如果以仿生光电子学为学术基础，设计未来40Gbit/s或以上速率的高速光纤通信系统需要的光收发器模块（尤其是光接受器）将是非常有趣且有效的方法。

人眼视细胞中的视锥和视杆都是天然的半导体光电探测器

文/梁安辉

“你的发明改变了世界通讯模式，为信息高速公路奠下基石。把光与玻璃结合后，影像传送、电话和电脑有了极大的发展……”，这段话是耶鲁大学校长在授予华人科学家高锟“荣誉科学博士学位”的仪式上说的。被誉为“光纤之父”的高锟教授在45年前提出光导纤维可用来通信，这项发现得以大规模应用，使得人们的生活发生翻天覆地的变化。路由器、互联网快速进入新的阶段；Iphone、Ipad、云计算等新事物接踵而来…随着信息通信现代化进程的不断加快，光纤通信的重要意义不断被凸显出来。

上世纪90年代末期，10Gbit/s速率的光纤系统诞生，而后大量铺设；2004年，随着世界上首个商用的40G光收发器诞生，40Gbit/s速率的高速光纤系统迅速地在发达国家普及。值得一提的是，40Gbit/s光纤系统也为Iphone提供了足够的带宽，使得Iphone、Ipad得以广泛应用。时至2009年，速率高达100Gbit/s的高速光纤系统也开始运行。

目前来看，国内大部分的光纤系统仍停留在10Gbit/s阶段，仅有少量网络能达到40Gbit/s的速率，而100Gbit/s的高速光纤系统在中国还未出现。很显然，今后几年内中国需要将系统升级到40Gbit/s乃至更高速率。

速率要提高，关键是部件的水平要跟上来。光纤通信系统的核心部件——光收发器模块越来越受到研究人员的重视。光收发器模块是光纤通信网络所需要的核心光电子器件之一，它包括光发射器和光接受器两个部分。根据笔者在业界多年的经验，笔者认为光收发器模块会朝着更快、更小、更便宜、更环保、更可变这几个方向发展。

简单来说，更快表示收发速率会更快；更好表示产品性能将会更好；更小则意味着通过光电集成或其他方式，光收发器模块的体积会越来越小；更便宜是因为随着技术的不断更新和进步，光收发器模块产品的成本将会更低，售价也会随之变得便宜；更环保表示将来的产品电能消耗会更低，节能省电；最后，更可变则代表着未来的光收发器模块将会容易调节、升级或者技术更新也会变得更加容易。

既然我们已经明确了高速光纤通信系统核心部件，即光收发器模块未来的发展趋势，那么接下来的问题自然就是如何来设计未来的高速光收发器模块了。

大自然中蕴含着无尽的宝藏，多年来，各个领域的研究者将从自然中得到的灵感用于解决实际问题，而在光通信领域，笔者早年提出仿生（仿视觉）光电子学这个学科，引起广泛关注。如果以仿生光电子学为学术基础，设计未来40Gbit/s或以上速率的高速光纤通信系统需要的光收发器模块（尤其是光接受器）将是非常有趣且有效的方法。

笔者发现，人眼中的视锥细胞和视杆细胞的诸多特性与光收发器模块中的核心器件——光电探测器很类似，它们是天然的半导体光电探测器。光电探测器是光收发器中的关键器件，它可以接受光纤中的光信号并将其转变为电信号，其性能好坏将会直接影响到整个高速光纤网络系统的通信质量。一般来说，用于40Gbit/s速率的高速光纤通信网络中的光电探测器多是单模光纤结构，因为面积小的单模结构电容较小，带宽更宽，更适用于探测高速的信号。

人眼中的视细胞分为视锥细胞和视杆细胞，视锥细胞负责明视，视杆细胞则负责暗视。负责明视的视锥细胞具有分辨率高、对光反应快、灵敏度低等特点；而负责暗视的视杆细胞具有分辨率低、对光反应较慢、灵敏度高的特点。为实现上述功能，视杆细胞和视锥细胞采用了不同的光纤结构，视杆细胞则采用多模光纤结构，这与10Gbit/s以下的光电探测器类似；位于视网膜中心凹的视锥细胞则采用单模光纤结构，与40Gbit/s及以上速率的光电探测器类似。

因此，我们完全可以尝试仿照视锥细胞的这些特性，采用仿生光电子学的方法设计未来的高速光电探测器及其阵列。而人眼中的视杆则可探测单个光子，其灵敏度比在光纤通信中使用的最先进的人造探测器还要高，故可模仿视杆的探测机理，设计出灵敏度非常高的探测器，这在光纤通信及自由空间光通信领域将非常有用。

此外，人眼视细胞中的视锥细胞和视杆细胞还是天然的量子阱半导体光电探测器。量子阱是一种有分立的能量值的势阱，产生量子阱的办法是将一个数纳米到十几纳米之间厚度的半导体材料夹在具有更大带隙的材料中间。而人眼视细胞中的视杆和视锥外段是由成千上万膜盘平行摆列而成的，其中视杆和视锥每个膜盘的厚度分别为3.5nm、5nm。由于膜盘厚度很窄，载流子（半导体中的电子或空穴）被限制在膜盘平面内移动，因而能够产生很强的量子效应。尽管人眼中的视细胞多达1亿个，但其总耗能却很小，平均下来，每个视细胞的耗能远远低于目前光通信中使用的光收发器模块。

有理由相信，采用仿生光电子学方法设计出来的光收发器模块所需能耗将远远低于目前光通信系统中使用的光收发器模块。与传统的光收发器模块产品相比，按照仿生光电子学方法设计的光收发器模块在性能上将更加优越，反应速度则会更快，体积上会更小，价格将更低、再加上需要耗费的能量少，它将更加环保。而且，能耗低还能直接地减少光收发器模块的使用成本。

笔者在上个世纪90年代就首先发现并撰文阐述过视锥细胞本身就是单模光电探测器，而人造的单模光电探测器在本世纪年后才应用，其许多性能仍然不及人眼中天然的视细胞。采用仿生光电子学的方法来设计未来适合高速光纤通信的光电探测器及光电探测器阵列或许能对目前的光电探测器加以改进，从而优化且低成本的光收发器模块。一旦此项研究取得突破性进展，高速光收发器模块及高速光纤通信系统发展或将迈出崭新的一步。另一方面，视觉亦是一个十分重要的研究领域，已经产生了至少6位诺贝尔奖获得者，但此领域内仍有诸多问题有待解决。发展仿生（视觉）光电子学，运用在光通信领域内有关探测器的最新研究成果，亦可以帮助人类解开视觉的奥秘，让人类视觉奥秘的探索之路走得更快。

梁安辉，国家“千人计划”入选者，湖北省特聘专家，武汉邮电科学研究院特聘专家，是国际上研发40Gbit/s和100Gbit/s光收发器和系统的先驱，曾设计出世界上首个商用的40Gbit/s光收发器。