光电子技术
光电子技术(Optoelectronic Technology)
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什么是光电子技术
光电子技术是由光子技术和电子技术相结合而形成的一门新技术，它是研究光与物质中的电子相巨作用及其能量转换相关的技术，涉及光通信、光电显示、半导体照明、光存储、激光器等多个应用领域，是信息和通信产业的核心技术。
光电子技术的发展
光电子技术始于20世纪60年代激光器的诞生；到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术迅速发展起来；80年代从光纤通信实用化，到光纤传感器以及激光唱机的诞生，光电子技术开始走进人们的生活；90年代，光电子技术在光通信领域取得极大成功，无论是器件还是系统走向实用化，形成了光通信产业，光通信发展到密集波分复用；21世纪光子晶体等面向全光概念的研究不断深入，光电子技术逐渐向光子技术演进。目前，光电子技术研究热点是在光通信领域，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。目前，国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。国际知名的科学家已经预言：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大的冲击。光电子技术是21世纪的前沿高科技，是国际问竞争制胜的战略性技术。美国商务部声称：“谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本《呼声》月刊评论：“21世纪具有代表意义的主导产业，第一就是光电子产业”。科技界预测：到2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模；2010～2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。
光电子技术的特性
光电子技术最大的特点是它的波长短(同电子技术相比)，即频率高。它们的长波端波长分别为1mm和1m，相差3个数量级；短波端分别为1Onm和1mm，相差4个数量级。距离分辨率高，有人对距离大于6000km的人造卫星进行激光测距时，距离分辨率在1mm；频带宽、通信容量大，光波频率比微波频率约高10万倍，因而它的带宽与通信容量也相应提高10万倍。在一根光纤上可通几十万路电路或者几百路电视节目，这是在一般电缆通信和微波中继通信中则是难以想像的事；光谱分辨率高。光谱学是人们研究原子、分子的能级结构、能级寿命、电子组态、分子几何形状、化学键性质等多方面物质结构知识的科学，也是化学分析中进行定性定量分析的重要手段。激光光谱学与普通光谱学相比，具有极高的光谱分辨率和极高的探测灵敏度。若用脉宽为波秒(ps)或飞秒(fs)级的超短激光脉冲作光谱，就可以探测和研究超快现象，如光合作用这样若干波秒或飞秒内发生的变化；非线性光学效应强。当光波的电场强度可以同原子、分子或凝聚态物质中束缚电子的库仑场相比较时，可以观察到物质与强相干光相互作用的一系列新的光学现象，统称为非线性光学现象。
自从有了强度高和相干性好的激光出现后，才揭示出大量的非线性光学效应，包括光学二次谐波和高次谐波、光学的和频与差频，光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束白聚焦、多种受激光散射、非线性光谱效应、各种瞬态相干效应以及光致击穿等等。
光电子技术既然是光波段的电子技术，它就必然同电子技术和光学技术有着十分密切的关系。光电子技术是电子学和光学结合的产物，电子技术的各种基本概念几乎都可移植到光电子技术中，如放大与振荡、调制与解调、直接探测与外差探测倍频、和频与差频、参量放大与振荡等等。
在光电子技术中，要实现电子器件和系统的功能，就离不开光学基础技术。光电子器件和系统对光学设计、光学工艺和光学薄膜技术提出了比经典光学还要严格的要求。例如，激光器谐振腔对反射镜就有许多严格要求，有的要求反射镜在特定波长上具有极高(99％以上)的反射率，有的要求反射镜有极高的透射率，有的要求反射镜能承受很高的功率密度，如每平方厘米上千瓦(连续波激光器)，或在短时间(几纳秒)内每平方厘米承受若干兆瓦的高功率而不损坏。两者相互渗透，共同发展。
无论是光电转换器件还是电光转换器件，几乎都离不开电子器件，有的还要配以光学元件以改善其性能。
光电子器件的发展趋势：
(1)固态化、小型化、集成化和廉价化：目前在光电子器件中采用激光二极管阵列，或在功率不大的应用中直接用半导体激光器，使之固态化。光电子器件的集成化要比电子器件困难得多，其主要原因是用一种基质材料很难兼顾光电子和电子两类器件的要求。人们为此在晶体材料、半导体材料和有机材料方呵做了大量研究，开始有所突破。目前所用的光电探测器多数是固态器件，由于获取高质量(高分辨率、大动态范围)图像信息和提高探测灵敏度的需要，人们正在扩大探测器的规模(光敏元数量)。素有“巨型微电子器件”之称的平板显示器已取代了阴极射线管而作为显示器。
(2)工作波段范围扩大，响应速度加快：为了满足各方面的使用要求，人们正在通过各种途径研制特定波长的激光器，包括探索新的工作物质、利用非线性光学效应产生新波长或新的可调谐波段。同时，人们也在研究快速响应单元、多元和面阵光电探测器，将攻克若干特定波长的快响应高灵敏度探测器以及高速CCD。
(3)更加适应各种环境光电子器件的固态化和集成化，以及良好的材料技术，使之能适应高温、低温、高湿、干燥、灰尘等环境。
(4)产品不断更新换代的光电技术，如光纤通信、光存储、可见光和红外图像信息获取、图像的显示、光纤传感、激光加工、激光医疗、激光硬拷贝等技术，将有关光电子器件固态化、集成化和廉价化并不断升级换代。
(5)各类高新技术结合开拓新的技术和应用使各种高新技术相互交叉和渗透已成为必然趋势。光电子技术同微电子技术正在紧密结合，以致难以严格分开。光电子技术同生物技术结合，已出现光生物学和生物光电子学。正在兴起的纳米技术已同光电子技术发生密切关系，一方面利用激光技术生产纳米超级细粉末，另一方面纳米技术为发展新一代光电子器件开辟了广阔的道路。
光电子技术包括各种光电子器件及其应用技术，如阴极射线管、电子发光显示器件、全息器件、变像管、激光器、发光二极管、光调制器、液晶显示器、光存储器、光波导、光隔离器、光探测器、太阳能电池、摄像管、CXTD成像器件、光纤光缆、光无源器件、平板显示器件、集成光路和光电子集成技术等。
光电子技术的应用
光电子技术的具体应用目前主要包括有：光纤通信技术、光盘存储技术、显示技术和硬拷贝技术、光学传感器技术及光学互连技术。
(1)光纤通信技术
光纤通信技术已经商业化，并正在逐步取代传统的微波同轴电缆通信。现在全世界敷设的通信光纤总长度超过5000万千米，相当于地球到月球距离的130倍。商业化的光纤通信系统的速率是2．5*109比特／秒，到本世纪末的目标是1010比特／秒。这个传输速率意味着在一对和头发丝差不多粗细的光纤中，可以同时传送大约12万路电话。21世纪人们对通信的要求就不会只满足于电话了，信息高速公路(正式名称是国家信息基础设施)将把电视、电话、计算机数据、图文传真、音乐等大量综合信息服务业务同时由光纤通信网传到千家万户。
(2)光盘存储技术
这是用极小(小于1微米，1微米=10 − 6米)的激光斑点在光盘表面的特殊材料上写入(记录、存储)和读出数字化信息的技术。激光的斑点可以聚焦到亚微米尺寸，所以光盘的存储密度极高，比同规格的磁盘大几百倍。目前广泛使用的有：激光唱盘、视盘、计算机外部存储库、电子图书馆等。近几年，又开发出可擦洗、可重写的磁光光盘，其性能更加优越，它的应用领域必将进一步扩大，并和传统的磁盘展开激烈的竞争。
(3)显示技术
显示技术是信息光电子技术中市场最大的一类技术，包括用于电视、计算机、家用电器的显示器、大屏幕显示、激光打印机、复印机和光电扫描器等等。在这个领域，当前世界各国竞争的主要技术之一是平板显示技术，包括液晶等离子体平板显示器。其中液晶大屏幕彩色显示器在下一世纪有望逐步取代现在的阴极射线显像管，从而制造出壁挂式电视机、大屏幕高清晰度电视和便携式计算机等等。
(4)光学传感器
光学传感器是一种新兴的信息获取技术，对国民经济和国防建设具有十分重要的作用。它包含的内容十分丰富，例如激光测距，雷达和军用制导，各种红外探测器及电荷耦合器件(CCD)阵列成像系统等。光纤传感器是一种正处于开发应用阶段的光学传感器。它利用激光在光纤中传播时其强度、相位、偏振和波长可以随外界物理量的改变而变化的特点，制成电场、电流、磁场、压力、温度、流量、速度、位移、振动、气体成分和浓度、核辐射等几十种传感器。光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐恶劣环境和成本低等优点，它与材料科学相结合，正在发展成为一种有重要应用前景的“智能材料”。
(5)光学互连技术
光纤具有大容量、高速度的信息传播能力。但在光纤与通信设备之间，光纤与电子计算机之间的联接还要通过专用的电路和接口才能实现，这个接口人们常称之为收发器。目前，在国家级的通信干线设备上和在大型计算机的机柜之间已开始采用光纤互连代替电缆互连，人们还着手解决印制板之间的光互连，并正在研究微电子芯片之间的光互连技术，从而最终做出光电子集成芯片。
光电子技术应用的发展趋势
随着光电子器件的多样化、微型化和各种功能和技术指标的发展，光电子技术的应用将更加广泛，对国民经济和军事的影响更日益深刻和巨大。
1．产品不断更新换代和推广应用
已有光电子技术。如光纤通信、光存储、图像信息的获取、图像的显示、光纤传感、激光加工、激光医疗、激光硬拷贝等技术。将由于有关光电子器件的固态化、集成化和廉价化而不断升级换代，并更广、更快地推广应用。比如，光纤进入千家万户，集新闻、通信、娱乐、教育、购物、办公、求医和理财于一体，深刻改变着人们的工作和生活方式。在军事上，已有的光电子装备，如光电火控、光电制导、光电遥感、光电侦察、光电对抗等技术，也将由于光电子器件功能和指标的提高而不断升级换代，作用距离更远，对目标的识别、分辨本领更强，可靠性更高，体积更小，质量更轻，耗电更省，从而大大提高武器装备的威力。例如，光电制导向智能化方向发展，使光电制导武器可以在作战区以外发射(从而保证武器平台的安全)并且“发射后不管”，自动识别和跟踪目标直至命中。又如，光陀螺微型化，质量仅几克，很容易嵌入各种武器平台实现惯性导航。
2．各类高新技术结合开拓新的技术和应用
各种高新技术相互交叉和渗透是必然趋势。光电子技术同微电子技术的紧密结合已是常见的事，进一步发展可能难以将它们严格区分开。光电子技术同生物技术结合，已出现光生物学和生物光电子学。前者是利用光电子技术作为认识和改造生物基因和细胞的有力工具。如改良农作物品种、制造新药等；后者则是利用生物细胞或薄膜制造新的光电子器件。正在兴起的纳米技术已同光电子技术发生密切关系，一方面利用激光技术生产纳米级超细粉末，加工直径10nm～20nm的小坑(称为纳米加工)；另一方面纳米技术为发展新一代光电子器件开辟了广阔的道路。预期在人类社会的许多根本性问题，如能源、环境保护、灾害预警、粮食生产、医疗卫生等方面都将借助光电子技术以及光电子技术同其他高技术相结合得到很大改善。
3．促进新型武器装备的出现
光电子技术在军事应用中的潜力很大，有的已崭露头角，有的还在概念研究阶段，恐怕更多的还未被开发。
例如，激光武器，激光诞生时就被军方想到，很快就投资研究。1983年美国总统里根提出“战略防御倡议”(俗称“星球大战”)计划中，激光武器作为优先发展的定向能武器，投以巨资。前苏联解体和东欧剧变后，国际局势发生重大变化，美国把重点从战略防御转移到“国家导弹防御”(NMD)和“战区导弹防御”(TMD)。1995年美国同以色列签订协议，共同研制了代号为“鹦鹉螺”的激光武器，以战区弹道导弹(如“飞毛腿”导弹)为主要攻击目标，基于化学氧碘激光器(COIL)的机载激光武器(ABL)计划经一再推迟进度，追加经费，正加紧工程演示试验。21世纪初，高能固体激光器和高能液体激光器技术显露出良好发展前景，美国军方已着手研发基于这两种激光器的激光武器。
激光雷达的研究已有很长历史，有过许多样机和试验，也有不少科研用产品，预计随着激光器和相关技术的进步，将出现多种军用激光雷达。如三维成像激光雷达、化学和生物战剂探测雷达、目标识别激光雷达等。
无人飞机、无人潜艇和战场机器人是当前各发达国家竞相发展的新型武器。有的用于情报侦察，其造价低，而获得的情报详尽；有的用于探测和排除地雷、水雷；有的用于作战。它们的运动(地面行走、水下潜航、空中和太空飞行)和执行任务(侦察、探测、爆破等)都离不开光电传感器。
正在研究的采用分布式光纤传感器的“灵巧蒙皮”与“灵巧结构”技术一旦成熟，用于飞机，将使其安全性大为提高；“智能”结构和蒙皮还可以推广应用到其他武器平台和防御工事上，以增强其防御能力。
在高技术战争中，信息共享是一件意义重大的事，一个部队、分队甚至单个战士，如果在战场上随时随地都了解自己所在的准确位置和有关的敌我部队的分布情况，那么他就不至于迷失方向，可以发挥更大的主观能动性，从而避免或减少损失，增加生存和取胜的机会。同时，如果前沿的每个分队和战士能将他了解和掌握的敌方情况及时准确地向上级报告，这些情报也加入情报网进行处理。那么整个情报网的情报来源就会大大扩展，并可在进行信息融合时去伪存真，战场态势就会更加详尽，了如指掌。在这样一个信息共享的系统中，光电子技术将发挥重要作用，包括以激光测距测向仪精确测定目标位置和以其他光电侦察设备获得情报，并通过通信网络传到指挥所，用平板显示器以不同比例和不同详尽程度显示战场态势等。