光电子集成技术研究与发展

22/25光电子集成技术研究与发展第一部分光电子集成技术概述 2第二部分历史发展与当前研究进展 5第三部分技术原理与基本构成元素 8第四部分重要应用领域及影响 11第五部分集成光子学的关键技术 13第六部分材料选择与工艺挑战 15第七部分设计方法与仿真工具 17第八部分发展前景与未来趋势 22

第一部分光电子集成技术概述关键词关键要点【光电子集成技术定义】：

1.光电子集成技术是一种将光学元件和电子元件在单个芯片上进行集成的技术，实现光电信息的高效处理和传输。

2.这种技术结合了光子学和电子学的优点，能够在微小的空间内实现高密度、高速度、低功耗的信息处理功能。

【光电子集成技术发展背景】：

光电子集成技术概述

随着信息社会的快速发展，传统微电子技术和光子学技术的局限性日益凸显。为应对这一挑战，光电子集成技术应运而生，将电子和光子这两种信息载体在单个芯片上实现协同工作，从而提高系统性能、降低功耗并缩小体积。本文主要介绍光电子集成技术的基本概念、发展历程及未来发展趋势。

1.光电子集成技术定义与特点

光电子集成技术（Opto-electronicIntegrationTechnology，OEIT）是指将光学元件（如激光器、探测器、波导等）和电子元件（如放大器、逻辑门等）在同一基片上进行集成的技术。通过这种集成方式，可以实现光信号和电信号之间的高效转换，并在有限的空间内完成复杂的光电功能。

光电子集成技术的主要特点是：

(1)高度集成：OEIT能够在一个小型化的芯片上实现各种复杂的光电功能，这有助于减小设备尺寸、降低成本和提高系统的稳定性。

(2)低损耗：由于采用直接耦合的方式，OEIT中的光传输损耗较小，有利于提高系统的整体效率。

(3)高速率：相比于传统的电通信技术，OEIT支持更高的数据传输速率，可以满足高速数据通信的需求。

(4)大带宽：OEIT具有较大的带宽，能够适应不同频率范围内的信号处理需求。

2.发展历程

光电子集成技术的发展经历了多个阶段，从最初的单一功能集成到多功能集成，再到全光子集成。以下简要梳理了其主要发展阶段：

(1)单一功能集成：早期的光电子集成技术主要集中在单一功能的集成，例如将激光器或光电探测器集成在硅基片上。

(2)多功能集成：随着技术的进步，人们开始尝试将多种不同的光电功能集成在同一芯片上，实现了光电混合集成，包括光电转换、调制、检测等多种功能。

(3)全光子集成：近年来，随着新型材料和工艺的发展，全光子集成成为研究热点。全光子集成是将所有光子元件集成在同一基片上的技术，具有更低的损耗和更优的性能。

3.应用领域

光电子集成技术已广泛应用于通信、医疗、军事、环境监测等多个领域。以下是几个典型的应用场景：

(1)光纤通信：OEIT在光纤通信领域的应用非常广泛，可以实现高速、大容量的数据传输，改善网络性能。

(2)医疗成像：OEIT可用于开发高分辨率、高灵敏度的医学成像设备，对疾病的早期诊断和治疗起到重要作用。

(3)宇宙探测：OEIT在宇宙探测中也发挥着关键作用，它可以实现远距离、高精度的信息传输和处理，为人类探索太空提供技术支持。

4.发展趋势

随着科技的不断进步，光电子集成技术有望在未来取得更大的突破。以下是几个可能的发展方向：

(1)新型材料与工艺：探索和发展新的半导体材料以及加工工艺，以实现更高性能的光电子集成器件。

(2)芯片级大规模集成：推进OEIT向更高密度、更大规模的集成方向发展，以满足未来的计算和通信需求。

(3)智能化与自适应能力：通过引入人工智能和机器学习等技术，使OEIT具备更强的智能化和自适应能力，以应对复杂的应用场景。

总之，光电子集成技术作为一门交叉学科，已经取得了显著的成绩，并将持续推动信息技术的发展。研究人员将继续关注新材料、新工艺第二部分历史发展与当前研究进展关键词关键要点【光电子集成技术的历史发展】：

1.早期的光电子集成技术主要集中在单片集成和混合集成上，研究重点是实现光波导、光电探测器等基本元件的集成。

2.随着科技的进步，集成技术逐渐从平面型向立体型转变，器件的功能也日益多样化。

3.近年来，随着半导体激光器、调制器等高复杂度器件的成功集成，光电子集成技术的应用范围不断扩大。

【光电子集成技术的研究进展】：

光电子集成技术是将传统的光电器件和微电子器件在单个芯片上进行集成，实现光电转换、信息处理等多种功能的技术。自20世纪60年代以来，随着半导体技术和微电子技术的发展，光电子集成技术也取得了长足的进步。本文主要介绍了光电子集成技术的历史发展以及当前的研究进展。

历史发展

1974年，美国科学家HaroldHong首次提出了“集成光学”的概念，并成功研制出世界上第一款集成激光器。这一重大突破开启了光电子集成技术的研究与开发之路。随后的几十年中，光电子集成技术的发展经历了几个重要阶段。

1.早期发展阶段（1980年代-1990年代）：在这个时期，研究者们致力于提高集成激光器的性能，并开始尝试将多个光电器件集成在同一块基板上。同时，微电子技术也在不断发展，为光电子集成技术提供了更多的可能性。

2.成熟发展阶段（1990年代末至今）：这个时期的光电子集成技术已经逐渐成熟，研究人员开始关注如何将更多的光电器件集成在一起，并实现更复杂的光信号处理功能。此外，新型材料和技术的出现也为光电子集成技术的发展提供了新的机遇。

3.当前发展阶段（2010年代至今）：近年来，随着5G通信、人工智能等新兴领域的兴起，对光电子集成技术的需求日益增长。因此，光电子集成技术正在迎来新一轮的发展高潮，未来还有很大的发展空间。

当前研究进展

目前，光电子集成技术的研究重点主要集中在以下几个方面：

1.高速光通信：为了满足高速数据传输的需求，研究者们正在努力提高光电子集成技术的速度和带宽。例如，美国斯坦福大学的研究人员已经成功地在一块硅基芯片上实现了1Tb/s的数据传输速度。

2.光电传感器：光电传感器是光电子集成技术的重要应用领域之一，目前已经在生物医学、环境监测等领域得到了广泛应用。研究人员正在探索新型的光电传感器，以提高其灵敏度和稳定性。

3.光子计算：由于传统计算机在处理某些复杂问题时存在瓶颈，光子计算成为了新一代计算技术的热点。通过利用光子的特性，可以实现在大规模并行计算方面的优势。目前，IBM、微软等公司都在进行相关研究。

4.新型材料和制造工艺：为了进一步提高光电子集成技术的性能和可靠性，研究者们正在探索新型的材料和制造工艺。例如，使用二维材料和薄膜技术可以在更小的尺寸内实现更高的集成密度和更好的电光转换效率。

综上所述，光电子集成技术作为一种具有广泛前景的技术，其历史发展和当前研究进展表明了它在各个领域中的重要性和发展潜力。随着科技的进步和社会需求的增长，我们相信光电子集成技术将会在未来的日子里发挥更大的作用。第三部分技术原理与基本构成元素关键词关键要点【光电子集成技术的定义与特点】：

1.定义：光电子集成技术是一种将光电元件和微电子元件在单一芯片上进行集成的技术。

2.特点：具有高速、大容量、低功耗、体积小、重量轻等优点，是未来信息社会的重要支撑技术之一。

【光电子集成技术的基本构成元素】：

光电子集成技术是一种将光子学和电子学的元件和系统在一个单一的芯片上进行集成的技术。这种技术通过将多种不同的光学和电子学功能整合在一起，从而实现更加高效、紧凑、低成本且可靠的光电子设备。本文旨在介绍光电子集成技术的基本原理和技术构成元素。

一、基本原理

光电子集成技术的核心是通过将光子学和电子学的功能在同一芯片上进行集成来提高性能和降低成本。在这一过程中，光子学元件如激光器、光电探测器、波导等用于处理光信号，而电子学元件如放大器、开关、逻辑门等则用于处理电信号。这些元件之间的交互和通信通常需要通过特殊的接口来进行。

二、技术构成元素

1.光源：光源是光电子集成技术中的一个重要组成部分，它产生用于传输信息的光信号。常见的光源包括半导体激光器和发光二极管（LED）等。

2.波导：波导是一种用于引导光信号传输的介质，可以实现在微小的空间内进行长距离的信息传输。根据材料的不同，波导可以分为硅基波导、二氧化硅波导、磷化铟波导等不同类型的波导。

3.电光调制器：电光调制器是用于改变光信号强度或相位的元件，以实现对信息的编码和解码。常见的电光调制器包括Mach-Zehnder调制器、布拉格光栅调制器等。

4.光电探测器：光电探测器是用于检测光信号并将其转化为电信号的元件。常见的光电探测器包括PIN光电二极管、雪崩光电二极管等。

5.电子学元件：电子学元件是用于处理电信号的元件，如放大器、开关、逻辑门等。这些元件与光子学元件结合使用，可以实现对光信号的控制和处理。

三、研究与发展

随着信息技术的发展，光电子集成技术在通信、医疗、能源等领域得到了广泛的应用。同时，为了进一步提高系统的性能和降低成本，研究人员正在不断探索新的技术和方法。

例如，在光源方面，研究者正在开发新型的半导体激光器和LED，以提高其效率和稳定性。在波导方面，研究人员正在研究如何设计更高效的波导结构，以减小损耗和增加带宽。

此外，为了实现更高程度的集成和更好的性能，研究者还在探索新的封装技术和系统架构。例如，他们正在研究如何将多个独立的光子学和电子学芯片组合成一个整体，以实现更高的集成度和更低的成本。

总之，光电子集成技术是一个极具发展潜力的领域，它的不断发展和创新将推动信息技术的进步，并为社会带来更多的福利和机遇。第四部分重要应用领域及影响关键词关键要点【光通信领域】：

1.高速信息传输：光电子集成技术在光通信领域的应用可以实现高速、大容量的信息传输，提高通信效率。

2.光纤接入网络：通过将光电子集成技术应用于光纤接入网络，能够提高网络的带宽和稳定性，满足日益增长的数据传输需求。

3.量子通信：利用光电子集成技术进行量子信息处理和传输，有望实现安全性和可靠性更高的量子通信系统。

【光传感领域】：

光电子集成技术是现代科技发展中的一个重要领域，其重要应用领域及影响涉及多个方面。以下是一些关键的应用领域和它们的影响。

1.通信领域

光电子集成技术在通信领域中发挥着至关重要的作用。在光纤通信系统中，光电子集成技术使得光信号的产生、传输、接收和处理等环节得以实现高度集成化和小型化。例如，在光发射器中，通过将激光二极管、调制器和耦合器等组件集成在一个单一芯片上，可以显著减小设备尺寸、降低成本并提高系统的稳定性和可靠性。

此外，光电子集成技术也为无线通信提供了新的解决方案。例如，基于硅基光子学平台的光电子集成器件可以在射频和毫米波频率范围内实现高带宽、低损耗的信号传输，这为5G和6G无线通信网络的发展带来了重大机遇。

2.数据中心与云计算

随着互联网技术的飞速发展，数据中心和云计算的需求正在迅速增长。在这种背景下，光电子集成技术在数据传输、存储和计算等领域具有广阔的应用前景。通过使用高速光学互连技术，数据中心内部的数据交换速度可以得到显著提升，从而降低能耗并提高运算效率。同时，光电子集成技术也可以用于构建高速、高效的量子计算和神经网络等新型计算架构。

3.医疗健康

光电子集成技术在医疗健康领域的应用也非常广泛。例如，基于光子集成电路的生物传感器可以实现对各种生化物质的实时监测，为疾病的早期诊断提供有力支持。此外，光电子集成技术还可以应用于手术导航、光学成像、治疗设备等方面，为医生提供更为精确、安全的诊疗手段。

4.自动驾驶与智能交通

自动驾驶车辆需要高性能的感知和决策系统来确保行车安全和舒适性。光电子集成技术在这方面的应用主要体现在激光雷达（LiDAR）系统中。通过集成光学元件、光电探测器和信号处理器等功能模块，光电子集成技术可以帮助设计出体积更小、性能更强的激光雷达系统，为自动驾驶汽车提供高精度的环境感知能力。

5.能源与环保

光电子集成技术在能源和环保领域也有广泛应用。例如，太阳能电池作为一种可再生能源，其高效利用离不开高质量的光电转换材料和器件。光电子集成技术可以实现光伏器件的微型化和集成化，提高能量转换效率，并降低生产成本。另外，光电子集成技术还可以应用于环境污染检测和气候变化监测等方面，帮助我们更好地保护地球环境。

总之，光电子集成技术在多个领域都发挥着重要作用，对科技进步和社会经济发展产生了深远影响。未来，随着技术的不断进步和市场需求的增长，光电子集成技术将会在更多领域展现出巨大的潜力和价值。第五部分集成光子学的关键技术关键词关键要点【光子集成芯片设计】：

1.芯片结构优化：通过改进材料、结构和工艺，实现更小尺寸、更高性能的光子集成芯片。

2.仿真与建模：利用计算机模拟和算法，对光子集成芯片进行精确的设计和优化。

3.设计自动化工具：开发高效的自动化设计软件，提高光子集成芯片的设计效率。

【光电子材料研究】：

集成光子学是一种利用微电子技术制作的光电器件和系统，其目标是将多个功能性的光学组件集成为一个小型、高效的器件。在实现这种集成的过程中，关键的技术主要包括：波导结构设计与制备、光波长控制与管理、光学信号处理以及集成光路的测试与表征。

首先，波导结构设计与制备是集成光子学的核心之一。波导是一种能够引导光沿着特定路径传播的结构，它是集成光子器件中的基本组成部分。目前，常见的波导结构有矩形硅波导、介质限制波导、金属-绝缘体-金属波导等。这些波导结构的选择取决于所需传输的光频率、模式数量、损耗等因素。为了实现高效地光波导传输，需要对波导的材料参数、尺寸以及形状进行精确的设计，并采用相应的微纳加工技术来制造。

其次，光波长控制与管理是另一个重要的关键技术。在集成光子系统中，通常需要对不同的光学组件进行连接，这就要求每个组件之间的光波长必须匹配。因此，波长选择性开关、波长转换器、多路复用/解复用器等波长管理设备都是必不可少的。这些设备一般基于布拉格反射、光纤光栅、谐振腔等原理设计。此外，由于光源的波长稳定性直接影响到整个系统的性能，因此也需要采用相应的技术来保证光源的稳定输出。

再次，光学信号处理也是集成光子学的一个重要研究领域。这包括了光调制、光放大、光滤波、光存储等多种功能。其中，光调制是指通过改变光强度、相位或偏振状态来编码信息；光放大则是通过非线性效应或者激光增益来提高光强；而光滤波则可以用于分离不同波长的光信号；光存储则可以暂时保存光信号以便后续处理。这些光学信号处理技术对于实现高速、大容量的信息传输至关重要。

最后，集成光路的测试与表征是确保系统性能的关键步骤。这包括了对单个光学组件的性能测试，如光功率、消光比、带宽等，也包括了对整个光路的综合测试，如耦合效率、插入损耗、非线性效应等。此外，还需要通过模型仿真和实验验证相结合的方式来优化设计并评估系统性能。

总的来说，集成光子学是一门多学科交叉的领域，涵盖了物理、化学、材料科学、微电子等多个方面的知识。随着科技的发展，我们相信未来会有更多的新技术被应用到集成光子学中，推动这一领域的进一步发展。第六部分材料选择与工艺挑战关键词关键要点【光电子集成材料选择】：

1.材料性能优化：为了实现高效的光子和电子交互，需要寻找具有低损耗、高折射率对比度以及优良电学性能的材料。

2.多功能材料探索：新兴的多功能材料如二维材料、拓扑绝缘体等为光电子集成提供了新的可能性。

3.材料兼容性考虑：在实际应用中，还需要考虑到材料与现有半导体制造工艺的兼容性问题。

【新型工艺技术挑战】：

光电子集成技术是当前信息科技领域的研究热点之一，它的核心在于通过高度集成的光电器件实现高速、高效的信息传输与处理。在实现这一目标的过程中，材料选择与工艺挑战起着至关重要的作用。

一、材料选择

1.有源层材料：有源层材料是光电子器件的核心部分，它主要负责光电转换和信号调控功能。目前，硅基材料（如SiGe/Si等）由于其优异的电学性能和良好的热稳定性，成为了有源层材料的首选。此外，III-V族半导体材料（如GaAs、InP等）也因其宽广的带隙和高效的光电转换效率而备受关注。

2.基底材料：基底材料是支撑整个光电子集成芯片的基础，其质量直接影响到最终器件的性能。目前，硅基材料由于其成熟的制程技术和广泛的应用基础，仍然是主流的基底材料。然而，随着高密度集成的需求，新型的基底材料如石墨烯、二维材料等也开始受到重视。

3.连接层材料：连接层材料主要用于将不同的光电器件进行互连，从而实现光电子集成的功能。金属、介电质等都是常用的连接层材料，它们的选择需要根据实际需求和应用场景来确定。

二、工艺挑战

1.集成度提高：随着光电子集成技术的发展，如何提高集成度成为了关键问题。为了实现更高密度的集成，我们需要开发更先进的微纳加工技术，包括刻蚀、薄膜沉积、光刻等。同时，也需要解决材料间的热膨胀系数匹配、机械应力等问题，以保证器件的稳定性和可靠性。

2.多功能性增强：光电子集成技术的目标不仅是提高集成度，更重要的是实现多功能性。这就要求我们能够在单个平台上集成多种功能各异的光电器件，并确保它们之间的良好兼容性。这对于材料选择和工艺设计都提出了更高的要求。

3.成本降低：光电子集成技术的应用范围越来越广泛，如何降低成本成为了一个不容忽视的问题。一方面，我们需要开发更为经济有效的制程技术；另一方面，我们也需要寻找价格低廉、性能优良的替代材料，以满足大规模生产的需求。

总的来说，材料选择与工艺挑战对于光电子集成技术的研究与发展至关重要。只有通过不断的技术创新和材料优化，才能克服这些挑战，推动光电子集成技术的进步。第七部分设计方法与仿真工具关键词关键要点光子集成设计方法

1.优化设计流程：采用先进软件工具和算法，提高设计效率和准确性。

2.多物理场建模：整合电磁、热流、力学等多个领域的模型，实现综合性能预测和分析。

3.可扩展性与兼容性：保证设计结果能够适应不同的制造工艺和技术路线。

集成光学仿真技术

1.三维全波模拟：精确计算光路中的传播损耗、耦合效率等参数，优化系统性能。

2.高效求解器开发：研究并应用高性能计算技术和大规模并行算法，提升计算速度和精度。

3.模型验证与对比实验：通过实际测量数据对仿真结果进行检验，确保模型的可靠性和实用性。

硅基集成平台设计

1.节点缩放技术：通过不断缩小器件尺寸来提升集成密度和性能。

2.硅光子学材料特性研究：深入探讨硅基材料在光学领域中的应用潜力和局限性。

3.集成架构创新：探索新的封装、互连和散热解决方案，满足高密度、高速度的需求。

光电混合集成设计

1.材料选择与界面工程：寻找合适的电光转换材料，优化电子和光子之间的相互作用。

2.混合集成工艺开发：实现光电组件的有效连接和协同工作，降低功耗和成本。

3.整体系统效能评估：考察混合集成方案在传输、存储和处理等方面的综合表现。

快速原型验证方法

1.虚拟原型构建：运用计算机辅助设计和虚拟现实技术，直观展示设计概念和效果。

2.实验室验证平台：搭建专用的测试设备和环境，快速验证设计方案的可行性和有效性。

3.原型试制与优化迭代：结合实测数据，调整和改进设计细节，逐步完善产品功能。

标准组件库与模块化设计

1.组件标准化：建立统一的接口规范和质量控制体系，简化设计过程和生产环节。

2.模块化设计思想：将复杂系统分解为多个独立可替换的模块，提高设计灵活性和通用性。

3.共享资源和知识积累：促进不同项目之间的合作交流，推动整个行业的创新发展。光电子集成技术研究与发展

一、引言

光电子集成技术是将多种光电功能器件通过光波导和电互连实现功能整合的一种新型技术，旨在提高系统性能、降低成本和减小体积。设计方法与仿真工具在光电子集成技术的研究和发展中起着至关重要的作用。本文着重探讨了设计方法与仿真工具在光电子集成中的应用。

二、光电子集成设计方法

1.模拟/数字混合设计方法

模拟/数字混合设计方法结合了模拟电路和数字信号处理的优势，为实现高性能的光电子集成提供了有效的解决方案。这种方法包括以下几个步骤：

a)选择合适的光源、调制器、探测器等元件。

b)设计模拟前端和后端，以保证良好的光学和电信号转换。

c)应用数字信号处理算法进行数据处理，如均衡、滤波、解码等。

d)根据系统需求优化整个设计方案。

2.三维电磁场仿真

三维电磁场仿真是预测光电子集成器件性能的关键环节。通过对器件进行精确的电磁场分析，可以评估其损耗、带宽、耦合效率等参数。常用的三维电磁场仿真软件有ANSYSHFSS、LumericalFDTDSolutions等。

3.系统级建模与优化

为了确保整个光电子系统的性能，需要对系统进行整体的建模和优化。这涉及到多个因素的考虑，如传输线路的损耗、噪声、非线性效应等。系统级建模通常采用MATLAB或Simulink等软件，通过搭建相应的模型来完成。

三、光电子集成仿真工具

1.光学仿真工具

光学仿真工具有助于我们更好地理解和优化光电子集成系统中的光路部分。常见的光学仿真工具有Zemax、LightTools、CodeV等。这些工具可以帮助工程师分析光路布局、确定光学组件参数以及计算系统性能指标。

2.电路仿真工具

电路仿真工具对于理解光电子集成系统中的电学部分至关重要。使用诸如SPICE、ADS、HSPICE等电路仿真软件，可以对电路进行详细的分析，包括频率响应、噪声分析、稳定性检查等。

3.综合设计平台

综合设计平台（IntegratedDesignEnvironment,IDE）是一种集成了光学、电学和热学等多种仿真能力的工具，用于支持从概念设计到实际生产的过程。例如，SilvacoTCAD提供了全面的器件、电路和系统仿真能力，涵盖了从材料生长、半导体加工到最终产品验证的整个流程。

四、结论

设计方法与仿真工具在光电子集成技术的研究和发展中扮演着重要角色。从元件选择、设计优化到系统仿真，它们都为工程师提供了强大而实用的支持。随着技术的发展，新的设计方法和仿真工具将不断涌现，推动光电子集成技术向更高层次迈进。

参考文献：

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[2]刘永前,韩雅莉,王宏志.光电子集成技术研究进展[J].光纤与电缆及其应用技术,2018,35(2):1-9.

[3]孙宗凯,周孝信.光电子集成技术及其应用[M].北京:科学出版社,201第八部分发展前景与未来趋势关键词关键要点光电子集成技术在5G通信中的应用

1.高速率传输：随着5G网络的发展，对数据传输速度的需求不断提高。光电子集成技术能够实现高速、大容量的数据传输，满足5G通信的要求。

2.节能环保：相较于传统的电通信技术，光电子集成技术具有更低的能耗和更小的体积，符合绿色通信的发展趋势。

3.网络智能化：随着物联网、大数据等技术的发展，未来5G通信将更加依赖于智能网络。光电子集成技术可以实现网络设备的小型化、智能化，为构建智能网络提供技术支持。

光电子集成技术在数据中心的应用

1.大数据处理：随着云计算、人工智能等技术的发展，数据中心需要处理的数据量不断增长。光电子集成技术可以提高数据处理的速度和效率，满足大数据处理的需求。

2.能耗降低：传统数据中心的能耗高，光电子集成技术可以减少数据中心的能耗，符合可持续发展的要求。

3.设备小型化：光电子集成技术可以实现设备的小型化，节省空间，降低成本，有利于数据中心的建设和发展。

光电子集成技术在无人驾驶中的应用

1.高精度感知：无人驾驶需要对周围环境进行高精度的感知，光电子集成技术可以实现车辆与外界环境的高效信息交互，提高驾驶的安全性。

2.实时数据传输：无人驾驶需要实时传输大量的数据，光电子集成技术可以实现高速、低延迟的数据传输，满足无人驾驶的实时性要求。

3.自动驾驶算法优化：光电子集成技术可以帮助优化自动驾驶算法，提高自动驾驶的精确度和稳定性。

光电子集成技术在生物医学领域的应用

1.生物传感器：光电子集成技术可以用于制备生物传感器，实现对生物分子的检测和分析，有助于疾病的早期诊断和治疗。

2.光疗设备：光电子集成技术可以应用于光疗设备中，如激光手术