光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略課件

第一章光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略地位

第一章光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略地位1光子學(xué)的內(nèi)涵

荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義規(guī)范光子學(xué)是“研究以光子為信息載體的科學(xué)”,“以光子作為能量載體的科學(xué)”.美國(guó)《PHOTONICS—spectra》，提出光子學(xué)是“研究發(fā)生與利用以光子為量化單位的光，或其他輻射形式的科學(xué)”，并認(rèn)為，“光子學(xué)的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。

光子學(xué)的內(nèi)涵荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光2光子學(xué)的內(nèi)涵貝爾實(shí)驗(yàn)室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個(gè)頗為廣義的定義：“電子學(xué)是關(guān)于電子的科學(xué)”，光子學(xué)則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學(xué)”。

錢學(xué)森教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學(xué)—光子技術(shù)—光子工業(yè)”的關(guān)于光子學(xué)的發(fā)展模式。

光子學(xué)的內(nèi)涵貝爾實(shí)驗(yàn)室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個(gè)頗為3光子學(xué)的內(nèi)涵1994年我國(guó)關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：

光子學(xué)是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)。或者廣義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。在理論上，它主要研究光子的量子特性及其在與物質(zhì)(包括與分子、原子、電子以及與光子自身)的相互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；在應(yīng)用方面，它的研究?jī)?nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測(cè)規(guī)律等。

光子學(xué)的內(nèi)涵1994年我國(guó)關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較4光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域

信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS)——光子學(xué)與信息科學(xué)的交叉已經(jīng)形成一門新興的學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(BIO-MEDOPHOTONICS)。

生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)就是用光子來(lái)研究生命的科學(xué)，它是光子學(xué)和生命科學(xué)相互交叉、相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科。它涉及生物系統(tǒng)以光子形式釋放的能量與來(lái)自生物系統(tǒng)的光子的探測(cè)，以及這些光子攜帶的有關(guān)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能信息，還包括利用光子對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行的加工與改造。

光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS5光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域基礎(chǔ)光子學(xué)

量子光學(xué)、分子光學(xué)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)等已經(jīng)成為基礎(chǔ)光子學(xué)中逐漸趨于成熟的分支學(xué)科，它們對(duì)技術(shù)光子學(xué)的推動(dòng)和促進(jìn)作用也日趨卓然。光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域基礎(chǔ)光子學(xué)6光子學(xué)與電子學(xué)

電子與光子是當(dāng)今和未來(lái)信息社會(huì)的兩個(gè)最重要的微觀信息載子，對(duì)它們的研究分別隸屬于電子學(xué)與光子學(xué)的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個(gè)性。

“光子學(xué)是一門和電子學(xué)平行的科學(xué)，而不是在電子學(xué)之內(nèi)的科學(xué)”。

光子學(xué)與電子學(xué)電子與光子是當(dāng)今和未來(lái)信息社會(huì)的兩個(gè)最重要的7光子具有的優(yōu)異特性

1、光子具有極高的信息容量和效率光子可承載信息的容量起碼比電子高出3～4個(gè)量級(jí)，即千倍以上。一個(gè)載子可承載的信息量為信息效率。如果考慮到光子的數(shù)字編碼與光子的統(tǒng)計(jì)特性等，光子的信息效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出電子。光子具有的優(yōu)異特性1、光子具有極高的信息容量和效率82、光子具有極快的響應(yīng)能力

電子技術(shù)中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s)量級(jí)，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級(jí)。光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級(jí)。實(shí)際上，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的光子脈沖寬度水平已達(dá)到小于10個(gè)飛秒(fs,10-15s)量級(jí)。而且，近兩年有望實(shí)現(xiàn)2～3個(gè)fs，即相當(dāng)一個(gè)光學(xué)周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達(dá)到每秒幾十、幾百個(gè)Gb，甚至幾個(gè)、幾十個(gè)Tb(1012bit/s)都是可能的。

2、光子具有極快的響應(yīng)能力93、光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力電子有電荷，因此電子與電子之間存在庫(kù)侖作用力，這就使得它們彼此間無(wú)法交連。3、光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力10

對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。光子無(wú)電荷，彼此間不存在排斥和吸引力，具有良好的空間相容性等，這些似乎都是光子的“天賜秉性”。

對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。光114、光子具有極大的存儲(chǔ)能力

不同于電子存儲(chǔ)，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲(chǔ)外，尚能完成三維存儲(chǔ)。再考慮頻率“維”等，可用于存儲(chǔ)的參量很多，因此，可以說(shuō)，光子具有極大的存儲(chǔ)能力。對(duì)于光來(lái)說(shuō)，這個(gè)量為其波長(zhǎng)(λ)量級(jí)，因此，三維存儲(chǔ)容量為(1/λ)3量級(jí)。

4、光子具有極大的存儲(chǔ)能力12另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁(yè)”進(jìn)行的，并能與運(yùn)算器并行連接，由此速度很快。加之光子無(wú)電荷，既能防電磁干擾，讀取準(zhǔn)確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。這樣一些優(yōu)點(diǎn)，都是“電子”無(wú)法與之相媲美的。

另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，即信息寫入和讀出都是13光子學(xué)與電子學(xué)的相互補(bǔ)充、共融與促進(jìn)關(guān)系

光子人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和利用上還不成熟，這是其最大的薄弱點(diǎn)。而恰恰在這方面電子學(xué)顯示出優(yōu)勢(shì)。對(duì)于電子無(wú)論是在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上都已相當(dāng)成熟。電子已經(jīng)深入社會(huì)，乃至家庭的方方面面。因此有人講，利用光子學(xué)的優(yōu)越性與電子學(xué)的成熟性相結(jié)合，即可創(chuàng)造出一系列新的奇跡。在這個(gè)意義上講，光子與電子是一對(duì)孿生的天然伙伴。

光子學(xué)與電子學(xué)的相互補(bǔ)充、共融與促進(jìn)關(guān)系光子人14

電學(xué)→電子學(xué)→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)→電子工程→電子產(chǎn)業(yè)

光學(xué)→光子學(xué)→光子回路→光子集成→光子系統(tǒng)→光子工程→光子產(chǎn)業(yè)

電學(xué)→電子學(xué)→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)15光子學(xué)發(fā)展的意義特別是最近幾年里，光子學(xué)的發(fā)展更為引人注目。

在美國(guó)，對(duì)光子學(xué)及其技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已予以高度重視。1991年政府將光子學(xué)列為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為光子學(xué)“在國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力，并且肯定，通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展的未來(lái)世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域”。為此，美國(guó)已建立諸多“光子學(xué)高技術(shù)研究中心”。

光子學(xué)發(fā)展的意義特別是最近幾年里，光子學(xué)的發(fā)展更16光子學(xué)發(fā)展的意義在歐洲，近年來(lái)也相繼建立了研究與開發(fā)光子學(xué)的聯(lián)合機(jī)構(gòu)。在德國(guó)，政府已確定“光子學(xué)是下個(gè)世紀(jì)初對(duì)保持德國(guó)在國(guó)際技術(shù)市場(chǎng)上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的九大關(guān)鍵技術(shù)之一”。

在日本，對(duì)發(fā)展光子學(xué)及其產(chǎn)業(yè)尤為重視，特別是近些年來(lái)，日本已在光子學(xué)材料和器件的研究與開發(fā)上顯示出優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)美國(guó)和歐洲構(gòu)成威脅。

光子學(xué)發(fā)展的意義在歐洲，近年來(lái)也相繼建立了研究與開發(fā)光子學(xué)的17光子學(xué)發(fā)展的意義

光子學(xué)即將成為“改變世界技術(shù)的杠桿，用它可以轉(zhuǎn)動(dòng)世界力量的均衡。在今后世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與國(guó)防力量的較量中，光子學(xué)必定占據(jù)極其重要的位置”。

光子學(xué)發(fā)展的意義光子學(xué)即將成為“改變世界技術(shù)的杠18第一章光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略地位

第一章光子學(xué)的發(fā)展與戰(zhàn)略地位19光子學(xué)的內(nèi)涵

荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光子學(xué)的定義規(guī)范光子學(xué)是“研究以光子為信息載體的科學(xué)”,“以光子作為能量載體的科學(xué)”.美國(guó)《PHOTONICS—spectra》，提出光子學(xué)是“研究發(fā)生與利用以光子為量化單位的光，或其他輻射形式的科學(xué)”，并認(rèn)為，“光子學(xué)的應(yīng)用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。

光子學(xué)的內(nèi)涵荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出關(guān)于光20光子學(xué)的內(nèi)涵貝爾實(shí)驗(yàn)室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個(gè)頗為廣義的定義：“電子學(xué)是關(guān)于電子的科學(xué)”，光子學(xué)則應(yīng)是“關(guān)于光子的科學(xué)”。

錢學(xué)森教授提出，“光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學(xué)—光子技術(shù)—光子工業(yè)”的關(guān)于光子學(xué)的發(fā)展模式。

光子學(xué)的內(nèi)涵貝爾實(shí)驗(yàn)室著名的Ross教授為光子學(xué)作了一個(gè)頗為21光子學(xué)的內(nèi)涵1994年我國(guó)關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：

光子學(xué)是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)用的科學(xué)?；蛘邚V義地講，光子學(xué)是關(guān)于光子及其應(yīng)用的科學(xué)。在理論上，它主要研究光子的量子特性及其在與物質(zhì)(包括與分子、原子、電子以及與光子自身)的相互作用中出現(xiàn)的各類效應(yīng)及其規(guī)律；在應(yīng)用方面，它的研究?jī)?nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測(cè)規(guī)律等。

光子學(xué)的內(nèi)涵1994年我國(guó)關(guān)于光子學(xué)定義、內(nèi)涵及研究范圍，較22光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域

信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS)——光子學(xué)與信息科學(xué)的交叉已經(jīng)形成一門新興的學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(BIO-MEDOPHOTONICS)。

生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)就是用光子來(lái)研究生命的科學(xué)，它是光子學(xué)和生命科學(xué)相互交叉、相互滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科。它涉及生物系統(tǒng)以光子形式釋放的能量與來(lái)自生物系統(tǒng)的光子的探測(cè)，以及這些光子攜帶的有關(guān)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能信息，還包括利用光子對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行的加工與改造。

光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域信息光子學(xué)(INFOPHOTONICS23光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域基礎(chǔ)光子學(xué)

量子光學(xué)、分子光學(xué)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)等已經(jīng)成為基礎(chǔ)光子學(xué)中逐漸趨于成熟的分支學(xué)科，它們對(duì)技術(shù)光子學(xué)的推動(dòng)和促進(jìn)作用也日趨卓然。光子學(xué)重要的研究領(lǐng)域基礎(chǔ)光子學(xué)24光子學(xué)與電子學(xué)

電子與光子是當(dāng)今和未來(lái)信息社會(huì)的兩個(gè)最重要的微觀信息載子，對(duì)它們的研究分別隸屬于電子學(xué)與光子學(xué)的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個(gè)性。

“光子學(xué)是一門和電子學(xué)平行的科學(xué)，而不是在電子學(xué)之內(nèi)的科學(xué)”。

光子學(xué)與電子學(xué)電子與光子是當(dāng)今和未來(lái)信息社會(huì)的兩個(gè)最重要的25光子具有的優(yōu)異特性

1、光子具有極高的信息容量和效率光子可承載信息的容量起碼比電子高出3～4個(gè)量級(jí)，即千倍以上。一個(gè)載子可承載的信息量為信息效率。如果考慮到光子的數(shù)字編碼與光子的統(tǒng)計(jì)特性等，光子的信息效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出電子。光子具有的優(yōu)異特性1、光子具有極高的信息容量和效率262、光子具有極快的響應(yīng)能力

電子技術(shù)中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s)量級(jí)，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級(jí)。光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級(jí)。實(shí)際上，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的光子脈沖寬度水平已達(dá)到小于10個(gè)飛秒(fs,10-15s)量級(jí)。而且，近兩年有望實(shí)現(xiàn)2～3個(gè)fs，即相當(dāng)一個(gè)光學(xué)周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達(dá)到每秒幾十、幾百個(gè)Gb，甚至幾個(gè)、幾十個(gè)Tb(1012bit/s)都是可能的。

2、光子具有極快的響應(yīng)能力273、光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力電子有電荷，因此電子與電子之間存在庫(kù)侖作用力，這就使得它們彼此間無(wú)法交連。3、光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力28

對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。光子無(wú)電荷，彼此間不存在排斥和吸引力，具有良好的空間相容性等，這些似乎都是光子的“天賜秉性”。

對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。光294、光子具有極大的存儲(chǔ)能力

不同于電子存儲(chǔ)，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲(chǔ)外，尚能完成三維存儲(chǔ)。再考慮頻率“維”等，可用于存儲(chǔ)的參量很多，因此，可以說(shuō)，光子具有極大的存儲(chǔ)能力。對(duì)于光來(lái)說(shuō)，這個(gè)量為其波長(zhǎng)(λ)量級(jí)，因此，三維存儲(chǔ)容量為(1/λ)3量級(jí)。

4、光子具有極大的存儲(chǔ)能力30另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁(yè)”進(jìn)行的，并能與運(yùn)算器并行連接，由此速度很快。加之光子無(wú)電荷，既能防電磁干擾，讀取準(zhǔn)確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。這樣一些優(yōu)點(diǎn)，都是“電子”無(wú)法與之相媲美的。

另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，即信息寫入和讀出都是31光子學(xué)與電子學(xué)的相互補(bǔ)充、共融與促進(jìn)關(guān)系

光子人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和利用上還不成熟，這是其最大的薄弱點(diǎn)。而恰恰在這方面電子學(xué)顯示出優(yōu)勢(shì)。對(duì)于電子無(wú)論是在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上都已相當(dāng)成熟。電子已經(jīng)深入社會(huì)，乃至家庭的方方面面。因此有人講，利用光子學(xué)的優(yōu)越性與電子學(xué)的成熟性相結(jié)合，即可創(chuàng)造出一系列新的奇跡。在這個(gè)意義上講，光子與電子是一對(duì)孿生的天然伙伴。

光子學(xué)與電子學(xué)的相互補(bǔ)充、共融與促進(jìn)關(guān)系光子人32

電學(xué)→電子學(xué)→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)→電子工程→電子