2.3.5 光子显示技术
在信息化社会，图象以其巨大的信息容量传递、处理，并最终通过显示系统显示出来。显示技术已成为信息科学的重要环节。人类获取信息的80%来自于视觉。图象显示是信息网络及系统的“入口”和“出口”，也是实现人与机器信息交流的接口。
显示器是信息显示的工具，也是显示技术的核心。作为显示器应该有以下诸多优异性能：高信息容量（高象素数）、高分辨率、高响应速度、高灰度阶、高彩色度（或全色）、低功耗以及经济轻便等。在显示技术中光电子显示一直占据主导地位。长期以来作为显示器使用的主要是众所周知的CRT显象管。随着科学技术的发展，平板显示器(FPD)异军突起，越来越引起广泛关注。
1, 光子显示器件
光电子显示器是以光子与电子为载体实现信息和能量快速转换的一种先进器件。属于这类显示器件的主要有液晶器件(LCD)、真空荧光管(VFD)、等离子体显示板(PDP)、场发射器件(FED)、电致发光管(ELD)、发光二极管(LED)以及阴极射线管(CRT)等。如上所述，自20年代以来，光电子显示领域几乎一直被CRT所垄断。直到近年来才开始受到薄膜晶体管(TFT)与平板显示技术的严重挑战。如按竞争力强弱排序，依次是：TFT-LCD、TFT-ELD、PDP、FED、VFD、LED等平板显示。特别是非晶硅(a-Si)TFT-LCD平板显示的图象质量已能与CRT相媲美，而且又具低功耗、低电压驱动、轻巧价廉等诸多优点，因此普遍认为，a-Si TFT LCD平板显示，特别是大屏幕显示正在和已经引起了信息显示技术领域的深刻变革。
在平板显示技术中目前的主流是以薄膜晶体TFT作为象素开关，加之周边电路的有源矩阵的液晶显示器(TFT-AMLCD)。
2, 光子显示技术发展
(1) 寻址方式的CRT
为了克服目前CRT具有的器件重量大、电压高、效率低等诸多缺点，人们提出了一种以寻址方式实现面阵阴极发射的显示技术。现在，面阵阴极材料的选取与制作是关键，已提出多种解决途径，取得了一些进展。
(2) 以液晶显示为主导FPD技术
平板显示(FPD)技术中最被看好的是液晶显示器，尤其是以薄膜晶体作为象素开关及周边电路有源驱动的液晶显示器(TFT-AMLCD)被认为最具代表性。由于大面积微细加工技术的进展，研制工作的关键则集中在制作TFT矩阵板及相关液晶的材料上。激光晶化获取大面积、高迁移率、大晶粒薄膜材料是发展巨微光电子学器件的基础，这种薄膜材料能够适应于多种器件的要求。
(3) 以PDP和FED为代表的自发光平板显示
在自发光平板显示技术中，等离子体显示(PDP)和场发射显示(FED)方面的研究进展最为突出。前者突出大画面显示，但受等离子体壁限制，分辨率不是很高，它的色度也因受三基色荧光粉性能的限制有待进一步研究和提高；后者，可获得很高的分辨率，而且在发射象源上有极好的冗余度，但面阵象源发射的稳定性与实用寿命还有欠缺，有待进一步研究解决。
(4) DMD变形微镜显示
DMD变形微镜显示是利用微机电加工技术，制作出阵列微镜，作为象素可以按10ΜS 的速度加以寻址，并实现多灰度级。这项技术的核心是微光学机械加工。
(5) VLSI显示技术
单晶硅以其大规模集成著称世界。以VLSI技术制作显示器可能另辟一条捷径。尤其在PDLC取得进展的今天，围绕这个方面有许多有意义的研究工作有待开拓。
3, 光子显示技术近期研究重点
(1) 新型发光材料的研究与开发
包括有机和无机新型发光材料，特别是液晶发光材料的探索、研究与开发；
(2) 适于有源矩阵微电子薄膜材料的研究
(3) 发光器件的新原理、新结构的研究与探索
(4) 显示器件的制作技术基础研究
(5) 大屏幕高清晰度彩色显示技术的基础研究
2.4 集成光子学与微结构集成光学
2.4.1 集成光子学与微结构光子学的内涵与意义
五十年代发展起来的固态电子学及微电子学的成就引发了世界范围的第一次信息革命，已成为当代计算机科学技术、无线电电子技术、自控技术等取得巨大成功的关键性基础。然而，利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁串扰效应的存在，无论从技术局限或是经济代价以及信息安全的角度来考虑，电子技术已经难以完全适应未来高度信息化社会的需要，至少是出现了它的阶段局限性。
光子，由于它属玻色子，不荷电，不存在电磁串扰和路径延迟的问题。光的波粒二重性比电子更易体现，光波包含有振幅、频率相位、偏振多种状态可籍以复用载入传输信息。光波的各种变换，如全息变换、富里叶变换等效应，以及可分束并行传输特点，无疑又为高速信息处理技术的发展提供了新的途径。当今人们已认识到超高速率、超大容量信息系统中用光子作为信息的载体是继电子之后的最佳选择。由此应运产生了信息光子学。
运作在有实用和推广价值的信息系统中的光子器件及其功能回路，首要的要求是全部固态化。固态光子学基质材料包括有半导体、电光晶体、玻璃体和高分子聚合物等，半导体基质材料既能制作无源光学元件，又能制作有源光子器件，诚然半导体光子学当属姣姣者。
半导体电子学的强大生命力在于它能够实现集成化。集成化使它的处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大大降低，尺寸大大缩小，芯片的成品率和可靠性极大改善，从而使芯片性能价格比日新月异地不断得到优化。
当代信息高技术的发展对半导体光子学提出的要求是它能够荷载超大信息流(Tb/s)的传输，并具有实时、高速处理与交换的能力。功能集成化的实现依然是半导体光子学发展的必由之道。根据系统功能的要求，人们要把不同功能的若干或众多光子器件通过内部光波导的互连，优化集成在一个芯片上，以突破分立器件的功能局限，这就是当前正迅速发展着的另一门高新技术—集成光子学(PIC)。
作为一门信息高科技的光子学，意味着光在信息系统中的功能不仅仅只是作为传输的媒质，它将兼具诸如存储、再生、处理、交换等诸多类似电子系统中的功能。
虽然在信息系统中核心部分的功能可以全由光子的运行操作来实现，但是一个完整的应用系统很难想象没有电子器件相辅相成能有实用化的意义。例如激光器要有恒定电流来驱动，光子开关、调制器件要利用电光效应来实现，光子接收器要有偏置电场来操作。当然信息的终端处理与再现、读出等，利用成熟的微电子技术来实现则更为可行方便。
未来的集成系统必然是光子集成回路与微电子集成电路的共融体，即微光子、电子集成系统，或称光电子集成(OEIC)系统，诚然光子集成功能芯片将是其关键性的心脏部件。
目前已成功发展的光子集成回路是基于GaAs、InP之类化合物半导体基片上的二维平面传输系统，以及它与微电子系统的混合或单片集成，人们正着力于更复杂的三维传输回路的集成，即微结构光学集成，并考虑在系统中引入微机械系统，从而构成功能齐备的微型光、机、电集成体系，一旦获得突破，现今庞大的光学系统或仪器设备将如同微电子的单片机那样实现微型化、集成化、单片化。不仅使系统的可靠性、稳定性、安全性大为提高，性能也将产生飞跃性改善，应用的领域将大为扩展，市场需求量将极大提高，甚至可进入家庭用户，因而光子产业将如同微电子产业那样走向大规模化。虽然在许多基质材料上都可以研制微结构光子学，但是考虑到任何应用系统都离不开电子功能的支撑，用Si作基片已成功地研制出各种微型三维光学元件和微机械部件。因此，半导体尤其是Si将是微结构集成光学的首选材料。
1, 半导体光子学的重大突破
与电子集成回路比较，光子集成回路(PIC)实现的难度要大得多。一个PIC芯片上要包含诸如激光器、调制器、光开关、滤波器、偏振器、探测器等不同结构与功能的光子器件，而其功能体现又多来源于不同的材料特性与器件结构设计。例如半导体激光器通常为F-P腔，腔面即是激光器的端面，显然，这难于与其他器件实现平面集成。另外，为满足集成化中的结构兼容性要求，或从简化工艺流程和降低成本等方面考虑，要求能在同一种材料中实现集成。
(1) 介质光栅反射器(DBR)
在半导体光子学中由于介质光栅技术的引入，导致了无腔面激光器的实现，相继开发出分布反馈式(DFB)和分布布喇格反射式(DBR)半导体激光器。它们的发射线宽比F-P腔激光器窄3个量级，其单色性、稳定性大幅度提高，这就为PIC的发展奠定了重要基础。光栅具有反射、耦合、选频、滤波等多功能特性，而且可通过电注入来改变光栅介质区域的载流子浓度，导致折射率的变化，可以调谐布喇格波长，因此还可以实现半导体激光器的波长调谐。
(2) 量子阱超晶格人构改性多功能材料
这种量子阱超晶格人构物性的改变，导致诸多新颖的物理特性出现并成为当代开拓多功能光子器件的有力基础。其后，性能优异的量子阱激光器应运而生，它将半导体激光器推进到一个全新的阶段。
由于量子阱能态密度的阶梯状分布，使得注入量子阱的载流子利用效率提高，而对激光波的吸收降低，因此，促成了激光器阈值的大幅度降低，与以往的DH激光器比较，其阈值可小两个量级，亚毫安量级以下的极低阈值激光器的实现无疑使PIC实用化成为可能。量子阱的阶梯状密度分布还导致增益谱的窄化和抑制腔内高阶模的出现，因而量子阱激光器自然保证有窄线宽、单纵模的输出特性。另外，由于量子阱的态密度比体材料小一个维度的贡献，分布又更为集中，因此其峰值增益与注入载流子浓度的依赖关系更为灵敏，微分增益随之提高，腔内光子与载流子的耦合时间常数大为缩短，激光固有的张弛振荡频率从5GHz处移至30GHz。这样，激光器将能在很高的调制频率下工作。由此可见，量子阱材料的开发大大优化了半导体激光器的特性，为实用化PIC的发展提供了有力保证。
量子阱材料的另一个重要人构属性是，它大大增强了自由激子的局域化程度，使其运动半径减小了若干倍，激子的离化能从4.2meV提高到12meV，即使在室温下，自由激子仍能不受晶格热振运的骚扰而依然存在，人们第一次可以考虑研制室温下运行的激子器件，而激子器件恰是半导体光子学发展的有待开发的重要资源。局域化的阱中激子，库仑牵引效应增强，能够承受更大的外场作用，表现出更明显的斯塔克红移效应。基于这种效应，已经研制出开关能量低达10-12 J的自电光效应器件(SEED)—光学双稳态开关。这为数字光子学的发展奠定了基础。
量子阱超晶格结构还蕴藏着许多未被充分开发利用的新颖功能，例如，利用热电子效应人工实现材料中的电子、空穴离化系数非对称单极性增强，可制备极低噪声的光子探测器件。目前人们已能够由此研制成功单光子APD探测器，还有带内工程的应用将为新型激光器的开拓提供一条重要的新路。
可见，在同一结构的量子阱芯片上，人们可以设计制备出性能优化的多种功能的光子器件。这正是发展光子集成芯片所必具的条件。
(3) 垂直腔面激光器(VCSEL)
如上所述，量子阱材料具有更大的峰值增益和更小的带边吸收损耗，因此可以说，量子阱人构改性材料的出现已为低阈值垂直腔面激光器的开发奠定了基础。现在的VCSEL实际上也是一种超短腔DBR激光器，只不过这里的介质光栅反射器是由交替生长的半导体超晶格异质结构来实现的。VCSEL允许将其有效腔面做得很小，直至为波长线度量级，亦即平方微米的量级。这种微腔激光器的功耗极低，其阈值有望达到微安量级，加之它所固有的窄谱线、单纵模特性以及很窄的光束发散角与很短的腔内光子寿命，无疑这对高密度面阵集成是十分有利的。再有，由于腔的体积小，其线度可与激光的波长相比拟，因此光波在腔内的量子化相干特性明显化。人们期望通过自发辐射模的导引与控制，最终实现准无阈值、极低功耗和高速率的激光运行。这些正是大规模集成面阵所必备的条件。
2, 半导体光子集成的内涵与进展
与微电子学比较，集成光子学基本上也有三大集成组构，即光子功能集成、光子面阵集成与互连布线的光子集成。由于光子集成在基础技术上不断进步和突破，这三种组构的研究也相应获得了成功的发展。
(1) 光子功能集成
光子集成回路由诸多基本单元组成。属于这类基本单元的，例如有：激光器(LD)与光子探测器(PD)、LD与调制器(MD)和光开关(OSW)、LD与光放大器(SLA)、LD与SLA和PD等。光子功能集成回路就是将这类基本单元或众多不同功能的光子器件通过内部光波导互连，优化集成在同一个芯片上。代表性的光子功能集成回路有：
A 超大容量传输波分复用激光发射器
这种集成激光发射器由多个量子阱DBR激光器组成，每个具有不同波长的激光器分别与一个量子阱电光调制器集成，然后通过光波导的导引汇集，再与一个量子阱光放大器集成。这样，数个不同波长的频道即可得以复用，诸多发射光波耦合汇入到一根光纤中去。如一个DFB激光器调制速率可达10Gb/s，集成100个这样的波分复用DFB—LD，就可得到信息率达Tb/s的光传输。
B 光频外差PIC光接收机
这种光子集成光外差接收机包含一个作为本地光频振荡的量子阱可调谐DBR激光器，一个3dB耦合器与两个量子阱光波导检测器。入射激光与本地激光的差拍信号由检测器检波解调，高灵敏地获取光载波所传递的信息。随着PIC功能应用的不断开拓，光子集成回路也得以迅速发展，然而，PIC发射器与PIC接收器无疑是其中最重要的。
(2) 光子面阵集成
光子面阵集成是将同一类光子器件按系统要求分布重复矩阵式地大规模集成在一个芯片上。属于这种结构的有光逻辑门面阵集成与激光器面阵集成等。目前发展相当成熟的可擦除光盘，实际上也是一种有重要意义的光子面阵集成。
A 高密度自电光效应器件(SEED)光双稳开关集成面阵
这类SEED是一种无腔面的光双稳态开关器件，这是一个以超晶格材料为吸收区的简单的PIN管，功耗低，易于大规模集成。近年来发展的对称反射式SR-SEED引人注目。SR-SEED面阵可对光信息进行多路实时交换与二维处理，为发展逻辑运算的光计算技术奠定了基础。这一成果还将会促成光信息处理技术由模拟转入数字化以及并行处理阶段。当前，这种SEED光双稳开关集成面阵已发展到256×256位的规模，其运行的光功耗不足1mW。
B 高密度垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成面阵
亚毫安级VCSEL的研制成功，为高密度激光器PIC面阵的发展奠定了基础。这种PIC面阵将是发展二维光信息实时处理与图象识别技术以及体全息存储与读出的关键硬件，它将获得广泛应用。目前已实现了32×64的VCSEL面阵；如进一步将腔面缩小到1μm2，其阈值将能减小到5μA，1兆位的集成面阵总功耗只有数十瓦。显然，这是一个十分诱人的成就。
(3) 互连布线的光子集成
光互连技术类同于微电子芯片集成布线，它不仅为光子芯片与光逻辑元之间的运行连接所必需，同时也能替代微电子芯片与电子逻辑元之间的运行连接。这种光互连可以克服电互连的阻塞效应，同时还由于不同源点发出的光互不干扰，而且在波导内和自由空间都能无串扰传输，因此光互连密度将可以大幅度提高，并能够实现三维空间的互连系统。这无疑为下一代超高速与神经网络计算技术、超大容量超高速数据通信所关注。
(4) 光子集成(PIC)与光电子集成(PEIC)
光子的产生起源于电能的激励，光子(或光波)在半导体内运行的功能操作来自于半导体材料(量子阱材料)中的各种电光效应，如Pockel效应、Kerr效应、Stark效应、Franz-Keldysh效应以及预偏置电场的收集效应等。离开了电的操作，光子器件的功能也不能得到有效施展。因此，实用的光子集成芯片必需配以相应的辅助电子集成回路。一个实用化的大系统，无论从它的可操作性还是从造价与可靠度来看，人们必须相辅相成地充分利用成熟的微电子技术于终端处理读出，甚至在逻辑运算方面，未来的大型集成系统必然是光子集成与微电子集成融合一体的综合系统，即光电子集成系统。从某种意义上来说，光子集成芯片将成为未来光电子集成系统的心脏部分。因此，它拓展了微电子集成系统的运作功能，甚至解决了微电子集成所无法解决的难题。
在微电子学中，Si的微电子技术取得巨大成功，Si芯片已成为信息技术领域的主要基础和支柱。而在光子学中，尽管Si基的无源光子器件，如Si的PIN与APD光探测器、Si-CCD摄像器、Si光电池以及Si基光波导等均已取得成功，但由于Si属于间接带隙材料，非极性键加之对称性极佳，难以制作出各种有源光子器件和非线性光子器件，因此这类光子器件及其集成目前仍以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体为基质材料。为了使PIC与EIC共融，并能与光纤兼容，人们仍对开拓功能全面和优异的PEIC寄希望于Si。通过多年来的努力，研究工作终有进展，应变层能带工程、纳米技术等的迅速发展为Si基光子学的开拓带来了希望。Si1-xGex/Si应变层量子阱结构材料能够克服Si与Ge晶格严重失配的局限，在临界厚度内制备出完美的量子阱材料，并能形成强局域化的自由激子。量子点结构的制备将使局域化程度再提高二个维度的贡献，将使电子带间跃迁的动量守恒定则淡化，有可能在高注入下获得激光振荡。Si基的LED，和Si基长波长光电探测器，光双稳开关等均有研究结果报道，但性能、效率、稳定性等方面还难以令人满意。近来，硅化物材料研究的进展、稀土发光中心在Si基材料中的掺入、半导体量子级连式子带跃迁激光器的发明也为Si基光子学与集成光子学的发展带来新的生机。
3, 微结构集成光学的内涵与进展
微结构集成光学主要是指传输光在波长尺度量级上的光学元件中的相关物理效应及其功能应用与集成化的研究领域，如波导光栅列阵、二元光学元件列阵、波导开关列阵以及光纤器件功能集成回路等。实际上微结构集成光学即是早期集成光学的单片微型化集成发展。显然，它的实现将使现今光学系统的体积至少缩小3个量级。由于单片集成化的发展，系统的稳定性与可靠性将大为提高，因而它将成为小型化的信息光学系统中的另一核心部件。
微结构光学的研究，有平面波导结构的一维、二维平面传输体系和自由空间结构的三维立体传输体系。平面波导型微结构光学体系，可以用适宜的电光晶体，有机聚合物、玻璃体和半导体来制作，但都必须采用薄膜结构，在这种微结构体系中几乎所有的光学器件都是薄膜形态，它们生长在基片材料上有的则埋入其中，传输光波则由条形波导来连接(除输入输出端外)构成一种无源集成光学系统，大多半导体基片(如化合物材料)都能研制成发射光源和探测器件，因此它实际上就是上面论及的光子集成系统。
平面波导型微结构光学系统尚未能充分发挥光子载体(或光波)的全部优越性，特别是实现空间光学变换方面需要有三维传输的微结构光学体系。这种体系的实现，依赖光波导来执行是极为困难的，只有通过自由空间的传输来实现，这就导致了微型化的三维光学元件的研究。诚然各种固体材料都可以用来研制微型化三维光学元件，人们还是首选了半导体Si作为基质材料。Si有大的折射率(～3.5)，又能生长较小折射率(～1.5)SiO2。加之Si基质材料的微加工技术又已经相当成熟，因而为各类微型光学元件的制作提供了方便的条件。完全可以利用Si基片为光学平台通过合理的设计和制作，实现Si基三维微结构光学系统。在Si平台上还可以同时制作微电子执行电路，用以操作微结构光学系统的运行。
近代信息光学系统中，还需配置有某些机械部件，例如转镜、振子以及所需的驱动马达等。诚然这些机械部件也必须达到可与微光学元件匹配的微型化，并且能在同一基片上实现，制作技术也应该能与微光学元件制作工艺兼容。自然人们期望在Si基片上同时实现单片集成光、机、电。在Si基质上研究制作微机械部件已有近二十年的历史，并获得了成功，但将此技术应用到光学系统则是近几年的新发展。
最近报导，在Si基片上利用多晶Si生长以及微加工技术，成功制作众多三维微光学元件，如Fresnel透镜、折射式微透镜、分光镜光栅、数字微镜、变形光栅阀、微型光斧、微马达栅栏和可调谐光学滤波器等。同时也成功制作了许多光学系统中常用的微机械部件，如平移座、旋转座、微型马达和抓式步进驱动器等，并已初步实现了微光学元件与微机械部件的单片集成，如成功制作了三维光学元件与微平移座和旋转座的集成，以及微型光盘读写头等。
这种三维微结构光学的发展，将使完整化的实用光学系统体积大为缩小(从米的尺度减为厘米的尺寸)，重量大为减轻(从千克减为克)，效率大为提高，同时减省了系统的组装和包装的复杂工艺，因而不仅在系统的可靠性、稳定性、一致性上大为改善，同时可实现大批量，低造价的规模生产。而由于这种微结构光、机集成系统是制作在Si片上，完全可与微电路的制作兼容，因而将可实现光、机、电微结构单片集成。无疑它将在光互连、开关、扫描、探测、显示、印刷、存储以及信息处理，特别是军事领域中得到广泛的应用。因此，这一重大发展在当今已引起广泛关注。
4, 半导体集成光子学的基础内容
上述半导体集成光子学与微结构光学的重大进展，都是基于它所包含的基础科学与材料和制备工艺技术上的重大突破和成功运用的结果。
光子集成基础问题的内涵可以如下方框图表示：
电子—空穴体系中的受激光跃迁是半导体激光器和探测器的物理基础。对量子阱结构中的受激光跃迁不仅已有了系统深入的研究，而且在半导体激光器领域中得到广泛成功的运用。半导体介质光波导不仅是光子集成芯片中光波传输的通道，同时许多光子器件其本身就是一个特定的光波导，如耦合器、分路器、M—Z调制器等。可以认为今天从事半导体光子学的研究者，都已对上述问题有比较深入的掌握和运用。
(1) 介质光栅的研究
介质光栅的研究起始于70年代中期，光栅的Bragg效应所产生的分布反射功能引入到半导体激光器有源区中，导致了无腔面分布反馈DFB激光器的出现，它使半导体有源光子集成成为可能。随其结构形态如弯曲光栅、变周期光栅等与外部操作条件的变化，它还具有许多新的功能特性，如选频、谐振、耦合、相位匹配与光束会聚等。多层介质光栅本身就是一种光子晶体，对光子集成的发展非常重要。它在光子集成器件中的应用还刚开始，很值得进一步系统深入开展研究。
(2) 非线性光学效应的利用
非线性光学效应的利用是光子学器件领域中一块尚待开发的处女地，不仅由于在薄膜波导中容易呈现非线性光学效应，量子阱超晶格又以几个量级增强了这个效应。目前只是利用电场调制二阶非线性(Stark)效应成功研制了自电光效应SEED光逻辑开关。更多的非线性效应，包括光折变效应、激子可饱和吸收效应、激子与极化子的耦合效应、量子箱和微腔中的非线性光学效应以及高阶非线性效应等均待进一步研究开发。尤其是如何研究获得有强的激子体系的一阶和二阶电光效应的Si基人构材料，有着深远应用前景。
(3) 微光学腔
微光学腔的概念早期就有人提出，然而在半导体量子阱垂直腔面发射(VCSEL)激光器得到重大突破后，微腔的研究才进入了有实用前景的应用阶段。微腔对自发辐射场的量子化调制，微腔中光子寿命的明显缩短，微腔的单一模式运作使微腔激光器的阈值响应和噪声特性大大优化，微腔激光器可使功耗大大降低，因而使高密度激光器面阵集成成为可能。同时微腔光子器件可能还蕴藏着许多有待研究开发的新功能，其贡献不亚于MOS器件在微电子学中的地位，将会成为发展光子集成的新起点。
(4) 量子阱、超晶格
量子阱、超晶格的成就揭开了能带工程的序幕。它使半导体光电子学迈入量子尺寸的新阶段，产生了量子光电子学。它的运用不仅使光子器件特性得到大幅度的优化，同时展现出许多在体材料中不曾出现的物理效应。
(5) 应变层能带工程
应变层能带工作的发展又使半导体光子学有新的重要拓展。当今，半导体激光器的发射波长已从红外到近紫外几乎可全部覆盖。
尽管能带工程已取得如此显赫成就，但这还只是刚刚开始。随着光子集成对功能多样性的要求不断提高，定将使能带工程的研究和运用与日俱增，并进一步促成其深化和开拓。因此，可以认为，能带工程的运用乃是光子集成基础研究的基础。
5, 微结构集成光学研究的基础内容
(1) 超高频光栅理论与制备工艺研究
当光栅周期小于波长而深度又大于波长时，其衍射特性将引起根本性变化，双折射效应将取代反射效应，因此利用高频光栅可开拓出许多新颖的光学元件。然而这对微加工技术要求很高，需研究电子束光刻技术的运用。
(2) 波导光栅的理论与制备技术的研究
波导光栅兼具有耦合、导波和色散的功能，在密集波分复用技术中有重要的应用，可以利用它做成集成的波长复用与解复器，改变波导光栅的形态以及通过外场的操作，将会有许多新功能出现，如开关效应，偏转效应等。尚待进一步从结构设计与器件理论深入研究，而在Si基片上制作SiO2波导，需要精确控制厚层(10微米以上)SiO2中的Si含量分布，以达到优化波导层折射率分布，可兼容性实用化厚层SiO2生长工艺也是需要研究的基础问题。
(3) Si基新型光折变材料的研究
光折变材料不仅在存储上有重要的应用，同时利用光折变可以通过Bragg衍射效应实现对激光的稳频，以及实现一系列反馈式新型自调变光学器件，可用于数字化图象处理和实现光学细胞列阵处理器。体Si材料光折变效应很弱，因而必须利用能带工程的方法研究新型Si基光折变材料。
(4) Si基纳米微机械器的优化设计与实现研究
目前的微机械尺度大都在百微米的量级，部件的运作还是基于宏观的力学原理，当机械尺度为纳米级时，许多介观和微观的物理现象将会产生并得到新的应用。尤其在传感技术方面更为诱人。例如在波导的纳米的间隙中施加微小的外力，由于折射率的变化，将会改变消失场的耦合状态，而达到对振幅、位相或频率调制的目的。它对发展高灵敏传感器将有重要的应用。
2.4.2 半导体集成光子学与微结构集成光学研究现状与
发展趋势
1, 半导体集成光子学的主要成就及应用发展
(1) 信息传输系统中的半导体光子学
低损耗光纤与室温下工作的双异质结半导体激光器的问世为光通信得以迅速发展奠定了基础。目前实用化光通信系统的单信道速率已达10Gb/s，波长为1550nm的量子阱DFB半导体激光器是首选的理想光源。这种DFB激光器与量子阱外调制器单片集成的光源，最高调制速率可达40Gb/s。为克服单信道传输容量上的限制，方法之一是改用光孤子通信技术或是光时分复用(OTDM)技术。超快脉冲半导体激光器将是实现这种技术的关键之一。可选用的光源有：增益开关型MQW-DFB半导体激光器、量子阱DFB激光器与量子阱EA电光调制器的集成、量子阱锁模激光器等。
Tb/s量级的传输速率是即将到来的信息化社会的需求标志，为实现这一指标，较为妥当的方法是借助复用通信手段。量子阱结构1550nm波长可调谐DFB或DBR激光器的研制成功为波分复用(WDM)超大容量信息传输技术的发展奠定了可靠基础。对于光时分复用(OTDM)传输方式，则寄希望于实用化半导体碰撞锁模激光器，这种激光器可发生的码率最高可达100Gb/s，即0.1Tb/s。
(2) 信息入网与交换系统中的半导体光子学
在即将到来的高度发达的信息化社会，复杂的四通八达的信息网络与交换系统将比比皆是。这些系统的基本单元和关键器件是高速光波导开关。聚合物材料有大的电光系数、快的响应速度、可塑性强、加工成本低，又能够在微电子Si芯片上准单片集成，因此发展这类器件有吸引力。正在发展的SiO2光波导开关也是引人关注研究方向。它完全能与微电子器件兼容，有望发展廉价的全Si化光电子单片集成的光交换芯片。半导体Ⅲ－Ⅴ族材料Mach-Zehnder型波导光开关已经研究得比较成熟，响应速度快是其主要特点。然而半导体光放大器可实现兼具增益与开关两种功能，发挥其独有的特点，这也是当前一个重要的研究方向。
未来的光信息入网与交换系统还要求具有一定的逻辑功能，半导体SEED双稳态开关满足这一要求。这种器件利用量子阱材料中的室温激子效应运作，是一种具有逻辑功能的功耗低、响应快、灵敏度高的光—光开关器件。用于光交换系统，SEED器件还必需实现三维空间运作，这可通过多芯片组装的MCM技术来实现。SEED器件与高速电子器件集成组构的光电子集成芯片，被称作灵巧象素(Smart pixel)，它不仅能提高开关灵敏度，而且还可以扩充集成器件的功能。因此，这种器件对高速大容量和高度网络化的信息系统的开发具有重要意义。
(3) 信息处理系统中的半导体光子学
在高度发展的信息化社会中用光子作为信息载体来传递超高速逻辑运算的信息将是至关重要的。其中光互连是提高运算速度的最佳途径。上述VCSEL器件的成功实际上已为光互连技术的发展奠定了有力基础。在集成面阵方面，最近已有108×34 = 3672个VCSEL面阵的报道，成品率已达94%。为了扩展互连功能，除简单的面对面的连接外，还必需充分利用光的特性，使之具有并行、寻址和记忆的功能。采用MCM多芯片组装技术在互连光路中插入用以分束的全息片、有电光寻址与逻辑功能的SEED空间光调制器以及光电转换的探测器面阵等可使之得以解决。至于芯片内部的光互连，必需通过光波导的导引来实现。SiO2及聚合物光波导的成功均为之提供了很好的解决途径。
VCSEL-PD探测器及其集成面阵等还将为神经网络与人工智能中的光互连技术提供硬件基础。在两维图象信息中配上VCSEL面阵等可将模拟处理变为数字处理，兼顾了处理的高精度和实时性。
(4) 信息存储系统中的半导体光子学
超大容量存储与超快速度存取是信息化社会对信息存储技术的要求。当前，光盘成为光子存储技术中的佼佼者。写读光束的光斑大小是直接影响光盘存储量提高的主要因素。现在波长为630nm的量子阱半导体激光器正逐渐替代现行的780nm半导体激光器。GaN与ZnSe蓝绿光激光器的研制成功使光盘的存储容量大幅度提高。如用GaN量子阱材料再进一步研制出350nm紫外激光器，则有望将存储容量提高到50Gb以上。将信息复用技术用于存储，能够使之面貌大为改观。使用半导体SEED空间光调制器与面发射VCSEL集成面阵，实现立体存储，存储容量将可达Tb量级。
2, 微结构集成光学的研究现状
(1) 二维波导结构的集成光学系统
二维波导结构的集成光学系统已经在半导体和电光晶体(如LiNbO3)材料上成功地得到发展，并已初步成功地研制出集成化光学系统。如用于光交换网络的LiNbO3波导开关集成面阵，以LiNbO3为基片的声光偏转的集成化频谱仪、激光多普勒测速仪、光学相关器等。然而对半导体Si材料为基片的研究更为吸引人，并已成功地在光通信技术中得到重要应用,例如用以准直定位多光纤耦合的硅V形沟槽集成线阵，特别是近来成功发展的SiO2/Si弯曲波导集成光栅的研究成功，能够极方便地实现多波长耦合与单道传输和色散分离的功能，复用信道数几乎不受限制，为密集波分复用实用化通信技术的发展作出了重大的贡献。 (2) 自由空间三维集成光学系统
自由空间三维集成光学系统的研究是当前人们关注的热点，因为它能全面地体现出光子技术的优势，同时还能与微机械兼容集成，以期达到光、机、电微结构一体化的最终目标。尽管以电光晶体材料也能实现某些三维光学元件并有一定规模的集成，但是人们还是倾注全力来发展Si基三维集成光学。前面谈到几乎所有的衍射型、折射型、反射型的三维微光学元件都已能在Si基片上实现。目前的研究方向则集中于优化设计和工艺实现某些微结构光学系统中的基础集成部件，如将微型光学元件制作安置在Si基片上，初步实现了Si基微光学平台系统。数字微镜的面阵集成可能发展用于数字投影彩色电视机，也已成功研制出微结构光盘读写光头的原型产品。问题的关键是要研制出一系列光轴平行于Si基片的三维光学元件。
(3) 三维微结构的光、机集成
三维微结构的光、机集成也是引人注目的研究方向，并已证实完全可能实现最终的目标。目前的研究重点是参照常用光学系统中所需求的光学元件为根据，设计并实现各种微机械器，并在Si基片上实现与微结构光学元件的单片集成。作为初步的验证已经实现了微机械的平移座和旋转座与三维光学元件的集成，至于采用混合集成的技术微机械器也可以与有源光子器件集成，做成可调变方位的集成激光器或探测器等。
总之，微结构光学的发展将使光子技术的应用领域进一步拓宽，而使之与社会的需求更为直接地结合，像电子计算机的发展那样，从大型机，PC机发展到集成单片微处理器。那时从工艺生产线流出的产品不再是单一的元器件，而是一部部微型化的光、机、电一体功能完整的信息系统。生产规模将大为扩大，造价极大降低，使得家庭用户能予接受。它的成就无疑将使光子产业的发展获得革命性的飞跃。
2.4.3 集成光子学与微结构集成光学研究的重点与发展 战略
1, 集成光子学的研究重点
集成光子学的发展自然以实现固体化为前提，从长远的观点来看，它必需具备主动与被动的全面功能，同时还要考虑最终能与电子运作回路集成兼容。基于上述的理由，以半导体为基片的光子集成自然成为人们关注的热点，Ⅲ-Ⅴ族化合物、GaAs、InP基材料的研究已相当成熟，从技术上完全能够实现。只是从造价上考虑人们仍不放弃在Si基片上实现光子集成的期望。关键之处是要人工改造Si材料的二大不足之处，即间接带结构的低效率发光和非离子性金刚石共价键结构导致电光系数很小，非线性光学效应很弱。通过能带工程的运用是有希望获得突破的。当然，即使如此也不排斥化合物半导体材料基片依然是集成光子学发展的重要支柱，尤其是在光通信技术领域方面，更是如此。
鉴于半导体集成光子学是一门物理内容深遂、学科交叉宽厚、应用领域广阔的高新技术。它要求功能多样化、响应速度快、集成芯片功耗低、制作工艺可兼容，有待人们著力发展。对其基础问题的深入研究与掌握将是推进集成光子学发展的关键。为此建议以下5方面为重点研究内容：
(1) Bragg介质光栅的优化设计与多功能研究
研制水平向埋入式复折射率耦合(增益耦合和折射率耦合)的各种结构、形态的半导体Bragg光栅；研制垂直向埋入式各种结构、形态的多层半导体介质Bragg光栅反射器，对其功能特性从理论与实验深入研究；在Si基量子阱材料中研制垂直向半导体/介质多层膜Bragg反射器，以此构成Si基Bragg谐振腔，籍以发展Si基光子器件；
(2) 室温激子效应及光折变效应的研究
量子阱材料中激子的离化能比体材料至少大4倍，能在室温充分展现激子的存在。激子共振吸收系数大三个量级，二阶非线性效应很强，弱光下即出现饱和吸收。激子寿命很短，响应很快，达ps量级。量子阱中激子电场效应(Stark效应)很强。激子行为的上述优异物理特性为研究新型激子器件提供了重要的物理基础。研究激子增强效应与量子阱结构、形态依赖关系，以期探索进一步优化激子特性及拓展其功能应用。
人构改变Si材料晶格对称性及价键特性，同时引入激子增强效应，有可能增强Si基材料的电光效应和提高二阶非线性光学效应，从而研制能与微电子兼容集成的相应的Si基光子器件，对光子集成，尤其是光子与微电子兼容集成的发展有深远的意义。
量子阱中的激子对光折变效应有重要的贡献，通过结构优化和外场的配置，研究出对弱光敏感的、局域性强、响应快的新型光折变材料。它将在光存储和光信息处理集成器件中得到重要应用。
(3) 微光学腔光场量子化特性及腔内光子与激子耦合过程的研究
光场量子化分布、模间距扩大、自发辐射谱压窄、受激辐射率增强、腔中光子寿命缩短等一系列腔内量子电动力学行为的深入研究和利用，可以发展极低阈值电流(微安级)、极快响应、极高相干性和极低噪声的新型微腔激光器。微腔本身又是一种特殊形态的光子晶体，可能有很强的非线性效应和光折变效应。微腔中的光子与激子的耦合也与常态有极大的差异，可能呈现出许多可用于发展新型光子器件的物理效应。系统深入的研究对促进光子集成的发展将是一个新起点。
(4) 能带工程的应用研究
研究大失配度InP基应变补偿量子阱材料，调整能隙及带边结构，调整激光输出的偏振特性，研制偏振中性光开关和光放大器等重要光子集成器件。在SiGe/Si量子阱系统中，选用张应变生长实现Ⅱ-型量子阱结构，改善导带电子的局域限制效果，提高相邻量子阱间的电注入发光效率。在SiGe/Si体系中掺适量的C，达到近匹配生长的状态，避免应变弛豫对器件退化的影响。
δ掺杂也是能带工程的一方面，利用界面库仑场有效提高导带偏移，改善量子阱中电子的局域化状态，并可研究各种以共振隧穿效应为基础的新型光电子器件。
研究压应变纳米尺度岛状生长获得高密度自组装量子点材料，有希望突破间接带的限制，大大提高Si基材料的本征发光效率。
(5) 有重要应用前景的光子集成器件与集成单元的基础性研究
研制用于超大容量光通信的增益耦合和复折射率耦合的InP基量子阱分布反馈(DFB)激光器及其与量子阱高速EA调制器的单片功能集成，研究4路波分复用集成单元制作中的工艺优化与兼容问题。
研制可能发展为单片集成光子接收机含隐埋Bragg反射器谐振腔的Si基量子阱1.3μm长波光电探测器，其制备工艺能与微电子工艺兼容。
研制可用于二维光信息处理的GaAs基近红外波段微腔激光器及其集成面阵和微腔VCSEL与开关器件的单片集成的工艺优化与兼容问题。
研制可用于光存储和空间光通信的垂直场配置的GaAs基量子阱光折变开关器件，研究光斑写入尺寸效应。
研究InP基应变补偿、偏振不敏感的增益光开关及集成单元。
研究GaAs基双稳态光开关与微电子芯片的光电子集成。
通过上述研究达到对半导体光子集成基础物理问题的深入掌握和集成技术的优化设计与工艺实现的熟练运用，为集成光子学的发展奠定基础。
2, 微结构集成光学的研究重点
从长远的观点考虑，微结构集成光学的研究重点应着眼于未来的光、机、电一体化集成的实现，因而选定以Si为基片材料入手，并着手开展三维微光学元件及其集成化的研究。而对二维波导光学器件及其集成的研究，则宜结合实际的需要迅速展开，如密集波分复用(DWDM)的SiO2/Si弯曲波导光栅的研究，以及探索低功耗、快响应Si基波导开关矩阵的研究，以满足光交换系统的需求。
三维微光学元件的研究在制作工艺方面实际上与微机械是相容的，应着手以关键性的三维Si基光学元件，如微型Fresnel透镜、折射式微透镜的研究为起点。在微机械方面则应着手开展微光学平移与转动器，微步进马达的研究为起点。 在此基础上研究Si基微光学平台的设计与制作。
上述研究工作应充分立足于现有的微电子微细加工技术并考虑到能与微电子电路的兼容集成。微结构光学的发展关键主要是微光学元件的优化设计、合理布置以及微加工技术的运用。 基础研究方面则应放眼于创新与开拓，如对超高频光栅的新结构、新现象的研究与新元器件的应用，集成光学纳米机械多功能传感器的研究以及探索Si基新型高灵敏、高定域化光折变材料等。
2. 5 生物医学光子学
生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻找自己的有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。近几年来，已形成了光子学与生命科学互相交叉的学科新分支—生物医学光子学(Biomedical Photonics)。这方面的研究工作十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。最近两年美国光学年会的论文中有近三分之二的内容与生命科学有关。国际上也出现了专门的研究机构与杂志，如日本已成立了一个生物光子学研究中心，美国几个大学也建立几个研究小组。Laurin出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。多年来，SPIE(国际光学工程学会)于每年年初召开一次规模十分庞大的“生物医学光学”国际性学术会议，并于1996年出版了新的期刊Journal of Biomedical Optics。 美国光学学会的重要会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目更名为“Optical Technology and Biomedical Optics”。
生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学二个部分。分属于生物学或医学的光子学与光子技术领域至今尚无明确分界，两者之间存在有互相交叠的范围。其中，医学光子学发展迅速，己成雏形。目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容；一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工与和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究。
2.5.1 生物光子学
早在光子学产生初期，充满发展活力的生物科学就和光子学相互交叉渗透，促使生物光子学这一边缘学科生长点悄然屈起。本世纪八十年代初期，这一个新兴领域的提出是基于生物系统的超微弱光子辐射(BPE)的发现及其研究结果。迄今为止，人们对BPE已取得一些初步的认识，例如，认为BPE是自然界普遍存在的一种现象，是生物体固有的一种功能。它是在不同的生理、生化条件下生物体综合信息的反映。除了极少数低级生物如某些原生生物和藻类外，大多数动植物均能产生BPE。而且生物进化程度越高，BPE值越大。BPE的光谱范围从紫外、可见到红外波段。另外，生物的进化水平越高，辐射的波长越向红外扩展。BPE具有高度的相干性，并具泊松相干场的特征，它是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光等。
如果说光子学是产生和利用以光子作为量化单位的辐射的技术，而且其应用范围从能量的产生和探测扩展到信息的提取、传输与处理等，那么，生物光子学则涉及生物系统以光子形式释放的能量和对来自生物系统的光子探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能的信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工改造。
1， 生物系统的光子发射
(1) 生物系统的自发超弱发光只要是活的生物，小至细菌徽生物和各种动植物细胞，大到植物，动物甚至人，都存在自发的光子辐射，通常，这种光子发射极其微弱，只有几个到几千个光子/s•cm2，故称生物系统自发的超弱发光。其光谱范围颇宽，从紫外延伸到近红外，必须用灵敏的光电探测器(如光电倍增管，微通道板像增强器)才能探测。近30年的研究表明：生物超徽弱发光与生物的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、光合作用、癌变以及生长的调控等许多基本的生命过程等都有着内在的联系，而且正是由于它与活的生物体内发生的生化过程、生物机体的生理和病理状态等有着密切的联系，因此才使其在医学，农业，环境等众多方面都具有潜在的诊断价值。
(2) 生物系统超弱发光的本质、生物系统超弱发光的光子来源始终是研究者关注的中心，目前认为它来自以下三个方面：
A生物系统中由于氧化代谢而不断产生活性氧自由基，并由此而产生单线态氧和激发态碳基，它受生物体内的抗氧化防御系统与免疫系统的影响；
B 生物体内酶促反应形成的激发态分子；
C 由于集合效应所形成的重要生物大分子(如DNA及其碱基)的激发态和激发态复合物因其能级分布远离玻耳兹曼分布，而使生物系统处于能级高度反转状态，并通过相互作用而发射具有某种相干程度的光子。其相干程度可能是生命的一个特征。生物系统的超弱光子辐射是否携带信息、是否构成生物系统之间及其内部细胞之间通信联系的一种途径? 这些都是引入关注的重要问题。深入认识生物超弱发光的本质，开发其应用潜力，是生物光子学的基本任务之一。
(3) 生物系统超弱发光的重要应用生物系统的超弱发光在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境监测等方面有重要应用。
由于超弱发光与生物体的生理病理状态有关，因此使之在临床诊断上有潜在的应用价值。例如，已有研究表明，肿瘤患者与健康人相比，其血液以及许多器官与组织的超弱发光升高。另外，研究还发现，种子与幼芽的超弱发光对温度、湿度及盐碱度的依赖性在一定程度上反映了作物的抗寒、抗旱与抗盐碱的性能，显示了生物超弱发光在农业上的选种育种等方面有重要应用前景。物理、化学方法的环境监测只能给出当时测量的污染程度。由于生物系统的超弱发光对环境水源与大气中的化学污染极为敏感，因此可利用其作为环境污染的生物指示剂，为环境的监测提供了一种新的简捷手段。
(4) 生物超弱发光的成像
利用高灵敏度的光子探测与成像技术，并结合光子统计与光子相关测量技术，在可见或近红外波段获得生物体的超弱发光二维图像，用以测量人体的代谢功能与抗氧化、抗衰老的机体防御功能。因此可望在疾病与临床诊断方面得到重要应用。
(5) 生物系统与细胞之间的光通信
一般认为，细胞间的“通信”总是借助一些特殊的“信使分子”来实现的。“信使分子”包括激素、抗体、生长因子和神经递质，也包括某些无机离子。这种通信从本质上讲都是通过分子间的相互作用(如信使分子与细胞膜上受体蛋白的相互作用)实现的“化学通信”。细胞之间是否存在着“物理通信”? 即细胞之间是否存在着通过电磁场或光子相互作用来实现现代的信息传递? 目前已有实验证据表明：细胞、组织甚至生物体之间有可能通过光子的发射和接收传递信息。细胞之间光通信的研究将会揭示生命现象的一个鲜为人知的方面，并可能在医学、健身和农业等诸多方面得到重要应用。
(6) 生物系统的诱导发光
外界短暂的强光照射可以诱导生物系统的光子发射，这种诱导发光的强度通常大大高于自发发光的强度，且随时间衰减。诱导发光的光谱和强度取决于组成生物系统的可激发分子的种类和含量，还取决于分子间的相互作用及能量传递，因此，诱导发光将能提供生物系统组成和结构的信息，这种发光早已用于植物光合作用的研究。最近的研究表明，这种诱导发光在疾病的诊断和食品质量的检测方面具有相当诱人的应用前景。
2，光子技术在生物科学中的应用
随着激光技术、光谱技术、显微技术及以光纤技术的飞速发展，它们在生物科学的研究与医学诊断中的应用也越发深入和广泛，已成为现代生命科学研究的重要工具，并为之带来革命性变化。
(1) 荧光探剂与激光扫描共焦显微术
激光扫描共焦显微术的基本原理是，在细胞内一个任意选定的深度上将激光束聚焦成线度接近单个分子的极小的斑点，并在细胞内一定深度的层面上进行扫描，通过光学系统，即可得到细胞一个层面的清晰图像。连续改变激光的聚焦深度，在一系列的层面上进行扫描，最后获得整个细胞的三维图像。利用目前已达上千种与细胞内不同分子(或离子)特异性结合的荧光探针，人们就可以直接观察活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其他分子的相互作用等。例如观察细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维，观察细胞信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子，还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞，用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。荧光探针和荧光蛋白与激光共焦显微术的结合，使人们能够看到细胞内一个既复杂又异彩纷呈的世界。
(2) 多光子荧光成像技术
目前，共焦显徽成像术使用的是可见光波段的氩离子激光器，因此可能引起活细胞的损伤。利用多光子，如双光子激发，至少有以下三个优点：一是由于用近红外光激发，故对活细胞的损伤大大减少；二是在组织中由于近红外光比可见光的透过率高，因此可观察样品中更深层的荧光像；三是许多用在可见区甚至紫外区的荧光探剂照样可以使用。这种技术主要是使用高强度红外激光，使双光子的激发效率与短波长的单光子相当。现在已有一些激光器满足这一要求。
(3) 光钳和单分子操作
光钳(Optical tweezer)技术诞生于80年代，发展于90年代。其基本原理是：当一个微粒(例如一个与生物大分子结合的硅珠)处于一个强度按高斯分布的激光光束中时，由于光场强度的空间变化，光束将对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并使其稳定在那里。这样，激光束就似如一把“钳子”将粒子牢牢地钳住，并令其随光束人为地移动。光钳施加在微粒上的力，小大取决于光的波长、光束的宽度及功率等。当激光器的功率为几毫瓦到几瓦时，施加于尺寸为微米大小微粒上的力约为几个到几百皮(10-10)牛顿。为了不使激光被生物组织强烈吸收，光钳一般使用近红外激光器光源。光钳技术的一个重要应用是，用以研究和观察与肌肉收缩、细胞分裂、蛋白质合成等密切相关的一类蛋白质—分子马达。研究时，将一个微米大小的硅珠或聚苯乙烯珠与这些分子马达接在一起，在显微境下用光钳钳住小珠，启动分子马达，就可以测量出分子马达运动时产生的力。德国学者已经用激光在卵细胞膜上打孔，用光钳将精子抓住并送入卵细胞，大大提高了体外受精的成功率。今后，新一代的光钳将具备施力的反馈机制，使光钳加在捕捉粒子上的力能够改变其大小，从而研究影响分子马达的各种因素。光钳还可以用来对细胞进行各种加工等。因此，光钳将在细胞工程技术方面发挥重要作用。
2.5.2 医学光子学
当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。为此，人们从各个学科角度(磁学，声学，化学，光学等)探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演重要角色。认识光在生物组织中的传播规律，以及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光电探测器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础。
新兴的光子学与现代医学相结合形成了一个新交叉学科生长点：医学光子学(Medical Photonics)。医学光子学的发展动力主要来源于医学的迫切需要。许多面向临床光治疗以及光诊断的具体应用，如激光医学中的光剂量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等所提出来的各种问题，急待医学光子学给出满意的回答，由此极大地促进了医学光子学的迅猛发展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特别是活体的人体组织。它的研究成果将直接服务于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，为人类文明和社会进步做出贡献。
医学光子学正在处于兴起阶段，我国的研究基础与条件虽然相对较为落后，但我们在实践方面多有优势，且同国外处于一个起跑线，因此只要组织得力，选题得当，经过努力一定会在某些方面，如理论和计算以及临床方面获得突破，并占据国际领先地位。
1， 医学光子学基础
关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已经初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”(Tissue Optics)作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学(包含光诊断和光治疗)的前提。
组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学(如光的传播)问题和动力学(如光的探测)问题是其研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。我们认为，结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：
(1) 光在生物组织中的传输理论研究
目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。
(2) 光传输的蒙特卡罗模拟计算
蒙特卡罗(Mont Corlo)计算模拟方法，己在许多领域里发挥了不可替代的作用。己经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性要求。除了解光在组织中的分布外，还应探索一种方法，能从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间确定的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以得到比稳态条件下更多的信息。
(3) 组织光学参数的测量方法和技术
在组织中光的传输理论确立后，一项关键性工作是确定组织体，尤其是人体组织的光学性质基本参数，即吸收系数μa，散射系数μs和散射位相函数S(θ)或平均散射余弦g以及折射串n等。一旦己知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率φ(r)或其它参量如全反射率R、全透过率T等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损测量尤为重要。在这方面，时间分辨与频率分辨的测量方法引入注目。
(4) 生物组织折射率及其色散关系
尽管人们不得不在各种情况下使用假设的折射率数据(1.33～1.38)，但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们尚未在概念上对生物组织折射率作深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明，生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上，还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及其方法作为重点之一开展研究。
(5) 组织光学理论工作的几点思考
综上所述，作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库外，在理论上可着重思考为以下几个问题：
A 继续改进生物组织光传播模型，一要发展受限制较少、快速而又精确的模型；二要精确化组织光学模型，使之与生物组织，特别是活体状态相近似；
B研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫射光的时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备；
C研究调制光在生物组织中的传播特点。 例如将受振幅调制的光照射到组织上会产生漫射光子密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又可以用来成像；
D研究生物组织散射和吸收的光学特性对探测荧光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明这种影响是不可忽略的；
E光在复杂组织结构中的传输过程的计算机模拟。通过大量模拟，找出简单而有效的规律来说明光在生物组织中传输的基本性质，并在各种参数之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据；
F统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的组织光学理论体系。
2，医学光子技术
医学光子技术分为两大类：光子诊断医学技术与光子治疗医学技术，前者是以光子作为信息载体，后者则以光子作为能量载体。
目前，无论是光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。如果着眼于人体应用为对象，这两种技术则归属于激光医学范畴。激光医学是医学光子技术的一个特有的重要应用领域，也是近多年来迅猛兴起的一个新学科分支(详见本节第3款)。
根据国际、国内的发展情况，以下诸点是医学光子技术的主要研究内容：
(1) 医学光谱技术
激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。
A生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。 已对激光诱导生物组织自体荧光和药物荧光诊断动脉粥样斑块和恶性肿瘤进行了临床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断和定位的实时荧光图像处理系统。
激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注。光谱检验法的灵敏度很高，如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰，来诊断癌细胞的存在，则对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今该技术在临床上尚无法单独作为癌细胞检测的依据，关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。
目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。
B生物组织的喇曼光谱。 近年来，喇曼光谱技术应用于医学中，己显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技术区分病变组织时由于生物大分子荧光带较宽、易于重叠对准确诊断带来的影响。目前，这一研究领域尚处于起步阶段，应加紧开展以下研究工作：其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建立其光谱数据库(包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等)；其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理；其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。
C生物组织的超快时间分辨光谱。 超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射(透射)光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特性。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。应抓紧开展原理与技术的研究，以获得有价值的活体光学参数，为光诊断与光治疗技术的发展提供依据。
(2) 医学成像技术
人们致力的目标是：发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术，同时应具有非侵入式、实时、安全、经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分的特点。目前研究工作主要集中在以下几个方面：
A时间分辨成像技术。 它以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。该项技术是光学层析(断层)造影(OT)技术中最主要的一种；
B相干分辨成像技术(OCT)。 它采用的是弱相干光光源(如，弱相干脉冲激光或宽带的非相干光光源)，其相干长度很短(如20微米)。利用光源的低相干性能通过散射介质来实现成像，实现手段有干涉仪、全息术等；
C漫射光子密度波成像技术。 透过生物组织的漫射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。高频调制的光射人生物组织，被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布，形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅衰减系数在生物组织中传播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅和相位，再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。
D 图像重建技术。 生物散射介质的结构特征信息隐含在漫射光中。若能找到描述光在介质中迁涉规律，通过测试漫射光的有关参数，再沿光的散射路径逆向追溯，则应能重建散射介质结构图像。如采用锁摸激光器作光源，条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量，再用逆问题算法进行图像重建。目前，逆问题算法大体有两类：一类为蒙特卡罗法，采用这种方法，图像重建精度高，但是计算复杂；另一类是基于光的传输方程，采用优化算法，根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建。
除了上面四种技术外，近年来还发展了其他一些生物组织成像技术，如空间选通门成像技术，时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前，国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段，离实用化还有相当距离，但人们已经看到它初露曙光。
(3) 医用半导体激光及其应用技术
由于半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长和多种波长可供选择等一系列显著优点，所以它在激光诊断医疗技术中有逐渐取代其他多种激光器的趋势，从而有可能成为激光医用仪器的最主要光源。目前的状况是：低功率半导体激光器，波长为800nm～900mm，功率为3～10mW，已逐渐替代He-Ne激光器作照射治疗和光针疗法，以及作各种指示光源；中功率器件，波长652nm～690mm，功率lW～5W，已逐渐替代染料激光用于光动力疗法，可治疗较深部的肿瘤；高功率半导体激光器，也有可能替代Nd:YAG激光治疗机。如波长为800nm～900mm，功率为30W的高功率半导体激光，穿透组织深，适用于Nd:YAG激光所能治疗的大部分病种。
(4) 其他医用激光技术发展动向
近年来，值得注意的研究动向还有：其一是新工作波长激光医疗仪器的开拓；其二是Ho:YAG和Er:YAG激光手术刀走向实用化；其三是腔内治疗使用的，光纤内窥式激光医疗技术的开发；其四是激光医疗设备现实智能化。
3， 激光医学
以激光为光源，着眼于人体应用为对象的光诊断和光治疗技术开辟了激光医学这个重要的新领域。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：
(1) 光动力疗法治癌
光动力学肿瘤治疗是世界范围广泛关注的大课题。肌体注射肿瘤能聚集的光敏剂之后，受激光照射，产生光化学作用，可以选择性地杀死肿瘤细胞。 目前存在的主要问题有两个：一是皮肤光敏副反应大，要长时间避光；二是激光透入人体的深度太浅，深层肿瘤无法进行光化作用，因此复发的可能性很大。现正在积极研制开发性能优良的光敏剂和能穿透组织深部且与光敏剂作用良好的激光。此疗法的前景仍然是十分乐观的。
(2) 激光治疗心血管疾病
经皮激光冠状动脉成形术治疗冠状动脉狭窄及阻塞病变的技术已有长足发展。用准分子激光进行冠脉成形术已成为首选方法。但因管腔的再狭窄等问题尚待进一步解决，因此该项技术目前还难以有效推广。除上述冠状动脉成形术外，心肌血管重建术、激光直接消融心脏的异常节律点，治疗严重心律失常等也是当前的研究热点。
(3) 准分子激光角膜成形术
近年来出现的准分子激光角膜切削术，以紫外激光的高光子能量打断角膜基质内的分子链，造成非热致汽化，改变角膜的厚度与曲率，从而达到治疗近视眼的目的。由于这种方法具有热损伤小、切割精细、安全有效、预测性好等一系列优点，故发展十分迅猛，已成为激光医疗领域的一大热点。目前施行激光屈光手术有两种比较成功的方法，即激光屈光性角膜切削术(PRK)和激光原位角膜切削术。后者是在角膜瓣下进行激光切削，效果稳定且回退现象较少，是目前较为理想的屈光矫正手术。除了准分子激光外，新开发的Ho:YAG和Er:YAG激光也在治疗近视眼方面展示出很好的应用前景。
(4) 激光治疗前列腺良性增生
将Nd:YAG激光、半导体激光或Ho:YAG激光经尿道引至增生的前列腺部位，汽化或凝固增生组织，以达到治疗目的。这种技术比常规手术简单易行，损伤、痛苦少，因此有重要应用前景。
(5) 激光美容术
激光美容术是一种十分精细的激光外科手术。采用激光束扫描技术，可避免辐照区重叠造成损伤；为了避免热损伤，还可采用脉冲激光。目前开展的工作有三个方面：其一是用射频激励脉冲CO2激光治疗面部皮肤皱纹(称为换皮术)；其二是用脉冲金绿宝石激光治疗太田痣和文身；其三是使用染料激光治疗鲜红斑痣。可以预料，一、二年之内，激光美容术将在我国兴起。
(6) 激光纤维内窥镜手术
通过光纤内窥镜活检孔，借助窥镜观察，对人体通道(如气管、食道、胃肠、泌尿道等)的病变进行激光治疗。最近开始使用半导体激光器，值得关注。
(7) 激光腹腔镜手术
在不剖腹或小口剖腹情况下，可以通过激光与光纤技术治疗腹腔疾病或病变，如妇科疾病宫外孕、子宫肌瘤、卵巢切除等。
(8) 激光胸腔镜手术
不开胸，通过脑腔镜用激光完成胸膜手术，切除胸膜肿瘤，还可以做周边肺手术、交感神经手术等，更深入的工作尚待开发。
(9) 激光关节镜手术
可作关节游离体摘除、炎性滑膜摘除、半月板切除、经皮穿刺椎间盘减压术等。在这项手术中目前主要使用Ho:YAG和Er:YAG激光器。
(10) 激光碎石术
用闪光灯泵浦得到的波长为504nm的染料激光，可经输尿管镜用以击碎尿道结石。类似地，也可破碎肾结石、胆结石等。
(11) 影像(超声、CT、MRI)引导经皮激光手术(介入疗法)
目前这类手术已有经皮超声引导激光消除肝癌、光动力疗法治疗肝癌以及经皮超声引导下作卵巢组织间照射等。
(12) 激光外科手术
用CO2激光器制作非接触手术刀或用Nd:YAG激光器、半导体激光器制作接触式刀头，在外科切割、精细手术等方面得到应用。优点是切割时同时封闭血管、淋巴，术中出血少，减小转移、不易污染等。
(13) 激光焊接
激光能够凝固、融合组织，因而在严格控温情况下，可作血管吻合术、肠吻合术、神经对接、肌膜修复、硬脑膜粘合以及胸膜瘘修复等。
(14) 激光在口腔、领面外科及牙科方面的应用
目前较多研究治疗牙周病及利用Er:YAG激光器代替高速涡轮牙钻，实施对牙体硬组织的切割等，这方面有应用前景。
(15) 弱激光疗法
弱激光用于医治疼痛、功能性疾病及替代针灸等已见疗效，但尚缺科学的对照分析，其机理有待深入研究。现在较为统一的观点是，弱激光对细胞有作用，如对蛋白质的合成、细胞的生长、分化与运动性、膜电位及键亲合力、神经递质释放等有促进或抑制作用。另外，弱激光对诱导血管平滑肌细胞凋亡也有作用。凋亡不同于坏死，不致炎症反应，不会刺激细胞增殖，因此在医疗中是有意义的。
2.5.3 生物光子学的近期研究重点
1， 生物光子学近期研究重点
(1) 深入认识生物体超弱发光的本质，开发这种发光的应用潜力；
(2) 生物系统超弱发光在临床、农作物遗传性诊断以及环境监测等方面的应用；
(3) 生物超弱发光的成像技术与应用研究；
(4) 探索细胞、组织乃至生物体之间的光子通讯及其机制，揭示其在生命现象中的作用，以及在医学、健身和农业等诸多领域的应用；
(5) 研究生物系统诱导发光的机制，开发其在疾病诊断与食品质量检测等方面的应用；
(6) 光子技术在生物科学中的应用研究，包括荧光探剂及激光扫描共焦显微术的开发与应用研究；多光子荧光成像术的开发与应用研究以及对光钳与单分子操作的机理与开发应用进行研究等。
2，医学光子学近期研究重点
(1) 开展医学光子学的基础研究，包括；深入研究生物组织中光的传输理论，探索生物组织折射率及其色散关系，确定组织光学参数的测量方法与技术等组织光学问题；建立组织光学参数数据库；
(2) 开展医学光谱学的研究，包括：对生物组织自体荧光与药物荧光光谱的研究，对生物组织喇曼光谱及超快时间分辨光谱的研究等；特别是，要抓紧应用超快时间分辨漫反射(透射)光谱技术，深入开展关于组织光学特性的测量原理与方法的研究工作；
(3) 抓紧对医学光子技术开展应用研究，应着重研究的课题有：无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术以及其他的活体组织无伤害光子学检测方法，包括用于肿瘤诊断的激光荧光诊断技术等；
(4) 对医学光子技术中重要的、新颖的光子器件和仪器设置进行开发性研究，例如：研制医用半导体激光系统、角膜成形与血管成形用准分子激光设备、激光美容(换皮去皱、植发)设备或其他新激光设备，开拓新工作波段的医用激光系统以及开发Ho：YAG及Er：YAG激光手术刀等。
3，激光医学近期研究重点
(1) 研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数(包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等)对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据；
(2) 研究弱激光的细胞生物学效应及其作用机制，包括；弱激光与细胞生物学现象(基因调控和细胞凋亡)的关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫(抗菌、抗毒索、抗病毒等)的关系及其机制；
(3) 深入开展有关光动力疗法机制、激光介入治疗、激光心血管成形术与心肌血管重建机制的研究，积极开拓其他新的激光医疗技术。