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小 发表于 2006-10-9 00:38 只看该作者
第一章 光子学的发展与战略地位
1.1 光子学的内涵
光子学作为学术词汇，早在40年前就曾出现在学术刊物上，但最早赋之以科学定义规范的当数1970年。这一年，在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学’。过了几年，他又作了补充，认为“以光子作为能量载体的”也应属光子学的研究内容。其后，相继出现不少类似的定义。例如，法国颇有影响的DGRST组织提出：激光二极管的问世，使光子替代了电子成为信息的载体，从而促成了光子学的形成。世界著名的美国《SPECTRA》杂志，也于1982年率先更名为《PHOTONICS—spectra》，并提出光子学是“研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形式的科学”，并认为，“光子学的应用范围从能量的发生到通信与信息处理”。贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一个颇为广义的定义，他认为，可与电子学类比，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”。在我国，老一辈科学家龚祖同、钱学森等早在70年代末就频频发出呼吁，希望大家积极开展光子学的学科建设。钱学森教授提出，“光子学是与电子学平行的科学”，它主要“研究光子的产生、运动和转化”。他还首次提出了“光子学—光子技术—光子工业”的关于光子学的发展模式。鉴于上述情况，1994年我国一些科学家聚会于北京，在香山科学会议上，，对光子学的有关问题展开了热烈讨论，并在诸多方面取得了共识。关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。实际上，光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术、光子探测技术、光子显示技术等等。光子技术的基础是光子学。因此在这个意义上讲，光子学是一门更具技术科学性质的学科。
应当指出，对光子学的定义，无论是广义的还是狭义的，都不能看作是最终的。光子学作为一门新兴学科，目前正处于成长与发展时期，它尚有一个逐步充实、完善，最后走向成熟的必然过程。同时，人们对它的认识也将自然随之进一步深化和统一，因此，起码在目前还不宜对它的定义和研究范畴等做过多的人为划定，以有利其发展。
光子学在发展中已形成诸多活跃的和重要的研究领域。
信息科学是光子学的重大应用领域之一。特别是在下一个世纪(有称信息时代)里，光子学将继电子学之后成为信息科学的又一个重要支柱。光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科—信息光子学(INFOPHOTONICS)。电子学及其电子信息科学技术已经成熟。电子作为信息的载子已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，并为人类社会做出了巨大贡献。因此，人们又常常为本世纪冠之以电子时代的美誉。而光子学及其光子信息科学技术则初露锋芒，其优越性已被广泛确认。光子作为信息的载体的优势与竞争力正在不断地被挖掘和开拓。因此，相对于今天的电子时代而言，人们自然认为，下一个世纪将是光子的时代。正是基于这种情况，可以说光子学是应运于信息时代的来临而产生的。
生物或生命科学是光子学的又一个重要应用领域。从发展来看，在２１世纪，所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面。光在自然界一直与人类亲密相伴，地球上若没有光也就没有生命，光与生命早已结下不解之缘。光学在生命科学中的应用，在经历了一个较缓慢的发展阶段后，由于激光与光子技术的介入，又开始了一个迅速发展的新时期，近年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科—生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。简言之，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。
光子学的另一个重要领域是基础光子学。基础研究一直是影响和促成光子学发展的重要因素。如上所述，光子学是一门更具技术科学性质的学科，其理论基础则是基础光子学。今天，光子技术的发展，甚至每个技术细节的进步都与基础光子学息息相关。反之，基础光子学的每一个“突破”和每一次“飞跃”，也自然导致光子技术的一次次创新、开拓和革命。今天，基础光子学仍在不断发展着，并具一定的独立性。量子光学、分子光学、非线性光学、超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学的推动和促进作用也日趋卓然。
1.2 光子学与电子学
众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。正如钱学森所言，“光子学是一门和电子学平行的科学，而不是在电子学之内的科学”。关于光子与电子在性质上的差别可以列举很多，下表列举出一些主要差别可供参考。这些差别也决定了它们在应用上的不同。
表1 光子与电子的主要差别
特 征 电 子 光 子
静止质量(m) m0 0
运动质量(m) me hν/c2
传 播 特 性 不能在自由空间传播 能在自由空间传播
传 播 速 度 小于光速(c) 等于光速(c)
时 间 特 性 具时间不可逆性 具一定的类时间可逆性
空 间 特 性 高度的空间局域 不具空间局域性
粒 子 特 性 费米子 (费米统计) 玻色子 (玻色统计)
电 荷 - e 0
自 旋 l(h)/2 l(h)
正因为光子具有这样一些特性，才使其，特别是在信息领域显示出非凡的能力， 以下仅举几例说明之：
1.2.1 光子具有的优异特性
1, 光子具有极高的信息容量和效率
作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。例如，一般可见光的频率为5×1014Hz，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级；光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个量级，即千倍以上。一个载子可承载的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高，这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。
2, 光子具有极快的响应能力
在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级。对于光子技术来说，由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于10个飞秒(fs,10-15s)量级。而且，近两年有望实现2～3个fs，即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)都是可能的。如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质，于是就能够以如此高的速率，通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离以外。这样，获得的信息比特率×传输距离之积将是非常可观的。显然，这对于电子技术来说，绝对是望尘莫及的。
3, 光子具有极强的互连能力与并行能力
如上所述，电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。例如，在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等，这些似乎都是光子的“天赐秉性”。例如，在拟开发的第六代计算机—神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。例如N=104，互连数则为108。计算机的等效运算速率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010 bit / s，这差不多是目前计算机的最高水平。
4, 光子具有极大的存储能力
不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长(λ)量级，因此，三维存储容量为(1/λ)3量级。如果使用可见光(λ～500nm)，光子的存储能力则可达到1012bit／cm3量级。三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是“电子”无法与之相媲美的。此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等， 并因此而产生一系列新的应用等等。
1.3.2 光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系
以上只是阐述了光子的优越性。但是必须承认，对于光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。 电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。因此有人讲，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，即可创造出一系列新的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴，光子学将受益于电子学而不断获得发展。“光子”与“电子”的结合已开始给我们带来巨大的益处，成为当今乃至未来人类社会的宝贵财富。因此，这种结合已给人们留下深刻印象，以至有不少专家学者反复告诫人们，光子学与电子学之间的结合要永远进行下去。“光子”与“电子”以及它们之间的结合，起码在信息领域，有以下4种(a,b,c,d)模式：
 
 
 : 电子;  : 光子;  : 被调制的电子,光电子;
 ：被调制的光子； E: 电源; O: 光源
这里(a)是全电子(ee)过程，如果有光(O)参与，它只是起辅助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。(b)是全光子(pp)过程，电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(c)与(d)则是光电结合，即光电子过程。其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。显然(a)与(b)应分别划为电子学与光子学的研究范畴。而(c),(d)则分属光电子学和电光学，但二者区分并非十分严格。这种状况，在一定意义上也可以说，它反映出光子学与电子学之间存在着某种“血缘”关系。在很多情况下，严格地区分它们似乎是困难的。例如早期Photo-electronics和Electo-optics，后来有Opto-electronics以及Optical electronics等。近些年来又出现 Optronics 和 Photronics的新词汇。还有的， 干脆使用O plus E、O und E等等。事实表明，今天乃至今后，光子学与电子学之间已形成的相互依赖、相互渗透、相互补充、相互结合以及相互促进的不可分割的共融关系会进一步深入发展下去。
此外，光子学与电子学在发展模式上也有或将有惊人地相似之处：
电学 → 电子学 → 电子回路 → 电子集成 → 电子系统 → 电子工程→电子产业
光学 → 光子学 → 光子回路 → 光子集成 → 光子系统 → 光子工程 →光子产业
正是由于有了这种“相似”，才不断地为我们的创造性思维与开拓性研究提供一个个契机，并使之得以借鉴，从而不断地促成了光子学的飞速发展。
1.3光子学的发展及其意义
如上所述，光子学具有丰富的内涵和重大的应用前景，它的提出也是科学与社会发展之必然。 因此，光子学一经问世便即刻引起人们的广泛关注。需要指出的是，欧洲和美国，在促成光子学的形成和发展方面表现出极大的兴趣和热情。早在1973年，法国就率先召开了国际光子学会议。同一年，荷兰将原来的“摄影、光化学、光物理学会”合并组成“光子学会”，并于1975年召开了全国光子学会议。经过多方组织和酝酿，于1978年正式成立了欧洲光子学会。其间，一些国际性学术刊物和会议也纷纷更换名称，冠以光子学的词汇。例如美国光学学会的会刊《 |
