光电子技术的应用和发展前景

5/5光电子技术的应用和发展前景光电子技术的应用和发展前景

姓名：曾倬

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专业：电子信息科学与技术

指导老师：黄晓莉

目录

（一）光电子与光电子产业概况

（二）光电子的地位与作用

（三）二十一世纪信息光电子产业将成为支柱产业

（四）国际光电子领域的发展趋势

（五）光电子的应用

（一），光电子及光电子产业概况

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。

今天，光电子已不再局限传统意义上的用于光发射、光调制、光传输、光传感等的电子学的一

个分支，同时还包容了部分电光学、光子学和光学成分。主要光电子器件集中体现在各类半导体LED、LD，各类光探测器，收发集成模块,光放大器，调制器，波长变换器等。此外，还包括和上述器件相关的各类光波导等无源器件。

光电子产业也不是以单一形式存在，它是一个由相关的基础设施和基础技术支撑的多类

产业的结合体，可形象地比做一棵参天大树。滋养这棵大树的土壤是：制造设施，研究机构，技术力量，政府基金，风险投资，研发资源等。支撑这棵大树的脊梁是光电子技术，包括LD/LED，光探测器，图像传感器，光调制器，MOEMS，光纤，光纤连接器，光放大器，无源光器件等。这棵大树结出的丰硕果实就是光电子产业，包括光通讯，光显示，光存储，影像，光信号/照明，太阳能电池等。用一个简单的分类方法，可以把光电子产业分为信息光电子、能量光电子、娱乐光电子等部分;信息光电子包括光纤光缆、光器件、光通信设备等产品，能量光电子包括激光器、激光加工成套设备、激光医疗设备及测控仪表等,而娱乐光电子包括日常消费品制造如VCD，DVD等等。

光电子市场主要集中在通信、显示、存储和影像等四个领域。图中给出了98年度世界各类光

电子产品所占的市场份额。那么，光电子元器件所占市场份额比例是多少呢,我们目前还拿不到

世界范围内的数据。不过,通过日本的光电子产

业调查也可可见一斑。97年为30.6%,98年为30.1%，99年预计为30.6%。这样看来,光电子元器件占整个光电子市场份额30%左右。

光电子产业的发展速度是惊人的，从日本

工业来看，近年一直呈现出一路增长的势头，98年年增长率为6.6%，99年预计年增长率为10.4%。有关预测表明，未来几年全球光电产业将有更大的增长幅度，增长速度比较快的是WDM市

场，预计年增长率为23%，其中，用于WDM的LD年增长率将在50%以上，放大器为43%左右。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。

（二）光电子的地位与作用

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。

二十一世纪没有微电子是不可想象的，同样，没有光电子更是不可接受的。光电子目前的成就和它巨大的发展潜力已让人们无可置疑：二十一世纪一定需要光电子。

（三）二十一世纪信息光电子产业将成为支

柱产业

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。

国际公认:21世纪是光电子与微电子紧密结合发挥作用的时代,以光通信为龙头的信息光电子产业将成为21世纪的明星产业和支柱产业。

日本工业调查会总经理志村幸雄在述及21世纪的主导产业时指出，21世纪具有代表意义的主导产业第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业，第四是环境和新能源产业。同时指出“光电子产业”对其它许多产业而言，无疑将起到“基础材料”的作用。信息产业已成为我国第一支柱产

业，光电子产品在信息产业中占有很大比重，据有关方面统计，我国的显示器、彩电和激光视频机等几种光电子产品的产量已占世界总产量的一半以上。

我国光电子产业的迅速发展是在国际信息产业的不断增长带动下形成的。中国工程院院士许祖彦在接受《中国电子报》记者采访时强调，在“国家中长期科学和技术发展规划纲要”启动之际，我们应当在促进信息化与工业化良性互动的科学发展观指导下，本着建设创新型国家的理念，发展我国的光电子产业，抓住光电子技术更新换代迅猛发展中的机遇，寻找突破口，提高我国光电产业的竞争力。例如显示技术从上世纪30年代起，历经黑白显示、彩色显示，到现在的数字显示，基本解决了高清晰视频图像的获取、处理、存储、传输和再现技术，但还没有涉及颜色的高还原性问题，大色域覆盖率的激光显示近年的快速发展有可能促进显示产品的更新换代，形成新一代显示技术。

未来光电子产业还将继续蓬勃发展。就市场需要而言，专家认为，光电子产业主要在以下几方面可能有比较大的增长空间：光网络和光接入网，如光纤到户(FTTH)；光存储中的蓝光光盘存储、光全息存储；光显示中的大尺寸LCD显示器、OLED显示器；半导体照明及太阳

能电池利用；此外，在光纤传感、医疗领域也有比较大的增长空间。

发展高清晰视频业务对光存储产业的发展很重要。中国科学院院士周炳琨介绍说，现在的DVD的容量已经很大，如果要满足消费者对更高存储量介质的需求，就必须在增加播放内容清晰度的同时降低成本。如果能够早日进入三维视频时代，光存储的市场潜力将会进一步增加。

未来社会能源缺乏，这也是光电子产业发展的契机。“平板显示、半导体照明在节约能源上非常有优势。此外，随着生活水平的提高，对于清晰度高、易于携带、健康低辐射的平板显示器的需求必然会逐渐增加。半导体照明产业则是照明的绿色革命，这一产业的发展必将一日千里。”

（四）国际光电子领域的发展趋势

在2013光纤通信发展报告会上，中科院半导体研发所副主任祝宁华发表了题为《支撑光网络发展的光电子器件研究现状与趋势》的报告，指出了光电子未来发展的四个趋势：一是光电子集成，二是微电子与光电子的相互融合，三是硅基光电集成技术，四是多维调制与复用。重点强调未来光电子的发展趋势会从单元器件向集成化芯片发展，其中40Gb/s将成为光接入的核心，另外也提出TWDM—PON将是未来发展的主流技术，而高速激光器的研发也将成为焦点。

高速光电子器件是实现高速光信息产生、传输、放大、探测、处理等功能的器件。光通信系统可分为骨干网、城域网和接入网三个层次。高速光电子器件在光通信系统的各个层次都有重要应用：高速光传输、大容量光交换、宽带光接入和微波光子技术。为了实现更高速、更宽带光通信传输系统，高速光电子器件呈现出三大发展趋势：光电子集成，光电子与微电子的融合以及多维调制与复用。高速光电子器件在光通信系统中作用以及发展趋势和现状，随着光网络和光通信技术向大容量、低功耗和智能化的方向发展，速率和能耗成为制约通信技术发展的两大技术瓶颈。为了图片这两大瓶颈，新型高速光电子器件在光传输、光信息处理与交换、光接入以及光与无线融合

等领域的关键环节发挥着越来越重要的作用。光电子集成、光电子与微电子的融合以及多维调制与复用将成为通信用光电子器件的三大发展趋势

近年来，国内光电子产业在迅猛发展，国内企业在部分光电子产品市场上已占有较大的市场份额，在竞争日趋激烈的光电子市场上争得了一席之地，初步具备了与国外大公司竞争的能力。但是，国内光电子产业发展仍然面临着不少挑战。对此，周炳琨认为，首先，除光通信外，其他光电子产业发展比较缓慢，如光存储、光显示、光照明、医疗、光传感等。其次，很多光电子产业在国内没有完整的产业链，附加值最大、科技含量最高的部件往往为国外企业所垄断，企业自主创新能力有待进一步提高；第三，大专院校、科研机构与企业和市场结合不够紧密，还没有形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系。如何结合我国科技现状发展光电子产业，为建设创新型国家贡献力量是我们需要思考的问题。

（五）光电子技术的应用

光电子技术在纺织工业的应用

光电子技术与数字信号处理技术及计算机视觉技术相结合可以大大提高纺织工业的自动化生产水平。在纺织生产设备中引入光电检测设备可以随时追踪工厂的生产状况，并通过工厂的控制网络将各工序的生产质量、产量、效率等信息及时报告给相关技术人员和管理人员，为工艺调整和生产管理提供大量可靠的数据，同时为企业新产品的生产提供各类跟踪据缩短新品的开发生产进程引入光电检测技术，必将提高整个纺织生产系统的加工、监测、检验、管理的自动化、智能化及精确化水平，使纺织产品的质量得到有效控制和提高同时降低工人的劳动强度，提高工厂的生产效率，降低生产成本，提高产品质量和产量，使纺织工业向现代化、自动化、无人化方向发展。

以硅为材料的光电子技术的应用

硅光电子学（用硅做材料制造的光电子元件），作为一项新兴技术，其应用前景令人振奋。数据的超速传输对未来的众核技术能够以更低的成本提供更高速的主流计算能力。这些硅光电子学技术将为世界带来全新的数字设备，实现难以想象的性能突破。这种光感应器通过探测微弱光信号并将其放大而拥有卓越的灵敏度。此项技术也可以应用于对带宽需求高的远程医疗核3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。

利用光电子技术获取图像信息

人类获取视觉信息有多种手段，但最常见的是各种光学系统。为了进一步扩展视觉功能，就要借助于光电子技术。利用光电子技术人们不仅可随时看见遥远的目标和微小的目标，还可以看见人眼不可感知的微弱目标及各种辐射，甚至还可看清各种超快过程。

结论

目前，用于信息获取的光电子技术已广泛应用于各个领域：如超快现象诊断，生物医