光电子产业发展概况与前景

光电子产业--21世纪的第一主导产业
众所周知，21世纪是信息经济时代，信息产业将成为支柱产业。

以美国为例，在1995年至1998年期间信息产业占美国GDP的8%，但它对美国实际的经济增长贡献率则达到35%，据称到2006年全美将有近半数劳动力资源被信息产业所雇用。

而信息产业的发展却与光电子技术的发展有着紧密的联系。

如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。

美国商务部指出：“90年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁”。

日本《呼声》月刊也有类似的评论：“21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业……”，可以断言，光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。

光电子器件和部件广泛应用于长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器装备，预期还会在未来的光计算中发挥重要作用。

目录
（一），光电子与光电子产业概况
（二），光电子的地位与作用
（三），二十一世纪信息光电子产业将成为支柱产业
（四），国际光电子领域的发展趋势
（一），光电子及光电子产业概况
今天，光电子已不再局限传统意义上的用于光发射、光调制、光传输、光传感等的电子学的一个分支，同时还包容了部分电光学、光子学和光学成分。

主要光电子器件集中体现在各类半导体LED、LD，各类光探测器，收发集成模块,光放大器，调制器，波长变换器等。

此外，还包括和上述器件相关的各类光波导等无源器件。

光电子产业也不是以单一形式存在，它是一个由相关的基础设施和基础技术支撑的多类产业的结合体，可形象地比做一棵参天大树。

滋养这棵大树的土壤是：制造设施，研究机构，技术力量，政府基金，风险投资，研发资源等。

支撑这棵大树的脊梁是光电子技术，包括LD/LED，光探测器，图像传感器，光调制器，MOEMS，光纤，光纤连接器，光放大器，无源光器件等。

这棵大树结出的丰硕果实就是光电子产业，包括光通讯，光显示，光存储，影像，光信号/照明，太阳能电池等。

用一个简单的分类方法，可以把光电子产业分为信息光电子、能量光电子、娱乐光电子等部分;信息光电子包括光纤光缆、光器件、光通信设备等产品，能量光电子包括激光器、激光加工成套设备、激光医疗设备及测控仪表等,而娱乐光电子包括日常消费品制造如VCD，DVD等等。

光电子市场主要集中在通信、显示、存储和影像等四个领域。

图中给出了98年度世界各类光电子产品所占的市场份额。

那么，光电子元器件所占市场份额比例是多少呢,我们目前还拿不到世界范围内的数据。

不过,通过日本的光电子产业调查也可可见一斑。

97年为30.6%,98年为30.1%，99年预计为30.6%。

这样看来,光电子元器件占整个光电子市场份额30%左右。

光电子产业的发展速度是惊人的，从日本工业来看，近年一直呈现出一路增长的势头，98年年增长率为6.6%，99年预计年增长率为10.4%。

有关预测表明，未来几年全球光电产业将有更大的增长幅度，增长速度比较快的是WDM市场，预计年增长率为23%，其中，用于WDM的LD年增长率将在50%以上，放大器为43%左右。

（二），光电子的地位与作用
(1),光电子的“基石”和“制高点”地位与“支撑”和“革命”的作用
二十世纪微电子出尽了风头, 人们无时无刻不感受到微电子给人类社会带来的辉煌。

本世纪后期崭露头角的光电子给人类社会带来了新的希望和期盼，并以比微电子更快的发展速度冲向新世纪。

专家们预言：二十一世纪将是微电子和光电子协同作战共同发挥作用的时代，微电子和光电子是信息技术赖以迅猛发展的两个车轮子，缺一不可。

1999年全球光电子产品市场总值达1800亿美元，并以每年15%的速度增长；同年我国光电子产品的市场总值也达到50亿美元。

美国商务部指出：谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁。

科学界预言：光电子产业在十年内将形成5万亿美元的产值，成为全球最大的产业。

光电子技术的重要性在于它既是现代信息技术的基石，又是矗立于该领域之中、可资控制全局的制高点。

与此双重地位相对应，它在信息技术领域中起着两大作用，即“支撑”和“革命”的作用。

作为基石，它以其一砖一石支撑着这个信息技术的高楼大厦；作为制高点，它又以其一个接一个奇妙莫测的进步执导着信息技术领域中一次又一次里程碑式的革命。

今天信息技术的突飞猛进已足以证明了这一点。

微电子和光电子技术的重要性几乎不言而喻的，而较之微电子，光电子技术的重要性有过之而无不及。

当今信息系统的显著特征是信息采集、存取、处理、传输和应用的高速化、宽带化和大容量化。

在这样的信息系统当中，关键器件已非光电子器件莫属。

试想一下，如果没有光电子器件，那里会有光纤通信系统？而没有光纤通信系统，信息高速公路又从何谈起？再试想一下，如果没有光电子器件，哪里会有光盘？进而又何谈超大容量信息存储？因而，我们完全有理由说，没有光电子技术，信息技术就如同一片荒原，信息产业就成为无源之水，无本之木，信息社会也便成为“空中楼阁”。

换言之，光电子技术必定是支撑未来信息技术的脊梁，必定是支撑未来信息产业的支柱，进而必定是支撑未来信息社会的基石。

正因为光电子在技术领域基石和制高点作用,决定了它在一个国家中的战略地位,光电子技术已不是一般国家生产力的概念，而是一个国家的战略技术。

光电子的发展水平不仅仅是一个国家的科技实力的体现,更是一个国家综合实力的体现。

二十一世纪没有微电子是不可想象的，同样，没有光电子更是不可接受的。

光电子目前的成就和它巨大的发展潜力已让人们无可置疑：二十一世纪一定需要光电子。

(2),二十一世纪光电子的表现
那么，光电子在二十一世纪会有何出色表现呢？请看：
A,光电子与微电子一起将支撑起光通信这个摩天大厦
光电子技术最初在通信领域找到了破口，并一直以信息光电子为龙头得以迅速发展。

随着信息时代的到来，人们对信息的追求已进入了如痴如醉的境地，而
传输如此海量的信息，必然要占用越来越大的通信带宽。

那么，在未来几年人类对信息的需求是什么样的呢，请看A.A.Bergh的预测。

从这个预测可以看到，语音服务的增长率为5%/年，数据服务为30%/年，Internet为200-300%/年，按着这样的增长速率，到2000-2002间，通信速率就需要达到Tb/s以上。

靠什么样的技术才能支撑起增长如此迅速的通信带宽呢？
在有线通信方面，由于导线的、传输损耗正比于传输频率及传输距离，普通双绞线上传输的信息的带宽仅为几十KHz，只能用来传输话音和文字信息，这样的带宽用来传输静止的图像已有捉襟见肘之感；同轴电缆的传输带宽可达几百MHz，目前这样的带宽对于大多数个人用户也许已经够用，但要支撑起包含成千上万用户的信息网络，显然也是无能为力的。

众所周知，在无线通信（包括卫星通信）方面，所有带宽资源都已各有其主。

何以构筑起这样一个每天吞噬着海量信息的巨大网络大厦呢？回答只能是：光通信。

而光通信赖以生存和发展的技术就是：光电子技术。

B,光电子将有可能引发一场照明技术的革命
五十年代发展起来的以半导体为核心的固态电子学及微电子学的成就引发了世界范围的第一次信息革命,已成为当代计算机科学技术、无线电电子技术、自动控制技术取得巨大成就的关键基础。

这数得上是二十世纪最重要的技术革命。

那么，半导体引起的下一个技术革命将是什么呢？那就是将逐步取代电真空的灯泡和日光灯管的半导体灯（信号灯，照明灯）。

进入九十年代以来，随着半导体科学技术的发展，宽禁带的氮化镓、炭化硅等的材料生长技术，器件制造技术的突破和改善，超高亮度得兰绿色发光二极管随之出现。

蓝光二极管的出现，不仅仅只是丰富了色彩，有了红橙黄绿青篮紫全色，更重要的意义是出现了白色光—半导体灯。

目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的市场。

譬如美国惠普公司联合日本日亚和德国西门子，美国克雷公司、德国西门子又和奥斯林联合，美国EMCORE公司和通用公司联合等。

因此，目前，半导体照明灯已对传统的白帜灯发起了挑战。

半导体灯小巧、可靠、寿命长、低压、省电、节能占尽了优点。

半导体灯和普通照明光源相比，可以节省80-90%的能源。

目前最大的问题是价格还太贵。

2cd 的白光发光二极管定价在1美元左右。

但是价格只是时间问题。

从IC 的发展及其降价规律，就可以预言，半导体灯达到普通人家可以接受的价格为期不远了。

专家认为这是跨世纪值得关注的电子革命大事，它既是科技专家争先抢占的高技术领域的制高点，也是企业家获得巨大利润的战场。

C,现代军事和国防需要点亮现代武器的眼睛
科索沃战争，中国的大使馆被炸，是因为美国的导弹没长眼睛吗？不是，恰恰相反，是它有一只敏锐的“眼睛”---光电子技术。

在海湾战争中，盟军以轰炸准确、人员伤亡少而一举改变了人们对战争的认识和定义，那场举世瞩目的“沙漠风暴”固然以电子战为主，但如果要论战功的话，则非光电子武器莫属。

人们已经认识到光电子技术在现代国防军事领域的重要性，光电子技术已受到各国军方的高度重视，几乎各发达国家都大力开展基础研究、应用研究和产品开发。

主要应用有：半导体激光雷达，半导体激光测距，半导体激光引信，半导体激光制导跟踪，半导体激光瞄准和告警，半导体激光武器模拟，半导体激光通信，军用光纤陀螺，半导体激光照明（夜视）。

D,人类丰富多彩的生活需要光电子来装扮
凯文回家时挟了一卷4英尺长的薄薄的纸张样的东西，进入居室时，墙壁开始柔和发光，房间逐渐亮了起来。

他打开这卷东西并沿墙壁铺开，说道：“这就是8 英尺大的电视屏！”。

这个魔幻的世界目前还是梦想，不过，它即将在2007年成为现实，走进人们的生活。

这就是有机电发光薄膜技术的魅力，这就是光电子技术的魅力。

DVD的到来免去了人们频频插换蝶片的烦恼，数码相机给人们带来了即闪即现的惊喜，总之，光电子已渗透人类生活的各个领域，复印机，激光打印机，数字摄像机等等，就连儿童的鞋跟后面都闪烁着光电子技术的亮点。

（三），二十一世纪信息光电子产业将成为支柱产业
国际公认:21世纪是光电子与微电子紧密结合发挥作用的时代,以光通信为龙头的信息光电子产业将成为21世纪的明星产业和支柱产业。

日本工业调查会总经理志村幸雄在述及21世纪的主导产业时指出，21 世纪具有代表意义的主导产业第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业，第四是环境和新能源产业。

同时指出“光电子产业”对其它许多产业而言，无疑将起到“基础材料”的作用。

下面我们从光电子的市场前景来看光电子产业。

首先我们来看光电子元器件市场。

98年世界光学、光电子、半导体元器件市场所占的份额(见图4)分别是120亿美元、380亿美元、1250亿美元。

光电子元器件市场是光学元器件市场的3倍以上，接近半导体元器件市场的1/3。

下面给出主要光电子产业市场分析:
1,高速光纤通信
光纤通信是半导体激光器发挥经济和社会效益最好的领域。

预计1999年LD 的销售量将比1998年增加37％，销售额增长30％，达18亿美元。

其中，作为光纤放大器泵浦源用的980nm量子阱激光器销售增加最快，1998年比上年增长了70％，1999 年将占光通信用半导体激光器1/4的市场份额。

WDM系统将成为信息高速公路基础设施的主流产品，它的迅猛发展带动了与之相关的有源和无源器件市场，到2000年WDM的市场份额将超过120亿美元。

光纤用户接入网系统的发展将使无源器件的需求骤增，有资料显示：无源器件将以每年递增 40％速度发展，无源器件占系统总投入的比重也将由过去的
2.4％提高到现在的 18 ％，不久将突破20％。

1998年中国实际需求通信类和CATV用光电子器件约为50 万只，其中国产器件（包括进口芯片中国组装）约占1/3。

预计该类光电子器件仍将以每年25 ％的速度递增，到2005年光电子器件的年需求量将达到250万只/年，年产值将超过10亿人民币。

我国固定电话用户已超过1亿户。

到1999年底全国移动通信用户将超过2000 万户，成为继美国之后的世界第二大市场，“十. 五”期间中国电信业将继续以每年新增几千万户固定电话用户和千万户移动通信用户的速度迅速增加。

最近无线通信也提出了基于低成本光纤毫米波无线通信概念，出现了Duplex WDM/SCM光纤接入网，光电子器件将在无线领域找到自己新的应用领域。

随着光纤到户、视频节目点播等多媒体功能的开发，光信号的双传输将提到议事日程，届时对半导体激光器、光分路/合路器、光连接器等有源无源器件的需求将成倍增长。

2,光信息存储与处理
光存储用半导体激光器是二极管激光器的最大市场，预计1999年将要售出3.08 亿只,销售额达6.36亿美元。

到2006年世界GaN器件（LED、LD）的市场份额将达到30亿美元。

随着635-670nm可见光激光器的迅速成熟和不断降价，已成长为大批量市场产品，目前已面临大幅降价压力。

预计到2001年世界DVD市场将达到1.2亿台，其中DVD-ROM的需求量为8000万台，DVD视频和音频播放机的需求量各2000万台。

估计到2005年我国DVD市场的需求额将为1000-2000万台左右，它将带动300～500亿元人民币DVD市场。

3,光显示
在半导体光电器件中，无论从产量或产值来说LED无疑都是独占鳌头。

据市场分析测算，1997年-2002年的五年中仅交通信号和交通标志一项，全球高亮度LED的累计市场需求将高达200亿美元；仅日本东京交通信号改造就需要高亮度LED10亿个。

加上汽车、大屏幕显示等多种应用领域，市场十分巨大。

1995年我国LED的产量为37.8亿只，国际市场用量为400亿只，并以每年15-20% 速度高速增长，目前中国LED芯片极大部分靠进口，每年进口 LED芯片的费用高达3 -4亿人民币，并有继续增加之势。

预测到2000年世界LED年需求量将达1000亿只；国内需求量也将达到150亿只，其中高亮度及超高亮度LED 约占1/3左右，并将以每年30％的速度持续增长，而中低亮度的增长率将不会超过5％。

目前国产高亮度红光和橙黄光LED已开始进入市场，LED封装工业已形成规模并趋于饱和，而高亮度蓝绿光LED尚属空白。

到2005年中国市场LED的需求量将超过1000亿只，其中高亮LED占35％，普通亮度（中低亮度）占40％，其余为红外（不可见光）LED。

仅白光LED的中国市场份额达15亿元。

考虑将来白光LED取代普通照明光源，市场难以估量（仅各类灯泡、荧光灯等的现在年市场额为100亿美元）。

（四），国际光电子领域的发展趋势
1,光通信
由于IP业务的业务量爆炸性增长，以及IP业务与话音业务相比具有突发性，不对称性，业务量增长不可预测性等显著不同的特点，基于传输话音业务的传统骨干网络已越不越不能高效地传输IP业务，传统的光纤骨干网络面临着更新换代的趋势。

这注定未来光通信的发展趋势是：高速、大容量、灵活高效、更适合传送IP业务的光网络。

目前已成为信息高速公路建设的首选方案和通讯领域的一大主流，被列为世界各国和跨国研究计划的重点项目。

新一代光网络发展趋势有以下几方面：
点对点传输容量进一步扩大：
措施是：单信道速率的提高+WDM技术。

单信道高速率传输极限则为100Gb/s，目前，工程铺设的光纤通信系统单信道传输容量已达10 Gb/s，研制成功的DFB激光器与量子阱EA电光调制器单片集成的光源，其最高调制带宽已达40GHz，已接近商用。

密集波分复用(DWDM)的通道波段从传统的C波段扩展到L波段（1565-至1620-nm）和S波段（1450 nm 至 1530 nm）。

波长通道将可能扩充到上百个，传输容量的潜力可以达到20Tb/s以上。

目前，国际标定的DWDM信道间隔为0.8nm，可见波分复用（WDM）技术提供了一条扩充传输容量的有巨大潜力的技术途径。

美国AT&T Lucent Lab.以20Gb/s为单信道传输率，分别采用55路和50路波分复用成功实现了1.1Tb/s 和1.0Tb/s的传输实验。

日本NTT公司还发表了
132×20Gb/s。

(2.64Tb/s) 超大容量传输的记录。

1999年春又达到了3Tb/s的国际最高水平。

此外，WDM技术和光时分复用（OTDM）技术的结合，不仅是进一步扩充传输容量的途径，同时对特定系统的实用性与经济性提供了优化选择的机会。

日本NTT 公司在发展(WDM-OTDM)复用系统方面做出了代表性的成就。

该公司已用OTDM 100Gb/s 传输信道10路WDM，成功实现了1Tb/s容量的传输。

光层上实现网络化
通过OADM（光分插复用）和OXC（光交叉联接）技术，构成更灵活，更有效的光传输网络。

目前OADM和OXC均接近商用。

从长远看，光分组网络或（IP over WDM）将成为未来光网络发展的主流。

从理论上讲，光分组网络是最有效，最简捷，最适合承载IP业务的网络技术。

随着光子技术的进一步发展，未来的光网络将最终会演化为面向IP业务的光分组网络。

在强大的需求刺激下，用于支撑光网络更新换代的光子新技术层出不穷，大大推动了光电子技术的发展。

传输技术：
高速光收发射模块（10Gb/s和40Gb/s），包括EA调制器，LiNbO3调制器，高速 OEIC作为光孤子激光源的高重复率ps脉冲半导体锁模激光器及其集成化技术
光纤色散和非线性对传输产生的负面影响的抑制，偏振模色散效应的抑制和补偿，高性能色散补偿器件如啁啾光纤光栅，色散补偿光纤等
增益平坦光放大技术
L波段和S波段光放大技术，如L波段掺铒光纤放大器，Ranman光放大技术复用/解复用技术，薄膜滤波片，波导阵列光栅AWG和光纤光栅等
其它新型无源光器件
光层上网络化技术：
光开关技术：光机械，光热，MEMS，铌酸锂，聚合物，声光，液晶等
波长变换技术：应用半导体光放大器（SOA）构成的高性能，实用化的波长转换技术
增益钳制光纤放大技术
可调谐滤波器
1.55μm量子阱结构可调谐DFB或DBR半导体激光器
光互联技术
光分组网络技术：
高速光开关
波长变换技术
光信头处理技术
光分组缓存技术
基于半导体激光放大器的高速光信号处理技术
2.光互连
宽带信息技术的应用已从通信领域推广到计算机领域。

电子计算机芯片光互连是突破计算机速度，充分发挥电子逻辑门ps量级速度潜力的重要途径。

集成光探测接收、电逻辑处理和光发射输出于一体的，低功耗面发射(VCSEL) 激光器集成面阵和低维结构光电调制、开关智能象素集成面阵是实现智能化并行光互连的关键技术。

1997年以来，美国先后在Bell实验室和Honeywell 研究中心建成了二条带光输入/光输出窗口的微光电子超大规模集成电路工艺线，研制出包含4352个SEED光输入/光输出窗口器件，输入/输出端口为256×256的SEED-CMOS 智能像元集成芯片，组成第三代自由空间光交换网络系统和108×34位元激光有源GaAs VCSEL/COMS-MSM 智能像素芯片的研究与开发，单个VCSEL 激光器的阈值功耗也已降低到毫瓦量级，频率响应40GHz已逐步走上实用化。

由此可见，光互连高速并行传输和互不窜扰的特性，一旦与微电子很强的逻辑处理能力相结合，将使信息光电子系统的功能和智能化程度得到极大的拓宽。

人们认为，一旦光子回路与微电子的系统集成得以实行，很可能引发继微电子技术以后信息高技术的第二次革命性飞跃。

3.光存储
超海量信息的快速存储与读出，决定了社会对信息资源的共享程度，其发展目标为TB位元信息的存储系统。

半导体量子阱650-630nm红光激光器的成功发展，已使CD技术推向了DVD 技术。

使光盘的存储容量从650Mb增至4.7Gb，图像分辩率由280线提高到500线，单片的播放时间也从75分钟提高至135分钟。

正如美国Warner Home Video Inc总裁Warren N Lieberfarb为东芝DVD特集赠言所述，“DVD巨大的存储容量为创造全新的、精彩的、有创造性的多媒体产品提供了灵活性的自由度。

一场视听革命已经来到”。

预期到2002年全球DVD-ROM和DVD播放机的年产量将突破亿台大关，将成为廿一世纪的明星产品和新兴的阳光产业。

针对日益增长的数据存储和处理需求，DVD光盘正向单次写入(DVD-R)和多次擦写(DVD-RAM)方向发展。

与磁带存储相比，无论在存储容量，还是长期保存的可靠性来说，DVD－RAM 都具有无可比拟的优越性，其记录价格也比磁带记录方式便宜 1/3以上。

由于可擦写DVD盘片采用相变膜结构，利用材料非晶态－晶态变化进行信号的记录与擦除，一般认为DVD－RAM所需650nm激光器的输出功率应在30mW左右。

在DVD光头中，通过物镜聚焦的光斑尺寸与半导体激光器的发射波长成正比，因此415nm附近的GaN蓝光激光器是下一代高清晰度视频DVD的理想替代产品，它可使单面单层DVD光盘的存储容量从目前的4.7Gb提高至18Gb以上，图像分辩率提高到 1024线。

至2005年可望推出第3代DVD，此时，采用超解像和近场记录等技术革命，可望使记录容量进一步提高到50GB。

几年来，日本和美国的日亚、富士通、Cree、 UCSB、Sony和HP等单位相继报导了GaN蓝光激光器已室温连续和脉冲激射。

尽管日本日亚公司GaN蓝光激光器的寿命已突破一万小时，但从网上发布的样品价格仍高达2000美元，这说明在工程化和批量生产上仍有很多技术难关有待攻克。

最近日本松下电机报导研制成功激射波长为400nm GaN蓝光激光器，利用透镜数值孔径( NA) 为0.5的实际光学系统，形成了440nm的光束点。

简单计算可知，如果透镜的NA提高到0.6，则其记录密度。