光子学是光的科学，它是产生、传输、操纵和探测可见光和不可见光的技术，其产品包括激光、照相机、发光二极管、光纤、显示器、太阳能电池等等。几乎所有的日常生活服务和商品都与光子学技术息息相关，尤其是最近比较热门的激光雷达、量子计算机和5G通信，更加确保了光子学技术成为当前一个至关重要的领域，并在众多技术应用中都存在着巨大的发展潜力。
随着社会变得越来越互联、越来越数字化，人们的安全意识和环保意识越来越强，对光子学的创新需求也在不断增长。光子学技术相关领域的工程师及其相关研究人员都在不断寻求新的突破，以确保自身在光子学领域的主导地位。
基于此，英国的光子学研究人员近期公布了《2023年光子学发展报告》。该报告展望了未来十年甚至更长的时间里光子学将面临的挑战，并试图对光子学产业进行分类，确定未来技术的主要方向。
该报告实际上是英国研究人员为了保障英国在光子学领域的领先地位而做的研究，但我们认为对我国光学人也有一定参考和借鉴作用，故将主旨部分整理成文，以飨读者。
《2023年光子学发展报告》是由26位英国顶尖光子学学者共同研讨得出，代表了20个顶级的英国光子学研究机构，其研发总收入超过6.5亿英镑（折合人民币56.92亿元）。该报告将确定英国未来十年光子学研究的重点方向，并鼓励当地政府、资助机构和企业参与制定和支持未来的创新战略，动员研究人员将报告中的概念变为现实。
光子学技术目前已经成为全球先进产品和制造工艺的一部分，其本身技术及其应用所带来的经济占比已经达到了全球经济的11%（SPIE 2020）。为了进一步了解未来光子学技术的发展背景，研究人员将2017年英国工业战略中确定的四大挑战进行了更新，定义了光子学“九大挑战”：数据、健康和老龄化、物理性污染、流动性和运输、气候变化、国防和安全、经济爱国主义、规模和食品生产。
图1 光子学“九大挑战”
这些挑战被认为是未来光子学研究的关键驱动因素和重要影响因素，如何将光子学、电子学和许多其他技术结合起来并解决这些重大挑战，往往是在光子学技术竞争中占据主动地位的关键。
基于前面所提到的“九大挑战”，此次研讨会还为光子学技术未来的研究指明了方向，并将研究方向进行整理归类于四大类课题：材料、光学和物理现象、未来制造工艺、设备及系统。
材料
开发先进材料一直是光子技术创新的核心，例如硅技术促进了太阳能电池的发展，磷化铟材料实现了远距离通信，氮化镓使高效白光LED成为可能。而在未来10年及以后的光子学技术发展中，材料创新仍然是光子学的主要驱动力。
图2 材料课题中相关研究方向（颜色表示研究方向影响力，由强到弱为：红-绿-蓝-橙，下同）
在未来，材料课题中相关的主要研究方向包括：
1）传统半导体、晶体和玻璃材料的深入研究
进一步加强对传统材料的研究，有助于实现在新型红外/紫外传感、基于单光子光源的量子密码通信和量子成像以及基于太阳能实现水中氢气的有效提取等方面实现技术的突破。
2）新型二维材料的研究
这种材料以石墨烯材料为基础，仅由几层原子组成，具备独有的键合特性，从而可以赋予其独特的光学性质，并使得不同半导体二维材料堆积成层状异质结构的概念具有了实现的可能性。
并且这种材料有助于与集成/硅光子学领域相结合，在未来可以将新型二维材料集成到光子器件的工艺中，一方面可以减少光子器件的体积，另一方面有望提升光子器件在数字经济应用中的性能。
此外，通过波长量级的周期结构制成的超材料可以具备负折射率、超吸收及超分辨的特性，创造了“隐身斗篷”、超材料吸波体及超材料调制器等诱人前景。
3）新型硅光子材料
由于硅材料有一个间接带隙而使其不能发光，限制了硅材料在光子集成领域的应用。但通过在硅材料中掺杂其他材料，并控制其晶体结构，可以实现发光掺杂硅材料的制备，这一研究方向有可能进一步简化光子集成的制备，也有望提高大规模光子器件制备的兼容性。
4）可重构自适应光子材料和可编程光子材料
某些亚稳定性材料，例如相变硫族化合物材料，可以在没有电源的情况下实现不同状态之间的切换和保持，使可重构、自适应和可编程的光子学成为可能。
此外，对大于100 GHz光调制器材料和亚ps开关材料的研究可以降低调制器在宽光谱带宽运行时的损耗以及提高支持系统的数据容量；开发生物相容性光子材料和可持续/生物可降解的光子材料，可以进一步支持向更绿色的数字经济过渡；利用计算机学习和人工智能可以极大程度的提高研究人员对光子材料的优化和设计。
光学和物理现象
如果要将光子材料的进步与未来制造工艺和设备开发联系起来，那么理解光与物质之间的相互作用是至关重要的。以下是光学和物理现象课题中的相关研究方向：
图3 光学和物理现象课题中相关研究方向
1）阿秒物理。对阿秒科学的研究至今已有二十多年，揭开了亚原子时空分辨率下分子结构的面纱。在该领域继续进行相关研究，将进一步加深我们对光与物质相互作用在数据存储、材料处理和能源效率方面应用的理解。
2）破坏真空的超高能脉冲现象。超高功率脉冲激光器（超过100 MW）可以产生极端的高能脉冲现象，并有可能破坏真空，从而能够对高能和粒子物理等新领域进行探索。此外，它还将有可能检验100年前出现的量子电动力学理论的预测，开辟物理学研究的新领域，并促进人类对宇宙的基本理解。
3）焦体积操纵。在光源开发之外，对光与物质相互作用的精细控制，将开辟光学处理和器件的新领域。目前对光的控制仅限于二维焦平面中的光束轮廓控制，然而，为了推进非线性过程和超严格公差的应用，如外科手术、神经系统光学成像和超短脉冲材料处理（如玻璃焊接、波导刻字等），需要在室温下实现三维焦体积内的光束控制，从而推动了超快成像和光电探测器的发展。
4）中红外量子有限探测。由于中红外波长的光波可以识别出目标物独有的特性，从而提高了研究人员对中红外光谱区域的研究兴趣。其中，中红外量子有限探测可以实现超高灵敏度的传感器，并可用于医疗诊断、高级成像和安全探测等应用中。
5）光控制纳米量级运动。利用光来控制纳米级的运动，将使生物光子学应用成为可能。例如在医疗过程中，利用光与物质的相互作用在分子尺度上进行控制和组装，在生产新型动态光学元件和器件的过程中，可实现新型传送带的功能。
6）RF-微波-THz-光波的光机系统接口。超低噪声特性的射频、微波、太赫兹以及光波之间不同频率区域的接口，可以作为电子信号和光学信息之间的量子兼容链路，从而实现量子计算机之间的安全通信。
7）光控化学和光控化学反应途径。利用光来开启、改变或控制化学反应及化学反应途径，可以实现燃料的合成以及能量的储存，为食品高效生产和快速化学合成提供了一种新型的解决方案，且该方案被证明是不存在污染的。
未来制造工艺
新工艺是连接材料、物理现象与设备、系统的关键桥梁，以下是未来制造工艺课题中的主要研究方向：
图4 未来制造工艺课题中相关研究方向
1）大规模集成（>1000个元器件）。大规模集成，即大批量生产，以及新功能、量子器件、等离子体电子和二维材料的集成。提高不同光子和非光子器件、工艺和系统的兼容性，实现多功能器件的集成，将是未来光子学的一个主要研究方向，其特性及利益远远大于单个器件的相互组合；
2）可持续光子材料。随着光子学的广泛、大规模应用，研究人员对生产工艺的经济、可持续等方面也提出了要求，而符合可持续光子材料的光子学技术主要表现在光子学的节能制造和材料的再加工、再利用；
3）新型功能的光子学集成。光子技术的新功能可以进一步推动光子技术的创新，例如太阳能化学处理、再生医学中的光学细胞操控以及有限空间（亚毫米空间）内的灵活光学操纵。他们的出现更新了传统的光子学集成工艺，并产生了新型光子学工具，其应用也远远超出了原有的光子学领域；
4）光子技术新工艺。逐年递增的大规模光子集成对光子技术的工艺也提出了新的要求，即都要求片上集成的纳米光子学设备、纳米材料组装、晶圆级测试、高速纳米成像和即时检测等工艺都具备批量处理的能力。这一能力代表了光子学一个持续的趋势，即从针对固定客户的定制技术逐渐演变为针对消费者群的大规模生产技术。
设备及系统
21世纪的挑战正在推动新型光子器件和系统的发展。以下是设备及系统课题中的主要研究方向：
图5 设备及系统课题中相关研究方向
1）超高效率激光器（>95%）。从激光加工技术在汽车制造到医疗应用领域有着广泛的应用。为了实现大规模的生产，必须提高成本效益、可靠性和能源效率，而超高效率激光器（>95%）在该方面有巨大潜力，且具有可观的经济效益和环境效益；
2）高效高宽带光伏电池。通过提高太阳能光伏电池的效率和带宽可以使其更有效的获取太阳能，进而可以使其在应对气候变化和环境变化等方面发挥更大的作用；
3）高速、高灵敏度探测器。传感系统发展的关键是探测器的创新，未来探测器的设备将包括大型成像阵列、多波长同时探测、超高灵敏度探测设备，其中包括短波长、中波长及红外区域的单光子探测器和可见光区域的高速、高灵敏度探测器；
4）超宽带光网络、放大器、调制器和光纤。过去30年来，数据通信已成为社会的基石，光纤网络已展示出其惊人的能力，可以在全球范围内传输数据，以满足社会对数字服务日益增长的需求。对数据的持续需求，包括部署5G，都需要开发超宽带光网络、放大器、调制器和光纤；
5）全光网络及其组件。当前限制整个网络性能的主要因素，是需要将传输数据的光信号转化为用于数据处理及存储的电信号，解决这一问题的首要方法是建立全光网络。而大规模的全光开关和光存储器是其中两个最关键的组件。全光网络及其组件的开发，将通过提高速度、降低延迟和增加带宽实现数字经济的扩张；
除以上研究方向以外，光子学与精密测量和成像密切相关。利用光子学技术在医疗领域还可以完成基因组筛查、深部组织光学成像及光学定点诊断等功能；利用单光子技术可以实现全固态激光雷达系统的实现；利用集成光子学设备还可以在量子通信、集成传感器、可重构\可编程电路和光子计算等领域有所突破。
光子学未来可期。这篇报告展示了未来十年甚至以后的研究方向和思路，其中包括像生物可降解光子学、神经形态光子学和人工智能设计材料等新型领域，也包括全光网络、量子通信和硅光子学等领域的深入研究方向。
现如今，随处可见的智能手机、摄像头、计算机等智能设备，都离不开光子学技术及其工艺的发展。可以预言，下一个数字经济、自主和智能制造的时代将更加依赖全球互联的光学技术。
此外，该报告还对英国政府及研究人员提出了一系列研发建议：
1）研究人员应该及时学习新方法，在各自研究领域进行阶段性的创新与改变，并进一步开拓新型研究领域；
2）政府应该为未来光子学创新的蓬勃发展提供充分的资金，支持研究人员的教育、设施的更新和能力的培养；
3）研究机构与研究人员应该尽力实现不同类型研究领域（新现象、新材料、新工艺和新系统设备）的平衡；
4）政府和研究机构应该及时支持不同领域的创新，即使在一般看来不太可能实现的领域；
5）以该报告为基础，与当下光子学产业进度结合来完善和确认重点研究方向；
6）政府应该将光子学的未来愿景与行业支持领域的路线图相结合，并考虑将在何时、何地以及如何推动和支持其研究领域的方向；
7）面向全球光子学用户和研究人员，及时更新对光子学领域研究的进展和见解。
扫码关注我们
关注后只要加上星标，就能固定找到我们啦！
↓↓↓
请联系oepn@siom.ac.cn
商务合作，请联系
季先生 18018304797
觉得有用，请点这里↓↓↓