光子學（photonics）是研究作為信息和能量載體的光子的行為及其應(yīng)用的學科。光子學及其發(fā)展的相關(guān)技術(shù)即光子技術(shù)具有豐富的內(nèi)涵和廣闊的應(yīng)用前景。20世紀70年代，隨著高速攝影技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器、光通信器件、光電探測器和新材料的研制、應(yīng)用和提高，光子學應(yīng)運而生。1970年8月，在美國戴維營舉行的第9屆國際高速攝影會議上荷蘭科學家L.波德瓦特首次提出光子學的定義規(guī)范，認為光子學是研究以光子為信息載體的科學。隨后，他又說明以光子作為能量載體的亦應(yīng)屬于光子學的研究內(nèi)容。
內(nèi)容
光子學包括光的產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸、調(diào)變、信號處理、切換、放大及傳感，光不單純是粒子，也不只是波動，光兼具二者的特性。光子學包括從紫外線、可見光到遠紅外線之間所有頻譜的應(yīng)用。大部分的應(yīng)用是在可見光及近紅外線。
特點
光子不同于電子，它屬于玻色子，不荷電，不存在電磁串擾，沒有靜止質(zhì)量，能在自由空間傳播，速度等于光速。光子比電子具有更大的信息容量和速率。作為信息載體，光比電的信息容量要高出3—4個量級（一般可見光的頻率為5×10赫，而處于微波段的電磁波頻率僅為10赫量級），光子具有極快的響應(yīng)能力。電子脈沖寬度一般在納秒量級，其傳輸速率限定在吉比特/秒量級；而光脈沖寬度可到皮秒、飛秒甚至阿秒的量級。所以，用光子作為信息載體，傳輸速率可達幾個吉比特每秒，甚至幾十個太比特每秒都是可能的。光子具有超強的并行性和互連能力。電子帶電荷，相互之間存在庫侖作用力，使得電子彼此間無法交連。而光子無電荷，具有良好的空間相容性和并行性。此外，光在時間和空間上的特性，可形成反演相位共軛波，在波前畸變校正和自適應(yīng)控制等信息處理領(lǐng)域有獨特的應(yīng)用；光的干涉、衍射、偏振和雙折射、光折變效應(yīng)等，也產(chǎn)生一系列新的應(yīng)用。
分支學科
光子學是從光學開拓出來的，在其形成過程中構(gòu)成了相應(yīng)的分支學科，并在科技領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用和深遠影響。光子學的分支學科大體上可以歸納如下。
基礎(chǔ)光子學
①量子光學。研究的領(lǐng)域有光場的量子噪聲、光場與物質(zhì)相互作用中的動量傳遞、腔量子電動力學等。如光壓縮態(tài)、原子冷卻與俘獲研究。
②光子信息科學。研究的領(lǐng)域有量子計算機、量子密碼術(shù)、量子通信、量子檢測、量子態(tài)的制備和操作等。
③分子光子學。包括限域腔（量子阱、量子點等）中量子電動力學效應(yīng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，分子光學中的光物理過程研究，有機、無機化合物界面輸運光量子的增強效應(yīng)，以及近場光學在分子光學中的應(yīng)用研究等。
④超快光子學。主要包括飛秒光脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用，超快光子學中的超快過程與超快技術(shù)，超快、超強激光物理等。
⑤非線性光子學。主要研究光子與物質(zhì)非線性相互作用、非線性變頻效應(yīng)、相位匹配和諧波的產(chǎn)生、光折變效應(yīng)、光子晶體、光子帶隙光纖、激發(fā)態(tài)光學非線性研究等，它是研究和開發(fā)多種非線性光子器件的理論基礎(chǔ)。
光子器件
包括特殊處理和加工，材料元件、模塊的研制，涉及光的產(chǎn)生、傳輸、探測、轉(zhuǎn)換、存儲和顯示等，并由這些功能形成諸多相關(guān)的器件。它是光子學和光子技術(shù)相結(jié)合的具體體現(xiàn)。與電子器件類比，光子器件也可分為有源（如各種激光源、探測器等）和無源（如光通信中的波分復(fù)用器、光纖器件、光互連器等）器件，包括光子學在納米技術(shù)和納米制造中的應(yīng)用。
信息光子學
光子學與信息科學相結(jié)合而形成的交叉性學科。由于光波導(dǎo)器件、光纖激光器、光纖放大器和低損耗光纖的開發(fā)，使得光通信獲得快速發(fā)展，不僅開創(chuàng)了巨大的光子工業(yè)，而且給人類帶來了方便快捷的信息交流，推動了社會的文明、進步和繁榮。另一方面，由于光的相干性、并行性，使得光傳輸可進行不同的相關(guān)變換和并行運算（如二維傅里葉變換等）。再加上電尋址和光尋址的空間光調(diào)制器和高速陣列探測器的出現(xiàn)，使得自動模式識別、圖像信息處理、光顯示、光計算等成為光子學最活躍的應(yīng)用研究領(lǐng)域之一。
生物醫(yī)學光子學
生命科學與光子學交叉形成的新分支。包括生物組織的光學成像和光子遷移、生物光子學、生物系統(tǒng)的光子發(fā)射、熒光增強和探測、生物光譜和診斷、激光醫(yī)學中的診斷和光動力診療、冠狀動脈腔內(nèi)支架的激光精密加工、光學相干層析術(shù)、光在生物組織中的傳輸機理以及在生物醫(yī)學工程中的應(yīng)用等。
集成與微結(jié)構(gòu)光子學
半導(dǎo)體電子學的強大生命力在于它的大規(guī)模集成化，從而使半導(dǎo)體器件尺寸大大縮小、功耗降低、功能和運行速度大幅度提高，性能價格比不斷優(yōu)化。同樣隨著半導(dǎo)體光子學及光子技術(shù)的快速發(fā)展，也可把不同功能的諸多光子器件通過光波導(dǎo)、光互連、光開關(guān)集成于一個光學芯片上，形成光子集成回路或光電子集成系統(tǒng)。微結(jié)構(gòu)集成光子學，包括正在開展的二維波導(dǎo)股份和自由空間三維集成光學系統(tǒng)、微結(jié)構(gòu)光纖以及微光機電系統(tǒng)等，它們的研究無疑使光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獲得革命性的飛躍。
書籍
《光子學》是光電子學領(lǐng)域權(quán)威著作，是《現(xiàn)代通信光電子學》的最新版本（第六版）。本書反映光電子學領(lǐng)域的最新進展。主要介紹激光物理學領(lǐng)域各種現(xiàn)象和所有器件的最基本原理，尤其突出各種激光器在光纖通信中的應(yīng)用。
參考資料 >