光学向光子学的开拓

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第197页（3615字）

光学正经历着向光子学开拓的一个崭新时期。

这是当今及今后一个时期光学发展的主流。它十分类似于20世纪上半世纪中电学向电子学的开拓，其科学与技术意义将十分地深远。

光学是一门较早发展的学科。

它在科学与技术的发展史中占有重要的地位，在现在与将来仍然是和仍将是一个重要的科学技术领域。然而应当看到，在激光出现之前的一个较长时期内，光学的发展是比较缓慢的。相比之下，电子学的发展则是十分地迅速。

它在技术上的进展则更是日新月异，令人瞩目。特别是，微电子与计算机的应用迅速地扩及到自然科学的各个领域，甚至社会科学的各个部门，并进入千家万户，对当代信息社会的发展起着十分重大的推动作用。这是电学向电子学开拓的影响结果。当前，光学向光子学的开拓也将会产生类似的影响结果。

早先的光学主要是利用各种物质的宏观光学特性，如光的折射、反射、成象与照明等特性，而未去深究其微观的物理原因。然而，随着光学的发展，人们逐渐地转注于研究光子与物质(包括光子与光子，光子与电子)相互作用的微观特性，以及与这种微观特性相联系的光与激光的产生、传播和探测等过程；同时，也逐渐地注意研究光子承载信息的非凡能力，以及它在承载信息时的变换和处理等基础问题。

光学的这一新开拓的方面是一个十分广宽的领域，我们可以用光子学来概括它。

对光子学的范畴可作两种理解：一是狭义上的理解，即对应于类似电子学的应用基础，它只涉及信息通过光子的承载、变换和处理等基本问题；二是广义上的理解，除上述范畴外，还应包括光与物质相互作用的基本问题，以及光与激光的产生、传播和探测等基本问题，更涉及光子的本质与作用。我们倾向于后一种理解。基于这种理解，光子学显然应包括如下的一些光学分支：光谱学与激光光谱光、非线性光学、光化学、光生物学、量子光学、激光物理、光电子学、红外物理与信息光学等。

由上述关于光子学的内涵可知光子学并不是一个突然冒出的陌生领域。实际上它早已开始于20世纪初光谱学的出现，及稍后光电效应的发现。然而，1960年激光的出现，则急剧加速了光学向光子学的开拓。

自激光出现以来，在光子学的领域内不断地涌现出许多新鲜的事物，使人眼花燎乱。

在这种迅猛发展的情况下，人们曾匆忙地用各种新的名词来描述新发展的方面，如量子电子学、光物理、激光物理、光电子学、光波电子学、非线性光学、量子光学等。但他们都或只反映较窄的个别方面，或描写不够确切，如量子电子学(指什么量子不清楚。既是光量子，何必又归之为电子学)等。使用光子学这一名词可以更确切更全面地概括上述光学中新发展的整个宽广领域。

光子学的发展，使光学学科进发出新的青春活力；同时，也迅速地产生出许多十分有用的光子技术与光子工程。主要有：光谱分析与激光光谱技术、红外与多光谱遥感、激光测距与雷达、激光稳频与波长计准、激光计量与检测、机器视觉、激光器设计与制造工程、激光医学诊断与治疗、激光通讯、激光分离同位素、光纤传感、光诱导化学反应与气相沉积、激光全息、光记录与光盘技术、光学信息处理与光计算，激光材料加工与处理、激光育种与遗传变异等。上述光子技术与光子工程的发展，极大地推动了光子学自身的纵深发展与光学科学技术向各个科学技术领域的渗透，对现代科学技术的发展正在产生着重大的影响作用。

然而，自激光出现以来的30多年中，尽管光子学与光子技术有了相当大规模的发展，特别是光通讯已走上了大规模的工程实施与推广阶段，但对光子技术的大范围应用与普及来说，还存在不少的障碍与困难。这主要是因为激光器的激光转换效率低、功耗高、器件体积庞大(除半导体激光器外)，各种非线性光学器件也大都需要在强光作用下运行。这都使得它们难以与微电子技术相适配，更难进入千家万户。

为了进一步发展光子学与光子技术，有必要走与微电子技术相类似的发展道路，发展微小光子学器件与微技术，开辟通向微光子技术的各种途径。

回顾国际上光学发展的近况可以看到，大致从80年代初开始，一些科学先进国家的光学科学与技术工作者不断地调整研究方向，化大力气，致力于微光子技术的开拓工作。

10多年来，他们在这一开拓中取得了显着的成效。他们的努力主要集中在如下的一些方面。

(1)从发展半导体与半导体量子阱激光器入手，研究微腔辐射与微腔光子动力学，不断降低激光阈值(接近100μA)，提高激光转换效率(～60%)与输出功率(～120W／条)，扩展波段(向短波方向扩展至蓝、绿光，向中红外波段扩展至4～5μm)，改善模式特性与压窄脉宽(～ps)，推动激光器向小型、高效、全固化方向迈进；进而实现阵列化，集成化与微型化。(2)探索巨光学非线性(或称弱光光学非线性)效应与材料，特别是低维与纳米材料中的光学非线性的增强效应，研制适合于弱光(mW级)下操作的超高速光开关，(空间)光调制器，相位共轭器，光学双稳器等新器件，推动光学信息处理与光计算技术的发展。

(3)研究光纤与波导中的光孤子传输、光频转换、光子开关、波分复用技术、光振荡与光放大等非线性导波与激发现象，研究光纤中的光敏效应与光纤栅的制作，发展光子学集成器件，推动光通讯技术的进一步发展。(4)研究光致相变、磁光、光色、光折变、光子回波与光谱烧孔等效应，发展高密度光存储技术与器件。(5)探索凝聚态物质中的超快现象，研究超短光脉冲的非线性压缩方法，发展ps与fs超短光脉冲技术与激光器，发展超高速光探测器，光电子开关，以及它们的小型化。

(6)研究高度平行处理与互联的理论与光学实现的方法，仿效脑神经网络的功能，发展光学神经网络，光计算算法与结构。

除上所述以外，微光子技术的重要支撑技术：(1)远紫外与软X射线的光学成象与超微光刻技术；(2)光学近场显微镜(或称光学隧道扫描显微镜)与共焦扫描显微镜技术也有了快速的突破性发展。这保证了微光子器件的顺利实现。

在80年代的10年中，上述技术的迅猛发展已使微光子技术初成体系；同时也丰富了光子学的内容。在此基础上，在90年代的又一个10年中，它将会更加加速地发展，并取得更大的成效。可以预期，它将会在如下方面有重大的突破：(1)从紫光至中红外波段的激光器将基本上完成小型、高效、全固化的换代(这十分类似于20世纪50年代电子管向晶体管的换代)。

从而使激光技术的应用范围大大地扩大，并开始走向普及化。

(2)光通讯将有效地解决超长距离通讯及进入家庭的有关技术措施(如中继放大、复分复用光通讯技术的实用化、孤子传输、光交换系统等)，其使用将更为普遍。(3)(光盘、CCD探测器、三维光存储器，空间光调制器、光互联器，相位共轭器、光双稳器等将较普遍地应用于平行处理的超级计算机中；同时，一些专用的光学计算机将开始投入使用。

这些应用将极大地提高计算机的运算速度，并扩大其智能功能。而光盘将较普遍地进入千家万户。

(4)激光与光纤传感技术将较普遍地得到应用，特别广泛地应用于工业与医学领域。(5)以激光二极管加光纤组成的灵便的光谱测量系统将走出骄贵的实验室，广泛地进入平常的生产车间，野外与空间，成为极普通的现场测控工具。

总之，90年代将是第1代微光子技术日益趋向成熟的一个时期。当然，以后还会有它的第2代、第3代……的继续发展时期。顺便指出，原有的成像光学技术也正在向微光学技术的方向迈进。只有先进的微光学与微光子技术才能更好地与高度发展了的微电子技术相适配与相结合，从而有可能发展出更高水平的新一代信息技术。

应当说，由于光学固有的高度平行处理的能力，高的载频能力，已获得最短的电磁脉冲(～fs)，以及光子的传输速度远比电子的快等优点，光子技术必将在信息技术中占有的重要的地位。可以预期，21世纪的信息技术将是以微电子技术、微光子技术及其交叉的微光电子技术为它的基础技术支柱。

它们在各自的发展中将相互渗透，相互结合，相互补充，相互促进，因而交相映辉。

发展光子学，微光子技术这是光学科学技术今后一个时期发展的主流，它的发展已充分地展示了光学的广宽的应用前景。

从发展的战略上考虑，我们有必要加强对它的研究与紧密地跟踪，以更好地推进我国光学科学技术的发展。

(南开大学物理系张光寅教授撰)