光电子产业及其发展趋势

光电子产业及其发展趋势摘要: 光电子产业是目前以及未来相当长一段时间内都将迅速发展的高技术、高附加值产业。通过回顾光电子技术的发展历史, 比较系统地介绍了光电子产业的最新动态, 与光电子产业相关的其它新兴产业, 以及这一新兴产业的未来发展趋势。

关键词: 光电子产业; 历史发展; 未来趋势

近年来国内外正在掀起一股光电子学和光电子产业的热潮, 光电子技术的新名词不断涌现, 技术的发展日新月异。一些国家把大量资金投入到光电子学和光电子技术的研究和开发之中。国际知名科学家预言, 光电子时代已经到来,光电子技术将引起一场超过电子技术的产业革命, 将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击。光电子是目前和未来相当长一段时间内都将迅速发展的高技术高附加值产业。

1 光电子技术的发展历史及光电子时代的到来

光电子技术发展经历了从概念提出、理论建立、材料和器件研制、应用和逐步产业化过程。我们可以看出, 40 年代以前主要是发展光电子学理论, 70 年代以前主要是应用已有理论进行发明创造和完成实验研究, 近几十年主要是使那些发明创造实现产业化。当然不同的光电子技术发展是不平衡的, 首先发展起来的是真空光电子技术和产业, 后来逐步发展到固体光电子技术与产业。据不完全统计, 到2000 年底, 全球光电子产业总产值约1200 亿美元。彩电进入千家万户, CRT 产量惊人, 风华正茂; LCD 已成为中小尺寸显示器的主流产品, 风光无限; 传感器、CCD 摄像机和数码相机进入家庭, 风景独好; 随着半导体激光器、掺铒光纤放大器和光纤技术的成熟, 光通信已成为通迅的最主要手段。光电子在信息获取、传输、存储和显示等方面起主导作用, 还将在工业智能化控制方面发挥重要作用。随着LED 技术的进步, 光电子还将在节能方面大有作为。光电子技术在研究领域的应用还有可能导致新的重大发现和新的研究领域的开辟。根据美国光电子工业发展协会估计, 到2013 年光电子全球总产值可达5000 亿美元。

2 光电子产业的最新动态

光子作为能量载体可提供极高功率密度与能量密度的光能、极短的光脉冲、极精细的光束等, 创造出极端的物理条件: 极高的温度、极高的压强、极低的温度和极精密的刻划与极精细的加工, 从而使光电子学和光电子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学、环境科学及国防军事领域中到广泛的应用。光电子技术的内涵包括真空光电子技术及相关的器件与系统; 半导体光电子技术及相关的器件与系统激光技术及相关器件与系统; 其它光电子材料及器件以及大型光电子装置等几个大的方面。下面仅就一些热点问题进行讨论。

2. 1 激光技术锋芒毕露

激光是二十世纪的重大发明之一。一台普通的脉冲固体激光器, 输出的光脉冲宽度是几百微秒, 甚至毫秒量级, 峰值功率只有几十千瓦级, 显然满足不了诸如激光测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求。正是在这些要求的推动下, 1961 年人们研究了激光调Q 技术和锁模技术, 到80 年代使激光脉冲宽度和峰值功率达到纳秒( ns)量级和吉瓦( GW) 量级的巨型脉冲。1964 年科学家们又提出了压缩脉宽、提高功率的新机制) 锁模技术, 使脉宽达到皮秒( ps, 10- 12) 量级; 70 年代超短脉冲技术得到迅速发展;80 年代初有人又提出了碰撞锁模理论, 在此基础上得到了90fs 光脉冲系列。90 年代自锁模技术的出现, 产生了脉宽为飞秒( fs, 10- 15 ) 、峰值功率为太瓦( T W, 1012W) 以上的超短脉冲, 为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。为了改善光束质量, 又发展了选模技术和稳频技术以满足精密干涉计量、全息照相、精细加工等的要求。

2. 2 光纤通讯生机无限

光通信经历了自由空间光通信和光纤通信两个重要发展阶段。早期的自由空间光通信( Fr ee space optical communication,即FSO) 曾掀起了全世界的研究热潮, 但当时的器件研究技术, 系统

技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素阻碍了其进一步发展。随着近年来大功率半导体激光技术、自适应变焦技术、光波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术和光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟, 自由空间光通信又重新浮出了水面, 且比早期激光大气通信具备更坚实的基础和更明确的应用目标。FSO 将是今后构筑电信网不可缺少的一项技术。

2. 3 光电显示日新月异

目前显示技术主要有两种方式: 阴极射线管( CRT) 和平板显示( Flat panel display, 即FDP) 。从技术发展水平看,CRT 每个像素的性能价格比要比其它显示器件高得多。每当CRT 采用新技术, 就能提高它的附加价值, 因此它不会在短期内消失。FPD 种类较多, 按实现媒质和工作原理分为:液晶显示( LCD) 、等离子体显示( PDP) 、电致发光显示( ELD)等。LCD 主要在微型和中小屏幕占优, PDP 由于制作工艺相对简单, 易于制作大屏幕, 是发展多媒体显示, 壁挂式电视和高清晰度电视( HDTV) 最有竞争力的显示技术。

2. 3. 1 液晶显示( LCD) 是光电产业竞争的焦点

由于面板的应用多元化, 由以往的PC 用面板- LCD 监视器面板、扩展到LCDTV 及手机等中小尺寸产品。应用面多元化后, 面板价格逐渐摆脱周期性大幅振荡的局面, 而呈现稳定小幅波动, 2003 年面板在需求紧俏的情况下, 每月价格仅呈现3~ 5 美元的小涨。04 年仍有近三成的获利空间。TFTLCD 面板的三大应用领域为笔记本电脑、LCD 监视器及LCDTV。全球2004 年出货量将达到11 3 亿片, 2003 年增长36%, 若考虑面板尺寸的放大, 2004 年面板需求将超过45%。PC 面板需求强劲, 2004 年将比2003 年上升16%。半年LCDTV 面板开始进入快速成长期, 这个每年近2 亿台的、比PC 大上一倍、尺寸更大的市场, 将是往后几年T FT 面板成长的主要动力。目前LCD 的发展方向是大角度、高亮度、高对比度和高扫描速度。

2. 3. 2 发光二极管( LED) 显示技术日益成熟, 应用趋于稳定

LED 构造的核心是利用磷化稼或砷化稼等半导体发光材料芯片组成的PN 结。半导体照明产业也是21 世纪最具发展前景的产业之一, 被称为光明产业。半导体照明等采用发光二极管( LED) 作为新光源, 耗电率仅为普通白炽灯的1/10, 但寿命却可以延长100 倍, 此外还具有环保和免维护等特点。如果以半导体灯代替传统的白炽灯和荧光灯, 将会对能源和环保产生巨大的影响。高亮度LED 被广泛用于汽车工业、交通信号显示、手机及笔记本电脑的背光源和直接代替白炽灯。尽管目前大多数国内企业尚处在研究和小批试制阶段, 但因其技术日趋成熟, 市场日渐稳定, 故其发展速度较快, 尤其是珠三角地区, 己有相当数量的LED 企业存在。

2. 3. 3 等离子体显示器( PDP) 具有强劲的竞争能力

等离子体显示是利用气体放电产生发光现象的平板显示的统称。按PDP 所施驱动电压的不同, PDP 可分为交流等离子体显示板与直流等离子体显示板两类。后者因其光电和环境性能优越, 是PDP 技术的主流。PDP 比其它平板显示更适合大画面的显示。等离子体显示器这几年已逐渐走向市场, 等离子体电视也异军突起, 成为其它电视强有力的竞争对手。2002 年由于世界杯的举办使PDP 的市场保持良好的势头, 03 年加上北美市场及欧洲市场等全球范围内的需求增长, 在这种情

况下, 日本、韩国、台湾都开始了增产计划。除了PDP 面板外,在LCD 的大型化、投影电视的价格等方面, 超薄电视市场的竞争会更加激烈。

平板显示技术是二十一世纪光电子学三个最大应用领域之一, 民用产品从街头广告牌到床头时钟, 军用产品从星载侦查相机到单兵头盔都会用到。它是全球最大的产业之一, 销售额达数千亿美元, PC 和T V 显示器全球产量增长势头强劲, 手机彩屏也是显示业中最火爆的市场之一, 中国的年需

求量巨大, 出口势头也异常迅猛。

3 不断涌现的光电子新奇产业