光电子论文

光电子发展态势分析及应用

姓名：余海洋学号：200910711238

摘要：光电子技术的50多年的发展历程中，光电子技术以及相关技术等都有了日新月异的发展，光电子的应用领域也在不断的扩大，对当今世界的经济的发展起到越来越重要的作用。本文主要在论述光电子历年的发展：光电子的发展史、光电技术的原理、我国光电技术的研究，对光电子技术进行的介绍，同时也对其主要的应用领域进行了分析。

关键字：光电子技术产业发展应用领域

引言：光电子技术在最近10多年中继微电子技术之后，迅速发展起来的一个新兴高技术领域，它几种了固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为与电子技术结合并具有强烈应用背景的新兴交叉学科。光电子技术以光子学研究为核心，以电子系研究为支撑，它不仅全面兼容电子技术，而且也具有微电子无法比拟的优越性能和更广阔的应用范围。

1、光电子的发展

1.1、光电子概论

光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。

1.2、光电子的介绍

光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。在光盘技术的促进下，近年来可见光半导体激光二极管和发光二级管得到了较快的发展。蓝绿光可见光半导体激光二级管（LD）和蓝绿光半导体发光二极管、黄橙红光可见光激光二极管和高亮度黄橙红绿光发光二极管都已商品化。今后的发展需要继续解决提高亮度，降低价格，提高使用寿命等问题。

1.3、光电子的原理

近红外半导体激光和发光二极管的发射波长为0.8~1.0μm。近红外半导体激光二极管主要用于光纤通信和作为固体激光器的泵浦源（替代闪光灯泵浦源）。

在1.3μm和1.55μm近红外半导体激光二极管商品化之后，其发展势头受到很大影响，甚至出现了停止发展的迹象。随着短距离局域网和二极管泵浦固体激光器的迅猛发展，又出现了新的发展。目前研究开发主要集中在单频工作、模式稳定以及提高输出功率等方面。近红外发光二极管主要有超发光二极管和谐振腔发光二极管。超发光二极管是光纤陀螺仪的最佳自选光源，与一般的发光二极管相比，可提供较高的输出功率和相对窄的发射谱。目前，在50mA工作电流下，单管超辐射输出功率的研究水平最高达到50MW，最窄谱宽为15nm。谐振腔发光二极管是一种有前途的发光二极管，其实验和理论效率比传统发光二极管高5~10倍。1.3μm和1.55μm近红外半导体激光和发光二极管是现行通信系统、高速光纤通信系统的重要光器件，已成为广为研究开发的光源。日本NEC已开发出在单晶片上制造不同发射波长的近红外激光二极管，采用它可大大降低多波长长途通信设备的价格。近年来，国外又相继开发出半导体孤子激光器、量子阱线或点激光器和垂直腔表面发射激光器等新型半导体激光二极管。

1.4、光电子的发展

激光技术是一项前沿科学技术发展不可缺少的支柱。作为光电子主导产品的激光器的发展，经历了原理上的四次变革，体积日益变小，功率不断增大，可靠性和功率得到了很大的提高。半导体二级管激光器和固体激光器技术

和发展十分迅速，其中最为突出的进展是固态化。现今，固体激光器的平均输出功率已从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的功率也有很大提高，其结构和其他性能也正在经历重大变化。与此同时，还开发出了实用价值高的新波长和宽带可调谐激光器，包括对人眼无伤害的1.54μm和2μm的激光器、蓝光激光器和X光激光器。

光纤是随着光通信的发展而不断发展的，各种结构和类型的光纤支持着光通信产业的发展。目前，单根光纤传输的信息量已达到万亿位。光纤作为光通信信息传输的介质，它的色散和损耗将直接影响到通信系统的传输容量和中继距离，而常规的单模光纤已不能满足新一代通信技术的要求，因此光纤技术又有了新的发展。迄今，光纤已经经历了由短波长（0.85μm）到长波长（1.3~1.55μm），由多模到单模光纤以及特种光纤的发展过程，并开发出了色散移位光纤、非零色散光纤和色散补偿光纤。

平板显示（FPD）技术包括液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）、电致发光显示（EL）、真空荧光显示（VFD）和发光二极管显示（LED）等，除在民用领域的广泛应用外，已在虚拟显示、高清晰度显示、语言和图形识别等军用领域应用。近年来，液晶显示以及其他平板显示器件和技术正在大力地改进，如为解决等离子体显示发光效率、亮度、寿命、光串扰和对比度等问题，正在进行诸如大面积精细图形制作和保护层等工艺方面的改进，并取得了较快进展。从整体来说，平板显示技术将继续向着彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉价方向发展。

随着半导体技术的迅速发展，各种类型的光电探测器，如电荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏阵列探测器等应运而生，取得了重大进展。进入90年代，光电探测器的发展方向除了开发高速响应光电探测器外，其重点是开发焦平面阵列为代表的光电成像器件。红外焦平面阵列制作技术的日臻完善，使红外探测技术进入了第二代。当前，降低成本是红外探测器在民用领域得到广泛应用的关键。21世纪，红外焦平面阵列开发方向，一是在现有基础上提高分辨率，二是开发多功能和智能化焦平面阵列。

随着光通信、光信息处理、光计算等技术的发展，加之材料科学和制造技术的进展，使得在单一结构或单片衬底上集成光学、光电和电子元器件成为可能，形成具有单一功能或多功能的光电子集成回路（OEIC）和集成光路（IOC）。目前，商品化的集成光路产品有调制器、开关和分路器以及采用集成光路相干通信系统、光纤陀螺、激光光纤多普勒干涉仪等系统，以及用于光纤传输试验的单片集成光电子集成回路。预计到2020年，光电子集成回路和集成光路的发展速度将相当于20世纪70年代的微电子技术，多功能集成光学器件和光电子集成器件将系列化，集成光学信号处理速度将达到1GHz。

在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务。比如激光器，光电探测器，太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展，人们研究完全利用光来处理信息，于是诞生了光子学。所以可以说，先有了光电子学，又有了光子学。而最终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术，那时信息的载体不再是束流，而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念，区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术，也不能叫电子信息技术，应该叫量子信息技术。

由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互联，利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。

1.5、我国光电技术的发展

近10年来我国光电子技术研究在国家"863"计划和有关部门的支持下有了突飞猛进的进展，在很多领域同国外先进国家只有两三年的距离，个别领域还处于世界领先地位。

国内光电子有关产业基地在光电子器件，部件和子系统(如激光器，探测器，光收发模块，EDFA，无源光器件)等已经占领了国内较大的市场份额，初步具备同国外大公司竞争的能力。在毫无市场保护的情况下，靠自己的力量争得了一席之地，市场营销逐年有较大的增长，个别产品还取得国际市场相关产品中的销量最大的成绩。我国相应研究发展基地和本领域高技术公司的许多产品填补了国内相关产品的空白，打破国外产品在市场上的垄断地位,同时争取进入国际市场。

掺铒光纤放大器(EDFA)是高速大容量光纤通信系统必需的关键部件，国内企业产品占国内市场40%的份额.我国也是目前国际上少数几个有能力研制PIC 和OEIC的国家。808nm大功率激光器及其泵浦的固体绿光激光器，670nm红光激光器已产品化和商品化并批量占领国际市场。国内移动通信的光纤直放站所用的光电器件，90%使用国产器件。国产1.55μmDFB激光器战胜了国外器件，占领了100%的国内市场。

但是,我们应当认识到在我国光电子技术发展中，光电子器件，部件虽是光通信，光显示，光存储等高技术产业的关键部分，但在整个系统和设备成本中所

占的比重较小，其产值较低，目前科研开发主要处于跟踪和小批量生产阶段，光电子产业所需的规模化，产业化生产技术目前还未有实质突破；国内研究生产的光电器件和部件有相当部分还未能满足整机和系统的要求，导致国外器件占据国内市场相当多的份额；在机制上仍未摆脱科研,生产,市场相互脱离的状况。

我国在光电子技术方面是与国际水平差距相对较小的一个领域，与世界发达国家几乎同时起步。但是我们应该清醒地认识到我国制造技术的落后和材料水平有限，而国际上光电子产业已经进入加速发展阶段，留给我们的时间只有3到5年，如果我们不在目前产业化的技术发展阶段进入，就会失去大好时机.机不可失，时不再来，到产业化后期时将要花数倍的力量才能弥补，也许会彻底失去时机,受制于人。

如果一个国家在一代元件上没有足够的投资以发展自主能力，就会给外国竞争者提供进入并占领下几代技术市场的机会。因而在关键器件，部件等方面，要通过引进社会资金和风险投资，知识产权入股，开发人员持股等方式加快我国光电子成果的产业化步伐,鼓励科研人员成果转化。只要贯彻有"有所为,有所不为"的方针，狠抓创新和高技术成果转化，打破行业界限，按市场机制联合国内相关研究和开发单位，共同作好光电子产业化的工作，就一定能发展我国的光电子事业,有望在研究上取得突破，在产业上形成规模经济，取得我国在该领域应有的市场份额。

2、光电子的应用

2.1、光电子在传统产业领域的应用

光电子技术是最先进的技术，对传统产业的技术改造，新兴产业的发展，产业结构的调整优化起着巨大的促进作用。

光电子技术具有精密、准确、快速、高效等特点，它有助于全面提高工业产品的高、精、尖加工水平，并大幅度提高附加值及竞争能力。以激光加工技术为例，它应用于汽车、航空、航天、通信、微电子等工业，具有加工速度快、效率高、质量好、变形小、控制方便和易于实现自动化生产等特点，对提高产品质量、降低生产成本、提高国际市场竞争力具有重要作用。

2.1.1、汽车制造

光电子技术在汽车制造行业的应用极大的推进了汽车工业的发展，首先是高功率的激光器被用作切割、焊接材料的处理工艺；其次是机械视觉系统正在汽车制造加工中被广泛的应用，病通过产生的信息来调整制造加工工艺，并由此提高产品的质量；而利用激光超声对固体材料进行非破坏性测试也显示了在汽车制造中极大的应用潜力。

2.1.2、制作有源阵列液晶显示器

第一步是使用光刻技术产生薄膜晶体管阵列及色滤波器阵列。然后是光学监测被用来监视裸衬板、色滤波器阵列及最后的显示器产品、工艺过程中的诊断，利用光学对微粒实行控制，紫外光常被用来解决液晶单元的密封问题。最后激光常被用来定位及修补及制造加工中的缺陷。

2.2、光电子技术在军事领域的应用

光电子科学技术使国防军事具有快速反应和精准的攻击能力，它能为军事提供既快又准的信息，使己方看的更清、反应更快、打的更准、生存能力更强。因此光电子技术被认为是军事领域的主流技术，国防军事现代化的重要支柱。

2.3、光电子在尖端科学技术领域的应用

光电子科学在科学技术的发展中起着巨大的推动作用。光电子科学技术涵盖众多学科与技术，特别是基础学科技术：材料科学和技术、计算机科学技术、生命科学及技术等。光电子技术所涉及的科学领域都是21世纪发展的尖端科学技术。具体表现如下

2.3.1兆兆纪元

这是惠普公司的J比恩·鲍姆在1996年10提出的一个梦想，为了满足信息时代的需要，人们期望在10~15年内实现这个梦想。

传输：每秒兆兆位千线，远程传输网络

（1）每秒数百千兆位的存取网络；

（2）每秒数十千兆位的局域网；

（3）每秒1000兆位的台式电脑终端。

处理：每秒运算兆兆（万亿）次的计算机。

（1）每秒兆兆位开关速度；

（2）每千兆赫时钟电路；

（3）每秒数百兆字节的互联。

存储：兆兆字节的数据库。

（1）数兆兆字节的盘片驱动；

（2）数千兆位的记忆芯片。

光电子技术的发展趋势完全有可能满足这个设想要求，光钎传输容量、光处理能力和光存储密度，正以极快的速度在发展。

2.3.2、HIV的免疫系统监测

用观雪生物医学仪器研究艾滋病已取得重要进展，如利用自动化基因顺序测定器、扫描激光荧光计，科学家能对艾滋病毒的全部基因作顺序测定。

结论：总之，光电子技术在当今信息时代愈发占有重要的关键地位，至今光电子技术的应用已涉及科技、经济、军事和社会发展的各领域。信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成。21世纪是光电子发挥作用的时代，我国也将在这方面一步步的向前迈进，为把我国的光电子技术形成规模宏大的产业而不懈奋斗！

参考文献

【1】袁多荣，段秀兰。光电子领域学术新动向[J]。国际学术动态，2008（3）。

【2】光电子：21世纪最具魅力朝阳产业[J]。中国新技术新产品，2008（2）【3】李强。光电子技术及产业发展[J]。中国新技术新产品，2008（15）【4】何文瑶。光电子技术发展态势分析[J]。科技进步与对策，2008（9）【5】田芊、毛献辉、孙利群。光电子技术及其进展[J]。应用光学，2008（1）