光电子的发展趋势及应用_光电子技术的发展趋势

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用光

电 子

技 术 发 展

态 势 及 应

光电子技术发展态势及应用

1.光电子学的出现和发展

光学的发展历程古老而又漫长，电子学的发展则相对较短。光子学和光子技术可以认为是从1960年激光器诞生才开始出现的一门新型科学与技术。电子学和电子技术是20世纪发展起来的科学技术，现已处于高度发展的水平，广泛的应用于社会各个领域，并且已渗透到日常生活之中，目前正由微电子学与技术向纳米电子学与技术、分子电子学与技术发展。光电子学作为这两个学科的交叉点是一门新兴的学科。关于光的电磁性质及其在介质中的行为，早在19世纪就已经用麦克斯韦（Maxwell）的经典电磁理论进行了研究，关于光的吸收和辐射，在1017年爱因斯坦（Einstein）就建立了系统的理论。但是直到20世纪60年代之前，光学和电子学仍然是两门独立的学科。

1960年世界上第一台激光器研制成功，这标志着光学的发展进入了一个新阶段。随后在对激光器和激光应用的广泛研究中，电子学发挥了重要的作用，光学和电子学的研究有了广泛的交叉，形成了激光物理、非线性光学、波导光学等新学科。70年代以来，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科（数学、物理、材料等学科）之间的相互渗透，形成了一个边沿的研究领域。为此需要引进一个名词来覆盖这一非常广泛的应用研究领域，学术界曾经使用的名词有电光学（Electo-optics）、光电子学（Optoelectronics）、量子电子学（Quanumelectronics）、光波技术（LightWaveTechnology）、光子学（Photonics）等【1】。随着时间的推移，现在用的较多的名词是“光电子学（Optoelectronics）”和“光子学（Photonics）”。光电子学沿用电子学的有关理论，主要研究有光参与的电子器件和系统。光子学是把光子作为信息的载体和能量的载体来研究，包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测等。事实上，光电子学和光子学其本质是一致的，只不过其强调的重点不一样，光电子学强调电子的作用，光子学强调光子的作用。

2.光电子技术的应用

光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息处理等。光电子技术应用涉及范围极其广泛，包括天文、地理、物理、化学、计量、生物、医学、工业、农业、军事等各个领域。目前其应用已进入到家庭。

2.1办公现代化设备的应用

办公现代化设备主要是随计算机迅速普及而发展起来的高技术产业, 各国厂商正在竞争中不断开发新一代产品。美日的苹果、兄弟、惠普、佳能、富士通、数据产品、国际商用机器等30余家厂商的主攻产品是激光打印机，推出了几十种高中低档产品。激光打印机兼负现代文书和管理文件打印、轻印刷系统和台式出版系统的排版任务, 配合计算机的一部分功能, 是各国众多公司竞相发展的热门产品之一。随着微机日益普及, 我国对作为重要外围设备之一的激光打印机需求量正迅速增长。目前国内市场的激光打印机均为进口或国内组装产品, 尚无国产。2.2 材料加工的发展

在工业先进国家, 激光加工的地位很高,衡量一个国家工业生产效率及其在发达国家中的位置, 很大程度上取决于其工业用激光器的制造及其引入生产的进度。激光焊接、打孔、切割、微加工等多方面工业应用, 效益同样非常可观。这些方面在国外加工中占据主要地位, 由于国内材料加工业的技术改造资金来源受体制影响有极大困难, 因而没有形成有影响的产业, 只有通过体制改革发展我国的激光材料加工业。

2.3 激光医学应用

激光在医学中的应用是众所共知的具有最好社会效益和经济效益的热门应用。国外激光医疗器械朝着眼科治疗、显微手术、微血管吻合、血管阻塞疏通等高精细手术装置发展, 而国内生产单位仍固守体表治疗、激光针灸和穴位治疗、气功信息治疗等具有中医特色的简易激光器械生产, 高精细手术用的激光器械, 或因销售情况不佳, 或因技术条件不足, 或因资金较为困难, 没有产品上市, 市场只好拱手让给美日厂商，国内的激光医疗器械市场极大的。

2.4 通信、存储领域中的应用

光电子技术在这类热点应用中潜力很大, 如通信、存储、条码扫描、质量检验、全息照相、激光刻蚀和绘画、娱乐设备等, 都充当了重要角色。激光和光电子在其它消费类应用中的份额, 在世界市场上也呈逐年增长的趋势。

2.5 矿井安全中的应用

随着光电技术, 尤其是光电子器件的发展, 红外型传感器用于各种危险场合气体成分的检测已逐渐成为现实。红外线瓦斯传感器工作稳定, 可满足不同地点、不同精度的要求, 并且易维护, 使用寿命长, 适应性强。光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点, 如灵敏度高, 响应速度快, 动态范围大,防电磁干扰, 超高绝缘, 无源性, 防燃防爆, 适于远距离遥测, 体积小, 可灵活柔性挠曲等, 很适于在恶劣和危险环境中应用, 因而得到广泛重视。分布式光纤传感利用光导纤维具有的传输双重特性,实现对待测场光纤分布的多点甚至连续点测量,以达到取代多台独立点传感器的目的。

3.光电子技术研究的几个方向和热点

光电子技术不断地向前发展，特别是近年来，出现了很多新的发展趋势和研究热点。

3.1各种新型激光器的研究 激光器是光电子技术的核心，正是激光器的问世与发展促使了光电子学的兴起与发展。在光电子技术的发展中，激光器也得到了迅速的发展。近年来各种新型激光器的不断涌现，又为光电子学和光电子技术的进一步发展注入了新的活力。半导体激光器又称为二极管激光器，广泛地应用于各个领域，尤其是与计算机、通信技术和军事技术应用紧密结合，因此其技术和市场一直呈高速增长的趋势【2】，半导体激光器已经成为激光器的主流。量子阱超晶格人工改性新结构、新材料的出现及能带工程的成功应用推动了光电子器件和半导体激光器的发展，半导体激光器的研究向宽带宽、大功率、短波长以及中远红外波长发展。随着半导体激光器的发展，全固化固体激光器将以更优异的性能取代传统泵浦方式的固体激光器，成为固体激光器发展的主流。其他激光器如原子激光器的研究等也取得了进展。

3.2 硅基光电子技术的研究 我们知道，硅和锗是微电子学中最重要的基质材料，在硅材料上发展起来的集成电路已对电子计算机、通信和自动控制等信息技术起了关键的作用。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、存储能力、处理能力提出了更高的要求。但是硅集成电路受到尺寸和硅质材料中电子运动速度的限制，很难满足发展的要求。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力。由于硅和锗都是间接带隙材料，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子，为了满足动量守恒定律，它只能通过发射或吸收一个声子，间接跃迁到价带顶。这是一种多体效应，跃迁几率很小【3】，因此硅和锗都是发光效率低的材料。为了克服硅材料发光效率低的问题，实现在一块硅片上集成电子器件和发光器件，也为了发展硅基光电子技术，国外研究人员进行了不懈的努力，为了提高硅（或锗）的发光效率，提出和研究了多种硅基发光材料，如掺铒硅、多孔硅、纳米硅、硅基异质外延、超晶格和量子阱材料等，并取得了一定的成果。Kimerling等人【4】采用标准的集成电路工艺，在SOI（Si-on-insulator）上将侧面光发射的掺铒硅发光管与硅波导集成在一起。Ksybeskov等人【5】和Hirschman等人【6】采用硅微电子制备工艺将双极晶体管和多孔硅发光管集成在一个硅片上。另据报道，英国的一个科研小组最近研究出了一种在室温下能发光的全硅的发光二极管（LED）。我们相信，将来有可能出现一种全硅的激光器。硅基光电子技术正向集成化发展。一旦实现了全硅光电集成，将对光电子技术其他方面的发展具有重要的意义。

3.3 有机聚合物光电子材料的研究 随着材料科学的发展，有机聚合物材料的日趋成熟，聚合物光电子学日益为人们所重视。据1993年I BM公司的Almaden研究中心报道，他们使用聚合物电光调制器和832nm半导体激光器实现了6个模拟电视信号的同时传输和接收，第一次在模拟信号传输中使用聚合物调制器并获得较高的信噪比。由于有机聚合物的合成、加工、器件制备方面相对容易、价格低廉，而且它们有相对低的介电常数，因而有更高的调制频率和较低的驱动功率，并且容易与半导体器件和光纤传输集成，具有响应性能快、非线性光学系数大等优点，引起了人们的广泛兴趣。聚合物热光开关的工作原理是这样的：当DC或A C电流通过薄金属层时，加热引起的聚合物的线性膨胀，使得聚合物的折射率降低。与电光开关的情况相比，热光调制引起的折射率要大得多，最高可以达到0.01。现在AKZONOBEL公司已经批量生产聚合物热光开关【7】。人们开展了聚合物超快全光开关的研究，并取得了一定进展。聚合物电光调制器在CATV、高比特网络、相阵列系统和计算机平行互联等方面的研究也取得了很大的进展。聚合物光电子材料的应用前景十分诱人。

3.4光互连、光计算技术的研究 在因特网迅速发展的今天，信息快速入网和出网的分派能力决定系统所传输的巨大信息量能实时利用的有效性。相对于光信息传输器件来说，光信息交换互连技术器件的发展不如光信息传输的发展快【8】，因此有必要加强对光交换技术的研究。光互连技术的内容主要包括光交换网络和电子计算机的光互连，这是在信息光学中最有广泛应用前景的研究领域。在光交换网络的光互连中，还应多研究在集成光学中的光波导交换开关、自由空间光学中的多级交换网络。在电子计算机的光互连中，还应多研究芯片间的自由空间和波导光互连，插件板之间的自由空间和波导光互连，多处理器之间的自由空间或光纤互连及并行计算机的光学总成等。以数值计算为目的的光计算研究分为专用性的光计算系统和通用性的光计算系统两大领域，数值的光学处理又分为模拟量编码和数字量编码两种。专用性计算系统主要包括以光学矩阵运算为主导的光学代数运算器通用的光计算系统的算法和体系，主要借助于已有的并行计算机的算法和体系。在光互连和光计算领域的研究方面，国外的研究人员已经开始研究在路由器中用全光学矩阵开关来取代原有的电开关，并在光计算方面也取得了进展。

3.5大容量光存储的研究

现代化信息社会对大容量、快速存取时间的存储系统有着日益增长的要求。传统使用的存储采用磁盘技术，这一技术发展相当成熟，磁盘的存储容量大（可以达到几十G）、存取时间短（0.1ms）、存储时间长并且可擦写。但是它遇到两方面的困难：一是尺寸限制，二是信噪比难以提高。传统的磁盘存储方法由于其存储素元难以进一步缩小，很难提高其存储容量了。而光盘作为存储介质和光子技术的使用，是大幅度提高存储容量的出路。光盘的存储量决定于记录介质写入位尺寸和写读斑的大小。采用短波长的半导体激光器，可以大幅度降低介质光斑的大小，提高存储容量。目前选用波长为780nm和640nm的激光器，采用复膜技术及双光头读写技术，已使存储容量达到数G b范围。为进一步提高存储容量，一方面使用更短波长的激光器并进行光斑压缩；另一方面，也可通过改变存储介质和存储方法来提高存储量。与此同时，发展新型的集成激光器面阵和高密度半导体低维结构高速空间光调制器也将促进高密度存储技术的发展。今年4月23日至25日在美国召开的“光学数据存储2001年会”上，日本的东芝、三菱电子、NEC等三家大公司同时报道了光盘单面存储密度为25～32GB的实验结果。近场光学存储，以超衍射分辨为特征，从根本上克服了点存储的密度极限限制，无疑是光盘存储的重要发展方向。其技术难点集中在近场距离的控制上，通过适当的技术手段，保持头盘间距能够限制在近场范围之内，近场存储就有望成为下一代盘式存储的主要技术手段【9】。

3.6生物医学中的光电子技术

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一，也是光电子技术的一个重要应用领。近年来，生物医学中的光电子技术研究十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。目前，生物医学中的光电子技术研究的主要内容包括两个方面：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用，利用光电子技术对生物系统进行检测、治疗、加工与改造等。二是医学光电子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像技术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究。

参考文献

【1】殷一贤。关于光电子学与光子学【J】。激光杂志19 98，1 9(1)：12 0。【3】陈维德。21世纪的光学和光电子学讲座（第二讲）：硅基发光材料和器件研究 【J】。物理，2000，2 8(12)：74 1-745。

【4】Kimerling LC，Kolenbrander KD，MichelJetal。SolidStatePhys，19 97，5 0：3 33341。【7 】Keil N，Yao H，ZawadzkiC。Integrated Photonics Research【Z】。1998 Technical DigestSeries，Canada ：Vactoria。353-355。

【8】吴荣汉。21世纪的光学和光电子学讲座（第三讲）：信息网络与半导体光电子学【J】。物理，2000，29(1)：45-49。【9】孙利群，章恩耀，王佳等。基于近场光学超衍射分辨力的高密度光存储【J】。光电子·激光，2001，12(6)：646-652。