美國：用光學和光子學打造更加光明的未來

光學和光子學是應用于通信、計算、制造、健康、能源、國防、農業等諸多領域的關鍵使能技術，受到美國、歐盟、俄羅斯等主要國家和地區的高度重視。2014年4月，美國國家科學技術委員會公布了光學和光子學快速行動委員會（由16名成員組成，其中6名來自軍方）的《用光學和光子學打造更加光明的未來》報告。此報告就美國該領域的科研和能力建設提出了七項重點建議。（美國公私合作投資6.1億美元的美國集成光子制造業創新研究所AIM Photonics便源于此報告建議之一。此文原載于中國科學技術信息研究所內刊《科技參考》,由劉潤生編譯。）

一、美國國家研究委員會提出的五項“大挑戰”問題

美國學術界、產業界和政府對審勢本國光學和光子學研發活動、識別和設定科研重點的興趣一直在增加。在2013年出版的《光學和光子學：對本國至關重要的技術》報告中，美國國家研究委員會（NRC）提出了美國光學和光子學界面臨的五項“大挑戰”問題。一是如何發明出使光網絡容量再提高百倍的技術？二是如何為通信、傳感、醫療、能源和國防應用領域開發出一種無縫集成的光電子裝備，作為系統芯片低成本制造和封裝的主流平臺？三是美國軍方如何開發必要的光學技術來支持廣域監視、目標確認和圖像分辨率提高、高帶寬自由空間通信、激光打擊和導彈防御？四是如何使美國能源利益相關方實現到2020年全國太陽能發電平價并網，與化石燃料發電競爭？五是如何開發出新的光源和成像工具，使制造精度提高一個數量級或者更高？

二、光學和光子學快速行動委員會的快速回應

為回應美國國家研究委員會的報告，美國國家科學技術委員會物理科學分委會于2013年春設立了光學和光子學快速行動委員會（FATC-OP），要求其在基礎研究和早期應用研究領域尋找聯邦投資和部際合作的機遇。該委員會在120天里每周召開一次會議，邀請專題專家和主要科技協會代表對未來十年進行技術展望，并確定十分重要的基礎研究和早期應用研究領域。

根據這些情況介紹會，光學和光子學快速行動委員會提出了一系列重點建議。這些重點建議分為研究機遇建議（A1-A4）和能力建設機遇建議（B1-B3），直接或間接回應國家研究委員會報告提出的五項首要“大挑戰”問題中的四個。由于美國能源部正在大舉投資“太陽能計劃”以應對太陽能領域的“大挑戰”問題，所以光學和光子學快速行動委員會不直接回答該問題。

該委員會認為，其建議具有廣泛的促進意義，能為重要技術機遇、國家優先重點和重點經濟領域作出貢獻。例如，最優先的科研需求——生物光子學和透過復雜介質成像是美國總統宣布的腦計劃以及美國國家生物經濟路線圖的基石，因為它們將會促進開發新的光學和光子學工具，用于腦電活動成像及控制，用于在分子和亞分子水平繪制蛋白質和蛋白質互動圖譜。又如，可利用的制造設施與納米光電子學為光網絡容量再提高百倍開展研究，并提供科研能力，進而為未來十年美國繼續技術創新作出貢獻，并使日益增長的大數據機遇成為現實。這兩項建議還是實現艾級（百億億次級）超級計算機的關鍵使能因素。此外，建立可利用的制造設施還可以在先進制造領域為政產學合作增進機遇。

三、光學和光子學快速行動委員會的七項重點建議
（A1）生物光子學，增進對系統生物學和病情發展的認識：支持創新的生物光子學基礎研究，以促進定量成像、系統生物學、醫學和神經科學、生物標記物技術和高效農業生產的進步。

動機在于：光學和光子學能夠在許多生物醫學領域作出重要貢獻。監測組織健康和檢測疾病（如癌癥、動脈粥樣硬化）需要開發新的診斷技術，而定量成像為測量早期治療反應提供了機會。在藥物試驗或臨床中，定量成像會提供早期的藥物效果和患者反應信息，讓醫生能夠提供更加精準的治療方法。生物光子學還是實現美國腦計劃目標的關鍵。例如，光遺傳學的進步將是腦研究和腦功能連接組圖譜繪制所必不可少的工具。使用生物標記物和光學檢測技術將會改善疾病預防和早期發現，還會減少藥物開發、安全性試驗和藥效試驗所需的時間。在農業面臨維護糧食安全和水資源競爭加劇的情況下，光學和光子學的進步還會改善農場作物管理（精準殺蟲、精準施肥、精準灌溉）。

（A2）從弱光子研究到單光子研究：開發在極弱光水平工作的光學和光子技術。

動機在于：幾個光子至單光子的受控產生、操控和探測將會直接促進許多領域的進步，包括高速安全節能通信、基于光學和光子學的經典信息處理和量子信息處理、極弱光水平的探測和成像。在極弱光水平進行光子操控和探測，將使最大限度地從光學系統獲取信息成為可能。例如，遙感時，可探測更遠距離或實現更高分辨率；遠距離空間通信時，通信距離能夠更長并且功耗能夠顯著降低；生物成像時，可以更深入地看清生物組織。

（A3）復雜介質成像：推進光傳播研究，提升散射、色散、湍動介質成像技術。

動機在于：光在生物組織、大氣、云層、海水、煙霧等介質中傳播時，會出現散射、色散和像差現象，使分辨率、亮度和信號質量降低，會嚴重制約光學技術在腫瘤學、農業、遙感和氣象、國土安全和國防、制造等諸多領域的效力。例如，對于重大健康問題（如乳腺癌），組織部位深度越深，信號質量快速降低，這會限制診治效果。這種效應還會妨礙基礎生物學和制藥研究的光學成像。可進行選擇性光遺傳學控制和光學治療的光學器件將是新型、強有力的實驗室和臨床工具。透過云層的垂直成像能力會增加地球資源測繪的效率和效能。維護自由空間光通信，快速檢測生物戰劑和化學戰劑，開展透過煙霧、植被和云層的監視和偵察，這會極大地促進軍事應用和民事應用。微型、低成本的計算成像系統將用于探測植被和病害情況，為精準農業提供決策支持。

（A4）超低功耗納米光電子：探索低功耗、阿托（10?18）焦耳級光子信息處理和通信器件的極限。

動機在于：信息處理系統的性能繼續提高和功耗繼續降低可能要求使用光連接或光互聯技術在越來越短的距離間傳遞信息，例如多核處理器芯片的片上通信和片間通信。傳統的微電子計算技術日益受到功耗和通信瓶頸的制約。當前，這些因素制約了所有不同規模的信息系統。而通過充分利用納米結構，有潛力研制出將電子和光電子集成起來的、使邏輯運算和通信的功耗僅為阿托焦耳級的器件結構，從而真正改變未來的信息處理和通信。

（B1）為研究人員提供便于利用的制造設施：確定學術研究人員和小企業創新者對用得起的國內制造設施的需求，以推進復雜的光電子集成器件的研發、制造和裝配。

動機在于：在使光網絡容量提高百倍、光子和電子無縫集成方面，日益復雜的光電子集成電路及系統預計將發揮關鍵作用。當前，由于學術研究人員和小企業得不到用得起的國內制造設施，美國硅光子創新受到制約，美國研究人員被迫冒著喪失知識產權的風險使用海外制造設施。若繼續使用海外制造設施，會使非美國實體成為硅光子器件設計、模擬和制造的領導者。

（B2）奇異光子研究：促進研發，以制造緊湊的相干光源、光探測器和光學裝置，向學術界、國家實驗室和產業界開放。

動機在于：具有奇異特性的波長在探測化學和物理過程方面潛力很大，但所需的專業設施（如同步輻射裝置）、高成本定制化的硬件和儀器會抑制探索、創新和應用開發的步伐。擴大相干輻射的產生范圍，并使相干光源小而緊湊、用得起、容易用，這將會開啟新的研究領域。例如，太赫茲光源和探測器應用于成像、光譜分析、醫學、通信和天文領域。奇異光能穿透厚型物體，實現細小特征三維成像。緊湊、易用的X射線光源可能會在單顆粒相干衍射成像、納米光刻等領域帶來顛覆性技術。

（B3）關鍵光子材料的國內來源：開發和獲得對美國國家科技計劃至關重要的光學和光子材料，如紅外光學材料、非線性光學材料、低維材料、光纖材料和工程光學材料。

動機在于：亞波長的納米工程材料正在推動創新的光學和光子學研究及應用，但研究人員難以及時獲得經濟、優質的關鍵材料。對于至關重要的軍用光學材料，美國國防部需要穩定、可靠的來源。許多光子材料要么由海外制造，要么由個別科研團隊研制。這些關鍵材料的加工、生產和表征通常需要大量的專業知識和高度專業化的設備，但是許多研究團隊得不到這樣的設備。