光電子技術

Photoelectronic

Technique

電子技術：主要研究電子的特性與行為及其在真空或物質中的運動與控制。包括真空電子技術、氣體電子技術、固體電子技術等，光電子技術光電子技術：是電子技術與光子技術相結合而形成的一門新興的綜合性的交叉學科，主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術。

光子技術:研究光子的特性與行為及其與物質的相互作用以及光子在自由空間或物質中的運動和控制。光電子學〔Optoelectronics〕：

光電子技術的特征：光源激光化、傳輸波導化、手段電子化、電子學中的理論模式和處理方法光學化。

光電子技術與微電子技術共同構成了信息技術的兩大重要支柱。1883年，愛迪生在一次改進電燈的實驗中，將一根金屬線密封在發(fā)熱燈絲附近，通電后意外地發(fā)現(xiàn)，電流居然穿過了燈絲與金屬線之間的空隙。1884年，他取得了該創(chuàng)造的專利權。這是人類第一次控制了電子的運動，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為20世紀蓬勃開展的電子學提供了生長點。一.光電子學可開展歷程這一生長點上的第一只蓓芽就是弗萊明創(chuàng)造的整流器。他把愛迪生及馬可尼兩位大師的創(chuàng)造成果結合起來，著手研究真空電流的效應。1904年，他創(chuàng)造了真空二級管整流器。(Fleming,SirJohnAmbrose1849～1945)創(chuàng)造了真空二級管整流器1910年，德福累斯特首次把它用于聲音的傳送系統(tǒng)。1916年，在他的主持下，建立了第一個播送電臺，開始了新聞播送。到本世紀的20年代，真空電子器件已經成為播送事業(yè)與電子工業(yè)的心臟，它推動著無線電、雷達、電視、電信、電子控制設備、電子信息處理等整個電子技術群的迅速開展。1906年，美國人德弗雷斯特在弗萊明的二極管中又參加一塊柵極，制成可以用于整流，還可以用于放大的真空三極管。在研究中發(fā)現(xiàn)，三極管可以通過級聯(lián)使放大倍數(shù)大增，這使得三極管的實用價值大大提高，從而促成了無線電通信技術的迅速開展。1899年馬可尼發(fā)送的無線電信號穿過了英吉利海峽，接著又成功穿越大西洋，從英國傳到加拿大的紐芬蘭省。“無線電之父〞馬可尼無線電通信的創(chuàng)造，也是日后無線電播送、電視甚至的先兆。1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學獎。1958年，半導體集成電路問世，不僅使高速計算機得以實現(xiàn)，還促使電子工業(yè)與近代信息處理技術發(fā)生天翻地覆的變化。肖克萊、巴丁、布拉頓

電子學與信息技術的第一次重大變革發(fā)生在本世紀50年代。肖克萊由于他的半導體理論而導致了晶體管的創(chuàng)造，揭開了電子革命嶄新的一頁。他本人也由于這一重大奉獻，和科學家巴丁、布拉頓一起領受了最高的科學獎——諾貝爾物理學獎。19-20世紀，電磁學得到了飛躍的開展．不斷開發(fā)了各種電的應用技術。電能作為能源具有瞬時移動性和可控制性廣泛用于照明、動力等方面電子學正是研究電信號的控制、記錄、傳遞及其應用的一門科學。上世紀世紀第一個10年，真空管問世，促使電子學的誕生；從20年代到60年代，電子器件從真空管過渡到固體三極管，隨之實現(xiàn)了集成化，在促進電子學大開展的同時，光電子學、量子電子學也隨之建立和開展起來，它們形成了現(xiàn)代電子學的學科群體歷史似乎是在重演。而60年代，紅寶石激光器的問世，又促使了光子學的誕生。從60年代到90年代，激光器從諧振腔體型向著固體半導體激光器過渡，隨之實現(xiàn)了光子器件的集成化，不僅促使了光子學的大開展，非線性光學、纖維光學、集成光學、激光光譜學、量子光學與全息光學也形成了現(xiàn)代光子學的學科群體，目前它們正在蓬勃開展之中。電子學領域中幾乎所有的概念、方法無一不在光子學領域中重新出現(xiàn)。電子電路不能在同一點重疊相交，這種空間的不共容性限制了密集度的提高；集成電路的平面結構只適用于串列處理，要在信息存貯和數(shù)據(jù)處理上有突破性進展，要使信息貯存密集度再提高4個數(shù)量級，實現(xiàn)非定址的聯(lián)想記憶(associativemomery)，以開展人工智能，必須開展三維并列處理機構。電子學已經出現(xiàn)不能適應新的要求的征兆???光子學的信息荷載量要大得多，光的焦點尺寸與波長成反比，光波波長比無線電波、微波短得多，經二次諧波產生倍頻，激光可使光盤存貯信息量大幅度增加。當電子通信容量到達最大限度而不能繼續(xù)擴大時，人們很自然地把目光轉向波長更短的光波。然而，歷史卻并沒有簡單地重演。電子開關的響應最短為10-7～10-9秒，而光子開關的響應時間可以到達飛秒數(shù)量級。光子屬于玻色子，不帶電荷，不易發(fā)生相互作用，因而光束可以交叉。光子過程一般也不受電磁干擾。光場之間的相互作用極弱，不會引起傳遞過程中信號的相互干擾。這些優(yōu)點為光子學器件的三維互連、神經網絡等應用開拓了光明前景。1970年．半導體激光器在室溫環(huán)境下的連續(xù)激射獲得成功。在通信史上，跳過了為增大信息傳輸量而開發(fā)的毫米波通信階段，直接由微波通信轉移到光纖通信。正在這時候，低損耗的光導纖維的試制又獲得了成功，光纖通信成為現(xiàn)實。光纖通信技術的開發(fā)促進了作為光源的激光器作為接收器件光探測器的開展光調制器、光波導、光開關、光放大器．以及光隔離器等各種光學部件的開展。在電子學技術中采用小尺寸的光學零部件的組合。光通信原理示意圖

光技術的開展沒能夠超過電子技術的開展期待著在電子學中采用光技術。想得到更多的信息量、更高的演算速度，用現(xiàn)存電子技術是不可能實現(xiàn)的。光信號傳輸方式要比用電布線好得多，

超并行計算機的配線方式，光電子學是在電子學的根底上吸收了光技術而形成的一門新興學科。提高了電子設備的性能。使電子學至今未能實現(xiàn)的功能獲得了實現(xiàn)。

激光出現(xiàn)，對光與物質相互作用過程的研究變得異?；顫姡雽w光電子學波導光學導致了激光物理學相干光學非線性光學等新學科之間交叉。光的電磁理論和光電效應理論從19世紀中葉的麥克斯韋到20世紀初葉的愛因斯坦光學與電子學仍作為兩門獨立的學科被研究。半導體光電子學非線性光學波導光學20世紀70年代以來，半導體激光器和光導纖維技術的重要突破導致以光纖通訊光纖傳感光盤信息存儲顯示光信息處理深度和廣度上蓬勃開展特別互相滲透，而且還與數(shù)學、物理、材料等根底學科交叉形成新的邊沿領域。激光朝著超快、超強、短波長、寬調諧和小型化的方向開展。遠紫外的X光波段激光器,在

生物學化學物理結構半導體器件光刻應用開拓上。將獲得重大進展可調諧激光在激光別離同位素化學生物學材料科學醫(yī)學上有重要應用。例如半導體超晶格材料和量子阱結構與器件的研究量子阱超晶格材料由于存在室溫激子，使量子效應器件具有重要的非線性光學特性，可制作使量子阱激光器的閾值電源電流密度從103A/cm2下降到10-4/cm2量級，極大地降低了功耗；光開關光存儲光邏輯等多種功能的量子效應器件。非線性導波光學的開展，在光纖通信上導致幾項重大成果：摻稀土光纖放大器光纖孤子通信高密度波分復用(DWDM)技術光纖光柵技術，采用全光通信系統(tǒng)，傳輸速率可達100Gbit/s以上。光導纖維最初僅作為光傳輸介質用于光通訊系統(tǒng)，利用光纖的偏振和相位敏感特性制成的光纖傳感器，又進一步推動了對特種光纖的研究，并成功地制成了光纖激光器。

單晶光纖，有可能將有源和無源光電子功能器件與光纖波導融為一體。光子晶體和光子材料可制成各種光子控制器件。在對光子的控制上，光的壓縮態(tài)和光子數(shù)態(tài)是將噪音壓縮到低于量子噪聲，為超高精度，超微弱信號測量和保密通信帶來新的前景。

激光熱核聚變和激光對原子的冷卻為物理學提供了極端物理參數(shù)：極高的溫度(2億萬K)極高的壓力(18千億個大氣壓)極低的溫度(20nK)。重大進展使美籍華人朱棣文和李遠哲分別獲諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎。分子束的激光探測為化學反響動力學研究提供重要手段1997年度的諾貝爾物理學獎授予美國斯坦福大學物理教授朱棣文,以表彰他們創(chuàng)造了用激光冷卻進行低溫下俘獲原子的方法。1986年度諾貝爾化學獎獲得者

李遠哲對化學動力學、動態(tài)學、鐳射化學等物理化學領域均有卓越成就。

在這種多學科綜合開展的推動下，一門新的綜合性交叉學科便從現(xiàn)代信息科學中脫穎而出，這就是?！肮怆娮訉W”半導體光電子學導波光學激光物理學相干光學

非線性光學光與物質相互作用光電子學是研究光頻電磁波場與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的學科，一般理解為“利用光的電子學〞。光電子學是研究紅外光、可見光、紫外光、X-射線直至γ射線波段范圍內的光波、電子的科學，是研究運用光子、電子的特性，通過一定媒介實現(xiàn)信息與能量轉換、傳遞、處理及應用的一門科學。光的吸收和發(fā)射激光光輻射的控制光輻射的探測光波導光電子集成光電子應用光電子學融入了信息流的各個環(huán)節(jié)中,正是這種結合為光電子信息產業(yè)的產生與開展提供了廣闊的天地。信息的采集、處理、傳輸、顯示等環(huán)節(jié)中不可缺少的重要技術支撐光電子學是電子技術在光頻波段的延續(xù)與開展?，F(xiàn)代化開展，使各學科所擁有的信息量逐日猛增，微電子在實現(xiàn)

超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了極大的困難。二．電子向光子的過渡

20世紀,電子學和微電子學技術開展促進了計算機、通信及其他電子信息技術的更新?lián)Q代(一).光電子的產生信息量與日俱增,高容量和高速度信息的開展,已顯示出電子學和微電子學的缺乏。光子的速度比電子的速度快,光的頻率比無線電(如微波)的頻率高,為提高傳輸速度和載波密度運算的器件從電子管--大規(guī)模集成電路。通信從長波--微波,存儲從磁芯--半導體集成,信息的載體必然由電子開展到光子。21世紀一個新的詞匯—“光谷〞作為信息和能量載體的光電子,在光顯示、光存儲和激光上,對經濟建設、社會變革、國家平安及整個社會開展起著難以估量的關鍵作用?！肮韫权暣砦㈦娮有畔a業(yè),“光谷〞代表光電子信息產業(yè)。電子具有質量，負電荷,電子統(tǒng)計分布屬于費米子特性。速度要比光速小很多。頻率可到達10的11次方赫茲，波長相當于1000微米。電子是很好的信息載體也受到一些限制。帶有電荷受到電場干擾，傳輸?shù)臅r候會受到電阻、電容的時延，它傳輸?shù)念l率會受到限制。對電子來說電子和光子。為什么從電子開展到光子是一個技術的進步，而且也是技術開展的趨向？對光子來說它是一個最小的能量單位，沒有凈質量，不帶電荷，幾乎很難受電磁場的影響速度在真空里面是每秒三十萬公里。光的頻率范圍：3

1011到3

1015，比電子頻率高大概四個數(shù)量級，一萬倍。

在作為信息載體的時候，它的能力有可能高出一萬倍，相應光子的波長要小一萬倍。光子是怎么產生的？三種現(xiàn)象在物理上看起來是很簡單，但是他們了不起。LED發(fā)光二極管光電探測器，把光照到器件上就可以變成電流。激光的工作根本原理E2-E1=hν原子受激吸收E2E1入射光受激輻射光hν=(E2—E1)

基于以上原理的這些效應稱之為光電子效應。但實際我們感興趣不是這個電子，而是產生的光子。所以真正的主角應該是光子。

根據(jù)量子力學的原理，光子既是一個粒子又是一個波，有的時候稱之為光子技術這是它的兩重性在光通信中也稱之為光波技術光電子學的地位與作用和其特征分不開波長短(同電子技術相比)，亦即頻率高。

它的各種優(yōu)點都同這個根本特點分不開。(二).光電子的特征光波與微波比照長波為1mm和1m，差3個量級短波為10nm和1mm，差4個量級。光電子涉及的

角分辨率距離分辨率和光譜分辨率比微波高得多。1．角分辨率高雷達的角分辨率(最小可分辨角)由下式決定

＝

/2L

波長5cm的脈沖雷達，用1．5m天線時，其角分辨率約為0．0174rad。

(波長10．6

m)激光雷達用10．6cm天線，其角分辨率l×10-4rad，是微波雷達的1／174，其天線直徑為微波雷達1／14。

為雷達波長；L為天線口徑尺寸對于無源光電探測系統(tǒng)(紅外系統(tǒng)和可見光CCD攝像系統(tǒng))，基于同樣的理由，角分辨率亦很高。用小天線得到高的角分辨率，其原因是激光波長遠短于微波。假設微波脈沖寬度為ls，那么信號帶寬為lMHz，距離分辨率為150m。2．距離分辨率高脈沖雷達的距離分辨率由下式決定

激光測距儀來說，一般脈沖寬度約10ns，相當于信號帶寬100MHz，距離分辨率為1．5m，比微波雷達高100倍。R＝c/2Bc光速；B雷達信號帶寬(脈沖寬度的倒數(shù))高精度激光測距系統(tǒng)，其脈沖寬度100ps，信號帶寬達10GHz，距離分辨率達1．5cm。對距離大于6000km的人造衛(wèi)星進行激光測距時，距離分辨率可優(yōu)于1mm。

光譜學研究原子分子等的能級結構能級壽命電子組態(tài)分子幾何形狀化學鍵性質等3．光譜分辨率高常規(guī)光譜學中，光譜線的相對寬度一般為百萬分之一(10-6)，而且光源強度很弱，限制了光譜研究的深入開展。物質結構知識的科學，也是化學分析中進行定性與定量分析的手段。

譜線的相對寬度減小了許多量級，光源亮度又增加了許多量級，形成了具有極高光譜分辨率和極高探測靈敏度的激光光譜學。假設用脈寬為皮秒(ps)或飛秒(fs)級的超短激光脈沖作光譜光源，就可以探測和研究超快現(xiàn)象，如光合作用這樣在假設干皮秒或飛秒內發(fā)生的變化。激光作為光譜光源以來(特別是寬帶可調諧激光)當滿足光波的電場強度可以同原子、分子或凝聚態(tài)物質中束縛電子的庫侖場相比較時可以觀察到物質與強相干光相互作用的一系列新的光學現(xiàn)象，統(tǒng)稱為非線性光學現(xiàn)象。

4．非線性光學效應強1875年克爾效應(一種非線性光學效應)，但直到激光出現(xiàn)之后，有了強度高和相干性好的光源，包括光學二次諧波和高次諧波光學和頻與差頻、光學參量放大與振蕩多光子吸收光束自聚焦多種受激光散射非線性光譜效應各種瞬態(tài)相干效應以及光致?lián)舸┑鹊炔⒀芯块_發(fā)出許多非線性光學器件。非線性光學效應光子的頻率，與光傳輸?shù)乃俣群凸獾牟ㄩL有關。正是由于光子具有很寬范圍的波長，頻率或者能量，所以它能夠帶的信息量，比電子大得多。5．頻帶寬、通信容量大利用光子，可用的范圍很廣，現(xiàn)在光纖通信，充其量是從1.2個微米到1.7個微米。，僅僅這一段能夠傳輸?shù)男畔⒘恳呀洸坏昧?，可達75Tb/s。1014101210101081061041021

m10-210-410-610-810-10

/

m聲頻電磁振蕩無線電波一米到一千米毫米波一米到一毫米紅外光紫外光X射線

射線宇宙射線

/nm1

1064

1046

1031.5

10677062259757749245539030020010極遠遠中近紅橙黃綠藍紫近遠極遠可見光圖1電磁輻射波譜長的電磁波范圍。一毫米到十納米光波范圍760nm390nm

可見光

電磁波譜紅外線

紫外線

射線X射線長波無線電波頻率波長短波無線電波電磁波譜與可見光范圍

光波頻率比微波頻率大體高10萬倍，它的帶寬與通信容量也相應可提高10萬倍。一個光波通道帶寬占用光波頻率的百分之一，在光波通道上可通上億路，或者是10萬路電視節(jié)目一個微波通道帶寬約占據(jù)微波頻率的百分之一。在微波通道上可通過上千路和一路彩色電視節(jié)目。視覺:假設人每一秒鐘可以看到60幅，彩色的、三維空間的，整個視覺能力可以到達30Gb/s，從生物信息角度看，人類需要多少信息?兩個最重要的感覺，聽覺\視覺。人的聲音大概從幾十赫茲到幾千赫茲，他響應的信息量大概可以到達10.4Gb/s。聽覺和視覺總需要40.4Gb/s。

十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用G表示，現(xiàn)在說的Terabit是十的十二次方，用太或T表示。

在21世紀，人類對信息的需求到底有多大？信息的容量今后要到達十的十二次方的位。信息傳輸?shù)乃俾实竭_每秒太位，即Tb/s。信息存儲的密度，到達一個Tb,即Tb/cm2。３．信號的頻率要到達十的十二次方赫茲,即THz。如此大的信息量，只有依靠光子技術的開展才能實現(xiàn)。三．光電子學、電子學、光學關系光電子學既然是光波段的電子學，它就必然同電子學和光學技術有著十分密切的關系。電學在19世紀以電氣化的面貌推動著人類社會的進步，繼后在20世紀又以電子學和微電子學為龍頭的學科技術將人類帶入信息社會

電學和光學都是具有悠久歷史的學科

光學

是從20世紀60年代，激光一經問世就對光學及其他科學技術和社會生活產生革命性的影響。是19世紀60年代麥克斯韋提出的光的電磁波動理論。麥克斯韋明確提出無線電波和光波都是電磁波譜大家族中的一員。光與電打交道的第一個回合電學和光學是緊密相聯(lián)的，兩者有著非常密切的內在聯(lián)系。是1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應。光與電打交道的第二個回合.激光器(LASER)是電子學中微波量子放大器(MASER)在波長上的延伸。

激光器的創(chuàng)造提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源。光與電打交道的第三個回合1917年愛因斯坦在輻射理論中提出受激發(fā)射。是1960年激光的創(chuàng)造--激光的理論根底:激光的出現(xiàn)使得

電子學的根本概念

放大與振蕩調制與解調直接探測與外差探測倍頻、和頻與差頻參量放大與振蕩等等移植到了光電子學中

無線電波段的振蕩器，直流電為鼓勵源，三極管為放大器件，電感線圈和電容器構成的槽路作為諧振器。不過波段不同，無線電波段、微波波段和光波段的器件在結構上差異很大微波波段的振蕩器直流電為鼓勵源，以磁控管為放大器件，諧振腔也在磁控管里面，形狀是一個空腔。光波段的振蕩器，鼓勵源是脈沖氖燈，放大介質就是紅寶石晶體，諧振腔是一對平行的高反射率板。以振蕩器為例各波段都有鼓勵源、放大介質和諧振腔。天線也是這樣無線電各個波段、微波各個波段天線都不一樣，而光波段的天線根本上是各種經典的望遠鏡功能相似而結構迥異調制器、解調器、倍頻器、隔離器等等不同波段的光電子學在開展和應用前景上與電子學占有同樣重要的地位。光電子學與電子學的關系是繼承與開展和相互依存的關系。在信息科技領域，電子學作出了巨大的奉獻，但由于其信息屬性的局限性而使其進一步開展無論在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制，而光子的信息屬性卻表現(xiàn)出巨大的無可爭辨的優(yōu)越性。電子器件的響應時間一般為10-9s，電子學頻率:3

1011Hz光子間互不干預，具有并行處理信息的能力，大幅度提高信息的處理速度；提高光存儲的記錄密度。光子器件可達10-9~10-12~10-15s;光波頻率在1014~1015Hz范圍光子器件通信容量增大1000倍；光電子器件和系統(tǒng)對光學設計、光學工藝和光學薄膜技術提出了比經典光學還要嚴格的要求。

比方，對激光器諧振腔的反射鏡。承受很高的功率密度，而不破壞。在特定波長上具有極高(99％以上)的反射率；在一個波長上有極高反射率，在另一個波長上有極高透射率；整個鏡面的反射率要符合特定分布等等。光電子開展的需求牽引，促進了光學的進步。光電子技術是電子技術同光學相結合的產物。此外自適應光學、二元光學、微透鏡陣列、自聚焦透鏡、費涅爾透鏡、全息元件等等都有力地支撐和促進了光電子的開展。光電轉換器件或電光轉換器件，都離不開電子器件，還要配以光學元件以改善其性能。

三者相互滲透、共同開展信號經陣列中每個探測單元轉換成的電信號經處理，消除噪聲后，把并行信號變成串行信號輸出。在陣列前加濾光片，消除雜光，加微透鏡陣列以提高投射到焦平面陣上的紅外線的利用率。全固態(tài)相控陣雷達，將雷達主機同天線的每個單元連結起來，縮小了設備的體積、重量和功耗。

光互聯(lián)不僅可用于整機的機箱之間，還用于印制線路板之間和芯片之間。

將激光器、光電探測器等同電子線路，如放大器、調制解調器等集成在一個芯片上，不僅可大大壓縮體積重量，。為提高性能，往往將幾種傳感器組合使用隨著信息科技和產業(yè)的開展，對光子學技術的需求與日俱增，必然促進光子產業(yè)的迅速形成和迅猛開展.盡管光子學有著如此巨大的開展?jié)摿?，但作為系統(tǒng)和整機，作為光電轉換的諸多應用，電子學和電子技術仍將起著巨大的作用。

光電能量系統(tǒng)：太陽能發(fā)電、激光加工、激光醫(yī)療、激光核聚變等。主要是解決有關大功率光輻射能量的產生、控制、利用及向其他能量形式的轉換光電信息系統(tǒng)：以光輻射和電子流為信息載體，通過光電或電光相互轉換，綜合利用光學或電子學的方法進行信息的傳輸、采集、處理、存儲或顯示、以實現(xiàn)確定目標的混合系統(tǒng)光電系統(tǒng)包括兩個分支本課程的主要內容光輻射與發(fā)光源

光輻射的傳播光束的調制和掃描

光輻射的探測技術

光電成像系統(tǒng)顯示技術

光電子技術應用實例光源傳輸轉運探測成像顯示光電子學半導體光電子學導波光學激光與紅外物理學相干光學

非線性光學光與物質相互作用強光光學效應電光效應聲光效應磁光效應光電轉換效應發(fā)光效應