2.5 光电子技术

2008年北京奥运会上，“水立方”以其绚烂梦幻的视觉效果，令世人惊叹。夜幕降临时，在“水立方”南侧立面周围的人们就会看到一幅如梦似幻的景观：一群群色彩艳丽的热带鱼在“水立方”的“水泡泡”里轻盈地游弋，时而又变成波涛汹涌的巨浪呼之欲出，时而又化为一团奥运圣火熊熊燃烧。而这一切，正是由光电子技术为“水立方”量身打造的幔态LED才得以实现。当今全球范围内，已经公认光电子产业是本世纪的第一主导产业，是经济发展的制高点，光电子产业的战略地位是不言而喻的。鉴于此，光电子技术应用的开发被世界各国所关注，新的应用领域也在不断发现中。

2.5.1 光电子技术的概念和内容

当代社会和经济发展中，信息的容量与日俱增，随着高容量和高速度的信息发展，电子学和微电子学遭遇到其局限性，而光作为更高频率和速度的信息载体，会使信息技术的发展产生突破，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理将由光子和电子共同参与来完成。

光电子技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的共同行为来执行其功能，它的核心内容是实现光电和电光转换。它围绕光信号的产生、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）、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。

电子技术研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制，而光子技术研究光子的特性及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动与控制。两者相结合的光电子技术主要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，以光源激光化、传输光纤化、手段电子化、现代电子理论的光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。它将电子学使用的电磁波频率提高到光频波段，产生了电子学所不能实现的很多功能，成为继微电子技术之后兴起的又一高新科技，并与微电子技术共同构成信息技术的两大重要支柱。

2.5.2 光电子技术的发展

最早出现的光电子器件是光电探测器，而光电探测器的基础是光电效应的发现和研究。1888年，德国物理学家赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使金属发射带电粒子，当时无法解释。1892年，赫兹的学生勒纳德通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了光电效应的实质。1900年，德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子，提出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式，为量子论奠定了基础。1929年，L.R.科勒制成银氧铯光电阴极，制成了光电管。1939年，俄裔美国科学家兹沃雷金制成实用的光电倍增管。20世纪30年代末，硫化铅红外探测器问世，它可探测到3μm辐射。40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。50年代中期，可见光波段的硫化镉、硒化镉、光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用。50年代末，美国军队将探测器用于代号为“响尾蛇”的空空导弹，取得明显作战效果。1958年，英国劳森等发明碲镉汞红外探测器。在军事需求牵引和半导体工艺等技术发展的推动下，红外探测器自60年代以来迅速发展。

目前，人们都倾向认为光电子技术的发展历史应从1960年第一台红宝石激光器的诞生算起。尽管其历史可追溯到19世纪70年代，但那时起到1960年，光学和电子学仍然是两门独立的学科，因而只能算作光电子学与光电子技术的孕育期。从20世纪70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。可以说，光电子学技术是电子学技术在光频波段的延伸与扩展。

20世纪60年代初出现的激光和激光科学技术，以其强大的生命力推动着光电子技术与产业的发展。至今，光电子技术的应用已涉及科学、经济、军事和社会发展的各个领域，光电子技术的发展，极大地推动了众多相关科学技术的相互渗透和相互作用，并由此形成了规模宏大，内容丰富的光电子产业。

我国从“六五”起步，开始发展以激光技术为主的光电子技术。1987年，科技部把信息光电子列入“863”计划，激光科学技术的研究和发展受到国家的很大重视，在国防建设和社会应用上起了重要作用。我国光电子产业的原始基础是军事光学、军用光电子学和红外技术。自20世纪60年代以来，我国依靠自己的力量，研制出“神龙”高功率激光装置、激光分离同位素装置、军用靶场激光经纬仪、激光卫星测距仪、高速摄影机、红外扫描仪等重要的军用光电子设备，并形成了实力雄厚的10多个光电子技术研究基地。70年代末，光纤通信的研究和开发也在我国兴起。80年代中期，光盘技术和光电平面显示技术也得到发展。我国在“八五”计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在“九五”计划中产生了效益，12in彩色液晶显示屏在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbit/s同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。

2.5.3 光电子技术的应用

从光电子技术研究初期开始，人们就在不停地探索其应用价值，而且军事应用被优先考虑，并投入了大量的人力、物力和财力。随着光电子技术的发展，当今社会正在从工业社会向信息社会过渡，国民经济和人们生活对信息的需求和依赖急剧增长，不仅要求信息的时效好、数量大，并且要求质量高、成本低。在这个社会大变革时期，光电子技术已经渗透到国民经济各个方面，成为信息社会的支柱技术之一。总之，光电子技术具有许多优异的性能特征，这使得它具有很大的实用价值。

（1）光电子技术与信息技术的结合

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做出了巨大的贡献。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。信息光电子技术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，必将大大改善电子设备、电子计算机和电子仪器的性能，具体应用在以下几个方面：

光信息获取技术：望远镜、照相机、显微镜、X光透视仪、雷达等。

光信息传输技术：光纤通信。

光信息存储技术：胶片、磁带、光盘、光学全息存储等。

光信息处理技术：光学计算机模拟、光计算与光互联、模式识别、人工神经网络等。

光电显示技术：彩电、液晶、激光扫描、激光彩色复印机、印刷机、电影技术等。

（2）光电子技术与通信技术的结合

光通信技术是光电子技术的一个主要方面，分为无线光通信和光纤通信。无线光通信技术应用于空—空、地—空、地—地光通信以及星际光通信网。光纤通信技术在长距离和主干线应用上已趋于完善，今后，光纤通信主要应用于局域网络、计算机网络和多媒体通信，并逐步进入千家万户。

（3）光电子技术与生物科学和医用技术的结合

光成像技术包括可见光和红外成像技术，已在肿瘤等各科疾病的临床诊断以及外科手术等许多医疗领域中得到广泛应用。许多利用光电子技术的诊断和医疗技术正在研究或临床试用，激光手术和激光针灸技术日趋成熟。光电子技术将在医疗保健方面造福越来越多的人类。

（4）光电子技术与材料科学技术的结合

硅光电子（即用硅做材料制造的光电子元器件）作为一项新兴技术，其应用前景令人振奋。数据的超速传输使得未来的多核/众核技术能够以更低的成本提供更高速的主流计算能力。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。硅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，该技术也可以应用于对带宽需求高的远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。

（5）光电子技术与军事技术的结合

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。

现代战争战场信息的获取依靠雷达、光电子传感器和声光传感器。图像信息在军事上的地位和作用变得越来越重要，各级指挥所需要在大屏幕上观察敌我态势，进行判决和决策；精确制导武器用成像制导代替点源制导，可提高目标识别能力和命中精度（英美对伊军事打击行动中，精确激光制导炸弹的目标命中率达90%，普通炸弹仅25%）；武器平台的驾驶员凭借图像信息可以更自如地操纵驾驶；小分队和单兵如果有一台显示器在手，能显示他们在战场的准确位置以及周围的敌我态势，将大大提高他们的生存能力和作战能力。

（6）光电子技术在工业领域的应用

光电子技术、数字信号处理技术及计算机视觉技术相结合，可以大大提高工业的自动化生产水平。在工业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数据，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，使工业生产向现代化、自动化、无人化方向发展。

总之，光电子技术在当今信息时代愈发占有重要的关键地位，至今光电子技术的应用已涉及科技、经济、军事和社会发展的各领域。信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成。21世纪是光电子发挥作用的时代，我国也将在这方面一步步向前迈进，为把我国的光电子技术形成规模宏大的产业而不懈奋斗。