一、前言

光对于生命的重要性不仅体现在光合作用，对光的利用极大地影响了人类社会的生产和生活。当代科学的发展也与光学研究密切相关，例如对黑体辐射、光电效应等的深刻理解促进了量子力学和相对论的诞生，与光学直接或间接相关的诺贝尔奖成果达40余项。激光的出现是光子学发展的里程碑，对科学发展和实际应用都产生了深远的影响。同电子相类似，光子也可作为信息和能量的载体，光纤通讯成为信息社会的重要支撑。

微型化和智能化始终代表着先进科技和工业的发展方向。随着微纳加工技术的突飞猛进，微纳光子学应运而生。微纳光子学是微米和纳米尺度下的光学研究，它促进了光学系统向微型化、集成化方向的发展。在微纳尺度上，材料与光的相互作用会表现出与宏观体系不同的特殊效应，它变革了光信息的产生、传播、获取和处理方式，为下一代信息技术提供了无限可能。微纳光子学研究极小空间尺度光场的产生及其与物质的相互作用，是新物理、新应用的重要平台，对光场调控、光电集成、量子信息等具有深远的影响；结合微纳结构的尺寸效应和材料的特征光学属性，人们可以实现对不同光场维度（偏振、相位、时域响应、空域分布等）的精确控制，从而制备微型化、集成化、智能化的光学元器件；研究微纳结构的光学特性以及光子与激子、电子、声子等的相互作用，可为光能转换、片上光源、传感检测等领域提供新的方案；微纳结构与光场相互作用所产生的非线性效应、量子效应等为微纳尺度新型极端光场的构建和操控带来新的机遇。

随着近年来研究的深入，微纳光子学已经发展成为一个多学科交叉的前沿学科，在生命科学、传感、通信、数据存储、信息处理、能源、环境和国防安全等领域显示出巨大的应用价值和市场潜力。例如，表面等离激元突破了传统光学衍射极限的限制，能够实现比光波长小的纳米光子器件；微纳光子学可与微电子结合，解决微电子技术在底层互连系统和器件带宽、容量、成本及功耗方面所面临的困境；利用微纳结构小尺寸、可集成的特点，可实现光量子芯片；光学微腔和纳腔将光束缚在微小的区域内，极大地增强了光与物质的相互作用，可用于实现极高灵敏度的光学传感；微纳光子学缩减了光学系统的质量和体积，对微纳卫星光学载荷技术的发展具有重要意义。

近年来，世界主要地区和大国非常重视微纳光子学，在光子技术领域的布局犹如千帆竞发。2013年，美国国家科学院和国家科学研究委员会发布了“光学与光子学：美国不可或缺的关键技术”，其中指出：光学和光子学技术的发展和应用在过去的几年里从本质上推动了全球的发展，应努力巩固和加强美国在光学和光子学领域的领先地位。2014年，美国建立了“国家光子计划”产业联盟，奥巴马在“美国制造日”上宣布光子集成技术国家战略，在2015年成立了美国最大的制造研究所（包含超过124家研究制造单位）——“美国制造集成光子研究所”，来重振美国集成光子制造业的领导地位；英特尔、IBM、谷歌等科技公司对集成光子技术进行了巨额投入，并取得了不错的成绩。日本在1980年就成立了光产业技术振兴协会，并在2010年开始实施尖端研究开发资助计划，其中一项就是以实现“片上数据中心”为目标的光电子融合系统基础技术开发。2013年，欧盟启动了针对硅光子技术的PLAT4M项目；欧盟在“Horizon 2020”计划里更是集中部署了光子集成研究项目；法国在2018年发表了光学产业白皮书“Photonics France”，并在第一要务中指出微纳光子技术将应用于机器视觉、激光、光机械、光量子和光子集成等领域。2019年，华为在创新2.0规划中把光计算作为未来5年以上的重点研发技术。上述光子、集成光子项目都与微纳光子学的发展有直接或间接的关系。因此，微纳光子学代表了未来信息技术发展的战略方向，尤其是集成光子学，是世界各国展开激烈竞争的下一代信息技术的焦点，极有可能对人类社会的政治、经济和文化发展产生不可估量的影响。

二、微纳光子学的研究进展

由于微纳光子学跨学科、学科间深度交叉的特性，它的研究范畴已经被极大地拓展，相关进展极其繁多。本文篇幅有限，很难涵盖全面的进展。本节将简要介绍微纳光子学领域几个典型方向：等离激元光子学、超材料与超表面、集成光子学和微纳光源。除此之外，拓扑光子学、非互易光子学、微纳尺度光热效应、微纳尺度光机械效应、光学传感和成像、光化学反应、强耦合效应、光子晶体、非线性与超快光学等也是微纳光子学的重要研究方向。

图1 两种表面等离激元模式（上图）；表面等离激元相关的重要应用（下图），如超灵敏的光谱检测、小型化的光芯片、疾病的诊断和治疗、高分辨的显示成像、超大容量的信息存储、纳米激光器。

实际上等离激元光子学已经商业化应用于传感（表面等离激元共振传感和表面增强拉曼散射）。阻碍等离激元光子学在信息领域大规模应用的主要问题之一是损耗，主要来源于辐射损耗和非辐射损耗。可以通过在金属系统里引入增益介质以部分补偿或克服损耗，也可以通过制备高质量的等离激元材料降低损耗。单晶贵金属薄膜可显著减小表面等离激元的传输损耗；南京大学及其合作单位报道了金属钠基高性能等离激元器件，在近红外实现了钠-二氧化硅界面表面等离激元传播长度>200微米。此外，还可以通过调控等离激元的共振模式降低损耗，如晶格共振、法诺共振、多极子共振和塔姆共振等。将等离激元结构与电介质结构联合使用，也是减小损耗的可行途径。最后，值得一提的是，等离激元的损耗也可以被利用起来，用于光电探测、光催化和基于光热效应的各种应用。

图2 类原子结构排列的超材料和超表面及其典型应用，如谐波产生/混频、超透镜、光学隐身、全息成像、涡旋光束产生、量子纠缠。

图3 集成光子芯片的应用。

硅基光（电）子可与CMOS兼容，并可借助成熟的微电子工艺大规模批量生产，从而实现微电子与光电子的融合。当前的研究主要集中在硅基光（电）子大规模集成和能耗的降低，具体包括集成工艺平台的探索、稳定可靠的片上光源研究、利用表面等离激元缩小器件的尺寸、能耗管理等方面。通常的集成工艺平台包括CMOS体硅集成平台和不改变CMOS下的单片集成。在光源方面，硅基片上光源有：掺铒硅光源、锗硅IV族光源和硅基III-V族光源。因为单晶硅为间接带隙半导体材料，发光效率低，通常需要考虑异质集成。2020年，荷兰埃因霍芬理工大学E. Bakkers课题组报道了一种直接带隙的Ge和SiGe，发光产率可与直接带隙III-V族半导体相媲美。表面等离激元的光场束缚和操控能力可克服传统介质材料的局限，使设计更紧凑的光子回路成为可能。片上能耗主要来源于温控管理和调制器的调制能耗，可以通过设计温度不敏感的器件、设计低能耗调制器等方法降低能耗。与硅相比，磷化铟发光效率高，其四元化合物的能带结构可以随组分变化，为各种光子器件的实现提供了极大的灵活性。磷化铟的核心优势在于它可以为单片集成提供最全面的光子功能，包括高能效量子阱激光器、调制器、光放大器、探测器和干涉器等。

充分考虑到各个材料平台的优势和缺点，目前的技术主要以混合集成为主。总体来说，集成光子学目前对应于集成电路的“单个晶体管时代”，国内外大多数工作处于工艺开发和光电器件初步集成的阶段。下一阶段需开发与集成电路类似的信号回路技术。同时，应逐步扩大光子器件的集成规模，在工艺、光路设计、仿真技术、技术标准和软件生态等方面协同发展，形成可持续发展的产业链和生态链。

微纳尺度的光源主要指尺寸或模式尺寸接近或小于发射光波长的光源，如激光、发光二极管（LED）和量子光源，如图4所示。光源尺寸的缩小主要是通过新材料的应用和新型光学腔的设计。激光的小型化具有广阔的应用前景，例如，Si基激光源的实现有利于微纳光电子集成。第一款小型化激光器是垂直腔面发射激光器（VCSEL）。之后，微盘激光器、光子晶体激光器、自组装纳米线激光器、二维材料激光器等展示了激光器进一步小型化的可能性。大多数激光器都使用电介质的折射率差异来将光限制在腔中，这些激光器的整体尺寸大于发射光的波长。等离激元激光器的整体尺寸可缩小至小于发射光的波长，而其光学模式尺寸小于衍射极限。等离激元金属结构还提供了良好的散热和电泵浦的途径。此外，光子晶体也可用于电泵浦激光器。但是，较短的工作寿命是基于光子晶体和等离激元的微纳激光器需要解决的关键问题。

LED是一种固态光源，常用于显示器、通信、医疗、标牌和普通照明等。目前大多数LED发光体尺寸大约在毫米级别，Micro LED具有微米级尺寸，相比于有机发光二极管（OLED），具有更高的发光效率、更长的发光寿命和更低的能耗，有望成为OLED之后的下一代显示技术。利用纳米结构可以提高LED的性能，所采用的纳米结构通常包括半导体纳米线、量子点、人工纳米天线等。纳米线可降低常规薄膜生长的晶格匹配要求，并且纳米线具有波导性质，有利于发光器件的光提取。胶体量子点具有光量子产率高、带隙窄、发光峰可调、易于合成等优点，成为制作高性能LED的重要材料。利用人工纳米天线结构（包括等离激元和电介质纳米结构）可以实现对LED发光的控制，例如，调控LED的发光强度、自发辐射速率、颜色和发射方向等。最近的研究表明，利用等离激元纳米结构可以显著提高OLED的稳定性。

图4 三种微纳光源（激光器、LED和单光子源）的发光材料或增强方式。激光器：纳米线激光器、等离激元激光器、光子晶体激光器、微盘激光器；LED：等离激元增强发射方向性、量子点LED、纳米线LED；单光子源：碳纳米管（H. Maki, Keio University）、二维材料、微腔、纳腔、纳米线。

单光子源是一种典型的量子光源，它在自发辐射寿命期间只能发射出一个光子，是量子通信和量子计算的关键器件之一。可以利用多种微纳结构或者材料来产生单光子，如自组装量子点和胶体量子点、碳纳米管以及二维材料，包括以WSe2为代表的单层过渡金属硫族化合物半导体和宽带隙的层状hBN等。其中，层状hBN具有很高的激子束缚能，可以在室温下发射单光子。单光子源的性能可以从多个方面进行提升。首先，可以通过材料结构本身对发光进行优化。例如，利用纳米线结构可以调控量子点发光——纳米线可以作为单光子的波导、提高收集效率等。其次，可以通过微腔和纳腔增强材料的发光，提高光子提取效率。例如，杜克大学M. H. Mikkelsen课题组把单个量子点置于金薄膜与银纳米立方中间的纳腔中，实现了量子点荧光1900倍的增强。第三，可以通过电泵浦的方式克服光激发所引入的高体系复杂程度和低效率。虽然取得了很多进展，但是量子光源的性能需要进一步提高，包括亮度、单光子纯度、不可分辨性等；需要提高量子光源与其它器件耦合的效率并简化耦合方法；需要开发高温下稳定工作的量子光源。

三、微纳光子学的发展展望 微纳光子学基础科学研究。目前，人们对微纳光子学的许多现象认识得还不够全面和深入。例如对量子等离激元和热电子参与的相关物理化学现象的理解还颇为肤浅，光子拓扑态、宇称-时间对称、光的马约拉纳准粒子和外尔态等前沿问题也有待进一步探索。等离激元纳米光腔为实现光场纳米尺度的限域提供了新途径，可以提供极高的空间分辨率和显著增强光场强度，有望发现纳米尺度光与物质相互作用的新现象和新机理，开拓新的科学前沿。微纳光子学与精密光谱技术的前沿交叉研究还有待深入开展，结合超快激光技术，实现纳米尺度的极端光聚焦、表征与操控，探索微纳结构中光子与电子、声子、激子等相互作用的新物理与新机制。

在理论研究上，应从经典和量子两个层面，研究光子与微纳结构的相互作用、光子与其它准粒子（声子、激子、磁振子等）的相互作用以及能量转换（机、电、热、磁等）的基本效应和规律。经典的电磁理论可以很好地描述微结构与光的相互作用，然而在纳米或者亚纳米尺度上，纳米光子学器件触及到了分子和原子尺度，此时传统的连续介质模型描述材料的电磁响应不够精确，通常需要用量子理论对其进行修正。对于微纳结构中多物理场之间的复杂耦合，需要考虑各物理场的方程组和其中产生的耦合效应，发展相应的理论和算法。 微纳光子器件结构的设计和制备。微纳光子器件的仿真设计通常基于解麦克斯韦方程组，有多种不同的数值计算方法，如时域有限差分方法、有限元方法等。然而这些电磁仿真方法耗时耗力。随着人工智能的兴起与成熟，机器学习、深度学习、人工神经网络等方法可用来辅助微纳光子学的设计，快速准确地获得光学响应和结构参数。通过选取研究结构和研究内容，准备数据集，建立并训练模型，可以实现快速精准地预测出结果。相反，逆向设计是从所需的结果出发，通过相关方法和理论对多个参数同时优化，最后反求出所需的光学结构或者参数。

由于与光的相互作用受到结构有效尺寸的限制，单元结构的小型化导致微纳光子器件效率有限。由于共振使微纳结构与光相互作用的有效尺寸大于结构本身，可以使用共振结构来提高器件效率。此外，可以通过结构阵列产生更大的表面积来提高效率。这所引出的第一个问题就是在大尺寸表面上，如何制造出大量纳米精度的元件。电子束曝光技术可达到纳米级精度，但是其效率低，成本高。第二个问题是共振单元的损耗引起器件效率的降低。解决方案通常是采用几乎无损的电介质材料，但是它加大了制备的复杂性，尤其是高深宽比的电介质微纳结构。更先进的微纳加工技术的开发对于微纳光子器件结构的制备和应用具有非常重要的作用。 微纳光子学的应用。微纳光子学会在不久的将来对以下领域产生深远的影响：量子光学、光通信和光信息、医学诊断和治疗、超灵敏传感、高分辨成像、纳米标签、光刻新工艺等。微纳光子学在许多新兴领域已开始崭露头角，例如数据存储、眼科学、脑成像、增强/虚拟现实、图像引导外科手术等。微纳光子学与人工神经网络的结合显示出了巨大的应用前景，例如自动光学显微成像、光子器件的逆向设计、自动光学传感等。具有PB级（250 B）甚至EB（260 B）级容量的大数据中心已经成为云计算和存储的关键支持技术，被认为是下一代大数据存储的主要技术解决方案。然而，当前的存储技术具有容量有限、能耗高、寿命短的缺点，因此迫切需要开发超大容量存储技术。可通过光存储阵列实现高密度光学存储，并且能在恶劣的条件下工作（强辐射、高湿度），满足太空和军事应用的需求；能避免恶意数据修改，可在银行、政府和国防等领域得到应用。基于微纳光子学的超灵敏检测技术具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。发展适用于不同场景的极高精度、极高灵敏度的微纳光学检测技术，实现微纳光子学在精密传感、医疗与生命健康、环境污染监测等领域中的重要应用。充分开发利用表面等离激元的特性，特别是等离激元纳米腔结构敏感的共振特性，发展对纳米材料和结构体系中及其微弱的物理和化学过程进行超灵敏探测的技术。 四、结语

随着材料科学与微纳加工技术的不断进步，微纳光子学近年来获得了蓬勃的发展，本文难以涵盖领域的全面进展，仅从四个代表性的研究方向展示了其部分研究进展，并从基础科学研究、器件设计和制备以及应用三个方面对微纳光子学进行了展望。基于微纳光子学将带来的颠覆性科技创新，各国政府和科技公司对其进行了大量的投入，很多技术处于应用或者取得重大突破的前夕。微纳光子学将带来生产力的提升和生产关系的变化，为下一步的新工业革命尽一份力。美国、欧洲、日本等发达国家已经把硅基光子学（微纳光子学研究热点之一）上升到国家战略高度，并投入了巨资进行相关研究。尽管华为等本土公司把光子技术上升到了战略高度，我国还未从国家战略上制定微纳光子学发展路线图。总体而言，美国、日本、欧盟和中国等国家在微纳光子学领域处于全球第一梯队。加强微纳光子学的成果转化和产业发展将有助于我国在微纳光子学研究和应用方面取得领先地位。对我国微纳光子学的发展有如下建议：（1）以问题和需求为导向，在某些光电子企业集中的地区，依托在微纳光子学领域有研究实力的单位，建立微纳光子学国家级实验基地，并对高校、研究所和企业开放。（2）加强微纳光子学人才的培养，不仅要有微纳光子学的背景，还要有扎实的交叉学科知识，并且具有很强的动手能力和针对性地解决微纳光子学应用和产业化中面临的具体问题的能力。（3）加大对微纳光子学基础研究的投入，促进微纳尺度上新现象和新物理的发现和深入研究，为微纳光子学的应用奠定坚实的基础，并推动凝聚态物理、信息科学、材料、化学、生物等学科的发展。