21世纪的光电子科学技术及展望

光子学也可称光电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是 如何产生及其运动和转化的规律。所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航 天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。

目前，光电子技术研究热点是在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。目 前，国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。一些国家把大量资金投入光子学和光子技术的研究和开发，许多以光子学命名的研究中心、实验室和公司如雨后春 笋般地建立起来。可以毫不夸张地说，一个国家对光子学的投资以及在这一领域从事研究工作的人数直接反映着这个国家科学技术发展的水平。国际知名的科学家已 经预言：光子时代已经到来，光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更大的冲击。同时认为，到2010年，国际上光子信 息处理器件产值将达到和电子信息器件产值相等的程度，到21世纪中期，光子产业将会超过电子产业的规模和影响。所以说，光电子产业是21世纪的支柱产业。

光电子技术和产业在国家经济建设和科学持续发展中的作用

光电子产业是21世纪市场潜力巨大、产值迅猛增长的高新技术支柱产业。在1998年，全世界光电子产业总产值实现1400亿美元； 2000年，已达到1800亿美元；估计到2010年，产值将达到4500亿美元。难怪实业界人士惊呼，20世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世 纪。

什么说光电子技术是21世纪最尖端的科学技术，它会对科学技术的发展起到怎样巨大的推动作用？本文用一系列的数据来说明光电子技术可以创造出很多科学技术的新记录，可以看到在科学技术几个重要的领域，都用光电子的方法达到了最好的成果和最重要的记录。

比如说，最大的能量密度。我们通过激光输出的脉冲能量，目前已达到13PW（1 PW＝1×1015W），差不多是一个天文数字，再把激光用光学系统聚集，在焦点位置上的强度可达到105 PW，温度非常高，可把最难熔的金属熔化，把所有硬壳物质气化，甚至破坏。同样，用光子技术也可取得最高的压强，得到最短的光脉冲。美国预测其明年就可实 现激光点火，但是根据我们掌握的情况，明年可能还达不到，还要经过一番努力。另外，用光电方法还可以做到最精密的刻画。例如，刻一条线做集成电路，要把这 条线刻得越窄越好，越窄，体积就越小，越紧凑，越小型化。现在，用激光的方法可使线条达到0.18微米，最近用准分子激光可达到0.1微米，估计最终可达 到50纳米。现在，应用光电子技术可得到最大的信息容量。从发展的角度看，如能制成光子计算机，它的速度要超过电子计算机。我们知道，通信的保密安全是一 个非常重要的问题。现在看来，用光电子方法做成光子通信系统是最安全的。目前，从信息安全的角度看，有两种办法：一种是物理学的方法，另一种是用数学的方 法进行保密的措施。但由于计算机的计算速度非常快，密码总可以被解密，用数学的方法无法做到万无一失。而用物理的方法，尤其是用单光子来传播信息就可以做 到万无一失。因为单光子传输，你没有办法设定，若你一设定，通话双方就马上知道有人在窃

听，就可以马上改变密码，因此它是万无一失的。现在，在国际上已经 能做到几十公里内的安全通信，我们国内也在做这方面的研究。另外，用光子学的方法还可以得到最低的温度，可以把原子冷却到接近绝对零度。以上这些，都是用 光电技术可以达到的最高记录。

在科学研究方面，利用光子学技术也创造了很多新的成果。有两位美籍华人科学家，一位是朱棣文，一位是李远哲，在研究过程中基本上都利用了光子学的技术，一个利用激光冷却并捕捉原子，一个用分子束的激光探测研究化学反应动力学，分别得到诺贝尔物理奖和诺贝尔化学奖。

我们还可以看到，光电子产业对传统产业的技术改造、新兴产业的发展、产业结构的调整优化都起着巨大的促进作用。比如，激光加工对传统 机械加工是一个很重要的改造，是一项全新的技术。汽车、轮船制造使用激光技术后，质量、产量都大大提高。另外，光电子技术还具有精密、准确、快速、高效等 特点，有助于全面地提高工业产品的高、精、坚加工水平，大幅度提高产品的附加值和竞争能力。同时，光电子技术派生出了许多新兴科学技术和新兴的高技术产 业，极大地推动了高新技术的发展和产业结构的调整优化。

在国防上，光电子技术也起着很重要的作用，可以说是国防军事现代化的重要支柱。在战争中应用大量光电子技术，如用于武器控制的光 电精确制导？红外制导、电视制导、灵巧炸弹等？，在战争中起着很奇特的作用。在作战时，光电子技术可以提供既快又准的信息，它将使己方看得更清楚、反应更 快、打得更准，生存能力更强。在近十来年几次大的战争中，光电子科学技术都起着重要作用。

光电子科技的历程和光电产业的形成

我们知道，光是生命的源泉，它为人类提供青山绿水的生活环境和丰富的衣食住行的资源，光使我们目睹五彩缤纷的世界，电和光“带领”人 类进入高度发达的信息时代。但对人类来说，对电和光的了解经历了一个逐步推进的过程。电荷、电子大家都很熟悉，比如电话、电灯、电视、电子管等，然而对 光、光子就比较陌生，过去对光甚至有一种崇拜的意味。和光打交道最多的是想到黑暗中要有灯光，或者近视要配眼镜，看远方的物体要用望远镜，看小的东西要用 显微镜等等，直到20世纪60年代以后，光和光子才开始慢慢地走进人类生活的舞台。最近20年，它已经逐步走进市场。如现在大量使用的光笔、光盘、激光打 印机、扫描仪、传真机、激光测距、激光医疗、激光加工、激光武器等等。

在此，笔者谈谈光学和电学的关系。过去，电学和光学在表面看来是互不相关的两个学科，实际上他们在发展过程中是相互促进的。它们 打交道的第一个回合，是１９世纪６０年代麦克斯韦提出的光的电磁波动理论。他提出：无线电波和光波都是电磁波谱大家族中的一员。光和电打交道的第二个回 合，是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，明确了光和电的密切关系。光与电打交道的第三个回合，是1960年激光的发现。激光是光学史上一项重 大革命，也是20世纪最主要的重大发现之一。激光器是电子学中微波量子放大器在波长上的延伸――从微波延伸到光波。激光器的发明不仅提供了光频波段的相干 电

磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术，原则上均可延伸到光频波段。由于激光的发明，使电子学中原来光学做不到的一 系列技术在光波段都可以实现，把光的应用范围大大地扩展了。光学工作者把现阶段的光学称为光子学有一个重要含义，它标志着在发展和应用前景上，光学与电子 学占有同样重要的地位，光子学与电子学的关系就是一个相互依存、共同发展的关系。

21世纪是光子学的世纪

在信息科技领域，20世纪的电子学确实做出了巨大的贡献，但由于其信息属性的局限性，使其无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到 很大限制，而光子的信息属性却表现出巨大的发展潜力和明显的优越性。从电子器件和光子器件的性能比较中，可以看出光子器件的发展是必然的。在信息处理速度 上，电子器件的响应时间最快也只能达到10－11s，而光子器件可达到10－12－10－15s，差了3―4个数量极，快1000―10000倍。同时， 光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可大幅度提高信息的处理速度。另外，在存储能力、传播速度、抗干扰能力等很多方面，光子器 件弥补了电子器件的很多不足，为信息技术的发展提供了新的可能性。为此，进入21世纪，光子学与电子学将会成为更密切的整合体，互为补充，相互促进，把信 息社会推向新的发展阶段