北京邮电大学光子学1、概要
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6
电子技术的发展
从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放 大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新 兴的交叉学科，标志着电学与光学的相互渗透、 相互融合进入到一个新的阶段，并为光子学的建 立奠定基础。
7
第二次结合
光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将 量子论用于解释光电效应，并提出了光子的 概念。他明确提出当光作用于物质时，光是 以“光子Photon”（光的能量会集成一个个 的“能包”）作为最小单位进行的。光电探 测器（光转电）和半导体激光器（电转光） 分别是光子——电子转换器和电子——光子转 换器，它们是光电相互依存和相互转化的典 型例子。
9
半导体物理的发展促成光电效应的应用，从
光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导
体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主
要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成
功应用又出现光波技术（Lightwave Technology） 和导波光学技术（Waveguide optics）等分支学 科。
10
光纤光学 集成光学 光纤通信
纳米光子学
近场光学 纳米光子材料 纳米光子器件
纳 米 科 学
光谱学
量子光学
量子光通信
全光信息技术
14
电学 → 电子学 → 电子回路 → 电子 集成 → 电子系统 → 电子工程→电 子产业 光学 → 光子学 → 光子回路 → 光子 集成 → 光子系统 → 光子工程 →光 子产业
31
金属-电介质纳米结构、量子点和量子线、 以及纳米颗粒、纳米硅晶、纳米复合材料等。
2. 纳米材料加工：
半导体外延，电子、离子束刻蚀，多光子聚合， 胶体自组装，化学合成，溶胶－凝胶，模板压印等。
3. 纳米光子器件：
低功耗、高速度、光控光器件：纳米尺寸器件； 用纳米材料的器件；具有纳米结构的光电子器件。
4. 纳米测量技术：
11
光电子学主要研究内容
1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等；
3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。
例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。
• 光电子集成芯片技术——光电子学的核心技术。
23
纳米光子学
• 时间：2000年— • 形成：由于近场光学的进展，突破了光的衍射
极限，促进了纳米尺度下光与物质相互
作用的研究，光子学与纳米科学结合形 成了纳米光子学。 • 结论：光子学 + 纳米科学 = 纳米光子学
24
纳米光子学主要研究内容
1. 纳米光子材料：
8
第三个回合
光与电打交道的第三个回合是 1960年激光的 发明 ( 激光的理论基础是： 1917 年爱因斯坦在辐 射理论中提出受激发射的概念 ) 。激光是光学上 的一项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学 发明之一。激光器 (LASER) 是电子学中微波量子 放大器 (MASER) 在波长上的延伸。激光器的发明 不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且 对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、 理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、 放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通 信、雷达以至计算机等 。
ELF
103
VF
Βιβλιοθήκη Baidu
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双铰线
FM无线电
微波
卫星/微波
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
光子学基础
电子学或电子技术是研究利用电子或 电磁波为信息载体，在回路中传输、控 制等以实现信息的获取、传输、处理、 存储、显示等功能的一门科学技术。
光子学的定义
光子学：以光子作为信息和能量载体的科学 光子学： 研究光子的产生、传输、探测、处理、 以及 与物质相互作用的科学。 微米光子学 — 微米尺度的光子学
微型化，并按照新的物理观点将这些元器件或 系统“集成”，以形成具有多种功能的集成光 学体系。
27
集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发光
元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器件 连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独立 功能的微型光学体系。
如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、 电容等）集成，则构成混合光电子集成体系 （opto-electronic integrated circuit, OEIC）。
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
自由空间波长，m
5
电子技术的发展
电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓 电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来， 从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的 束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、 返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱 由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波 及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以 其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占 领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz 波段)。
13
光子学与电子学的发展路线图
18世纪－ 1906年电子管 1948年晶体管 1960年集成电路 21世纪－
电磁学 物 理 学
电子学
微电子学
1970年光纤、 室温LD、集成光路
纳米电子学
21世纪－
18世纪－
1960年激光器
光学
几何光学 波动光学 工程光学
光子学
激光物理学 非线性光学 付里叶光学
光电子学
17
光子具有的优异特性
光子具有极强的互连能力与并行能力 ：
光子具有极大的存储能力：不同于电子存储，光 子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存 储。如果使用可见光(λ～500nm)，光子的存储能 力则可达到1012bit／cm3量级。
18
光子产业的内容和分类
科研 军事 能源 交通 工业 农业 医疗 环保 文娱
28
集成光学的主要应用
光纤、各种集成光学器件已被广泛应用于光通
信系统中。
非通信领域——传感技术方面的应用也有了很
大的发展。
将成为光计算机中的主要部分：集成光学是光 计算机的重要基础。类似于电子计算机中有大 量的集成电路一样，集成光路将成为光计算机 中的主要部分。
29
光纤通信系统发射端的光器件的材料不统一
20
微米光子学与纳米光子学比较
21
微米光子学（光电子学）
• • 微米光子学：1970年微米尺寸的光纤、室温半导体 激光器和集成光学的发明，促进了光 纤通信技术的发展，诞生微米光子学 • 光电子学： 微米光子学的主要器件是电子驱动的 光子器件，故称为光电子学 微米光子学 = 光电子学
22
光电子学主要研究内容
时间和空间上的超高分辩率测量技术：近场光学显微 镜、近场光学光谱仪、光镊技术、飞秒激光技术。
25
集成光学
它要解决的实质问题: 获得具有不同功能、
不同集成度的集成光路，以实现光学信息处 理系统的集成化和微小化。
光通信 发射机
美国国家点 火装置NIF
26
集成光学的任务是将传统的光学元器件和系统
纳米光子学 — 纳米尺度的光子学
3
光和电
电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是
两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有 着非常密切的内在联系。
光与电的第一次结合是19世纪初麦克斯韦提出的光的
电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。
4
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102
电子学的 “瓶颈”
开关(弛豫)时间~1ns (瓶颈) 最高频率~100GHz (瓶颈) 微波 (特别是 10GHz m 9 .1110 克以上) 的电 子设备价格昂贵
31 e
16
光子具有的优异特性
光子具有极高的信息容量和效率：光频为 5×1014Hz ；电频率仅为1010Hz量级。光子在光纤中 能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信 息的容量起码比后者高出3～4个量级，即千倍以 上。 光子具有极快的响应能力 ：电子脉冲脉宽最窄限 度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信中信息速率被限定 在Gb/s (109 bit/s )量级 。光子脉冲可轻易做到脉宽 为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小于10个飞秒(fs,10-15s)量 级 ，光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几 十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)
1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等；
3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。
例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。
30
光通信器件材料统一的可能途径
1、光子与电子器件硅基共集成 （1）解决硅材料发光困难问题，采用纳米硅做激光器 （2）解决硅材料非线性低问题，用纳米尺寸全光开关 2、采用其它纳米光子技术 （1）光子晶体器件的集成 （2）金属-电介质表面等离子激元器件的集成
总之，实现光子器件材料的统一，实现集成，要靠纳光子 技术。
光 无 源 器 件
光 有 源 器 件
数 码 相 机
图 像 扫 描 仪
图 像 传 感 器
光 电 探 测 器
太 阳 能 电 池
激 光 医 疗 设 备
全 息 照 相 设 备
光 学 材 料
光 学 零 件
真 空 镀 膜
光 学 仪 器
光 谱 仪 器
19
光子学的两个发展阶段
（从器件尺度看）
微米光子学
光子学
纳米光子学
光子产业
光通信产业
光 通 信 测 试 设 备 光 通 信 系 统 设 备 激 光 器 与 发 光 管
光信息产业
打 光 印 盘 显 光 机 与 示 照 与 光 器 明 复 盘 印 机 机
激光产业
激 光 器 系 统 设 备 激 光 加 工 处 理 设 备 激 光 雷 达 测 距 仪
光学产业
光 纤 与 光 缆
光学和电子学两个学科的相互交融，促成了 光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的 光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功 和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代 高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生 活产生巨大的影响。
光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称： 量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名 称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学 科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是 发展到现阶段的电学那样。其对应的产业可名为光 子产业或光电子产业。
• 光电子集成芯片技术——光电子学的核心技术。
12
信息技术现状—光电混合
通信：信号的传输－光子技术（光纤通信系统）
信号的交换－电子技术（电子交换器）
计算：计算机CPU－电子技术（半导体电子芯片）
计算机外设－光子技术（光盘、显示、输入输出）
传感：传感元件－光子技术（光纤传感器和光纤网络）
信号处理－电子技术（解调器、电子开关） 光子技术优势：信息传输－带宽大，并行性好，存储量大，速度快 电子技术优势：信息处理－采用晶体管进行信息处理，能力强
电子技术的发展
从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放 大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新 兴的交叉学科，标志着电学与光学的相互渗透、 相互融合进入到一个新的阶段，并为光子学的建 立奠定基础。
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第二次结合
光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将 量子论用于解释光电效应，并提出了光子的 概念。他明确提出当光作用于物质时，光是 以“光子Photon”（光的能量会集成一个个 的“能包”）作为最小单位进行的。光电探 测器（光转电）和半导体激光器（电转光） 分别是光子——电子转换器和电子——光子转 换器，它们是光电相互依存和相互转化的典 型例子。
9
半导体物理的发展促成光电效应的应用，从
光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导
体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主
要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成
功应用又出现光波技术（Lightwave Technology） 和导波光学技术（Waveguide optics）等分支学 科。
10
光纤光学 集成光学 光纤通信
纳米光子学
近场光学 纳米光子材料 纳米光子器件
纳 米 科 学
光谱学
量子光学
量子光通信
全光信息技术
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电学 → 电子学 → 电子回路 → 电子 集成 → 电子系统 → 电子工程→电 子产业 光学 → 光子学 → 光子回路 → 光子 集成 → 光子系统 → 光子工程 →光 子产业
31
金属-电介质纳米结构、量子点和量子线、 以及纳米颗粒、纳米硅晶、纳米复合材料等。
2. 纳米材料加工：
半导体外延，电子、离子束刻蚀，多光子聚合， 胶体自组装，化学合成，溶胶－凝胶，模板压印等。
3. 纳米光子器件：
低功耗、高速度、光控光器件：纳米尺寸器件； 用纳米材料的器件；具有纳米结构的光电子器件。
4. 纳米测量技术：
11
光电子学主要研究内容
1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等；
3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。
例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。
• 光电子集成芯片技术——光电子学的核心技术。
23
纳米光子学
• 时间：2000年— • 形成：由于近场光学的进展，突破了光的衍射
极限，促进了纳米尺度下光与物质相互
作用的研究，光子学与纳米科学结合形 成了纳米光子学。 • 结论：光子学 + 纳米科学 = 纳米光子学
24
纳米光子学主要研究内容
1. 纳米光子材料：
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第三个回合
光与电打交道的第三个回合是 1960年激光的 发明 ( 激光的理论基础是： 1917 年爱因斯坦在辐 射理论中提出受激发射的概念 ) 。激光是光学上 的一项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学 发明之一。激光器 (LASER) 是电子学中微波量子 放大器 (MASER) 在波长上的延伸。激光器的发明 不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且 对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、 理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、 放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通 信、雷达以至计算机等 。
ELF
103
VF
Βιβλιοθήκη Baidu
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双铰线
FM无线电
微波
卫星/微波
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
光子学基础
电子学或电子技术是研究利用电子或 电磁波为信息载体，在回路中传输、控 制等以实现信息的获取、传输、处理、 存储、显示等功能的一门科学技术。
光子学的定义
光子学：以光子作为信息和能量载体的科学 光子学： 研究光子的产生、传输、探测、处理、 以及 与物质相互作用的科学。 微米光子学 — 微米尺度的光子学
微型化，并按照新的物理观点将这些元器件或 系统“集成”，以形成具有多种功能的集成光 学体系。
27
集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发光
元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器件 连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独立 功能的微型光学体系。
如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、 电容等）集成，则构成混合光电子集成体系 （opto-electronic integrated circuit, OEIC）。
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
自由空间波长，m
5
电子技术的发展
电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓 电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来， 从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的 束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、 返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱 由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波 及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以 其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占 领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz 波段)。
13
光子学与电子学的发展路线图
18世纪－ 1906年电子管 1948年晶体管 1960年集成电路 21世纪－
电磁学 物 理 学
电子学
微电子学
1970年光纤、 室温LD、集成光路
纳米电子学
21世纪－
18世纪－
1960年激光器
光学
几何光学 波动光学 工程光学
光子学
激光物理学 非线性光学 付里叶光学
光电子学
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光子具有的优异特性
光子具有极强的互连能力与并行能力 ：
光子具有极大的存储能力：不同于电子存储，光 子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存 储。如果使用可见光(λ～500nm)，光子的存储能 力则可达到1012bit／cm3量级。
18
光子产业的内容和分类
科研 军事 能源 交通 工业 农业 医疗 环保 文娱
28
集成光学的主要应用
光纤、各种集成光学器件已被广泛应用于光通
信系统中。
非通信领域——传感技术方面的应用也有了很
大的发展。
将成为光计算机中的主要部分：集成光学是光 计算机的重要基础。类似于电子计算机中有大 量的集成电路一样，集成光路将成为光计算机 中的主要部分。
29
光纤通信系统发射端的光器件的材料不统一
20
微米光子学与纳米光子学比较
21
微米光子学（光电子学）
• • 微米光子学：1970年微米尺寸的光纤、室温半导体 激光器和集成光学的发明，促进了光 纤通信技术的发展，诞生微米光子学 • 光电子学： 微米光子学的主要器件是电子驱动的 光子器件，故称为光电子学 微米光子学 = 光电子学
22
光电子学主要研究内容
时间和空间上的超高分辩率测量技术：近场光学显微 镜、近场光学光谱仪、光镊技术、飞秒激光技术。
25
集成光学
它要解决的实质问题: 获得具有不同功能、
不同集成度的集成光路，以实现光学信息处 理系统的集成化和微小化。
光通信 发射机
美国国家点 火装置NIF
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集成光学的任务是将传统的光学元器件和系统
纳米光子学 — 纳米尺度的光子学
3
光和电
电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是
两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有 着非常密切的内在联系。
光与电的第一次结合是19世纪初麦克斯韦提出的光的
电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。
4
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102
电子学的 “瓶颈”
开关(弛豫)时间~1ns (瓶颈) 最高频率~100GHz (瓶颈) 微波 (特别是 10GHz m 9 .1110 克以上) 的电 子设备价格昂贵
31 e
16
光子具有的优异特性
光子具有极高的信息容量和效率：光频为 5×1014Hz ；电频率仅为1010Hz量级。光子在光纤中 能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信 息的容量起码比后者高出3～4个量级，即千倍以 上。 光子具有极快的响应能力 ：电子脉冲脉宽最窄限 度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信中信息速率被限定 在Gb/s (109 bit/s )量级 。光子脉冲可轻易做到脉宽 为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小于10个飞秒(fs,10-15s)量 级 ，光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几 十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)
1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等；
3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。
例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。
30
光通信器件材料统一的可能途径
1、光子与电子器件硅基共集成 （1）解决硅材料发光困难问题，采用纳米硅做激光器 （2）解决硅材料非线性低问题，用纳米尺寸全光开关 2、采用其它纳米光子技术 （1）光子晶体器件的集成 （2）金属-电介质表面等离子激元器件的集成
总之，实现光子器件材料的统一，实现集成，要靠纳光子 技术。
光 无 源 器 件
光 有 源 器 件
数 码 相 机
图 像 扫 描 仪
图 像 传 感 器
光 电 探 测 器
太 阳 能 电 池
激 光 医 疗 设 备
全 息 照 相 设 备
光 学 材 料
光 学 零 件
真 空 镀 膜
光 学 仪 器
光 谱 仪 器
19
光子学的两个发展阶段
（从器件尺度看）
微米光子学
光子学
纳米光子学
光子产业
光通信产业
光 通 信 测 试 设 备 光 通 信 系 统 设 备 激 光 器 与 发 光 管
光信息产业
打 光 印 盘 显 光 机 与 示 照 与 光 器 明 复 盘 印 机 机
激光产业
激 光 器 系 统 设 备 激 光 加 工 处 理 设 备 激 光 雷 达 测 距 仪
光学产业
光 纤 与 光 缆
光学和电子学两个学科的相互交融，促成了 光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的 光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功 和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代 高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生 活产生巨大的影响。
光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称： 量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名 称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学 科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是 发展到现阶段的电学那样。其对应的产业可名为光 子产业或光电子产业。
• 光电子集成芯片技术——光电子学的核心技术。
12
信息技术现状—光电混合
通信：信号的传输－光子技术（光纤通信系统）
信号的交换－电子技术（电子交换器）
计算：计算机CPU－电子技术（半导体电子芯片）
计算机外设－光子技术（光盘、显示、输入输出）
传感：传感元件－光子技术（光纤传感器和光纤网络）
信号处理－电子技术（解调器、电子开关） 光子技术优势：信息传输－带宽大，并行性好，存储量大，速度快 电子技术优势：信息处理－采用晶体管进行信息处理，能力强