[工学]第1章 概论.ppt

光电子器件与封装技术,主讲：史菲,哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院,绪论,光电子学理论 光电子技术 光电子器件 光电子封装,1.光电子学理论,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31011Hz31016Hz或波长范围1mm10nm）波段的电子学； 光学与电子学相结合形成了光电子学； Opto-electronics 狭义光电子学：以光-电转换器件及其应用为研究对象的一门学科； Optical electronics 光波电子学：以电磁谱落在光频段的电子效应及其应用为研究对象的一门学科； Photonics 光子学：以光子作为信息载体的科学。,1.光电子学理论,爱因斯坦受激辐射理论 光电转换器概念,爱因斯坦受激辐射理论,光电转换器概念,也称为单端口光端机，是针对特殊用户环境而设计的产品，它利用一对光纤进行单E1或单V.35或单10BaseT点到点式的光传输终端设备。该设备作为本地网的中继传输设备，适用于基站的光纤终端传输设备以及租用线路设备。而对于多口的光端机一般会直称作“光端机”，对单端口光端机一般使用于用户端，工作类似常用的广域网专线（电路）联网用的基带MODEM，而有称作“光MODEM”、“光猫”、“光调制解调器”。,2.光电子技术,由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的。 包括光电子信息技术、光电子能量科学技术。 激光技术；红外技术；光纤通信技术；半导体技术；传感器技术等。,激光技术 机械加工、激光定位、精密测量、激光大气监测、激光印刷、激光医疗、激光武器系统、光计算等应用。地球物理学、高能物理学、海洋学、非线性光学、集成光学、激光化学等领域。 红外技术 加热、成像、无损检测、军事通信、导航、制导、定位、跟踪、侦查、对抗、夜视等方面。 光纤通信技术 大容量、长距离、超小型化、全光化趋势。,Outline,光电子技术的发展 光电子技术的主要领域及应用 光电子技术展望,2.1 光电子技术的发展,光电子学（Optoelectronics） 研究光波与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科. 光学 电子学,光电子学,半导体激光器 光导纤维技术,What is Optoelectronics?,Optoelectronics Materials & Components Display and Optoelectronics devices Opto Information Input / output equipment and optical storage Opto Telecommunications Devices, carriers and systems Lasers and Laser Applications Laser sources, systems and applications,Optoelectronics,Can you tell me how many kinds of displays are found in the market?,Components of opto-electronics,Light emitting diodes (LED) Laser diodes (LD) Why and how these diodes emit light? To answer the question we need to understand; diodes semiconductors pn junctions,Solid state physics underlying these semiconductor devices is necessary,光电子技术是科学技术中的先导技术 当今世界上几乎所有领域的各个学科都在应用光电子技术 民用领域 太阳能电池 信息显示 军事领域： 夜战 精确制导,光电子技术的发展,光电子技术的发展,美国时代杂志：21世纪将成为一个光电子时代。 我国光电子产业已初具规模。 有的达到世界先进水平（量子阱材料和器件、光电集成(OE-IC)、和光子集成(PIC)技术） 总体上还有差距,Who are the major players?,华为 中兴 峰火 大唐 Onet Nortel Foxconn Alcatel,Philips TDK Osram JDSU Corning Koncent Cisco PMS,2.2 光电子技术的主要领域及应用,激光技术 红外技术 光纤通信技术 信息显示技术,2.2.1激光技术,1960年5月 美国 第一台 红宝石激光器 激光20世纪又一重大发明（原子能、半导体、计算机） 计算机大脑 激光五官,激光及其特性,亮度高 能量高度集中在很小的立体角内。 可用于打孔、切割、焊接等工业加工，激光手术刀可用于外科手术。 方向性好 激光束的发散角很小，可用于定位、导向、测距等。如激光测定月地距离（3.8106 km)，误差仅为几十厘米。 单色性好 如HeNe激光器发射的632.8nm的谱线宽度仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。 相干性好 利用激光光源进行有关的光学实验具有独特的优点。,激光器Laser,LASER =Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射式光频放大器,激光器Laser,一种崭新的人造光源，基本结构： 激光工作物质 产生激光的物质，处于非热平衡状态，增益介质,光学谐振腔 由一对反射镜构成，选择具有特定频率的光输出 激励源 一种能源，使腔内介质由一般物质变成具有增益的激活介质，使其处于非热平衡状态（建立起粒子数反转状态）,2.2.2红外技术,红外技术研究红外光辐射的产生、传播、转化、测量以及应用的技术。 wavelength: 2.5-15 mm; frequency: 4000-650 cm-1 伴随军事需要而迅速发展起来 1800年 英国天文学家 赫舍耳 二战引起重视，迅猛发展，军用 与雷达相比：结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强 与可见光相比：透过烟尘能力强、可昼夜工作,红外技术的应用,穿透大气和云雾能力强通信、导航、制导、定位、跟踪、侦察和夜视 红外遥感战略侦察、预警、气象、地质资源勘测、卫星等 工业高温、高压、高速运转设备监控或检测 电子检查半导体器件、集成电路、印刷电路 医疗皮下肿瘤、血管疾病、皮肤病等,红外技术的应用,红外技术的基本功能,远红外辐射加热技术 辐射源的辐射波长和被辐照物体的吸收波长相一致时，物体吸收辐射能 红外测温技术 辐射功率由物体的温度决定。如果测定了物体所发射的辐射光功率，就可确定物体的温度。 不需接触被测物体，不会影响被测物体的温度分布 反应速度快 灵敏度高,红外技术的基本功能,红外成像技术 将红外图像直接或间接转换成可见光图像的技术。 能将物体的温度分布转换成图像，以直观、形象的热图像显示出来。 红外线变像管成像 红外摄像管成像 光学机械扫描成像 CCD成像 红外无损检测 利用物体表面温度差异检测物体内部缺陷的一种方法 火箭发动机壳体及内层缺陷检测 集成电路元器件温度信息 多层印刷电路板质量检测,2.2.3光纤通信技术,光纤通信是通过光导纤维传输信息的通信方式 早在电话机发明后，人类便尝试着以光作为通讯的媒介。 1880年时 贝尔（Graham Bell）便利用太阳光直接调变进行光波电话的实验。 1970年 美国卡布伦（Kapron） 单模光纤 证实了光纤可用于大量传送讯号，但此时光纤传送的损耗率约有20dB/km之多。,光纤的结构,光纤为光导纤维的简称。它透明、纤细，虽比发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护，光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。,Fibreoptic cable,,光在光纤中的传播,当光线以某一角度射入纤维端面时，入射光线与纤维轴心线之间有一夹角，称为纤维端面入射角。光线折射进入光纤芯子后，继续入射到纤芯与包层之间的交界面上。 当射入纤芯和包层交界面的光线的角度合适时，就可以产生全反射。否则光线就可能进入包层。所以，进入光纤中的光必须以一定的角度范围入射。,低损失：光纤来传送时，因为其石英纤维材质，所以传送损耗率相当低，相对的传送距离便可拉长 宽带带：光纤的频宽相当大，理论上一条光纤相当于670万个频道的电视缆线，如此大的频宽若全部加以利用，网络拥塞便可得以解决。,光纤的优点,光纤的优点,尺寸小：使得光纤和光纤在空间的利用上获得很多便利，如它可用于飞行器材、船上以及城市拥挤的地下导管等。 不导电、不辐射、不感应：可以避免利用金属作为传输介质所引起的辐射干扰，地回路以及感应相关的麻烦。 重量轻 ：光纤材质又细又轻，在铺设方面相当容易，可省下不少人力成本 。,传输衰减小，传输距离长。 传输频带宽，通信容量大。 抗电磁干扰，传输质量好。 体积小、重量轻、便于施工。 原材料丰富，节约有色金属，有利于环保。 易碎不易接续。,光纤通信的特点,光纤通信技术的发展,改善单模光纤特性的研究 损耗 色散 研制新型的光电子器件 发展中的光纤通信系统 今后光纤通信系统的发展方向是大容量、长距离、超小型和全光化 波分复用系统 超长波长通信系统 光纤相干通信系统 全光通信系统,2.3激光技术的发展方向,1. 高功率、高能量激光器 用于激光核聚变的高功率激光器 用于激光武器的高能激光器 摧毁导弹、卫星 高功率激光用作火箭推动 不需燃料 2. 超短脉冲激光技术 可研究纳秒、皮秒和飞秒的时间尺度上，研究自然界快速发生的过程，如化学反应、熔融、光致合成、视觉、半导体物理等,激光技术的发展方向,3. 蓝色光激光技术 全色平板显示和投影电视方面，使颜色范围更宽，图像更加饱满 激光打印提高分辨率 4.紫外波长激光器 波长短，精度高用于集成电路光刻、微加工、微量污染物测量、细胞分析、光谱分析 小型、高平均功率、高可靠性、成本低代替准分子激光器,激光技术的发展方向,5. X射线激光器 碰撞技术 放电技术 电子复合技术 谐波法 6. 量子点激光器 阈值更低 效率更高 热效应小,揭示DNA的秘密 癌症 化学反应过程,红外技术的发展,红外焦平面器件发展成高密度、快响应、元件数达106-108元以上的大规模集成器件 双色、多色(多波段)红外器件的发展 目标识别 光电对抗 探测器在焦平面上实现神经网络功能智能化 提高探测器工作温度 不需制冷，使整机更精巧、更可靠，全固态化 提高成品率，降低价格,光纤技术的发展,1. 石英光纤、光缆制造技术的发展 发展轻、细的多芯高密度光纤 研究新型的光缆填充阈被覆材料 2. 其他类型光纤的发展 超低损耗与超低色散光纤 大功率传输光纤 保偏光纤和激光光纤,光纤技术的发展,光无源器件的发展 多芯连接器 降低成本 光纤应用开发及其未来前景,光电子在传感器技术中的应用,应变测量在力学、材料科学和工程领域是非常重要的。在许多光学测量技术中，衍射法可直接提供应变信息。BALL1首先使用了衍射光栅应变规，这种应变测量技术一直在发展，目前已得到广泛应用。 以光栅衍射法为基础，利用位敏探测器和衍射光栅提出一种可替代电阻应变规的新型实用光学应变传感器，所用仪器设计原理和数据处理技术都不同于传统的方法。这种新型传感器可进行动态应变测量，测量范围大，传感器的灵敏度为1me，空间分辨率为0.1mm，优于以往的所有应变传感器。,新型光学应变传感器的突出特点是： 非接触测量（读出），应变信息用光学方法由光栅传送到信号处理单元； 应变规长度是可变的，由激光束直径确定，而激光束大小是可调的； 应变测量范围大，从小的应变到较大的应变可连续地测量； 可对待测试样的各不同点进行应变测量，能以极高的空间分辨率监测整个待测物体。,3.光电子器件,利用半导体光-电子（或电-光子）转换效应制成的各种功能器件。分为三大类： 发光二极管 （LED） 和激光二极管（LD）： 将电能转换成光辐射的电致发光器件 。发光管的发散角大，光谱范围宽，寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，广泛用于速率不太高、传输距离不太远的通信系统，以及显示屏和自动控制等。激光管的光谱较窄、发散角小、方向性强、色散小，于1962 年研制成功后，得到迅速发展，广泛用于大容量、长距离的光纤通信系统以及光电集成电路。缺点是温度特性差，寿命比 LED 短。,光电探测器或光电接收器：通过电子过程探测光信号的器件。即将射到它表面上的光信号转换为电信号，如 PIN光电二极管和雪崩光电二极管（ APD ）等，目前广泛用于光纤通信系统。 太阳电池。将光辐射能转换成电能的器件。1954年应用硅PN结首先研制成太阳电池。它能把阳光以高效率直接转换成电能，以低运行成本提供永久性的电力，并且没有污染，为最清洁的能源。根据其结构不同，其效率可达520。,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。,近红外半导体激光和发光二极管的发射波长为0.81.0m。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1.3m和1.55m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510倍。,1.3m和1.55m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。,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。 半导体二极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1.54m和2m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（0.85m）到长波长（1.31.55m），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