专题报道微纳光学 们把以激光为光源的光学称为现代光学。激光是由状的载体”的技术,主要包含信息光子技术与能量光子 态相同的光子所组成,显示出激光的光子特性,因此技术两部分 现代光学的诞生就意味着光子学的诞生。从广义观点 表1微光子学与纳光子学的特点比较 来看,光子学是研究光子的产生、传输以及与物质相 微光子学 纳光子学 互作用规律的科学。可以说,凡是与光子行为有关的 空间尺寸1-1000ym宏观 1-1000nm(介观) 学科,包括现代光学微光子学(即光电子学)纳光子光场特性场(>衍射极限)近场(<行射极限 学等都应该属于光子学的研究范畴 激光产生后的10年间,现代光学的理论发展很 电磁理论 学科别名 光电子学 全光子学 快,迅速建立起激光物理学、非线性光学信息光学和 控光方法 以电控光 量子光学等分支学科。不过当时的激光技术还较多地 以光控光 主要器件 使用尺寸较大的气体、固体液体和化学激光器。半导 半导体激光器 器全光开关器件 体激光器只是在低温下运转不能实用。这个时期相当主要系纷光通信:光子传输+电子交换 于电子学所处的真空管电子学阶段。 光计算:电子芯片+光子外设全光计算机 微电子学的诞生是从1960年发明半导体集成电 信息光子技术是以光子为信息载体的技术,其研 路开始。现代的电子计算机就是建立在集成电路芯片究内容包括光信息的产生、传输、处理、探测、显示、存 的基础上。在集成电路中,电子器件的尺寸是微米量储等。主要的技术有通信、计算、传感3个领域。 级的,故称微电子学 众所周之,信息技术是实现国民经济现代化的带 与微电子学对应的光子学是微光子学,它是从头技术。信息技术的发展正经历着4个发展阶段,如 1970年发明室温运转的半导体激光器、光纤以及其他表2所示。 集成光子器件以后发展起来的,这些器件是现代光纤 表2信息技术的4个发展阶段 通信的基础,其尺寸皆为微米数量级。在微米尺度范发展阶段起始年工作方式主要技术主要系统 围,光子特性表现得更为明显 随着21世纪科学的进步,微米尺寸的光子器件 信息技术1906以电控电电子管电话电报 电子管 将会发展成为纳米尺寸的器件,从而形成纳光子学。 分立电路无线电通信 从微米到纳米,不只是空间尺度在数量上的变化,其微电子 实是从“宏观”到“介观”的一次质的飞跃。 信息技术1948以电控电。超体电子计算机、 集成电路 电子通信 互联网 总之现代光学就是光子学。微光子学和纳光子微光子 学分别是微米和纳米尺度的光子学它们是光子学的信息技术1970以电控光半导体激光器光纤通信、 光纤技术微机、手机 两个发展阶段。 纳光子 微光子学的研究对象属于宏观范围,其光场称为信息技术20x以光控光 全光开关光计算机、 集成光路全光通信 远场(即传播场):纳光子学的研究对象属于介观范 在信息技术的不同发展阶段,信息的控制方式有 围,其光场称为近场(即倏逝场)。从控光技术来看微不同特点:在电子信息技术阶段(包括电子管信息技 光子学是“以电控光”的光子学,或称为光电子学其术和微电子信息技术阶段),是以电控制电;在微光子 核心技术是半导体激光器及其应用技术。在微光子学信息技术阶段(或光电子信息技术阶段),是以电控制 阶段不仅器件是光电混合的,应用系统也是光电混光在纳光子信息技术阶段,则是以光控制光。 合的。例如光纤通信系统,光信号的干线传输已经是 现在人类还处在微光子(或光电子)信息技术阶 全光的但是光信号的交换还是用电子技术。而纳光段。在信息技术的通信计算传感3个主要领城中, 子学的发展方向是“以光控光”的光子学,其核心技术其功能单元和主要部件都是光子技术和电子技术的 是全光开关器件及其应用技术。在纳光子学阶段,应 混合,见表3 用系统也将是全光的。例如全光通信的光交换器是由 能源光子技术是以光子为能量载体的技术。实质 全光开关组成光学数字计算机也是由全光开关组成上是将光子能量与其他各种能量进行相互转换的技 的。微光子学与纳光子学的区别见表1。 术,包括光能→热能、电能、热核能、化学能、生物能等 13光子技术的定义和内涵 的转换,以及电能→光能的转换。这些转换过程牵涉 光子技术可以定义为:“以光子作为信息与能量各种技术 116光与光电子学进展200910