光电子技术概论

光电子技术

ELECTRONICTECNOLOGY

绪论第1章光电系统中的常用光源第2章光辐射的调制第3章光辐射探测器第4章光电成像器件第5章光存储器第6章平板显示器件

本书主要内容绪论§1、问题的提出及概述§2、光电子学与光电子技术简介§3、光电子信息产业的重要性§4、光电子技术的应用§5、本课程的主要内容§6、本课程学习方法、要求§1、问题的提出及概述

什么是“光电子学”；•什么是“光电子技术”；•什么是“光电子技术基础”；光电子技术光通信光传感宽带、高速、长距离（干线，点对点）无线光通信量子通信城域网无线接入网光纤传感医疗诊断生物信息环境监测安全监测其它：光盘、存储、条形码、加工、武器……

波分复用光通信系统

WavelengthDivisionMultiplexing(WDM)ErbiumDopedFiberAmplifier(EDFA)

信号发射机λnλ1光放大器功放复用器解复用器预放λ1λn接收机信号光通信：光波频率~1016Hz,允许高频调制，目前商用水平：每波长10~40Gb/s

通信容量大

不受电磁干扰发展趋势：路数增多，信道间隔加密，传输距离加长这个系统中都包含了哪些功能？这些功能都是怎样实现的？电视系统（CATV）电视台演播室EDFA中继放大EDFA功放小区（楼）接收用户树状系统，广播式这个系统中都包含了哪些功能？这些功能都是怎样实现的？利用光纤光栅测量应变应力造成光栅移频、展宽应力造成光栅移频、展宽Raman光谱技术测量

人体胡萝卜素488nm；10mW；20s;2mm光斑GasSensor对燃烧过程的监测通过对光吸收的测量，确定燃烧过程产生的CO、NO、H2O、CO2等气体的浓度；•对激光器进行调谐，可以测量吸收谱；•通过吸收的比例，可以判断燃烧室的温度；•“借用”波分复用技术，可以同时测量多个参量。安全监测太赫兹波（THz）：100GHz～10THz分辨率比X光要高基本器件激光器；•光放大器；•调制器；•光隔离器；•探测器；•环形器；•光纤；•光衰减器；•光栅；•光滤波器；•分光器；•显示器；•光开关；•移频器；•波分复用耦合器；•……；•波长转换器；了解和认识这些器件，需要多方面的基础和专业知识；实现和应用这些系统，需要多方面的知识和技能。与这些领域相关的技术就是光电子技术;支持这些技术的学科就是光电子学。光电子学包含：

激光与红外物理学非线性光学:强光光学效应、电光效应、磁光效应、弹(声)光效应半导体光电子学：光电转换效应、发光效应、非线性光学效应导波光学：非线性光学效应介质导波效应傅立叶光学光电子技术分类包括两大类技术:

光电子信息技术:激光在电子信息技术中的应用形成的技术。包含：光电检测与信息处理;光通信;光存储;光显示等等。

光电子能量科学技术：

太阳能的利用;高效节能光源；高功率激光器；激光加工；激光生命科学什么是“光电子”；•什么是“光电子技术”；•什么是“光电子技术基础”•什么是“光电子技术基础”基础：各种技术共同的基本规律••在外场作用下光和物质的相互作用外场：电场、磁场、强光场、超声（应变）场等物理效应：电光效应、磁光效应、强光非线性光学效应、声光效应

共同的基本规律入射光场电偶极子振动辐射次波（频率相同）相干叠加——光的传播规律（线性）外场和入射光场共同作用改变了电偶极子振动频率辐射次波和入射波频率不同——光的传播规律（非线性）物理过程：绪论§2光电子学与光电子技术简介一．光电子学定义:光学和电子学相结合而形成的一门新的学科电子学Electronics(1910年)

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。

研究电波的振荡、传播；电信号的产生、放大、变换，频率的稳定，混合，检波等等半导体微电子学——集成电路。电子技术发展的历史1903年，福雷斯特的三极电子管的发明：使电信号的产生、放大、检测等功能成为可能，拉开了现代电子学时代的序幕；1949年，晶体管诞生：约翰·巴丁（JohnBardeen）电子技术由此实现了“固体化”这个具有革新意义的第二次飞跃；1970年以后，集成电路产生：杰克·基尔比（JackKilby），首创集成电路（IC），被誉为信息时代最为重要的发明之一.电子技术进入半导体微电子技术时代电子技术的发展遵循：信息处理经济学原理：更快的速度、更微小的耗能、处理更多的信息这也是21世纪信息技术发展的方向光学Optics

传统光学：以几何光学和物理光学为基础,各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。现代光学：以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）,以光与物质相互作用为主要研究内容（新型光源、光电效应、光探测器等）。电磁波谱

光是一种电磁波，X射线、射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高1012～1016Hz，一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1mm到10nm。

远红外 (1mm~20m)红外线(1mm~0.76m) 中红外 (20m~1.5m)

近红外 (1.5m~0.76m)

红色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黄色 (600nm~570nm)可见光

(760~380nm)

绿色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

蓝色 (450nm~430nm)

紫色 (430nm~380nm)

近紫外 (380nm~300nm)紫外光(380~10nm)

中紫外 (300nm~200nm)

真空紫外(200nm~10nm)光子学Photonics(1960)它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。“从电子学类推，光子学一词描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、存储和探测”。

激光光子时代的领衔主角。光电子学Opto-electronics(1960)

光学与电子学相结合的产物。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3×1012～1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成——光电子学，研究光子与束缚电子的相互作用，是光子学的第一个阶段。激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明计算机延伸了人的大脑而激光延伸了人的五官是探索大自然奥秘的超级“探针”激光开始了光学一场新的革命它的诞生标志着量子光学由学术走向技术它使近代光学和电子学联姻，诞生了光电子学，使传统光学、近代光学进入现代光学和光子学的新世纪；激光已经改变和正在改变我们的生活。如果20世纪没有光学的迅猛发展，即

没有20世纪初光的本性的认识促进了相对论和量子力学理论的形成没有60年代激光的发明没有80年代光通信的出现没有90年代大存储量的光盘的发展也就不可能有今天的互联网时代，人类也不可能进入21世纪的信息社会。20世纪，不能想象没有光学光子学的突破1.1970年L.Esaki和R.Tsu提出半导体超晶格概念和理论以来，超晶格和量子阱异质结构的研究得到飞速发展；2.谐振腔量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射激光器的问世，是光子学发展过程中在理论和器件上的一大突破；3.导波光学、非线性导波光学的发展，在光纤通讯上导致了三项重要成果：掺铒光纤放大器、孤子激光器和光孤子的传输、波分复用技术；4.非线性光学及非线性材料、器件的飞速发展，初步奠定了光子学发展的物质基础；5.光子集成已看到曙光；6.一些现代光子、光学理论的建立，有助于光子学理论体系的建立。

20世纪-电子学世纪

21世纪-光子学世纪光子学的提出，光子学的若干重要学科分支

光电子学包含：

激光与红外物理学非线性光学:强光光学效应、电光效应、磁光效应、弹(声)光效应半导体光电子学：光电转换效应、发光效应、非线性光学效应导波光学：非线性光学效应介质导波效应傅立叶光学

二、光电子技术【optoelectronictechnology】

1、定义：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。光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。

光电子技术发展史19世纪70年代到1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科。1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器－－红宝石激光器，引起连锁反应。1961年，第一台激光测距机问世，随后各种激光武器相继研制成功。20世纪70年代，低损耗的光纤、常温下半导体激光器的成熟、CCD问世，导致光信息技术蓬勃发展。20世纪80年代，对量子阱材料等其他材料的深入研究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。21世纪是信息化的世纪，信息与信息交换的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示提出了严峻的挑战。光电子技术分类包括两大类技术:

光电子信息技术:激光在电子信息技术中的应用形成的技术。包含：光电检测与信息处理;光通信;光存储;光显示等等。

光电子能量科学技术：

太阳能的利用;高效节能光源；高功率激光器；激光加工；激光生命科学2.特征:光源激光化传输波导化手段电子化现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化3.重要性：信息技术的两大重要支柱之一光电子技术与微电子技术共同构成了信息技术的两大重要支柱。4.重要趋势：集成光电子技术5.特点：1）频谱宽

2）信息容量大

3）传输速度快

4）抗电磁干扰能力强

信息光电子技术包含：

光载波源：激光、调Q、锁模、移频、混频光信号加载：开关、偏转、调制、传感、复用光信号传输：波导、耦合、隔离、偏振、中继、反馈光信号处理：解调、整形、补偿、放大、延迟、卷积、滤波、存储光信号接收探测、显示§3光电子信息产业的重要性

随着现代信息技术的发展，光子以其独特的优点，具有极快的响应速度，极大的频宽，信息容量和极高的信息效率推动信息科学技术的发展，具有越来越大的竞争力，光电信息产业在市场的份额逐年增加。光子技术与微电子技术结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一，光子和微电子是现代信息产业的基础和核心，光电信息产业已成为世界上发达国家的主导产业。一些国家把大量资金投入光子学和光子技术的研究和开发，许多以光子学命名的研究中心、实验室和公司如雨后春笋般地建立起来。可以毫不夸张地说，一个国家对光子学的投资以及在这一领域从事研究工作的人数直接反映着这个国家科学技术发展的水平。国际知名的科学家已经预言：光子时代已经到来，光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更大的冲击。光电子技术和产业在国家经济建设和科学持续发展中的作用。

美国政府已将光子学与光子技术列为国家发展的重点，认为该领域“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力”，并肯定“通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”，

美国商务部指出：

“90年代，全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技的较量中夺魁”。在德国，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”。在日本有评论认为“21世纪具有代表意义的主导业，第一是光子产业，第二是信息通信产业……”。

我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大珩等四位专家倡导的“863计划”之后，在此基础上开始了“973计划”，这两个高科技计划的重点是光电子产业。受信息化、数字化、网络化浪潮的推动，中国的光电信息市场和产业也呈现出高速增长态势，成为拉动整个国民经济增长的第一支柱行业。1999年底全国范围内建成了“八横八纵”的光缆网．武汉、广东和长春等地提出了建设中国光谷的规划。§4光电子技术的应用

光纤通信

光存储

光计算

在线检测

危险环境测量

激光医学

激光加工

军事应用

遥感测量

光传感

精密计量

技术领域

应用空间光学望远镜：美国2.4m口径哈勃望远镜大型天文望远镜：口径为25m的天文望远镜在筹建中光学激光器激光系统发光与显示激光加工（打孔、切割、焊接、表面处理等）机械激光光刻与微细加工（0.3－0.5m）

X射线光刻（<0.3m

）光化学三维模型制作光纤通信

信息光电子传感（包括光纤传感）激光印刷与照排光盘存储

技术领域

应用激光核聚变

能源激光分离铀同位素；美国每年为铀的浓缩开支约20亿美元太阳能电池

生物工程激光诱导细胞融合