光电子技术的发展及应用最新

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日期： 电气信息工程学院 电子科学与技术0941 郑义 [1**********]2 2012年12月10日

光电子技术的发展与应用

摘要：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，它是以红外、微光、激光等光电子器件为基础，由光学技术、电子技术、精密机械技术和计算机技术等密切结合而形成的一项综合技术。主要包括激光技术、红外技术、光纤通讯技术、太阳能光伏技术、固体照明技术、集成光学技术、光计算技术、光学传感器和光电显示技术等。

引言：2008年北京奥运会上，“水立方”以其绚烂梦幻的视觉效果，令世人惊叹。夜幕降临时，在“水立方”南侧立面周围的人们就会看到一幅如梦似幻的景观：一群群色彩艳丽的热带鱼在“水立方”的“水泡泡”里轻盈地游弋，时而又变成波涛汹涌的巨浪呼之欲出，时而又化为一团奥运圣火熊熊燃烧。而这一切，正是由光电子技术为“水立方”量身打造的幔态LED才得以实现[1]。当今全球范围内，已经公认光电子产业是本世纪的第一主导产业，是经济发展的制高点，光电子产业的战略地位是不言而喻的[2]。鉴于此，光电子技术应用的开发被世界各国所关注，新的应用领域也在不断发现中。本文主要分析了光电子技术的发展历程与在国防，生活中的应用。

关键词 光电子技术、光电子材料、发展、应用

1光电子技术的介绍

光电子技术确切称为信息光电子技术。20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，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，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗的、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。

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。

在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务。比如激光器，光电探测器，太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展，人们研究完全利用光来处理信息，于是诞

生了光子学。所以可以说，先有了光电子学，又有了光子学。而最终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术，那时信息的载体不再是束流，而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念，区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术，也不能叫电子信息技术，应该叫量子信息技术。

由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的 。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互联，利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。

2光电子技术的发展

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。二十一世纪的光电子技术正在快速地发展，结合众多工艺与技术，如光电子学、力学、电子学、材料学等，光电子技术现在已成为国防、航空宇宙、光学加工、电子、通讯、显示、测试仪器等领域发展的基础。 2.1光电子的产业分类

光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输、信息处理、信息获取、信息存储、信息显示等。采用光子作为信息的载体，其响应速度比电子快三个数量级以上，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。

尽管各国对光电子产业的分类不同，但通常的分类方法有两种：一种按照应用领域，把光电子产业划分为信息光电子、能量光电子和娱乐（消费）光电子三类产业；另一种按照国际产品产值统计及产业层次，把光电子产业划分为与光电子技术有关的六类产业，即光电子材料与元件、光电显示、光输入/出、光存储、光通信、激光及其它光电应用。

2.2光电子产业的市场需求

全球光电子产业始于上世纪70年代，90年代获得了高速增长。进入新世纪后，受全球经济景气持续探底冲击，2001年与2002年全球光电子产业产值连续出现负增长，2003年在全球经济景气回春情况下获得微幅增长。据PIDA统计，2004年光电子产业进一步走向复苏，其市场规模达1980亿美元（较2003年增长13％），2005年顺利突破2000亿美元。日本光电子产业与技术振兴协会预测，2010年光电子产业的产值达5407亿美元，2015年将达9631亿美元，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。

2.3 光电子产业的技术发展趋势

总的来看，光电子产业各领域呈现出以下发展态势：光器件向小型化、高可靠、多功能、模块化和集成化方向发展；光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展；光输出/入产品向多功能、高速化、低成本方向发展；光存储将更多地采用新技术和新材料，开发新一代高密度、高速存储技术和系统；光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展，特别是超大容量DWDM智能光网将成为主要的发展趋势；激光技术向全固化、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展，激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围将不断扩大。

2.4 光电子在我国的发展

我国光电子技术和发展，从“六五”起步，开始发展以激光技术为主的光电子技术。1987年科技部把信息光电子列入“863”计划，给予支持，激光科学技术的研究和发展受到国家的很大重视，在国防建设和社会应用上起了重要作用。我国光电子产业的原始基础是军事光学，军用光电子学和红外技术[4]。自60年代以来，我国依靠自己的力量，研制出“神龙”高功率激光装置，激光分离同位素装置，军用靶场激光经纬仪，激光卫星测距仪，高速摄影机，红外扫描仪等重要的军用光电子设备，并在此过程中，形成了实力雄厚的10多个光电子技术研究基地。70年代末，光纤通信的研究和开发也在我国兴起。80年代中期光盘技术和光电平面显示技术也得到发展。我国在"八五"计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在"九五"计划中产生了效益。例如，12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列（SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设

3 光电子技术的应用：

3.1光电子在信息获取方面的应用 就光电信息技术而言，在信息获取方面可分为三大类、第一类即音视影像类，主要应用为照相机、摄像机、监视器等，以CCD和CMOS技术为达标。目前该市场成熟而且巨大，未来发展以高分辨率、高灵敏度、高响应速度以及低成本为发展方向；第二类是工业传感器类，该部分技术也已经比较成熟；第三类是特种应用类，如太赫兹波、红外、紫外、X线的探测等，这部分技术未来将向高灵敏度、高空间分辨率发展。另外，同属于特种应用的三维信息的面阵探测器技术，可以用以解决图像制导、三维成像以及超快诊断等问题，该技术的未来发展方向为高空间分辨率和高时间分辨率。此外，雪崩管、倍增管、EMCCD、MCP、超导单光子探测等微弱信号探测技术的发展与应用也已经普遍展开。

3.2光电子在光电传输、存储以及处理技术方面的应用

在光电传输、存储以及处理技术方面，其总体趋势为实现和超过3T目标。就目前现状来说，光电信息传输技术中，100G系统即将商用，实验系统单根光纤160 X 80Gbps=12.8Tbps。光电信息的存储技术也已经达到了商用单硬盘2TB，实验室原理光盘可达10TB。目前，光电信息处理的速度已经达到了1.105千万亿次。在光电信息技术方面，目前的热点技术包括：无线移动通讯、下一代互联网NGN、超大容量硬盘、固态存储器、多核处理器以及大规模机群处理和云计算等。

3.3光电子在光电信息表达方面的应用

在光电信息表达方面，则以大家最熟悉不过的光电显示技术为核心。目前平板显示已经逐步替换掉了传统的CRT。TFT-LCD占据了85%的市场，其生产技术已经到了G11(2950 X 3450 mm2)，并出现了4倍高清显示屏（4096 X 2160）。与此同时，LED背光技术也已经流行起来。另外，等离子显示器（PDP）由于在大尺寸领域非常有优势，也占据了10%的市场。新型的OLED也开始占据越来越大的手机屏市场，并逐渐向笔记本电脑、电视机等市场渗透，目前也占据了约3%的市场。谢长生表示，就显示技术未来发展而言，3D立体电视将成为高清平板显示之后的新一轮竞争性技术。

3.4光电子在光电子材料的应用

在光电子技术领域应用的，以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。光电子技术是结合光学和电子学技术而发展起来的一门新技术，主要应用于信息领域，也用于能源和国防领域。已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料。 A新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件大面积(对角线>14〃)的定向排列碳纳米管或纳米棒薄膜生长的关键技术; 等离子体平板显示用的新型高效荧光粉的关键技术。

3.5光电子在光能技术方面的应用

光能量技术也一直是国家科研的重点，在这个领域出现了新兴的技术应用发展热点如LED、OLED以及太阳能光伏技术等。光能量技术的发展将很好的推动节能与环保，是一项功在当代，利在百年的技术。因此，随着人类发展的不断进步，节能是一个非常重要的课题。

目前，照明技术已经由白炽灯进化到了LED照明，未来OLED照明和可挠式OLED照明也将分别于2010年以及2015年慢慢走入市场。

太阳能光伏技术也正向着高效率以及低成本两个方向快速的发展着。多结太阳能电池的理论转换效率可达60%，这是一个很客观的数据。而如纳晶染料等新概念太阳能电池的成本，也仅为硅基太阳能电池的1/5-1/10左右。这些都是太阳能未来发展的大方向。 除了光伏电池技术外，并网光伏发电技术也是一项不容忽视的重要技术。

在“十二五规划”里，光电子产业已列入七大新兴战略产业，我国将本着以光通信、激光、光电器件和TFT-LCD为支柱产业、以半导体照明、移动通信、集成电路IC为战略性产业、以光电显示、太阳能光伏、生物医疗为新型产业的发展策略，迈向更加辉煌的明天！

参考文献

[1]梁瑞丽.路明，引导光电子产业[J].东方企业文化.2009，V4：42 [2][3]:王希军，陈丹.中日美光电子技术产业的发展趋势与对策分析[J].工业技术经济.2006，V25(11)：118-121 [4]:干福熹. 光电子技术和产业的发展[J].中国科学院院报.1996，V5：366-367 [5]徐小田. “十五”期间中国光电子技术产业发展战略[J].电子质量.142-143 [6]何文瑶.光电子技术发展态势分析[J].科技进步与对策.2008，V25(9)：194 [7]刘华.英特尔实现硅光电子学重大技术突破[J].中国数字医学.2008，23 [8]牛憨笨.图像信息获取中的光电子技术[J].深圳大学学报（理工版）