北京邮电大学光子学1、

微电子学 纳米电子学 纳
米
1970年光纤、 室温LD、集成光路
21世纪－
科
光电子学 纳米光子学 学
激光物理学 非线性光学 付里叶光学
量子光学
光纤光学 集成光学 光纤通信 量子光通信
近场光学 纳米光子材料 纳米光子器件 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
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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。
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
源自文库
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m是e 91.101G10H31克z以上) 的电 子设备价格昂贵
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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。
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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。
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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。
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通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
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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。
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线
红外 可见光
光纤
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
• 光电子集成芯片技术——光电子学的核心技术。
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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 纳米光子学 — 纳米尺度的光子学
自由空间波长，m
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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)。
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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
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光子学与电子学的发展路线图
18世纪－
电磁学
物
理
学
18世纪－
光学
几何光学 波动光学 工程光学
光谱学
1906年电子管 1948年晶体管
电子学
1960年激光器
光子学
1960年集成电路
21世纪－
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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 。