光子學：駕馭光的力量

光充斥在我們左右，照亮我們的四周。我們的手機相機、汽車停車感應器以及桌上螢幕等，都是利用光來改善我們的日常生活，這都歸功於「光子學」研究領域。 

光子學是一個多學科領域，涉及光的產生、控制、操作和檢測。 

光是電磁輻射的一種形式，在電磁頻譜中具有寬廣的波長範圍。由於光能夠量子化，因此其表現行為就如同電磁波或粒子。(例如，當光穿過狹窄的縫隙時，它的行為就像電磁波一樣，但當它撞擊太陽能板時，它的表現就像是攜帶能量的粒子。）光子學利用這些不同的物理行為來設計與光功率和光速相關的實際應用。 

就像電子是電子學的基礎組成一樣，光是由光子所組成，這是一種移動極快的電磁能量微粒。正是這種速度使得光子型系統成為各種應用都感興趣的選擇，例如：

• 顯示器和消費性電子產品：MicroLED、OLED、LED 和 LCD 的出色表現皆須歸功於光子學。這些技術造就了我們智慧型手機、平板電腦和電視的絢麗螢幕，不僅提供鮮豔的色彩，更具備高解析度。
• 擴增實境和虛擬實境 (AR/VR) 系統：光子學也是擴增實境和虛擬實境裝置沉浸式體驗的背後推手，其中，高速發光源、整合式光波導和光柵、平面光學元件和光學感應器結合在一起，無縫融合了數位世界和真實世界。 
• 再生能源來源：高效能的太陽能板可利用太陽能電池捕捉陽光並將其轉化為電能，減輕化石燃料對環境的影響。LED 也提供了多用途、高效能且更永續的照明解決方案。
• 資料通訊：光子在光纖中無與倫比的速度和大幅減少的訊號損耗，徹底改變了遠距離通訊的面貌。包含矽光子在內的光子創新技術，改變了短距離通訊連結的樣貌，尤其在資料中心內部更是如此。如今，光子學更建構起高速網際網路的支柱，實現了無縫視訊串流、電話會議和即時資料傳輸等技術。

• 速度：光子具有最快的傳輸速度，因此使用光脈衝傳輸資訊正是速度導向應用的理想選擇。
• 頻寬：光的特性 (寬頻範圍、多種波長、最小干擾、低訊號損耗) 可同時傳輸大量資訊。
• 能源：基於光子學的系統在長距離方面的訊號損耗極小，因此一般來說具有非常好的節能效果。
• 大小：感應器、MicroLED、波導和積體電路等光子元件在製造上可將尺寸縮到很小，因此能最小化各種技術的實際體積。

光學和光子學可結合用於探索光的物理特性及其應用。兩者是密切相關的領域，有時甚至難以分辨兩者差異。雖然有關這兩種領域的確切界限仍在討論中，但很明顯的是，兩者都在我們的日常生活中扮演著重要的角色。

光學工程師專注於設計涉及光傳播以及與材料交互作用的巨觀尺度系統，製作出如鏡子、透鏡和棱鏡等基本元件。這些設計可應用於消費性電子產品、醫療保健、航太、國防系統和電信等各種產業。在這些應用中，光的波動本質影響極小，或可以忽略不計。

相比之下，光子工程師從事的是微觀尺度的設計，其中光的波動本質至關重要。深入來看的話，有以下子領域：

• 電漿子學：探索光與金屬表面集體電子振盪的交互作用，以強化感應器和奈米尺度的光學設計。
• 奈米光子學：在奈米尺度下操控光，以獲得新穎的功能。
• 光電子學：專注於利用電子和光子交互作用的裝置。
• 光纖：促進高速資料傳輸。
• 量子光子學：探索用於運算和通訊應用中有關光的量子特性。

光子學是一個相對較新的領域，但隨著技術進步，使得光的操控變得更有作用也更有效率，光子學的影響將持續拓展到我們生活中更多的領域。 

• 20 世紀：光子學領域始於 1960 年代雷射的發明。隨著光纖在 1980 年代普及，「光子學」一詞也開始受到廣泛使用。
• 2000 年代初期：光子晶體使得光學裝置小型化和提高雷射效率成為可能。奈米光子學和電漿子學相繼出現。
• 2010 年代：矽光子技術開始在常見的矽基板上整合光子元件，充分利用完備電子設施和製程的效率。
• 現今：光子學應用的可能性範圍既廣泛且多樣，其中還包含量子光子學和生物光子學。

由於針對改善效能、降低能源消耗和擴大功能範圍的需求不斷增加，進而促使系統日趨複雜，這類系統皆須以低功耗形式密集整合各種功能。有鑑於此，光子產業開始推動輕巧、節能的整合式系統開發進程，並因此激發整個光子學領域的創新發展。

• 小型化：許多應用在重量和尺寸方面都有嚴格的限制，例如智慧型手機的相機、光學感應器和微型投影機等。同樣地，智慧眼鏡、健身追蹤器和 AR 頭戴式裝置等穿戴型裝置的顯示器、感應器和通訊，都有賴於小型光學元件技術。小型化光子系統在生物醫學系統，如定點照護診斷和醫學影像等，一樣至關重要。例如，實驗室晶片裝置可整合光學元件來分析血液檢體或偵測生物標記，使醫療保健診斷變得便於攜帶並容易使用。
• 積體電路：光子積體電路產業正在見證一場創新的變革浪潮，這股趨勢是為了滿足我們日益增長的資料用量習慣。針對資料中心內對於高速、節能資料傳輸不斷加劇的需求，共同封裝光學元件和光互連正是解決之道，可提供減少延遲並提高頻寬的解決方案。
• 人工智慧：光子運算和人工智慧 (AI) 正在突破處理能力和資料處理的極限，光子晶片可針對複雜任務提供更快速、更有效率的運算功能。量子光子學等新興領域對於量子運算、密碼學和安全通訊帶來了新希望。

光子工程的演進將涵蓋新型材料、異質整合的尖端技術、3D-IC 整合與組裝、進階封裝方法，以及最先進的製造技術。為了設計這些下一代光子學解決方案，工程師可使用 Ansys 光學與光子學模擬軟體，準確地建立光子元件、電路和系統的模型。這些高度互通的求解器可解決各種多重物理量和多尺度的挑戰，協助光子學設計人員創造未來技術，進而促進經濟成長並推動人類文明不斷進步。

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