光電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景

1、精選文檔光電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景姓名：曾倬學(xué)號(hào)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師：黃曉莉摘要：光電子技術(shù)確切稱為信息光電子技術(shù)，本文論述了一些新型光電子器件及其發(fā)展方向 20世紀(jì)60年代激光問世以來，最初應(yīng)用于激光測(cè)距等少數(shù)應(yīng)用，光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962年半導(dǎo)體激光器的誕生是近代科學(xué)技術(shù)史上一個(gè)重大事件。經(jīng)歷十多年的初期探索，到70年代，由于有了室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器和傳輸損耗很低的光纖，光電子技術(shù)才迅速發(fā)展起來?，F(xiàn)在全世界敷設(shè)的通信光纖總長超過1000萬公里，主要用于建設(shè)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)。以光盤為代表的信息存

2、儲(chǔ)和激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和發(fā)光二極管大屏幕現(xiàn)實(shí)為代表的信息顯示技術(shù)稱為市場(chǎng)最大的電子產(chǎn)品。人們對(duì)光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)抱有很大希望，希望獲得功耗的、響應(yīng)帶寬很大，噪音低的光電子技術(shù)。目 錄（一） 光電子與光電子產(chǎn)業(yè)概況（二）光電子的地位與作用（三）二十一世紀(jì)信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為支柱產(chǎn)業(yè) （四）國際光電子領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)（五）光電子的應(yīng)用（一），光電子及光電子產(chǎn)業(yè)概況 光電子技術(shù)是一個(gè)比較龐大的體系，它包括信息傳輸，如光纖通信、空間和海底光通信等；信息處理，如計(jì)算機(jī)光互連、光計(jì)算、光交換等；信息獲取，如光學(xué)傳感和遙感、光纖傳感等；信息存儲(chǔ)，如光盤、全息存儲(chǔ)技術(shù)等；信息顯示，如大屏幕平板顯示、激光打印

3、和印刷等。其中信息光電子技術(shù)是光電子學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的分支。在信息技術(shù)發(fā)展過程中，電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻(xiàn)。但它也在速率、容量和空間相容性等方面受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體，其響應(yīng)速度可達(dá)到飛秒量級(jí)、比電子快三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，加之光子的高度并行處理能力，不存在電磁串?dāng)_和路徑延遲等缺點(diǎn)，使其具有超出電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點(diǎn)，必將大大改善電子通信設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和電子儀器的性能 。 今天，光電子已不再局限傳統(tǒng)意義上的用于光發(fā)射、光調(diào)制、光傳輸、光傳感等的電子學(xué)的一個(gè)分支，同時(shí)還包容了部分電光學(xué)、光子學(xué)和光學(xué)成分。主要光電子

4、器件集中體現(xiàn)在各類半導(dǎo)體LED、LD，各類光探測(cè)器，收發(fā)集成模塊,光放大器，調(diào)制器，波長變換器等。此外，還包括和上述器件相關(guān)的各類光波導(dǎo)等無源器件。 光電子產(chǎn)業(yè)也不是以單一形式存在，它是一個(gè)由相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)技術(shù)支撐的多類產(chǎn)業(yè)的結(jié)合體，可形象地比做一棵參天大樹。滋養(yǎng)這棵大樹的土壤是：制造設(shè)施，研究機(jī)構(gòu)，技術(shù)力量，政府基金，風(fēng)險(xiǎn)投資，研發(fā)資源等。支撐這棵大樹的脊梁是光電子技術(shù)，包括LD/LED，光探測(cè)器，圖像傳感器，光調(diào)制器，MOEMS，光纖，光纖連接器，光放大器，無源光器件等。這棵大樹結(jié)出的豐碩果實(shí)就是光電子產(chǎn)業(yè)，包括光通訊，光顯示，光存儲(chǔ)，影像，光信號(hào)/照明，太陽能電池等。用一

5、個(gè)簡單的分類方法，可以把光電子產(chǎn)業(yè)分為信息光電子、能量光電子、娛樂光電子等部分;信息光電子包括光纖光纜、光器件、光通信設(shè)備等產(chǎn)品，能量光電子包括激光器、激光加工成套設(shè)備、激光醫(yī)療設(shè)備及測(cè)控儀表等,而娛樂光電子包括日常消費(fèi)品制造如VCD，DVD等等。   光電子市場(chǎng)主要集中在通信、顯示、存儲(chǔ)和影像等四個(gè)領(lǐng)域。圖中給出了98年度世界各類光電子產(chǎn)品所占的市場(chǎng)份額。那么，光電子元器件所占市場(chǎng)份額比例是多少呢,我們目前還拿不到世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。不過,通過日本的光電子產(chǎn)業(yè)調(diào)查也可可見一斑。97年為30.6%,98年為30.1%，99年預(yù)計(jì)為30.6%。這樣看來,光電子元器件占整個(gè)光電子

6、市場(chǎng)份額30%左右。   光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度是驚人的，從日本工業(yè)來看，近年一直呈現(xiàn)出一路增長的勢(shì)頭，98年年增長率為6.6%，99年預(yù)計(jì)年增長率為10.4%。有關(guān)預(yù)測(cè)表明， 未來幾年全球光電產(chǎn)業(yè)將有更大的增長幅度，增長速度比較快的是WDM市場(chǎng)， 預(yù)計(jì)年增長率為23%，其中，用于WDM的LD年增長率將在50%以上，放大器為43%左右。在微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢(shì)來為我們服務(wù)。比如激光器，光電探測(cè)器，太陽電池如等方面都需要光電結(jié)合。這就是早期的光電子學(xué)。隨著光電子學(xué)的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子

7、學(xué)。所以可以說，先有了光電子學(xué)，又有了光子學(xué)。而最終的發(fā)展會(huì)是光電的再次統(tǒng)一，即更高一個(gè)層次上的光電子學(xué)?，F(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術(shù)和單光子技術(shù)，那時(shí)信息的載體不再是束流，而是單個(gè)的粒子。光子和電子都是利用量子力學(xué)的概念，區(qū)別只是波長不同而已。我想我們?cè)诙皇兰o(jì)肯定會(huì)走到這一步。那時(shí)既不能叫光子信息技術(shù)，也不能叫電子信息技術(shù)，應(yīng)該叫量子信息技術(shù)。（二）光電子的地位與作用 由于光子具有電子所不具備的許多特性所以光子學(xué)有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤其在信息領(lǐng)域。比如通信，我們現(xiàn)在大部分主干網(wǎng)用的都是光纖，信息的載體都是光。由于密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電

8、纜無法比擬的 。再如信息存儲(chǔ)技術(shù)，光盤由VCD發(fā)展到DVD，容量增大了好幾倍，未來如果研制出能夠商用的藍(lán)光激光器，采用藍(lán)光波段的光來作為信息的載體，就又可以使同樣大小的光盤的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以實(shí)現(xiàn)全息存儲(chǔ)，在不到一個(gè)平方厘米的芯片上，我們可以把北京圖書館的所有的書都存進(jìn)去。在計(jì)算機(jī)方面，未來的發(fā)展趨勢(shì)是光要進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，發(fā)揮光子的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的互聯(lián)，利用光來消除電子傳輸帶來的瓶頸效應(yīng)。    二十一世紀(jì)沒有微電子是不可想象的，同樣，沒有光電子更是不可接受的。光電子目前的成就和它巨大的發(fā)展?jié)摿σ炎屓藗儫o可置疑：二十一世紀(jì)一定需要光電子。

9、（三）二十一世紀(jì)信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為支柱產(chǎn)業(yè)  在微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢(shì)來為我們服務(wù)。比如激光器，光電探測(cè)器，太陽電池如等方面都需要光電結(jié)合。這就是早期的光電子學(xué)。隨著光電子學(xué)的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子學(xué)。所以可以說，先有了光電子學(xué)，又有了光子學(xué)。而最終的發(fā)展會(huì)是光電的再次統(tǒng)一，即更高一個(gè)層次上的光電子學(xué)。現(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術(shù)和單光子技術(shù)，那時(shí)信息的載體不再是束流，而是單個(gè)的粒子。光子和電子都是利用量子力學(xué)的概念，區(qū)別只是波長不同而已。我想我們?cè)诙皇兰o(jì)肯定會(huì)走到這一步。那時(shí)既不能叫光子信息技術(shù)，也不能叫電子信

10、息技術(shù)，應(yīng)該叫量子信息技術(shù)。       國際公認(rèn):21世紀(jì)是光電子與微電子緊密結(jié)合發(fā)揮作用的時(shí)代,以光通信為龍頭的信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)的明星產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。   日本工業(yè)調(diào)查會(huì)總經(jīng)理志村幸雄在述及21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)時(shí)指出，21 世紀(jì) 具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)第一是光電子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)，第三是健康和福利產(chǎn)業(yè)，第四是環(huán)境和新能源產(chǎn)業(yè)。同時(shí)指出“光電子產(chǎn)業(yè)”對(duì)其它許多產(chǎn)業(yè)而言，無疑將起到“基礎(chǔ)材料”的作用。      

11、60;信息產(chǎn)業(yè)已成為我國第一支柱產(chǎn)業(yè)，光電子產(chǎn)品在信息產(chǎn)業(yè)中占有很大比重，據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，我國的顯示器、彩電和激光視頻機(jī)等幾種光電子產(chǎn)品的產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的一半以上。       我國光電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展是在國際信息產(chǎn)業(yè)的不斷增長帶動(dòng)下形成的。中國工程院院士許祖彥在接受中國電子報(bào)記者采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，在“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”啟動(dòng)之際，我們應(yīng)當(dāng)在促進(jìn)信息化與工業(yè)化良性互動(dòng)的科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下，本著建設(shè)創(chuàng)新型國家的理念，發(fā)展我國的光電子產(chǎn)業(yè)，抓住光電子技術(shù)更新?lián)Q代迅猛發(fā)展中的機(jī)遇，尋找突破口，提高我國光電產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。例

12、如顯示技術(shù)從上世紀(jì)30年代起，歷經(jīng)黑白顯示、彩色顯示，到現(xiàn)在的數(shù)字顯示，基本解決了高清晰視頻圖像的獲取、處理、存儲(chǔ)、傳輸和再現(xiàn)技術(shù)，但還沒有涉及顏色的高還原性問題，大色域覆蓋率的激光顯示近年的快速發(fā)展有可能促進(jìn)顯示產(chǎn)品的更新?lián)Q代，形成新一代顯示技術(shù)。        未來光電子產(chǎn)業(yè)還將繼續(xù)蓬勃發(fā)展。就市場(chǎng)需要而言，專家認(rèn)為，光電子產(chǎn)業(yè)主要在以下幾方面可能有比較大的增長空間：光網(wǎng)絡(luò)和光接入網(wǎng)，如光纖到戶(FTTH)；光存儲(chǔ)中的藍(lán)光光盤存儲(chǔ)、光全息存儲(chǔ)；光顯示中的大尺寸LCD顯示器、OLED顯示器；半導(dǎo)體照明及太陽能電池利用；此外

13、，在光纖傳感、醫(yī)療領(lǐng)域也有比較大的增長空間。        發(fā)展高清晰視頻業(yè)務(wù)對(duì)光存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很重要。中國科學(xué)院院士周炳琨介紹說，現(xiàn)在的DVD的容量已經(jīng)很大，如果要滿足消費(fèi)者對(duì)更高存儲(chǔ)量介質(zhì)的需求，就必須在增加播放內(nèi)容清晰度的同時(shí)降低成本。如果能夠早日進(jìn)入三維視頻時(shí)代，光存儲(chǔ)的市場(chǎng)潛力將會(huì)進(jìn)一步增加。  未來社會(huì)能源缺乏，這也是光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)?！捌桨屣@示、半導(dǎo)體照明在節(jié)約能源上非常有優(yōu)勢(shì)。此外，隨著生活水平的提高，對(duì)于清晰度高、易于攜帶、健康低輻射的平板顯示器的需求必然會(huì)逐漸增加。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)則是照明的綠

14、色革命，這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將一日千里?！?（四）國際光電子領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì) 在2013光纖通信發(fā)展報(bào)告會(huì)上，中科院半導(dǎo)體研發(fā)所副主任祝寧華發(fā)表了題為支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光電子器件研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)的報(bào)告，指出了光電子未來發(fā)展的四個(gè)趨勢(shì)：一是光電子集成，二是微電子與光電子的相互融合，三是硅基光電集成技術(shù)，四是多維調(diào)制與復(fù)用。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)未來光電子的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)從單元器件向集成化芯片發(fā)展，其中40Gb/s將成為光接入的核心，另外也提出TWDMPON將是未來發(fā)展的主流技術(shù)，而高速激光器的研發(fā)也將成為焦點(diǎn)。 高速光電子器件是實(shí)現(xiàn)高速光信息產(chǎn)生、傳輸、放大、探測(cè)、處理等功能的器件。光通信系統(tǒng)可分為骨干

15、網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)三個(gè)層次。高速光電子器件在光通信系統(tǒng)的各個(gè)層次都有重要應(yīng)用：高速光傳輸、大容量光交換、寬帶光接入和微波光子技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)更高速、更寬帶光通信傳輸系統(tǒng)，高速光電子器件呈現(xiàn)出三大發(fā)展趨勢(shì)：光電子集成，光電子與微電子的融合以及多維調(diào)制與復(fù)用。 高速光電子器件在光通信系統(tǒng)中作用以及發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀，隨著光網(wǎng)絡(luò)和光通信技術(shù)向大容量、低功耗和智能化的方向發(fā)展，速率和能耗成為制約通信技術(shù)發(fā)展的兩大技術(shù)瓶頸。為了圖片這兩大瓶頸，新型高速光電子器件在光傳輸、光信息處理與交換、光接入以及光與無線融合等領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮著越來越重要的作用。光電子集成、光電子與微電子的融合以及多維調(diào)制與復(fù)用

16、將成為通信用光電子器件的三大發(fā)展趨勢(shì) 近年來，國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)在迅猛發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)在部分光電子產(chǎn)品市場(chǎng)上已占有較大的市場(chǎng)份額，在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的光電子市場(chǎng)上爭(zhēng)得了一席之地，初步具備了與國外大公司競(jìng)爭(zhēng)的能力。但是，國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨著不少挑戰(zhàn)。對(duì)此，周炳琨認(rèn)為，首先，除光通信外，其他光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較緩慢，如光存儲(chǔ)、光顯示、光照明、醫(yī)療、光傳感等。其次，很多光電子產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)沒有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，附加值最大、科技含量最高的部件往往為國外企業(yè)所壟斷，企業(yè)自主創(chuàng)新能力有待進(jìn)一步提高；第三，大專院校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)和市場(chǎng)結(jié)合不夠緊密，還沒有形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。如何結(jié)合

17、我國科技現(xiàn)狀發(fā)展光電子產(chǎn)業(yè)，為建設(shè)創(chuàng)新型國家貢獻(xiàn)力量是我們需要思考的問題。（五）光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)在紡織工業(yè)的應(yīng)用       光電子技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)相結(jié)合可以大大提高紡織工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。在紡織生產(chǎn)設(shè)備中引入光電檢測(cè)設(shè)備可以隨時(shí)追蹤工廠的生產(chǎn)狀況，并通過工廠的控制網(wǎng)絡(luò)將各工序的生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)量、效率等信息及時(shí)報(bào)告給相關(guān)技術(shù)人員和管理人員，為工藝調(diào)整和生產(chǎn)管理提供大量可靠的數(shù)據(jù)， 同時(shí)為企業(yè)新產(chǎn)品的生產(chǎn)提供各類跟蹤據(jù)縮短新品的開發(fā)生產(chǎn)進(jìn)程 引入光電檢測(cè)技術(shù)，必將提高整個(gè)紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的

18、加工、監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、管理的自動(dòng)化、智能化及精確化水平，使紡織產(chǎn)品的質(zhì)量得到有效控制和提高 同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工廠的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，使紡織工業(yè)向現(xiàn)代化、自動(dòng)化、無人化方向發(fā)展。 以硅為材料的光電子技術(shù)的應(yīng)用   硅光電子學(xué)（用硅做材料制造的光電子元件），作為一項(xiàng)新興技術(shù)，其應(yīng)用前景令人振奮。數(shù)據(jù)的超速傳輸對(duì)未來的眾核技術(shù)能夠以更低的成本提供更高速的主流計(jì)算能力。這些硅光電子學(xué)技術(shù)將為世界帶來全新的數(shù)字設(shè)備，實(shí)現(xiàn)難以想象的性能突破。這種光感應(yīng)器通過探測(cè)微弱光信號(hào)并將其放大而擁有卓越的靈敏度。此項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于對(duì)帶寬需求高的遠(yuǎn)程醫(yī)療核3D虛擬世界等未來數(shù)據(jù)密集型計(jì)算領(lǐng)域。利用光電子技術(shù)獲取圖像信息人類獲取視覺信息有多種手段，但最常見的是各種光學(xué)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步擴(kuò)展視覺功能，就要借助于光電子技術(shù)。利用光電子技術(shù)人們不僅可隨時(shí)看見遙遠(yuǎn)的目標(biāo)和微小的目標(biāo)，還可以看見人眼不可感知的微弱目標(biāo)及各種輻射，甚至還可看清各種超快過程。 結(jié)論目前，用于信息獲取的光