以异乎寻常方式对光进行变换的四种材料正在为用于建造出对光通讯系统最快速器件的竞争中不相上下。

一场旨在以充满生机活力的高速光子取代现有信息转换媒体——以相对缓慢速率来回运行的电子——的革命性进程已经开始。人们铺设了远距离光纤通道从而便被陆地和海洋隔开的计算机和电视通信之间的这些光学媒介物可以“一扫而过”。然而，完全以光为基础的通信系统不但需要洲际通道，而且需要光学的入境坡道、出境坡道和交换以使光子瞄准它们应该达到的目标，此外还需要许多器件来产生和解决携带信息的光闪耀信号。

那些已被称为非线性光学（NLO）材料的物质对于构造出新器件是极为重要的。与其他材料不同，非线性形态在光或其他能量穿越时会经历许多令人感兴趣的变化，这些变化又会使穿越的光发生转换。例如，让一束红外激光穿越一种非线性光学的无机晶体材料，我们就可以得出绿光的输出，有时晶体也可能会像一种转换开关那样，使激光光束从一个光纤线跳跃到另一个光纤线。

正常的线性材料如同一条平坦大道，当汽车沿着地面疾驰时，它不会使其他汽车的行为发生改变。但是，非线性材料却类似于水的行为，当船只驶过时，水中就会产生一种尾流，从而影响附近其他船只的行为。

人们认识这样的行为已有几十年了，材料科学家也一直在考虑利用这种行为。近三十年来，唱主角的非线性光学材料一直是无机晶体，例如，铌酸锂或石英。但是，这样的无机晶体存在一系列不足之处：它们价格昂贵，又很脆弱，而且难以与那些可以制造出现代通讯器件——光纤和半导体——的材料相结合。因而，更多的研究人员最近一直在探索着在其他材料中的非线性效应。高分子聚合物、半导体和玻璃光纤正是这样的新材料，它们正在显示出极为重要的应用前景。确实，这些材料正在开始向无机材料“一统天下”的局面发出挑战。

这种挑战围绕着两个应用领域而显得特别白炽化。非线性光学的高分子聚合物正以电光调制器——以激光脉冲束的方向对信息进行编码的器件——的形式迅速趋向于商品化，而玻璃光纤和半导体非线性光学材料正竞相被用来作为完全的光学转换开关，因为它们两者都可以利用一个光束来改变另一个光束的方向。

在大多数应用领域中存在着的这些竞争和对抗正在形成一种强烈的激动人心的势头。正如美国加州大学伯克利分校的劳伦斯伯克利实验室的固体物理学家和非线性光学专家丹尼尔 · 切姆勒（Daniel Chemla）所说：“这个领域目前正在发生‘爆炸’，我不知道现在人们是否还能够把这个领域称作单一的领域。”

够把所有的非线性光学材料统一起来的是它们独特的光转换能力。构成这种行为的基础在于下面的事实，即非线性光学材料中的电子和电荷或者特别容易被极化或者在能量的行波影响下特别容易被置换，这种行波可以是初始光束本身——一种附加的控制光束，也可以是外加的电压。入射波的电场会引起材料中带负电荷的电子和带正电荷的离子发生振动。如果这种振动足够强，它就会如同乐曲的注音一样叠加到初始以上，并使初始波动得到增强，从而可能影响初始入射波的频率。此导致的后果是，通过材料的光速（折射系数）会发生改变；材料的透明度发生改变或者输出光束的频率发生改变。

一旦当这种使激光频率发生变化的能力成为非线性光学材料的一种最有利的特征时，就会引起材料折射率的变化，正是这一点被证明为对光学通信网络的未来是十分重要的。这种性质奠定了电光调制器的基础，这种调制器可以把一束光能转换为一系列适合于传递信息的分立脉冲。当非线性光学研究人员以一个电场控制着一束光而不是用另一束光或用起始光束本身控制一束光时，他们对于这样的器件是不是真正是非线性的问题通常是存在意见分歧的。

对这种调制器的最普通的设计是所谓的马赫-泽德干涉仪，它是通过控制两束光之间的干涉来进行工作的。干涉图像决定了两束光是合并以产生单独的更强的光束还是互相抵消。在这些光束中的光子表现出恰如海洋中波浪的行为那样，有着一个反复出现的波峰和波谷。当一束光进入这种调制器时，它就会分解为两个分立的脉冲，它们的波峰和波谷是精确地排列在一起的。这些脉冲再进入到调制在一种非线性光学材料上的平行通道中。当在这两种通道中的非线性光学材料有着相同的折射率时，光就以相同的速度传送，它们的波峰和波谷保持同步。一旦这两种光波在这个器件末端的一个单独的通道中重新组合时，起始的光束就得以恢复。

然而，如果在其中一个通道两端加上一个外界电压时，这个电压就会在通道内产生一个与光子“并肩”传播的电波。这种传播的电波提高了材料的折射率，从而减慢了光速，以至会使它的波峰与未受外界电压影响的光束的波谷排列在一起，这就导致了π周相移动的变化。当这些不同相位的波动在单一的通道中相遇时，它们相互抵消，于是脉冲停止。这样，通过改变外界电场，器件制造人员就能把单一的激光束切割为许多分立的脉冲。

但是，不同的非线性光学材料是通过不同的机制产生折射率的变化，从而导致相位改变的。铌酸盐晶体——商用电光调制器的现行主体——就是依靠前后移动材料中重离子从而部分地改变了它的折射率。商用铌酸盐调制器接通和断开光脉冲的速率可达到每秒200亿次，也就是频率为20千兆。去年由日本研究人员制造的实验非线性光学晶体器件甚至把这样的调制器推进到了令人眼花缭乱的75千兆。然而，日益增长的晶体的高价可能把铌酸盐的价格抬高到5万美元。无机非线性光学晶体的另一个不足之处是它们很难在半导体材料上生长，这就使它们难以与以半导体为基底的微电子器件结合在一起。

另一方面，非线性光学高分子聚合体却可能避开这些缺陷。高分子聚合物不仅在上价格远为低廉——这是因为它们可以利用通常的有机合成技术实现操作，而且容易在半导体上成层，更有甚者，以高分子聚合物为基础的调制器具有以比无机晶体更高的速度产生光脉冲的潜在优势。在铌酸盐中离子的移动使高速电波慢化，引起它们跟不上某些充满活力的光子，因此不可能产生周期移动。而高分子聚合物则通过使电子急速迂回移动的方式改变折射率，电子不可能使电波慢化，因此这些器件有潜力来提高电波的最高速度，速度越高，能够放入光束的信息越多。

最近几年，研究人员一直在设计制作着新非线性光学高分子聚合物，并且不断地改进它们的效应。虽然以高分子聚合物为基础的电光调制器还必须有待于投放市场，但是他们开始宣告了令人印象深刻的研究成果。

虽然速度很快，但是却不如无机晶体那么坚固，在连续暴露在高温的情况下，高分子聚合物会受到损坏。已经证明，在100℃条件下，高分子聚合物只可能维持到1000个小时。当然，这并不是电视通信公司所寻求的长寿命。但是，根据目前的发展势头，可以预言，以高分子聚合物为基础的调制器将会在两年内投放市场，在市场上它们将会与它们的结晶竞争对手一比高低。

两种不同的非线性光学材料——玻璃光纤和半导体——也正是使完全的光学转换开关实现商品化的努力中齐头奋进。不管哪一种获得成功，只要完全的光学转换开关投入实用阶段，它们就会打破在电视通讯中令人厌烦的“瓶颈口”局面。

美国麻省理工学院的电子工程和计算机科学教授埃里克 · 伊彭指出：“目前，所有的光纤通信系统受到电子元件的限制，它们只能以每秒大约10千兆比特的最高速度探测和传输信号。为了打破这个“瓶颈口”，人们特别渴望能以完全的光学形式来进行探测和传输。但是，虽然非线性光学研究人员自80年代中期起一直在制造着试验性的光学转换开关，要把这些成就转换为产品，还必须作出持久的努力。

之所以需要不懈努力在于光学转换开关依赖于非线性光学材料的更复杂的行为，这种行为正使许多更高深的领域相继形成。令人深思的是，直到如今，在光学转换开关中使用的最成功的材料一直是玻璃光学纤维，它们只具有几乎趋于零的极其微小的非线性光学效应。但是，有利的是，这样的光纤几乎是完全透明的，它允许控制脉冲和信号脉冲并列地几乎没有能量耗损地通过几千米长的光纤，允许由控制脉冲产生的非线性效应构筑到所需要的水平。

一个最常见的利用玻璃纤维的光学转换开关就是非线性光学迴路镜（NOLM）。这些器件与马赫-泽德干涉仪在某些方面极为相似，它们都利用改变非线性光学材料折射率的相同原理来产生两个光波之间的干涉。如同干涉仪一样，非线性光学迴路镜也以把一束光脉冲分解为两部分而开始运行。但是，这些器件在设计和功能上不同的。在迴路镜转换开关中，两束脉冲一旦分解开来以后就沿相反方向通过一个很长的光纤迴路开始运行，在中途互相穿越并在最后返回到它们分解的位置上又重新合成。分离器的通道是这样设计的，以使脉冲处在这点相位上时，它们就沿一个方向通过，如果脉冲不在这点的相位上，它们就被通向一个不同的光纤上。

为了改变一个信号脉冲的位相使它穿越光纤回路，在迴路的起始端就要注入一个控制脉冲，并使它与信号脉冲并列地运行。当它在回路中运行时，它会使玻璃中的电子云发生变形，引起玻璃分子的少量极化，增加材料的折射率并且使信号光子的进程慢化。但是，这种衰减是如此地轻微以至两束脉冲仍会并列地运行几千米，然后信号脉冲才会与在相反方向运行的另一控制脉冲之间出现完全的相位背离。这种光纤系统的长处在于它们可以极其快速地改变折射率，因为电子的操纵是如此地快，以至能够使电子以非常迅速的次序转换极其短促的脉冲。

然而器件的尺寸大小——几千米长的线圈光纤被挤压在一个如同装鞋盒子那样大小的容器内——依然是一个实际的障碍。与此相反，当今构成转换开关的晶体管可以成千上万个被挤压在集成电路板上。在缩小光学器件的努力中，世界各地的研究者们一直在努力探索用由半导体制成的以微小集成电路块为基础的器件来取代非线性光学迴路镜的长光纤组成部分。

去年，普林斯顿大学的保罗 · 普鲁克纳和他的同事们首次制造出了第一个与非线性光学迴路镜相似的半导体，即兆兆赫兹光学反对称信号分离器（TOAD）。虽然器件仍保持迴路结构，但是很长的中心光纤圈被蚀刻在一个半导体集成电路块上的电路所取代，这个集成电路块是由铟、镓、砷化物和磷化物的一种合金材料所制成的，控制脉冲的波长已被特定，以至它可以激发出负电荷的电子和在材料中带正电荷的“空穴”，并使它们结合以发射出光子。这种带电粒子的消除在一个很短的距离上改变了物质的极化，这个距离比在玻璃光纤中为了存在类似效应而由光所必须延展的一段路程短得多。这就相应地增加了半导体的折射率，减缓了信号脉冲。

折射率的这种快速变化允许器件可以转换极其短暂的脉冲。但是，因为器件在耗尽的电子和空穴被取代之前不可能重新产生转换——这是一个相对缓慢的过程，因此在器件准备转换下一个即将到来的脉冲之前，它必须等待比光纤器件更长的时间。例如，第一个器件只能以每秒3千兆比特的速率转换光脉冲以后，英国的研究人员已经把速率提高到每秒40千兆比特。

除了当每个脉冲到达光纤时被转换以外，这些器件还能够被用来对每250个脉冲进行转换，例如在被称为信号分离器的一个通常的电视通信作业中就是如此。这样的系统常常被用来从已被分割为较小“碎块”以便于传送的信号中重新构造大信号；来自250个这样的大信号的“碎块”可以接连不断地沿光纤传送出去，一个兆兆赫兹光学反对称信号分离器可以捕获每250个“碎块”，用来重构一个初始信号。此外，这种分离器还可以在主要的数据流以每秒250千兆比特移动时用记录的速度提取出这些“碎块”。以半导体为基础的信号分离器有着比以光纤为基础的系统的更多的长处，因为它们更小因而更容易与现有的半导体通讯器件相结合。但是，在兆兆赫兹光学反对称信号分离器和其他类似分离器投放市场之前，它们将必须与在一块单独集成电路块上的其他信号分离器元件相结合。一些科学家正在努力实现这个目标。

由于人类对频带宽度的需求正在增长，因此无论光纤还是半导体器件的实现还有待于继续改进。人们可能会在利用电子方面耗尽精力来满足这种需求。这种-求意味着来自市场的推动力——不仅对光学转换开关，而且对其他需要产生未来信息通道的非线性光学器件——有可能随时间而变得更加强烈。

［Science，Vol. 267，1995年3月31日]