從技術(shù)發(fā)展的角度來看，20世紀(jì)是電子時代(又稱微電子時代)，而21世紀(jì)被眾多學(xué)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(xué)具備了巨大的技術(shù)應(yīng)用前景。信息技術(shù)包括信息的探測、采集、處理、傳輸、顯示、存儲與拷貝等。現(xiàn)代信息技術(shù)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(zhuǎn)向短波和超短波，最后又轉(zhuǎn)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(yīng)用也由紅外向短波、紫外方向發(fā)展。例如在DVD光盤中，若以藍光發(fā)射的激光器代替紅光發(fā)射的激光器，則光學(xué)數(shù)據(jù)存儲容量將增加25倍。第二，是信息的數(shù)字化。數(shù)字化量比模擬量更準(zhǔn)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(shù)具有不可替代的作用。第三，是信息處理的高速度。對復(fù)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(fù)制等，都離不開光子的參與，還有各種現(xiàn)代儀器要求光機電算一體(Optomechatronics)。因此光子學(xué)和光子技術(shù)在信息技術(shù)的諸多方面顯示出更大的優(yōu)勢。光子技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面。

響應(yīng)速度快。光子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，例如光開關(guān)器件，響應(yīng)時間可達飛秒(1fs=10^-15^s)量級，而電子器件及其系統(tǒng)的響應(yīng)時間最快為納秒(1ns=10^-9^s)量級。光子信息系統(tǒng)的運算速度大大超過現(xiàn)有的電子信息系統(tǒng)，這一點在未來的信息技術(shù)特別是計算機技術(shù)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(shù)字光處理器，其核心部件的光開關(guān)速度達到每秒10億次，顯示了光子技術(shù)的高速度運轉(zhuǎn)和平行處理特征。

傳輸容量大。光子信息系統(tǒng)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(shù)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。

存儲密度大。光存儲技術(shù)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(yīng)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(jì)以來，繼汽車、電視、微機之后的又一重大發(fā)明。有人預(yù)計，利用光子學(xué)方式可以實現(xiàn)三維立體存儲，其容量之大令人驚嘆，一旦關(guān)鍵技術(shù)取得突破，將會顯示出無與倫比的優(yōu)勢。

處理速度快。高速度處理信息是光子技術(shù)最有潛力的應(yīng)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(shù)還有模擬光計算、并列數(shù)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(jié)構(gòu)的電子計算機的瓶頸效應(yīng)，特別有利于圖像的處理和傳輸。用光學(xué)方法可以演示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別和復(fù)原的功能，現(xiàn)在具有并列處理、學(xué)習(xí)、自組織化機能的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正處在開發(fā)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(diào)制。這些特點遠遠超過了電氣布線的局限。

微型化、集成化。微光子技術(shù)與光子集成(PIC)技術(shù)將同微電子技術(shù)和集成電路(IC)一樣得到迅猛發(fā)展。微光子技術(shù)涉及梯度折射率光學(xué)、衍射光學(xué)、纖維光學(xué)等許多分支，已研制出許多微型光學(xué)陣列器件，由于光波波長短，光子信息系統(tǒng)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(dǎo)體激光器、光放大器、光探測器等)與光波導(dǎo)器件(如分合波器、耦合器、濾波器、調(diào)制器、光開關(guān)等)集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一種單片全光功能性器件。這從根本上改變了集成光學(xué)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(xué)與其他學(xué)科的進一步結(jié)合

光子學(xué)與生物學(xué)相結(jié)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(jié)構(gòu)，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(zhǔn)確測量這些堿基的光譜和熒光壽命，這樣就能準(zhǔn)確地認(rèn)識分子。生命是取決于遺傳因子這一物質(zhì)的作用的，科學(xué)家希望能用光來控制遺傳因子，繼而控制生命和物質(zhì)。人的大腦里有大約1千億個神經(jīng)細胞，信號從一個細胞傳到另一個細胞時，經(jīng)過一個叫做突觸的接點。這個接點是不連續(xù)的，其間的信息由神經(jīng)物質(zhì)來傳遞，也就是說大腦或心靈的活動也是由這種神經(jīng)傳遞物質(zhì)所控制的，既然心靈活動是基于物質(zhì)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(xué)專家與生命科學(xué)家共同取得突破性進展。

光子學(xué)與飛秒化學(xué)相結(jié)合。20世紀(jì)30年代人們提出了化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)理論，把化學(xué)動力學(xué)的研究深入到微觀過程。過渡態(tài)只是一個理論假設(shè)，反應(yīng)物越過這個過渡態(tài)就形成了產(chǎn)物。飛越過渡態(tài)的時間尺度是分子振動周期的量級，當(dāng)時被認(rèn)為是不可能通過實驗來研究的，因此在化學(xué)反應(yīng)路徑上，過渡態(tài)成了未解之謎。到20世紀(jì)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(xué)反應(yīng)經(jīng)歷過渡態(tài)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(xué)反應(yīng)中原子或分子的運動和變化。美國加州理工學(xué)院的澤維爾教授率先應(yīng)用飛秒光譜研究化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)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(xué)獎，從而形成了飛秒化學(xué)這一物理化學(xué)的新學(xué)科。目前飛秒化學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到化學(xué)和生命科學(xué)各領(lǐng)域。

光子學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)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(yī)學(xué)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(jīng)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(fā)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(shù)叫做近紅外熒光光譜技術(shù)，它是完全無損傷的。用這種技術(shù)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(yù)見，這種光譜技術(shù)有朝一日會成為治療腦部疾病的有力武器。

光子學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)結(jié)合。激光對有機體的作用是相當(dāng)復(fù)雜的，到目前大致認(rèn)為是激光通過光、熱、壓力、和電磁場等效應(yīng)對有機體發(fā)生作用。預(yù)計光子技術(shù)在激光育種、作物生長期照射、激光滅蟲等領(lǐng)域也會有更大的用武之地。光子技術(shù)還可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。日本濱松光子公司的一個植物實驗工廠，利用半導(dǎo)體激光器種植水稻，實驗表明，已經(jīng)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(shù)，幫助人類解決目前所面臨的能源、糧食、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測等問題。資料表明，美國用光電遙感儀監(jiān)視洪水、改造良田、探測農(nóng)作物病蟲害、改進油田探測及小麥估產(chǎn)等5項，每年的經(jīng)濟收益達15億美元以上。

2.3 光子學(xué)及其高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用

光機電算高度一體化。光子學(xué)及其技術(shù)在生產(chǎn)實踐過程中的自動監(jiān)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(lǐng)域正發(fā)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(xué)、機械、電子、計算機等領(lǐng)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(shù)的發(fā)展，光機電算一體化儀器將層出不窮。

光學(xué)超快速技術(shù)的發(fā)展。超快速技術(shù)產(chǎn)生于一個皮秒(10^-12^s)或飛秒(10^-15^s)數(shù)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(nèi)的相當(dāng)高能量的脈沖，因此與其它技術(shù)相比，把由于熱彌散引起的效應(yīng)和相關(guān)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(xué)信息處理，已經(jīng)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(shù)仍然是一個新領(lǐng)域，有待進一步發(fā)展。

光學(xué)顯示技術(shù)的提高。除了高分辨率電視(HDTV)外，利用全息技術(shù)的動態(tài)圖像的三維顯示，將發(fā)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(jīng)欣賞到類似電影。紅、綠、藍光輸出的發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)在一些全彩色顯示上得到應(yīng)用。而電子報紙和電子雜志已經(jīng)取得成功，隨著顯示器件的進展，將很快走向商業(yè)化，像普通報紙雜志那樣靈活方便。

光計算機技術(shù)的突破。繼電腦之后，21世紀(jì)將是光腦發(fā)展的時代。人們預(yù)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(yōu)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(chǎn)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(dǎo)線，即使光線交接也不會產(chǎn)生相互影響。作為無導(dǎo)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(qū)動，耗能相當(dāng)于電腦的若干分之一。目前光腦的關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàn)，發(fā)展硅基光子學(xué)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(guān)的數(shù)量。

光纖通信技術(shù)的發(fā)展。光纖通信是光子技術(shù)最具代表性的成就。光纖的出色傳輸能力使以光網(wǎng)絡(luò)為代表的寬帶傳遞與接入技術(shù)快速發(fā)展，成為新一代傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)。人們樂觀地估計，隨著密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)、碼壓縮等技術(shù)的應(yīng)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(lián)網(wǎng)等必將到來。

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

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

審核編輯：湯梓紅