【信息科学】美国光学和光子学的7大未来发展重点方向

【信息科学】美国光学和光子学的7大未来发展重点方向导语：在2013年出版的《光学和光子学：对本国至关重要的技术》报告中，美国国家研究委员会（NRC）提出了美国光学和光子学界面临的五项“大挑战”问题。看美国光学和光子学快速行动委员会（FATC-OP）是如何应对的？引言光学和光子学是应用于通信、计算、制造、健康、能源、国防、农业等诸多领域的关键使能技术，受到美国、欧盟、俄罗斯等主要国家和地区的高度重视。美国国家科学技术委员会公布了光学和光子学快速行动委员会（由16名成员组成，其中6名来自军方）的《用光学和光子学打造更加光明的未来》报告。此报告就美国该领域的科研和能力建设提出了七项重点建议。（美国公私合作投资6.1亿美元的美国集成光子制造业创新研究所AIMPhotonics便源于此报告建议之一）一、美国国家研究委员会提出的五项“大挑战”问题美国学术界、产业界和政府对审势本国光学和光子学研发活动、识别和设定科研重点的兴趣一直在增加。在2013年出版的《光学和光子学：对本国至关重要的技术》报告中，美国国家研究委员会（NRC）提出了美国光学和光子学界面临的五项“大挑战”问题。一是如何发明出使光网络容量再提高百倍的技术？二是如何为通信、传感、医疗、能源和国防应用领域开发出一种无缝集成的光电子装备，作为系统芯片低成本制造和封装的主流平台？三是美国军方如何开发必要的光学技术来支持广域监视、目标确认和图像分辨率提高、高带宽自由空间通信、激光打击和导弹防御？四是如何使美国能源利益相关方实现到2020年全国太阳能发电平价并网，与化石燃料发电竞争？五是如何开发出新的光源和成像工具，使制造精度提高一个数量级或者更高？二、光学和光子学快速行动委员会的快速回应为回应美国国家研究委员会的报告，美国国家科学技术委员会物理科学分委会于2013年春设立了光学和光子学快速行动委员会（FATC-OP），要求其在基础研究和早期应用研究领域寻找联邦投资和部际合作的机遇。该委员会在120天里每周召开一次会议，邀请专题专家和主要科技协会代表对未来十年进行技术展望，并确定十分重要的基础研究和早期应用研究领域。根据这些情况介绍会，光学和光子学快速行动委员会提出了一系列重点建议。这些重点建议分为研究机遇建议（A1-A4）和能力建设机遇建议（B1-B3），直接或间接回应国家研究委员会报告提出的五项首要“大挑战”问题中的四个。由于美国能源部正在大举投资“太阳能计划”以应对太阳能领域的“大挑战”问题，所以光学和光子学快速行动委员会不直接回答该问题。该委员会认为，其建议具有广泛的促进意义，能为重要技术机遇、国家优先重点和重点经济领域作出贡献。例如，最优先的科研需求——生物光子学和透过复杂介质成像是美国总统宣布的脑计划以及美国国家生物经济路线图的基石，因为它们将会促进开发新的光学和光子学工具，用于脑电活动成像及控制，用于在分子和亚分子水平绘制蛋白质和蛋白质互动图谱。又如，可利用的制造设施与纳米光电子学为光网络容量再提高百倍开展研究，并提供科研能力，进而为未来十年美国继续技术创新作出贡献，并使日益增长的大数据机遇成为现实。这两项建议还是实现艾级（百亿亿次级）超级计算机的关键使能因素。此外，建立可利用的制造设施还可以在先进制造领域为政产学合作增进机遇。三、光学和光子学快速行动委员会的七项重点建议（A1）生物光子学，增进对系统生物学和病情发展的认识：支持创新的生物光子学基础研究，以促进定量成像、系统生物学、医学和神经科学、生物标记物技术和高效农业生产的进步。动机在于：光学和光子学能够在许多生物医学领域作出重要贡献。监测组织健康和检测疾病（如癌症、动脉粥样硬化）需要开发新的诊断技术，而定量成像为测量早期治疗反应提供了机会。在药物试验或临床中，定量成像会提供早期的药物效果和患者反应信息，让医生能够提供更加精准的治疗方法。生物光子学还是实现美国脑计划目标的关键。例如，光遗传学的进步将是脑研究和脑功能连接组图谱绘制所必不可少的工具。使用生物标记物和光学检测技术将会改善疾病预防和早期发现，还会减少药物开发、安全性试验和药效试验所需的时间。在农业面临维护粮食安全和水资源竞争加剧的情况下，光学和光子学的进步还会改善农场作物管理（精准杀虫、精准施肥、精准灌溉）。（A2）从弱光子研究到单光子研究：开发在极弱光水平工作的光学和光子技术。动机在于：几个光子至单光子的受控产生、操控和探测将会直接促进许多领域的进步，包括高速安全节能通信、基于光学和光子学的经典信息处理和量子信息处理、极弱光水平的探测和成像。在极弱光水平进行光子操控和探测，将使最大限度地从光学系统获取信息成为可能。例如，遥感时，可探测更远距离或实现更高分辨率；远距离空间通信时，通信距离能够更长并且功耗能够显著降低；生物成像时，可以更深入地看清生物组织。（A3）复杂介质成像：推进光传播研究，提升散射、色散、湍动介质成像技术。动机在于：光在生物组织、大气、云层、海水、烟雾等介质中传播时，会出现散射、色散和像差现象，使分辨率、亮度和信号质量降低，会严重制约光学技术在肿瘤学、农业、遥感和气象、国土安全和国防、制造等诸多领域的效力。例如，对于重大健康问题（如乳腺癌），组织部位深度越深，信号质量快速降低，这会限制诊治效果。这种效应还会妨碍基础生物学和制药研究的光学成像。可进行选择性光遗传学控制和光学治疗的光学器件将是新型、强有力的实验室和临床工具。透过云层的垂直成像能力会增加地球资源测绘的效率和效能。维护自由空间光通信，快速检测生物战剂和化学战剂，开展透过烟雾、植被和云层的监视和侦察，这会极大地促进军事应用和民事应用。微型、低成本的计算成像系统将用于探测植被和病害情况，为精准农业提供决策支持。（A4）超低功耗纳米光电子：探索低功耗、阿托（10−18）焦耳级光子信息处理和通信器件的极限。动机在于：信息处理系统的性能继续提高和功耗继续降低可能要求使用光连接或光互联技术在越来越短的距离间传递信息，例如多核处理器芯片的片上通信和片间通信。传统的微电子计算技术日益受到功耗和通信瓶颈的制约。当前，这些因素制约了所有不同规模的信息系统。而通过充分利用纳米结构，有潜力研制出将电子和光电子集成起来的、使逻辑运算和通信的功耗仅为阿托焦耳级的器件结构，从而真正改变未来的信息处理和通信。（B1）为研究人员提供便于利用的制造设施：确定学术研究人员和小企业创新者对用得起的国内制造设施的需求，以推进复杂的光电子集成器件的研发、制造和装配。动机在于：在使光网络容量提高百倍、光子和电子无缝集成方面，日益复杂的光电子集成电路及系统预计将发挥关键作用。当前，由于学术研究人员和小企业得不到用得起的国内制造设施，美国硅光子创新受到制约，美国研究人员被迫冒着丧失知识产权的风险使用海外制造设施。若继续使用海外制造设施，会使非美国实体成为硅光子器件设计、模拟和制造的领导者。（B2）奇异光子研究：促进研发，以制造紧凑的相干光源、光探测器和光学装置，向学术界、国家实验室和产业界开放。动机在于：具有奇异特性的波长在探测化学和物理过程方面潜力很大，但所需的专业设施（如同步辐射装置）、高成本定制化的硬件和仪器会抑制探索、创新和应用开发的步伐。扩大相干辐射的产生范围，并使相干光源小而紧凑、用得起、容易用，这将会开启新的研究领域。例如，太赫兹光源和探测器应用于成像、光谱分析、医学、通信和天文领域。奇异光能穿透厚型物体，实现细小特征三维成像。紧凑、易用的X射线光源可能会在单颗粒相干衍射成像、纳米光刻等领域带来颠覆性技术。（B3）关键光子材料的国内来源：开发和获得对美国国家科技计划至关重要的光学和光子材料，如红外光学材料、非线性光学材料、低维材料、光纤材料和工程光学材料。动机在于：亚波长的纳米工程材料正在推动创新的光学和光子学研究及应用，但研究人员难以及时获得经济、优质的关键材料。对于至关重要的军用光学材料，美国国防部需要稳定、可靠的来源。许多光子材料要么由海外制造，要么由个别科研团队研制。这些关键材料的加工、生产和表征通常需要大量的专业知识和高度专业化的设备，但是许多研究团队得不到这样的设备。