光电子信息产业发展.doc

光电子信息产业发展内 容 摘 要光电子信息产业是世界各国竞相发展的战略高技术产业，也是我国有条件率先实现突破的高技术产业领域，光电子信息产业的发展关系到我国能否抓住高技术产业革命的机遇，能否迅速提升我国的技术4创新能力，能否实现生产力发展的飞跃。课题从全球光电子信息产业竞争的视角，对中国光电子信息产业发展战略进行了比较深入、系统的研究。首先，课题全面、系统分析了光电子信息产业沿革与发展趋势。课题从20世纪以来人类社会科学革命、技术革命和高新技术产业革命的高度，研究了光电子信息产业产生和发展的社会历史背景，剖析了信息技术和产业从电子到微电子、再从微电子到光电子的变迁历程及其内在必然性，提出光电子信息产业是信息社会的主导产业之一；从信息社会的信息存储、传输、显示、处理、获取等各环节技术变革的角度，论证了光电子信息技术对信息技术和社会信息化的革命性影响。课题准确抓住光电子信息产业在高新技术产业革命中的战略定位，研究了光电子信息产业对社会经济发展的重大意义，包括对国民经济支撑的战略性和先导性、对传统生产方式变革的创新性和革命性、对传统产业提升和其它产业发展的驱动性和渗透性以及对提高中国在全球产业分工地位的突破性和跨越性等，提出了发展光电子产业是我国必须抓住的战略机遇。其次，课题研究了光电子信息产业发展规律与各国（地区）的政策及做法。课题深入研究了光电子信息产业发展的重要规律，分析了其生产方式的新特点。光电子产业是典型的知识型产业，具有与传统产业不同的生产方式，在产业的驱动因素、市场特点、生产布局、投入与产出等方面具有与传统产业诸多不同的特点和规律，课题对这些方面的特点和规律进行了深入的研究和概括。在此基础上，进一步分析了美国、日本、欧洲以及中国台湾等国家和地区发展光电子信息产业的政策、做法及经验。再次，也是课题研究的重点，提出了中国光电子信息产业的发展战略，包括战略目标、重点领域、创新体系。课题从提升信息产业全球竞争力的角度，研究了世界及我国光电子产业发展的现状及特点，从我国国民经济发展的需求以及光电子产业的现状出发，提出了中国光电子信息产业发展的战略目标、思路和重点。从全球光电子产业发展的角度，剖析了激光、光通信、光电显示、光存储、数字影像、半导体照明等六个重点领域的技术、产业发展趋势及竞争态势，相应提出了全球竞争条件下各领域的发展思路。课题抓住技术创新是光电子信息产业发展的主导因素这一特点，研究了光电子信息产业对国家（区域）创新能力提升的驱动作用，提出我国光电子信息产业自主创新的主要目标及思路，提出了创新体系建设的框架及重点内容。最后，也是课题研究的着力点，提出了发展光电子信息产业应采取的一系列重大举措。从国家意志和政府职能的角度，确立光电子信息产业战略高技术产业的地位，予以重点支持；推进制度创新，创造光电子产业跨越式发展的制度条件；组织实施一批重大工程和产业发展专项，加速提升技术创新能力，推动产业发展；加强基础研究，促进光电子信息产业可持续发展。从产业组织方式创新的角度，以国家光电子信息产业基地（园区）为主要载体，培育光电子信息产业集群和创新集群，提升其全球分工中的地位；加强企业的联合与协作，促进企业并购重组，促进产业技术联盟发展。从光电子信息产业生产方式创新的角度，实施技术标准战略，掌握产业发展主导权；创新金融市场，快速集聚产业资本等，促进以技术创新为主导的生产方式的形成。关键词：光电子信息产业 战略高技术 自主创新 发展战略 对策 目 录1第一篇 光电子信息产业发展沿革与趋势 11 光电子信息产业及形成过程 111 光电子信息产业的内涵及分类 312 光电子信息产业的形成过程和发展阶段 3121 光电子信息产业的形成过程 7122光电子信息产业的发展阶段 102 光电子信息产业：信息社会新的主导产业 1021 电子技术的发展与信息时代的发端 1222 微电子技术的发展与人类信息时代的来临 12221 微电子技术的发展与人类信息时代的来临 12222 微电子技术发展的特点及面临的局限 15223 微电子产业仍是今后一段时期信息技术的主导产业 1723 光电子技术是信息产业的核心技术之一 17231光电子的技术特征 18232光电子技术：信息技术的新支柱 1924 光电子信息技术与高新技术产业革命 2225 光电子信息产业对国民经济发展的战略意义 29第二篇 光电子信息产业发展规律与各国政策 293 光电子信息产业发展的重要规律 2931光电子信息产业的技术创新规律 3532 光电子信息产业的市场规律 3833 光电子信息产业的生产布局规律 4034 光电子信息产业的投入与产出规律 444 世界各国和地区发展光电子信息产业的政策及做法 4441美国发展光电子信息产业的政策及基本经验 4542日本发展光电子信息产业的政策及基本经验 4743 欧洲及中国台湾发展光电子信息产业的政策及基本经验 4844 几点启示 51第三篇 中国光电子信息产业发展战略 515 中国光电子信息产业发展的战略目标和重点 5151中国光电子技术和产业发展的现状及问题 5552 面临的机遇与挑战 5953 中国光电子信息产业发展的指导思想、基本思路和战略目标 6354 中国光电子信息产业发展的重点领域 696 中国光电子信息产业发展的重点领域分析 6961 光电子信息产业发展概况 7262 激光 73621激光应用系统 74622激光器市场 77623 全球及国内的主要厂家 78624激光技术及产业发展趋势 8063光通信 81631 光纤光缆 86632 光传输设备 89633 光电器件 9364光电显示 93641 光显示技术的种类及产业规模 95642光显示产业的地区分布 95643液晶显示技术及产业 99644等离子显示（pdp）技术及产业 101645有机电致发光显示（oled）技术及产业 10365光存储 10466数字影像 104661 数字影像产业发展基本情况 106662图像传感器 110663数码相机 114664可拍照手机 11667 半导体照明 11868 软件 1207 光电子信息产业对区域创新能力驱动及创新体系建设 12071 光电子信息产业与国家（区域）创新能力 120711 战略高技术产业对国家创新能力驱动的一般分析 128712光电子信息产业对区域创新能力驱动的实证分析 13472中国光电子信息产业的自主创新模式 134721中国高新技术产业发展的主要模式分析 137722开放条件下自主创新中国光电子信息产业发展模式分析 14373 中国光电子信息产业技术创新体系建设 1478 中国光电子信息产业发展对策 14781 确立光电子信息产业战略高技术产业的地位，予以重点支持 14982 推进制度创新，创造光电子产业跨越式发展的制度条件 15383 实施一批重大工程和产业发展专项，加速推动产业发展 15684 加强基础研究，促进光电子信息产业可持续发展 15885 培育光电子信息产业集群，提升全球分工中的地位 16186 加强企业联合与协作，促进企业并购重组，促进产业联盟发展 16487 实施技术标准战略，掌握产业发展主导权 16788 创新金融市场，促进技术创新，集聚产业资本 171主要参考文献 第一篇 光电子信息产业发展沿革与趋势1 光电子信息产业及形成过程11 光电子信息产业的内涵及分类光电子信息产业是指运用光电子学原理，利用光电子技术，研究、开发、生产、销售各类光电子信息产品的供需行为及经济效益行为的总称。光电子信息产业的概念是在信息技术革命、光电子信息技术飞速发展并在实践中广泛应用和渗透中逐步形成的，其内涵随着实践的发展而不断充实和丰富，其外延则不断扩展。在20世纪90年代以前，由于光电子产品市场规模较小，应用范围还不广，还没有形成光电子产业的概念，光电子产品从属于电子产业；20世纪90年代，由于光电子产品市场规模不断扩大，应用日益广泛，形成了光电子产业的概念。特别是美国、日本等国家认识到光电子这一新兴产业的广阔发展空间，并提出要把光电子产业作为高技术产业发展的重点之后，全球范围内形成了发展光电子产业的热潮，光电子产业这一概念也为人们广泛接受，这时光电子产业包含信息光电子、能量光电子和消费光电子等领域；到20世纪90年代末，人们深刻地认识到光电子信息技术将成为信息社会的支柱，由此形成了光电子信息产业的概念，开始把光电子产业叫做光电子信息产业，光电子信息产业的范围不只是信息光电子领域，还包括其它所有的光电子产业范围，以及与光电子技术和产品相关的软件、信息服务等行业。当然，并不是所有的光电子产品（系统）都是严格意义上的信息产品，如激光加工系统、太阳能电池等，但是，一般仍把这些光电子产品包含在光电子信息产业的范畴之中。2001年以来，国家发改委、国家科技部、国家信息产业部等部门陆续在武汉、长春、西安等地建设若干个国家光电子信息产业基地、国家光电信息技术产业化基地、国家光电信息园等国家光电信息产业（化）基地，这标志着光电子信息产业在我国已经发展成为一个相对独立的产业领域。目前，光电子信息技术的应用领域十分广泛，光电子信息产业可以进行不同的分类。从产业链和产业功能上看，光电子信息产业可以分为光电子材料、元件、器件和装置，以及系统和应用。从应用领域上讲，也可以有多种分类方法，并且世界各国或地区的分类标准和方法也不断变化，相应的统计口径也不尽相同。如1994年，美国光电子工业协会（oida）发表了光电子技术发展指要的报告，将光电子技术及产业领域分为光电显示、光通讯、光存储、硬拷贝及其它。1997年oida在统计光电子产业市场规模时，又将光电子产业划分为光通讯、计算机与办公用品、消费与娱乐等三个主要领域。2000年来，日本光电子产业技术振兴协会（oitda）把光电子产业划分为光电子设备、光电子元件等两个部分，或分为通信、信息、能量等三大领域。台湾光电子科技工业协会（pida）按行业统计范围主要包括：计算机光电子外围设备（光资讯）、光通讯、光电材料与元件、光电系统应用、光学器件与元件等五大类。在我国，对光电子信息产业也有多种分类方法，比如，按应用领域分类，不少专家将光电子产业分为信息光电子、能量光电子、消费光电子、军事光电子、软件与网络等领域。光电子信息产业领域是不断变化的，随着光电子技术创新的发展，将会不断形成一些新的产业领域。本课题从我国光电子信息产业发展的现状与趋势出发，重点研究光电子信息产业的七个主要领域，即激光、光通信、光显示、光存储、数字影像、半导体照明以及相关的软件等，各领域的主要产品分别包括：（1）激光：主要为半导体、气体和固体激光器，以及工业、医疗、科研等领域的激光应用系统。（2）光通信：主要为光纤通信，包括光纤光缆、光传输设备和光通信器件。（3）光显示：主要是以液晶显示（lcd）、等离子显示（pdp）、有机电致发光显示（oled）等为主的平板显示器系统。（4）光存储：主要指光盘存储产业，包括cd-rom、cd-rw、dvd-rom、dvd-rw等光盘存储系统。本课题重点讨论光盘驱动器行业，而对以光存储为基础的激光视听与娱乐、光盘等产业不讨论。（5）半导体照明：半导体照明产业是半导体发光技术和传统照明产业相结合、采用发光二极管（led）作为新光源的新兴产业。（6）数字影像产业：主要包括数字影像输入、数字影像处理、数字影像输出、数字影像存储等产品。在数字影像的产业链条中，数字影像处理是中心环节，主要产品包括光电传感器、数码相机、可拍照手机、扫描仪、投影仪、摄影机等。（7）软件：任何一种光电子产品或应用系统，要有效实现其功能，往往需要相应的软件进行控制，使产品具备智能化的性能。因此，光电子产业的发展，还必须有相关的软件产业支持。12 光电子信息产业的形成过程和发展阶段121 光电子信息产业的形成过程光电子信息产业是在现代科学革命、技术革命、产业革命的基础上发展起来的，是高新技术产业革命、特别是信息技术革命的重要产物。20世纪上半叶的科学革命，特别是物理学的革命，建立了现代光电子学理论，使人们对光电子的认识发生了革命性的飞跃，并为光电子技术革命打下了基础。20世纪40年代到70年代的信息技术革命中，诞生了激光、光纤、光电传感器等一大批光电子关键技术，为光电子产业的形成打下了基础。从20世纪60年代开始的高技术产业革命，实现了光电技术的产业化及其在社会各领域的广泛应用，并使光电技术经过一系列的技术突破和技术创新之后形成了规模日益庞大的光电子信息产业。光电子信息产业发展，是与现代的科学革命、技术革命和高技术产业革命紧密相连的，特别是与微电子和软件、计算机、网络通讯技术的发展紧密联系，正是微电子、光电子、计算机、软件和网络通讯等新技术的有机融合、相互推进，把人类社会的发展带入了信息时代。当然，光电子产业的形成和发展，还与生产方式的革命，特别是与新经济、全球化的生产方式紧密相连。光电子信息产业的形成大致经历了以下三个基本过程：1光电子理论的建立和发展在19世纪末到20世纪上半叶，人类社会又发生了一次科学革命，这次科学革命以物理学革命为先导，以分子生物学、系统科学、软科学的产生为重要内容。光电子理论正是在这次科学革命中建立和发展起来的。光电子的理论形成是光电子技术发明、技术创新和产业发展的先导。在这次科学革命中，形成了以研究光电子的产生、运动及其转化规律的光电子理论，即光电子学。1900年，普朗克(mp1ank)提出量子假说，提出假定振子能量永远为h 的整倍数，其中为辐射频率，h为新的物理恒量(普朗克恒量)，并从理论上进行了论证，提出了辐射系统线性振子辐射场之间能量不连续的量子交换的概念，这一工作的创造性发展使他成为量子论的奠基者，其研究成果大大地丰富了现代物理学。1905年，爱因斯坦(aeinstein)在普朗克量子论的技术上，提出光量子论，并得出光电效应方程，即光量子的能量公式e=h及光电方程1/2 mv 2 =h-w。光量子理论采用普朗克的能量量子化观点解释了光电效应，提出了辐射的发射和吸收理论及受激发射的概念，用清晰的物理概念简洁地给出了受激发射与自发发射、吸收系数三者之关系，即著名的a、b系数，为对当今世界产生巨大影响的激光技术的诞生提供了理论基础。1915年，美国物理学家密立根，花了十年时间成功完成了著名的“光电效应”实验，证实了爱因斯坦光电方程，并测定了普朗克常数h值，测定的h值与理论值完全一致，由此证明了“光量子”理论的正确。至此，爱因斯坦的光电子理论经实验检验后才得到人们的承认。爱因斯坦因发现光电效应的规律，即爱因斯坦光电方程而获得1921年的诺贝尔物理奖。密立根由于对光电效应进行了检验和研究，获得了1923年的诺贝尔物理学奖。现代物理学的发展和光电子理论的建立，为光电子的重大技术发明、光电子信息产业的形成奠定了理论基础。由于电子与光子是一对极为重要的各具特点但可以类比的微观粒子，有着极为类似的发展规律，因此，光电子理论又被认为是光学（photonics）与电子学（electronics）相互结合而形成的一门新兴交叉学科，是研究光子或电子作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。2光电子的重大技术发明和技术突破20世纪上半叶的科学革命，引发了开始于20世纪40年代的现代技术革命。在这场技术革命中，诞生了光电子技术。光电子技术主要是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，是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术。一般认为，光电子技术的发展是从1960年激光器的发明开始的。光电子领域的关键技术和器件包括激光器、光纤、液晶显示器、电荷藕合器(ccd)、发光二极管(led)等，特别是激光器，是整个光电子产业的核心。正是这些核心技术和器件的发明，奠定了整个产业发展的技术基础，引发了信息的存储、传输、处理、显示、获取等技术的革命。当然，集成电路和软件、计算机、网络通信的发展对整个光电子产业的发展也很关键，光电子产业的每一次重大技术突破，几乎都与这些行业的技术进步相关。20世纪光电子领域的重大技术发明和技术突破有： （1）激光器1957年托温（charles townes），戈登（james gordon）和宰泽（herbert zeizer）首次制造了受激微波发射放大的器件。1960年马曼（theodore maiman）制造了第一个固体红宝石的激光器，但使用寿命不到1秒。1961年豪尔（robert hall）制造了第一个半导体激光器，室温下工作时寿命只有几小时。1977年，贝尔实验室研制成功室温下外推寿命为100万小时的gaalas半导体激光器。具有实用价值的激光器解决了光通信、光存储等技术的光源问题。1993年，蓝色激光二极管诞生，为半导体照明、新一代dvd光存储的发展奠定了基础。（2）光通信1960年华人科学家高锟（charles k kao）首次公开发表研究报告，提出光导纤维能够实际应用于通信的可能性。1970年莫爱（robert maurer）在康宁公司（corning）领导的一个小组设计和制造了耗损为20db/km（相当于同轴电缆的水平）石英光纤。1974年贝尔实验室的马查尼（john mac chesney）和他的同事发明了制造低耗损光纤的方法，称为化学气相沉积法(cvd)，光纤耗损降低到1db/km。1976年贝尔实验室在佐治亚（georgia）的诺克罗斯（nor-cross）进行了多模光导纤维系统现场测试。1987年发明了掺饵光纤放大器（erbium doped fiber amplifier, edfa），实现了用廉价的光纤放大器替代长距离光纤通信中复杂昂贵的光电光混合式中继器。1988年，美国铺设成功横跨大西洋的tat-8海洋光纤通信系统，总容量为32万个双向话路，为全球通讯创造了便利，是全球通信和网络发展的里程碑。（3）光显示1968年美国rca公司科学家g h heilmeier根据动态散射效应，将液晶做成显示器，液晶显示器(liquid crystal display，lcd)诞生。1984 年，欧美提出超扭曲向列（st n-lcd）和薄膜式晶体管型（tft-lcd）技术。80 年代末，日本开始大规模生产 stn-lcd。1993 年，日本开发出 tft-lcd 大规模制造技术。液晶和等离子(pdp)显示技术被称为取代阴极显像管的第二代显示技术。1987年美国柯达公司的华人科学家邓青云博士发明了有机发光显示技术 (organic light emitting diode，oled)，它与液晶相比有超薄、超轻、广视角、自发光、高清晰、低能耗，尤其是制造成本低、可以实现柔软显示等优点。因此，oled被称为第三代显示技术。（4）光存储20世纪60年代激光器发明后，荷兰飞利浦公司以及日本索尼公司开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年，飞利浦研制成功激光视盘系统（ld，laser vision disc），1978年投放市场，但由于事先没有制定统一的标准，价格昂贵，限制了市场推广。1982年，飞利浦公司和索尼公司共同制定了cd数字音频（compact disc digital audio，即cd-da）红皮书（red book）标准，同年10月相应的激光唱片系统投放日本市场。1983年，飞利浦公司和索尼公司在红皮书标准基础上进行扩充，发表cd-rom的黄皮书(yellow book)标准，利用cd-da作为计算机的大容量只读存储器，使各种类型数据都能存放在cd-rom上。此后，伴随光存储技术的进步，光存储设备不断有新成员加入，相继提出了cd-r、cd-rw、dvd-rom、dvd-rw、dvd-ram等一系列光存储的标准。1991年，飞利浦公司推出了世界上第一台计算机光驱。（5）光传感与数字影像技术1960年，科学家发现互补金属氧化物半导体（cmos）材料具有感光性，1963年美国无线电公司制成金属氧化物半导体场效应管芯片，1968年又制成cmos集成电路，cmos开始应用于图像传感。1969年，美国的贝尔电话研究所发明了电荷耦合器（ccd）。cmos/ ccd能够将“光”信息转换成“电”信息，是航空摄影设备、数码摄像机、数码相机、可拍照手机、监控系统的核心部件。（6）半导体照明1962年首只gaasp（镓砷磷）红光半导体发光二极管（light emitting diode，led）诞生。1965年推出全球第一款商用化发光二极管(led)，led开始进入实用阶段。1968年，利用氮掺杂工艺使gaasp器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。但led在长时间内主要应用于收录机、家电的电源指示灯以及音响面板的背光源。1993年，第三代半导体材料氮化镓获得突破，日亚化学工业公司员工中村修二发明了具有亮度高、耗电少的蓝光二极管，随着蓝光二极管的诞生，使红、绿、蓝三种基色的半导体元件已均能生产，至此，半导体照明得以进入日常照明这一照明领域的主阵地。此外，由于蓝色激光波长短，使用蓝色激光的新一代光盘 ( 新一代 dvd) 将具有上一代光盘 5 倍以上的存储容量，因此蓝光二极管被称为“世纪发明”，是 21 世纪光电子学的核心技术之一。3光电子技术的产业化及产业形成光电子信息产业是建立在光电子领域的一大批技术发明、技术突破以及技术产业化的基础上的。技术创新是光电子产品走向市场、光电子产业形成的关键，通过不断技术创新，形成了适应市场需求的一系列的光电子产品和应用系统，促进了光电子技术在信息、能量、材料、航天航空、生命科学和环境科学等领域的广泛应用，形成了多个应用领域，由此逐步形成了光电子产业。并且随着技术进步以及光电子技术在其它行业的广泛渗透，还将会形成一批新的产品和产业。光电子技术的应用，首先是形成了一系列的产品（元件）和应用系统。早期的光电子产品包括激光器、发光二极管、光纤光缆、光电器件等，在这些产品的基础上形成了光通信、光存储、光显示、半导体照明、激光加工、激光医疗等应用系统。光电子产品（元件）的技术创新和技术进步，对光电子产业的形成具有极强的推动作用，但系统技术也十分重要。系统可以直接满足市场的需要，满足社会发展的需要，系统发展了，又会反过来促进元件的发展。光电子产品（元件）具有鲜明的特点，这是光电子产业特性的基础，也是光电子能够形成相对独立产业的基础。“光电子产品”与传统的“电子产品”有本质不同。传统的电子产品都是以电子作为信息或者能量载体，如录像机、收音机、广播电视发射机、传统的电子计算机、工业用电子束蚀刻机、医学用电凝固治疗机等；光电子产品是以光子或光电子作为信息或能量载体的、以光电子技术为主导的产品，如光纤、光电器件、激光器、显示器、数码相机、可视电话、dvd、扫描仪、光复印机等。正是光电子产品和系统的不断发展壮大、应用的不断深入，逐步形成了光电子产业。122光电子信息产业的发展阶段上面论述了光电子产业的形成过程。20世纪80年代以前，光电子产业的规模很小，只是电子产业的一个分支。进入80年代后，才逐步从电子产业中独立出来，成为产业特性很突出的新型产业。光电子信息产业的发展过程，大致可分为几个阶段：一是20世纪60年代，是光电子产品诞生和应用的初期。60年代是光电子技术发明的高峰，原始性的技术发明层出不穷。光电子主要的原始技术发明，大都产生在20世纪60年代，包括激光器、光纤、液晶显示器、电荷藕合器(ccd)、发光二极管(led)等原始技术发明。这些重大技术往往一经发明，就开始了相关的产品开发和应用，如1960年发明了激光器，1961年就诞生了激光测距机，随后激光制导武器、激光致盲武器等相继研制成功并投入应用。二是20世纪70年代，是光电子重大技术突破层出不穷，光电子产品开始进入市场的阶段。这一阶段标志性的成果有低耗损光纤的实现、半导体激光器和ccd技术的成熟，光电子产品开始进入实际应用领域。20世纪60年代，光电子领域出现了一些重大发明，尽管这些发明具有划时代意义，但是离实际应用却还有相当的距离。如当激光器发明的时候，只能在脉冲状态下工作，不能连续工作，并且工作时间很短，只有几分钟甚至不到1秒钟，一般要求在零下200度的条件下才能工作几个小时，还不具备实用价值；光纤发明后，光传输的耗损率太高，同样也没有实用价值。其它的技术发明如液晶显示、ccd、光存储等，从发明到实用，都经历了一系列的重大技术突破，主要有美国贝尔实验室在1970年夏季研制成功室温下连续运行的半导体激光器，解决了光通信的光源问题；同年，美国康宁公司首先研制成功衰减为20db/km的光纤；此外，还有荷兰飞利浦公司的光存储技术、日本索尼公司的ccd技术，都是经过长达五六年甚至十多年的研发和攻关之后，突破了一个又一个的障碍，才试制出具有实用价值的样品。三是20世纪80年代，是光电子技术产业化的高峰，光电子技术在各行各业开始广泛应用和渗透。在这一阶段，各种光电子技术进入成熟、实用阶段，一大批光电子产品，如数码相机、激光唱机、数码摄像机、tftlcd显示器等新产品进入市场。这一阶段，光电子产业渐渐形成了一定的规模，到1990年，全球光电子信息产业规模大约为174亿美元，其中光存储（主要是激光视盘系统）60亿美元，光通讯20亿美元，激光应用系统30亿美元。光电子信息产业的整体规模不大，但比1980年增长了10多倍，渐成了气候。四是20世纪90年代，是光电子技术广泛渗透、产业规模迅速扩张的阶段。这一阶段，光电子技术进一步成熟，价格大幅度下跌，再加上计算机和网络通信技术的飞跃，光电子产品全面进入千家万户。到2000年，光电子产品销售收入达到1699亿美元，其中光通信459亿美元，光存储350亿美元，平板显示296亿美元。整个产业规模比1990年增长8.8倍，但由于价格的大幅度下跌，主要产品的销售量呈几十倍、上百倍甚至几百倍的增长，产业规模迅速壮大。20世纪90年代光电子信息产业的增长情况见表1-1。表1-1 19902000年全球光电子主要行业销售收入及增长倍数 单位：亿美元 19902000增长倍数统计口径（主要产品范围）光电元器件221757.0发光与受光器件，包括激光二极管、发光二极管、ccd/cmos等平板显示1529618.7液晶显示器、led显示等光输入输出272809.4扫描仪、激光打印机、复印机、数码相机等光存储603504.8光驱、光盘、唱片、影碟等光通讯2045922.0光纤光缆、光传输系统、光电器件激光应用系统301403.7激光器、工业及医疗激光系统等合计17416998.8资料来源：课题组根据pida(2003)、oida（1994）的历史资料及课题组的分析研究整理。由于光电子信息产业的发展，其统计口径也在不断调整。本课题对光电子信息产业的分类与统计标准与pida、oida有差异。例如，本课题的光存储产业中，没有包括光盘产业，特将pida的统计口径注明。为了分析过程中的可比性，在本表中采用pida的统计口径。 2 光电子信息产业：信息社会新的主导产业在不同的经济时代，起主导作用的生产要素是不同的。在农业经济时代，起主导作用的生产要素是劳动力、土地以及土地质量、气候等要素；在工业经济时代，起主导作用的是资本；而在信息时代，信息则成为一种基本的生产要素，信息产业成为社会发展的支柱。信息社会是随着电子技术和产业的产生而到来的，随着社会信息化进程的深入，光电子技术和产业的地位日益突出，正在成为继微电子之后，信息社会的又一支柱。信息技术的发展，经历了电子技术、微电子技术和光电子技术三个发展阶段。19世纪末、20世纪初以电子管为基础的电子技术和无线电技术为信息技术的第一个发展阶段；第二次世界大战以后，以晶体管和集成电路为基础的微电子技术为信息技术的第二个发展阶段。目前，信息技术发展进入了光电子发展阶段，在信息的处理、传输、存储、获取、显示等环节，光电子技术的作用日益重要，光电子技术正成为信息社会的主导技术之一。20世纪中叶以来，信息科学技术迅速发展，微电子成为信息的载体，在信息的获取、传输、存储、显示、处理等信息技术处理的主要环节获得了巨大的发展，微电子技术的进步为信息社会的发展作出了巨大贡献。但是，在电子信息技术经过20世纪下半叶的高速发展后，作为信息载体的电子，其进一步发展无论在速度、容量及空间相容性上都受到了限制，而光电子作为信息、能量的载体则显示出无可争辩的优越性。因此，随着人类全面进入信息时代，全球信息量的增长速度已经越来越快，面对处理、传输、存储超高信息容量的需求，光电子技术将同微电子技术一样，成为信息社会的主导技术之一；光电子再经过一段时期的技术突破、技术创新，并更深入地向其它产业的扩散、渗透之后，光电子信息产业必将与微电子产业一起，成为信息社会的主导产业。21 电子技术的发展与信息时代的发端人类进入信息社会，是从电子学的诞生、电子技术发明并应用于信息处理开始的。19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦（maxwell）提出了电磁波理论，电子理论开始逐步建立。1888年，德国科学家赫兹发现了电磁波，也证实了光其实是电磁波的一种，并且制成电磁波发生装置，由此产生了无线电技术。但是，麦克斯韦、赫兹等科学家并没有意识到他们的理论和技术能够应用于信息的传递，把人类带入信息时代。1876年美国人贝尔（bell）发明了有线电话，19世纪末意大利人马可尼（marconi）、俄国人波波夫(bobov)等人发明电报，把无线电波应用于通信。马可尼于1897年将无线电技术实现商用，在伦敦建立了无线电电报公司，1901年实现了跨越大西洋的无线电联络。从这以后，人们开始认识到电子或电磁波可被用作为一种携带信息的载体，实现人们远距离的通信联络。电话和无线电发明之后，人们越来越意识到信息在社会中的重要作用。电子技术在20世纪初期得到较快发展。1904年英国科学家弗来明（john ambrose fleming）发明真空管和二极管，揭开了电子电路的设计阶段，产生了新兴的电子产业，推动了无线电电子学和无线通信的发展，加快了信息的传递，标志着人类开始进入电子时代。电子管的发明，产生了无线电、电视机、录音机等一批电子产品，这些产品广泛应用到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。此外，这些电子产品还应用于电话放大器、海上和空中通讯，就连飞机、雷达、火箭等20世纪上半叶的一些重要发明和进一步发展，也离不开电子管。1946年，美国宾夕法尼亚大学研制成功的世界上第一台大型数字电子计算机，使用了17468个电子管，每秒能执行5000次加法运算。随着电子学和电子技术的发展，人们开始更深入地认识信息的本质，并把信息转化为智慧和知识，信息正成为成为一种新的生产要素，极大地提高了劳动生产率。在20世纪40年代，维纳和申农以及同期的其他科学家创立了信息科学。1948年，维纳（weiner nobert）在研究人与机器的通信后，提出了控制论，指出“信息既不是物质，也不是能量，信息就是信息”的不朽论断，并从理论高度对信息的本质进行了阐述，信息成了独立的科学研究对象。另一位信息论奠基人申农于1948年发表了“通信的数学理论”，提出了著名的申农公式，解决了信息度量问题。这为以后信息资源学说、数字化革命、信息技术的扩散、数字化产业的兴起奠定了基础。从此，人们逐步认识到，信息与物质、能量一样，也是构成世界的基本要素。如同人类对物质、能量的研究探索没有止境一样，人类对信息世界的探索和研究、利用也不会有止境。随着人类社会信息化进程的深入和信息技术的广泛应用，在促进经济增长的因素中，信息因素（包括知识）的作用日益重要。但是，电子管十分笨重，存在着许多局限，主要是能耗大、废热多、易破碎、寿命短、可靠性低、噪声大等,制造工艺十分复杂,影响了电子技术在各行业的应用。22 微电子技术的发展与人类信息时代的来临221 微电子技术的发展与人类信息时代的来临针对电子管技术的缺陷，寻找更精巧、更可靠的设备，成为一个世界性的研究热潮。在此背景下，微电子技术和微电子学应运而生，二次世界大战以后微电子技术的发展带来了信息技术的一次重大飞跃。微电子理论和技术是在晶体管发明后产生的。1947年美国贝尔电话实验室的巴丁（john bardeen）、布拉泰丁（walter h brattain）和肖克莱（william b shockley）发明了晶体管，它能够替代真空电子管更好地实现各种电子功能操作，从此实现了从电子管到晶体管这一电子技术发展史上的一次飞跃，这标志着电子器件向小型化发展。晶体管的发明结束了电子管时代，使电子器件的体积和功耗有了极大的缩小和降低，同时也使电子回路甚至信息系统的关键部件有可能在一块半导体晶片上实现集成化。晶体管的发明还诞生了固体电子学和微电子学，微电子学的发展又把电子技术和信息技术推进到一个空前未有的新高度。1958年，美国工程师基比尔在一个半导体材料锗的基片上成功地研制了晶体管、电阻、电容等，并在基片上将这些元件连接在一起，构成了一个完整的电路，这便是世界上第一块集成电路，集成电路的发明成为电子器件向微型化方向发展的里程碑，推动了微电子技术的飞速发展，同时，也使电子技术的发展跨入了新一代电路的逻辑设计阶段。1966年大规模集成电路（lsi）和1975年超大规模集成电路（vlsi）的发明，将电子技术引向集成电路（ic）的系统设计与相关的软件设计阶段。微电子技术自产生以来，特别是自集成电路问世以来，其发展速度惊人。集成电路的发明开创了半导体时代，奠定了现代信息产业发展的技术基础。特别是自20世纪80年代以来，电子信息技术使我们能够方便地处理、传递、存储、读写信息，对人类的物质文明起到了巨大的促进作用。与其它科学技术发展的一般过程一样，微电子技术的发展也经历了三个阶段，即技术发明阶段、技术创新阶段和技术扩散阶段，或分别称为研究与发展阶段（rd）、成果转化阶段和工业化大生产阶段。222 微电子技术发展的特点及面临的局限微电子技术和产业是当今信息社会的支柱，对人类信息化作出巨大贡献，但是任何一项技术和产业的发展，都存在一个生命周期。微电子技术和产业虽然仍处于产业发展的上升阶段，还未达到顶点，但是也存在一个生命周期的问题，产业界对此已有充分的认识。1微电子理论已经成熟从微电子科学技术的发展历程看，微电子的理论进步和技术发明、实际应用相互促进，微电子的技术理论在20世纪70年代已经进入成熟阶段。从发展趋势看，信息技术理论的进一步发展，必须与光电子等新理论结合，才能获得更大的发展空间。2微电子技术重大发明主要集中在20世纪50、60年代从重大技术发明来看，微电子技术在20世纪40年代诞生后，经历了50年代、60年代的技术发明高峰。在这以后，虽然技术创新的速度很快，但是具有原创意义的重大发明越来越少。根据美国国家工程院评选的20项“20世纪最伟大的工程技术成就”中“电子器件大事记”的记载，自1947年晶体管发明之后，20世纪微电子技术领域最有影响的11项重大发明中，50年代的有5项，60年代的有2项，70年代的有2项，80年代的有1项。从发展趋势看，微电子技术必须与光电技术、纳米技术等新技术融合，才能得到进一步的发展。20世纪微电子领域最重要的技术发明见表2.1。3集成电路技术进步速度遵循“摩尔定律”从技术进步和技术创新的角度看，微电子技术产生以来，其技术进步一直遵循“摩尔定律”的速度，即每隔1824个月，集成电路上集成的晶体管的数量翻一番，性能提高一倍，同时价格下降一倍。摩尔定律揭示出了作为it硬件核心的集成电路产业的内在发展规律，即性能增长和成本下降两条曲线之间的紧密相关性。伴随着技术创新和技术进步，信息技术的信息获取、传输、存储、显示、处理等主要环节获得了巨大的发展，成为推动社会发展的关键技术；微电子学的技术成果也渗透到科学技术各个领域和社会生活各个方面，如通信是从无线电、微波到光纤，交换机从模拟交换机向数字程控交换，存储是从磁芯到集成电路存储、光存储等，运算是从电子管到大规模集成电路为基础的计算机等等，这一系列的技术升级都是以集成电路的进步为重要基础。从技术发展的阶段而言，目前正处于电子信息时代，信息的主要载体是电子，电子技术特别是微电子技术是信息技术的重要支撑。集成电路集成度的变化趋势见表2.2。不同年份集成电路主流技术变化趋势见表2.3。表2.1 20世纪微电子领域最重要的技术发明1947年贝尔电话实验室的巴丁（john bardeen）、布拉泰丁（walter h brattain）和肖克莱（william shoe kleg）发明晶体管；20世纪50年代锗应用于制造晶体管中的半导体，50年代后期，硅逐步取代锗，成为半导体材料；1954年晶体管收音机问世，且为当时销量最大的商品；1958年德克萨斯仪器设备公司的基尔比（jack kilby)发明集成电路；1958年诺伊斯（robert noyce）研制出微型且能可靠制造的集成电路；1958年控制数据公司（control data corp） 的克雷（seymour cray）研制出晶体管计算机；1961年硅芯片首次出现；1967年德克萨斯仪器设备公司制造出第一台使用集成电路的手持式计算器；1970年条形码系统创造出来；1971年英特尔公司生产4004通用型4比特微处理器，从此，微处理器开始向著名的286，386, 486生产线以及“奔腾”处理器过渡；1981年开发出32位的硅芯片。资料来源：课题组，根据美国国家工程院编，常平、白玉良译，20世纪最伟大的工程技术成就（暨南大学出版社，2002年5月）一书中的资料整理。表2.2 集成电路集成度的变化趋势195819601980199020002010集成度51010万1000万1亿10亿注：集成度系指每块芯片上所容纳的晶体管、电阻、电容等电子元件数量。资料来源：课题组，根据有关资料整理。2010年系指专家预测结果。表2.3 不同年份集成电路主流技术变化趋势（硅片直径、线宽）1974年1979年198619952000200420102014硅片直径、线宽2英寸10微米4英寸，3微米6英寸，12微米8英寸，035微米12英寸，018微米12英寸009微米18英寸005微米18英寸0035微米注：1微米（）=1000纳米（），或1微米（）=0001毫米(mm)资料来源：课题组，根据有关资料整理。2010、2014年系指专家预测结果。4微电子技术预计2015年左右达到极限尽管摩尔定律仍然还有一定的生命力，然而，随着时间的推移，摩尔定律面临着挑战，微电子技术预计2015年左右达到技术极限，主要原因有以下几点：一是物理尺寸上的极限。现有的硅芯片将在未来10年左右达到物理极限，其单个晶体管的大小将像一个原子那么大，这是一个真正的物理极限。二是漏电流。当“栅极”的长度小于5纳米（nm）时，将会产生隧道效应，即由于源极和栅极很近，电子会自行穿越通道，从而造成“0”、“1”逻辑错误。三是功耗和散热。因为处理器的功耗密度不可能无限地提高，尽管可以通过诸多方式来降低功耗，但都不可能从根本上解决这一问题。四是成本和经济性。几十年以来，集成电路集成度的提高依赖于日益巨大投资的支撑，新一代集成电路生产线的投资往往是前一代的好几倍，集成电路生产线的投资也呈几何级数增长。20世纪60年代，一条集成电路生产线投资只要几百万美元，80年代建一条6英寸08微米的生产线投资为2亿美元,90年代建一条8英寸035微米的生产线投资为10亿美元,而在2000年建一条12英寸018 微米的生产线,投资需要20亿美元。据推测,到2010年,建一条18英寸005微米生产线的费用,将高达几百亿美元，甚至上千亿美元，摩尔定律必须用更巨大的市场来达到其经济生产所要求的规模，而这是现在无法想象的事情。5微电子与光电子技术有机融合，是信息技术的发展重要方向实际上，随着信息容量日益骤增，电子作为信息的载体，其固有的局限性已使得电子技术难以完全适应未来高度信息化社会的需求。因此，人们一直在探寻新的技术路线，满足未来更大容量和更高速度信息处理的需要。20世纪70年代以来，快速发展的光通信、光存储和光电显示技术，使人们认识到了光电子技术的重要性和它的广阔发展前景。因此，光电子技术、纳米电子学等新的理论和技术的发展，必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把信息技术推向一个更高的发展阶段。223 微电子产业仍是今后一段时期信息技术的主导产业目前，微电子产业仍是信息产业的支柱，在今后一段时期内，仍将是信息社会的主导产业。尽管微电子产业有明显的市场周期，但仍有广阔发展前景。1微电子产业高峰要滞后于技术高峰尽管传统微电子技术的重大发明和技术创新面临着极限的问题，但这并不意味着微电子产业也马上达到极限，也不意味