光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术具有丰富的内涵和广阔的应用前景。20世纪70年代，随着高速摄影技术的发展，半导体激光器、光通信器件、光电探测器和新材料的研制、应用和提高，光子学应运而生。
1970年8月，在美国戴维营举行的第9届国际高速摄影会议上荷兰科学家L.波德瓦特首次提出光子学的定义规范，认为光子学是研究以光子为信息载体的科学。随后，他又说明以光子作为能量载体的亦应属于光子学的研究内容。
光子学包括光的产生、发射、传输、调变、信号处理、切换、放大及传感，光不单纯是粒子，也不只是波动，光兼具二者的特性。光子学包括从紫外线、可见光到远红外线之间所有频谱的应用。大部分的应用是在可见光及近红外线。
分支学科
光子学是从光学开拓出来的，在其形成过程中构成了相应的分支学科，并在科技领域产生重要应用和深远影响。光子学的分支学科大体上可以归纳如下。
基础光子学
①量子光学。研究的领域有光场的量子噪声、光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。如光压缩态、原子冷却与俘获研究。
②光量子信息科学。研究的领域有量子计算机、量子密码术、量子通信、量子检测、量子态的制备和操作等。
③分子光子学。包括限域腔（量子阱、量子点等）中量子电动力学效应的基础和应用研究，分子光学中的光物理过程研究，有机、无机界面输运光量子的增强效应，以及近场光学在分子光学中的应用研究等。
④超快光子学。主要包括飞秒光脉冲的产生和应用，超快光子学中的超快过程与超快技术，超快、超强激光物理等。
⑤非线性光子学。主要研究光子与物质非线性相互作用、非线性变频效应、相位匹配和谐波的产生、光折变效应、光子晶体、光子带隙光纤、激发态光学非线性研究等，它是研究和开发多种非线性光子器件的理论基础。
光子器件
包括特殊处理和加工，材料元件、模块的研制，涉及光的产生、传输、探测、转换、存储和显示等，并由这些功能形成诸多相关的器件。它是光子学和光子技术相结合的具体体现。与电子器件类比，光子器件也可分为有源（如各种激光源、探测器等）和无源（如光通信中的波分复用器、光纤器件、光互连器等）器件，包括光子学在纳米技术和纳米制造中的应用。
信息光子学
光子学与信息科学相结合而形成的交叉性学科。由于光波导器件、光纤激光器、光纤放大器和低损耗光纤的开发，使得光通信获得快速发展，不仅开创了巨大的光子工业，而且给人类带来了方便快捷的信息交流，推动了社会的文明、进步和繁荣。另一方面，由于光的相干性、并行性，使得光传输可进行不同的相关变换和并行运算（如二维傅里叶变换等）。再加上电寻址和光寻址的空间光调制器和高速阵列探测器的出现，使得自动模式识别、图像信息处理、光显示、光计算等成为光子学最活跃的应用研究领域之一。
生物医学光子学
生命科学与光子学交叉形成的新分支。包括生物组织的光学成像和光子迁移、生物光子学、生物系统的光子发射、荧光增强和探测、生物光谱和诊断、激光医学中的诊断和光动力诊疗、冠状动脉腔内支架的激光精密加工、光学相干层析术、光在生物组织中的传输机理以及在生物医学工程中的应用等。
集成与微结构光子学
半导体电子学的强大生命力在于它的大规模集成化，从而使半导体器件尺寸大大缩小、功耗降低、功能和运行速度大幅度提高，性能价格比不断优化。同样随着半导体光子学及光子技术的快速发展，也可把不同功能的诸多光子器件通过光波导、光互连、光开关集成于一个光学芯片上，形成光子集成回路或光电子集成系统。微结构集成光子学，包括正在开展的二维波导和自由空间三维集成光学系统、微结构光纤以及微光机电系统等，它们的研究无疑使光子产业的发展获得革命性的飞跃。