[提要]美国贝尔实验室是世界著名的电子科研机构。六十年来，该室的科研人员曾经有许多项重大技术发明，其中包括揭开信息时代序幕的晶体三极管（1947），制遶超大规模集成电路的硅栅工艺技术（1966）。到1983年8月，该所已经获得两万项专利，在推动科学技术的进步，促进人类社会向信息社会的演变上做出突出的贡献。由该宣三位知名的科研工作者撰写的此文，介绍同信息时代密切相关的三项尖端技术（微电子技术、光子技术、软件）的历史、现状与未来，可供读者从技术的侧面了解信息社会发展的来龙去脉。

微电子技术

电子元件尺寸的缩减与价格的下降推动着微电子技术革命。自I960年起，优质晶体管的价格已经从几个美元降到百分之一个美分，而且还在急剧下降。比邮票还要小得多的集成电路的集成度，从1960年的每片几十个元件（小规模集成）发展到如今的超大规模集成——每片六十万个元件；几年之内，将达到每片百万个元件；十年里，硅集成电路将达到每片一千万个元件。1925年时，恐怕就连那些最乐观的通信专家也绝难想象得出，我们今天能制造和使用如此微小和复杂的超大规模集成电路。那时，贝尔实验室和西方电气公司正合作研制与生产十五种不同类型的热阴极真空管。当然，当时也有要求创新的压力，贝尔实验室的科技人员就曾经寻求能取代费电而发热的电子管的器件。1948年，贝尔实验室宣布世界上第一只晶体管问世，它同我们今天在超大规模集成电路里使用的那些几乎无法看到的微小无比的元器件相比较，仍然显得体积庞大而价格昂贵。

当今世界，微型芯片处处可见，尤其在电信部门。电话与专用交换机系统的复杂程度不亚于计算机。二十年前要摆满几个房间的计算机已经缩在拇指尖大小的硅片的平面上。集成电路芯片所产生的影响远远不仅仅限于取代了电子管而已，举例来说，今天越洋电话可以直接拨叫，每分钟通话费用之低还不如一块夹心面包，这要归功于微电子技术得以使工作速度提高而费用显著降低。

在使当今的通信信道的电话门数大幅度增加方面，贝尔实验室做出的成绩之一是分时插话技术（TASI）。这是一种高速的交换与传输技术，它能利用一对电话用户的通话时间和其他自然的间歇时间，传送其他电话用户的通话。另一项重要成绩是1982年该室研制出来的一种包容五万二千只晶体管的级联回声消除芯片，它可用来控制卫星通信与地面通信过程中令人烦恼的声音回波、这种芯片是第二代产品，体积比电话上的按键还要小，而功能却相当于十年以前体积如一台家用电冰箱，价格贵得可以买一所房子那样的整机。近来，贝尔实验室的新发明中还有32位的互补金属氧化物半导体工艺制成的计算机芯片——WE?32001型微处理器和64千位与256千位必威在线网站首页网址 随机存取存贮器（RAM）芯片。作为典型的超大规模集成技术的产品，上述三种产品均在西方电气公司投入生产，这是世界上同时生产这些集成电路芯片的第一家。

微电子器件是将来要大力发展的集中式数字服务网络（ISDN）的心脏。这样的网络需要由数以千计的可存程控电子交换系统组成。而今天在美国每天仅仅能装置大约一个这样的交换系统，而且每个系统还要把许许多多极其复杂的超大规模集成路电芯片组装起来，才能提供不可胜数的处理通话与管理数据的功能。目前世界上最先进的地区用的数字式交换机是西方电气公司生产的5ESS?交换系统。1982年，第一台5 ESS交换系统加入了美国长达二亿零八百万公里以上的数字传输线路的行列，这个庞大的电信网路比全世界除美国以外的其他所有地区的电信网路加在一起的长度还要长得多。

5ESS交换系统包括有高级的集成电路芯片，如数字信号处理器（DSP）、栅空二极交叉点（GDX）和64千位随机存取存储器。DSP芯片是头等的超大规模集成电路器件，每秒可进行—百万次运算。去年由贝尔实验室新设计，西方电气公司生产的第二代DSP，每秒可完成二百五十万次运算。GDX是“功率芯片”的一项突破。“功率芯片”即指能够阻断高压但仍可有效地对直流进行开关的集成电路。这种GDX芯片还可应用于工业部门中那些高电压和大电流的脉冲会使普通的硅芯片损坏的场合。西方电气公司的256千位随机存取存储器芯片将开始在5ESS这样的应用项目里代替64千位芯片。一块256千位的芯片包容六十多万个元件，每个元件的平均宽度只有2.3微米6而第二代的256千位随机存取存贮器芯片的电路元件尺寸更小，只有1.9微米。这样，芯片尺寸缩到约为54平方毫米，比原先缩小四分之—。一块256千位的存贮器芯片可以存入一篇三十页、每页二百五十个字的文章。

这些微小的半导体器件的大量生产，原因在于微电子技术随肴芯片设计的迅速更新而日新月异、在贝尔实验室和西方电气公司，这就意味着是把计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试三者紧密结合的结果。西方电气公司采用贝尔实验室研制的电子束曝光装置制造出精度极高的掩膜，可供大批生产电路的线条宽度仅有2.5微米的芯片。这在几年以前还曾经被人们认为是难以达到的目标。目前，实验室里的研究正在从微米级深入到亚微米级。贝尔实验室的科技人员还在继续把微电子技术的成果引入到相邻的光子技术和软件技术中去。在光子技术的领域，微型器件将成为集成光路来代替集成电路，提供具有光交换能力的光波系统，不需要再把光脉冲转换为电信号。集成光路是由淀积在硅片上极薄的纯晶体材料层构成的。这些薄层的形状和图形以及如何进行刻蚀加工，要依光路的功能而定。集成光路芯片可以作为波导的互连网络，或者是一排微型激光器，或者是其他什么组合器件。采用电子束曝光装置，实验室里已能制成0.04微米细的光传输线这种集成光路器件。

目前的微电子技术需要在硅片上由数亿个原子提供一个信息单位。可是在分子电子器件里，一个分子就将存贮一个信息单位。这样的技术必然导致电子计算机的体积出现异乎寻常的缩减，或许可以同从最初的占地几个房间的“埃尼阿克”计算机（世界上第一台电子计算机）到今天的袖珍式计算器的演变相比拟，贝尔实验室分子生物物理研究部的科学工作者正在探索实现这项技术的途径。当然要搞出以分子生物物理学为基础的微电子器件还有许多尚待克服的障碍。目前在人工智能领域里研究工作的目标之一是探索与人的思维过程相似的器件和系统，然而这仅仅是该所探索未来的一个侧面而已。

光子技术

1880年，贝尔发明电话四年之后，由于一个值得注意的新思想获得过一项专利，这就是用光而不是铜线也可以传输电话。贝尔用他的实验性的“光话”装置，借助一束阳光传送了他的声音，尽管效果并不理想，问题在于需要远比太阳更容易控制和携带的光源。1905年，年仅26岁的科学巨匠爱因斯坦发表了一篇论文，宣称光是由一种叫做“光子”的基本粒子组成的。人们发现电子导致一门叫做电子学的新学科问世，随之，光子的发现又导致一门叫做光子学的新学科诞生，然而直到1917年，爱因斯坦才发表有关的理论文章，解释如今已为人熟知的“光受激放大辐射”的现象，这是激光器能工作的关键因素。1951年的一个黎明，后来导致产生适用于光波通信系统的光发生器这个概念的基本思想，萌发于华盛顿市一座公园的长椅上。也许是巧合吧，这座公园正对着的建筑物正是七十多年前贝尔进行他那个“光话”试验的地方。那是4月26日的清晨，贝尔实验室的一位科学家查理 · 汤斯（Charles Townes）随手记下来忽然涌现出来的灵感，由此开始，经过试验终于发明了“脉泽”（受激辐射微波放大器）。激光的概念是1957年提出的、查理 · 汤斯和贝尔实验室另一位科学家亚瑟 · 肖洛（Arthur Schawlow）提出了产生一种极纯正的、方向性很强的、能够运载多种信息的新型光线这一概念，并且因此获得初步的专利权。“脉泽”工作于微波频率段，而激光工作于紫外光、可见光、红外光的区域。可是初期的激光器体积很大，用起来很不稳定。这些问题一直到1970年贝尔实验室发明双异质结激光器之后才获解决，这是用砷化镓材料制做的半导体器件，可在室温或高于室温的条件下工作。激光器仅仅是现代光通信系统的一种部件。六十年代初，试验性的视距范围内的激光通信装置曾被用来研究穿越类似微波射束那样的环境时所表现的特性。遗憾的是，撤光束在雨、雾、雪这样的恶劣环境下将出现折射与散射。显然，需要光导装置，贝尔实验室的研究与开发工作曾集中在寻找产生高速光脉冲，并且保护与远程传送这些脉冲以及避免折射的可靠、实用、经济的方法。后来终于发明了小型半导体激光器和发光二极管。贝尔实验室和其他单位改进透明度极高的玻璃纤维，制出远比铜缆细的光缆。这些如同头发一样细的超纯纤维可以传送不可见的红外光脉冲，传送速率达每秒几百万次，而且传得很远又无失真，也无需再放大。八十年代初，光纤通信从十年前的研究阶段很快进入世界范围的应用时期。截至1982年年底，西方电气公司在美国销售出六十多条线路用的，总共达十八万公里的光缆，这个数字超过其他厂家在除美国以外的世界各地销售光缆的总长度。这项新技术的成功之道在于工艺技术的飞速进展。1973年，贝尔实验室发明制造光纤的改型化学汽相淀积工艺（MCVD）。两年之内，MCVD多模光纤即在西方电气公司设在乔治亚州亚特兰大市的工厂里投入生产。这项工艺把144根光导纤维装在一条直径于1.25厘米的光缆里。目前，全世界用MCVD法生产的光纤最多。大规模生产光纤和光缆是1979年在亚特兰大开始的。目前这是世界上最大的光导纤维制造厂。为了满足通信系统范围极其广泛的要求，单模光纤和多模光纤现在被制造成各式各样的缆线结构。今天使用最多的光纤类型是供多模传送的。光脉冲信号能从各个角度进入光导纤维，以便能够利用发光二极管和激光器这样的光源。铜缆虽然比光缆粗许多倍，但载运信息的能力却远不如多模光缆。单模光纤系统目前已经达到商业大规模应用的技术阶段，最适于由激光器单模光导产生的相干光，同多模光纤比较，更适合于远程传送和高速率传送。单模光纤尤其适合于未来的跨海光缆和陆地远程通信的应用。

过去的十年，进展最快的是发光二极管和半导体激光器、光检测器、小型发射机与接收机、多路复用机、接头连接技术以及编码、调制、故障监测与放大功能所需的有关的电子技术。第一代光纤通信系统是以0.82微米的多模光纤传输为基破。美国电话电报公司初期使用于办公室之间通信联系的是FT3光纤系统，每根光纤能同时传送672条话路，传输速率为45兆毕特/秒。为美国东北部的电信干线和太平洋沿岸地区南北干线专门设计传输率为90兆毕特/秒的FT3C系统，十年前似乎都不敢想，光纤通信业务首次开办于1983年2月，东北部从华盛顿市到纽约市全程四万六千公里的线路。一个月以后，又—条线路把太平洋沿岸加里福尼亚州圣克拉门托到圣琼斯联结起来，长约一万九千公里。这两条光纤通信线路均可利用频分复用的特性，将波长为0.875微米的激光器与1.3微米的发光二极管相结合，使通信功能扩展两倍，即从由144根光纤组成的一条光缆传送八万路电话扩展到二十四万路电话。

新的光缆通信系统是FT4 E-432，每条单模光纤可传送6084路电话，直接传输的距离为32公里而无需转发器，如频分复用可使传送能量扩展一倍。

还有一项了不起的光通信系统的计划，这就是把美国与欧洲沟通的横跨大西洋的光缆系统（TAT-8）。虽然有多种方案，而且具体线路尚在讨论中，但是贝尔实验室已经研究出一套很可能被采用的光缆系统。1982年9月，世界上首次成功地进行深海光纤通信的实验，这是由美国电话电报公司进行的，地点在新英格兰州附近的公海上。这套光纤系统在深达五千四百米的海洋深处如同在实验室里那样工作正常，这真是一件里程碑式的重大技术成就。实验时，整个技术装置放入压力达到422千克/（厘米）²的海底。敷设长18公里，由12根光纤组成的光缆，往复式排列，总长108公里。试验结果表明，不需用转发器而能准确无误地以274兆毕特/秒的速率将信号传送到54公里以外的距离。这次成功的试验使用的是年初刚研究成功的新技术，即当年四月，贝尔实验室使用1.3微米半导体激光器和高强度单模玻璃光纤实现了无转发器的准确传送，传送距离101公里，传输速率为274兆毕特/秒；距离84公里，420兆毕特/秒——这两组数据均为目前的世界纪录。这年二月，贝尔实验室新近设计的粘滞耦合腔激光器也创一项毕特 - 速率 - 距离的新世界纪录。使用低耗单模MCVD光纤，传输速率420兆毕特/秒，无转发器准确传送119公里。这样的传输速率就意味着把三十卷不列颠百科全书的全部内容在一秒钟内传输出去。目前，以硅材料为主的光导纤维，其传输损耗处于其理论极限值。因此贝尔实验室的科学工作者正在研究应用于未来的光纤通信系统中的低损耗的、有潜力的新材料。

光纤通信的速率还可再求提高吗？贝尔实验室一台试验中的激光器，开关速率达到每秒两万亿次，比现在使用的激光器快二万二千倍。目前面临的难题是要研究控制传送信息的脉冲的方法。还有一台正在试验的激光器产生出比现今所有的激光器都要短的波长的光脉冲，达30×10^-15秒，这种激光器可能会成为未来的光通信系统的光源。贝尔实验室和西方电气公司的科技工作者继续开发种类越来越多的光波通信系统，尤其将向用户提供最佳的性能、最优的设计、最高，的可靠性和最高的成本效率。

将来，光通信系统的主要应用似乎将在近程约定的通信与数据通信网。美国有的地方已采用以0.8微米的发光二极管做光源的，传输速率为1兆毕特/秒的小型数据通信网络系统，用来把计算机与终端相连进行数据通信。10兆赫模拟视频通信网已在约一公里以上的距离传送达到演播质量的电视节目。西方电气公司的5ESS交换系统也使用一套32兆毕特/秒的，以发光二极管为基础的数据通信系统，这个系统可在远达3公里的距离里实现光波数据传输，并在系统内部和系统之间完成快速的互连。类似的通信网络还将应用于数字信息的存取或交连系统里。光通信系统优点甚多，除了传输速率高、载运信息的媒质的尺寸与体积小之外，不受电磁干扰的影响；在“噪声”环境下也能可靠地工作；辐射散逸极其少，可忽略不计，因此可以作为完全而可靠的保密通信系统。

软件技术

地球上规模最大、复杂程度最高的机电装置是美国的电信网，它由二万二千个交换中心把一亿七千五百部电话相互连接起来，每天要做七亿五千万次的通话。软件——为类似计算机的交换机所编制的精巧而详尽的指令——靠它们才使这上百亿个相互关联的零件按照用户的命令操作有序，工作可靠。贝尔实验室和西方电气公司运用与维持大约五千五百万行软件代码来保证整个电信网的正常运行，这或许是世界上最大的软件企业。

软件是信息时代微妙的技术。它不像微电子或光子产品那样有形可触，而是一种智力型产品，只能以编制成页的形式出现，而这需要把非凡的创造力和执着的追求融汇起来。软件的根基在于数学研究，利用算法规则，其功能同烹饪书里的食谱有点相似，贝尔实验室在这方面的杰出人物是数学家C. E. 申农（Claude. E. Shanoon）（信息论的创始人——译注）等。贝尔研究所取得的成就以及其他同软件有关的成果同样适用于电信业之外的企业。比方说，已经有5000多家美国电话电报公司之外的企业租用或转租贝尔研究所1969年研制的UNIX?操作系统软件，而且目前也颇有在个人计算机系统中应用的可能性。

美国电话电报公司使用的软件之广是其他任何公司望尘莫及的，软件要做的复杂程度很高的工作包括通信网路的计划、设计、敷设、维修与监测。贝尔实验室的大部分软件在一百五十个以上的辅助操作系统中使用。这些计算机程序使其实现自动化，简化工作过程，降低完成千余项业务功能的费用。随着辅助操作系统复杂程度的提高，它们之间的通信联系，比如说共用磁带，就比以前更为重要了。贝尔实验室最近提出标准方案BX. 25，这是1976年曾被国际电报电话咨询委员会（CCITT）首次接受的X. 25方案的改进方案。X. 25方案详细说明同各种计算机相连的批置交换网路的接口，而BX. 25可以说是对X. 25的补充，重点说明要采用批量交换网路的计算机系统，对于两个计算机系统之间数据传送（即使使用不同的机器语言）所需要的硬件与软件功能做出详尽说明与标准化。这样，终将发展起集中式的操作系统网络，克服硬件、计算机软件与设备使用期限的差异。贝尔实验室的科技人员正在致力于由软件来定义的网络，这是“真正”的保密网络，其功能和业务项目将由此网络的软件来编码，而不由专线和交换机来决定。现在已有3，000多个通话管理系统依靠贝尔实验室和西方电气公司的软件，例如，长途电话使用的4ESS交换装置需要一百四七万行指令，比较小型的咨地交换系统也要包净七十万行的软件代码。这些系统里足有一半的程序是用来检查、纠正和维持操作的，这些系统的可靠性比任何计算机都要高千倍。

贝尔实验室将来在软件的开发上，将直接利用电子智能编制程序，从而创造出新的计算机辅助软件设计技术，这些技术可以同集成电路计算机辅助设计相媲美，能自动进行许多初级的编制程序的工作，把人工编程人员解放出来，用更多的时间致力于那些更富有创造性的工作。毫无软件经验的人可以利用这项新技术同计算机“对话”，比方说在事务分析系统中，用户只需提出简单的问题，答案就被译成计算机指令。这项技术几乎可以把这些程序中难以写出的部分实现自动编程，于是可以协助管理人员去创造高效率利用时；间的系统。这些试验性的技术的发展对于以计算初^为本的系统是否达到容易使用与可靠的要求极为重要。由此最终必将使所产生的程序用来协助编制出更为复杂的新程序，这是对于设计智能工作站和“未来的办公室”系统具有特殊魅力的“自扩展”的手段。

近几十年间，业已出现一系列令人惊叹的技术上的变革，而且没有理由预言这个变革过程将就此完结。科学工作者——物理学家、化学家、数学家们和工程技术人员携手努力，继续改造人类的文明，国际间的交流是世界相互了解的重要因素，现在，一切迹象都表明，将来的通信系统必将在可靠程度、规模、灵活性、有效成本等方面日趋改善。随着语言与地域的障碍被打破，人类汇集起来的知识将更好地谋取作为一个整体的人类的利益。信息时代的技术正是这个进程中的宝贵工具。今天的成就要在世界各个角落发光放热，引人瞩目的预测正在展现未来令人神往的前景。

[AT & T Bell Laboratories Record，1983年10月号]