美國(guó)：用光學(xué)和光子學(xué)打造更加光明的未來(lái)

光學(xué)和光子學(xué)是應(yīng)用于通信、計(jì)算、制造、健康、能源、國(guó)防、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵使能技術(shù)，受到美國(guó)、歐盟、俄羅斯等主要國(guó)家和地區(qū)的高度重視。2014年4月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)公布了光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)（由16名成員組成，其中6名來(lái)自軍方）的《用光學(xué)和光子學(xué)打造更加光明的未來(lái)》報(bào)告。此報(bào)告就美國(guó)該領(lǐng)域的科研和能力建設(shè)提出了七項(xiàng)重點(diǎn)建議。（美國(guó)公私合作投資6.1億美元的美國(guó)集成光子制造業(yè)創(chuàng)新研究所AIM Photonics便源于此報(bào)告建議之一。此文原載于中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所內(nèi)刊《科技參考》,由劉潤(rùn)生編譯。）

一、美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)提出的五項(xiàng)“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題

美國(guó)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府對(duì)審勢(shì)本國(guó)光學(xué)和光子學(xué)研發(fā)活動(dòng)、識(shí)別和設(shè)定科研重點(diǎn)的興趣一直在增加。在2013年出版的《光學(xué)和光子學(xué)：對(duì)本國(guó)至關(guān)重要的技術(shù)》報(bào)告中，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）提出了美國(guó)光學(xué)和光子學(xué)界面臨的五項(xiàng)“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題。一是如何發(fā)明出使光網(wǎng)絡(luò)容量再提高百倍的技術(shù)？二是如何為通信、傳感、醫(yī)療、能源和國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出一種無(wú)縫集成的光電子裝備，作為系統(tǒng)芯片低成本制造和封裝的主流平臺(tái)？三是美國(guó)軍方如何開(kāi)發(fā)必要的光學(xué)技術(shù)來(lái)支持廣域監(jiān)視、目標(biāo)確認(rèn)和圖像分辨率提高、高帶寬自由空間通信、激光打擊和導(dǎo)彈防御？四是如何使美國(guó)能源利益相關(guān)方實(shí)現(xiàn)到2020年全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電平價(jià)并網(wǎng)，與化石燃料發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)？五是如何開(kāi)發(fā)出新的光源和成像工具，使制造精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)或者更高？

二、光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)的快速回應(yīng)

為回應(yīng)美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)的報(bào)告，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)物理科學(xué)分委會(huì)于2013年春設(shè)立了光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)（FATC-OP），要求其在基礎(chǔ)研究和早期應(yīng)用研究領(lǐng)域?qū)ふ衣?lián)邦投資和部際合作的機(jī)遇。該委員會(huì)在120天里每周召開(kāi)一次會(huì)議，邀請(qǐng)專(zhuān)題專(zhuān)家和主要科技協(xié)會(huì)代表對(duì)未來(lái)十年進(jìn)行技術(shù)展望，并確定十分重要的基礎(chǔ)研究和早期應(yīng)用研究領(lǐng)域。

根據(jù)這些情況介紹會(huì)，光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)提出了一系列重點(diǎn)建議。這些重點(diǎn)建議分為研究機(jī)遇建議（A1-A4）和能力建設(shè)機(jī)遇建議（B1-B3），直接或間接回應(yīng)國(guó)家研究委員會(huì)報(bào)告提出的五項(xiàng)首要“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題中的四個(gè)。由于美國(guó)能源部正在大舉投資“太陽(yáng)能計(jì)劃”以應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能領(lǐng)域的“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題，所以光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)不直接回答該問(wèn)題。

該委員會(huì)認(rèn)為，其建議具有廣泛的促進(jìn)意義，能為重要技術(shù)機(jī)遇、國(guó)家優(yōu)先重點(diǎn)和重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。例如，最優(yōu)先的科研需求——生物光子學(xué)和透過(guò)復(fù)雜介質(zhì)成像是美國(guó)總統(tǒng)宣布的腦計(jì)劃以及美國(guó)國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)路線圖的基石，因?yàn)樗鼈儗?huì)促進(jìn)開(kāi)發(fā)新的光學(xué)和光子學(xué)工具，用于腦電活動(dòng)成像及控制，用于在分子和亞分子水平繪制蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)互動(dòng)圖譜。又如，可利用的制造設(shè)施與納米光電子學(xué)為光網(wǎng)絡(luò)容量再提高百倍開(kāi)展研究，并提供科研能力，進(jìn)而為未來(lái)十年美國(guó)繼續(xù)技術(shù)創(chuàng)新作出貢獻(xiàn)，并使日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)機(jī)遇成為現(xiàn)實(shí)。這兩項(xiàng)建議還是實(shí)現(xiàn)艾級(jí)（百億億次級(jí)）超級(jí)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵使能因素。此外，建立可利用的制造設(shè)施還可以在先進(jìn)制造領(lǐng)域?yàn)檎a(chǎn)學(xué)合作增進(jìn)機(jī)遇。

三、光學(xué)和光子學(xué)快速行動(dòng)委員會(huì)的七項(xiàng)重點(diǎn)建議
（A1）生物光子學(xué)，增進(jìn)對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)和病情發(fā)展的認(rèn)識(shí)：支持創(chuàng)新的生物光子學(xué)基礎(chǔ)研究，以促進(jìn)定量成像、系統(tǒng)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)、生物標(biāo)記物技術(shù)和高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步。

動(dòng)機(jī)在于：光學(xué)和光子學(xué)能夠在許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。監(jiān)測(cè)組織健康和檢測(cè)疾?。ㄈ绨┌Y、動(dòng)脈粥樣硬化）需要開(kāi)發(fā)新的診斷技術(shù)，而定量成像為測(cè)量早期治療反應(yīng)提供了機(jī)會(huì)。在藥物試驗(yàn)或臨床中，定量成像會(huì)提供早期的藥物效果和患者反應(yīng)信息，讓醫(yī)生能夠提供更加精準(zhǔn)的治療方法。生物光子學(xué)還是實(shí)現(xiàn)美國(guó)腦計(jì)劃目標(biāo)的關(guān)鍵。例如，光遺傳學(xué)的進(jìn)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(biāo)記物和光學(xué)檢測(cè)技術(shù)將會(huì)改善疾病預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)，還會(huì)減少藥物開(kāi)發(fā)、安全性試驗(yàn)和藥效試驗(yàn)所需的時(shí)間。在農(nóng)業(yè)面臨維護(hù)糧食安全和水資源競(jìng)爭(zhēng)加劇的情況下，光學(xué)和光子學(xué)的進(jìn)步還會(huì)改善農(nóng)場(chǎng)作物管理（精準(zhǔn)殺蟲(chóng)、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉）。

（A2）從弱光子研究到單光子研究：開(kāi)發(fā)在極弱光水平工作的光學(xué)和光子技術(shù)。

動(dòng)機(jī)在于：幾個(gè)光子至單光子的受控產(chǎn)生、操控和探測(cè)將會(huì)直接促進(jìn)許多領(lǐng)域的進(jìn)步，包括高速安全節(jié)能通信、基于光學(xué)和光子學(xué)的經(jīng)典信息處理和量子信息處理、極弱光水平的探測(cè)和成像。在極弱光水平進(jìn)行光子操控和探測(cè)，將使最大限度地從光學(xué)系統(tǒng)獲取信息成為可能。例如，遙感時(shí)，可探測(cè)更遠(yuǎn)距離或?qū)崿F(xiàn)更高分辨率；遠(yuǎn)距離空間通信時(shí)，通信距離能夠更長(zhǎng)并且功耗能夠顯著降低；生物成像時(shí)，可以更深入地看清生物組織。

（A3）復(fù)雜介質(zhì)成像：推進(jìn)光傳播研究，提升散射、色散、湍動(dòng)介質(zhì)成像技術(shù)。

動(dòng)機(jī)在于：光在生物組織、大氣、云層、海水、煙霧等介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)散射、色散和像差現(xiàn)象，使分辨率、亮度和信號(hào)質(zhì)量降低，會(huì)嚴(yán)重制約光學(xué)技術(shù)在腫瘤學(xué)、農(nóng)業(yè)、遙感和氣象、國(guó)土安全和國(guó)防、制造等諸多領(lǐng)域的效力。例如，對(duì)于重大健康問(wèn)題（如乳腺癌），組織部位深度越深，信號(hào)質(zhì)量快速降低，這會(huì)限制診治效果。這種效應(yīng)還會(huì)妨礙基礎(chǔ)生物學(xué)和制藥研究的光學(xué)成像?？蛇M(jìn)行選擇性光遺傳學(xué)控制和光學(xué)治療的光學(xué)器件將是新型、強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)室和臨床工具。透過(guò)云層的垂直成像能力會(huì)增加地球資源測(cè)繪的效率和效能。維護(hù)自由空間光通信，快速檢測(cè)生物戰(zhàn)劑和化學(xué)戰(zhàn)劑，開(kāi)展透過(guò)煙霧、植被和云層的監(jiān)視和偵察，這會(huì)極大地促進(jìn)軍事應(yīng)用和民事應(yīng)用。微型、低成本的計(jì)算成像系統(tǒng)將用于探測(cè)植被和病害情況，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)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(jí)光子信息處理和通信器件的極限。

動(dòng)機(jī)在于：信息處理系統(tǒng)的性能繼續(xù)提高和功耗繼續(xù)降低可能要求使用光連接或光互聯(lián)技術(shù)在越來(lái)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(tǒng)的微電子計(jì)算技術(shù)日益受到功耗和通信瓶頸的制約。當(dāng)前，這些因素制約了所有不同規(guī)模的信息系統(tǒng)。而通過(guò)充分利用納米結(jié)構(gòu)，有潛力研制出將電子和光電子集成起來(lái)的、使邏輯運(yùn)算和通信的功耗僅為阿托焦耳級(jí)的器件結(jié)構(gòu)，從而真正改變未來(lái)的信息處理和通信。

（B1）為研究人員提供便于利用的制造設(shè)施：確定學(xué)術(shù)研究人員和小企業(yè)創(chuàng)新者對(duì)用得起的國(guó)內(nèi)制造設(shè)施的需求，以推進(jìn)復(fù)雜的光電子集成器件的研發(fā)、制造和裝配。

動(dòng)機(jī)在于：在使光網(wǎng)絡(luò)容量提高百倍、光子和電子無(wú)縫集成方面，日益復(fù)雜的光電子集成電路及系統(tǒng)預(yù)計(jì)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)前，由于學(xué)術(shù)研究人員和小企業(yè)得不到用得起的國(guó)內(nèi)制造設(shè)施，美國(guó)硅光子創(chuàng)新受到制約，美國(guó)研究人員被迫冒著喪失知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)使用海外制造設(shè)施。若繼續(xù)使用海外制造設(shè)施，會(huì)使非美國(guó)實(shí)體成為硅光子器件設(shè)計(jì)、模擬和制造的領(lǐng)導(dǎo)者。

（B2）奇異光子研究：促進(jìn)研發(fā)，以制造緊湊的相干光源、光探測(cè)器和光學(xué)裝置，向?qū)W術(shù)界、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)界開(kāi)放。

動(dòng)機(jī)在于：具有奇異特性的波長(zhǎng)在探測(cè)化學(xué)和物理過(guò)程方面潛力很大，但所需的專(zhuān)業(yè)設(shè)施（如同步輻射裝置）、高成本定制化的硬件和儀器會(huì)抑制探索、創(chuàng)新和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的步伐。擴(kuò)大相干輻射的產(chǎn)生范圍，并使相干光源小而緊湊、用得起、容易用，這將會(huì)開(kāi)啟新的研究領(lǐng)域。例如，太赫茲光源和探測(cè)器應(yīng)用于成像、光譜分析、醫(yī)學(xué)、通信和天文領(lǐng)域。奇異光能穿透厚型物體，實(shí)現(xiàn)細(xì)小特征三維成像。緊湊、易用的X射線光源可能會(huì)在單顆粒相干衍射成像、納米光刻等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性技術(shù)。

（B3）關(guān)鍵光子材料的國(guó)內(nèi)來(lái)源：開(kāi)發(fā)和獲得對(duì)美國(guó)國(guó)家科技計(jì)劃至關(guān)重要的光學(xué)和光子材料，如紅外光學(xué)材料、非線性光學(xué)材料、低維材料、光纖材料和工程光學(xué)材料。

動(dòng)機(jī)在于：亞波長(zhǎng)的納米工程材料正在推動(dòng)創(chuàng)新的光學(xué)和光子學(xué)研究及應(yīng)用，但研究人員難以及時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵材料。對(duì)于至關(guān)重要的軍用光學(xué)材料，美國(guó)國(guó)防部需要穩(wěn)定、可靠的來(lái)源。許多光子材料要么由海外制造，要么由個(gè)別科研團(tuán)隊(duì)研制。這些關(guān)鍵材料的加工、生產(chǎn)和表征通常需要大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和高度專(zhuān)業(yè)化的設(shè)備，但是許多研究團(tuán)隊(duì)得不到這樣的設(shè)備。