光電技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展展望

1、光電技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景43年前，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器誕生。那是的人們可能還沒有意識(shí)到，由這臺(tái)激光器引發(fā)、孕育出的光電技術(shù)將會(huì)給人類的生活帶來翻天覆地的變化。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)正在從工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)過渡，國民經(jīng)濟(jì)和人們生活對(duì)信息的需求和依賴急劇增長，不僅要求信息的時(shí)效好、數(shù)量大，并且要求質(zhì)量高、成本低。在這個(gè)社會(huì)大變革時(shí)期，光電子技術(shù)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的每個(gè)方面，成為信息社會(huì)的支柱技術(shù)之一?？傊?，光電子技術(shù)具有許多優(yōu)異的性能特征，這使得它具有很大的實(shí)用價(jià)值。而今天，光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，光電子產(chǎn)業(yè)的參天大樹上也結(jié)出了豐富的果實(shí)，它們包括但不限于光通信、光顯

2、示、光存儲(chǔ)、影像、光信號(hào)、太陽能電池等，也可以簡單地把現(xiàn)在的光電子產(chǎn)業(yè)分為信息光電子（光纖光纜、光通訊設(shè)備等）、能量光電子（激光器、激光加工成套設(shè)備、測控儀表、激光醫(yī)療設(shè)備等）和娛樂光電子（VCD、DVD等）等方面。而本文將介紹光電子技術(shù)在以下幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景：1 光通信：目前，光通信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，以光纖為技術(shù)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)在已經(jīng)覆蓋了許多地區(qū)，我國的光通信技術(shù)也走在世界前沿。2011年，武漢郵科院在北京宣布完成“單光源1-Tbit/s LDPC 碼相干光OFDM 1040公里傳輸技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”，這一傳輸速率是目前國內(nèi)商用最快速率（40Gb/s）的25倍。十年發(fā)展，光通信商用水

3、平的最高單通道速率增長16倍，最大傳輸容量增長160倍。2005年，郵科院實(shí)現(xiàn)了全球率先實(shí)現(xiàn)在一對(duì)光纖上4000萬對(duì)人同時(shí)雙向通話。2011年7月29日，該院在全球率先實(shí)現(xiàn)一根光纖承載30.7Tb/s信號(hào)的傳輸，可供5億人同時(shí)在一根光纖上通話，再次刷新了世界紀(jì)錄。而正在研制中的科技開發(fā)項(xiàng)目，有望在2014年實(shí)現(xiàn)12.5億對(duì)人同時(shí)通話。這一技術(shù)打破了美國在該領(lǐng)域保持的單光源傳輸世界紀(jì)錄。在2012年的中國光博會(huì)上，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮。隨著“寬帶中國”上升為國家戰(zhàn)略，中國得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)將使光通信制造企業(yè)信心十足。通過對(duì)各技術(shù)分支專利的分析看出，光傳輸物理層PHY和光核心網(wǎng)OCN已相對(duì)成熟和大規(guī)模

4、商用，PHY作為各類網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)，既有相對(duì)成熟、淡出主流研究視野的部分，也有業(yè)界正致力于尋求最佳方案的技術(shù)點(diǎn)；無光源網(wǎng)絡(luò)PON技術(shù)作為世界普遍應(yīng)用的接入網(wǎng)技術(shù)，在“光纖到戶”、“三網(wǎng)融合”等概念家喻戶曉的今天，已成為各國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資中不可或缺的一部分；分組傳輸網(wǎng)PTN既是新興技術(shù)，又得到了相對(duì)廣泛的商用，其在移動(dòng)回傳中的應(yīng)用使其成為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一種較優(yōu)的可選方案，同時(shí)相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在爭議中發(fā)展，其技術(shù)發(fā)展將帶來難以估量的商機(jī)；智能交換光網(wǎng)絡(luò)ASON技術(shù)和全光網(wǎng)AON技術(shù)是光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的前沿技術(shù)，目前處于研發(fā)的活躍期。此外，復(fù)旦大學(xué)近期研發(fā)的可見光通訊技術(shù)也是光通信的

5、發(fā)展前景之一，通過給普通的LED燈泡加裝微芯片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用 燈泡發(fā)送數(shù)據(jù)。而燈泡的閃爍頻率達(dá)到每秒數(shù)百萬次。通過這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進(jìn)制編碼。但對(duì)裸眼來說，這樣的 閃爍是不可見的，只有光敏接收器才能探測。這類似于通過火炬發(fā)送莫爾斯碼， 但速度更快，并使用了計(jì)算機(jī)能理解的字母表。 使用標(biāo)準(zhǔn)的LED照明燈，哈斯與他的同事戈登·波維創(chuàng)建的研究小組已經(jīng)達(dá) 到了兩米距離的130兆比特每秒的傳輸速度。 隨著白熾燈、熒光燈逐漸退出市場并被LED取代，未來任何有光的地方都可 以成為潛在的LiFi數(shù)據(jù)傳輸源。 想象一下這樣的場景：在街頭，利用路燈就可以下載電影；在

6、家里，打開臺(tái) 燈就可以下載歌曲；在餐廳，坐在有4燈光的地方就可以發(fā)微博；即便是在水下， 只要有燈光照射就可以上網(wǎng)。 LiFi另一個(gè)巨大的好處是在任何對(duì)無線電敏感的場合都可以使用，比如飛機(jī)上、手術(shù)室里等。2 光顯示：近年來，人們對(duì)顯示產(chǎn)品高清、輕薄、節(jié)能的需求不斷深化，顯示領(lǐng)域新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)顯示產(chǎn)業(yè)高速增長，已成為國家科技創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，液晶如日中天，有機(jī)發(fā)光顯示（OLED）蓄勢(shì)待發(fā)。OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個(gè)金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)層中包括了：空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(

7、EL)與電子傳輸層(ETL)。當(dāng)電力供應(yīng)至適當(dāng)電壓時(shí)，正極空穴與陰極電荷就會(huì)在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅、綠和藍(lán)RGB三原色，構(gòu)成基本色彩。OLED的特性是自己發(fā)光，不像TFT LCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄，構(gòu)造簡單，成本低等，被視為 21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。有機(jī)發(fā)光二極體的發(fā)光原理和無機(jī)發(fā)光二極體相似。當(dāng)元件受到直流電（Direct Current；DC）所衍生的順向偏壓時(shí)，外加之電壓能量將驅(qū)動(dòng)電子（Electron）與空穴（Hole）分別由陰極與陽極注入元件，當(dāng)兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合，即形成所謂的電子-空

8、穴復(fù)合（Electron-Hole Capture）。而當(dāng)化學(xué)分子受到外來能量激發(fā)後，若電子自旋（Electron Spin）和基態(tài)電子成對(duì)，則為單重態(tài)（Singlet），其所釋放的光為所謂的熒光（Fluorescence）；反之，若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對(duì)且平行，則稱為三重態(tài)（Triplet），其所釋放的光為所謂的磷光（Phosphorescence）。當(dāng)電子的狀態(tài)位置由激態(tài)高能階回到穩(wěn)態(tài)低能階時(shí)，其能量將分別以光子（Light Emission）或熱能（Heat Dissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用當(dāng)做顯示功能；然有機(jī)熒光材料在室溫下并無法觀測到三重態(tài)的磷光，故

9、PM-OLED元件發(fā)光效率之理論極限值僅25%。很多手機(jī)廠商使用OLED技術(shù)研發(fā)出了可彎曲的AMOLED屏幕，2013年1月，LG電子在CES上全球首次發(fā)布LG曲面OLED電視，這表明全球進(jìn)入了大尺寸OLED時(shí)代。9月13日，LG電子在北京召開電視新品發(fā)布會(huì)，推出中國第一款LG曲面OLED電視LG55EA9800-CA，這標(biāo)志著中國的OLED電視時(shí)代正式來臨。據(jù)市場研究公司iSuppli最新發(fā)表的研究報(bào)告稱，2013年全球OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）電視機(jī)出貨量將從2007年的3000臺(tái)增長到280萬臺(tái)，復(fù)合年增長率為212.3%。從全球銷售收入看，2013年全球OLED電視機(jī)的銷售收入將從20

10、07年的200萬美元增長到14億美元，復(fù)合年增長率為206.8%。iSuppli稱，OLED顯示技術(shù)要對(duì)市場產(chǎn)生真正的影響還需要克服一些挑戰(zhàn)。首先，AMOLED顯示屏制造工藝還不充分。隨著顯示屏尺寸的加大，成品率損失和制造損失也越來越大。此外，OLED顯示屏材料的使用壽命仍需要提高。AMOLED供應(yīng)商不能保證產(chǎn)量。不過，OLED電視機(jī)也有許多優(yōu)點(diǎn)。OLED電視不需要背光，因此比其它技術(shù)更省電和更多做的更薄。OLED電視響應(yīng)時(shí)間非?？?，在觀看電視的時(shí)候沒有移動(dòng)模糊的現(xiàn)象。此外，OLED電視比其它技術(shù)的色彩更豐富。3 光存儲(chǔ)目前主要的光存儲(chǔ)技術(shù)有光盤存儲(chǔ)技術(shù)、全息存儲(chǔ)技術(shù)等，而多階光存儲(chǔ)技術(shù)、高清

11、晰光存儲(chǔ)技術(shù)等也在研發(fā)、實(shí)踐過程中。其中多階光存儲(chǔ)是目前國內(nèi)外光存儲(chǔ)研究的重點(diǎn)之一，緣于它可以大大地提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。多階光存儲(chǔ)是讀出信號(hào)呈現(xiàn)多階特性，或者直接采用多階記錄介質(zhì)。多階光存儲(chǔ)分為信號(hào)多階光存儲(chǔ)和介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。而對(duì)于高清晰度的光存儲(chǔ)技術(shù)，隨著高清晰度電視系統(tǒng)的出現(xiàn)及使用，更高畫面質(zhì)量和音質(zhì)節(jié)目的出現(xiàn)意味著需要更大容量和更高性價(jià)比的物理載體。國內(nèi)外相繼推出了各種高清晰度光盤技術(shù)方案，如采用紅光技術(shù)的EVD、NVD、FVD和采用藍(lán)光技術(shù)的BD、HD DVD、CB

12、HD。如紅光技術(shù)中的EVD技術(shù)，是我國企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的基于紅光技術(shù)的光存儲(chǔ)技術(shù)。代表企業(yè)為北京阜國數(shù)字技術(shù)有限公司(開發(fā)EVD主體系統(tǒng))、今典環(huán)球公司(負(fù)責(zé)EVD片源的供應(yīng))、新科電子公司(最先推出EVD影碟機(jī)的廠商)。EVD的主要特點(diǎn)是：在不改變DVD物理格式的前提下，使用部分新的音視頻編碼技術(shù)，如在視頻部分EVD可使用MPEG-2、H264、WMV一9、AVS等，在音頻方面使用EVD獨(dú)有的EAC音頻編碼技術(shù)。而藍(lán)光技術(shù)中的HD DVD也采用藍(lán)紫光技術(shù)，盤片容量為單面單層1 5 GB、雙層30 GB，雙面單層30 GB、雙層60 GB。HD DVD采用MPEG-4、H264、WMV一9和MPE

13、G-2視頻編碼，音頻采用Dolby Digital Plus、DTS、Dolby Digital和MPEG Audio等有損編碼和LPCM、MLP和DTS HD等無損編碼。HD DVD兼容現(xiàn)有DVD，生產(chǎn)成本也較低。4 激光技術(shù)對(duì)于激光技術(shù)的發(fā)展前景，最近比較熱的是3D打印技術(shù)和光刻機(jī)。3D打印技術(shù)分為很多種，主要有：以高分子聚合反應(yīng)為基本原理的：激光立體印刷術(shù)（Stereolithography， SLA，有著名的Objet（已和Stratasys合并）和FormLabs為代表）, 高分子打印技術(shù)（Polymer Printing）, 高分子噴射技術(shù)（Polymer Jetting）, 數(shù)字

14、化光照加工技術(shù)（Digital Lighting Processing）, 微型立體印刷術(shù)（Micro Stereolithography）。其中SLA全稱Stereolithography（立體印刷術(shù)）。它用激光選擇性地讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)變硬，從而造型。SLA有兩大類，一種是Objet為代表的，從下到上打印的。另一種是FormLabs為代表的，從上往下打印的。以燒結(jié)和熔化為基本原理： 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering， SLS，3D打印行業(yè)龍頭老大3D System的看家本領(lǐng)）, 選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Me

15、lting, SLM）, 電子束熔化技術(shù)（Electron Beam Melting， EBM）。而其中SLS全稱Selective Laser Sintering（選擇性激光燒結(jié)）。和SLA類似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液態(tài)的光敏樹脂，而是粉末。激光的能量讓粉末產(chǎn)生高溫和相鄰的粉末發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)連接在一起以粉末-粘合劑為基本原理：三維打印技術(shù)（Three Dimensional Printing, 3DP，MIT在90年發(fā)明的，Zcorp（已被3D Systems收購）、EOS和voxeljet是杰出代表），而這種技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可

16、粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。目前最先進(jìn)的光刻技術(shù)采用的是浸入式光刻技術(shù)，浸入式光刻的原型實(shí)驗(yàn)在上世紀(jì)90年代開始陸續(xù)出現(xiàn)。1999年，IBM的Hoffnagle使用257nm干涉系統(tǒng)制作出周期為89nm的密集圖形。當(dāng)時(shí)使用的浸入液是環(huán)辛烷。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)浸入液的充入、鏡頭的沾污、光刻膠的穩(wěn)定性和氣泡的傷害等關(guān)鍵問題缺乏了解，人們并未對(duì)浸入式光刻

17、展開深入的研究。2002年以前，業(yè)界普遍認(rèn)為193nm光刻無法延伸到65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而157nm將成為主流技術(shù)。然而，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來自光刻機(jī)透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數(shù)材料會(huì)強(qiáng)烈地吸收157nm的光波，只有CaF2勉強(qiáng)可以使用。但研磨得到的CaF2鏡頭缺陷率和像差很難控制，并且價(jià)格相當(dāng)昂貴。雪上加霜的是它的使用壽命也極短，頻繁更換鏡頭讓芯片制造業(yè)無法容忍。正當(dāng)眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時(shí)，時(shí)任TSMC資深處長的林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念。在157nm波長下水是不透明的液體，但是對(duì)于193nm的波長則是幾乎完全透明的。并且水在193nm的折射率高

18、達(dá)1.44，而可見光只有1.33！如果把水這樣一種相當(dāng)理想的浸入液，配合已經(jīng)十分成熟的193nm光刻設(shè)備，那么設(shè)備廠商只需做較小的改進(jìn)，重點(diǎn)解決與水浸入有關(guān)的問題，193nm水浸式光刻機(jī)就近在咫尺了。同時(shí)，193nm光波在水中的等效波長縮短為134nm，足可超越157nm的極限。193nm浸入式光刻的研究隨即成為光刻界追逐的焦點(diǎn)。在晶圓代工領(lǐng)域，浸入式光刻應(yīng)用在45nm量產(chǎn)已成為普遍共識(shí)。至于45nm以下的32nm或22nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，采用何種光刻技術(shù)卻面臨業(yè)界看法的分歧?，F(xiàn)在可以預(yù)見的三條路徑是：通過采用折射率更高的浸入液、光刻膠以及光學(xué)材料進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑，進(jìn)而滿足更高的分辨率需求；在維持

19、現(xiàn)有浸入式光刻技術(shù)的前提下，依靠雙重曝光或雙重成像技術(shù)滿足更高的分辨率需求；極紫外光刻技術(shù)(EUV)。根據(jù)ITRS預(yù)測，隨著合適的光刻膠和掩膜版技術(shù)的發(fā)展，193nm浸入式光刻配合雙重圖形極有希望成為32nm節(jié)點(diǎn)的主流工藝。不過雙重圖形技術(shù)還存在套刻精度以及由一次光刻變?yōu)閮纱喂饪趟鸬纳a(chǎn)效率下降等問題。雖然這些雙重曝光步驟只可能用于最關(guān)鍵的器件層，但無論如何，生產(chǎn)能力下降始終是芯片制造商無法泰然處之的問題。至于更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，EUV的采用在目前看來也許是大勢(shì)所趨。5 太陽能電池太陽能電池一向?yàn)槿怂嵅〉氖枪怆娹D(zhuǎn)化效率，實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，單晶硅電池效率為25.0%，多晶硅電池效

20、率為20.4%，CIGS薄膜電池效率達(dá)19.6%，CdTe薄膜電池效率達(dá)16.7%，非晶硅(無定形硅)薄膜電池的效率為10.1%，而我們熟知的晶硅電池分為單晶和多晶，區(qū)別在于所用硅片。單晶硅片由多晶硅原料經(jīng)拉晶爐拉成單晶棒后再切片制成，多晶硅片是由多晶硅料經(jīng)鑄錠爐鑄成多晶硅錠后再切片制成。由于多晶硅電池的制作工藝與單晶硅電池差不多。但就轉(zhuǎn)換率看，目前單晶硅電池轉(zhuǎn)換率普遍在16%18%，多晶硅電池普遍轉(zhuǎn)換率在15%16%。從制作成本比較，多晶硅電池要便宜一些，材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，得到了大量發(fā)展。因此多晶硅電池占到晶硅電池量的2/3，占太陽能電池市場份額55%以上。但是，多晶硅雖然成本占據(jù)優(yōu)勢(shì)，除了上述轉(zhuǎn)換率低于單晶硅外，其使用壽命也比單晶硅太陽能電池短。而目前研發(fā)的轉(zhuǎn)化效率較高的電池主要有：1.博世太陽能（阿恩施塔特，德國）和哈梅林太