第一章-光子学的发展与战略课件

第一章第一章 光子学的发展与战略地位光子学的发展与战略地位 第一章 光子学的发展与战略地位 1光子学的内涵光子学的内涵 n荷兰科学家荷兰科学家PoldervaartPoldervaart首次提出关于光子学的首次提出关于光子学的定义规范定义规范 光子学是光子学是“研究以光子为信息载体的科学研究以光子为信息载体的科学”,“”,“以光子作为能量载体的科学以光子作为能量载体的科学”.”.n美国美国PHOTONICSspectraPHOTONICSspectra，提出光子学是，提出光子学是“研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其他辐射形式的科学辐射形式的科学”，并认为，并认为，“光子学的应用范光子学的应用范围从能量的发生到通信与信息处理围从能量的发生到通信与信息处理”。光子学的内涵 荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光2光子学的内涵光子学的内涵n贝尔实验室著名的贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了教授为光子学作了一个颇为广义的定义一个颇为广义的定义：“电子学是关于电子的科学电子学是关于电子的科学”，光子学则应，光子学则应是是“关于光子的科学关于光子的科学”。n钱学森教授提出，钱学森教授提出，“光子学是与电子学平光子学是与电子学平行的科学行的科学”，它主要，它主要“研究光子的产生、研究光子的产生、运动和转化运动和转化”。他还首次提出了。他还首次提出了“光子学光子学光子技术光子技术光子工业光子工业”的关于光子学的的关于光子学的发展模式。发展模式。光子学的内涵贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一个颇为3光子学的内涵光子学的内涵n1994年我国关于光子学定义、内涵及研究范围，年我国关于光子学定义、内涵及研究范围，较为一致的见解是：较为一致的见解是：光子学是研究作为信息和能量载体的光子行光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光子及其应用的科学。于光子及其应用的科学。在理论上在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物，它主要研究光子的量子特性及其在与物质质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的的相互作用中出现的各类效应及其规律；相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测规律等。传输、控制以及探测规律等。光子学的内涵1994年我国关于光子学定义、内涵及研究范围，较4光子学重要的研究领域 n信息光子学信息光子学(INFOPHOTONICS)光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的学科。科。n生物医学光子学生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。光子对生物系统进行的加工与改造。光子学重要的研究领域 信息光子学(INFOPHOTONICS5光子学重要的研究领域n基础光子学基础光子学 量子光学、分子光学、非线性光学、量子光学、分子光学、非线性光学、超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学的推动和促进作用也日趋卓然的推动和促进作用也日趋卓然。光子学重要的研究领域基础光子学 6光子学与电子学光子学与电子学 n电子与光子是当今和未来信息社会的两个电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。们还有各自的个性。n“光子学是一门和电子学平行的科学，而光子学是一门和电子学平行的科学，而不是在电子学之内的科学不是在电子学之内的科学”。光子学与电子学 电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的7光子具有的优异特性光子具有的优异特性 n1 1、光子具有极高的信息容量和效率、光子具有极高的信息容量和效率 光子可承载信息的容量起码比电子高出光子可承载信息的容量起码比电子高出3 34 4个量级，即千倍以上。一个载子可承载个量级，即千倍以上。一个载子可承载的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子率远远高出电子。光子具有的优异特性 1、光子具有极高的信息容量和效率8n2 2、光子具有极快的响应能力光子具有极快的响应能力 电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息量级，因此在电子通信中信息速率被限定在速率被限定在Gb/s(109bit/s)量级量级。光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。实际上，现在实验室的光子脉量级。实际上，现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到小于冲宽度水平已达到小于1010个飞秒个飞秒(fs,10-15s)量级。而且，近两年有望实现量级。而且，近两年有望实现2 23 3个个fsfs，即相，即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 GbGb，甚至几个、几十个，甚至几个、几十个Tb(Tb(1012bit/s)都是可都是可能的。能的。2、光子具有极快的响应能力 9n3 3、光子具有极强的互连能力与并行能力光子具有极强的互连能力与并行能力 电子有子有电荷，因此荷，因此电子与子与电子之子之间存在存在库仑作用力，作用力，这就使得它就使得它们彼此彼此间无无法交法交连。3、光子具有极强的互连能力与并行能力10 对于光子来说，在这些方面恰恰对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等，这些似乎都是光子的空间相容性等，这些似乎都是光子的的“天赐秉性天赐秉性”。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光11n4 4、光子具有极大的存储能力光子具有极大的存储能力 不同于电子存储，光子除能进行一维、不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率频率“维维”等，可用于存储的参量很多，等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。因此，可以说，光子具有极大的存储能力。对于光来于光来说，这个量个量为其波其波长()()量量级，因此，三因此，三维存存储容量容量为(1/)(1/)3 3量量级。4、光子具有极大的存储能力 12 另外一个显著特点是并行存取，即另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是信息写入和读出都是“逐页逐页”进行的，并进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是些优点，都是“电子电子”无法与之相媲美的。无法与之相媲美的。另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是13光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系 光子人们在认识和利用上还不成熟，光子人们在认识和利用上还不成熟，这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电子学显示出优势。对于电子无论是在理论子学显示出优势。对于电子无论是在理论上，还是在实际应用上都已相当成熟。上，还是在实际应用上都已相当成熟。电电子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。因此有人讲，利用光子学的优越性与电子因此有人讲，利用光子学的优越性与电子学的成熟性相结合，即可创造出一系列新学的成熟性相结合，即可创造出一系列新的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是一对孪生的天然伙伴。一对孪生的天然伙伴。光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系 光子人14 电学电学 电子学电子学 电子回路电子回路 电子集成电子集成 电子系统电子系统 电子工程电子工程电子产业电子产业光学光学 光子学光子学 光子回路光子回路 光子集成光子集成 光子系统光子系统 光子工程光子工程 光子产业光子产业 电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统15光子学发展的意义光子学发展的意义 特别是最近几年里，光子学的发展更特别是最近几年里，光子学的发展更为引人注目。为引人注目。在美国在美国，对，对光子学及其技术的发展与应用光子学及其技术的发展与应用已予以高度重视。已予以高度重视。1991年政府将光子学年政府将光子学列为国家发展的重点，认为光子学列为国家发展的重点，认为光子学“在国在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，并且肯定，通信和计算机研究与发展力，并且肯定，通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域的未来世界属于光子学领域”。为此，美。为此，美国已建立诸多国已建立诸多“光子学高技术研究中心光子学高技术研究中心”。光子学发展的意义 特别是最近几年里，光子学的发展更16光子学发展的意义光子学发展的意义n在欧洲在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发，近年来也相继建立了研究与开发光子学的光子学的 联合机构。在德国，政府已确定联合机构。在德国，政府已确定“光子学是下个世纪初对保持德国在国际光子学是下个世纪初对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的九大关技术市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一键技术之一”。n在日本在日本，对发展光子学及其产业尤为重视，对发展光子学及其产业尤为重视，特别是近些年来，日本已在光子学材料和特别是近些年来，日本已在光子学材料和器件的研究与开发上显示出优势，并且对器件的研究与开发上显示出优势，并且对美国和欧洲构成威胁。美国和欧洲构成威胁。光子学发展的意义在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发光子学的17光子学发展的意义光子学发展的意义 光子学即将成为光子学即将成为“改变世界技术改变世界技术的杠杆，用它可以转动世界力量的均的杠杆，用它可以转动世界力量的均衡。在今后世界各国经济实力与国防衡。在今后世界各国经济实力与国防力量的较量中，光子学必定占据极其力量的较量中，光子学必定占据极其重要的位置重要的位置”。光子学发展的意义 光子学即将成为“改变世界技术的杠18