2.2 光子学器件
如上所述，光子学是研究作为信息和能量载体的光子及其应用的一门技术性科学。它涉及光子的产生、传输、探测、控制、转换、存储、显示等，并由此形成了诸多相关的器件，即光子器件，它是光子学与技术的重要基础。人们仿效电子学，将光子器件大体上划分为有源(Active)与无源(Passive)器件两大类，也可按其功能划分，将其划分为光子源器件、控制器件、探测器件、存储器件与显示器件等。有关存储器件与显示器件的情况将在本章第2.3节中另文阐述。
2.2.1 光子学器件的分类
1, 光子控制器件
属于这类器件的，诸如光调制、光偏转、光开关以及光双稳器件等，它们能够对光的振幅、强度、相位、频率、偏振、传播方向及状态等进行控制，并将各种信号加载到光波上去，进而完成对信息的载入、传输、存储以及各种加工处理等。
(1) 光调制与开关器件
对于这类器件，由于体形器件本身的结构限制，不可能获得更高的带宽和速度，因此，其主要研制方向是导波器件和全光纤器件。这类器件的调制带宽可达到近百GHz，开关速度可达到ps量极。空间光调制器、光阀与开关阵列也是光子控制器件的研究热点之一。它们在超大容量光信息交换、通信和处理技术中占有重要地位，其主要研究方向是研制具有高动态范围、高单元数与高响应速度的小型化器件。为此必需寻找具有驱动功率小、响应速度快、动态范围大的新材料以及在结构上提出有创意、有新思想的新型器件等。近年来，在新材料研究中开发有机材料和多量子阱超晶格材料以及在新器件的开发中提出来的各种复合型与多量子阱器件等引人注目。在光双稳态器件的研究中，以往较为侧重于理论研究，当前，开发新型光双稳态器件，特别是研制超低功耗、超高速开关、超小尺寸、易于大规模集成并能与光电子、微电子学器件兼容的多维器件应予以格外关注。
(2) 光纤器件，全光纤器件
光纤器件，包括光纤耦合器、隔离器、连接器及转接器等。所谓全光纤器件是指全部由光纤构成的器件，属于这类器件的有光纤滤波器、路由器、复用/解复器、偏振控制器、光纤敏感器与调制器等。近年来，随着光纤通信与光纤传感技术的迅猛发展，全光纤及其集成光子器件的发展也有如异军突起之势。加之光纤技术的迅速发展，特别是特种光纤（如掺杂光纤等）、光纤光栅（如布喇格光纤光栅等）以及各种光纤耦合器、隔离器、连接器等的成功研制，大大促成了全光纤光子器件的发展，并在光通信、光传感等诸多领域展示出重要的应用前景。关于这方面的内容，在本章以下的诸节中还有叙述。
2, 光子探测器件
在诸多光子探测器件中占据主导地位的是高性能半导体光电二极管、红外探测器与固体成象器件。
(1) 半导体光电二极管
属于这类器件的主要有PIN型光电二极管和雪崩型光电二极管(APD)。目前以InGaAs制作的PIN与APD已作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤通信、光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位。近年来，PIN器件的性能不断提高，其脉冲响应已达到ps量级。APD是一种具有增益能力的探测器，具有很高的灵敏度，因此更被看好。现在已对各种APD结构，如SAPD、SAM-APD、SAGM-APD以及量子阱APD等展开了深入研究。其中SAM-APD被认为是一种成功的结构形式，SAGM-APD是对SAM-APD的进一步完善，并已开始实用化。量子阱APD是一种新颖结构并具有发展前景的光电探测器，目前也已趋于实用化。
(2) 红外探测器
确切讲，这里的红外探测器件是指光纤通信波段(850nm～1550nm)以外的中远红外探测器。它们主要应用于红外成象、制导、遥感、跟踪以及空间通信与光电对抗等技术应用领域。已研制和开发的各种红外探测器件，其中以HgCdTe为材料的单元、多元及焦平面阵列探测器件受到广泛重视。 在3μm～ 5μm 波段，HgCdTe 与 InSb的焦平面阵列探测器件互为竞争对象，各有长处。在 8μm ～ 1 4μm 波段，则以HgCdTe焦平面阵列探测器件为发展重点。提高阵列单元数目、探索新材料和新结构也是发展红外探测器件的重要任务。
(3) 固体成象器件
这里所谓固体成象器件，实质上可称之是一种“光子图象探测器”，目前，电荷耦合器件(CCD)已在固体成象器件中占据主导地位。CCD具有尺寸小、低电压、长寿命以及电子自扫描等一系列优点，加之无图形扭折、易于信息处理，因此在实现各种高速图象处理等方面得到广泛应用。目前CCD发展的特点是象素超高速集成和进一步微型化。因此CCD正在取代包括广播电视在内的电视摄像管，其竞争力是十分可观的。
自CCD问世以来，新结构、新工艺以及更灵活的芯片拼接技术不断涌现。值得关注的器件有帧内线转移(FIT)CCD、虚像(VP)CCD、电荷引动器件(CPD)、电荷扫描器件(CSD)以及极有发展前景的静电感应晶体管(SIT)图形传感器等等。以军事应用为背景的微光CCD(包括ICCD、 TDICCD) 及新一代固体红外热摄像阵列CCD(IRCID)等发展也十分迅速。这些器件已有相当部分进入实用阶段。
3, 光子源器件
光子源器件主要是指以光子作为信息或能量载体的光子发生器件，或称光子学有源器件，它是构成光子信息或能量系统的基础与核心。目前，在光子源器件中作为发展主流的当属激光器件与某些发光器件。
(1) 激光器件
激光器是一种相干光子源，它作为信息载体或能量载体发生器，在各种光子系统中占有重要地位。
A 作为信息载体的光子源
这类光子源主要用于光通信、光信息处理、光测量、光传感等信息光子学技术中。仿效电子学，可称之弱光器件，属于这类器件的主要有半导体激光器、 激光二极管泵浦的固体激光器、光纤与波导激光器以及某些气体激光器等。
B 作为能量载体的激光器
这类光子源主要用于光子与物质相互作用的光子学技术中，如激光加工、光化学、受控核聚变、分离同位素以及在医学、军事等诸多应用中显示其能量作用的各种功率激光器。仿效电子学比，则可称之强光器件，属于这类器件的主要有高功率固体激光器、气体与准分子激光器、自由电子激光器以及紫外和X射线激光器等。
(2) 激光放大器
为获得高的激光能量或功率而又保持激光的质量（包括脉宽、线宽、偏振特性等），通常采用激光放大的方法。对于常规的固体、气体激光器，多采用振荡级加放大级的方案。在固体激光放大器中，近来提出一种相位共轭反射器（Phase Conjugate reflector）的方法，采用PCR，即可以获得很高的放大倍率，又能够保持很好的光束质量。PCR可以通过气体、固体以及光纤等介质来实现。
与此同时，半导体激光放大器也在迅速发展。偏振依赖问题曾是一个难题，近来由于采用了张应变量子阱结构（或采用张应变与层应变结构组成的应变补偿量子阱结构），比较好地解决了偏振依赖问题，所以半导体激光放大器的发展已显示出优势。特别是在1330nm波长上，由于目前光纤放大器还难以解决泵浦源等问题，因此 这个波段上的半导体激光放大器有望发挥大的效力。
此外，全光纤激光放大器的研制及其出色应用是近年来光子技术领域又一件引起广泛关注的大事。目前主要在1550nm波段、以掺铒光纤激光放大器(EDFA)为代表的器件研制获得成功，并在光纤通信系统中获得出色的应用，以致使光通信领域发生重大变革。提高EDFA的性能(如提高连级EDFA的信噪比、实现EDFA的增益平坦化等)、扩大EDFA的应用(如将其用于各种模式的通信系统)等，仍在深化研究之中。在新的波段，特别是在1330nm波段，实现光纤放大也是近年来被广泛研究的课题。使用氟化物光纤完成的1330nm波段的光纤放大器也引人关注。
(3) 发光器件
发光器件是一种非相干光子源，近年来它在光子显示等重要信息技术领域获得广泛应用。属于这类器件的主要有半导体发光器件(如各种发光二极管，即LED)、 电致发光器件、有机微型发光器件以及有机/聚合物发光器件等。有关这些器件的一些情况，在本章第2.3节还有专文叙述。
2.2.2 新型激光器
激光器，或仿效电子学，称之光子振荡器，是光子学的主要源器件。六十年代，激光器的问世与发展促成了光子学的兴起。近年来，各种新型激光器的不断涌现又为光子学的进一步迅猛发展注入新的活力。
1, 激光器发展概况
从第一台红宝石激光器问世至今，研制出的不同类型的激光器已上千种，但其中只有很小一部分，或因性能优越，或因宜于实用而不断获得发展。例如He-Ne、CO2、Nd:YAG、Ar+、Cu、XeCl、KrF等类激光器应用广泛，是由于它们在一定波段具有高的效率，好的相干性，能获得高的输出功率或能量。大多激光器已经在科学研究、工业、医疗、国防、信息及能源开发等领域得到广泛而重要的应用。当前，获得具有比上述激光器更优越效能的激光器将是十分有意义的。
从染料激光器到钛宝石一类的固体激光器，由于其输出波长具有优越的可调谐性，而长期受到关注，已形成一个新型的固体可调谐激光器分支。半导体激光器的出现不但为光纤通信的发展奠定了可靠基础，而且又为整个激光技术的发展注入了活力，并成为其中最关键、最基础的核心器件。随着半导体激光器的快速发展，激光二极管泵浦(LDP，或全固化)的固体激光技术迅速崛起，由于这类激光器具有体积小、效率高、性能稳定可靠、易于实用化等突出优点，因此已成为激光领域研究和发展的重要热点之一。能与这类激光器相竞争的当属光纤激光器，它的效率高、体积更小，调谐也更方便，并且能与常规光纤兼容，因而倍受青睐，有望成为激光领域的佼佼者。
LDP固体激光器、光纤激光器以及波导激光器等已形成一族新型激光器—微型(小型)激光器，它以小型、高效、稳定及实用为特点，成为光子源器件发展的主流。
以激光等离子体产生X波段激光以及自由电子激光器的研制工作也有很大进展，如能在输出相干度方面有更大改进，将可能促成物质结构的深层次研究取得突破性成果。高峰值功率、高光学质量的激光器可导致高功率密度的激光输出，它不仅是高精密加工所需要的，而且也是材料、物理、化学等诸多科学研究领域的有力工具。因此，对这类激光器的研究与研制也引起广泛关注。
新型激光器的另外一个有意义的研究领域是激光材料，包括新型激光材料和非线性光学材料。前者在研制新型、高性能激光器方面有重要意义；后者在通过非线性光学频率变换(如倍频、和频、差频、光学参量振荡及放大，即OPO及OPA)等以产生新波段、新频率的激光方面有重要作用。
总体上看，当前激光技术的发趋势可概括为：激光器的小型化、集成化与实用化；开拓激光器输出的新波段，尤其是向红外和紫外波段发展；拓宽激光器的可调谐范围；提高激光器的功率和能量；压缩激光器的脉宽与线宽；进一步改善光束质量；探索新的激光工作物质与新的工作机制等。
2, 固体激光器
以固体材料为激光介质构成的激光器为固体激光器，从实质上讲，它是一种固体光子学有源器件。由于固体材料具有诸多优异的激光特性和结构特性，因此在激光技术中，关于固体激光器的研制工作一直倍受关注。应当说，近年来，半导体激光器、光纤激光器是固体激光器发展的新星，其中半导体激光器又是其他诸多固体激光器发展的基础。有关这两种激光器的情况在2.4、2.5节还有另文撰述。另一十分活跃的研究领域应当属于固体激光器的全固化与可调谐课题。
(1) 半导体激光器
半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
A 小功率LD
用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。
B 高功率LD
1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。
近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。
(2) 全固化激光器
全固化固体激光器(LDPL)是当今固体激光器的主要发展方向。由于业已发现，波长800nm～900nm的窄带半导体激光可以为固体激光介质中几种稀土离子提供极为有效的泵浦，因此早在1963年就提出了LDPL的概念。但是，只有近年来，由于大功率LD迅速发展，才促成LDPL的研制工作得以卓有成效地展开，并取得了诸多显赫成果。已经确认，传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有振荡方式，均可以通过LDP成功地加以实现。全固化LDPL将以更优异的性能逐渐替代传统泵浦方式的固体激光器，成为固体激光器的发展主流。
与传统泵浦方式比较，LDPL具有诸多优点，例如：①由于具有窄线宽的LD能与激光介质吸收峰准确吻合，因此泵浦能量能够被有效吸收，使总体效率大幅度提高；②由于LD光谱与激活介质的吸收光谱完全匹配，激光介质可以不再吸收其他无用的辐射，热效应也随之大大减低，因此LDPL具有更高的频率稳定性和更窄的线宽；③由于激光晶体热负荷大大减少，因此输出光束质量也得以提高，在纵向泵浦时可以产生近于衍射极限、接近理想TEM00基模的输出光束；④同时由于LD具有体积小、寿命长等优点，因此LDPL还具有小型化、结构简单、使用方便、长寿命等诸多优异特性。
(3) 固体可调谐激光器
A 固体可调谐激光材料
近年来，一些新型可调谐固体激光介质陆续被研制开发出来，随之，固体可调谐激光器也成为研究热点，而且取得众多显著进展，并向人们显示出，它在一定程度上大有取代染料可调谐激光器之势。目前，作为可调谐固体激光介质的主要是顺磁离子掺杂固体材料。这种材料大体上可划分为四类：①近红外波段调谐的Cr3+、V2+掺杂固体材料；②红外波段调谐的
Ni2+、Co2+掺杂固体材料；③紫外波段调谐的Ce3+掺杂固体材料以及④可见光波段至近红外波段调谐的Ti:Al2O3激光材料。其中Cr:BeAl2O4(紫翠宝石)是目前较为成熟的固体可调谐材料。它能够在室温下工作，既可连续运转，也可调Q运转。调谐范围为700nm～800nm。Cr:Mg2SrO4(镁橄榄石)材料的调谐范围则在1130nm～1367nm。近几年研制成功的Cr:LiSAF( Cr3+:LiSrAlF6)材料引人关注，它可以高掺杂，可以用闪光灯泵浦，由于其增益带宽宽、荧光寿命长、吸收截面足够大，因此具有重要的实际意义。色心激光器曾有过一段很好的发展时期，但终因其难于在室温下工作而无能力与日益兴起的其他固体可调谐材料相竞争。
B 掺钛蓝宝石激光器
这是一种以Ti:Al2O3晶体为激光介质的固体激光器(简称Ti:S激光器)。它以调谐范围宽(670nm～1200nm)、输出功率(或能量)大、转换效率高、运转方式多等诸多优异特性而倍受青睐，成为固体可调谐激光器中迄今为止发展最为迅速、最为成熟、最为实用，而且应用也最为广泛的一种。
a， 连续运转钛宝石激光器 纯连续运转钛宝石激光器最先是通过氩离子激光器泵浦实现的。其后使用铜蒸汽激光器、YAG激光器等泵浦均获得连续激光输出。功率可达几十瓦，转换效率最高可达40%，波长可调谐范围为700nm～900nm。此外，利用上述几种激光器还获得kHz量级的准连续激光输出。例如，在我国利用绿光泵浦获得5W以上的准连续激光输出，转换效率为30%以上。
b， 脉冲运转钛宝石激光器 这方面的研究工作很多，早期，
泵浦源一般为闪光灯、闪光灯泵浦的染料激光器、调Q倍频Nd:YAG或Nd:YLF激光器等。获得的激光脉冲宽度在几十ns量级。由于钛宝石晶体具有极宽的增益轮廓，因此，通过锁模运转获得极窄的超短光脉冲已成为广泛关注的研究热点。主动锁模获得超短脉冲，其脉宽可达到近100fs，如使用棱镜式声光调制器，既做锁模器又是调谐器，可产生近100nm调谐范围的超短光脉冲。在被动锁模中，多采用DDI与HITCI染料做可饱和吸收体，已得到50fs～100fs脉宽的实验结果。此外，还研究和实现了同步泵浦锁模和碰撞脉冲锁模钛宝石激光器，均获得脉宽为几十fs的输出。同一时期，还分别发展和实现了加成脉冲锁模、耦合腔谐振被动锁模、线性外腔锁模以及微粒镜锁模等。
引人注目的工作是，1991年Spence首次报道了自锁模运转的钛宝石激光器。这种激光器是在连续钛宝石激光谐振腔中只加一对或二对色散棱镜，而不需要任何主被动锁模器件，即可实现锁模运转，获得fs量级的超短光脉冲。由于这种自锁模激光器结构简单、造价低廉，因此它一经实现，就迅速在世界范围形成热点。研究最多、最深入的是钛宝石自锁模激光器的自启动问题。提出了诸如声光调制器再生启动、可饱和吸收体启动、量子阱反射器耦合腔启动、振镜外腔及振动镜谐振腔启动方法等，这些方法能够有效地启动并维持钛宝石激光器的自锁模运转，使其向实用化发展。
c， 可调谐钛宝石激光器 通过对钛宝石激光器的频率变换可将
其调谐范围扩展到蓝光和紫外波段。目前使用的变频晶体多为LiIO3、KNbO3、LBO、BBO等。通过OPO和倍频等手段可将激光输出波长范围扩展到200nm～510nm，转换效率可达到40%以上。特别是近来提出的准相位匹配技术，它可能实现超宽范围、并具高效率的波长调谐，因此倍受关注。
窄线宽钛宝石激光器也在深化研究，目前已能获得动态单模激光输出，其频率稳定性达1kHz。
如上所述，对于以钛宝石激光器为代表的固体激光器是当前发展的热点，其研究重点主要反映在以下方面： 结合激光器全固化，发展调Q、锁模、选模等多种运转方式，即研制全固化调Q激光器、全固化锁模激光器以及全固化单模和单频激光器等； 研究全固化激光器的频率调谐技术，研制全固化大范围可调谐激光器等；结合全固化与频率变换技术，研制全固化参量振荡器(LDP-OPO)、全固化参量放大器(LDP-OPA)以及各种全固化频率变换器件等，使全固化激光器的波长覆盖范围从红外到可见，从可见到紫外，其中兰绿激光的全固化激光器更为引人注目；为提高全固化激光器的高功率和高效率，研究与固体激光介质吸收光谱相匹配的泵浦用大功率半导体激光器。
此外，近来全光纤高功率掺杂激光器的峭然兴起已引起广泛关注。例如，最近使用双包层掺钕光纤，在800nm波长的LD泵浦下可产生功率近40W、波长为1064nm的激光，甚至直接产生倍频绿激光，转换效率高达40%，由于可使用光纤光栅作谐振腔，因此也具有可调谐性能。除采用掺钕
光纤外，掺铒等多种掺杂的高功率光纤激光器的成功研制实验也不断有报道。由于这种新型高功率可调谐固体激光器具有超小型、高效率等诸多优点，因此有重要的应用前景。
3, 高功率激光器
除固体激光器外，能产生高功率激光的激光器还有准分子激光器、气体CO2、半导体激光器以及自由电子激光器等。光子作为能量的载体，亦即利用激光的高功率，在诸多技术领域有重要应用前景。
(1) 高平均功率准分子激光器的研究
准分子激光器的发射波长在紫外波段，因此在许多加工技术领域有重要应用。例如，近来发明的光纤光栅紫外侧直写入就是靠准分子激光器完成的。提高器件的功率、压缩线宽、提高相干长度等是准分子激光器研究的重要课题。
(2) 高平均功率固体板条激光器
鉴于固体激光器的输出波长只有CO2激光器的十分之一，可聚焦功率大幅度增加，因此发展板状激光器引人注目。这种激光器的输出光束可接近衍射极限，功率已达千瓦以上。技术的关键在于获得大尺寸优质的激光介质及精密光学加工，并给出激光谐振腔的优化设计。
4, 自由电子激光器
自由电子激光器是不依赖束缚电子能级跃迁来产生激光发射的一种特殊类型的激光器，它具有高功率、高效率、宽调谐等诸多优异特性。特别是从几十微米到毫米波长的激光，目前还只有靠自由电子激光器来产生。近年来，研制中的自由电子激光器发展很快，其输出波长最长达10mm以上，最短达10nm以下，最高输出功率为兆瓦以上，效率达40%以上。正在发展调谐范围在1m～1mm的可调谐自由电子激光器，并积极探索用低能电子产生X射线波段的自由电子激光。
5, 极紫外与X射线激光器
软X射线波段激光器的激光介质主要是使用激光等离子体，已有很多实验室通过电子碰撞泵浦与复合反转，实现了激光等离子体介质中的自发辐射放大。为了使X波段的激光获得广泛应用，努力提高其相干度、压缩线宽是十分必要的。另一个重要的研究方向是获得所谓的“水窗”波段激光，即2.33～4.36nm波长范围的激光，它将为X射线全息术、生物光子学技术等提供有力的工具。为了获得更短波长的激光，显然，要靠更深层次电子的激发，因此需要短波长的脉冲激光器作为X射线激光的驱动器。
由于上述工作对理论研究的紧密依赖性，因此对若干问题展开深入的理论研究是十分必要的。这些问题包括：产生X射线激光器的泵浦机制；激光与等离子体相互作用的动力学；高阶多光子激发泵浦机制，多电子原子在强光场中的非线性效应，高激发态与强激光场的互作用等。
6, 新型激光器的近期研究重点
(1) 深入开展激光二极管及其泵浦(LDP)的固体激光器，亦即全固体激光器的研制，包括
A 对连续及准连续的高功率半导体激光器(LD)及兰绿光激光器(LD)的研制；
B 对激光二极管泵浦的多类全固体激光器的研制，其中对激光二极管泵浦的Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:YAP等类激光器的研制尤为重要；
C 研究并实现多种运转方式下的激光二极管泵浦的固体激光器，包括：连续、准连续、脉冲、单频及锁模等运转方式。
(2) 开展频率变换技术及其器件的研究与研制，包括
A 1046nm波长的各次谐波及和频、差频的产生；
B 紫外与深紫外光源(包括：频率上转换、LD直接倍频及其非线性倍频晶体等)的研制；
C 光学参量振荡器(OPO)的研制，包括：对连续运转、脉冲运转、超短脉冲运转、窄线宽运转以及全固化的OPO的研制；
D 全固化激光频率变换器件的研制，包括：对全固化可见光、紫外光以及近红外波段的激光光源的研究与研制；
E加紧开展准相位匹配技术的研究。
(3) 开展固体可调谐激光器的研究与研制，包括
A 可调谐钛宝石激光器及其多种运转方式的研究与研制；
B Cr:LiSAF、Cr:Mg2SiO4等可调谐激光器的研究与研制等。
(4) 对高功率激光器的研制，包括
A 开展高功率全固化固体激光器的研制；
B 开展高功率、高性能准分子激光器的研制等。
(5) 开展自由电子激光器及其应用的研究与研制，包括
A 用低能电子产生短波长自由电子激光的研究；
B 自由电子产生单色可调谐激光的研究，例如10nm～10mm的
调谐范围、限定单纵模以及可调谐谐振腔的研究等。
2.3 信息光子学
信息光子学是光子学与信息科学结合形成的一门交叉性学科，它以光子作为信息载体的信息获取、信息传递、信息处理、信息存贮和信息显示等为主要研究对象，并因此形成了光子探测、光子存储、光子显示、光通信与光信息处理等诸多高新技术领域。由于光子作为信息载体，本质上具有极高的信息容量、极快的处理速度、极强的和无交叉干扰的并行互连能力以及极大的存贮能力，因而使信息光子学成为光子学最大和最活跃的应用领域之一。
基于光纤的光通信是本世纪影响人类生活的最伟大的科技成果之一，它不仅开创了巨大的光子学工业，而且导致了“信息高速公路”这样一个将对人类社会发展产生重大推动作用的世界性光子学工程。又如，光盘存贮及其在计算机和日常生活中的应用也造就了新一代光子学工业，21世纪光子存贮将成为存贮技术的主流。诸如此类，说明光子作为信息载体的优越性正在被不断的开发出来，继今天的电子学时代之后下一个世纪将成为光子学时代。
下面介绍信息光子学的最重要的五个技术领域，即光纤光子学、光通信技术、光子信息处理技术、光子存贮技术和光子显示技术。
2.3.1 光纤光子学
1970年石英光纤研制成功，1979年在1550nm附近的损耗降低到0.2dB/km。从而引发了光纤通信领域的革命，同时也成为推动光子学发展的一个重要里程碑。掺铒光纤放大器与光纤光栅的相继研制成功，进一步推动了光纤通信的迅速发展。随着通信容量的提高，又迫使人们越来越多地面对光纤非线性效应的种种问题，于是，不断涌现出相应的理论与应用研究成果，最近，《非线性光纤光学》专著的发表，标志着“光纤光子学”作为一门新的学科分支已经趋于成熟。
1, 光导纤维—光纤
(1) 光纤的主要特性
光纤作为光子信息的传输线路，它与光子互作用的固有特性主要表现为损耗、群速度色散(GVD)和非线性。
A 光纤的传输损耗与色散
当前，光纤作为光子传输的有效导波介质，其制造工艺已经成熟，并且已经在通信与传感等领域获得成功应用。单模光纤的损耗机制主要源于材料吸收和瑞利散射，因而都与光波长有关，熔石英光纤在1550nm波长附近大约有70nm（～9THz）的低损耗区，因此成为光通信的主要应用和开发“窗口”。为进一步降低损耗，人们从材料，波长选择和结构设计等方面做了探索性研究，但至今收效甚微。
光纤的色散主要来源于折射率对光波频率的非线性依赖关系。通常是把模传输常数在0处展成泰劳级数来表达色散效应的，将其二阶项系数2称为群速度色散参量，习惯上用另一个参量D表示色散值，其间关系是：D=d2/d=－2c2/2。普通单模光纤（SMF）的零色散波长D1310nm。光纤色散包括材料色散与模式色散，这样，依靠特别设计光纤参数，借助模色散来调整总色散，可使其D移到1550nm附近的低损耗区，这种光纤便称之为色散位移光纤（DSF）。色散使信号光脉冲展宽，导致误码率劣化，是一种不利因素，因此在光纤通信传输系统中补偿色散是十分重要的。目前行之有效的色散补偿方法有：光孤子传输方法；光纤光栅补偿方法；交替使用具有D值的DSF光纤或+D值的DSF和SMF以适当的色散值搭配（也称色散管理）补偿方法。传输2ps的光脉冲时，除需补偿上述的二阶色散外，还需补偿三阶色散（D-曲线的斜率），可采用具有色散负斜率光纤预补偿技术，也出现了一种硅基平面集成光波导线路（PLC）的色散斜率均衡器件，实现色散斜率预补偿。鉴于色散补偿的重要性，有人提出尽快建立“色散补偿工程”，以合理使用和设计各类光纤传输系统，使其运行在最佳状态。
B 光纤的非线性效应
光纤的非线性效应内容丰富，应用广泛，是光纤光子学的重要研究内容之一。任何介质对强电场的响应都是非线性的，由于光纤细而低损耗，故在整个传输长度内保持纤细（几微米直径）的光斑，这就使得本来是属于强光非线性的SiO2具有了弱光非线性，从而使它成为一种十分重要的宽带非线性介质。熔石英是玻璃体，因此主要的非线性是与极化率 有关的各种三阶非线性效应，诸如自相位调制（SPM）、光孤子、交叉相位调制（XPM）、受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）和光参量过程（OPG）等。一般讲，与 有关的效应在SiO2这种对称结构的分子中不会存在，但实际上有如二次谐波的产生及和频等三波互作用过程恰恰在石英光纤中发生了，初步认为主要是四极子和磁偶极子效应的存在，也与光纤中的掺杂物有关，并且由于前述的材料色散、模色散，和非线性引起的相位失配，在一定条件下的组合使得相位匹配成为可能，这也是FWM等光参量过程所必须具备的动量匹配条件。于是，像 的串级现象表现出的三阶非线性效应也是能够发生或在某些已有的实验现象中已经发生。特别是由于光纤中 ，普克尔效应应当存在。这些无疑是光纤光子学发展的又一个驱动因素。事实上，近来已有人采取高温极化，高压或静磁极化，以及周期极化准相位匹配等手段增强光纤的二阶非线性效应，从而提高倍频和普克尔效应的效率。这些非线性效应大大丰富了光纤光子学的内容，并在信息科学技术等诸多领域获得重要应用。
C 特种光纤
为满足应用需要，不断研制出各种新型光纤。除上述有各种零色散点的DSF之外，还有低损耗偏振保持光纤（PMF），色散渐变光纤（DDF），高非线性与低非线性光纤，宽带低色散光纤，色散补偿光纤（DCF）等等。为获得较高的非线性，还曾研制过多种晶体光纤，但由于诸如折射率与常规光纤难以兼容等多种原因，使其应用受到限制。最值得注意的是初衷作为局域网中应用的柔软廉价的聚合物光纤（POF），最近在500nm～1550nm波长范围内取得损耗为10dB/km～0.2dB/km的研究进展，这样高的透明度，与石英玻璃的理论损耗曲线基本相当，这是一个突破性进展，意义重大，相应的开发应用也势在必行。
(2) 掺杂光纤
近年来，发现向光纤芯子掺杂(如掺杂稀土元素离子)，会导致光纤产生改性，出现诸多有意义的光效应，并促使光纤技术领域中取得一系列引人注目的伟大成就。
A 激光效应
以稀土元素为例，将其离子掺杂于以SiO2为基质的光纤芯子中，光纤就被“激活”，变成有源介质，称有源光纤(Active fiber)。当以适当的波长泵浦时，就会在确定的波长上产生激光和激光放大。例如，许多稀土离子，如元素Er，Nd，Sm，Ho，Tm和Yb等都可作为掺杂物制成光纤，并做成掺杂光纤放大器(XDFA)和光纤激光器(XDFL)，它们能工作在从可见到中红外的波长范围。其中以掺Er石英光纤最有意义，因为它的激光波长恰好处于光纤通信最佳“窗口”。这种EDFA和EDFL在促进现代光纤通信等高技术的迅速发展中发挥了重大的作用。一种低掺Er、因而也是低增益光纤，特别是低掺Er的DDF是用于孤子传输、压缩和光参量技术的理想波导，因为它既具有较大的非线性又有可能恰当地匹配损耗和色散，有人称之为透明光纤。一种借元素Yb起敏化作用的Er、Yb双掺光纤可以把泵浦波长下移到800～1060nm。近年来，人们还选择不同的掺杂质与掺杂量以及不同的基质材料，以获得更大范围应用和更高功率输出的激光，并且已经获得了一系列可喜的进展。
B 光致折射率变化(光折变)效应
近年来，人们陆续发现，在SiO2光纤芯子中掺入元素锗(Ge)等杂质，光纤便具有了光折变效应。这样，就可以用紫外光将光栅等图案以折射率分布的形式侧直写入光纤中，促使光纤产生一系列新的有意义的特性。光纤光栅就是其中一个特例。光纤光栅与一般传输光纤兼容，具有极为丰富的频域特性，它是企盼中的全光纤光子集成系统的关键器件之一。因此，光纤光栅的成功在光纤通信、光纤传感、光纤技术等诸多高科技领域均产生重大影响。有人士说，光纤光栅的出现将改变光通信的面貌，人们“必须重新考虑光纤通信系统设计的每一个细节”。还讲，“未来的光纤系统中如果没有光纤光栅，就相当于传统的光学系统中没有镜片一样，令人难以置信”。目前，光纤光栅在制作工艺上已日趋成熟，正在进一步研制更宽频谱范围、更多优异功能和更简捷写入工艺的光纤光栅，并将其推广到更广泛的应用中去。光纤光栅的种类也日益增多，从开始的Bragg周期光纤光栅(FBG)，到近期开拓的各种非周期(如各种啁啾)光纤光栅和长周期光纤光栅等，后者因是透射式光栅，制作工艺又简易可行，故更被看好。
2, 光纤的主要应用
(1) 信号传输波导
利用光纤的宽带宽、1550nm波长附近的低损耗特性，借助EDFA补偿损耗，以及借助各种补偿技术补偿色散，在实验上已达到单信道10Gb/s到20Gb/s或复用100Gb/s的传输速率，光放大器间距达到100km。最近，RZ码光孤子WDM通信在实验上已实现跨洋距离传输，令人注目。无论是线性传输或是准孤子传输，通过WDM/OTDM复用技术、其速率均已达到 1Tb/s的水平， 未来Tb/s速率的光通信中用现行光纤作为信号传输波导已无技术障碍。
(2) 光纤光子器件
A 光纤光子源 光纤激光器是一种新兴光子源，以其真正的全固体化、高效率、高可靠性的实用性前景受到普遍重视，各种掺杂的增益光纤激光器已实现450nm～3500nm波长的振荡。利用光纤光栅作反射器的直腔和环行腔多波长、窄线宽、可调谐的全光纤激光器相继出现。近几年来重点集中在锁模掺Er光纤激光器(MLEDFL)方面,现在已做到重复频率100kHz～20GHz，脉宽10～0.1ps的激光脉冲输出。利用光纤非线性效应的全光纤超连续谱（SC）变换已产生200nm的平坦光谱带宽，通过光学带通滤波器（BPF）可获得亚ps～10ps任何脉宽的近变换限（TL）脉冲，这种SC光子源具有广泛用途。例如，用作超大容量WDM/OTDM光通信光源时，其总容量可达25Tb/s，是一个“用之不竭”的信息宝库。小试即露锋芒，已实现1Tb/s•100km的无误码传输。另外利用光纤的啁啾—色散效应和高阶孤子效应压缩脉冲宽度，已成为获得飞秒光脉冲的重要手段之一。
低速率MLEDFL输出，可经啁啾脉冲放大(CPA)获得nJ～μJ级的亚能量型超短光脉冲，多应用于光频变换技术，产生中红外波段宽范围可调谐输出，这种光子源做成便携式光谱仪检测器，在科学、工业、环境乃至民用领域具有十分重要的应用价值。
此外，还有光纤喇曼激光放大器(FRA)和光纤布里渊激光器(FBA)，它们分别是光纤中受激喇曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)效应导致的重要应用。其结构简单，易于全光纤化，前者有很宽的可调谐范围(～10THz)；后者具有高增益、低阈值、窄线宽的特性。连同EDFA, RFA和BFA各种放大器所构成的全光纤系统，因为具有有源纤—传输纤兼容的特色，从而体现出光纤光子器件的优越性。
B 光子开关 光子开关的内容包括：SPM自光开关、XPM(含FWM)全光逻辑门、XPM致光纤锁模激光器作时钟恢复、时钟提取、OTDM解复用器、XPM或FWM致全光波长转换器和OTDM-WDM转换器等，这些都是未来高速光通信网中的关键器件。这方面已取得许多成果，一个例证是用300m长的PMF实现了500Gb/s速率、亚皮秒脉宽的OTDM解复用（全光与门）。至今，基于三阶非线性效应的介质主要有单模光纤和行波半导体放大器（TW-SLA）两种。其中光纤具有更快的速率潜力。其他用到光纤的无源器件，诸如耦合器，偏振器，延时器，光纤光栅，各种光纤干涉仪和声光、电光调制器等都已商品化，并大量应用到光子源、光子开关器件和光纤系统中，不作赘述。
C 光纤传感器 光学传感是感测技术的重要分支，而光纤分布传感又是光传感技术发展中最具应用价值的新技术，它可以感测沿光纤长度上的温度和应力等参数。例如，感测大型运载器表面的温度、应力分布的变化，使之成为一张智能“皮蒙”，从而达到现场实时监测的目的。
从光子学与电子学发展的比较中（电子→电子器件→电子线路→电子集成 →电子系统及光子→光子器件→光子线路→光子集成→光子系统），不难看出，二者有惊人的相似之处。现在诸多光子器件与光子线路正被用于智能控制的目的，这显然是高科技施惠实际应用的又一典型例证。借助这种光纤本身的光学特性（对光波信号的衰减、散射等变化）与温度和应力的关联关系，再通过光的时域反射（OTDR）方法和透射方法，作成分布传感系统，这方面的应用需求很多，研究成果不断涌现，有的已付诸实用。有人预计，下个世纪的光传感市场将与光通信市场持衡，并逐渐超过后者。
3, 全光纤集成
目前，大量的全光纤光子器件、光子线路正在源源不断地被开拓出来，因此，人们自然要想到全光纤光子集成问题。近来，已有一些全光纤光子集成的新构思，即将各种或多个光纤器件集成于一根细小的光纤之中，使之成为具有完整功能的全光纤光子集成系统。例如已提出并正在研制之中的全光纤波分复用通信光子集成系统，就是将光纤激光器、放大器和上/下分插解调器等诸多全光纤光子器件集成在一根光纤中，完成多路超高速光信息的发生、发射、传输、中继与分插接收等全部通信功能。另外，国外还有将数百个光纤激光器集成于一根几十个厘米的光纤之中的设计，并正在研制之中。显然，这是在传统集成光学概念之外又开拓出来的一条光子集成新路线。
光纤光子学的一个主要应用领域是光纤通信。光通信是本世纪在科技领域中最伟大的成就之一，并因此而形成了一门重要的光子技术—光纤通信技术。关于光通信技术的情况将专文在本章第2节中撰述。
4, 光纤光子学近期的研究重点
光纤光子学是光子学与技术的一个重要分支学科和新的生长点，它是近年来最活跃的研究与开发领域之一。根据国际发展与国内实际情况，近期应重点开展如下研究工作：
A. 光纤光子学的基础研究
a. 对无源和有源光纤中非线性效应的物理机制及其应用的研究
b. 新型光纤，特别是增益光纤、高非线性和低非线性光纤的研制
c. 对光纤信息传输中色散与高阶色散的补偿研究
B. 新型全光纤光子器件与光子线路的研究与开拓
a. 全光纤高速率超短脉冲和超连续光子源的研制与开发
b. 新型光纤光栅及其器件的研制开发
c. 新型高速非线性光子器件的研制开发
d. 全光纤色散补偿器与色散工程的开拓
e. 分布光纤传感器与智能结构（SS）传感器的研究与开发
f. 全光纤互连网络的研究与开发
C. 全光纤光子集成的研究与开发
a. 新颖的全光纤光子集成系统设计
b. DWDM通信或传感系统的多波长光纤激光器集成
c. OTDM和WDM超高速通信网中的时钟提取，光子开关的研制
D. 典型光纤光子学系统(参见光通信技术一节)
a. WDM/OTDM超大容量光纤传输系统实验研究
b WDM/OTDM关键技术及其相互转换技术的研究
c. 长距离分布光纤感测系统的研究
2.3.2 光通信技术
光通信是本世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，它以光子为信息载体，为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。因此，光通信的成功，也是光子学的成功；或者说，光通信的成就极大地促成了光子学的兴起与发展。
现代光通信，实质上包括无线光通信（空间光通信）与有线光通信（光纤通信）。空间光通信虽诞生很早，但至今没有实质性的发展。反之，光纤通信则因光纤与半导体激光器的成功和发展，加之信息社会的需求和刺激，大有异军突起之势！以至于今天一言光通信即为光纤通信，或反之。另外，实际上光纤传感也被认为是光纤通信的一个重要分支，二者之区别仅在于，前者传输和处理的不是来自人或社会交换的信息，而是被探测物的有关信息。与光纤通信一样，光纤传感近年来也得到迅猛发展。特别是在未来的产业化过程中，光纤传感将在光子产业中占据重要地位。
1, 光纤通信的发展与挑战
当前，光纤通信的常规系统均属于IM/DD模式，即发射端为激光二极管(LD)，通过光强调制(IM)，将电信号转换为光信号，并送入光纤传输。在接收端，由光电二极管(PIN或APD)直接检测(DD)，将光信号再转换为电信号，实现信息的处理和传递。
(1) IM/DD光通信的发展
由于LD及光纤的迅速发展，使得光纤通信IM/DD模式一直处于优势之中，因此成为现行光纤通信的常规系统，技术已经相当成熟。例如在1550nm波段，光纤给出的“窗口”有近10个THz的资源可供利用，就是对当前IM/DD模式的最好商用系统(速率:10Gb/s)也已经足够了。现在正在研制和开发的几十个Gb/s以上的系统，主要困难来自LD、PIN或APD光子器件。
(2) 现行光纤通信系统的症结与挑战
现行光纤通信系统的IM/DD模式，只相当于早期电子通信的最简单的“火花脉冲发射/矿石检波接收”模式。可见，现行光通信是“先进的系统落后的制式”。在这里，作为载子—光子，只用了它的强度特性，而更多的优异特性，如它的相位频率，它的相干性、并行性、波长可分性以及各种量子特性等却被“埋没”了。显然，这种单一的模式亦即成了现行光通信的症结。在现代化社会对信息的需求日益俱增、信息高速公路急待开通的面前，IM/DD光纤通信遇到了越来越严峻的挑战。
2, 新一代光纤通信系统
为了全面利用光子作为信息载体的优越性，以充分开发光纤通信的雄厚资源，近年来已提出和开拓出多种通信新模式，为新一代光纤通信的发展奠定了坚实基础。已提出和开拓的新模式有复用通信、相干光通信、光孤子通信、量子光通信等。其中复用通信有显著进展，近期已出现越来越多的实用化系统。光孤子通信也已发展到很高水平，但尚难以推广普及。
(1) 复用光纤通信
主要有两种复用通信方式：光波复用和信号复用。前者是光子特有的，又分为波分复用(WDM)与空分复用(SDM)；后者则是光子、电子共有的，又分为频分复用(FDM)和时分复用(TDM)。其中发展最快的是WDM，近来TDM也开始被看好，它与WDM结合，开拓出Tb/s量级的系统，已引起广泛关注。由于复用光源（如复用LD、复用EDFL等）在研制中有重要进展，高密集型的复用与解复技术及相关器件也逐渐成熟，因此近年来，高密集型波分复用(DWDM)、Tb/s量级的光通信系统 不断涌现，而且有望很快转入实用化。在一定意义上讲，超高速率、超大容量的DWDM光通信系统的开拓，为人类进入高度信息化的二十一世纪提供了信心和基础。
空分复用光通信利用的是光的并行性，而光纤复用，即光缆，不是严格意义下的SDM。用光的空间相干度调制与解调机制建立起来的光通信系统属于真正的SDM，但由于光纤中相干性在传输中变坏，这种系统的长距离传输在短期内难以得到解决。偏振复用也遇到类似的问题。
光纤传象束不同于光缆，也应归属于SDM。现在已有105（象素）量级的光纤传象束，作为高质量图象传输不成问题。但由于缺乏柔绕性，插入损耗也较大，因此目前只适于短距离传输，尚难以用于通信。
FDM在相干光通信中有明显的竞争力，也有较好的应用实例。随着窄线宽和高稳定度的MQW-DFB激光器的研制成功，已经开始考虑在DWDM系统中进一步插入FDM，以便最大限度地利用光纤的带宽，进一步增大信息的传输容量。
(2) 光孤子通信
利用光纤具有的丰富的非线性效应，变不利为有利因素，一直是人们追逐的目标。光孤子通信就是一个成功的实例。它是利用光纤中产生的一种三阶非线性—自相位调制(SPM)效应来补偿传输过程中光脉冲的群色散，二者的平衡相抵导致光信号的无失真传输，即光孤子传输。近年来，由于光孤子的丰富内涵，也由于它的诱人的应用前景，而引起了极为广泛的关注。不断地有高水平的研制成果报道。在光孤子通信的研制方面取得优异成就的主要集中于三家：美国的Bell、日本的NTT和英国的BTRL。实验中已获得的最高码速典型值为100Gb/s，传输距离最高到达106km以上，因此，(码速距离)积可达10Tbkm/s以上。
我国最早的光孤子通信试验工作是在国家自然科学基金的支持下进行的，近期已成功地完成了光孤子的传输实验。
(3) 相干光通信
相干光通信的特点是：在发射端，除使用幅度调制外，还使用频率调制、相位调制等，充分利用光子载体的相干性，挖掘其荷载潜力；在接收端，则采取相干检测，即引入一本地光，与信号光进行外差检波，将幅度、频率、相位等方面荷载的信息分别检测出来，完成通信的职能。显然，这种系统在传输的信息容量、检测灵敏度等方面具有很大优势，例如，在接收灵敏度上，它比IM/DD系统起码高出30~35dB。系统的高性能是靠以下苛刻条件来保障的：首先，作为载体的激光源和本地光源应具有相当高的频谱纯度，即非常窄的线宽，而且温度稳定性极高；其次，混频外差时要保证偏振关系确定，因此要求光纤是偏振保持的。
七十年代后期，相干光通信引起广泛关注，人们做了大量出色的研究工作：研制出了性能优异的动态单模半导体激光器(DSM-DFB-LD)，其线宽可达1kHz以下，插入自动频率控制装置后，频率稳定性能达到10-12，即温漂在1kHz以下。同时，还先后研制出各种类型的偏振保持光纤。有了这样的基础，在八十年代相继推出诸多相干光通信实验系统。这些系统分别采用了ASK、FSK、PSK、DPSK等调制方式以及包络检波、同步检波与双滤波等检测方式，获得了一系列出色的结果。系统的码速在10Gb/s以上，接收灵敏度达-60dBm，传输距离在数百公里。特别要指出的是，近年来，光子集成(PIC)与光电子集成(PEIC)的发展迅速，已研制出由PIC与PEIC技术制作的相干光通信系统发射机和接收机，为相干光通信系统的小型化、高性能化创造了有利条件。
相干光通信与复用通信，特别是WDM系统比较，毕竟因结构复杂、运行条件苛刻等而显得逊色，因此在目前正当WDM得势的情况下，相干光通信则显得缺乏竟争力。如果由PIC与PEIC技术制作的相干光通信系统能够尽快地达到实用化水平，其地位将会迅速得到改观。
(4) 量子光通信
从通信的物理观念上讲，上述所有通信，包括IM/DD通信、复用通信、光孤子通信、相干光通信等均属于经典模式，在这里，光子虽作为信息的载子，但没有顾及它的量子特性。在经典通信模式里，其通信容量最终受到量子噪声极限的限制。这也可能是未来高速信息化社会中通信系统将要遇到的最严峻的挑战。
为此，人们非经典地研究了光子的量子特性，并开辟了基础光子学的研究领域。至今，已提出了一种称之量子光通信，或称光通信的非经典通信模式。它的发射端是一种新型的非经典激光器（或称亚伯松态，或称光子数态光子源），发射出均匀的光子流，经光子调制器，对每个光子编码载入信息。信道仍然是光纤，但它是非经典信道。接收端是由量子非破坏测量(QNDM)装置与光子计数器构成。由于是光子数态，并对光子与光子数编码，不再受量子噪声限制，因此信息效率与信噪比大幅度增长。又因为使用QNDM解调，光子计数器接收，不但进一步提高了信噪比，而且由于不再需要从信号中吸取能量，因此接收灵敏度也有实质上的提高。形象地讲：量子光通信即为光子通信，在这里，一个光子有可能将大量的信息长距离地传送给大量的收信者。
显然，光子通信的开拓，将在观念上、原理上引起通信领域的一场深刻变革。庆幸的是，近年来，光子通信各个环节的研究均有实质性进展。压缩态、光子数态激光器已有成功的实验实例，为了能适宜于实用化要求，压缩态、光子数态的半导体激光器成为研究热点。用光纤作克尔介质研制出小型QNDM器件、用APD作探测器研制出小型光子计数器等也均有实验报道。可见，光子通信已不再是理论家的、也不是遥远未来的事情了。不过，实事求是地讲，光子通信虽属最理想的通信模式，前景诱人，但与上述几种光通信模式比较，条件苛刻，技术难点多，因此，在今后一段较长的时间里尚处于基础研究阶段。
3, 全光通信的发展
现行光通信中的多种光电接口，诸如光调制、光解调、光中继等是限定通信速率、容量的另一个重要因素。因此长期以来，全光通信一直是倍受关注的课题。近年来在诸多方面取得了新进展。
(1) 全光纤器件与光子回路
A 光纤放大器与光纤激光器 有源光纤（如掺铒光纤）、光纤耦合器与高功率LD的发展，相继促成了掺铒光纤放大器(EDFA)、激光器(EDFL)的问世。进而又促成了光纤通信系统的部分环节（如中继器）实现全光纤化，消除了光电光(O-E-O)的转换环节。EDFA已在现行IM/DD、光孤子等多种通信系统中获得成功的应用。
B 光纤光栅光子器件 近来，在掺锗光纤中成功地紫外侧直写入布喇格光栅、长周期光栅、非均匀周期光栅等，大大促进了全光纤器件与系统的发展。例如，已研制出的光纤光栅可调谐激光器、高密集WDM系统用全光纤激光器等都能促使通信系统的部分全光纤化。
C 光子回路 由于光纤光栅、有源掺杂光纤、耦合光纤等它们之间以及它们与传输光纤之间均具兼容性，因此由它们的各种组合可能构成丰富多彩的全光纤光子线路。实际上，现在已开拓出多种有意义的光子线路，包括：无源线路（如各种性能的光纤滤波器、复用与解复器等）、有源线路（如光纤放大器、光纤激光器、光纤传感器等）及非线性线路（如光纤锁模器、光纤脉冲或孤子发生器）等。更为新颖、更为复杂的全光纤光子线路还在不断的研究开发之中，并形成当前的重要研究热点。
(2) 全光纤集成与全光通信
历史上，由电子线路发展到电子集成，引起电子学的质地飞跃。今天，恰似历史重演，光子线路的异采纷呈般涌现，预示着光子集成的一条新路正在开拓，并将因此而引发光通信乃至光子学的质地飞跃。实际上有关光子集成的设计、实验方案等已经开始提出。例如，在我国最近提出并开始研制的有：由全光纤复用激光器构成的发射机、由全光纤增益平坦放大器构成的中继器以及由光纤光栅ADD/DROP构成的全光纤解复接收机，进而再将三者集成一体成为全光纤集成WDM通信系统。
近年来，光子集成(PIC)和光电子集成(PEIC)的迅速发展，又为全光通信的实现创造了一条更现实的途径。例如，最近研制开发的光通信用PIC发射机与接收机，即可用来建立一个简单的准全光通信系统。
4, 光通信的相关应用领域
(1) 光纤传感技术
预计，在下个世纪的光子产业上，光纤传感将与光纤通信平分市场，并逐步超过后者。目前，对各种参量与功能的光纤传感器都有了深入研究。在灵敏度、抗干扰、抗恶劣环境等诸多方面光纤传感占有明显优势，因此，它已成为传感技术领域的佼佼者。光纤传感的实用化、多功能化、智能化以及分布复用式将是其主要研究和发展的方向。
(2) 光纤网络技术
光纤网络是近年来发展最为活跃的领域之一。从LAN到MAN、WAN、B-ISDN；从PDH到SDH;；从FTTC到FTTB都开展了研究与开发工作。曾被认为是遥远和未来的研究课题—FTTH，即光纤到户，有可能在近期提到日程上来。
5, 光纤通信技术的近期研究重点
(1) 光纤通信技术的近期研究重点
光纤通信技术与社会需求紧密相关，近期研究的总体目标应该是：为满足社会发展对信息的日益俱增的需求，应大力研究开发超高速、超大容量、超长距离和有实用化背景的光纤通信系统。
A 关于光纤传输中色散补偿的新思想、新构思、新方法和新技术的研究；
B 充分利用光纤光栅、掺杂光纤等项技术带来的机遇，开展新颖的全光纤有源与无源器件、组件或装置的研究与研制工作；
C 开展全光通信的研究开发，包括：研究开发全光纤光子集成及其通信系统；研究开发PIC与PEIC光通信组件与系统；
D开展密集型与超密集型波分复用通信系统(HD-WDM)及时分复用通信系统(OTDM)的研究与开发；开展两种或两种以上的复用组合（如HDWDM+HDTDM）超密集型光通信系统的研究与开发；
E 开展几种新通信模式的组合系统，如相干通信+HD-FDM、光孤子通信+HD-WDM等组合的高密集大容量光通信系统的研究与开发；
F 光子通信的基础研究，包括对粒子数态光子源、小型QNDM装置与小型光子计数器的实验研究；
G 新颖的通信用光子器件与光子线路的研究与开发等。
(2) 光纤传感技术的近期研究重点
A 开拓以光纤光栅为基础的光纤传感技术，研制各种高性能多参量传感器；
B 光纤传感器实用化研究与开发；
C 全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发；
D 光纤、光纤光栅智能结构(Smart Structure)的基础研究。
(3) 光纤网的近期研究重点
A 光纤网络的网上、网间信息交换新工艺、新机制、新技术的研究与开发；
B 实现FTTH的新构思、新方法、新技术的基础研究。
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
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