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第l6卷第2期五邑大学学报(自然科学版)Vo1．16No．2
2002年6月JOURNALOFWUYIUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)June2O02

文章编号：1006．7302(2002)02—0048—04

光信息科学与技术

黄德修

(华中科技大学光电子工程系，湖北武汉430074)

1概述

日光、空气和水曾被认为是维系人们生命的三大要素．而微电子、光电子、软件是当今信
息科学获得强大生命力的三个支柱．光已经和我们的生活质量、社会发展息息相关．光在信息
科学中是最早做出贡献的．
光用于通信联络的历史源远流长．早在公元前1184年罗马人就利用光将攻克特洛依的消息
传递到迈锡尼；公元43年罗马皇帝克拉狄用光将战胜不列颠的捷报通知罗马；象征我国古
代文明的万里长城上的烽火台，也曾用来传递军事情报；古希腊、埃及用反射的太阳光传递信
息；美国印第安部落用烟雾通报信息等．在电报发明前，莫斯科至华沙用光进行的通信于1838
年投入使用，其中包含220个中继接力站，在这条线路上投入的工作人员达1320名．即使现
在，信号弹、信号旗(旗语)仍被用来进行通信联络．这些“光通信”的共同特点是利用光作
信息传输媒体，大气作为信息传输介质，人眼作为探测器接收信号．
真正的光通信，即用光作为信息载波传递语言的通信是由贝尔(A．G．Bel1)在他发明电话后
的第4年(1880年)发明的．当时的实验装置非常简陋，将太阳光反射到送话器的簧片上，贝
尔对准送话器讲话，使光波受到声波的调制，从簧片上反射的、受到调制的太阳光，经213m
传输，进入受话器后将传来的声音解调出来，贝尔从耳机上听到了助手的讲话和笑声．尽管这

一距离是在视线和听觉范围之内，现在看来似毫无意义，但这一成功实验就代表着今天实际的
光通信所迈出的第一步，是信息传输带宽上的一个飞跃．当时贝尔非常激动，他说：“我已经听
到由太阳产生的清晰的声音，我已听到太阳射线的笑声、咳嗽声和唱歌，我已能用耳朵收到穿
过云层的太阳的影像．”贝尔的“光话”实验结果在波士顿的美国科学工作者协会发表后引起
强烈的反响，甚至让人感到不可思议．1880年8月30日纽约时报报导日：“电话是借助于导线
来完成，光话是用太阳光，贝尔教授如此清楚地描述他的这一发明，美国科学工作者协会成员
能理解它．然而，令普通人费解的是贝尔教授如何利用挂在电线杆上的太阳光将波士顿与其旁
边的剑桥连接起来?如果可能的话，那么太阳光束的直径是多少?如何得到所需尽寸的光
束?”这些今天听来幼稚可笑的问题，正预示了今天的自由空间光通信，开创了当今架空和地
埋的光纤通信．
光波与大家所熟知的无线电波、微波一样同属电磁波，都可用著名的麦克斯韦方程来描述．
我们所涉及的光波的频谱范围已不只限于通常人眼能感知的可见光区，还包括人眼所不能察觉

收稿日期：2000．07．15
作者简介：黄德修，教授，博士生导师
注：原文载于华中科技大学内部刊物《信息与开发》2000年第3期，本文有删节

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的红外光与紫外光，而当今用于光纤通信的激光波长都是在1300-1650nm范围内的近红外光．
光波是频率很高的电磁波，可用来进行通信的光波频率要比微波(10Hz)高出5-6个数
量级．频率是一种信息资源，故用光来进行通信，其信息带宽要比微波高出几个数量级，更不
用说与无线电波相比了．

2光子学与电子学发展的并行性和互补性

相对电子学或微电子学来说，人们对光子学的了解要生疏得多．然而如果把握住科学发展
中的某些并行性和互补性，则对光子学的理解又相对要深刻得多．
19世纪法拉第时代，电和磁有着平行发展的历史，有着一些对应之处，但法拉第洞察到电
和磁有密切的相互关系，交变的电场可以产生交变的磁场，反之亦然，从而形成了一门非常有
用的科学——电磁学．正是利用了法拉第效应，才有后来的电动机与发电机，才给人类带来了动
力和光明．光子和电子同样有着很好的并行性与互补性，这不难从表l看到．电子与光子有很
强的相互作用，是一对极为亲密的伙伴．在半导体激光器和发光二极管中，注入的电子可直接
变为光子；而在光探测器中，光子又可转变为电子．而且，电子与光子的相互作用，其结果比
单纯的电子或光子所表现出的作用更大．正如我国著名科学家王大珩院士所说，若设光子为a、
电子为b，它们相互作用的结果不是简单的a+b，而是a·b．半导体激光器在信息领域中所发挥
的巨大作用足以说明这一点．

表1光子与电子的主要特点

光子学作为一门学科，紧跟电子学的足迹得到迅速发展，并表现出极好的相似发展规律．
电子最早是作为电荷的单位而出现的．1910年“电子学”这个名词开始在文献中出现，并很快
推动着其他科学