光電子技術的應用和發(fā)展前景

5/5光電子技術的應用和發(fā)展前景光電子技術的應用和發(fā)展前景

姓名：曾倬

學號/p>

專業(yè)：電子信息科學與技術

指導老師：黃曉莉

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）國際光電子領域的發(fā)展趨勢

（五）光電子的應用

（一），光電子及光電子產(chǎn)業(yè)概況

光電子技術是一個比較龐大的體系，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，如計算機光互連、光計算、光交換等；信息獲取，如光學傳感和遙感、光纖傳感等；信息存儲，如光盤、全息存儲技術等；信息顯示，如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術是光電子學領域中最為活躍的分支。在信息技術發(fā)展過程中，電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻。但它也在速率、容量和空間相容性等方面受到嚴峻的挑戰(zhàn)。

采用光子作為信息的載體，其響應速度可達到飛秒量級、比電子快三個數(shù)量級以上，加之光子的高度并行處理能力，不存在電磁串擾和路徑延遲等缺點，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，必將大大改善電子通信設備、電子計算機和電子儀器的性能。

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、光傳感等的電子學的一

個分支，同時還包容了部分電光學、光子學和光學成分。主要光電子器件集中體現(xiàn)在各類半導體LED、LD，各類光探測器，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的各類光波導等無源器件。

光電子產(chǎn)業(yè)也不是以單一形式存在，它是一個由相關的基礎設施和基礎技術支撐的多類

產(chǎn)業(yè)的結合體，可形象地比做一棵參天大樹。滋養(yǎng)這棵大樹的土壤是：制造設施，研究機構，技術力量，政府基金，風險投資，研發(fā)資源等。支撐這棵大樹的脊梁是光電子技術，包括LD/LED，光探測器，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。這棵大樹結出的豐碩果實就是光電子產(chǎn)業(yè)，包括光通訊，光顯示，光存儲，影像，光信號/照明，太陽能電池等。用一個簡單的分類方法，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、光通信設備等產(chǎn)品，能量光電子包括激光器、激光加工成套設備、激光醫(yī)療設備及測控儀表等,而娛樂光電子包括日常消費品制造如VCD，DVD等等。

光電子市場主要集中在通信、顯示、存儲和影像等四個領域。圖中給出了98年度世界各類光

電子產(chǎn)品所占的市場份額。那么，光電子元器件所占市場份額比例是多少呢,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年預計為30.6%。這樣看來,光電子元器件占整個光電子市場份額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)出一路增長的勢頭，98年年增長率為6.6%，99年預計年增長率為10.4%。有關預測表明，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，預計年增長率為23%，其中，用于WDM的LD年增長率將在50%以上，放大器為43%左右。在微電子技術蓬勃發(fā)展的同時，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務。比如激光器，光電探測器，太陽電池如等方面都需要光電結合。這就是早期的光電子學。隨著光電子學的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子學。所以可以說，先有了光電子學，又有了光子學。而最終的發(fā)展會是光電的再次統(tǒng)一，即更

高一個層次上的光電子學?，F(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術和單光子技術，那時信息的載體不再是束流，而是單個的粒子。光子和電子都是利用量子力學的概念，區(qū)別只是波長不同而已。我想我們在二十一世紀肯定會走到這一步。那時既不能叫光子信息技術，也不能叫電子信息技術，應該叫量子信息技術。

（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

學有它獨特的優(yōu)勢。尤其在信息領域。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。由于密集波分復用技術的發(fā)展，一根頭發(fā)絲粗細的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電纜無法比擬的。再如信息存儲技術，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光激光器，采用藍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，可以實現(xiàn)全息存儲，在不到一個平方厘米的芯片上，我們可以把北京圖書館的所有的書都存進去。在計算機方面，未來的發(fā)展趨勢是光要進入計算機中，發(fā)揮光子的優(yōu)勢實現(xiàn)開關的互聯(lián)，利用光來消除電子傳輸帶來的瓶頸效應。

二十一世紀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：二十一世紀一定需要光電子。

（三）二十一世紀信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為支

柱產(chǎn)業(yè)

在微電子技術蓬勃發(fā)展的同時，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務。比如激光器，光電探測器，太陽電池如等方面都需要光電結合。這就是早期的光電子學。隨著光電子學的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子學。所以可以說，先有了光電子學，又有了光子學。而最終的發(fā)展會是光電的再次統(tǒng)一，即更高一個層次上的光電子學?，F(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術和單光子技術，那時信息的載體不再是束流，而是單個的粒子。光子和電子都是利用量子力學的概念，區(qū)別只是波長不同而已。我想我們在二十一世紀肯定會走到這一步。那時既不能叫光子信息技術，也不能叫電子信息技術，應該叫量子信息技術。

國際公認:21世紀是光電子與微電子緊密結合發(fā)揮作用的時代,以光通信為龍頭的信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為21世紀的明星產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。

日本工業(yè)調(diào)查會總經(jīng)理志村幸雄在述及21世紀的主導產(chǎn)業(yè)時指出，21世紀具有代表意義的主導產(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)。同時指出“光電子產(chǎn)業(yè)”對其它許多產(chǎn)業(yè)而言，無疑將起到“基礎材料”的作用。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)有關方面統(tǒng)計，我國的顯示器、彩電和激光視頻機等幾種光電子產(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)的不斷增長帶動下形成的。中國工程院院士許祖彥在接受《中國電子報》記者采訪時強調(diào)，在“國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要”啟動之際，我們應當在促進信息化與工業(yè)化良性互動的科學發(fā)展觀指導下，本著建設創(chuàng)新型國家的理念，發(fā)展我國的光電子產(chǎn)業(yè)，抓住光電子技術更新?lián)Q代迅猛發(fā)展中的機遇，尋找突破口，提高我國光電產(chǎn)業(yè)的競爭力。例如顯示技術從上世紀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、傳輸和再現(xiàn)技術，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)展有可能促進顯示產(chǎn)品的更新?lián)Q代，形成新一代顯示技術。

未來光電子產(chǎn)業(yè)還將繼續(xù)蓬勃發(fā)展。就市場需要而言，專家認為，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)絡和光接入網(wǎng)，如光纖到戶(FTTH)；光存儲中的藍光光盤存儲、光全息存儲；光顯示中的大尺寸LCD顯示器、OLED顯示器；半導體照明及太陽

能電池利用；此外，在光纖傳感、醫(yī)療領域也有比較大的增長空間。

發(fā)展高清晰視頻業(yè)務對光存儲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很重要。中國科學院院士周炳琨介紹說，現(xiàn)在的DVD的容量已經(jīng)很大，如果要滿足消費者對更高存儲量介質的需求，就必須在增加播放內(nèi)容清晰度的同時降低成本。如果能夠早日進入三維視頻時代，光存儲的市場潛力將會進一步增加。

未來社會能源缺乏，這也是光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機?！捌桨屣@示、半導體照明在節(jié)約能源上非常有優(yōu)勢。此外，隨著生活水平的提高，對于清晰度高、易于攜帶、健康低輻射的平板顯示器的需求必然會逐漸增加。半導體照明產(chǎn)業(yè)則是照明的綠色革命，這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將一日千里?！?/p>

（四）國際光電子領域的發(fā)展趨勢

在2013光纖通信發(fā)展報告會上，中科院半導體研發(fā)所副主任祝寧華發(fā)表了題為《支撐光網(wǎng)絡發(fā)展的光電子器件研究現(xiàn)狀與趨勢》的報告，指出了光電子未來發(fā)展的四個趨勢：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，四是多維調(diào)制與復用。重點強調(diào)未來光電子的發(fā)展趨勢會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TWDM—PON將是未來發(fā)展的主流技術，而高速激光器的研發(fā)也將成為焦點。

高速光電子器件是實現(xiàn)高速光信息產(chǎn)生、傳輸、放大、探測、處理等功能的器件。光通信系統(tǒng)可分為骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)三個層次。高速光電子器件在光通信系統(tǒng)的各個層次都有重要應用：高速光傳輸、大容量光交換、寬帶光接入和微波光子技術。為了實現(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：光電子集成，光電子與微電子的融合以及多維調(diào)制與復用。高速光電子器件在光通信系統(tǒng)中作用以及發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀，隨著光網(wǎng)絡和光通信技術向大容量、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發(fā)展的兩大技術瓶頸。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

等領域的關鍵環(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)制與復用將成為通信用光電子器件的三大發(fā)展趨勢

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)品市場上已占有較大的市場份額，在競爭日趨激烈的光電子市場上爭得了一席之地，初步具備了與國外大公司競爭的能力。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)。對此，周炳琨認為，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、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)新能力有待進一步提高；第三，大專院校、科研機構與企業(yè)和市場結合不夠緊密，還沒有形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學研相結合的技術創(chuàng)新體系。如何結合我國科技現(xiàn)狀發(fā)展光電子產(chǎn)業(yè)，為建設創(chuàng)新型國家貢獻力量是我們需要思考的問題。

（五）光電子技術的應用

光電子技術在紡織工業(yè)的應用

光電子技術與數(shù)字信號處理技術及計算機視覺技術相結合可以大大提高紡織工業(yè)的自動化生產(chǎn)水平。在紡織生產(chǎn)設備中引入光電檢測設備可以隨時追蹤工廠的生產(chǎn)狀況，并通過工廠的控制網(wǎng)絡將各工序的生產(chǎn)質量、產(chǎn)量、效率等信息及時報告給相關技術人員和管理人員，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)進程引入光電檢測技術，必將提高整個紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的加工、監(jiān)測、檢驗、管理的自動化、智能化及精確化水平，使紡織產(chǎn)品的質量得到有效控制和提高同時降低工人的勞動強度，提高工廠的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，使紡織工業(yè)向現(xiàn)代化、自動化、無人化方向發(fā)展。

以硅為材料的光電子技術的應用

硅光電子學（用硅做材料制造的光電子元件），作為一項新興技術，其應用前景令人振奮。數(shù)據(jù)的超速傳輸對未來的眾核技術能夠以更低的成本提供更高速的主流計算能力。這些硅光電子學技術將為世界帶來全新的數(shù)字設備，實現(xiàn)難以想象的性能突破。這種光感應器通過探測微弱光信號并將其放大而擁有卓越的靈敏度。此項技術也可以應用于對帶寬需求高的遠程醫(yī)療核3D虛擬世界等未來數(shù)據(jù)密集型計算領域。

利用光電子技術獲取圖像信息

人類獲取視覺信息有多種手段，但最常見的是各種光學系統(tǒng)。為了進一步擴展視覺功能，就要借助于光電子技術。利用光電子技術人們不僅可隨時看見遙遠的目標和微小的目標，還可以看見人眼不可感知的微弱目標及各種輻射，甚至還可看清各種超快過程。

結論

目前，用于信息獲取的光電子技術已廣泛應用于各個領域：如超快現(xiàn)象診斷，生物醫(yī)