光电子技术课件0 绪论

光电子技术

OptoelectronicTechnology

北京化工大学理学院林承友Email:cylin@办公室：行政楼328电子科学与技术专业1301~3班2015.3.9热烈欢迎同学们学习教材绪论课程介绍光电子技术简介

2023/3/18

课程介绍课程设置的目的和意义主要内容及课程设置教学方法及考核方式教材及参考书课程设置的目的和意义《光电子技术》是为适应光电子学科新的发展形势和教学要求而开设的一门专业课程，介绍光电子技术领域中激光技术、光调制技术、光传输技术、光电探测技术、光电显示技术、光成像技术以及光存储技术等。课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思维。

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光电子技术的主要内容

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光电子技术光产生：产生光源光调制：光传输：传输携带信息的光源光探测：光成像：光显示：显示信息光存储：存储信息将信息加载到光源将信息从光源中提取出来将空间光信号变为时间电信号光电子技术的主要内容

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光源调制探测成像显示传输存储专业方向31.5学分（16%）总学分193学分传感器原理（3）应用光学（2）通讯技术基础（2）微弱信号检测（2）微波技术（2）光电子技术（3）光电图像处理（2）光学信息处理（2）光纤通信（2）光存储技术（2）现代光学（2）光电检测技术（2）傅里叶光学（2）非线性光学（2）光电子技术方向课程体系光电子技术专业方向课程地图

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光源调制探测成像显示传输《激光原理》《光纤通讯》《通讯技术基础》《光学信息处理》《傅里叶光学》《非线性光学》《光电图像处理》《光电子技术》《光电探测技术》《微弱信号检测》《传感器原理》《光电子技术》存储《光存储技术》光学基础课程：《物理光学》、《现代光学》、《应用光学》等光电子技术各部分内容的联系

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成像器件视频信号激光器激光光纤探测器显示器光盘光产生光调制光成像光传输光探测光显示光存储工厂货物汽车厂汽车高速公路卸货验收仓库汽车生产装货货物生产送货卸货验货存货光通信系统物流系统课程设置与学时分配

章标题学时其中讲授实验考试绪论绪论33

第一章光辐射与发光源66

第二章光辐射的传播99

第三章光束调制和扫描66

第四章光辐射探测技术66

第五章光电成像系统22第六章显示技术22第七章光存储技术22实验一光电子器件5

5实验二声光调制+微光像增强+液晶显示5

5合计

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教学方法及考核方式教学方法理论教学（13次课）+实验教学（另行安排）考核方式平时成绩（30%）：出勤（5%）+作业（10%）+实验（15%）期末考试成绩（70%）：闭卷教材及参考书教材：安毓英等，《光电子技术》，电子工业出版社，2013

参考书：姚建铨，《光电子技术》，高等教育出版社，2006张永林，狄红卫，《光电子技术》，高等教育出版社，2009朱京平，《光电子技术基础》，科学出版社，2006彭江德，《光电子技术基础》，清华大学出版社，1988公共电子邮箱邮箱地址：optoelectronics14@163.com邮箱密码：buctcos2015电子版的教材以及往年的课件已上传至邮箱文件中心，最新的课件、实验指导书等资料也会陆续上传。光电子技术简介

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光电子技术的概念与特征信息技术的发展光子传递信息的特点光电子技术发展史与发展趋势各国光电子技术的发展现状光电子技术简介光电子技术的概念

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光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。

电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、固体电子技术等，主要研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制。

光子技术:研究光子的特性与行为及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。光电子技术的概念

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电子技术光子技术光电子技术光电子技术的特征

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光电子技术特征：光源激光化、传输波导化、手段电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化。光电子技术将电子学使用的电磁波频率提高到光频波段，产生了电子学所不可能实现的许多功能，与微电子技术共同构成信息技术的两大重要支柱。光电子技术是21世纪先进科学技术之一，在现代社会中起着举足轻重的作用，它的发展对国民经济及国防建设有着巨大的推动作用。

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三次科技革命

第一次（18世纪30年代——18世纪末） 以纺织机的改革为起点，蒸汽机的发明和使用为标志，开创了人类工业文明时代第二次（始于19世纪中叶） 以电力的广泛应用为标志，诞生了许多发明家，开创了人类电气时代第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技术的应用为代表，开创了人类信息时代

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信息技术的发展趋势第一阶段——电子信息技术

电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命（微型化） 其特征是：信息的载体是电子

代表：半导体，计算机等

现代化发展，使各学科所拥有的信息量逐日猛增，微电子在实现超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了极大的困难。

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信息技术的发展趋势第二阶段——光电子信息技术

光电信息技术是光子技术与微电子技术的结合，是现代信息技术的核心，已广泛应用于各行各业。

其特征是：光子技术和电子技术相结合

代表：激光器，光纤等

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信息技术的发展趋势第三阶段——光子信息技术

光子技术：研究光子的特性与行为及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。 其特征是：以光子作为信息的载体

代表：全光通信，光计算机等为什么信息的载体从电子发展到光子是技术的进步？

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特征电子光子静止质量m00运动质量mhv/c2传播速度<cc时间特性时间不可逆性时间可逆性空间特性具有高度空间局域性不具有高度空间局域性粒子特性费米子玻色子电荷-e（1.6×10-19库仑）0（不带电）电子

vs光子

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（1）极快的响应时间，可用于超高速、宽带通信：光子响应时间可短达10－15秒，即fs量级，而电子器件及系统最快的响应时间为10－9秒，即ns量级，两者相差100万倍。这在将来的光计算机等关键技术中将发挥巨大作用。光子传递信息的特点（2）传输信息容量大：

光波的频谱范围比电波的频谱范围宽，可以获得极大的传输容量。这就是为什么光缆比电缆的信息传输容量大的原因。

目前光纤通信正从第二代1.31微米波段零色散单模光纤向第三代1.55微米波段低损耗色散单模光纤作换代发展。传输容量从1978年的10Gb/s.km以每年10倍速度提高，86年1Tb/s.km。

理论已证明，一个光子在室温下可携带30bit的信息量并随温度的下降而以指数形式增加，以至达到无限值。所以，理论上可以讲“光子通信有望借助一个光子将无穷多信息传输给无穷多受信者”。

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光子传递信息的特点（3）信息传输过程中失真小:光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间局域，使它可以形成向前和向后的共轭波，以补偿光纤传输中所产生的崎变和失真。利用这方法理论上可实现无损耗通信。

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光子传递信息的特点（4）高抗干扰、高可靠性：光子不带电，不和外界电磁波相互作用，光纤通信具有高抗干扰性和高可靠性。光子与光子之间不容易发生交互作用，光束可以在光纤中交叉通过而互不影响，这个特性被利用来波分复用，使在一根光纤实现多波长通信，大大提高了光纤的通信容量和利用率。（5）光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点。

总之，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。

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光子传递信息的特点光子传递信息的特点必须指出：到目前为止完全脱离电子的全光子过程、光子技术和光子产业还很少。

其原因：

1.光子技术还不成熟；

2.电子和光子是一对具有高度互补的“孪生兄弟”：电子能态的改变导致光子的发射，而光子被物质吸收将引起电子系统能态的变化产生自由的电子。

光子技术和电子技术的关系实际上互相依存、互相补充、互相促进的。

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光电子技术发展史

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19世纪70年代至1960（萌芽期）：出现某些电光源及光电子器件，但光学与电子学仍然是两门独立的学科。20世纪60年代：各种激光器相继问世，促进了光与电子相互作用的理论研究，激光武器出现。20世纪70年代：低损耗光纤出现、半导体激光器成熟、CCD问世，导至光纤通信、光纤传感、光盘信息存储与显示等为代表的光信息技术的发展。20世纪80年代：光纤激光器出现，光纤通信网起步。20世纪90年代：光通信和光储存器件与系统迅速发展。21世纪：向超高速、超大容量、超低损耗、集成技术发展。光电子技术的发展趋势

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“光子挑战电子，电子联盟光子”

高新光电子材料与器件的发展新光电探测技术的发展

光机电一体化微结构技术发展

军事和民用领域的协调发展

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各国光电子技术发展现状日本：最早认定“21世纪是光的世纪”，是世

界光电子产业头号大国美国：光电子技术所取得的主要突破在美国，

高技术研究重心在美国欧洲：均衡发展，有所侧重中国：相对落后，发展迅速

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日本光电子技术发展发展概况： 日本在半导体激光器、激光打印机、液晶显示器、光盘产业等方面长期处于垄断地位。特别是在消费光电子领域，如激光音响、影碟机、激光打印机、传真机、数码相机、平面显示器、光驱、光纤组件系统等。日本的一大批公司也是当前光电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求预测结果显示，2010年，日本国内生产需求为122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率为10.1%。

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美国光电子技术发展发展概况：

美国的光电子产业与日本相比，起步较晚，而且相比日本光电子行业的企业规模，美国企业的规模一般较小。然而，光电子技术主要方面的突破产生于美国，世界光电子高技术研究的重心在美国。美国一直都保持着一种对科学技术的高投入，在传统光电子领域和多个科技领域具有很强的技术优势和发展后劲。1998年，美国在亚利桑那州南部的Tucson（图森），以亚利桑那大学为中心建立了“光谷”。企业约150余家，主要从事精密电子零件、电子设计软件研发、定位系统、激光、电子资料传输与储存，以及大型光学镜片及零件的生产与服务。

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欧洲光电子技术发展发展概况：

法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家级光电子研究基地——光谷。

德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键技术之一”。

欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应对全球光电产业的竞争。

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中国光电子技术发展发展概况： 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，近年来发展速度明显加快。根据中国光学光电子行业协会统计，2007年全国光电产值达到2,100亿元，较2006年（1800亿）增长36%，约占世界光电市场份额的7%。其中，激光产品产值达到750亿人民币，同比增长45%，预计到2009年激光产值将达到980亿人民币。同时，中国光电产品出口持续增长，其中激光产品、液晶显示器、LED出口增长率都保持在23%、31%、35%。中国已成为全球重要的光电产品制造研发以及投资的核心地，是该行业国际买家采购产品首选的国家。中国光电子技术发展

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发展特点：

中国的激光、光通信技术起步较早，技术研发与世界差距相对较小，在产业化程度上，与国际先进水平的差距不断缩小，正在进入产业分工的中上游环节。国内的华为科技、中兴通讯、烽火通信等光通信领域的龙头企业，其光通信研发接近思科、阿尔卡特朗讯、北电网络等跨国企业。在光纤光缆方面，武汉长飞光纤光缆公司生产技术几乎与欧洲同步。在激光产业领域，武汉华工激光掌握了数控激光切割机、万瓦级大功率激光器等领域的核心技术，与国际先进水平的差距不断减小。而在光电显示、光存储、数字成像等领域，尽管产业规模较大，但由于缺乏核心技术，基本沦为跨国公司的装配车间，能生产的增加值非常有限。

中国光电子技术发展

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深圳、武汉、上海光电子产业位居国内前三位（64%）深圳：光通信、激光、半导体照明领域武汉：光通信、激光、光存储领域上海：光通信、光显示、半导体照明领域

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各国光电子产业竞争力综合评估

中国

(台湾)

美国

日本

欧洲

韩国

中国(大陆)

政策与经费

0.12

0.19

0.26

0.17

0.10

0.06

科技背景

人力资源

0.19

0.32

0.35

0.25

0.17

0.17

世界占有率

0.32

0.27

0.41

0.22

0.09

0.03

企业规模

0.12

0.16

0.27

0.18

0.11

0.03

产业结构

0.27

0.24

0.46

0.24

0.15

0.09

产业环境

行销能力

0.28

0.