我们希望本研究能有助于政策制定者和领导者提出促进美国经济进步的行动指南，为光学与光子学技术的发展和应用提供前瞻性指引和支持，从而确保美国在该领域的领导地位。

——美国国家科学院

美国国家科学研究委员会

为满足国家需求和提升国家竞争力，填补存在的技术差距，我们提出以下五个重大挑战性问题。

1. 美国光学与光子学界如何发明能使光纤网容量/价格比提高100倍的新技术？

我们目前还不知道如何实现这个目标。但迄今为止，全球光通信技术大约每隔十年就会经历一次容量/价格比提高百倍的技术变革，今后用户对这种技术变革的需求将继续保持。遗憾的是目前的结构和机理已无法支持曾经的高速发展，若不能发明新技术，全球通信能力的提升将陷入停滞。

2. 美国光学与光子学界如何能发明一种将光子和电子元件无缝集成在一起的主流平台，实现系统芯片(system on chip, SOC)的低成本制造和封装，并且应用到通信、传感、医疗、能源和国防等领域中。

完成这一挑战性任务将有可能使系统芯片保持类似于摩尔定律的指数级性能增长，同时也与第五大挑战任务密切关联。相对于目前的电子元件集成或电子和光子元件在大尺寸上的集成，芯片级的光子和电子元件无缝集成技术将有可能显著提升产品的速度和性能。这将在降低成本的同时实现轻量化和高速化，为设备的进一步小型化发展提供巨大的可能性。

3. 美国军方如何开发必要的光学技术，以保证对包括广域侦察、目标识别、高图像分辨率、高带宽自由空间通信、激光打击和导弹防御等平台的支持？

用于激光打击战斗机或高空平台的光学与光子学协同系统能实现对某地区信息的全面获取，提供下载信息的通信链接，并具备光速打击目标和有效防御导弹攻击的能力。显然，这种技术机遇可衍生为光学与光子学应用领域的若干技术重点，如相机研发、高功率激光器、自由空间通信等众多美国必须走在世界前沿以保障国家安全的技术。

4. 美国能源部门如何确保在2020年之前，在全国电网上实现太阳能发电和新增燃料发电的成本均衡？

解决这一问题将对美国和世界经济产生巨大影响。设想一下，使用一种绿色且相对非可再生能源有更高性价比的可再生能源将是多么巨大的成就。尽管非常大胆，我们还是将其作为一个“任重而道远”的目标来看待。目前，我们还不清楚当前的太阳能电池技术如何实现这种成本平衡。

5. 美国光学与光子学界如何研发出新的光源和成像工具，使光学制造业的分辨率提升一个甚至多个量级？

解决这个重大挑战可有助于减轻光刻中的设计限制，同时提升三维闭环与自动加工能力。极紫外(EUV)光学是一项待开发的挑战性技术，也是满足未来光刻需求的必备。超越EUV的下一代技术是软X射线光学。同样，用于三维制造的激光堆焊分辨率取决于所采用激光器的波长，较短的波长可实现更加精密的增材制造，甚至最终实现光学元件的三维打印。

我们认为以上是各自应用领域最需要优先解决的五大挑战性问题。由于这些挑战的性质各不相同，它们之间的优先程度难分伯仲。

本文由刘四旦摘编自美国国家科学院、美国国家科学研究委员会编，曹健林等译《光学与光子学—美国不可或缺的关键技术》一书。

光学与光子学技术是现代生活的中心，一直作为最重要的使能技术推动着人类文明的进步，并毋庸置疑地将在未来产生更为深远的影响。本报告分10章，分别论述了近15年来光学与光子学领域的科技进步、随之产生的技术机遇和美国视角下的世界技术前沿现状，并提出了确保美国保持全球领先地位的建议。其中第1章是绪论，第2章讨论光子学技术对美国经济的影响，第3章到第10章分别论述某个特定领域（分别为通信、信息处理和数据存储、国防与国家安全、能源、健康与医疗、先进制造技术、先进光子测量与应用、战略光学材料、显示技术）的技术应用。

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