光电子的内涵和外延

光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，从70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。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。由于光电子器件是信息光电子技术应用系统的核心和关键，所以863计划中将光电子器件及其集成技术选为信息领域的四个主题之一，即863-307主题。经过863计划的支持，光电子主题取得了重大的进展。主要是：关键技术量子阱材料和量子阱器件研制已取得决定性的突破；大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器、掺铒光纤放大器和量子阱、dfb激光器及高速光收发模块等一批重大、重点课题取得重要成果，迈进了成果转化的新阶段；gan基蓝光led和ld、dfb-ld+ea光子集成组件、gesi/si材料和量子点器件，面发射激光器等致力于技术创新的课题取得显著进展，有些项目，如四方相gan材料及有关电致发光二极管达到国际领先水平，dfb-ld+ea光子集成器件等达到国际先进水平。根据国内外的发展态势，光电子主题专家组强调要做到“两个转移、一个新突破”，即：将已取得的科研开发成果，特别是重大项目的成果向规模化生产转移；将关键技术的研究中已取得突破的技术向发展目标产品转移；继续抓创新和关键技术的研究、实现在光子集成技术上的新突破。为此，主题专家组在五个重点方向上设置了研究课题，深入开展研究开发和成果转化工作：高速宽带光纤通信与光纤接入网关键光电子器件及单元技术方面，积极开展对10gb/s光收发器件和模块的研究开发、同时增加对无源wdm器件的研制开发。为已形成的dwdm系统市场提供必要的元器件、部件和子系统。光存储中的光电子器件与部件及其应用方面，发展计算机用的dvd-rom和dvd播放机所用的半导体红光激光器、进而开发dvd光头这一关键部件并及早部署发展下一代蓝光乃至紫外光超大容量光存储的光头的设计和制造技术。光显示中的光电子器件与部件及其应用方面，主要发展红、橙和蓝色的高亮度、长寿命led。与材料领域合作，研制大型平板显示器所需的全色led系列产品。在红、橙高亮度led上，实现成果向大规模生产的转移，在gan蓝光器件的研制上保持发展创新带来的技术优势，做好向目标产品的转移，并考虑开拓节能白光led的新领域。大功率半导体激光器及其应用方面，包括不同波长的大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器(dpl)的研制开发。开拓其在工业、医疗和军事中的广阔应用前景，其市场明朗、需求巨大。今后的任务是开拓已有的大功率半导体激光器和dpl的成果，促进相关应用产品的产业化。光互连、光交换及光计算技术研究方面，抓住高性能网络计算系统及高性能并行计算机目前高速发展的时机，有选择地研究开发一批光互连的关键器件与单元技术，拓宽国内光电子器件的应用领域。同时，对波长路由器、波长转换器等光交换系统急需的核心器件开展研究，争取实现技术上的创新和突破，配合307主题有关课题完成光交换系统和全光网络的研究工作。在上述五个重点方向中，光通信和光存储两项是重中之重。其中光通信对于国民经济和国防建设的意义重大。主题已将有关的量子阱dfb激光器、光收发模块等七个课题集成，合并为一个重大项目立项研究。主题正在开拓新的重点方向是研制开发超大容量光存储技术所需的半导体红光激光器和dvd光学读写头。光头所需的非球面透镜的设计和生产技术、专用的oeic、伺服系统等的研究也做了部署，为国内数字激光视盘产品自我开发和大规模生产打下基础。863计划实施以来，光电子主题取得了多方面的成绩。在技术方面实现了量子阱材料和器件的突破，完成了用于高速光通信、光存储和光显示的几十种关键器件的研制和商品化，结束了半导体激光器和光纤放大器国外产品的垄断局面。实际上，主题的成果还起到了支撑其他主题和项目完成的作用。例如在*2.5gb/ssdh光纤通信系统”及其在海南省的海口——三亚试验工程和“8x2.5gb/swdm实验系统”两个307主题重大项目当中，本主题研制的掺铒光纤放大器(edfa)、2.5gb/s高灵敏度光接收模块和光波长转换模块等以优于国外同类产品的性能和相对低廉的价格，为系统研制的成功起到关键的作用；系统的监控部分也全部采用本主题的量子阱激光器和探测器。另外如808nm大功率激光器及其泵浦的绿光固体激光器、670nm红光激光器已实现了产品化和商品化并批量出口占领国际市场；国内移动通讯系统的光纤直放站所用的光电器件中，90%均使用的是国产器件。与此相关的是促进产业化的工作。在最大限度地把科技成果转化为生产力，促进国内光电子产业的形成和发展壮大方面，光电子主题取得了很有价值的经验，并形成多种形式的成果转化模式，其中包括：成果转化基地内部转化。如武汉邮电科学研究院的光纤放大器在重大研究课题的基础上，自己筹资建立生产线，开始了规模化的生产。向企业进行技术转让，形成光电子产业新的增长点。如清华大学的光纤放大器和绿光固体激光器等成果分别转让两个生产单位，有力支持了后续的科学研究。吸引投资成立新的产业实体。如中科院长春光机所通过融资800万元成立高新技术公司建成绿光固体激光器生产线，主要销往国际市场，形成了国际上这一类产品的龙头企业。1光电子技术和产业的发展干福熹(中国科学院上海光学精密机械研究所，上海复旦大学)光电子学(Optoelectronics)技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的共同行为来执行其功能.上世纪60年代激光技术的产生，极大地推动了光电子技术的发展.以往把光电子学技术和产业归于电子学技术和产业，国外也有归到光学技术和产业(日本).最近光子学(Photonics)技术的兴起,也有的把光学，光电子学和光子学技术合并在一起，称光科学技术,其产业基地称〃光谷〃.光电子技术主要应用于两个方面:光子作为信息的载体，应用于信息的探测，传输，存储，处理和运算，称信息光电子技术;光子作为能量的载体，作为高能量和高功率的束流(主要是激光束)，应用于材料加工，医学治疗，太阳能转换，核聚变等,称能量光电子技术.当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增,21世纪已处于太位(Tera-bits1'1012bits)信息时代，即信息的容量以太位计，信息密度以Tb/cm2计，信息流以Tb/s计和信息的频率以THz计，即皮秒(ps,10-12s)时间相应.为提高信息的获取，传输，存储和显示，处理和运算的速度和容量，已由光子和电子共同参与来完成，光电子技术是继微电子技术之后信息领域中的重要技术.作为光电子技术的系统集成，光通信,光存储，光电显示，光电输入和输出系统技术的兴起和它们在近20年来飞快发展，已使人们认识到光电子技术的重要性和它广阔的发展前景，并且成为光电子领域的支柱产业.2001年世界光电子的硬件(材料,器件和设备)产业已达1700亿美元，估计到2003年超过2000亿美元.以上四个方面的产业约各占20%左右.我国大陆和台湾近几年光电子产业的上升速度都达50%,各有近100亿美元的产值，占世界市场的10%.光通信技术是光电子技术的一个主要方面，分无线光通信和光纤通信.无线光通信技术应用于空-空,地-空，地-地光通信以及星际光通信网，主要为军用和专业用.光纤通信技术在长距离和主干线应用上已趋完善，今后光纤通信主要应用于局域网络，计算机网络和多媒体通信进入家庭.从光纤通信系统的发展中可以明显地看到材料,器件和单元技术的关键作用.20世纪70年代由于解决了低损耗石英玻璃光纤(损耗小于20dB/km)和长寿命，高稳定神化镓半导体激光器(寿命大于1万小时)，使光纤通信系统得到实用化.20世纪90年代采用了光纤放大器技术(EDFA,掺铒玻璃光纤放大器)和波分复用技术(WDM),建立了高信息量长距离光纤通信系统.21世纪初(2005前)发展了高密度波分复用技术(DWDM)和信息打包(IP)分送和交换技术，使2-3年内信息传输速度可达到1Tb/s以上.当前发展光纤通信技术的主要目标之一为开发价格低廉和高性能的有源和无源器件并实现光电集成化,推动光纤通信到区域和用户.激光器和探测器为光纤通信有源器件的主要部分，而III-V族半导体化合物(如GaAs,GaSb,InP等)为激光器和探测器的主要材料.为适应DWDM的需求，除了进一步提高分布反馈半导体激光器(DFB,DBR)和垂直面发射激光器(VCSEL)的性能外，要开拓出可调谐激光器(TLD)和多波长光源(MLS).提高响应速度和灵敏度,发展探测器如PIN/FET,TEMT,HBT,等始终是重要的任务.首先要将半导体激光器，探测器和电源电路实现光电集成化，做成芯片和模块.DWDM需要宽波段(C,L,S波段,1.3-1.6mm)的光纤放大器，因此制备掺不同稀土元素(Er,Tm,Pr等)的石英玻璃和复合氧化玻璃单模光纤就十分重要.半导体光放大器(SOA)将应用到探测器的前端和激光器的后端放大.无源器件主要包括分波/合波器(OADM),可调谐光滤波器，光隔离器,光调制器以及色散补偿器等.光纤光栅(OGF)和列阵波导光栅(AWG)是最近新发展的主要无源器件.无源器件主要要光学集成化,组成全光纤光子集成器件和波导光子集成器件.对光纤通信用玻璃光纤,在降低损耗方面当前消