第一章　绪论

第一章　绪论

一、基本概念与理论： １、什么是光电子技术？是研究从红外波、可见光、紫外光、X射线直至射线波段范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的技术。信息：声音、文字、图像（动态和静态）、数据、文件 信息的收集、处理、传递和显示必须依靠载体。例如，声音是以无线电波（调幅或调频）为载体实现无线电广播。最通常的信息载体是：电子、光子

是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，,靠光子和电子的共同行为来执行其功能，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。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.

２、光电子学 • 光子学也可称光电子学，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。 • 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3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。３、电子学和光子学的比较：（１）电子学：Electronics 是研究电子的运动、电子及其应用的科学电子学发展历程：从爱迪生1883年实验开始算起，经120年发展电学---电子学---电子技术---电子工程--- 电子产业电子技术及其主要应用：器件：电子管、晶体管、集成电路（IC）等应用：电信、无线电广播、电视、计算机等

光子学：Photonics 是研究光子运动、光子作用及其应用的科学。荷兰科学家Poldervart 1970年提出Photonics并定义为： “光子学是研究以光子为信息载体的科学”。钱学森：“光子学是研究光子的产生、运动和转化的科学。” 光子学发展历程：从1970年Poldervart提出算起，也正经历：光学 -- 光子学-- 光子技术 -- 光子工程 -- 光子产业光子技术及其主要应用：器件：有源元件：激光器、光探测器、光放大器、光集成回路等无源元件：耦合器、调制器、滤波器、光波导等应用：光子通信、光储存、光计算机等

电子和光子性质的比较

４．光子传递信息的特点： 对比电子：（1）极快的响应时间可用于超高速、宽带通信：光子静止质量为零、在真空中以光速运动，不受电路中RCL时间常数的限制。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。（2）传输信息容量大：光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间局域性，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。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，1986年达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”。

（3）高抗干扰、高可靠性： 光子不带电荷，光纤不和受外界电磁波相互作用，光纤通信具有高抗干扰、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。（4）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。 • 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。光子学和电子学的关系实际上互相依存、互相补充、互相促进的。光子学和电子学结合在一起称为光电子学；因它应用于信息领域所形成的主要技术、方法、工艺等统称为光电子技术。

光与物质相互作用 介质导波效应非线性光学效应半导体光电子学激光与红外物理学非线性光学相干光学导波光学声光效应磁光效应光电转换效应发光效应非线性光学效应强光光学效应电光效应光电子学光电子技术

５.光电子技术的应用： 光电子技术以光和电相结合的崭新技术进行信息的收集、加工、发射、传输、接收、提取、储存、显示和分配等，在工农业、科技、军事和生活等几乎所有领域都有广泛的应用。

二、光电子技术的发展 • 电子科学与技术对于国家经济发展、科技进步和国防建设都具有重要的战略 • 意义。面对电子科学与技术的迅猛发展，世界上许多发达国家，像美国、德国、 • 日本、英国、法国等，都竞相将微电子技术和光电子技术引入国家发展计划。

１、发展历史： • 　　光电子技术的前身是半导体专业和激光专业。 • 1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，开创了固体电子技术时代。根据国外发展电子器件的进程 • 　　中国在1956年提出了“向科学进军”，将半导体技术列为重点发展的领域之一。 • 　　到了1970年前后，随着对半导体器件需求量的增加，尤其是大型电子计算机对集成电路需求的推动，促进了国内半导体工业的发展以及对专业人才的需求，全国很多高校都先后增加了半导体物理与器件专业。 • 　　进入20世纪80年代，由于国内半导体器件和集成电路生产还缺乏竞争力，受到进口元器件的冲击，很多半导体器件厂下马或转产，市场不景气导致了很多高校的半导体专业被迫取消，专业萎缩。 • 　　进入20世纪90年代，由于微型计算机、通信、家电等信息产业的发展和普及，对集成电路芯片的需求量越来越大，此外几场局部战争让全世界接受了电子战、信息战的高科技战争的理念。 • 21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用。因此，电子科学与专业具有良好的发展空间和态势。

２、光电子技术相关行业的现状与发展趋势 • 光电子技术涉及以下内容： • 　　作为光子产生、控制的激光技术及其相关应用技术； • 　　作为光子传输的波导技术； • 　　作为光子探测和分析的光子检测技术； • 　　光计算和信息处理技术；作为光子存储信息的光存储技术； • 　　光子显示技术； • 　　利用光子加工与物质相互作用的光子加工与光子生物技术。 • 由以上技术形成的光电子行业的五大类产业格局： • 光电子材料与元件产业、 • 　　光信息（资讯）产业、传统光学（光学器材）产业、 • 　　光通信产业、 • 　　激光器与激光应用（能量、医疗）产业。

(1)国际概况 • 许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展光电子技术和产业，根据美国光电子行业协会（OIDA）的统计，全世界光子技术产业的市场规模已达1.5万亿美元。 • 国外光电子产业主要在美国、日本和西欧，美国和日本的光电子产业发展现状与趋势具有代表性。 • 美国将光电子技术的应用领域分为民用和军用两大类： • 在北美（美国和加拿大）有大约15万人从事光电子方面的工作，光电子技术产业创造的税收从1991年的40亿美元增长到2003年的超过200亿美元。 • 日本光电子产业自1980年以来稳步增加，虽然20世纪90年代末到21世纪初由于国际IT产业过热的影响，导致2001年的负增长（-15.1%）,但是在挤出泡沫之后的日本光电子产业现在已经重入快速上升轨道。 • 日本光电子产业的产品分为仪器和元件两大类共七个主要方面，即光通信、光存储、I/ O设备、显示、能量、传感器与测量仪器、其他 • 从北美和日本的光电子技术行业的现状和发展可以映射出国际光电子技术行业的现状和发展趋势。

(2)国内概况 • 我国光电子技术产业的现状分为大陆和台湾地区。近20多年来，随着中国大陆的改革开放，使中国内地的激光、光电子科学事业的发展立足创新、面向市场，取得了前所未有的进步。在多项国家级战略性科技计划中，激光、光电子技术受到重视。 • 近十几年来，中国的光电子产品市场规模正在快速发展，其平均年增长率始终保持在两位数的高速增长势头。这是改革开放政策威力和积极利用投资环境和消费市场优势的结果。 • 　　进入21世纪，中国开始第十个五年（2001－2005年）发展计划，我国的信息产业将获得高速发展，继续成为国民经济的支柱产业和新的经济增长点。在“十五”期末，整个信息产业的产值占GDP的比重将超过5％，光纤通信已成为信息高速公路的主干道，国内和世界信息传输网中80％的业务将通过光通信网来完成。特别是中国加入WTO和北京申办2008年奥运会成功后，中国庞大的光电子产品市场和拥有相当的光电技术、产业基础，以及自2000年以来各地相继建立10多个光电子产业发展园区，正进一步吸纳海内外企业巨头的中高档技术和雄厚资本，抢滩中国市场，中国光电子行业的发展面临着前所未有的发展机遇和挑战。

(3)发展趋势 • 目前光子技术在向微光子技术、光电集成技术方向迅速发展。它们代表了信息光子技术在微光、光纤通信、光计算、光信息储存等领域的应用。 • 1）．微光子技术的发展： 2）．光电集成技术的发展： 3）光纤技术的发展： 4）光盘技术的发展：．

1）微光子技术的发展： 微加工 -- 微工程 --微电子、微机械、微光学自聚焦透镜的出现为微光学发展奠定基础阵列光学元件的发展开拓了微光学在信息领域的广泛应用集成微光学器件是微光学发展的新方向 • 上世纪，传统光学传输原理和激光技术在信息科学中起到了巨大作用。当前，信息科学技术进一步向小型化和大容量发展却受到传统光电子集成所利用的全内反射导光原理和聚焦光束衍射极限尺度等的限制。更小尺度下更快速的信息处理新原理和新方法及其微型化光子集成已成为新一代信息科学研究重点。同时，随着微纳加工技术的成熟和小尺度体系研究的深入，光科学也出现向突破衍射极限的更小尺度的介观光学方向发展。处于介观尺度的材料和结构具有不同于原子(或少量原子…

2．光电集成技术的发展： 　把各种光子和电子元件集成在同一衬底上微电子 --- IC 光电子 ---- OEIC 微光子----PIC 超晶格理论能带工程量子效应光电器件光电器件“革命” 超薄材料技术 • 态密度阶梯分布 --- 激子存在 --- 非线性光学效应 --- 多功能光电器件： • 量子阱激光器、垂直腔面激光器、自电光效应器件、光开关、光储存、光逻辑 • 介质光栅发射器 --- DFB激光器---- 为PIC发展奠定基础 • 各种OEIC器件： LD+PD（探测器）PD+GR（光栅） LD+MD (调制器) PD+WG（光波导） LD+OA (光放大器) PD+AP（放大器） LD+GR（光栅）PIN－FET，PIN－HBT LD+WG（光波导）PIN－HEMT,SMS－HEMT

3．光纤技术的发展： 光纤应用：通信介质、传感器、激光器、医疗、艺术光纤发展方向：低损耗、多功能化光介质：损耗20dB/km 降到0.2dB/km以下多模光纤：偏注入技术、中心注入技术， 1Gb/s、2km 单模光纤：低成本化，0.2$/km 特殊光纤：掺稀土、色散管理、宽带色散补偿、大面积、多芯、全波、塑料我国光纤产业：光纤芯生产严重不足，光缆产品过剩 4．光盘技术的发展：光盘储存的优点：高速、高储存密度、高可靠性、高适应性光盘储存的发展方向：短波全光光盘、三维立体储存

光存储技术的发展 光存储技术的历史较短，而发展很快。 1972年，美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。 1982年，飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。由于激光唱机（CD）进入家庭和只读式光盘存储器(CD--ROM)同个人计算机结合，VCD(CD视盘)──其全称为Video─CD。 1993年下半年才付诸实用的新技术，也称CD视盘。VCD的视频压缩和解码技术是由美国人发明的，通过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到1.2G信息容量左右的光盘中去，并通过数字解码技术把压缩的电子信号重新播放出来。 DVD――全称为Digital Video DISK数字视频光盘机，它是1994年才诞生的新机种。从原理上来说，DVD与VCD没有本质的不同，DVD也是对电影画面进行视频压缩，将压缩的图像储存在光盘上。播放时DVD影碟机对光盘上的数字信号进行解码，还原出图像在显示器上播放。一张盘只能储存640MK的信息；

目前光盘存储技术中,载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上记录,由于物镜离介质较远(毫米级)故称为远场记录 目前光盘存储技术中,载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上记录,由于物镜离介质较远(毫米级)故称为远场记录记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射极限. 在光的衍射极限下,光线的聚焦直径(d)与光波长()成正比例而与镜头的数值孔径(NA)成反比,即而存储密度正比于所以要提高存储的位密度,就要缩短激光波长和升高物镜的数值孔径.

光盘技术要提高记录密度，可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小，光盘技术要提高记录密度，可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小， CD(780nm，NA：0.45) DVD(650nm，NA：0.6)， Blu-ray Disc盘片(405nm，NA：0.85)

光盘存储密度和数据传输速率的发展趋势.

（５）光电子专项产业化目标 • 光电子产业是21世纪的支柱产业之一。国家发展委员会从2002年开始组织实施光电子产业化专项，拟分3年实施。 • 光电子专项产业化目标是： • ①根据我国在光电子研究开发方面所具有的技术优势和资源特点，重点支持一批技术水平高、市场前景好的光电子产品，实现产业技术升级，并尽量形成规模生产。 • ②“十五”期间初步形成具有知识产权和产业优势的光电子产业体系。通过对我国已有技术和资源优势并在国际市场有竞争力的光电子产品的重点支持，力争在“十五”期间使国内光电子产业能够满足国内各行业的需要，并进入国际市场。 • ③通过技术创新和项目建设的带动，扶持光电子产业基地的形成。 • 到2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业已经形成5万亿美元的产业规模，经预测，到2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业。光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。

三：光电器件 能完成光电转换或电光转换及在光电系统中能对光路传输、光电转换起到控制作用的材料和器件１、光电器件研究现状　　　近年来随着"网络经济"泡沫的破灭，光通信产业的资本支出大为减少，作为光通信产业链最底端的光电子器件产业面临非常大的挑战。另一方面，前期对市场盲目乐观的估计造成了大量光电子器件积压，。在这种市场环境下，光电子器件的研究与发展的趋势主要表现在以下几方面：　　　　（1）从光电子器件实现的功能来看，使光网络容量更大、更智能仍是光电子器件发展方向，但研究的侧重点有所改变。在系统传输容量方面，光电子器件的研究方向将注重降低传输系统的每公里每比特的成本，而不再一味追求单纤传输速率的突破。　（2）小型化和集成化正成为光电子器件保持竞争力的一个新的趋势。随着光电子器件在光传输设备中的比例越来越大，对光电子器件的小型化要求日益显现。使设备能少占机房的面积和少消耗能源，能有效地降低网络的运行成本。光电子器件的小型化要求还促进了集成技术的发展。　（3）光电子器件组装的自动化技术将是降低光电子器件成本的关键。手工组装是限制光电子器件的成本进一步下降的主要因素。自动化组装可以降低人力成本、提高产量和节约生产场地，因此光电子器件组装的自动化技术的研究将是降低光电子器件成本的关键。

２、光电子期间的基本特性： 光电探测器的基本特性包括：　　　响应特性：响应率、探测率、时间常数　　　噪声特性：信号噪声比光电成像器件的特性：　　　响应特性　　　成像特性：分辨率、空间频率特性以及空间抽样特性　　　噪声特性本节只介绍响应特性、探测率及吸收系数 3.2.1 光谱响应率和响应率光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比、即单位入射光功率作用下探测器的输出信号电压或电流称为响应率，包括光谱响应率和积分响应率。１、光谱响应率

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