新形势下纳米技术在光通信中的应用研究

【摘 要】纳米技术在通信领域的作用已受到广泛重视， 并取得了一定的发展。本文主要介绍了纳米科技为光通信带来的影响，分析了纳米技术在改善和提高光器件性能方面的重要作用，阐述了纳米技术在光通信中的应用。

【关键词】纳米技术；纳米材料；纳米光电子器件；光通信

五十年前，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。材料科学在不断地向前发展，随之而来的光通信时代、量子时代带给人们的是更多的“不可思议”。预计纳米技术总的社会影响将大于硅集成电路，尤其在通信领域，它将使得光器件的体积微型化，功能大大提高，满足人类对信息的需求。

1、纳米科技为光通信带来的影响

纳米是一个微小的尺度单位，1纳米是十亿分之一米（10-9），大约是单个原子直径的4倍。纳米科技是指在原子分子层次上对物质精细的观测识别与控制的研究与应用， 它将对于21世纪的信息科学、生命科学、分子生物学、新材料科学和生态系统可持续发展科学提供一个新的技术基础，这将引起一场产业革命，其深远的意义可与18世纪的工业革命相媲美，它涉及面十分广泛，包括物理学、化学、生物医学和材料等有关的领域。纳米科技中最具有生命力的、最代表纳米科技发展前途的、对未来新技术和产业可能带来革命性冲击的是未来的纳米器件。将来的纳米器件应该是高集成的、多功能的和智能化的。它应该将信息的探测（传感器）、运算（芯片）、传输（通信）和动作的执行诸功能集为一纳米结构。

纳米激光器的第一个重要应用很可能是芯片互联。过去，处理器速度一直是阻碍计算技术和电信技术发展的主要因素。但是，当处理器速度提高到一定程度时，互联就成了制约发展的因素。为此，半导体制造商采用铜互联取代了过去的铝互联。现在他们又在对光互联以及超低K 值材料和碳纳米管进行实验。光互联能够提供足够的带宽，并能向最快的处理器提供数据。但是，考虑到尺寸和成本的因素，对于这种应用的激光器，要求将会非常苛刻。在板卡上可以采用VCSEL，同时使用保偏光纤也是降低成本的一种方法。在芯片中，激光器和波导都需要采用纳米技术制造。

另一个需要面对的难题是如何将光子和电子集成起来。这就促进了硅光子技术的发展。如果硅既可以用来处理光子，又可以用来处理电子，那么就可以将二者集成到一起。硅加工方面的深厚技术积累对推动光互联产品迅速进入市场将起到非常重要的作用。这一领域已引起最大的几家半导体公司的关注。英特尔已推出了硅调制器和激光器，最近IBM也宣布了一种在硅片上制作光路的方法。小公司同样不甘示弱，生产硅调制器的Luxtera就是其中的一个。

那么，纳米光子互联的市场到底有多大呢？这很难说。对于片上应用，激光器必须嵌入到芯片上，其价格将高于整个芯片的价格。但是一项针对板上应用的市场调查表明，纳米互联技术所带来的市场需求可能非常大。假设在一块板卡上有10个器件，如果要将这些器件互相连接在一起，那么就需要90个激光器来完成这项工作。目前每年售出的芯片板有上亿只，激光器的数量之大就不难想象了。与此同时，英特尔、摩托罗拉和IBM等公司认为网络发展中的下一个重大事件是光纳米传感器网络。但它距离商用还有待时日，因为纳米传感器的研发主要靠政府资助，目前已知应用仅限于国土安全和军事。

最后，纳米科技还可以帮助我们降低10Gbit/s和40Gbit/s网络的成本。随着FTTX的迅速发展，市场对低成本器件肯定会有需求。尽管一些新兴纳米光子公司在大谈降低现有网络技术的成本，但是纳米工程能否如他们所愿，就不得而知了。实际上，除非新技术具有无可比拟的绝对优势，否则设备制造商决不会在这上面冒风险。上述的量子点激光器就表明纳米科技并不总是集经济实用于一体的。

2、纳米技术在光通信中的应用

2.1应用于光通信中的纳米光电子器件

2.1.1整齐排列的交叉式纳米光缆线是一种“Y-形状”的氧化硅纳米光缆线，该纳米光缆线的直径为10nm，长度可达毫米级，线直而均匀并且是透明的，最重要的是该纳米光缆线在生长过程中自动由一根分叉成为两根，两根可以分叉成四根，依次继续分裂。

2.1.2纳米级导电纤维是一种仅有一个分子粗细的导电纤维，可谓世界上最细“电线”。它的直径仅3nm，中心部分具有良好导电性的丁二炔链，四周包覆着糖的衍生物，并作为绝缘层，防止漏电。

2.1.3纳米聚合体电子器件是一种将化学合成的纳米粒子和与其共扼的聚合体组合制成的二极管发光作用区，终于首次实现了具有应用价值的、转化效率达2%～3%的有机近红外发光二极管。

2.1.4新型纳米激光器提高电脑信息存储盆这种新型激光器实际上是以半导体硫化锅为原料制成的纳米线，直径仅为一万分之一毫米。研究人员将硫化锅纳米线安装在涂有硅材料的基底上，制成一个回路。

2.2纳米科技在光通信中的应用

2.2.1纳米激光器

纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。

2.2.2纳米光纤

将碳纳米管与聚乙烯醇（PVA）材料及水相混合，这样就使得聚乙烯醇材料能够将碳纳米管紧紧包裹住，从而将无数的单个碳纳米管捆绑在一起。这种最新材料的韧性比蛛死高4倍比用于制造防弹衣的凯夫拉尔纤维韧性强度高出了17倍。与同样重量的铁丝相比，新型纳米光纤材料的硬度是前者的2倍，韧性是前者的20。

2.2.3纳米光纤传感器

纳米光纤气体传感器的样机，的特点在于核心部件采用了体积小、重量轻的普通光纤和纳米光纤，耗电小、寿命长、不会中毒.除了一般条件下的用途外，适用于矿井井下的潮湿、强噪音、强振动、高粉尘的恶劣环境.该检测仪的适应性强，除了应用于瓦斯的检测外，简单改变发光二极管和光电检测管的工作波长，可以用于氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、水蒸气、硫化氢、氨气等多种用途。五十年前，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。材料科学在不断地向前发展，随之而来的光通信时代、量子时代带给人们的是更多的“不可思议”。预计纳米技术总的社会影响将大于硅集成电路，尤其在通信领域，它将使得光器件的体积微型化，功能大大提高，满足人类对信息的需求。

【参考文献】

[1]程开富.纳米电子/纳米光电子技术[J].飞通电子技术，2002（2）：76-80.

[2]程开富.纳米电子/光电子器件的概述[J].电子与封装，2003（1）：18-21.

[3]钱伯章.全球纳米材料市场仍在迅速发展[N].中国化工报，2009-08-12（005）.