光電子技術(shù)概論

光電子技術(shù)

ELECTRONICTECNOLOGY

緒論第1章光電系統(tǒng)中的常用光源第2章光輻射的調(diào)制第3章光輻射探測器第4章光電成像器件第5章光存儲器第6章平板顯示器件

本書主要內(nèi)容緒論§1、問題的提出及概述§2、光電子學與光電子技術(shù)簡介§3、光電子信息產(chǎn)業(yè)的重要性§4、光電子技術(shù)的應(yīng)用§5、本課程的主要內(nèi)容§6、本課程學習方法、要求§1、問題的提出及概述

什么是“光電子學”；?什么是“光電子技術(shù)”；?什么是“光電子技術(shù)基礎(chǔ)”；光電子技術(shù)光通信光傳感寬帶、高速、長距離（干線，點對點）無線光通信量子通信城域網(wǎng)無線接入網(wǎng)光纖傳感醫(yī)療診斷生物信息環(huán)境監(jiān)測安全監(jiān)測其它：光盤、存儲、條形碼、加工、武器……

波分復用光通信系統(tǒng)

WavelengthDivisionMultiplexing(WDM)ErbiumDopedFiberAmplifier(EDFA)

信號發(fā)射機λnλ1光放大器功放復用器解復用器預放λ1λn接收機信號光通信：光波頻率~1016Hz,允許高頻調(diào)制，目前商用水平：每波長10~40Gb/s

通信容量大

不受電磁干擾發(fā)展趨勢：路數(shù)增多，信道間隔加密，傳輸距離加長這個系統(tǒng)中都包含了哪些功能？這些功能都是怎樣實現(xiàn)的？電視系統(tǒng)（CATV）電視臺演播室EDFA中繼放大EDFA功放小區(qū)（樓）接收用戶樹狀系統(tǒng)，廣播式這個系統(tǒng)中都包含了哪些功能？這些功能都是怎樣實現(xiàn)的？利用光纖光柵測量應(yīng)變應(yīng)力造成光柵移頻、展寬應(yīng)力造成光柵移頻、展寬Raman光譜技術(shù)測量

人體胡蘿卜素488nm；10mW；20s;2mm光斑GasSensor對燃燒過程的監(jiān)測通過對光吸收的測量，確定燃燒過程產(chǎn)生的CO、NO、H2O、CO2等氣體的濃度；?對激光器進行調(diào)諧，可以測量吸收譜；?通過吸收的比例，可以判斷燃燒室的溫度；?“借用”波分復用技術(shù)，可以同時測量多個參量。安全監(jiān)測太赫茲波（THz）：100GHz～10THz分辨率比X光要高基本器件激光器；?光放大器；?調(diào)制器；?光隔離器；?探測器；?環(huán)形器；?光纖；?光衰減器；?光柵；?光濾波器；?分光器；?顯示器；?光開關(guān)；?移頻器；?波分復用耦合器；?……；?波長轉(zhuǎn)換器；了解和認識這些器件，需要多方面的基礎(chǔ)和專業(yè)知識；實現(xiàn)和應(yīng)用這些系統(tǒng)，需要多方面的知識和技能。與這些領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)就是光電子技術(shù);支持這些技術(shù)的學科就是光電子學。光電子學包含：

激光與紅外物理學非線性光學:強光光學效應(yīng)、電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、彈(聲)光效應(yīng)半導體光電子學：光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)、發(fā)光效應(yīng)、非線性光學效應(yīng)導波光學：非線性光學效應(yīng)介質(zhì)導波效應(yīng)傅立葉光學光電子技術(shù)分類包括兩大類技術(shù):

光電子信息技術(shù):激光在電子信息技術(shù)中的應(yīng)用形成的技術(shù)。包含：光電檢測與信息處理;光通信;光存儲;光顯示等等。

光電子能量科學技術(shù)：

太陽能的利用;高效節(jié)能光源；高功率激光器；激光加工；激光生命科學什么是“光電子”；?什么是“光電子技術(shù)”；?什么是“光電子技術(shù)基礎(chǔ)”?什么是“光電子技術(shù)基礎(chǔ)”基礎(chǔ)：各種技術(shù)共同的基本規(guī)律??在外場作用下光和物質(zhì)的相互作用外場：電場、磁場、強光場、超聲（應(yīng)變）場等物理效應(yīng)：電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、強光非線性光學效應(yīng)、聲光效應(yīng)

共同的基本規(guī)律入射光場電偶極子振動輻射次波（頻率相同）相干疊加——光的傳播規(guī)律（線性）外場和入射光場共同作用改變了電偶極子振動頻率輻射次波和入射波頻率不同——光的傳播規(guī)律（非線性）物理過程：緒論§2光電子學與光電子技術(shù)簡介一．光電子學定義:光學和電子學相結(jié)合而形成的一門新的學科電子學Electronics(1910年)

包括真空電子技術(shù)、氣體電子技術(shù)、固體電子技術(shù)等，主要研究電子的特性與行為及其在真空或物質(zhì)中的運動與控制。

研究電波的振蕩、傳播；電信號的產(chǎn)生、放大、變換，頻率的穩(wěn)定，混合，檢波等等半導體微電子學——集成電路。電子技術(shù)發(fā)展的歷史1903年，福雷斯特的三極電子管的發(fā)明：使電信號的產(chǎn)生、放大、檢測等功能成為可能，拉開了現(xiàn)代電子學時代的序幕；1949年，晶體管誕生：約翰·巴?。↗ohnBardeen）電子技術(shù)由此實現(xiàn)了“固體化”這個具有革新意義的第二次飛躍；1970年以后，集成電路產(chǎn)生：杰克·基爾比（JackKilby），首創(chuàng)集成電路（IC），被譽為信息時代最為重要的發(fā)明之一.電子技術(shù)進入半導體微電子技術(shù)時代電子技術(shù)的發(fā)展遵循：信息處理經(jīng)濟學原理：更快的速度、更微小的耗能、處理更多的信息這也是21世紀信息技術(shù)發(fā)展的方向光學Optics

傳統(tǒng)光學：以幾何光學和物理光學為基礎(chǔ),各種光學儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠鏡、照相機、經(jīng)緯儀、光譜儀）?，F(xiàn)代光學：以電磁輻射為研究對象（黑體輻射）,以光與物質(zhì)相互作用為主要研究內(nèi)容（新型光源、光電效應(yīng)、光探測器等）。電磁波譜

光是一種電磁波，X射線、射線也都是電磁波。它們的電磁特性相同，只是頻率或波長不同而已。將電磁波按其頻率或波長的次序排列成譜，則稱為電磁波譜。通常所說的光學區(qū)域或光學頻譜包括：紅外線、可見光和紫外線。由于光的頻率極高1012～1016Hz，一般采用波長表征，光譜區(qū)域的波長范圍約從1mm到10nm。

遠紅外 (1mm~20m)紅外線(1mm~0.76m) 中紅外 (20m~1.5m)

近紅外 (1.5m~0.76m)

紅色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黃色 (600nm~570nm)可見光

(760~380nm)

綠色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

藍色 (450nm~430nm)

紫色 (430nm~380nm)

近紫外 (380nm~300nm)紫外光(380~10nm)

中紫外 (300nm~200nm)

真空紫外(200nm~10nm)光子學Photonics(1960)它是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學，主要研究光子是如何產(chǎn)生及其運動和轉(zhuǎn)化的規(guī)律。所謂光子技術(shù)，主要是研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測的科學技術(shù)。現(xiàn)在，光子學和光子技術(shù)在信息、能源、材料、航空航天、生命科學和環(huán)境科學技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，必將促進光子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展?！皬碾娮訉W類推，光子學一詞描述光子在信息傳輸中的應(yīng)用，包括光子束的產(chǎn)生、導波、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、放大，圖象處理、存儲和探測”。

激光光子時代的領(lǐng)銜主角。光電子學Opto-electronics(1960)

光學與電子學相結(jié)合的產(chǎn)物。光電子學是指光波波段，即紅外線、可見光、紫外線和軟X射線（頻率范圍3×1012～1016Hz或波長范圍1mm~10nm）波段的電子學。將電子學使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學所不可能產(chǎn)生的許多新功能。以前由電子方法實現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用光學方法來完成——光電子學，研究光子與束縛電子的相互作用，是光子學的第一個階段。激光器的發(fā)明(1960年)是20世紀的重大成就之一是繼原子能、半導體、計算機后的又一重大發(fā)明計算機延伸了人的大腦而激光延伸了人的五官是探索大自然奧秘的超級“探針”激光開始了光學一場新的革命它的誕生標志著量子光學由學術(shù)走向技術(shù)它使近代光學和電子學聯(lián)姻，誕生了光電子學，使傳統(tǒng)光學、近代光學進入現(xiàn)代光學和光子學的新世紀；激光已經(jīng)改變和正在改變我們的生活。如果20世紀沒有光學的迅猛發(fā)展，即

沒有20世紀初光的本性的認識促進了相對論和量子力學理論的形成沒有60年代激光的發(fā)明沒有80年代光通信的出現(xiàn)沒有90年代大存儲量的光盤的發(fā)展也就不可能有今天的互聯(lián)網(wǎng)時代，人類也不可能進入21世紀的信息社會。20世紀，不能想象沒有光學光子學的突破1.1970年L.Esaki和R.Tsu提出半導體超晶格概念和理論以來，超晶格和量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究得到飛速發(fā)展；2.諧振腔量子電動力學效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和垂直腔面發(fā)射激光器的問世，是光子學發(fā)展過程中在理論和器件上的一大突破；3.導波光學、非線性導波光學的發(fā)展，在光纖通訊上導致了三項重要成果：摻鉺光纖放大器、孤子激光器和光孤子的傳輸、波分復用技術(shù)；4.非線性光學及非線性材料、器件的飛速發(fā)展，初步奠定了光子學發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)；5.光子集成已看到曙光；6.一些現(xiàn)代光子、光學理論的建立，有助于光子學理論體系的建立。

20世紀-電子學世紀

21世紀-光子學世紀光子學的提出，光子學的若干重要學科分支

光電子學包含：

激光與紅外物理學非線性光學:強光光學效應(yīng)、電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、彈(聲)光效應(yīng)半導體光電子學：光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)、發(fā)光效應(yīng)、非線性光學效應(yīng)導波光學：非線性光學效應(yīng)介質(zhì)導波效應(yīng)傅立葉光學

二、光電子技術(shù)【optoelectronictechnology】

1、定義：是電子技術(shù)與光子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門新興的綜合性的交叉學科，主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)。光電子技術(shù)又是一個非常寬泛的概念，它圍繞著光信號的產(chǎn)生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發(fā)光感光材料，非線性光學材料，襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結(jié)構(gòu)等）、微加工和微機電、器件和系統(tǒng)集成等一系列從基礎(chǔ)到應(yīng)用的各個領(lǐng)域。光電子技術(shù)科學是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱與基礎(chǔ)，涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術(shù)等前沿學科理論，是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術(shù)學科。

光電子技術(shù)發(fā)展史19世紀70年代到1960年以前，光學與電子學仍是兩門獨立的學科。1960年，美國梅曼成功研制第一臺激光器－－紅寶石激光器，引起連鎖反應(yīng)。1961年，第一臺激光測距機問世，隨后各種激光武器相繼研制成功。20世紀70年代，低損耗的光纖、常溫下半導體激光器的成熟、CCD問世，導致光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展。20世紀80年代，對量子阱材料等其他材料的深入研究，導致一些新的光電子器件的產(chǎn)生與應(yīng)用。20世紀90年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域和光存儲方面取得了極大成功。21世紀是信息化的世紀，信息與信息交換的爆炸性增長對信息的采集、傳輸、處理、存儲與顯示提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。光電子技術(shù)分類包括兩大類技術(shù):

光電子信息技術(shù):激光在電子信息技術(shù)中的應(yīng)用形成的技術(shù)。包含：光電檢測與信息處理;光通信;光存儲;光顯示等等。

光電子能量科學技術(shù)：

太陽能的利用;高效節(jié)能光源；高功率激光器；激光加工；激光生命科學2.特征:光源激光化傳輸波導化手段電子化現(xiàn)代電子學中的理論模式和電子學處理方法光學化3.重要性：信息技術(shù)的兩大重要支柱之一光電子技術(shù)與微電子技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)的兩大重要支柱。4.重要趨勢：集成光電子技術(shù)5.特點：1）頻譜寬

2）信息容量大

3）傳輸速度快

4）抗電磁干擾能力強

信息光電子技術(shù)包含：

光載波源：激光、調(diào)Q、鎖模、移頻、混頻光信號加載：開關(guān)、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、傳感、復用光信號傳輸：波導、耦合、隔離、偏振、中繼、反饋光信號處理：解調(diào)、整形、補償、放大、延遲、卷積、濾波、存儲光信號接收探測、顯示§3光電子信息產(chǎn)業(yè)的重要性

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子以其獨特的優(yōu)點，具有極快的響應(yīng)速度，極大的頻寬，信息容量和極高的信息效率推動信息科學技術(shù)的發(fā)展，具有越來越大的競爭力，光電信息產(chǎn)業(yè)在市場的份額逐年增加。光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學技術(shù)的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達國家的主導產(chǎn)業(yè)。一些國家把大量資金投入光子學和光子技術(shù)的研究和開發(fā)，許多以光子學命名的研究中心、實驗室和公司如雨后春筍般地建立起來。可以毫不夸張地說，一個國家對光子學的投資以及在這一領(lǐng)域從事研究工作的人數(shù)直接反映著這個國家科學技術(shù)發(fā)展的水平。國際知名的科學家已經(jīng)預言：光子時代已經(jīng)到來，光子技術(shù)將引起一場超過電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命，將給工業(yè)和社會帶來比電子技術(shù)更大的沖擊。光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在國家經(jīng)濟建設(shè)和科學持續(xù)發(fā)展中的作用。

美國政府已將光子學與光子技術(shù)列為國家發(fā)展的重點，認為該領(lǐng)域“在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力”，并肯定“通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學領(lǐng)域”，

美國商務(wù)部指出：

“90年代，全世界光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰在光子產(chǎn)業(yè)方面取得主動權(quán)，誰就將在21世紀的尖端科技的較量中奪魁”。在德國，政府已確定光子學是本世紀初“對保持德國在國際技術(shù)市場上的先進地位至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一”。在日本有評論認為“21世紀具有代表意義的主導業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)……”。

我國政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國民經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃，繼1986年3月王大珩等四位專家倡導的“863計劃”之后，在此基礎(chǔ)上開始了“973計劃”，這兩個高科技計劃的重點是光電子產(chǎn)業(yè)。受信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化浪潮的推動，中國的光電信息市場和產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢，成為拉動整個國民經(jīng)濟增長的第一支柱行業(yè)。1999年底全國范圍內(nèi)建成了“八橫八縱”的光纜網(wǎng)．武漢、廣東和長春等地提出了建設(shè)中國光谷的規(guī)劃?！?光電子技術(shù)的應(yīng)用

光纖通信

光存儲

光計算

在線檢測

危險環(huán)境測量

激光醫(yī)學

激光加工

軍事應(yīng)用

遙感測量

光傳感

精密計量

技術(shù)領(lǐng)域

應(yīng)用空間光學望遠鏡：美國2.4m口徑哈勃望遠鏡大型天文望遠鏡：口徑為25m的天文望遠鏡在籌建中光學激光器激光系統(tǒng)發(fā)光與顯示激光加工（打孔、切割、焊接、表面處理等）機械激光光刻與微細加工（0.3－0.5m）

X射線光刻（<0.3m

）光化學三維模型制作光纖通信

信息光電子傳感（包括光纖傳感）激光印刷與照排光盤存儲

技術(shù)領(lǐng)域

應(yīng)用激光核聚變

能源激光分離鈾同位素；美國每年為鈾的濃縮開支約20億美元太陽能電池

生物工程激光誘導細胞融合