互连体系，另一种是分立式电子处理器单元的列阵之间的光互连体系。前者常使用堆栈光学或平面光学的光互连器，后者采用棱镜光学和双折射光学形式的可编程光互连交换网络。实时可重构是这些光互连器发展的主要方向。
   (2) 光互连和交换技术
   光互连技术的内容主要包括光交换网络和电子计算机的光互连，这是在信息光学中最有广泛应用前景的研究领域。对于光通信和多处理器计算机系统，光子交换网络可以提供高比特率多通道信号的高速率交换，尤其是对于全光通信网络而言光交换是必须的。在电子计算机中，光互连能提供高密度的交叉互连高比特率的传输。
   A 光子交换网络
   主要的研究方案有：在集成光学中的光波导交换开关，自由空间光学中的多级交换网络。多级网络一般由规则排布和其间的2×2开关构成。采用自由空间光学已实现几乎所有重要的多级网络。最有代表性的是用FET—SEED器件构成的光机械组装的光子交换网络和用EARS器件构成的双折射光学组装的光子交换网络。其中主要问题是，这些器件不能直接进行2×2开关操作，因此利用器件的2×1开关性构成的网络在结构上变为复杂化。使用铁电液晶空间光调制器的单级64×64纵横制网络已有产品。光通信用的光交换网络要适用于ATM数据模式，并要注意波分复用的可能。
   B 电子计算机中的光互连
包括芯片间的自由空间和波导光互连，插件板之间的自由空间和波导光互连，多处理器之间的自由空间或光纤光互连及并行计算机的光学总成．这方面的研究很广泛，结构形式很多。
   (3) 空间光调制器及光学阵列器件
   空间光调制器用于对光波面进行两维的振幅、相位、偏振的调制。按功能区分有三大类器件：一是光记址空间光调制器，主要用作非相干到相干的图像转换或非线性光阈值处理。其主要品种有液晶光阀、微通道板、PROM等。二是电记址空间光调制器，主要用作电信号到二维光图像的转换，其主要品种有铁电液晶屏等。三是智能型空间光调制器(智能象素)，主要特点是每个像元上都带有集成电路处理器，附有电子处理功能。有两种结构，一种是调制型，每个象素由光电探测器、微电路和电光调制器组成，写入光信号被探测后去调制读出光，调制器采用量子阱、PLZT或铁电液晶；另一种是发光型，每个象素由探测器、微电路和发光管或垂直腔半导体激光器组成，写入光被探测后控制发光源。智能空间光调制器是当前的发展重点。S-SEED和FET-SEED列阵器件是自电光效应的量子阱器件，具有光控光开关的作用也可用作光逻辑器件。目前重点是发展具有重要应用前景的高单元数实用化器件。以标准具为基础的光致折射率变化或光热折射率变化的光双稳器件也是一种可用于光开关或光逻辑门的重要器件，但是目前水平离实用化要求还有相当距离。
   (4) 光子学处理系统的微型化和集成化组装技术
   为了达到实用化要求，光子学系统必须具有高度的稳定性和抗环境干扰的能力，同时也必须具有低成本和大批量生产的工艺性。为此，光学器件的微结构化与复制化、系统的微型化、模块化和集成化是必须的技术途径。主要研究内容包括：
   A 光学元件的微结构化
   主要结构有：二元衍射光学元件、全息衍射元件、自聚焦光学元件、深刻蚀折射光学元件、热压和模制折射光学元件以及光折变光学元件等。
   B 光学系统的微小化
   即仍然使用分立光学元件的缩小尺寸光学系统的组装设计。例如光学相关器有许多方式的微小化结构设计，甚至采用玻璃块或棱镜填充自由空间，实现系统的固态化包装。
   C 堆栈集成
   把所需的列阵微小光学元件和光电子器件一层一层地堆叠起来，例如光电混合处理视觉识别系统。
   D 平面光学
   这是一种单块模块化集成的方案，即在一块玻璃基板内使光波折叠反射传布，在界面上刻制所需的衍射光学元件而构成一个完整的光学系统。多芯片的光互连器一般采用这种方案。又如，光学相关器的4f系统也可组建在一块玻璃基板内。
   E 双折射光学模块
   双折射晶体平板具有分束和合束的特征，利用各种标准尺寸的双折射晶体模块可以构造多种光学处理器，如光学形态学处理器或逻辑门。
   F 光机械组装
   这属于标准化的实验平台安装技术，所有的分立光学元件都安装在标准尺寸的磁性圆柱体内，安装平台开有标准尺寸的磁性槽，因此可以方便而准确的安置光学组件，高机械精度地组建光学系统，例如一些多级光子开关网络就是用这种方法组装的。
   2, 光子信息处理技术的近期研究重点
   根据国际发展趋势和国内的实践情况，近期研究重点为：
   (1) 研究和发展模块化和集成化的三维光子交换网络系统；
(2) 研究和发展多芯片用的微结构模块化光互连器件；
   (3)研究和发展专用性光计算的算法、体系和微结构集成化光学实
现，重点是数字光学图像处理；
   (4) 研究和发展能进行实时处理的用于多维、多目标的多层处理网
络结构智能化光学视觉系统；
    (5) 发展铁电液晶空间光调制器和FET—SEED器件，研制智能化铁电液晶空间光调制器。

    2.3.4 光子存贮技术
现代化信息社会对大容量、快速存取时间的存储系统有着日益增长的要求。传统的磁存储系统已不能满足需要，光子存储技术则越来越显示出优越性。
   1, 光子存储技术的发展
   光盘存储(CD-ROM)由于具有方便、易于复制和可移动性等优点而在信息技术领域拥有优势。新一代的数码视盘DVD较之CD又有进步，其存储容量达8.5Gb，数据传输速率为11Mb/s。正在研制的蓝光DVD，有望将存储容量提高到50Gb以上。
就目前而言，磁存储，特别是在现代计算机中尚有优势。磁盘是发展相当成熟的存储技术。由于它的存储容量大(20Mb~4Gb)、存取时间短(0.1ms)、存储时间长并具可擦写性等，因此在一段时间里仍将起重要作用。但它遇到的两方面的困难：一是尺寸限制，一是信噪比限制难以克服。两维数据光盘(CD)在存储密度、存储寿命等方面已显示出优势。新一代光盘(DVD)已开始进入市场，这种光盘的密度比CD高出近一个量级，它将很快成为数据存储的主流。但光盘不可擦除和重写以及在数据传输速率等方面与磁盘相比不占优势。另一方面，光盘存储由于受光斑尺寸的限制，密度提高有限，而全息存储由于其存储密度高和信息存取的并行性而具有潜在的竞争力，其存储密度可达1013bit/cm2，数据传输率容易达到1Gbit/s以上，是磁盘的200倍，而存取时间则比磁盘快两个量级以上，即在10μs 内可读取500个全息图。同时，由于光全息记录具有并行性和可实现内容寻址等特点，因此在光互连、神经网络及智能计算机等领域均有广泛的应用前景。在21世纪，光子存储有望成为存储技术的主流。
(1) 新材料、新器件为光子存储提供了发展基础和条件
   A 空间光调制器(SLM)技术的发展，为E/O信息变换提供了先进、快速的手段；
   B 快速、高灵敏度电荷耦合器件(CCD)的发展，为O/E信息转换提供先进的手段；
   C 微型半导体激光器(LD)、垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列、可调谐LD、蓝绿光LD等的成功开发，为先进的存储技术提供了可靠的光源；
   D 先进的存储材料，特别是光全息存储材料的研究开发是促成光子存储技术发展的关键。光子存储技术对材料的要求是：高的分辨率、高的再现效率、快的响应时间和长的写擦寿命。正在开发研究的材料有：电介质晶体材料(特别是光折变材料)、半导体材料、生物薄膜、有机高分子聚合物等。它们作为全息存储材料有极高的分辨率和超大容量的存储能力，具有可擦除、可重复实时写入等优异特性。
   (2) 先进的光子存储技术开发
   尽管光盘（两维存储器）极大地提高了信息存储量，但目前已接近它的理论极限值(108bit/cm2)，为满足信息社会对存储量不断以指数形式增加的要求，必须进一步开拓三维高密度光子存储的新途径。当今，实现大的存储容量(1012bit/cm2)、逐页进行信息写/读方式、可并行处理信息等是光子存储技术的主要发展方向。为此，进行了对诸多存储新机制开展了研究工作，例如：
    A 双光子吸收存储
   利用双光子效应，将一路光子载入的信息转化为介质的电子布居状态，信息被记录下来。读出时，用地址光照射所需信息的介质层面上，促使相关激发态上的电子回落到基态，发射出强度与信息分布一致的荧光，再现出记录的信息。显然，利用双光子吸收方法可实现三维存储，这正是该方法的优势所在。
B 光谱烧孔存储
通过光谱烧孔效应可将诸多信息记录在介质的同一位置上，而读出时，可依据读出光的透射频率分布再现记录的信息。由于光谱烧孔介质对频率及外加电场具有敏锐的选择性，因此在介质的同一点上可记录大量信息，实现超高密度的光子存储。
C 光子回波存储
在光子回波介质中，输入一个光脉冲，改变了介质中激发中心的电子极化方向；当这个光脉冲消失后，介质中这种极化的改变将保留一段时间。在原子能级平均相位弛豫时间内，输入第二个脉冲，它将与保留在介质中的电子极化方向改变相互作用，产生第三个光脉冲，即光子回波。这样，第一个光脉冲（信息光）所携带的信息，由第二个光脉冲（读出光）读出，产生光子回波，再现了记录的信息。光子回波同样具有波长选择性，在介质的一点上，可以记录下许多频率的光脉冲。同时，光子回波又具有时间选择性，第一个光脉冲可以是一系列短间隔的脉冲叠加，读出时，光子回波会按原时间序列将这些信息一一再现出来。利用上述光子回波的两种选择性，将极大地提高其光存储量。
D 光折变存储
在具有光折变效应的介质中射入两束光（信息光与参考光）产生干涉效应，即可写入体全息折射率相位光栅，实现全息记录。改变两束光的干涉位置，就能完成三维存储。显然，这时也可用满足布喇格条件的单束光作读出光，读出所记录的信息。由于光折变相位光栅对角度、波长等有选择性，因此在介质的同一点也可记录大量信息。另外，利用有机介质中光致异构过程，也能够产生一种类光折变效应，因此也能写入全息光栅，实现高密度光子存储。
2, 先进的光子存储系统
近年来，已研制了诸多光子存储实验系统，为光子存储技术的发展与未来展现出诱人的前景。
(1)全息数字-数据存储系统，角度/空间编码
近来研制的数字全息数据存储(DHDS)系统，可提供相当高的存储密度，与普通的CD-ROM或磁盘驱动相比，其数据存储密度高出2～3个数量级。信息以页码形式排列，存取时间比盘式驱动缩短1/10～1/100。在记录过程中，激光被分为两束：用于编码数据的信号光束和参考光束。信号光束通过一种电子掩模—SLM以方框矩阵表示数据，对应于二进制的1或0。该信号光束与参考光束在记录介质上产生干涉模式，以不同的角度和空间编码。用这种系统，已能在LiNbO3晶体中存储5000个带有灰度阶的全息图。
(2) 位移多路编码
这种方法特别适应于全息3D光盘。通过3D全息图的布喇格选择性，采用球面参考波使多个全息图记录在不同位置，形成多幅编码方式的光子存储。
(3) 光折变晶体光纤数据存储
用多根晶体光纤组成阵列。写入过程是，将待存储的电子数据通过空间光调制器(SLM)转变为相干光信号。再将此信号的傅里叶变换入射到记录介质上。同时，将角度编码、正交相位编码或波长编码的参考光也入射到记录介质的同一位置上，在同一晶体光纤阵列中记录多幅图象。然后，信号光与参考光在记录介质上扫描，以充分利用整个记录体积。读出过程是，使用与写入时相应编码的参考光作读出，读出的光信号经逆傅里叶变换入射到CCD上，再经CCD变换为电信号，送至相应的后续处理器。
(4) 大型关系数据库的体全息存储
由于信息量的迅速增长，计算机的容量不断扩大，大型数据库的需求也与日俱增。对于大型数据库，兆兆字节的数据量很容易达到。但若用全息方法来实现这一数据量的存储，则只要一块很小的晶体即可。现在，在1cm2的LiNbO3晶体面上已能存储2.11Gb的数据。更重要的是，关系数据库中的数据是以单调文件或表格方式排列的，其中每行对应一个记录，而每列则描述数据的特征。这种2-D的数据格式与全息体存储的页面方式极为接近。在光系统中，使用绿光（如532nm的激光）作光源。通过可变分束器将光束分为图象光束与参考光束，后者作为唯一编码的光束（或地址），一般多采用角度编码。图象光束通过SLM调制后，得到待存储物体的编码信息。用寻址方式读出时，用参考光照射晶体，晶体中布喇格光栅将光衍射到原来的页面，原来的页面便被图象光束探测系统接收。每一个与搜索量密切相关的全息图都在训练过的相关平面上产生一个强度峰值，它们分别对应于匹配的全息图参考光束。这些峰值点被参考光探测系统接收后送入主机，根据地址，恢复出希望的页面。与通常的联想存储不同，这种方法是先搜索后恢复，并实现多幅全息图的恢复。在该系统中再通过对交叉校验码的改进，可存储50000幅图象，有效存储能力达到500Gbit。
   (5) 医学图象的数字体全息存储
   目前的计算机X射线层析(CT)摄影与磁共振(MR)扫描虽说也可采集三维信息，但实质上，得到的不是真正的三维图象。传统的光学全息记录系统要有一个物体，一个物光与一个参考光。数字体全息记录对象可以不是物体，而是数字数据（患者的CT或MR切片的数据等）。保持参考光束不变，每一个CT或MR切片曝光一次，记录过程中移动整个投影系统，使不同的CT或MR切片位于相对记录介质的不同位置曝光，这样，不但记录了每幅数字图象的强度分布信息，而且记录了它的位置信息。再现时，各切片同时再现于它相应的位置上，因此获得了真正的三维立体图。这种数字全息图的优点是，具有透明性、透视性、结构性和交互性，可靠性也是上佳的。
3, 光子存储技术近期的研究重点
(1) 先进的光子存储材料的探索与研究
存储材料的优劣是光子存储技术成败的关键。
A 新型光折变材料及其性能研究
   包括对新材料的探索，成分与结构设计与分析等。有机光折变材料有重要应用前景，需要深入研究其光折变机理；
B 新型光折变材料的关键工艺研究
a,光折变效应中的光擦抹问题，它类似全息干板的定影过程，可采取热的和电的畴反转方法解决，其中热固定的动力学行为应深入研究；
    b,读出噪声问题，它是直接影响存储器性能的关键。
   (2)光子存储技术中关键元器件的研究与研制
   研制性能优异的元器件，如短波长LD、高分辨的SLM等是发展先进的光子存储技术的重要基础；
   (3)对光子存储技术新方法、新技术的研究与探索
A 空间多路复用技术研究
如用若干小块晶体铺成一个两维平面的方法，可构成空间多路复用，大幅度增加存储容量；
B 用相位复共轭或部分反馈消除图象退化与噪声
C 探索新的图象固化方法。
(4) 自由空间电荷场及其波场在介质中传输的理论研究
A 标量与矢量衍射理论与计算方法研究
B 光散射及其影响的研究
C 光折变全息图的耦合动力学分析
(5) 光子存储中的近场光学与光子力研究
(6) 先进的实用化光子存储装置或系统的研制

    2.3.5 光子显示技术
在信息化社会，图象以其巨大的信息容量传递、处理，并最终通过显示系统显示出来。显示技术已成为信息科学的重要环节。人类获取信息的80%来自于视觉。图象显示是信息网络及系统的“入口”和“出口”，也是实现人与机器信息交流的接口。
显示器是信息显示的工具，也是显示技术的核心。作为显示器应该有以下诸多优异性能：高信息容量（高象素数）、高分辨率、高响应速度、高灰度阶、高彩色度（或全色）、低功耗以及经济轻便等。在显示技术中光电子显示一直占据主导地位。长期以来作为显示器使用的主要是众所周知的CRT显象管。随着科学技术的发展，平板显示器(FPD)异军突起，越来越引起广泛关注。
    1, 光子显示器件
光电子显示器是以光子与电子为载体实现信息和能量快速转换的一种先进器件。属于这类显示器件的主要有液晶器件(LCD)、真空荧光管(VFD)、等离子体显示板(PDP)、场发射器件(FED)、电致发光管(ELD)、发光二极管(LED)以及阴极射线管(CRT)等。如上所述，自20年代以来，光电子显示领域几乎一直被CRT所垄断。直到近年来才开始受到薄膜晶体管(TFT)与平板显示技术的严重挑战。如按竞争力强弱排序，依次是：TFT-LCD、TFT-ELD、PDP、FED、VFD、LED等平板显示。特别是非晶硅(a-Si)TFT-LCD平板显示的图象质量已能与CRT相媲美，而且又具低功耗、低电压驱动、轻巧价廉等诸多优点，因此普遍认为，a-Si TFT LCD平板显示，特别是大屏幕显示正在和已经引起了信息显示技术领域的深刻变革。
    在平板显示技术中目前的主流是以薄膜晶体TFT作为象素开关，加之周边电路的有源矩阵的液晶显示器(TFT-AMLCD)。
2, 光子显示技术发展
(1)寻址方式的CRT
为了克服目前CRT具有的器件重量大、电压高、效率低等诸多缺点，人们提出了一种以寻址方式实现面阵阴极发射的显示技术。现在，面阵阴极材料的选取与制作是关键，已提出多种解决途径，取得了一些进展。
(2) 以液晶显示为主导FPD技术
平板显示(FPD)技术中最被看好的是液晶显示器，尤其是以薄膜晶体作为象素开关及周边电路有源驱动的液晶显示器(TFT-AMLCD)被认为最具代表性。由于大面积微细加工技术的进展，研制工作的关键则集中在制作TFT矩阵板及相关液晶的材料上。激光晶化获取大面积、高迁移率、大晶粒薄膜材料是发展巨微光电子学器件的基础，这种薄膜材料能够适应于多种器件的要求。
(3) 以PDP和FED为代表的自发光平板显示
在自发光平板显示技术中，等离子体显示(PDP)和场发射显示(FED)方面的研究进展最为突出。前者突出大画面显示，但受等离子体壁限制，分辨率不是很高，它的色度也因受三基色荧光粉性能的限制有待进一步研究和提高；后者，可获得很高的分辨率，而且在发射象源上有极好的冗余度，但面阵象源发射的稳定性与实用寿命还有欠缺，有待进一步研究解决。
    (4) DMD变形微镜显示
DMD变形微镜显示是利用微机电加工技术，制作出阵列微镜，作为象素可以按10μs 的速度加以寻址，并实现多灰度级。这项技术的核心是微光学机械加工。
(5) VLSI显示技术
单晶硅以其大规模集成著称世界。以VLSI技术制作显示器可能另辟一条捷径。尤其在PDLC取得进展的今天，围绕这个方面有许多有意义的研究工作有待开拓。
3, 光子显示技术近期研究重点
   (1)  新型发光材料的研究与开发
包括有机和无机新型发光材料，特别是液晶发光材料的探索、研究与开发；
    (2)  适于有源矩阵微电子薄膜材料的研究
(3) 发光器件的新原理、新结构的研究与探索
(4) 显示器件的制作技术基础研究
(5) 大屏幕高清晰度彩色显示技术的基础研究

2.4 集成光子学与微结构集成光学

2.4.1 集成光子学与微结构光子学的内涵与意义
五十年代发展起来的固态电子学及微电子学的成就引发了世界范围的第一次信息革命，已成为当代计算机科学技术、无线电电子技术、自控技术等取得巨大成功的关键性基础。然而，利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁串扰效应的存在，无论从技术局限或是经济代价以及信息安全的角度来考虑，电子技术已经难以完全适应未来高度信息化社会的需要，至少是出现了它的阶段局限性。
光子，由于它属玻色子，不荷电，不存在电磁串扰和路径延迟的问题。光的波粒二重性比电子更易体现，光波包含有振幅、频率?相位、偏振多种状态可籍以复用载入传输信息。光波的各种变换，如全息变换、富里叶变换等效应，以及可分束并行传输特点，无疑又为高速信息处理技术的发展提供了新的途径。当今人们已认识到超高速率、超大容量信息系统中用光子作为信息的载体是继电子之后的最佳选择。由此应运产生了信息光子学。
   运作在有实用和推广价值的信息系统中的光子器件及其功能回路，首要的要求是全部固态化。固态光子学基质材料包括有半导体、电光晶体、玻璃体和高分子聚合物等，半导体基质材料既能制作无源光学元件，又能制作有源光子器件，诚然半导体光子学当属姣姣者。
    半导体电子学的强大生命力在于它能够实现集成化。集成化使它的处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大大降低，尺寸大大缩小，芯片的成品率和可靠性极大改善，从而使芯片性能价格比日新月异地不断得到优化。
   当代信息高技术的发展对半导体光子学提出的要求是它能够荷载超大信息流(Tb/s)的传输，并具有实时、高速处理与交换的能力。功能集成化的实现依然是半导体光子学发展的必由之道。根据系统功能的要求，人们要把不同功能的若干或众多光子器件通过内部光波导的互连，优化集成在一个芯片上，以突破分立器件的功能局限，这就是当前正迅速发展着的另一门高新技术—集成光子学(PIC)。
   作为一门信息高科技的光子学，意味着光在信息系统中的功能不仅仅只是作为传输的媒质，它将兼具诸如存储、再生、处理、交换等诸多类似电子系统中的功能。
   虽然在信息系统中核心部分的功能可以全由光子的运行操作来实现，但是一个完整的应用系统很难想象没有电子器件相辅相成能有实用化的意义。例如激光器要有恒定电流来驱动，光子开关、调制器件要利用电光效应来实现，光子接收器要有偏置电场来操作。当然信息的终端处理与再现、读出等，利用成熟的微电子技术来实现则更为可行方便。
   未来的集成系统必然是光子集成回路与微电子集成电路的共融体，即微光子、电子集成系统，或称光电子集成(OEIC)系统，诚然光子集成功能芯片将是其关键性的心脏部件。
   目前已成功发展的光子集成回路是基于GaAs、InP之类化合物半导体基片上的二维平面传输系统，以及它与微电子系统的混合或单片集成，人们正着力于更复杂的三维传输回路的集成，即微结构光学集成，并考虑在系统中引入微机械系统，从而构成功能齐备的微型光、机、电集成体系，一旦获得突破，现今庞大的光学系统或仪器设备将如同微电子的单片机那样实现微型化、集成化、单片化。不仅使系统的可靠性、稳定性、安全性大为提高，性能也将产生飞跃性改善，应用的领域将大为扩展，市场需求量将极大提高，甚至可进入家庭用户，因而光子产业将如同微电子产业那样走向大规模化。虽然在许多基质材料上都可以研制微结构光子学，但是考虑到任何应用系统都离不开电子功能的支撑，用Si作基片已成功地研制出各种微型三维光学元件和微机械部件。因此，半导体尤其是Si将是微结构集成光学的首选材料。
   1, 半导体光子学的重大突破
   与电子集成回路比较，光子集成回路(PIC)实现的难度要大得多。一个PIC芯片上要包含诸如激光器、调制器、光开关、滤波器、偏振器、探测器等不同结构与功能的光子器件，而其功能体现又多来源于不同的材料特性与器件结构设计。例如半导体激光器通常为F-P腔，腔面即是激光器的端面，显然，这难于与其他器件实现平面集成。另外，为满足集成化中的结构兼容性要求，或从简化工艺流程和降低成本等方面考虑，要求能在同一种材料中实现集成。
    (1) 介质光栅反射器(DBR)
   在半导体光子学中由于介质光栅技术的引入，导致了无腔面激光器的实现，相继开发出分布反馈式(DFB)和分布布喇格反射式(DBR)半导体激光器。它们的发射线宽比F-P腔激光器窄3个量级，其单色性、稳定性大幅度提高，这就为PIC的发展奠定了重要基础。光栅具有反射、耦合、选频、滤波等多功能特性，而且可通过电注入来改变光栅介质区域的载流子浓度，导致折射率的变化，可以调谐布喇格波长，因此还可以实现半导体激光器的波长调谐。
   (2) 量子阱超晶格人构改性多功能材料
   这种量子阱超晶格人构物性的改变，导致诸多新颖的物理特性出现并成为当代开拓多功能光子器件的有力基础。其后，性能优异的量子阱激光器应运而生，它将半导体激光器推进到一个全新的阶段。
   由于量子阱能态密度的阶梯状分布，使得注入量子阱的载流子利用效率提高，而对激光波的吸收降低，因此，促成了激光器阈值的大幅度降低，与以往的DH激光器比较，其阈值可小两个量级，亚毫安量级以下的极低阈值激光器的实现无疑使PIC实用化成为可能。量子阱的阶梯状密度分布还导致增益谱的窄化和抑制腔内高阶模的出现，因而量子阱激光器自然保证有窄线宽、单纵模的输出特性。另外，由于量子阱的态密度比体材料小一个维度的贡献，分布又更为集中，因此其峰值增益与注入载流子浓度的依赖关系更为灵敏，微分增益随之提高，腔内光子与载流子的耦合时间常数大为缩短，激光固有的张弛振荡频率从5GHz处移至30GHz。这样，激光器将能在很高的调制频率下工作。由此可见，量子阱材料的开发大大优化了半导体激光器的特性，为实用化PIC的发展提供了有力保证。
   量子阱材料的另一个重要人构属性是，它大大增强了自由激子的局域化程度，使其运动半径减小了若干倍，激子的离化能从4.2meV提高到12meV，即使在室温下，自由激子仍能不受晶格热振运的骚扰而依然存在，人们第一次可以考虑研制室温下运行的激子器件，而激子器件恰是半导体光子学发展的有待开发的重要资源。局域化的阱中激子，库仑牵引效应增强，能够承受更大的外场作用，表现出更明显的斯塔克红移效应。基于这种效应，已经研制出开关能量低达10-12 J的自电光效应器件(SEED)—光学双稳态开关。这为数字光子学的发展奠定了基础。
   量子阱超晶格结构还蕴藏着许多未被充分开发利用的新颖功能，例如，利用热电子效应人工实现材料中的电子、空穴离化系数非对称单极性增强，可制备极低噪声的光子探测器件。目前人们已能够由此研制成功单光子APD探测器，还有带内工程的应用将为新型激光器的开拓提供一条重要的新路。
   可见，在同一结构的量子阱芯片上，人们可以设计制备出性能优化的多种功能的光子器件。这正是发展光子集成芯片所必具的条件。
    (3) 垂直腔面激光器(VCSEL)
    如上所述，量子阱材料具有更大的峰值增益和更小的带边吸收损耗，因此可以说，量子阱人构改性材料的出现已为低阈值垂直腔面激光器的开发奠定了基础。现在的VCSEL实际上也是一种超短腔DBR激光器，只不过这里的介质光栅反射器是由交替生长的半导体超晶格异质结构来实现的。VCSEL允许将其有效腔面做得很小，直至为波长线度量级，亦即平方微米的量级。这种微腔激光器的功耗极低，其阈值有望达到微安量级，加之它所固有的窄谱线、单纵模特性以及很窄的光束发散角与很短的腔内光子寿命，无疑这对高密度面阵集成是十分有利的。再有，由于腔的体积小，其线度可与激光的波长相比拟，因此光波在腔内的量子化相干特性明显化。人们期望通过自发辐射模的导引与控制，最终实现准无阈值、极低功耗和高速率的激光运行。这些正是大规模集成面阵所必备的条件。

   2, 半导体光子集成的内涵与进展
   与微电子学比较，集成光子学基本上也有三大集成组构，即光子功能集成、光子面阵集成与互连布线的光子集成。由于光子集成在基础技术上不断进步和突破，这三种组构的研究也相应获得了成功的发展。
   (1) 光子功能集成
   光子集成回路由诸多基本单元组成。属于这类基本单元的，例如有：激光器(LD)与光子探测器(PD)、LD与调制器(MD)和光开关(OSW)、LD与光放大器(SLA)、LD与SLA和PD等。光子功能集成回路就是将这类基本单元或众多不同功能的光子器件通过内部光波导互连，优化集成在同一个芯片上。代表性的光子功能集成回路有：
   A 超大容量传输波分复用激光发射器
   这种集成激光发射器由多个量子阱DBR激光器组成，每个具有不同波长的激光器分别与一个量子阱电光调制器集成，然后通过光波导的导引汇集，再与一个量子阱光放大器集成。这样，数个不同波长的频道即可得以复用，诸多发射光波耦合汇入到一根光纤中去。如一个DFB激光器调制速率可达10Gb/s，集成100个这样的波分复用DFB—LD，就可得到信息率达Tb/s的光传输。
   B 光频外差PIC光接收机
   这种光子集成光外差接收机包含一个作为本地光频振荡的量子阱可调谐DBR激光器，一个3dB耦合器与两个量子阱光波导检测器。入射激光与本地激光的差拍信号由检测器检波解调，高灵敏地获取光载波所传递的信息。随着PIC功能应用的不断开拓，光子集成回路也得以迅速发展，然而，PIC发射器与PIC接收器无疑是其中最重要的。
   (2) 光子面阵集成
   光子面阵集成是将同一类光子器件按系统要求分布重复矩阵式地大规模集成在一个芯片上。属于这种结构的有光逻辑门面阵集成与激光器面阵集成等。目前发展相当成熟的可擦除光盘，实际上也是一种有重要意义的光子面阵集成。
   A 高密度自电光效应器件(SEED)光双稳开关集成面阵
   这类SEED是一种无腔面的光双稳态开关器件，这是一个以超晶格材料为吸收区的简单的PIN管，功耗低，易于大规模集成。近年来发展的对称反射式SR-SEED引人注目。SR-SEED面阵可对光信息进行多路实时交换与二维处理，为发展逻辑运算的光计算技术奠定了基础。这一成果还将会促成光信息处理技术由模拟转入数字化以及并行处理阶段。当前，这种SEED光双稳开关集成面阵已发展到256×256位的规模，其运行的光功耗不足1mW。
   B 高密度垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成面阵
亚毫安级VCSEL的研制成功，为高密度激光器PIC面阵的发展奠定了基础。这种PIC面阵将是发展二维光信息实时处理与图象识别技术以及体全息存储与读出的关键硬件，它将获得广泛应用。目前已实现了32×64的VCSEL面阵；如进一步将腔面缩小到1μm2，其阈值将能减小到5μA，1兆位的集成面阵总功耗只有数十瓦。显然，这是一个十分诱人的成就。   
   (3) 互连布线的光子集成
   光互连技术类同于微电子芯片集成布线，它不仅为光子芯片与光逻辑元之间的运行连接所必需，同时也能替代微电子芯片与电子逻辑元之间的运行连接。这种光互连可以克服电互连的阻塞效应，同时还由于不同源点发出的光互不干扰，而且在波导内和自由空间都能无串扰传输，因此光互连密度将可以大幅度提高，并能够实现三维空间的互连系统。这无疑为下一代超高速与神经网络计算技术、超大容量超高速数据通信所关注。
   (4) 光子集成(PIC)与光电子集成(PEIC)
   光子的产生起源于电能的激励，光子(或光波)在半导体内运行的功能操作来自于半导体材料(量子阱材料)中的各种电光效应，如Pockel效应、Kerr效应、Stark效应、Franz-Keldysh效应以及预偏置电场的收集效应等。离开了电的操作，光子器件的功能也不能得到有效施展。因此，实用的光子集成芯片必需配以相应的辅助电子集成回路。一个实用化的大系统，无论从它的可操作性还是从造价与可靠度来看，人们必须相辅相成地充分利用成熟的微电子技术于终端处理读出，甚至在逻辑运算方面，未来的大型集成系统必然是光子集成与微电子集成融合一体的综合系统，即光电子集成系统。从某种意义上来说，光子集成芯片将成为未来光电子集成系统的心脏部分。因此，它拓展了微电子集成系统的运作功能，甚至解决了微电子集成所无法解决的难题。
   在微电子学中，Si的微电子技术取得巨大成功，Si芯片已成为信息技术领域的主要基础和支柱。而在光子学中，尽管Si基的无源光子器件，如Si的PIN与APD光探测器、Si-CCD摄像器、Si光电池以及Si基光波导等均已取得成功，但由于Si属于间接带隙材料，非极性键加之对称性极佳，难以制作出各种有源光子器件和非线性光子器件，因此这类光子器件及其集成目前仍以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体为基质材料。为了使PIC与EIC共融，并能与光纤兼容，人们仍对开拓功能全面和优异的PEIC寄希望于Si。通过多年来的努力，研究工作终有进展，应变层能带工程、纳米技术等的迅速发展为Si基光子学的开拓带来了希望。Si1-xGex/Si应变层量子阱结构材料能够克服Si与Ge晶格严重失配的局限，在临界厚度内制备出完美的量子阱材料，并能形成强局域化的自由激子。量子点结构的制备将使局域化程度再提高二个维度的贡献，将使电子带间跃迁的动量守恒定则淡化，有可能在高注入下获得激光振荡。Si基的LED，和Si基长波长光电探测器，光双稳开关等均有研究结果报道，但性能、效率、稳定性等方面还难以令人满意。近来，硅化物材料研究的进展、稀土发光中心在Si基材料中的掺入、半导体量子级连式子带跃迁激光器的发明也为Si基光子学与集成光子学的发展带来新的生机。
   3, 微结构集成光学的内涵与进展
   微结构集成光学主要是指传输光在波长尺度量级上的光学元件中的相关物理效应及其功能应用与集成化的研究领域，如波导光栅列阵、二元光学元件列阵、波导开关列阵以及光纤器件功能集成回路等。实际上微结构集成光学即是早期集成光学的单片微型化集成发展。显然，它的实现将使现今光学系统的体积至少缩小3个量级。由于单片集成化的发展，系统的稳定性与可靠性将大为提高，因而它将成为小型化的信息光学系统中的另一核心部件。
   微结构光学的研究，有平面波导结构的一维、二维平面传输体系和自由空间结构的三维立体传输体系。平面波导型微结构光学体系，可以用适宜的电光晶体，有机聚合物、玻璃体和半导体来制作，但都必须采用薄膜结构，在这种微结构体系中几乎所有的光学器件都是薄膜形态，它们生长在基片材料上有的则埋入其中，传输光波则由条形波导来连接(除输入输出端外)构成一种无源集成光学系统，大多半导体基片(如化合物材料)都能研制成发射光源和探测器件，因此它实际上就是上面论及的光子集成系统。
   平面波导型微结构光学系统尚未能充分发挥光子载体(或光波)的全部优越性，特别是实现空间光学变换方面需要有三维传输的微结构光学体系。这种体系的实现，依赖光波导来执行是极为困难的，只有通过自由空间的传输来实现，这就导致了微型化的三维光学元件的研究。诚然各种固体材料都可以用来研制微型化三维光学元件，人们还是首选了半导体Si作为基质材料。Si有大的折射率(～3.5)，又能生长较小折射率(～1.5)SiO2。加之Si基质材料的微加工技术又已经相当成熟，因而为各类微型光学元件的制作提供了方便的条件。完全可以利用Si基片为光学平台通过合理的设计和制作，实现Si基三维微结构光学系统。在Si平台上还可以同时制作微电子执行电路，用以操作微结构光学系统的运行。
   近代信息光学系统中，还需配置有某些机械部件，例如转镜、振子以及所需的驱动马达等。诚然这些机械部件也必须达到可与微光学元件匹配的微型化，并且能在同一基片上实现，制作技术也应该能与微光学元件制作工艺兼容。自然人们期望在Si基片上同时实现单片集成光、机、电。在Si基质上研究制作微机械部件已有近二十年的历史，并获得了成功，但将此技术应用到光学系统则是近几年的新发展。
   最近报导，在Si基片上利用多晶Si生长以及微加工技术，成功制作众多三维微光学元件，如Fresnel透镜、折射式微透镜、分光镜光栅、数字微镜、变形光栅阀、微型光斧、微马达栅栏和可调谐光学滤波器等。同时也成功制作了许多光学系统中常用的微机械部件，如平移座、旋转座、微型马达和抓式步进驱动器等，并已初步实现了微光学元件与微机械部件的单片集成，如成功制作了三维光学元件与微平移座和旋转座的集成，以及微型光盘读写头等。
这种三维微结构光学的发展，将使完整化的实用光学系统体积大为缩小(从米的尺度减为厘米的尺寸)，重量大为减轻(从千克减为克)，效率大为提高，同时减省了系统的组装和包装的复杂工艺，因而不仅在系统的可靠性、稳定性、一致性上大为改善，同时可实现大批量，低造价的规模生产。而由于这种微结构光、机集成系统是制作在Si片上，完全可与微电路的制作兼容，因而将可实现光、机、电微结构单片集成。无疑它将在光互连、开关、扫描、探测、显示、印刷、存储以及信息处理，特别是军事领域中得到广泛的应用。因此，这一重大发展在当今已引起广泛关注。        
   4, 半导体集成光子学的基础内容
   上述半导体集成光子学与微结构光学的重大进展，都是基于它所包含的基础科学与材料和制备工艺技术上的重大突破和成功运用的结果。
光子集成基础问题的内涵可以如下方框图表示：

  

   电子—空穴体系中的受激光跃迁是半导体激光器和探测器的物理基础。对量子阱结构中的受激光跃迁不仅已有了系统深入的研究，而且在半导体激光器领域中得到广泛成功的运用。半导体介质光波导不仅是光子集成芯片中光波传输的通道，同时许多光子器件其本身就是一个特定的光波导，如耦合器、分路器、M—Z调制器等。可以认为今天从事半导体光子学的研究者，都已对上述问题有比较深入的掌握和运用。
   (1) 介质光栅的研究
   介质光栅的研究起始于70年代中期，光栅的Bragg效应所产生的分布反射功能引入到半导体激光器有源区中，导致了无腔面分布反馈DFB激光器的出现，它使半导体有源光子集成成为可能。随其结构形态如弯曲光栅、变周期光栅等与外部操作条件的变化，它还具有许多新的功能特性，如选频、谐振、耦合、相位匹配与光束会聚等。多层介质光栅本身就是一种光子晶体，对光子集成的发展非常重要。它在光子集成器件中的应用还刚开始，很值得进一步系统深入开展研究。
   (2) 非线性光学效应的利用
   非线性光学效应的利用是光子学器件领域中一块尚待开发的处女地，不仅由于在薄膜波导中容易呈现非线性光学效应，量子阱超晶格又以几个量级增强了这个效应。目前只是利用电场调制二阶非线性(Stark)效应成功研制了自电光效应SEED光逻辑开关。更多的非线性效应，包括光折变效应、激子可饱和吸收效应、激子与极化子的耦合效应、量子箱和微腔中的非线性光学效应以及高阶非线性效应等均待进一步研究开发。尤其是如何研究获得有强的激子体系的一阶和二阶电光效应的Si基人构材料，有着深远应用前景。
   (3) 微光学腔
   微光学腔的概念早期就有人提出，然而在半导体量子阱垂直腔面发射(VCSEL)激光器得到重大突破后，微腔的研究才进入了有实用前景的应用阶段。微腔对自发辐射场的量子化调制，微腔中光子寿命的明显缩短，微腔的单一模式运作使微腔激光器的阈值响应和噪声特性大大优化，微腔激光器可使功耗大大降低，因而使高密度激光器面阵集成成为可能。同时微腔光子器件可能还蕴藏着许多有待研究开发的新功能，其贡献不亚于MOS器件在微电子学中的地位，将会成为发展光子集成的新起点。
   (4) 量子阱、超晶格
量子阱、超晶格的成就揭开了能带工程的序幕。它使半导体光电子学迈入量子尺寸的新阶段，产生了量子光电子学。它的运用不仅使光子器件特性得到大幅度的优化，同时展现出许多在体材料中不曾出现的物理效应。
(5)应变层能带工程
   应变层能带工作的发展又使半导体光子学有新的重要拓展。当今，半导体激光器的发射波长已从红外到近紫外几乎可全部覆盖。
    尽管能带工程已取得如此显赫成就，但这还只是刚刚开始。随着光子集成对功能多样性的要求不断提高，定将使能带工程的研究和运用与日俱增，并进一步促成其深化和开拓。因此，可以认为，能带工程的运用乃是光子集成基础研究的基础。

   5, 微结构集成光学研究的基础内容
   (1) 超高频光栅理论与制备工艺研究
   当光栅周期小于波长而深度又大于波长时，其衍射特性将引起根本性变化，双折射效应将取代反射效应，因此利用高频光栅可开拓出许多新颖的光学元件。然而这对微加工技术要求很高，需研究电子束光刻技术的运用。
   (2) 波导光栅的理论与制备技术的研究
   波导光栅兼具有耦合、导波和色散的功能，在密集波分复用技术中有重要的应用，可以利用它做成集成的波长复用与解复器，改变波导光栅的形态以及通过外场的操作，将会有许多新功能出现，如开关效应，偏转效应等。尚待进一步从结构设计与器件理论深入研究，而在Si基片上制作SiO2波导，需要精确控制厚层(10微米以上)SiO2中的Si含量分布，以达到优化波导层折射率分布，可兼容性实用化厚层SiO2生长工艺也是需要研究的基础问题。
   (3) Si基新型光折变材料的研究
   光折变材料不仅在存储上有重要的应用，同时利用光折变可以通过Bragg衍射效应实现对激光的稳频，以及实现一系列反馈式新型自调变光学器件，可用于数字化图象处理和实现光学细胞列阵处理器。体Si材料光折变效应很弱，因而必须利用能带工程的方法研究新型Si基光折变材料。
    (4) Si基纳米微机械器的优化设计与实现研究
   目前的微机械尺度大都在百微米的量级，部件的运作还是基于宏观的力学原理，当机械尺度为纳米级时，许多介观和微观的物理现象将会产生并得到新的应用。尤其在传感技术方面更为诱人。例如在波导的纳米的间隙中施加微小的外力，由于折射率的变化，将会改变消失场的耦合状态，而达到对振幅、位相或频率调制的目的。它对发展高灵敏传感器将有重要的应用。

2.4.2 半导体集成光子学与微结构集成光学研究现状与
          发展趋势
   1, 半导体集成光子学的主要成就及应用发展
   (1) 信息传输系统中的半导体光子学
低损耗光纤与室温下工作的双异质结半导体激光器的问世为光通信得以迅速发展奠定了基础。目前实用化光通信系统的单信道速率已达10Gb/s，波长为1550nm的量子阱DFB半导体激光器是首选的理想光源。这种DFB激光器与量子阱外调制器单片集成的光源，最高调制速率可达40Gb/s。为克服单信道传输容量上的限制，方法之一是改用光孤子通信技术或是光时分复用(OTDM)技术。超快脉冲半导体激光器将是实现这种技术的关键之一。可选用的光源有：增益开关型MQW-DFB半导体激光器、量子阱DFB激光器与量子阱EA电光调制器的集成、量子阱锁模激光器等。
Tb/s量级的传输速率是即将到来的信息化社会的需求标志，为实现这一指标，较为妥当的方法是借助复用通信手段。量子阱结构1550nm波长可调谐DFB或DBR激光器的研制成功为波分复用(WDM)超大容量信息传输技术的发展奠定了可靠基础。对于光时分复用(OTDM)传输方式，则寄希望于实用化半导体碰撞锁模激光器，这种激光器可发生的码率最高可达100Gb/s，即0.1Tb/s。
   (2) 信息入网与交换系统中的半导体光子学
   在即将到来的高度发达的信息化社会，复杂的四通八达的信息网络与交换系统将比比皆是。这些系统的基本单元和关键器件是高速光波导开关。聚合物材料有大的电光系数、快的响应速度、可塑性强、加工成本低，又能够在微电子Si芯片上准单片集成，因此发展这类器件有吸引力。正在发展的SiO2光波导开关也是引人关注研究方向。它完全能与微电子器件兼容，有望发展廉价的全Si化光电子单片集成的光交换芯片。半导体Ⅲ－Ⅴ族材料Mach-Zehnder型波导光开关已经研究得比较成熟，响应速度快是其主要特点。然而半导体光放大器可实现兼具增益与开关两种功能，发挥其独有的特点，这也是当前一个重要的研究方向。
   未来的光信息入网与交换系统还要求具有一定的逻辑功能，半导体SEED双稳态开关满足这一要求。这种器件利用量子阱材料中的室温激子效应运作，是一种具有逻辑功能的功耗低、响应快、灵敏度高的光—光开关器件。用于光交换系统，SEED器件还必需实现三维空间运作，这可通过多芯片组装的MCM技术来实现。SEED器件与高速电子器件集成组构的光电子集成芯片，被称作灵巧象素(Smart pixel)，它不仅能提高开关灵敏度，而且还可以扩充集成器件的功能。因此，这种器件对高速大容量和高度网络化的信息系统的开发具有重要意义。
   (3) 信息处理系统中的半导体光子学
   在高度发展的信息化社会中用光子作为信息载体来传递超高速逻辑运算的信息将是至关重要的。其中光互连是提高运算速度的最佳途径。上述VCSEL器件的成功实际上已为光互连技术的发展奠定了有力基础。在集成面阵方面，最近已有108×34 = 3672个VCSEL面阵的报道，成品率已达94%。为了扩展互连功能，除简单的面对面的连接外，还必需充分利用光的特性，使之具有并行、寻址和记忆的功能。采用MCM多芯片组装技术在互连光路中插入用以分束的全息片、有电光寻址与逻辑功能的SEED空间光调制器以及光电转换的探测器面阵等可使之得以解决。至于芯片内部的光互连，必需通过光波导的导引来实现。SiO2及聚合物光波导的成功均为之提供了很好的解决途径。
   VCSEL-PD探测器及其集成面阵等还将为神经网络与人工智能中的光互连技术提供硬件基础。在两维图象信息中配上VCSEL面阵等可将模拟处理变为数字处理，兼顾了处理的高精度和实时性。
   (4) 信息存储系统中的半导体光子学
   超大容量存储与超快速度存取是信息化社会对信息存储技术的要求。当前，光盘成为光子存储技术中的佼佼者。写读光束的光斑大小是直接影响光盘存储量提高的主要因素。现在波长为630nm的量子阱半导体激光器正逐渐替代现行的780nm半导体激光器。GaN与ZnSe蓝绿光激光器的研制成功使光盘的存储容量大幅度提高。如用GaN量子阱材料再进一步研制出350nm紫外激光器，则有望将存储容量提高到50Gb以上。将信息复用技术用于存储，能够使之面貌大为改观。使用半导体SEED空间光调制器与面发射VCSEL集成面阵，实现立体存储，存储容量将可达Tb量级。
   2, 微结构集成光学的研究现状
   (1) 二维波导结构的集成光学系统
   二维波导结构的集成光学系统已经在半导体和电光晶体(如LiNbO3)材料上成功地得到发展，并已初步成功地研制出集成化光学系统。如用于光交换网络的LiNbO3波导开关集成面阵，以LiNbO3为基片的声光偏转的集成化频谱仪、激光多普勒测速仪、光学相关器等。然而对半导体Si材料为基片的研究更为吸引人，并已成功地在光通信技术中得到重要应用,例如用以准直定位多光纤耦合的硅V形沟槽集成线阵，特别是近来成功发展的SiO2/Si弯曲波导集成光栅的研究成功，能够极方便地实现多波长耦合与单道传输和色散分离的功能，复用信道数几乎不受限制，为密集波分复用实用化通信技术的发展作出了重大的贡献。
   (2) 自由空间三维集成光学系统
自由空间三维集成光学系统的研究是当前人们关注的热点，因为它能全面地体现出光子技术的优势，同时还能与微机械兼容集成，以期达到光、机、电微结构一体化的最终目标。尽管以电光晶体材料也能实现某些三维光学元件并有一定规模的集成，但是人们还是倾注全力来发展Si基三维集成光学。前面谈到几乎所有的衍射型、折射型、反射型的三维微光学元件都已能在Si基片上实现。目前的研究方向则集中于优化设计和工艺实现某些微结构光学系统中的基础集成部件，如将微型光学元件制作安置在Si基片上，初步实现了Si基微光学平台系统。数字微镜的面阵集成可能发展用于数字投影彩色电视机，也已成功研制出微结构光盘读写光头的原型产品。问题的关键是要研制出一系列光轴平行于Si基片的三维光学元件。
   (3) 三维微结构的光、机集成
   三维微结构的光、机集成也是引人注目的研究方向，并已证实完全可能实现最终的目标。目前的研究重点是参照常用光学系统中所需求的光学元件为根据，设计并实现各种微机械器，并在Si基片上实现与微结构光学元件的单片集成。作为初步的验证已经实现了微机械的平移座和旋转座与三维光学元件的集成，至于采用混合集成的技术微机械器也可以与有源光子器件集成，做成可调变方位的集成激光器或探测器等。
总之，微结构光学的发展将使光子技术的应用领域进一步拓宽，而使之与社会的需求更为直接地结合，像电子计算机的发展那样，从大型机，PC机发展到集成单片微处理器。那时从工艺生产线流出的产品不再是单一的元器件，而是一部部微型化的光、机、电一体功能完整的信息系统。生产规模将大为扩大，造价极大降低，使得家庭用户能予接受。它的成就无疑将使光子产业的发展获得革命性的飞跃。

2.4.3集成光子学与微结构集成光学研究的重点与发展战略       
1, 集成光子学的研究重点
集成光子学的发展自然以实现固体化为前提，从长远的观点来看，它必需具备主动与被动的全面功能，同时还要考虑最终能与电子运作回路集成兼容。基于上述的理由，以半导体为基片的光子集成自然成为人们关注的热点，Ⅲ-Ⅴ族化合物、GaAs、InP基材料的研究已相当成熟，从技术上完全能够实现。只是从造价上考虑人们仍不放弃在Si基片上实现光子集成的期望。关键之处是要人工改造Si材料的二大不足之处，即间接带结构的低效率发光和非离子性金刚石共价键结构导致电光系数很小，非线性光学效应很弱。通过能带工程的运用是有希望获得突破的。当然，即使如此也不排斥化合物半导体材料基片依然是集成光子学发展的重要支柱，尤其是在光通信技术领域方面，更是如此。
鉴于半导体集成光子学是一门物理内容深遂、学科交叉宽厚、应用领域广阔的高新技术。它要求功能多样化、响应速度快、集成芯片功耗低、制作工艺可兼容，有待人们著力发展。对其基础问题的深入研究与掌握将是推进集成光子学发展的关键。为此建议以下5方面为重点研究内容：