光电子技术与产业的发展-v3课件

光电子 技术与产业的发展 倪家升 1015202009 2017/9/13 1 摘要 我国光电子技术的发展历程和光电子产业发展的现状 光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学技术持续发展中的巨大作用及其发展趋势 为加速建立和发展我国的光电子产业，必须抓住机遇，加强基础建设 2017/9/13 2 前言 光子学 Photonics(也称光电子学 )是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子的产生、运动及其转化的规律。 光子技术 (亦称光电子技术 )包括光子的产生、传输、控制和探测。 2017/9/13 3 光子学和光子技术的迅猛发展 光子学和光子技术在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光子产业 (亦称光电子产业 )的迅猛发展，而应用的热点则在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。 2017/9/13 4 光子学 &光子技术 Photonics 光子时代已经到来 ! 目前 ,国内外正掀起一股 “ 光子学 ” 的热潮，一些国家把大量资金投入光子学及光子技术的研究与开发。 许多以光子学命名的研究中心、实验室与公司如雨后春笋般地建立起来。 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为巨大的冲击，到 21世纪中期，我国光子信息处理器件产值规模和影响有望持平或者超过电子产业。 2017/9/13 5 光电子产业是 21世纪的支柱产业 展望未来，光子学与电子学将更紧密合作，互为补充，相互促进，把未来信息社会推向新的发展阶段，为人类美好的未来作出更伟大的贡献。 2017/9/13 6 光电子 产业 21世纪光电子科技和产业 光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着巨大的作用。 一些发达工业国家对光子学的发展给予充分的重视，纷纷将其列入国家科学技术发展规划并投入巨大财力。 2017/9/13 7 美国 美国政府已将光子学确定为国家发展的重点； 国防部和能源部把光子学列为当前 20项关键技术之一，把通信与计算机的未来研究与发展纳入光子学的范畴。 为此，已建立了若干个光子学技术中心，如以南加州大学为核心的美国 5所著名大学联合建立了光子工艺中心。 2017/9/13 8 德国、澳大利亚与日本 德国政府已确定光子学是 21世纪初对保持德国在国际市场上先进地位至关重要的九大关键技术之一。 日本早在 1981年通产省就雄心勃勃地联合 13家大公司投入 13亿美元组建了光子技术研究所。 澳大利亚集中 10个重要单位的力量成立了光子联合研究中心，重点开拓信息技术和新产品。 2017/9/13 9 21世纪将是光子的世纪 世界光电子产业总产值已经超过 5000亿美元，2014年全球光电产业总值为 5766亿美元。 20世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世纪。 2017/9/13 10 光电子产业在全世界的产值 2 1400亿美元1800亿美元4500亿美元0100020003000400050001998年 2000年 2010年2017/9/13 11 21世纪将是光子的世纪 现代信息技术的发展是与电子和光子学科与技术的发展密切相关的，光子作为信息和能量的载体，产生了 信息光子学和能量光子学 ; 信息光子学和能量光子学都在按自己的规律和市场需求向前发展，形成了一个现代光电子学科和光电子产业 ; 电子技术和光子技术 的相配合衍生的光电子技术是未来信息技术的核心并将在众多科学技术领域中起领军作用。 2017/9/13 12 光子 信息光子学 能量光子学 光电子信息产业是未来国际竞争的制高点 光电子信息产业是适应未来社会发展的战略产业。 作为信息和能量载体的光电子，在信息的光显示、光存储和激光上，已经形成了新兴的光电子工业，对人类社会的经济建设、社会变革、国家安全乃至整个社会发展起着难以估量的关键作用。 光电子信息产业是未来国际竞争的制高点 。 2017/9/13 13 光电子科学是 21世纪最尖端科学技术 光电子科学在科学技术的发展中起着巨大的推动作用；光电子科学技术涵盖众多学科与技术 ： 2017/9/13 14 光子学 光学和光学工程 电子学和 微电子技术 材料科学和技术 计算机科学技术 生命科学及技术 光子学在创造科学技术的最新记录 谁在光电子产业方面取得优势，谁就将在 21世纪的尖端科技中夺魁。 项目 内容 最大的功率、 能量密度 激光输出脉冲功率已经超过 13PW=l3X1015W;聚焦强度达 l05PW/cm2;可产生亿度以上的高温。能焊接、加工和切割最难熔的树料 最低的温度 激光冷却可将原子冷到 20nk，接近绝对零度 ;量子冷却到基态，为量于光学 和量于力学的实验研究准备了条件；量子计算机将是能力最大的计算机 最短光脉冲 在 780nm已产生 4fs脉冲，等于该波长光 1.5个周期进入强场物理领域 最密的 刻划 制造最小的光机电一体化设备；加工最小光学和机械零件从微米到几十微米，集成光机电一体化系统可小到几毫米 ;大规模集成线路的线宽已达 0.8um；已研制成功0.13um的集成电路 ; 最大的信息量 已达到 3T目标；通信传输容量已达 Tbit/s， 运算速率已达 Tbit/s，三维立体存储密度达 Tbit/cm3。 最保密的 通信系统 光量子通信是最安全的通信系统 ; 在常规的通信线路上进行量子保密通信，通信距离已达 55km 2017/9/13 15 光电子技术是军事上的主流技术 光电子科学技术使国防军事具有快速反应和准确攻击的能力，是国防军事现代化的重要支柱。近10年来规模较大的局部战争及其应用光电子技术的情况： 2017/9/13 16 1991年初的海湾战争 1991年初的海湾战争，以美国为首的多国部队首先用卫星上的光电遥感仪器获取了伊拉克和科威特境内的地面部署情报，战争中采用装备了红外前视仪和激光制导航弹的飞机进行夜袭，取得了惊人的效果。 2017/9/13 17 19951996年 的波黑战争 19951996年的波黑战争，其出动的飞机装备了夜间低空导航和目标侦察红外系统等光电装备构成对塞族的很大威胁。 2017/9/13 18 科索沃战争中的 光电子技术 前几年的科索沃战争，在战争中应用大量光电子技术，如用于武器控制的光电精确制导 (红外制导，电视制导，灵巧炸弹等 )，造成惨重破坏以上充分反映光电子高新技术的奇特威力。 2017/9/13 19 红外制导及灵巧炸弹 激光核聚变 激光核聚变不仅可以作为未来能源，它还有重要的军事应用价值。它可以模拟氢弹的爆炸过程，代替既费钱又不安全的空中或地下核试验，来改进核武器的性能。 2017/9/13 20 激光核聚变装置示意图 光电子科学技术与军事技术 光电子技术为军事提供既快又准的信息。目前激光致盲武器已装备部队，舰载和机载激光反导武器已开始走出实验室。战术防空和战区防御激光武器可望在 21世纪初初步达到实战要求。 光电子科学技术已经成为信息时代军事技术的一个重要支柱。 2017/9/13 21 激光热核聚变和激光对原子的冷却为物 理学提供了极端物理条件 激光热核聚变 2017/9/13 22 光电子产业是高新技术的支柱产业 光电子产业是 21世纪市场潜力巨大、产值迅猛增长的高新技术支柱产业。 光电子产业将成为 21世纪世界上最重要的产业之一，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。 近阶段光子学在下述 6个方向取得重大的进展，并展示其应用的光明前景，给21世纪光电子产业带来巨大发展潜力。 2017/9/13 23 (1),半导体超晶格材料和量子阱结构与器件 半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究得到了迅速发展。 例如使量子阱激光器的阈值电源电流密度已降到l0-4/cm2 量级，极大地降低了功耗 ;量子阱超晶格材料由于存在室温激子，使量子效应器件具有重要的非线性光学特性，据此可制作光开关、光存储、光逻辑等多种功能的量子效应器件。 2017/9/13 24 耦合式 GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构 (2),谐振量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射二维激光器的问世 由于谐振量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射二维激光器的问世使谐振腔理论和器件取得突破性的进展，可使在 lcm2的芯片上制作 100万个激光器成为可能。 2017/9/13 25 VCSEL （垂直腔面发射激光器） 垂直 2017/9/13 26 准直光束输出 内置 ALGaN/GaN分布式布拉格反射镜 量子阱 InGaN 激活介质 P-GaN Ti/Al/Au环接触 分布式布拉格反射镜 SiO2绝缘层 Ti/Aln-接触 电流传播层 垂直腔面发射激光器 其阈值电流可降至几十微安，这将完全改变目前激光器大体积、高能耗、低效率的状况，从而产生难以估量的影响。又如垂直腔面发射激光器列阵是光子学器件在集成化上的一个突破。 有利于发挥光子的并行操作能力，对光通信、图像信号处理、模式识别和神经网络、激光打印、光存储读 /写光源、光互连和光显示等方面起到从根本上改变面貌的重大作用。 2017/9/13 27 VCSEL的应用 ， 垂直腔面发射激光器是光通信中的一种深具潜力的固体激光源，被称为新千年最重要的光通信器件。 从光驱到多维光导网络，从 DVD播放器到动作感应装臵，从信息技术到工业生产乃至激光医疗等的应用中，VCSEL都能发挥出惊人的作用。 2017/9/13 28 (3),非线性导波光学 非线性导波光学的发展 在光纤通信上导致几项重大成果 : 掺稀土光纤放大器 光纤孤子通信 高密度波分复用 (DWD)技术 利光纤光栅技术 采用上述技术的光通信系统，传输速率可达 100Gbit/s以上，将加速全球信息高速公路的实现 2017/9/13 29 光波导光束分离 (4),光子晶体和光子材料 最近光子晶体和光子材料有了新进展和新突破； 用光子晶体可制成各种光子控制器件。 有机聚合物在光电子领域的应用取得突破性进展。 例如第一个聚合物光子集成回路也于两年前问世，可实现 1一 12个表面法线二维光互联。 2017/9/13 30 光子晶体 (5),光子集成 光子集成是 21世纪光子器件发展的必然趋势。 与集成电路的发展相似，本来的光子器件 (无论是 III-V族半导体光子器件、聚合物光子器件，还是微光子器件和硅基光电子器件 )也必然以集成为方向才能满足科技迅速发展的需要。 利用二元光学方法，可逆行光学功能集成，初步实现了分束、整形、阵列、校正、扫描、相干合成和光互连等功能。 2017/9/13 31 光子集成 二元光学 (6),光的压缩态 在对光子的控制上 ,光的压缩态利用光子数态是将噪音压缩到低于量子噪声，为超高精度、超微弱信号测量和保密通信带来新的前景。 2017/9/13 32 压缩态光场是指描述光频电磁场的某一正交分量起伏低于标准量子极限。 目前对压缩态光场研究的重点集中在如何进一步提高其压缩度，向实用 化发展，并将它尽快应用于量子测量及量子信息等前沿学科。 将它用于连续变量的量子保密通讯。 山西大学压缩态光场实验装置 光电子科技的发展历程及光电子产业的形成 光和光子进入人类活动舞台并己走进市场 电和电子大家都很熟悉 :电灯、电话、电影、电视、电子管、电子学 光和光子在日常生活中也与我们密切相关：黑暗的夜晚要有灯光，近视者要带眼镜，看远方物体要用望远镜，看微小物体要用显微镜 - 2017/9/13 33 光子学走进市场 到 20世纪 60年代以后，光子学及其相关技术开始进入人类活动的舞台 ; 近 20多年逐步走进市场的如 :光笔，光盘 VCD、DVD，光纤通信，激光医疗，激光加工；办公自动化设备激光打印机、扫描仪、传真机 ;激光测距，激光制导，激光武器等 。 21世纪，光子学及其相关技术被大规模应用到了激光加工、量子通信、暗物质探测等一些列领域。 2017/9/13 34 电学和光学都是具有悠久历史的学科 电学在 19世纪就以电气化的面貌推动着人类社会的进步，在 20世纪又以电子学和微电子学为龙头的学科技术将人类带入信息社会。 20世纪 60年代激光问世了，激光的问世对光学及其它科学技术和社会生活产生了革命性的影响。 电学和光学是紧密相联的。电学(含电子学 )和光学 (含光子学 )在表面看来是两个独立的学科。其实两者的内在联系非常密切 。 2017/9/13 35 光子学一发展到现阶段的光学 近半个世纪以来，由于激光的发明 ,低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。 光学在发展过程中出现了若干新的学科名称，如量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名称其本质和内涵是相容的，因此，国际上拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的产业可名为光子产业或光电子产业。 2017/9/13 36 激光的发明 低损耗光纤的 研制成功 半导体光电器件 的发展 光学迅速进入近代高新技术舞台 世界上第一台红宝石激光器 1960年 5月 15日，休斯公司的年轻的美国物理学家梅曼在实验中的重要发现。 他的实验装臵里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装臵中射出，它被命名为 Laser，是英文 “ 受激辐射光放大 ” 大缩写，这就是激光。 激光和激光器的问世，被称为 20世纪最重大的科学发现之一。2017/9/13 37 Theodore Harold Maiman Born Jul 11 1927 光与光子学 电与电子学之比较 1 属性 电子 光子 波长 3cm30cm 500nm 频率 10MHz10GHz 500THz 能量 40nev40pev 2ev 传输损失 高（铜线 中） 低（光纤 中） 粒子相互作用 高 无（低） 2017/9/13 38 光与光子学 电与电子学 光子器件与电子器件性能比较 2 2017/9/13 39 性 能 光子器件 电子器件 信息载体特性和传输方式 玻色子 ,中性 ,具有时间可逆性 ， 无空间局域性 ， 在自由空间或光纤中传输 费米子 ， 带基本电荷， 具有时间不可逆性和空间局域性 ， 无线电波在自由空间或金属导体中传输 信息处理速度 开关速度 响应时间 并行处理能力 通道传输能力 10-12 s - 10-15s(ps-fs) 光子不带电荷 ,传输时不产生相互作用 ， 有高度的平行处理能力 10-11 s 平行处理能力差 光子器件与电子器件性能比较 3 2017/9/13 40 频率 （ 频带宽度和信息容量 ） 3 1011 - 6 1016 Hz 1000倍以上 ， 高 45个数量级 3 108-3 1011Hz 传输速度 光波在真空中传输速度为光速 ， 不受 RC时间常数限制 无线电波特别在金属导线传输 ， 则受RC时间常数限制 抗干扰能力 无电磁干扰 抗干扰能力差 信息存储能力 可实现三维光存储 磁存储 光子器件 电子器件 性能 光子学与电子学相互促进 信息科技和产业的发展，对光子学技术的需求与日俱增，必然促进光于子业的迅速形成和迅猛发展。 尽管光子学有着如此巨大的发展潜力，但作为系统和整机，作为光电转换的诸多应用，电子学和电子技术仍将起着巨大的作用。 光子学与电子学将更加紧密合作、互为补充、相互促进，把未来信息社会推向新的发展阶段。 2017/9/13 41 形成光电子产业的技术基础 光子技术是主要研究光 (特别是相干光 )的产生、传输、控制和探测的科学技术。 通过光子技术将光子学的研究成果转化为生产力，发展多层次和多类型的光子产业。 光电子技术的进一步产业化必须建立坚实的技术基础。 2017/9/13 42 光电子技术所涉及多方面的内容 2017/9/13 43 (1),作为光子产生、控制的激光技术 各种激光装置的设计制造技术、光放大技术、光调制、光开关、光滤波、光耦合、光稳频、光变频、光锁模、光限模、光调制与解调等技术。 兆兆赫激光器将送往太空 Coherent公司与美国宇航局喷气喷射实验室合作共同研制成第一台兆兆赫激光器，这台激光器将送往太空。频率为 2.5兆兆赫辐射源辐射功率为 31兆瓦，重量只有 21千克的激光器，它在太空轨道上的工作期限应超过 5年。 研究地球大气低层化学成分的第一颗卫星，卫星上的激光振荡器研究大气中会破坏地球臭氧层的氢氧基分布状况。 2017/9/13 44 (2), 光子传输的波导技术 光纤制作与应用技术、有源利无源光波导技术、光纤通信网及相关的光电器件、光纤传感技术、非线性聚合物波导互联技术。 单通道传送速度为2.5Gbit/秒 （上图） 不用镜头便可将光线传送到光纤 （下图） 2017/9/13 45 1310NM的 VCSEL 激光收发器模块输出的信号通过单一模式的光纤发送到接收端，然后用示波器来测定接收到的激光波形。 在激光收发器模块中使用了振幅为 1310nm的 VCSEL。演示证实最大传输距离为 17km。初步设想的用途为支持10Gbit/秒的 SONET/SDH（ OC-192）和以太网等领域。 2017/9/13 46 (3)光子探测和分析 作为光子探测和分析的光子检测技术光谱分析技术、激光光谱技术、光计量技术、光电探测技术和遥感技术。 2017/9/13 47 量子加密通信 量子加密通信使用光的最小单位 光子进行数据交换。0和 1的位串被转换成光子状态。光子通过光纤发送，在接收端检测光子，再转换成 0和 1的位串。 （ 1）采用适合长距离光传输的 1550nm长波段、（ 2）提高光子检测器的精度，成功地实现了长途传输。在 2000年的传输距离为 1km， 2002年中期达到了 59km。 2017/9/13 48 量子加密通信的特点 使用量子加密通信的特点是，即使光子在传输线路中被窃听也不存在被解密的可能性，并且还可以检测出是否有人试图窃听光子信号。不过由于传输速度很慢，最快也只有数 kbps，因此目前比较现实的还是将其用于密码密钥的交接。此次三菱电机以 7.2bps的传输速度成功进行了 87km的量子加密通信 。 2017/9/13 49 (4),光计算与信息处理技术 : 光计算技术、光互连、光神经网络、光学模拟运算、光信息处理、激光雷达、激光测距、光制导和光陀螺。 2017/9/13 50 光陀螺 (5),光子存储信息的光存储技术 : 作为光子存储信息的光存储技术 :磁光记录、三维存储技术、发展短波长激光器件。 2017/9/13 51 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 (6),光子显示技术 : 无源液晶显示、有源液晶显示、电致发光、场致发光、等离子体平面、阴极射线管、三维全息显示、激光投影显示、硅芯片上液晶显示等。 2017/9/13 52 LCOS 激光热核聚变 激光材料加工处理、激光分离同位素、激光热核聚变、光诱导化学反应与气相沉积、激光育种与遗传变异、激光医学诊断与治疗。 2017/9/13 53 (7),利用光子与物质 相互作用的光子加工 与光子生物医学技术 : 高功率光纤 激光器 2017/9/13 54 激光医学诊断与治疗 胶囊型内窥镜的问世 最近国外出现一种 胶囊型 内窥镜 ，与一般的内窥镜比较，可完全避免病人在检查过程中所产生的苦痛。 这种带有摄像机的胶囊型内窥镜其直径 0.9cm，长 2.3cm，被病人吞下后，可在食道、胃、十二指肠、小肠、大肠等处拍摄图像。 2017/9/13 55 胶囊型内窥镜 胶囊型内窥镜完成摄像任务后，内窥镜便随着排泄物排到体外。 胶囊型内窥镜使用 CCD或 CMOS摄像机，所需的电能由自身电池或从体外用微波形式输送，其运行速度和方向等均可以从体外来控制。 所拍摄的图像也使用微波传送到体外的控制装臵里，使用记录、显示系统或打印机获取图像。 2017/9/13 56 微型内窥镜的内部结构： 1、光学圆盖 2、透镜固定环 3、透镜 4、照明发光二极管 5、互补金属氧化物半导体成像器 6、电池 7、专用集成电路 8、天线 2017/9/13 57 胶囊型内窥镜结构 胶囊内窥镜进入胃和小肠 光、机、电微系统集成在一个胶囊内 “ 胶囊 ” 被患者吞服后就会随着消化道的不断蠕动向前推进，通过微型摄像机拍摄数字图像，并通过微波技术把照片传送出来， 8小时内能向数据记录仪传送近 5-6万幅图片。 2017/9/13 58 胶囊内窥镜在体内对病变喷射药物 医生可通过体外遥控“ 胶囊 ” 旋转方向、镜头焦距、喷药仓和取活检仓阀门等。 这种胶囊照相机的造价在 100美元左右，而用于遥控和监视的仪器及相应软件包的价格大约万多美元。 2017/9/13 59 MOEMS MICRO-OPTO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS 微光学、微电子、微机械的结合产生出一类新的应用范围很广的器件 -微型光机电系统 (MOEMS) MOEMS使光电子仪器朝微小型化、智能化与网络化方向发展使我们又面临一个新的考验，也是我们光电子技术发展的一个机遇。 2017/9/13 60 MOEMS的构成 MOEMS MOEMS技术 MOEMS技术与其相应的微电子机械系统（ MEMS）技术不同，MOEMS技术是受当代光学产业迅速发展的推动，而 MEMS则主要是通过传统的半导体工艺的应用和进展而得到发展。 2017/9/13 61 微光机电系统技术 卫星导航探测的 MOEMS芯片 由于微系统和器件微型化领域的产业需求，导致微光学和微电子学相结合，实现微光学元件与微电子器件集成在同一基片上，而形成微光电子机械系统（ MOEMS）技术 ; MOEMS技术具有微型化、智能化、重量轻、成本低、高可靠、长寿命、批量生产、军民两用等突出优点，它将导致光电子革命化，在未来几年内，MOEMS技术可望发展成为几十亿美元的产业。 2017/9/13 62 用于卫星导航探测的 MOEMS芯片 构成光电子产业的五大产业的现状和发展趋向 光电子产业的分类 光电子产业可分四大类产业： 信息，能量，消费，军事。 2017/9/13 63 光电子产业 信息 能量 消费 军事 按光电子产业的国际产值统计及产业的层次，分为五大类 : 光电子材料与元件，传统光学 (光学器材 )，光信息 (光资讯 )，光通信，激光器与激光应用。 2017/9/13 64 光电子材料与元件 传统光学 光信息 光通信 激光器与激光应用 光电子产业示意图 1 2017/9/13 65 工业 农业 国防 环保 科研 航空航天 医疗 光电子产业 传统光学产业 光信息 (光资讯 )产业 光通信产业 激光产业 (能量、医疗 ) 光电子产业 光学材料与元件 激光器与激光系统 光学加工 电子技术 电工技术 光学镀膜 光电集成 计算机自 动化技术 应用 玻璃熔炼晶体 生长各种材料 制备工艺 工艺技术 光电子产业分类表 1 2017/9/13 66 光电材料 与元件 平面显示元件 液晶显示器件 发光二极管列阵显示器件 荧光屏 电致发光显示器件 等离子体显示器 光电元器件 发光二极管 光探测元件 （ 含光传感器 ） 太阳电池 光子材料 特种光学玻璃 特种光学塑料 特种光学晶体 特种光学材料 光子晶体 光学器材产业 望远镜 显微镜 照相机 (4)光学检验及测量仪器 (5)透镜 、 反射镜等 光电子产业分类表 2 2017/9/13 67 光信息 （ 光资讯 ） 产业 光输入和 输出设备 图像扫描仪 表格阅读机 文字识别机 条码扫描仪 数码照相机 激光打印机 复印机 传真机 光存储 设备 A.光盘机 B.光卡机 光存储 介质 A.CD B.VCD C.LD D.CD-ROM E.MO F.DVD G.CD-R H.其他 光电子产业分类表 3 2017/9/13 68 光通信 产业 系统和 设备 光纤传输设备 光纤区域网络设备 光纤通信检测与监控设备 光纤信息施工设备 终端设备 光纤 CATV系统 元器件 单模 、 多模光纤 光纤连接器 光有源 器件 A.光放大器 B.光源 光纤耦合器 C.光源 探测耦合器 光无源 器件 A.光耦合器 B.光开关 C.光衰减器 D.光隔离器 E.分光器 F.波分复用器等 光电子产业分类表 4 2017/9/13 69 激光器与 激光应用 激光器 半导体激光器 CO2激光器 固体激光器 气体激光器 染料激光器 准分子激光器 激光应用 激光工业应用 激光医疗应用 激光军事应用 科研应用 光电子产业五大产业的市场值比较图 01002003004005006007008001996年 1997年 1998年 2000年光电材料与元件产业光学器材产业光信息产业光通信产业激光器与激光应用2017/9/13 70 光电子产业总体情况基本归纳和估计 5 2017/9/13 71 现 状 发展趋势 国 内 国 外 尚处于起步阶段 ， 发展不平衡 。 特点： 研究项目少 ， 产 品种类不多 引进设备加工产品 ,但产品档次不高 光纤通信引进设备 ,系统及元器件多 , 接近国外水平 。 也 有国产元器件 、 系 统和设备 ， 但品种 不全 。 一些生产设 备逐步国产化 发展阶段 。 特点： 产品更新换代快 小企业多 ,竞争剧 烈 科研成果多 ， 发展 余地大 发展规模 ， 管理模 式尚无定论 国家规划发展 ， 控 制核心技术 继续向高精 尖技术方向发 展 技术综合和 密集程度不断 提高 产品不断面 向世界市场 ， 以合作求发展 光电子产业典型产品和技术发展趋势 1 2017/9/13 72 产 业 产品名称 现 状 发 展 趋 势 国 内 国 外 光电材 料与元 件产业 单晶硅 砷化镓 2英寸 4、 8英寸 12、 16、 21英寸 LED 红色 500mcd 蓝色研制 各种颜色 大于 1000mcd 发展多种应用 白光照明 平面显示器件 PDP FED EL LED VFD TFT-LCD PDP FED EL LED VFD LCDOS 在硅芯片上的液晶微反射式投影技术 上海与美国 Auiora Systems公司合资成立上海华显公司 特点：高分辨率 、 低成本 、 图像亮度高 、重量轻 、 耗电省 、 价格便宜 光电子产业典型产品和技术发展趋势 2 2017/9/13 73 光学器材产业 照相机 传统相机 ， 数码相机研制 数码相机 ，自动相机 （ 90万 -150万像素 ） 数码相机的应用提高分辨率（ 600万像素以上 ） 光谱仪 光栅 棱镜 OMA OSA 与数字技术结合 ， 有数据处理功能 光信息（ 光资讯 ） 产业 光盘 CVD DVD ROM DVD 、 CP-RW、 CD-R、CD-W MO-RW 高密度 可擦写 光电子产业典型产品和技术发展趋势 3 现状产业产品名称 国内 国外发展趋势4光通信产业光纤石 英 多 模 光纤 ， 单 模 光纤 （ G 6 5 2 ）至 今 未 形 成高 水 平 的 大规 模 光 纤 生产 线 ， 90%靠 进 口 ， 光缆 价 格 受 制于人。色 散 位 移 光 纤（ D S F ）非零色散光纤（ N Z D F ）G 6 5 5 光放大器 用 掺 杂 光 纤（ Er ， Te ， Tu ，Pr ， Nd ，） 第二代 N Z D F 拓宽至 1 5 3 0 - 1 6 2 0 n m 窗口 ， 有 效 面 积 70 m2。 全波光纤 （ A l l w a v ef i b e r ）提供 1280-1680 ， 400nm国内面临如何建立我 国的光纤产业的问题： 南京将建成年产 100 万公里的光纤生产基点； 海南，天津将花 19 亿元引进生产线；但均未 能引入先进的 OVD 法。2017/9/13 74 光电子产业典型产品和技术发展趋势 4 现状产业产品名称 国内 国外发展趋势光纤光缆已 敷 射 3千万公里600 万公里 /年已敷设 2 亿公里 ， 增 长 速 度5000 万公里 /年2004 年全世界亿公里 / 年。中国 1300 万公里 / 年。市场需要量大光通信产业光发送机及接收机D F BP I N 光电二极管D F B ， D B R ，Z Y G 1 0 G b / s 模块 ， 集 成 光 接收机O E I C 集 成 多 波 长 多功能光发送机， F G L光纤光栅外腔 LD ，D B R + 3 4 节 FG （波长高度稳定）2017/9/13 75 光电子产业典型产品和技术发展趋势 5 现状产业产品名称 国内 国外发展趋势波分复用器件W D M密 集 波 分 复 用器件 D W D M 40 路D W D M 的改进与提高光纤放大器（ E D F A ）E D F A 3 7 n mW E D F A带宽4 0 8 0 n mW E D F A 联合传输码率 1 T b / s 5 T b / s ，全光交换光通信产业如 W E D F A 8 0 n m （波长间隔 0 。 8 n m ）同时放大 100 路的 D W D M ，每路传输 1 0 G b / s ，则一根光纤传送 100 路的总容量就是 100 1 0 G b / s = 1 0 0 0 G b / s = 1 T b / s2017/9/13 76 光电子产业典型产品和技术发展趋势 6 产业产品名称国内交换机市场分析国 内 企 业 生 产 能 力 达 1329 万 线 ， 但 1997年仅销售 782 万线。合资企业 1380 万 线 ，销售 1 1 2 0 万线。年生产能力近 3000 万 线 ，大大超过国内需求量竞争非常激烈。光通信产业移动电话市场分析我 国 移 动 通 信 的 发 展 速 度 大 大 超 过 固 定 电话 ，代 表 未 来 的 方 向 。若 国 产 品 牌 能 占 有 20%的市场将有 82 亿的产值。2017/9/13 77 光电子产业典型产品和技术发展趋势 7 2017/9/13 78 激 光 产 品 泵浦 LD 2瓦 LD阵列 100瓦到千瓦 大功率全固化激光器 光刻机 0.5 m 0.18m 0.13m 发展倍频固体紫外激光 X-射线光刻到0.05m 抓住机遇， 加速发展我国的光电子产业 世界光电子还处在技术发展阶段，市场机会在持续增长，尽管我国光电子有关产业基地的光电子器件、部件和子系统等产品已经占领了国内市场比较大的份额，并初步具备同国外大公司竞争的能力。 但国外竞争者早已盯住我国这一广阔的光电子市场，企图打进入并占领我国下几代技术市场。 如果不把握机会迎接挑战，在毫无市场保护的情况下，可能在 48年以后，我国的光电子科研和产业就可能步微电子的后尘，落后于西方发达国家。 2017/9/13 79 光电子产业化 我国现在的光电子技术仍主要处于跟踪研究和小批量生产阶段，光电器件和部件产品有相当部分不配套，不能满足整机和系统的要求 ; 光电子产业化、规模化所需的生产技术也还没突破。 2017/9/13 80 光电子产业的多种方式 发展我国光电子产业需要多种方式并存，包括大型企业或金融界进入光电子领域，或者根据光电子技术发达的地区 (如北京、上海、长春、广州、合肥、西安、成都等 )建立不同规模的产业实体，如长春地区以长春光机所为主体的有关大型企业组建光电子联合生产基地 (光电子产业园 )，就是一个例子。还有由研究项目成长为公司等多种类型。 2017/9/13 81 发展光电子产业的热潮 目前我国光电子产业进入关键时期，我们已加入了 WTO，要抓住这一大好机会加速发展； 在国内光电子信息专业人才十分紧缺的情况下，先要抓住人才的培养和聚集； 从整个形势看，我国已经和正在形成了一个加速发展光电子产业的热潮，地处南疆的广东也不例外。 2017/9/13 82 我国面临光电子技术产业 发展的最好时机 作为一个高端科学技术与产业的光电子不仅可为国家创造新的经济增长点，而且还为中国今后的经济发展开辟了一个新的途径。 我国有庞大的市场，因此在一定时期内可以保持高速的经济增长。但我们一直是按发达国家的游戏规则在发展。产品多限于低附加值范围和中下游。 有些具有战略意义的产品与技术仍受制于人。今后我们必须在一些战略性行业里取得国际上的领先地位。 2017/9/13 83 器件产品是代表一个国家技术水平的关键 我国在通讯领域内常常是自己搞系统，而器件依靠进口。在光电子技术中，器件产品是代表一个国家技术水平的关键。 随着光子集成、光电子集成技术的发展，器件与系统之间的界限正在模糊化，将大量的光电器件、光电子器件和电子器件集成在一个很小的芯片上，甚至将相当复杂的含有这些器件的通信、信息系统集成在一个很小的芯片上，巳逐渐成为可能 。 2017/9/13 84 我国及时有效的行动 通信、信息系统的发展对光电子的器件及其集成技术的依赖程度将越来越高。这就使得单纯搞系统的做法变得越来越没有发展空间。 另外，很多光电器件的发展目前在国际上仍然处在初期阶段。我国及时有效的行动，完全可以在国际市场上取得领先的地位。 2017/9/13 85 光子芯片（ Photonic Chips） 在晶圆片的规模上，结合有 激光器件，电子器件， 和无源光学元件等 的集成。 国内光电子产业基地基本情况 我国光电子产业基地发展迅速，目前共有 13个光电子产业基地 我国光电子技术在电子材料、器件、工艺和应用等方面实现了飞跃发展，奠定了坚实的技术基础并取得了一批高水平的研究成果。其中有些达到世界先进水平，如量子阱材料和器件、光电集成（ OEIC）和光子集成（ PIC）技术，有些技术距离国际先进水平只有 2 3年的差距，对国内光电子产业的形成和整体实力的加强发挥了重要作用。 2017/9/13 86 我国光电子产业基地分布示意图 1 2017/9/13 87 长春 北京 西安 重庆 武汉 广州 上海 南昌 无锡 福州 浙江 国内主要城市光电子产业发展比较 1 地域 强势领域 科研教育实力 2001年产值 优势与特点 上海 光通信产业 光显示产业 微电子产业 光通信和激光技术基础雄厚，有上海光机所，上海交通大学、复旦大学等在光电子技术方面处于国内领先的院校。 约 210亿 RMB 漕河泾、嘉定、松江等地区的光电子企业相对较集中，已初步形成上海光电子产业链，光通信和光显示产业在国内具有相对优势。 武汉 光通信产业 激光加工产业 光通信和激光技术基础雄厚，有武汉邮科院，华中科技大学等在光电子技术方面处于国内领先的院校。 约 187亿 RMB(含软件 ) 长飞 (连续十年光纤光缆产销量全国同行业第一 )楚天激光 (全国最大的专业激光产品制造商 )； 华工科技 (具高校背景的上市公司，拥有 “ 华工图象 ”等多个知名品牌 )。 广州 光显示产业 光电材料产业光储存产业 有中山大学、华南师大、华南理工大学、暨南大学、广东工业大学、广州大学等在光电子技术方面处于国内领先的院校。 约 120亿 RMB 科学城成为国内外知名的光电子产业园区。吸引大批外资或合资企业，如光宝、依利安达、恒光电子、高科通信等，形成了光显示、光存储产业群。 深圳 光通信产业 激光加工产业 集中了全国各地的光电子人才，有深圳大学等从事光电子技术研究和开发的院校。 约 120亿 RMB 全国最大的光通信产业基地，拥有一批著名的本土企业，如华为、中兴等等；另外，激光方面有大族。 2017/9/13 88 续上表 2 地域 强势领域 科研教育实力 2001年产值 优势与特点 长春 光显示、激光设备、传统光学精密仪器设备产业 军用光电子领域 光电子基础雄厚，有长春光机所、长春理工大学、（原长春光机学院）等光电子专业院校。 约 70亿RMB 全国主要的液晶生产基地；全国最大的光电编码器生产基地；是世界生产532nm全固态绿激光器系列产品最大供应商，激光加工设备、军用光电设备力量雄厚。 北京 微电子、数控机床、智能仪器仪表、医疗设备、电子专用设备、激光技术、机器人等产业 光通信和激光技术基础雄厚，有中国科学院、清华大学、北京大学等在光电子技术方面处于国内领先的院校。 科研院所、高校集中，在半导体激光器、光学仪器、光通信器件、激光加工等方面拥有优势，有 “ 大恒光电子 ” 等上市公司。 南京苏州昆山（江苏） 光通信、光显示产业 光电子学、激光技术基础雄厚，东南大学、苏州大学等在光电子技术方面处于国内领先的院校。 台湾、日本、韩国等光显示、光存储企业搬至南京、苏州、昆山。如三星、 LG、友达、法尔胜等。 宁波温州萧山（浙江） 光通信、光器件、光材料产业 光学仪器仪表产业 光电子学、激光技术雄厚，有浙江大学等在国内光电子技术方面处于国内领先的院校 逐步形成富有特色的光电子产业特色园区，如富阳市的光信息传输材料产业、宁波的光电子器件出口加工业、萧山的光材料产业、浙西的光配件产业、温州的光电能产业等 。 2017/9/13 89 武汉光谷 “武汉光谷 ” 位于武汉东湖高新技术产业开发区内， 2001年被国家计委批为全国唯一的 “ 国家光电子产业基地 ” 。 目前占地面积 30多平方公里，计划扩展到 50平方公里。在光纤光缆、光电器件、激光、通信系统、软件等几方面均有很好的产业基础，培养了一批骨干企业，如长飞、烽火、武汉电信器件公司、太空通信、华工科技、楚天激光、团结激光。 据开发区管委会经济发展局提供的数据，目前“ 武汉光谷 ” 的光电子信息企业达 480多家，2001年产业产值 120亿元，比 2000年增长50.8%。 2017/9/13 90 长春光谷 长春的光电子产业带主要由华禹光谷股份有限公司和中科院长春光电子产业园区组成，重点发展以液晶显示为主的光显示、光仪器仪表、激光器。 虽然长春的光电子企业还在起步阶段，产业水平（不包括军工部分）较低，但由于具有强大的研发实力和现有的产业基础，如吉林彩晶的年产 36万片 TFT LCD生产线、吉林紫晶的 STN LCD液晶模块生产线、长春半导体拥有全国最大的发光二极管生产规模、新产业光电子公司的蓝绿激光器，因此长春的光电子产业发展潜力还是很大的。 2017/9/13 91 上海的光电子产业 上海的光电子产业主要集中在漕河泾新兴技术开发区内，以发展光机电、光纤通信和激光产业为主， 2001年，开发区的光电子产业销售收入达 48.9亿元，占开发区销售额近三分之一。 区内共吸纳了光通信公司、晶谷微电子、杜邦光掩膜、美国朗讯等国内外近百家光电子企业和研究机构。 开发区正规划建设面积为 2.2万平方米的光电子有源器件企业基地，促使有源器件关键技术从研发阶段走向规模化生产。 上海市政府已决定在嘉定国家级高新区创建上海光电子科技产业园，规划面积为 4.8平方公里，由科研开发区和光电子产业区两部分组成，主要吸纳光显示、光通讯、光存储、特种光纤光缆、激光加工和激光医疗等光电信息产业项目，注重与中科院合作，重点吸引台湾光电子产业和创业投资者落户。 2001年，上海光电子产业总产值约 210亿元人民币。 2017/9/13 92 长江三角洲 长江三角洲是目前我国光电子产业发展最快的地区也是我国最重要的光电生产、研发、应用基地。在上海、苏州、南京一带已形成了一个强大的光电子产业带。 长三角的城市群中尤以苏州为中心，通过近几年的发展，苏州已经成为中国光电子产业的龙头地区，并面向长三角南京、杭州等地辐射。 2017