光電子技術(shù)概論演講人：日期:目錄CATALOGUE02.光電子材料04.光通信技術(shù)05.顯示與成像應(yīng)用01.03.核心器件技術(shù)06.前沿發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)概念基礎(chǔ)概念01PART光電子技術(shù)定義學(xué)科交叉性光電子技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)的交叉學(xué)科，研究光與電的相互轉(zhuǎn)換及控制原理，涵蓋激光技術(shù)、光纖通信、光電探測(cè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)代科技基石作為信息技術(shù)、能源技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，推動(dòng)5G通信、量子計(jì)算、智能傳感等前沿領(lǐng)域發(fā)展。技術(shù)核心以光子作為信息載體或能量媒介，通過(guò)半導(dǎo)體器件（如光電二極管、激光器）實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換與處理。發(fā)展歷程與里程碑現(xiàn)代集成化階段（1990年至今）高速光通信網(wǎng)絡(luò)普及、硅基光子芯片商業(yè)化，以及鈣鈦礦光伏材料等新興技術(shù)涌現(xiàn)。03第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世（1960年），低損耗光纖發(fā)明（1970年），推動(dòng)通信革命。02技術(shù)突破期（1960-1980年）早期探索（19世紀(jì)-20世紀(jì)初）赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)（1887年），愛因斯坦提出光子假說(shuō)（1905年），奠定理論基礎(chǔ)。01核心應(yīng)用領(lǐng)域概覽高效率太陽(yáng)能電池（PERC、HJT結(jié)構(gòu)）、LED照明（固態(tài)光源），助力綠色能源轉(zhuǎn)型。能源領(lǐng)域醫(yī)療與傳感國(guó)防與航天光纖通信系統(tǒng)（DWDM技術(shù)）、光互連技術(shù)（數(shù)據(jù)中心短距傳輸），支撐全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、激光手術(shù)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，提升精準(zhǔn)醫(yī)療與自動(dòng)化水平。激光雷達(dá)（LiDAR）、紅外制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星光通信，應(yīng)用于無(wú)人駕駛與深空探測(cè)。通信領(lǐng)域光電子材料02PART半導(dǎo)體光電材料直接帶隙半導(dǎo)體以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，具有高效光電轉(zhuǎn)換特性，廣泛應(yīng)用于激光器、發(fā)光二極管（LED）和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，其電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)可直接釋放光子。01間接帶隙半導(dǎo)體如硅（Si）和鍺（Ge），雖需聲子參與復(fù)合過(guò)程導(dǎo)致發(fā)光效率較低，但因成本低廉和工藝成熟，仍是集成電路和光伏器件的基礎(chǔ)材料，需通過(guò)能帶工程提升其光電性能。寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等材料具有高擊穿電壓和耐高溫特性，適用于高功率電子器件、紫外光探測(cè)器及短波長(zhǎng)激光器，推動(dòng)5G通信和電力電子技術(shù)進(jìn)步。量子點(diǎn)材料通過(guò)尺寸調(diào)控實(shí)現(xiàn)能帶可調(diào)，在顯示技術(shù)（QLED）、生物標(biāo)記及單光子源等領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其窄發(fā)射光譜和高色純度顯著提升器件性能。020304光子晶體特性光子帶隙調(diào)控通過(guò)周期性介電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可抑制特定頻率光波的傳播，實(shí)現(xiàn)光的局域化和定向傳輸，為光通信濾波器、低閾值激光器提供理論基礎(chǔ)。缺陷態(tài)工程在光子晶體中引入點(diǎn)缺陷或線缺陷可形成高Q值光學(xué)微腔，顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，應(yīng)用于傳感、非線性光學(xué)和量子信息處理。超棱鏡效應(yīng)光子晶體的異常色散特性可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)光束偏轉(zhuǎn)，為超緊湊光譜儀和集成光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)提供新思路。拓?fù)涔庾訉W(xué)結(jié)合拓?fù)浣^緣體概念設(shè)計(jì)的光子晶體具有背散射免疫的邊界態(tài)，有望解決傳統(tǒng)光路中由缺陷引起的信號(hào)損耗問(wèn)題。納米光學(xué)材料等離激元材料金、銀納米結(jié)構(gòu)通過(guò)表面等離激元共振（SPR）實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光場(chǎng)操控，在生物傳感、超分辨成像（如STED顯微鏡）和光熱治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。超構(gòu)表面材料由亞波長(zhǎng)人工原子組成的二維超構(gòu)材料可定制波前相位，實(shí)現(xiàn)平面透鏡、偏振轉(zhuǎn)換器和全息投影等革命性光學(xué)元件，顛覆傳統(tǒng)折射光學(xué)設(shè)計(jì)。過(guò)渡金屬硫化物二硫化鉬（MoS2）、二硒化鎢（WSe2）等二維材料具有強(qiáng)激子效應(yīng)和谷自由度，為室溫激子極化激元、谷電子學(xué)器件開發(fā)提供新平臺(tái)。上轉(zhuǎn)換納米顆粒鑭系元素?fù)诫s的NaYF4等材料可將低能光子轉(zhuǎn)換為高能發(fā)射，在生物體內(nèi)深層成像、防偽標(biāo)簽和太陽(yáng)能聚光器領(lǐng)域具有獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值。核心器件技術(shù)03PART激光器通過(guò)外部能量泵浦（如電激勵(lì)、光激勵(lì)）使工作物質(zhì)（如氣體、半導(dǎo)體、晶體）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，高能級(jí)粒子受激輻射產(chǎn)生同相位、同頻率的光子，形成相干光輸出。激光器工作原理受激輻射與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)由反射鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔提供正反饋，使特定波長(zhǎng)的光被多次放大，最終通過(guò)部分反射鏡輸出高方向性、單色性的激光束。諧振腔反饋機(jī)制不同增益介質(zhì)（如Nd:YAG、CO?、半導(dǎo)體材料）決定激光波長(zhǎng)（可見光至紅外波段）及輸出功率，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇匹配介質(zhì)。增益介質(zhì)特性光電探測(cè)器類型PIN光電二極管通過(guò)P型、本征層（I）、N型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高量子效率，適用于可見光至近紅外波段探測(cè)，響應(yīng)速度快但需反向偏壓工作。雪崩光電二極管（APD）利用雪崩倍增效應(yīng)放大光電流，靈敏度極高，適用于弱光探測(cè)（如光纖通信），但需精密溫控以穩(wěn)定增益系數(shù)。光電導(dǎo)探測(cè)器基于半導(dǎo)體材料（如HgCdTe）的光電導(dǎo)效應(yīng)，專用于中遠(yuǎn)紅外探測(cè)（軍事、天文領(lǐng)域），需低溫制冷以降低暗電流噪聲。利用電光效應(yīng)改變折射率，通過(guò)馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)/相位調(diào)制，支持高速通信（40Gbps以上）。光調(diào)制器結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器（如LiNbO?）通過(guò)聲波引起的周期性折射率變化實(shí)現(xiàn)布拉格衍射，可動(dòng)態(tài)調(diào)控光的頻率、方向，常用于激光顯示與光譜分析。聲光調(diào)制器基于法拉第旋光效應(yīng)，利用外加磁場(chǎng)改變偏振態(tài)，適用于光纖傳感與隔離器設(shè)計(jì)，具備高抗電磁干擾特性。磁光調(diào)制器光通信技術(shù)04PART光纖傳輸原理全反射現(xiàn)象光纖傳輸基于光在纖芯與包層界面的全反射原理，通過(guò)高折射率纖芯和低折射率包層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的低損耗長(zhǎng)距離傳輸。多模與單模傳輸多模光纖支持多種傳播模式但存在模間色散，單模光纖僅允許基模傳輸，適用于高速長(zhǎng)距離通信，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適類型。衰減與色散控制光纖衰減主要來(lái)自材料吸收和散射，需通過(guò)高純度二氧化硅材料降低；色散則需通過(guò)色散補(bǔ)償光纖或數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行抑制。非線性效應(yīng)管理高功率光信號(hào)會(huì)導(dǎo)致受激布里淵散射等非線性效應(yīng)，需通過(guò)功率控制、新型光纖設(shè)計(jì)等手段保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。波分復(fù)用技術(shù)在1550nm窗口實(shí)現(xiàn)40/80/160波通道間隔，單光纖容量可達(dá)10Tbps以上，需配合摻鉺光纖放大器（EDFA）延長(zhǎng)傳輸距離。密集波分復(fù)用（DWDM）實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)業(yè)務(wù)調(diào)度，支持動(dòng)態(tài)重構(gòu)的光交叉連接（ROADM）技術(shù)可構(gòu)建靈活光網(wǎng)絡(luò)，降低運(yùn)維復(fù)雜度。光分插復(fù)用器（OADM）采用半導(dǎo)體光放大器（SOA）或非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，解決波長(zhǎng)沖突問(wèn)題，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的相干接收技術(shù)，可補(bǔ)償色散和偏振模色散，顯著提升單波長(zhǎng)100Gbps以上系統(tǒng)的傳輸性能。相干檢測(cè)系統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由核心層（超長(zhǎng)距DWDM）、匯聚層（城域OTN）和接入層（GPON/XGSPON）組成，需考慮多層協(xié)同保護(hù)機(jī)制。骨干網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)通過(guò)OpenFlow等協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化和切片，滿足5G前傳等差異化業(yè)務(wù)需求?；诠韫庾拥陌彘g/芯片間光互連技術(shù)，采用多波長(zhǎng)光引擎實(shí)現(xiàn)Tbps級(jí)吞吐量，需解決熱插拔和功耗優(yōu)化問(wèn)題。軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）將無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）與毫米波無(wú)線接入結(jié)合，采用混合ARQ和動(dòng)態(tài)帶寬分配算法優(yōu)化異構(gòu)資源調(diào)度。光與無(wú)線融合（FiWi）01020403數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)顯示與成像應(yīng)用05PARTLED顯示技術(shù)高亮度與低功耗特性LED顯示技術(shù)采用發(fā)光二極管作為發(fā)光單元，具有亮度高、色彩飽和度好、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，同時(shí)能耗僅為傳統(tǒng)LCD顯示的60%-70%，適用于戶外廣告屏、交通指示牌等場(chǎng)景。模塊化設(shè)計(jì)與長(zhǎng)壽命動(dòng)態(tài)HDR與廣色域LED顯示屏由獨(dú)立模塊拼接而成，支持靈活定制尺寸和分辨率，且單顆LED壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)以上，大幅降低維護(hù)成本。新一代Micro-LED技術(shù)可實(shí)現(xiàn)2000nit以上峰值亮度和0.0001nit黑場(chǎng)表現(xiàn)，覆蓋99%DCI-P3色域，顯著提升視覺體驗(yàn)。123液晶與OLED原理液晶顯示器（LCD）通過(guò)電壓控制液晶分子偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)背光源透光率實(shí)現(xiàn)灰度變化，需依賴偏振片、彩色濾光片等復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)。液晶電光效應(yīng)OLED自發(fā)光機(jī)制材料體系差異有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）每個(gè)像素點(diǎn)可獨(dú)立發(fā)光，無(wú)需背光模組，具有理論上無(wú)限對(duì)比度、0.1ms響應(yīng)速度和柔性可彎曲特性。LCD采用無(wú)機(jī)液晶材料，穩(wěn)定性高但視角受限；OLED使用有機(jī)小分子/高分子發(fā)光材料，存在壽命不均和燒屏風(fēng)險(xiǎn)，需通過(guò)磷光材料提升效率。紅外成像系統(tǒng)熱輻射探測(cè)原理基于斯特藩-玻爾茲曼定律，通過(guò)碲鎘汞（MCT）或氧化釩（VOx）探測(cè)器將物體輻射的紅外線（8-14μm波段）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，生成熱分布圖像。軍事與民用應(yīng)用軍用領(lǐng)域用于夜間偵查、導(dǎo)彈制導(dǎo)；民用領(lǐng)域覆蓋電力設(shè)備巡檢（檢測(cè)過(guò)熱部件）、建筑節(jié)能評(píng)估（熱橋定位）及醫(yī)療診斷（炎癥篩查）。多光譜融合技術(shù)第三代紅外系統(tǒng)結(jié)合短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段數(shù)據(jù)，通過(guò)AI算法實(shí)現(xiàn)偽裝識(shí)別和物質(zhì)成分分析。前沿發(fā)展趨勢(shì)06PART量子光電技術(shù)單光子源與探測(cè)器開發(fā)高效率單光子源和超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，為量子通信和量子計(jì)算提供關(guān)鍵器件支撐，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)和量子態(tài)傳輸。量子糾纏光源利用非線性光學(xué)晶體或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)制備高純度糾纏光子對(duì)，推動(dòng)量子隱形傳態(tài)、量子網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計(jì)算等前沿研究。室溫量子點(diǎn)激光器研制基于膠體量子點(diǎn)的室溫連續(xù)激射器件，突破傳統(tǒng)量子阱激光器的溫度限制，在光互連和量子傳感領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。拓?fù)涔庾訉W(xué)器件設(shè)計(jì)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性的光子晶體和超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)背向散射免疫的光傳輸通道，顯著提升集成光學(xué)系統(tǒng)的魯棒性。集成光子芯片硅基光電子集成開發(fā)CMOS兼容的硅光子工藝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速光調(diào)制器、鍺光電探測(cè)器和波分復(fù)用器的單片集成，大幅降低數(shù)據(jù)中心光互連成本。01異質(zhì)集成技術(shù)通過(guò)晶圓鍵合或外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)III-V族半導(dǎo)體與硅基材料的異質(zhì)集成，制備高性能激光器和光放大器，突破硅基光源瓶頸?？删幊坦庾有酒捎肕EMS或熱光調(diào)諧技術(shù)構(gòu)建可重構(gòu)光路網(wǎng)絡(luò)，支持動(dòng)態(tài)配置的光信號(hào)處理和計(jì)算功能，為人工智能和類腦計(jì)算提供新范式。芯片級(jí)頻率梳基于微環(huán)諧振腔或非線性波導(dǎo)產(chǎn)生光學(xué)頻率梳，實(shí)現(xiàn)高精度光譜分析、絕對(duì)距離測(cè)量和光學(xué)原子鐘等應(yīng)用的小型化。020304生物光子學(xué)應(yīng)用超分辨顯微成像應(yīng)用STED、PALM等超分辨技術(shù)突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)細(xì)胞器動(dòng)態(tài)觀測(cè)，