光子學的發(fā)展與戰(zhàn)略課件

第一章光子學的發(fā)展與戰(zhàn)略地位

第一章光子學的發(fā)展與戰(zhàn)略地位1光子學的內(nèi)涵

荷蘭科學家Poldervaart首次提出關于光子學的定義規(guī)范光子學是“研究以光子為信息載體的科學”,“以光子作為能量載體的科學”.美國《PHOTONICS—spectra》，提出光子學是“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”，并認為，“光子學的應用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。

光子學的內(nèi)涵荷蘭科學家Poldervaart首次提出關于光2光子學的內(nèi)涵貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學作了一個頗為廣義的定義：“電子學是關于電子的科學”，光子學則應是“關于光子的科學”。

錢學森教授提出，“光子學是與電子學平行的科學”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學—光子技術—光子工業(yè)”的關于光子學的發(fā)展模式。

光子學的內(nèi)涵貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學作了一個頗為3光子學的內(nèi)涵1994年我國關于光子學定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：

光子學是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學?；蛘邚V義地講，光子學是關于光子及其應用的科學。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)的各類效應及其規(guī)律；在應用方面，它的研究內(nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測規(guī)律等。

光子學的內(nèi)涵1994年我國關于光子學定義、內(nèi)涵及研究范圍，較4光子學重要的研究領域

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

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

光子學重要的研究領域信息光子學(INFOPHOTONICS5光子學重要的研究領域基礎光子學

量子光學、分子光學、非線性光學、超快光子學等已經(jīng)成為基礎光子學中逐漸趨于成熟的分支學科，它們對技術光子學的推動和促進作用也日趨卓然。光子學重要的研究領域基礎光子學6光子學與電子學

電子與光子是當今和未來信息社會的兩個最重要的微觀信息載子，對它們的研究分別隸屬于電子學與光子學的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個性。

“光子學是一門和電子學平行的科學，而不是在電子學之內(nèi)的科學”。

光子學與電子學電子與光子是當今和未來信息社會的兩個最重要的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個量級，即千倍以上。一個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)計特性等，光子的信息效率遠遠高出電子。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能力

電子技術中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s)量級，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級。光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級。實際上，現(xiàn)在實驗室的光子脈沖寬度水平已達到小于10個飛秒(fs,10-15s)量級。而且，近兩年有望實現(xiàn)2～3個fs，即相當一個光學周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達到每秒幾十、幾百個Gb，甚至幾個、幾十個Tb(1012bit/s)都是可能的。

2、光子具有極快的響應能力93、光子具有極強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侖作用力，這就使得它們彼此間無法交連。3、光子具有極強的互連能力與并行能力10

對于光子來說，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢。光子無電荷，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”。

對于光子來說，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢。光114、光子具有極大的存儲能力

不同于電子存儲，光子除能進行一維、二維存儲外，尚能完成三維存儲。再考慮頻率“維”等，可用于存儲的參量很多，因此，可以說，光子具有極大的存儲能力。對于光來說，這個量為其波長(λ)量級，因此，三維存儲容量為(1/λ)3量級。

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

另外一個顯著特點是并行存取，即信息寫入和讀出都是13光子學與電子學的相互補充、共融與促進關系

光子人們在認識和利用上還不成熟，這是其最大的薄弱點。而恰恰在這方面電子學顯示出優(yōu)勢。對于電子無論是在理論上，還是在實際應用上都已相當成熟。電子已經(jīng)深入社會，乃至家庭的方方面面。因此有人講，利用光子學的優(yōu)越性與電子學的成熟性相結(jié)合，即可創(chuàng)造出一系列新的奇跡。在這個意義上講，光子與電子是一對孿生的天然伙伴。

光子學與電子學的相互補充、共融與促進關系光子人14

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

在美國，對光子學及其技術的發(fā)展與應用已予以高度重視。1991年政府將光子學列為國家發(fā)展的重點，認為光子學“在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力，并且肯定，通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學領域”。為此，美國已建立諸多“光子學高技術研究中心”。

光子學發(fā)展的意義特別是最近幾年里，光子學的發(fā)展更16光子學發(fā)展的意義在歐洲，近年來也相繼建立了研究與開發(fā)光子學的聯(lián)合機構(gòu)。在德國，政府已確定“光子學是下個世紀初對保持德國在國際技術市場上的先進地位至關重要的九大關鍵技術之一”。

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

光子學發(fā)展的意義在歐洲，近年來也相繼建立了研究與開發(fā)光子學的17光子學發(fā)展的意義

光子學即將成為“改變世界技術的杠桿，用它可以轉(zhuǎn)動世界力量的均衡。在今后世界各國經(jīng)濟實力與國防力量的較量中，光子學必定占據(jù)極其重要的位置”。

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

第一章光子學的發(fā)展與戰(zhàn)略地位19光子學的內(nèi)涵

荷蘭科學家Poldervaart首次提出關于光子學的定義規(guī)范光子學是“研究以光子為信息載體的科學”,“以光子作為能量載體的科學”.美國《PHOTONICS—spectra》，提出光子學是“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”，并認為，“光子學的應用范圍從能量的發(fā)生到通信與信息處理”。

光子學的內(nèi)涵荷蘭科學家Poldervaart首次提出關于光20光子學的內(nèi)涵貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學作了一個頗為廣義的定義：“電子學是關于電子的科學”，光子學則應是“關于光子的科學”。

錢學森教授提出，“光子學是與電子學平行的科學”，它主要“研究光子的產(chǎn)生、運動和轉(zhuǎn)化”。他還首次提出了“光子學—光子技術—光子工業(yè)”的關于光子學的發(fā)展模式。

光子學的內(nèi)涵貝爾實驗室著名的Ross教授為光子學作了一個頗為21光子學的內(nèi)涵1994年我國關于光子學定義、內(nèi)涵及研究范圍，較為一致的見解是：

光子學是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學?；蛘邚V義地講，光子學是關于光子及其應用的科學。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)的各類效應及其規(guī)律；在應用方面，它的研究內(nèi)容主要包括光子的產(chǎn)生、傳輸、控制以及探測規(guī)律等。

光子學的內(nèi)涵1994年我國關于光子學定義、內(nèi)涵及研究范圍，較22光子學重要的研究領域

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

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

光子學重要的研究領域信息光子學(INFOPHOTONICS23光子學重要的研究領域基礎光子學

量子光學、分子光學、非線性光學、超快光子學等已經(jīng)成為基礎光子學中逐漸趨于成熟的分支學科，它們對技術光子學的推動和促進作用也日趨卓然。光子學重要的研究領域基礎光子學24光子學與電子學

電子與光子是當今和未來信息社會的兩個最重要的微觀信息載子，對它們的研究分別隸屬于電子學與光子學的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個性。

“光子學是一門和電子學平行的科學，而不是在電子學之內(nèi)的科學”。

光子學與電子學電子與光子是當今和未來信息社會的兩個最重要的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個量級，即千倍以上。一個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)計特性等，光子的信息效率遠遠高出電子。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能力

電子技術中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s)量級，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級。光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級。實際上，現(xiàn)在實驗室的光子脈沖寬度水平已達到小于10個飛秒(fs,10-15s)量級。而且，近兩年有望實現(xiàn)2～3個fs，即相當一個光學周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達到每秒幾十、幾百個Gb，甚至幾個、幾十個Tb(1012bit/s)都是可能的。

2、光子具有極快的響應能力273、光子具有極強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侖作用力，這就使得它們彼此間無法交連。3、光子具有極強的互連能力與并行能力28

對于光子來說，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢。光子無電荷，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”。

對于光子來說，在這些方面恰恰顯示出特有的優(yōu)勢。光294、光子具有極大的存儲能力

不同于電子存儲，光子除能進行一維、二維存儲外，尚能完成三維存儲。再考慮頻率“維”等，可用于存儲的參量很多，因此，可以說，光子具有極大的存儲能力。對于光來說，這個量為其波長(λ)量級，因此，三維存儲容量為(1/λ)3量級。

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

另外一個顯著特點是并行存取，即信息寫入和讀出都是31光子學與電子學的相互補充、共融與促進關系

光子人們在認識和利用上還不成熟，這是其最大的薄弱點。而恰恰在這方面電子學顯示出優(yōu)勢。對于電子無論是在理論上，還是在實際應用上都已相當成熟。電子已經(jīng)深入社會，乃至家庭的方方面面。因此有人講，利用光子學的優(yōu)越性與電子學的成熟性相結(jié)合，即可創(chuàng)造出一系列新的奇跡。在這個意義上講，光子與電子是一對孿生的天然伙伴。

光子學與電子學的相互補充、共融與促進關系光子人32

電學→電子學→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)→電子工程→電子