??從技術發展的角度來看，20世紀是電子時代(又稱微電子時代)，而21世紀被眾多學者稱為是光子時代，這是因為在未來高度信息化的社會里，光子學具備了巨大的技術應用前景。信息技術包括信息的探測、采集、處理、傳輸、顯示、存儲與拷貝等。現代信息技術的基本要求有三大方面：第一，是信息的高密度。由于信息量和信息密度的急劇增加，使原來基于電波長波的傳送信息通道擁擠不堪，因而由長波轉向短波和超短波，最后又轉向光波，促使人們以光波作為信息載體，因此光通信、光記錄、光顯示等進入我們的生活。而且光波的應用也由紅外向短波、紫外方向發展。例如在DVD光盤中，若以藍光發射的激光器代替紅光發射的激光器，則光學數據存儲容量將增加25倍。第二，是信息的數字化。數字化量比模擬量更準確，易合成，易壓縮。從多媒體角度看，圖像的傳播用光波更直接更方便。因此在圖像信息的獲取、傳輸、存儲、處理、光電顯示等方面，光子技術具有不可替代的作用。第三，是信息處理的高速度。對復雜信息進行實時的高速采集、大容量的傳輸、高密度的實時記錄、大面積的真彩色顯示和復制等，都離不開光子的參與，還有各種現代儀器要求光機電算一體(Optomechatronics)。因此光子學和光子技術在信息技術的諸多方面顯示出更大的優勢。光子技術應用的優勢主要體現在以下幾方面。

??1) 響應速度快。光子器件及其系統的響應速度快，例如光開關器件，響應時間可達飛秒(1fs=10-15s)量級，而電子器件及其系統的響應時間最快為納秒(1ns=10-9s)量級。光子信息系統的運算速度大大超過現有的電子信息系統，這一點在未來的信息技術特別是計算機技術上將會促成根本性的變革。1990年1月，美國貝爾實驗室完成了世界上第一臺數字光處理器，其核心部件的光開關速度達到每秒10億次，顯示了光子技術的高速度運轉和平行處理特征。

??2) 傳輸容量大。光子信息系統的空間帶寬和頻率帶寬都很大，因此信息傳輸容量大，使信息交換和傳遞更加通暢。光纖通信的容量比微波通信的容量要大1萬到10萬倍，一路微波通道只可以傳送一路彩色電視或1千多路數字電話信號，而一根光纖可以同時傳送1千多萬甚至1億路電話信號。

??3) 存儲密度大。光存儲技術由于其信息存儲密度大、容量大、可靠性強、存取速度快和低成本等特點，得到廣泛應用。光盤早已進入多媒體終端和千家萬戶。光盤和光卡的存儲量比磁盤、磁卡要高出200至20000倍，而且不易磨損，不受外磁場干擾，不受溫度影響。可以說光盤是20世紀以來，繼汽車、電視、微機之后的又一重大發明。有人預計，利用光子學方式可以實現三維立體存儲，其容量之大令人驚嘆，一旦關鍵技術取得突破，將會顯示出無與倫比的優勢。

??4) 處理速度快。高速度處理信息是光子技術最有潛力的應用。在光計算機中，與電氣布線相比較，由于光的頻率高，可以高速傳遞信息，而且可以利用多重波長、信息二維并列傳遞等，使信息傳遞能力大大提高。作為計算機的前處理技術還有模擬光計算、并列數字光計算等。光纖具有極好的并行性，可以同時并行處理二維信息、三維并行互連及并行處理，能克服馮諾依曼結構的電子計算機的瓶頸效應，特別有利于圖像的處理和傳輸。用光學方法可以演示神經網絡的圖像識別和復原的功能，現在具有并列處理、學習、自組織化機能的光神經網絡正處在開發和實驗中。光不需要阻抗匹配，不需要布線回路，因此可以進行高速信號調制。這些特點遠遠超過了電氣布線的局限。

??5) 微型化、集成化。微光子技術與光子集成(PIC)技術將同微電子技術和集成電路(IC)一樣得到迅猛發展。微光子技術涉及梯度折射率光學、衍射光學、纖維光學等許多分支，已研制出許多微型光學陣列器件，由于光波波長短，光子信息系統的幾何尺寸將大大縮小。光子集成的特點是將有源電子器件(如半導體激光器、光放大器、光探測器等)與光波導器件(如分合波器、耦合器、濾波器、調制器、光開關等)集成在一塊半導體芯片上，構成一種單片全光功能性器件。這從根本上改變了集成光學和光電子集成中，有源無源器件分別集成后再利用光纖連接的弊端，使器件體積更小、功耗更低。

??2.2 光子學與其他學科的進一步結合

??1) 光子學與生物學相結合。生物的基本單元是細胞，細胞里的DNA(脫氧核糖核酸)，呈雙重螺旋結構，由被稱為A、G、C、T的4種堿基組成，堿基有吸收光譜，其熒光壽命小于10ps(皮秒)，因此需要亞皮秒或飛秒級的脈沖來準確測量這些堿基的光譜和熒光壽命，這樣就能準確地認識分子。生命是取決于遺傳因子這一物質的作用的，科學家希望能用光來控制遺傳因子，繼而控制生命和物質。人的大腦里有大約1千億個神經細胞，信號從一個細胞傳到另一個細胞時，經過一個叫做突觸的接點。這個接點是不連續的，其間的信息由神經物質來傳遞，也就是說大腦或心靈的活動也是由這種神經傳遞物質所控制的，既然心靈活動是基于物質的作用，那么就可以用光來控制。這方面的研究還有待于光學專家與生命科學家共同取得突破性進展。

??2) 光子學與飛秒化學相結合。20世紀30年代人們提出了化學反應的過渡態理論，把化學動力學的研究深入到微觀過程。過渡態只是一個理論假設，反應物越過這個過渡態就形成了產物。飛越過渡態的時間尺度是分子振動周期的量級，當時被認為是不可能通過實驗來研究的，因此在化學反應路徑上，過渡態成了未解之謎。到20世紀80年代飛秒激光器研制成功，飛秒激光器的脈沖寬度正是化學反應經歷過渡態的時間尺度。飛秒激光脈沖如同一個飛秒尺寸的探針，可以跟蹤化學反應中原子或分子的運動和變化。美國加州理工學院的澤維爾教授率先應用飛秒光譜研究化學反應過渡態的探測，并取得了世人矚目的成就，因此獲得1999年諾貝爾化學獎，從而形成了飛秒化學這一物理化學的新學科。目前飛秒化學已經廣泛應用到化學和生命科學各領域。

??3) 光子學與醫學相結合。老年癡呆癥是一種大腦退化病，由于它的不確定性使人們感到困苦憂傷。為了研究這種病，醫學上尋求一種對大腦無損傷的診斷方法。因為皮膚、骨頭和血液對波長在600~1300nm之間的光透過很好，已經有一種紅光探針用于診斷腦部疾病。科技人員用647nm波長的探針透過頭蓋骨進入大腦，在那里使腦組織發出近紅外的熒光，這個熒光光譜返回并透過頭蓋骨被收集分析，帶回健康組織和疾病組織的一些特征。這種技術叫做近紅外熒光光譜技術，它是完全無損傷的。用這種技術還可以測出服藥與不服藥的病人之間疾病變化速率的差異。可以預見，這種光譜技術有朝一日會成為治療腦部疾病的有力武器。

??4) 光子學與農業科學結合。激光對有機體的作用是相當復雜的，到目前大致認為是激光通過光、熱、壓力、和電磁場等效應對有機體發生作用。預計光子技術在激光育種、作物生長期照射、激光滅蟲等領域也會有更大的用武之地。光子技術還可以應用到農業生產。日本濱松光子公司的一個植物實驗工廠，利用半導體激光器種植水稻，實驗表明，已經有一年收獲五季水稻的可能。由于沒有病蟲害，如果考慮上下五層并將種植密度提高5倍，則總收獲量可期望提高625倍。這對人類將是巨大貢獻。還有光電遙感技術，幫助人類解決目前所面臨的能源、糧食、氣象預報、環境監測等問題。資料表明，美國用光電遙感儀監視洪水、改造良田、探測農作物病蟲害、改進油田探測及小麥估產等5項，每年的經濟收益達15億美元以上。

??2.3 光子學及其高新技術的廣泛應用

??1) 光機電算高度一體化。光子學及其技術在生產實踐過程中的自動監控、圖像分析、精密測量、信息處理、能源利用、微觀探索等各個領域正發揮著越來越重要的作用。未來儀器要求光機電算高度一體化，它是光學、機械、電子、計算機等領域的高度融合，隨著激光、光纖、微電子、計算機、高分子材料以及軟件技術的發展，光機電算一體化儀器將層出不窮。

??2) 光學超快速技術的發展。超快速技術產生于一個皮秒(10-12s)或飛秒(10-15s)數量級范圍的非常短的激光脈沖，飛秒激光器提供了極短的時間間隔內的相當高能量的脈沖，因此與其它技術相比，把由于熱彌散引起的效應和相關的損傷減小到最低的程度。超快速激光器能在鋼鐵或其它微型機械的材料上鉆一個小孔而不引起附加的損傷。為了生物實驗和光學信息處理，已經試制出帶有微米量級運動部件的微型機械樣品。但超快速微加工技術仍然是一個新領域，有待進一步發展。

??3) 光學顯示技術的提高。除了高分辨率電視(HDTV)外，利用全息技術的動態圖像的三維顯示，將發展成三維電影和三維電視，在澳大利亞黃金海岸的電影主題公園，人們已經欣賞到類似電影。紅、綠、藍光輸出的發光二極管(LED)已經在一些全彩色顯示上得到應用。而電子報紙和電子雜志已經取得成功，隨著顯示器件的進展，將很快走向商業化，像普通報紙雜志那樣靈活方便。

??4) 光計算機技術的突破。繼電腦之后，21世紀將是光腦發展的時代。人們預計，條件成熟時，光腦(光計算機)有可能取代電腦，光腦與電腦相比具有優勢如下:一是并行處理能力強，運算速度高，比電腦快1000倍。二是高速電腦由于產生熱量而影響速度，只能在低溫下工作;而光腦可以在室溫下工作。三是光子不需要導線，即使光線交接也不會產生相互影響。作為無導線計算機傳遞信息的平行通道，其密度是無限的。四是一臺光腦只需很小能量就能驅動，耗能相當于電腦的若干分之一。目前光腦的關鍵技術，例如光存儲，仍然是以硅基電子芯片作為心臟部件，如果能使光子互連立足在硅基材料上實現，發展硅基光子學將會帶來新的突破。還需要大幅度提高光腦的運算能力即增加光開關的數量。

??5) 光纖通信技術的發展。光纖通信是光子技術最具代表性的成就。光纖的出色傳輸能力使以光網絡為代表的寬帶傳遞與接入技術快速發展，成為新一代傳送網的基礎。人們樂觀地估計，隨著密集波分復用技術(DWDM)、碼壓縮等技術的應用，一根光纜所載荷的容量就足以滿足全球的話音通信。諸如可視電話會議、全自動化無人操作工廠、全球信息聯網等必將到來。

??6) 光帶 大容量離線存儲技術的發展。光帶是一種將數據信息存儲在條形介質帶上的光存儲器件，它結合了光盤和磁帶這兩種目前最流行的存儲技術的優點，兼有光盤的高密度和磁帶的總存儲量可以很大的優點，目前推出的產品在一個43cmx27cmx66cm的箱體內，存儲量可達1TB以上，按信號調制方式的不同，最大可達4.5TB，還具有數據傳輸速率快(高達180MB/s)、信息存取時間短(33GB/s，存取1TB的數據，平均時間10s)、系統成本低、存儲數據可靠、使用壽命長(大于100年)的特點。它是目前發達國家特別是美國正在積極開發的數字存儲技術之一。

??7) 光學器件的發展。未來的探測器件和成像器件將繼續向著高增益、高分辨率、低噪聲、寬光譜響應、大動態范圍、小型化、固體化和真空與固體相結合的方向發展。隨著各種元器件性能的提高，將使圖像增強技術、低照度攝像技術、光子探測技術和紅外成像技術等躍上新的臺階。

審核編輯 黃宇