一、前言
随着现代科学技术的飞速发展，人类历史进入一个崭新的时代——信息时代。其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。作为信息科学的基础：电子学与电子技术将由微电子学与技术向纳米电子学及分子电子学与技术发展；与此同时，近年来，一个新兴学科——光子学已经峭然兴起，它继电子学之后，又为信息科学的发展提供了一个重要的可靠基础。
对于光子学这一门新兴学科，在学术界尚有各种见解与讨论。从普朗克的量子假说到爱因斯坦的光量子假设再到现在光子在各个科技与生活的运用。都充分的证明了光子学已经形成一个新兴的独立学科，光子技术作为信息科学的支撑技术将与电子技术相互渗透、补充，并发挥越来越重要的作用。
二、光子的发展与意义
（一）、光子的起源
光子，也称光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻粒子。光子是电磁 辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子没有静止质量，光子有速度、动量、能量、质量，其在真空中的传播速度是光速。
1900年普朗克经过深入研究和分析，发现必须使谐振子的能量取分立值，他假设辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量不象经典物理学所允许的具有任意值，只能是某一最小能量e （e 称为能量子）的整数倍，即
e ，2e ，3e ，……ne
n为正整数，称为量子数。对于频率为υ 的谐振子来说，最小能量为
h为普朗克常数，h=6.6260755(40)×10-34J·s。
在辐射或吸收能量时，振子从一个状态跃迁到另一个状态，“跳跃式”地辐射能量。
（二）、爱因斯坦光量子假设
普朗克的量子假说提出后的几年内，并未引起人们的兴趣，爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说，并从中得到了重要启示：在现有的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。
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为了解释光电效应， 1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说。爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E＝hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为
p＝E/c＝h/λ。
根据光量子假说，爱因斯坦顺利地推出普朗克公式，并且依据光量子假说成功地解释了光电效应。
从当时的观点看来光量子假说同光的干涉事实矛盾，许多物理学家不赞成光量子假说。
1915年美国物理学家米立肯宣告，他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。他根据光量子理论给出了h值的测定，与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。
1922—1923年间，康普敦研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁波理论，发现了康普敦效应。按照光量子理论，入射X射线是光子束，光子同散射体中的自由电子碰撞时，将把自己的一部分能量给了电子，由于散射后的光子能量减少了，从而使光子的频率减小，波长变大。因此，康普敦效应的发现，有力地证实了光量子假说。
爱因斯坦的光量子假说发展了普朗克所开创的量子理论。在普朗克的理论中，还是坚持电磁波在本质上是连续的，只是假定当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出量子性。爱因斯坦对旧理论不是采取改良的态度，而是要求弄清事物的本质彻底解决问题，他看出量子不是一个成功的数学公式，而是揭露光的本质的手段。他克服了普朗克量子假说的不彻底性，把量子性从辐射的机制引伸到光的本身上，认为光本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的。爱因斯坦的光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格。
（三）、光子学与激光的相互发展
20世纪60年代激光的问世大大地推动了光子的发展，在激光理论中建立了半经典理论和全量子理论。半经典理论将物质看成是遵守量子力学规律的粒子集合体，而激光光场则遵守经典麦克斯韦电磁方程组。此理论能较好地解决有关激光与物质相互作用许多问题，但不能解释及辐射场量子化有关的现象，例如激光的相干统计性于物质的自发辐射行为等。在全量子理论里，把激光场看成是量子化的光子群，这种理论体系能对辐射场的量子涨落现象及涉及激光与物质相互作用的各种现象给予严格又全面的描述。对激光的产生机理，包括对自发辐射和受激辐射更详细的研究，对激光的传输、检测与统计性等的研究是光子学主要研究课题。
（四）、光子发展的意义
光子学及其技术的发展重点应从基础光子学、信息光子学和生物光子学三个领域中择优选定。
1）、光子学兴起和发展的直接原因之一是，光学研究从宏观向微观现象的深化，必然要求人们从微观、在更深层次上了解光子及其与物质相互作用的规律，于是导致人们在认识上的不断飞跃，并因此而促成了光学向光子学的进一步开拓。
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对光子学的更深层次的认识，亦即光子学理论基础，反过来又为光子学、为光子技术的应用和发展不断提供新思想、新观念、新构思、新方法，进而促成了理论向应用的转化，为社会创造了精神与物质财富。这是当前光子学发展之本。鉴于此，应从基础光子学领域选定若干数量的重点研究项目。
2）、 光子学兴起的另外一个直接原因是，光子学与信息科学之间形成的交叉，即信息光子学，不但为光子学本身的发展注入生机，而且更重要的是，它为信息科学乃至信息社会提供了最优秀的载体，成为今天乃至未来信息时代的、不可替代的重要支柱。
三、现代光子学
（一）德布罗意的干涉理论与光子的波粒二象性
1）、干涉现象依赖于运动的光原子群体的存在，而这些光原子并非独立的而是相关的。所以，如果光量子理论可以用于解释一些干涉现象，那是由于光量子群体存在的结果。
2）、德布罗意在光有波粒二象性的启示下，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假说，他把粒子和波通过下面的关系联系起来:粒子的能量E和动量p与波的频率v和波长λ之间的关系，正向光子和光波的关系一样：
即德布罗意公式。
（二）光子的信息发展优势 光子学与光子技术、电子学与电子技术虽同为信息科学的两大基础技术, 但前者已越来越显示出极大的优越性
1）、光子具有极高的信息容量和效率作为
信息载体，光子与电子相比信息容量要大出几个量级。例如，一般可见光的频率为5×1014Hz，而电子技术中微波的频率仅为1010Hz 量级，即光子可承载信息的容量起码比电子高出3～4个量级；光子还可在光纤中能够直接传播100 km 以上。如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声则有可能减小到极小值，光子的信息效率自然也将成量级地提高。
2）、光子具有极快的响应能力
信息载体的响应能力是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中, 电子脉冲宽度最窄在 ns( 10- 9s) 量级。对于光子技术来说, 由于光子是玻色子, 没有电荷, 而且能在自由空间传播。所以，光子脉冲很容易做到脉宽为 ps( 10- 12s) 量级。而实际上, 现在实验室的光子脉冲宽度已达到小于10fs( 10- 15s) 量级。因此使用光子为信息载体, 信息速度达到100 Gb/s, 甚至10 Tb/s( 1012bit/s) 是可能的。如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质, 光子可以极高的速度通过光纤将信息传输到几千公里或更远的距离。这样, 获得的信息比特率与传输距离之积将得到很大提高。
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3）、光子具有极强的互连能力与并行能力 因为电子具有电荷，使得电子与电子之间因为库仑作用力而无法彼此交连。例如, 在电子技术中, 两根导线如果交连, 就会形成短路。所以, 在电路中为了实现互连, 就只能像搭“立交桥”那样, 将其运行路线彼此隔离,这就使互连受限。另外, 在电子技术中, 电子信号也只能是串行提取、传输和处理的。对于两维以上的信号, 如图象信号等, 则只能依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。而对于光子来说, 在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷, 彼此间不存在排斥和吸引力, 具有良好的空间相容性等。
4）、光子具有极大的存储能力
不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，还能完成三维存储；再考虑“频率维”等，可用于存储的参量很多。对于光子，这个量为其波长（λ） 量级。因此，它的三维存储容量为（1/λ)^3量级。如果使用可见光（λ≈500nm）。光子的存储能力则达到(1012bit/cm)^3量级。三维存储除容量大外，而且可进行并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算并行连接，由此速度很快。再者光子不带电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生电磁干扰，具有保密性。这些优点，都是电子无法与之相媲美的。
（三）反射后激光（光子）螺旋性改变的量子论
关于激光（光子）园偏振（自旋）的一个早已被人们发现而后又被人们忽视的实验事实是，激光（光子）在反射过程中其螺旋性要发生反转：左旋与右旋互换。经典电磁理论对一现象的解释并不容易，而微观量子论的解释则尚未见到。 原因在于，支配这一过程的因素是转动非惯性系中的科利奥力，而经典电磁理论和量子电磁理论对极高速转动频率下科式惯性力耦合的描述与处理均存在困难。 因为，把惯性系中的理论推广到非惯性系会出现一些实质性的困难。基于近年王顺金提出的处理螺旋光纤内激光（光子）传播过程中螺旋性变化的理论方法和所得结果：
平面园形光纤和螺旋光纤内激光（光子）传播过程中螺旋性变化满足
（ ）
其中 W(t)是描述激光螺旋性或光子自旋的波函数，可以是右旋（ms= + 1)、左旋（ms= -1）或它们的线性迭加。H^（t）来自激光或光子在螺旋光纤中传播时形成的波矢转动非惯系的转动——自旋之间的科利奥力耦合，它把激光波矢（光子动量)变化与激光极化（光子自旋）方向变化耦合起来。
把它用于分析激光（光子）在反射后螺旋性（左旋与右旋）互换这一实验， 发现激光（光子）在反射的瞬息过程会产生一个极高的激光束回转频率，它与激光园偏振（光子自旋）发生科式惯性力耦合，进而改变激光（光子）的螺旋性。当激光束回转频率达到极大时，将发生激光（光子）螺旋性（左旋与右旋）互换。
四、光子技术的运用与前景
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