微纳光子学(micro/nano-photonics) 关注微纳尺度上光学及光子学的新现象与新技术，着重讨论在微纳尺度上的光与物质相互作用的规律，以及光的产生、传输、调制、探测等方面的应用。在过去的几十年里，纳米制备工艺的进步，促进了微纳表征技术和微纳光子学的快速发展。
微纳光子学
微纳光子学是由光子学和纳米技术融合定义的，是一个新兴的前沿领域，为基础研究带来了挑战，也为新技术带来了机遇。微纳光子学研究在微纳尺度上光与物质的相互作用及其应用。微纳光子学已经在市场上产生了影响，这是一个多学科领域，为物理、化学、应用科学、工程和生物学以及生物医学技术创造了机会。
微纳米光学科学与技术
如图所示，微纳光子学在概念上可分为三个部分。在微纳米尺度上诱导光与物质相互作用的第一种方法是将光限制在远小于光波波长的纳米尺度上，即微纳米级辐射限制。第二种方法是将物质限制在微纳米尺度上，从而将光与物质之间的相互作用限制在微纳米级上，即物质的微纳米级限制。最后一种方法是光过程的微纳米级限制，即微纳米级光过程。我们在其中诱导光化学或光诱导相变。这种方法为光子结构和功能单元的微纳米制造提供了方法。
微纳光子学这种关注微纳米尺度下的光学和光子学现象、效应和应用的新兴学科，结合了光子学与微纳制备和表征技术的前沿结果，不仅仅是整个光学与光子学学科发展的前沿方向，也是新型光电子产业的重要发展方向。近年来微纳光子学的蓬勃发展，衍生出众多发展良好的前沿领域。本节（文）我们将简要介绍几种典型微纳光子学前沿领域的发展历程、研究现状和前景展望。
微波光子学
微波光子学(microwave photonics) 是传统微波技术和光子学结合的产物。随着微波技术的发展，频谱资源日益紧缺，开发、拓展新的可用频段成为微波学科最前沿的研究课题。然而，随着微波频率的增加，微波传输介质的传输损耗显著增加，这导致使用频率的高频扩展受限。除传输之外，高频电磁波的产生和处理也受到电子器件速率瓶颈的限制。于是，人们开始考虑采用光子学的理论与技术解决微波领域利用传统电子学方法难以解决的问题。为了解决其中的基本理论和关键技术问题，形成了一个新兴交叉学科——微波光子学。
在微波光子学中，微波光子链路取代了传统微波链路，作为微波光子系统的基本构成单元，主要完成微波信号与光信号之间的相互转化以及传输的任务。在输入端，微波信号通过电光转换加载到光载波上，被调制的光载波经过光传输介质被传输到接收端，经过光电转换后得到微波输出信号。与传统的微波系统相比，微波光子系统具备带宽大、损耗低、质量轻以及抗电磁干扰等优势，因此可以解决“电子瓶颈” 的问题，并且可以实现很多传统微波系统难以实现的功能。微波光子学的基本原理研究可以追溯到微波技术产生的初期。在20 世纪70 年代，新型半导体激光器、高速光调制器和探测器以及低损耗光纤的研制成功为微波光子学的发展提供了技术基础。目前，微波光子学已经受到广泛关注，在无线通信、仪器仪表以及国防诸多领域有着重要的应用前景。
微波光子学的研究内容十分广泛，包括微波信号在光域的产生、传输、控制和处理等。
利用光学方法产生高频微波信号可以缓解传统微波器件的压力，主要包括光外差法和光电振荡器等方法。光外差法利用两个不同频率的激光信号在光探测器上拍频，从而得到差频微波信号，这一方法的关键技术是降低相位噪声，目前有光注入锁定、光锁相环等技术。光电振荡器则是由激光器、调制器、光延时线(光纤)、光电探测器、电学放大器与滤波器等构成的微波环形谐振腔，利用其低损耗高品质因子的特性，能够获得超低相噪的微波信号。除了低相噪点频信号之外，微波任意波形信号在雷达、无线通信、软件无线电诸多领域有着广阔的应用前景，基于光学技术微波任意波形的产生有助于突破“电子瓶颈”，适应未来宽带无线通信、雷达等对高频率、大带宽波形的应用需求。
在微波信号传输方面，微波光子技术将微波信号调制到光上，再通过光纤进行传输，这样的系统称为光载射频或光载无线(radio over fiber, ROF)。与传统微波传输系统相比，光载无线系统具有诸多优势，在国防、有线电视、无线通信等领域具有许多实际应用。
微波光子学在微波信号的控制方面同样具有重要应用。传统相控阵雷达是采用电子移相器阵列实现微波信号的相位控制，其相移量在不同微波频段下会发生偏差，从而导致雷达波束的斜视效应，采用光学真延时技术可以实现频率无关的相位控制，从而突破瞬时带宽的限制。
在信号处理方面，微波光子滤波器利用光学系统实现对微波频段的滤波，不但能够处理高频微波信号，还兼具可调谐、可重构等传统电子学方法难以企及的优点。在某些适合采用数字信号处理技术的场合，还可以采用光学时间拉伸技术，利用光子处理过程减慢电信号速度，从而改善电子模数转换器的性能。
目前的微波光子系统仍主要由分立器件构成，因此在系统稳定性、可靠性、功耗和成本方面仍然存在问题，难以替代现有微波系统全面实现实用化。光子集成技术有助于解决上述问题，将微波光子学推向实用。不仅如此，将光束缚在微小体积之中能够增强光与物质的相互作用，从而为微波光子学的发展提供新的思路。研究人员采用多种材料系统地进行了微波光子集成研究，而近年来的大部分工作是基于三个单片集成材料平台，即磷化铟、绝缘体上硅和氮化硅。这些单一材料平台难以提供微波光子系统所需的全部性能。通过混合集成或异质集成，将不同的材料平台结合起来以充分发挥各自的优势，将是集成微波光子未来发展的重要方向。
生物光子学
随着激光和光电子技术的进步，产生了许多基于光学的生物学研究技术和方法，对生物学的基础研究和发现有着巨大的贡献。生物光子学(biophotonics) 是利用光子研究生命的科学，涉及生物学应用的光子技术可以分为三大类：显微成像技术、非成像测量分析技术和细胞操控技术。
显微成像技术包括激光扫描共聚焦显微术(laser scanning confocal microscopy)、双光子荧光显微术和近场光学扫描显微术。激光扫描共聚焦显微术使得深度分辨的显微成像成为现实，可以用来收集三维信息；双光子技术不仅增强了荧光显微术的能力，而且有利于在细胞内部实现空间局域化的光化学；近场显微术作为一种非成像技术，能够获得远小于光的衍射极限的纳米级分辨率。
非成像测量分析技术包括流动血细胞计数术和生物工程荧光染料术，其中流动血细胞计数术已经成为标准的、临床频繁使用的分析技术。
作为信息的载体，光子在生命科学发展中表现出巨大的潜力和迅速的进展，尤其在活细胞内单分子相互作用的探测中，更是发挥了光探针无毒无害无损伤的优势。通过对动力学过程的探测，在时间分辨精度上能够达到皮秒量级；通过对荧光光谱的探测，可以得到分子结构的变化信息，并揭示化学反应的动力学过程；通过探测光子穿透生物组织时的散射光，可以得到生物组织的结构信息。随着捕获光子数目的增加，探测分辨率将得到进一步的提升，例如荧光相关光谱(fluorescence correlation spectroscopy, FCS) 探测就利用高灵敏度微光取像的特点提高了微弱光信息处理数据的可靠性。FCS 是一种对于分子荧光物理参数瞬时细微涨落的探测及其与时间相关处理的技术。自相关分析提供了时间序列信号的自相似性，即描述了它所携带信号持续的时间。FCS 技术记录的荧光分子的涨落是由荧光分子扩散进入和逃出一个小的激发体积形成的，其中激发体积的大小由聚焦激发光的质量所决定。假设激发光是稳定的，则荧光强度的涨落被定义为信号时间平均值的偏离。探测这些偏离可以获得的化学和物理参数是局部浓度、迁移率系数、结合和分离比例常数，以及酶动力学参数。任何一种最初测量参数的改变，例如荧光亮度和迁移率的变化都可以作为一种反应被测量和显示。由于这种方法具有小于0.5 μm 的分辨率，可在活细胞区域内进行选择性测量，对于探测受体–配体在细胞膜上的相互作用，尤其是对于局部分子动力学的观测提供了环境参数、pH 或黏度参数的探测途径，这种多用途的技术对于定量评估生物系统中小分子相互作用和动力学的研究具有巨大的吸引力。此外，与单光子FCS 相比较，双光子激发在获得同样的信号水平时却减小了照明区的光子漂白，因此可以较长时间捕获数据。
为了获得突破衍射极限的图像分辨率，可以采用负折射率透镜、结构光照明、荧光的非线性相互作用、多种超短脉冲激光交替激发和时间分辨取样等方法。此外，利用荧光蛋白分子之间相互作用所引起的光谱特征的变化，例如荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET) 可以实现超分辨的距离估算。自从绿色荧光蛋白及其变体出现之后，FRET 逐渐成为探测研究活细胞中蛋白分子之间相互作用的有力武器。利用光学强度成像测量、光谱测量和寿命测量，在显微术方面，从远场到近场光学显微术，从全场成像到点扫描成像都可以获得FRET 的成像信息。例如，Ha 等利用光漂白方法获得了溶液中FRET 的效率。为了解决复杂生物系统中的分子相互作用问题，人们添加了第三个荧光图案，利用三色FRET 实现了三维的测量和视见，并研究了DNA 的动力学问题。例如，Lee 等利用多束超短脉冲交替激发给出了比率计量中校正因子的测量方法。受益于纳秒激光器ALEX(亚历克斯) 激发模式的设计和应用，两个同步激发的振荡器以14.7 ns 的间隔给出两束交替激发光束来激发FRET。利用ALEX可以给出供体和受体的化学计量，也可以测量其距离，并把FRET 可用范围扩展为0∼100％，同时可以探测大分子的亮度、寡聚程度以及指示大分子配合基的相互作用度。FRET 和FCS 是一种具有统计意义即可信度很高的高灵敏度的非侵入式技术，适用于离体和活体系统探测。对于集群分子行为的探测，由于进行了空间和时间的平均而掩盖了独立分子的个性以及环境异质性的影响，所以活细胞中单分子的探测是今后研究的主要方向。
二维材料纳米光子学
自2004 年石墨烯发现以来，二维材料以其独特的性质得到广泛的关注。所谓的二维材料是指由一层或几层原子组成的晶体材料家族，其总厚度从一个原子层到几十纳米不等。如今已发现的层状二维纳米材料主要有以下几类：①以石墨烯为代表的六元环蜂窝类的二维纳米单原子层晶体；②以过渡金属硫化物(MoS₂、WS₂) 和金属卤化物(PbI、MoCl) 为代表的三原子层；③金属氧化物(MnO₂、MoO₃) 以及双金属氢氧化物(Mg6Al₂(OH)16)。同时还有一些其他二维层状材料也被报道，例如黑磷、过渡金属碳/氮化合物(MXenes) 以及硼烯(borophene) 等。在二维材料的热、电、光、光电特性的研究中发现，二维材料的光学特性尤其引人注目。而二维材料独特的光学性质也使纳米光子学的许多重要器件的应用成为可能。
石墨烯是第一种被广泛研究的具有真正二维性质的材料。由于其在二维量子约束极限下的独特能带结构，这种蜂窝单层碳原子激发了纳米光子学和纳米电子学的许多有趣应用。石墨烯在纳米光子学应用中最吸引人的特征来自于其在狄拉克点附近具有线性色散的零带隙特性。由于其独特的能带结构，石墨烯通过各种类型的光与物质相互作用，在非常宽的光谱范围内对光信号具有高度敏感的响应。在太赫兹和中红外范围，石墨烯支持局域和传播等离子体。由于石墨烯具有可控制的费米能量，所以这种等离子体响应可以通过外部栅极的静电偏置来调谐，而这一特性在传统的金属基等离子体器件中是无法实现的。另外，石墨烯还可以用于构建近红外、可见光和紫外线光谱范围的光电探测器和调制器等。
最近，研究领域见证了另一种二维材料家族的崛起——过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDC)，如MoS₂ 和WS₂。TMDC 层间相互作用为弱范德瓦耳斯力，而面内键为强共价键。因此，块状TMDC 可以被剥离成类似石墨烯的几层膜，显著扩展二维材料的范围。一些二维TMDC，如钼和钨基硫簇“硫系” 化合物，在多层结构中具有间接带隙，而在单层结构中则成为直接带隙半导体。它们具有相当大且可调谐的带隙(1∼2 eV)，不仅能产生强的光致发光，而且为各种光电应用打开了大门，如光电探测器、能量收集和电致发光，其操作光谱范围与基于石墨烯的器件不同。这种丰富的单分子层半导体家族可以覆盖1.5∼2.5 eV 及以上的能量范围，由于其在单分子层形式的直接带隙，从而为构建具有光产生功能的器件提供了新的机会，如发光二极管(light emitting diode, LED)。而发光二极管广泛用于显示、照明和传感。由于像WSe₂这样的单层TMDC 是直接带隙半导体，电子和空穴可以很容易地在辐射过程中相互重组以产生光子。在单层MoS₂ 中获得位于接触区域并发生在重p 掺杂硅衬底上的电致发光场效应晶体管。最近，WS₂ 单层横向二极管已通过施加多个独立栅极电压得到证实。通过调谐静电掺杂，可以定义p-n 和n-p 二极管，从而产生有效的明亮电致发光。
少层黑磷是一种具有折叠正交晶格的新型二维材料。其各向异性的面内晶格结构降低了其空间对称性，导致其具有高度各向异性的电子和光电子特性。体材料的黑磷具有0.3 eV 的中等带隙，且带隙随层数的减少单调增大，最终达到2 eV。因此，对于光电子应用，黑磷可以覆盖从可见光到中红外的广泛光谱。黑磷的直接带隙适中且可调，将零带隙的石墨烯与较宽带隙的TMDC 连接起来，使黑磷成为未来电子与光电子领域有前景的材料。
原子薄的材料，如石墨烯、过渡金属硫化物和新兴的黑磷，正被开发为广泛的光电器件的基石。这些材料提供了多种选择，包括金属、半金属和半导体，具有小或大的光学间隙，允许不同的和新的应用空间，甚至超出了传统体材料提供的可能。为了充分开发它们的潜力，显然需要对它们的内、外光学行为，如激子学、光学非线性、光响应机制等有更基本的认识。此外，有关二维材料的低光吸收和短的光相互作用长度的问题需要解决。这将开辟新的研究领域，研究这些材料与传统光子元件(包括腔、波导或等离子体纳米结构) 之间的共生关系。中红外和太赫兹石墨烯等离子体激元的潜力也正在实现，显示出非常吸引人的特性，包括极高的场约束、可调谐性和长寿命，可以作为一个平台，在量子光学领域有效地相互作用。剩下的一个挑战是将可调谐石墨烯光学响应的操作窗口从红外扩展到电磁光谱的其他区域，在那里它可以找到从光学调制、光谱光探测到传感的更大范围的应用。
为此，发展可控、稳定的石墨烯甚至其他二维材料的化学掺杂是非常可取的。除了材料本身的光学特性外，杂化异质结构的可用性也将带来有趣的光学特性，以及包括高效太阳能电池、超快光学调制器或探测器在内的扩展器件功能。在不久的将来，可能会出现二维发光器件或激光器。
拓扑光子学
拓扑光子学(topological photonics) 的概念起源于凝聚态中的拓扑相和拓扑相变，通过在光学体系中引入拓扑参数来表征结构的相位信息。整数量子霍尔效应的发现极大地推动了物质的拓扑相的发展。在外部垂直强磁场的作用下，Kiltzing等首次观测到了量子化的霍尔效应，在实验上发现二维电子气系统中的电子的霍尔电导是量子化的。随后Thouless 等在此基础上，对无相互作用电子气的霍尔电导进行了严格的计算，利用布里渊区的陈数(Chern number) 描述了这种量子化的霍尔电导，从而将两者关联了起来。2008 年，Haldane 和Raghu开创性地将拓扑相的研究和光子体系结合起来，通过打破系统的时间反演对称性，将能带的狄拉克点打开，得到了非平庸的拓扑陈数。2009 年，Wang 等基于磁光晶体实现了拓扑非平庸的能带，在实验上观测到了免疫背向散射和拓扑缺陷的光学拓扑边界态，从而证实了此预测。至此以后，拓扑光子学正在兴起，它突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想，提供了一种新颖的光场调控机制以及丰富的输运和光操控性质。例如，背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等。
近十年来，拓扑光子学的研究发展迅速，涌现出一系列新颖的物理现象，如光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光拓扑角态和光弗洛凯(Floquet) 拓扑绝缘体等。由于受拓扑保护，光学拓扑绝缘体具有以下一些独特的性质。
(1) 光子的单向传输特性。在传统的光学结构中，光在边界处的传播通常是双向的，遇到散射体时，不可避免地存在背向散射，从而导致大量的能量消耗。而在光学拓扑绝缘体中，光是单向传输的，免疫背向散射，因此可以提升携带数据的效率。
(2) 实现光束的转弯。根据体边对应关系，光学拓扑边界态存在于不同拓扑陈数的两种材料的边界中，因此光子只能沿着两个材料的接缝处，即畴壁传播。由此，我们可以根据需要设计不同的畴壁形状，比如Z 字形，即使在这种大角度的弯折下，光子也可以自如地传播，实现光束的急转弯。
(3) 免疫拓扑缺陷。在传统的光波导中，如果制造工艺不完美或者存在杂质，光子在传播过程中就会被散射或者吸收，从而造成能量的损耗。因此在制造光学器件时，为了减少缺陷带来的影响，我们需要基于高精度的工艺水平，也就提高了成本。而光学拓扑绝缘体在体材料内是绝缘的，即使存在大量的杂质也不会影响拓扑边界态的稳定传播。瑕疵或者缺陷并不会导致系统的拓扑陈数发生改变，因此对于受拓扑保护的边界态来说，拓扑性质并没有变化，边界态的传输也就不会受影响。这种免疫拓扑缺陷的独特性质，使得光学拓扑绝缘体具有很强的鲁棒性，可以很好地抵抗干扰的影响。
作为一种新型的物质态，光学拓扑绝缘体被寄予厚望，拓扑光子学也因此成为深入研究拓扑效应的重要平台。拓扑光子学在光通信、光场维度调控、光子集成芯片以及光量子计算等研究领域具有广阔的科学研究意义和应用潜力。例如，在光通信领域可以用来构造超稳定的光学传输系统，也可以利用拓扑边界态的鲁棒性设计高效的激光光源。近年来，拓扑光子学新兴的研究领域主要有以下三种：①在光学体系中引入增益和损耗之后系统的拓扑性质研究，即非厄米拓扑光子学；②在光学体系中引入非线性效应实现新颖的物理现象，即非线性拓扑光子学；③基于高阶拓扑相的高阶拓扑光子学。总的来说，目前拓扑光子学领域的丰富拓扑特性层出不穷，吸引了越来越多的研究人员的关注。
为培养光学工程、物理电子学及相关专业研究生，我们在长期从事科学研究、研究生培养以及为研究生开设“微纳光子学” 课程的基础上，编著了这本《微纳光子学: 从基础到应用》教科书。本书主要介绍微纳光子学自20 世纪末以来新发展的理论、技术和应用，如等离激元光学、光场的偏振态调控和微纳光子器件。同时还涉及多种微纳表征技术，如高数值孔径物镜成像、近场光学显微和远场光学表征技术。
本文摘编自《微纳光子学: 从基础到应用》（顾兵, 芮光浩, 张若虎编著. 北京：科学出版社, 2023.7）一书“第1 章绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-075979-5
责任编辑: 陈艳峰 郭学雯
微纳光子学是关注微纳尺度上光学及光子学的新现象、新效应和新应用的一门分支学科，主要涉及在微纳尺度上光与物质相互作用的规律及光的产生、传输、调制和探测等方面的应用。本书围绕微纳光子学的基础和前沿应用展开，介绍多种微纳表征技术，如高数值孔径物镜成像、近场光学显微和远场光学表征技术，讲述微纳光子学前沿领域理论、技术和应用，如等离激元光学、光场的偏振态调控和微纳光子器件。
本书内容全面、选题广泛，既可作为光电信息工程、光学工程、物理电子学和材料物理等专业本科生和研究生的教材和教学参考书，也可供广大科技人员阅读参考。
（本文编辑：刘四旦）
一起阅读科学!
科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm
专业品质 学术价值
原创好读 科学品位
科学出版社 视频号
硬核有料 视听科学
传播科学，欢迎您点亮★星标，点赞、在看▼