光电子技术的进展.ppt

,光电子技术,何大伟 教授博导 北京交通大学光电子技术研究所（一号教学楼206室）电话:51688018,人类迈进了信息时代 光电子技术的主要进展 什么是光电子技术 光电子技术趋势,信息生命能源材料,高新技术的代表,信息科技最活跃发展最迅速影响最广泛最深刻经济效益最明显的科技领域。,21世纪将是信息时代，人类将迈入了信息社会。,人类迈进了信息时代,1.看看今天社会的快速变化：通信事业迅速发展：电缆通信、微波通信、光纤通信、卫星通信、水底通信、空间通信 固定通信、移动通信、个人通信,多媒体技术广泛应用：声音、图像、文件、数据、文字,三网合一和三电一体将实现：电话网、有线电视网（CATV）、计算机网统一营运；电脑、电器、电信产品的功能将融为一体，实现器智能化、数字化。,信息高速公路迅速浪潮在全球兴起，带动高新技术和交叉学科发展,使计算机网络进入千家万户，迅速改变人们的工作方式、思维方式和生活方式。,国际互连（Internet）网宽带综合业务网（B-ISDN）,信息产业（I T）占国民生产总值（GNP）的比例越来越大：,Information Technology:信息技术与设备制造业信息服务业,发达国家：4060；新兴工业化国家：2540；发展中国家：25以下；我国（2008）：25以上。,2 什么是信息？特征是什么？,信息是客观世界中各种事物的特征及其发展变化的反映。,信息 消息！,信息有以下特征：信息是客观的，不是臆想的；信息和物质、能量一样是一种重要的资源，可供人们利用；信息有共享性，大家都可采集、接收和利用；信息有动态性、可扩充性（可以增加或减少）；信息可压缩性和被解压，可对繁杂的信息进行整理、概括。信息具有可传递性。信息是可以严格定量计算和测量的物理量。,信息量I被定义为以2为底的同等概率事件数目N的对数：I=log 2 N 单位：bit(比特)例如，转动硬币后，只有正和反两种同等概率事件，故I=1bit。,不同时代生产力、资源、工具的比较,3.信息社会的主要特征：传统工业为主社会转向信息产业为主社会。,信息资源充分利用信息技术迅猛发展和应用信息产业巨大发展大大提高工作学习效率和创新能力大大提高物质文明和精神文明水平,使社会和生活发生巨大变革。,1883年，爱迪生在一次改进电灯的实验中，将一根金属线密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了灯丝与金属线之间的空隙。1884年，他取得了该发明的专利权。这是人类第一次控制了电子的运动，这一现象的发现，为20世纪蓬勃发展的电子学提供了生长点。,光电子技术的主要进展,JJ汤姆逊(英国),1897年英国物理学家JJ汤姆逊实验确立了带负电的粒子-电子的存在,在电子学领域,光电子技术的主要进展,1901年美国科学家罗伯特密立根测量出了电子带电量的大小。,密立根观察了一个又一个小油滴。最后他总结出带电量并非连续，而是具有一级一级的固定数值。它的最小单位自然就是电子的带电量了。(列第三位),这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了1923年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。,密立根(美国),在电子学领域,1899年马可尼发送的无线电信号穿过了英吉利海峡(600千米)接着又成功穿越大西洋，从英国传到加拿大的纽芬兰省。,“无线电之父”马可尼,无线电通信的发明，也是日后无线电广播、电视甚至手机的先兆。1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖。,光电子技术的主要进展,他把爱迪生及马可尼两位大师的发明成果结合起来，着手研究真空电流的效应。1904年，他发明了真空二级管整流器。,(Fleming,Sir John Ambrose 18491945),弗莱明发明的整流器发明了真空二级管整流器,1910年，德福累斯特首次把它用于声音的传送系统。1916年，在他的主持下，建立了第一个广播电台，开始了新闻广播。到本世纪的 20年代，真空电子器件已经成为广播事业与电子工业的心脏，它推动着无线电、雷达、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速发展。,1906年，美国人德弗雷斯特在弗莱明的二极管中又加入一块栅极，制成可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。,19-20世纪，电磁学得到了飞跃的发展不断开发了各种电的应用技术。,电能作为能源具有瞬时移动性和可控制性,广泛用于照明、动力等方面,电子学正是研究电信号的控制、记录、传递及其应用的一门科学。,光电子技术的主要进展,1958年，半导体集成电路问世，不仅使高速计算机得以实现，还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。,肖克莱、巴丁、布拉顿,电子学与信息技术的第一次重大变革发生在本世纪50年代。,肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体管的发明，揭开了电子革命崭新的一页。,他本人也由于这一重大贡献，和科学家巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学奖诺贝尔物理学奖。,电子电路不能在同一点重叠相交，这种空间的不共容性限制了密集度的提高；集成电路的平面结构只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，要使信息贮存密集度再提高4个数量级，实现非定址的联想记忆(associative momery)，以发展人工智能，必须发展三维并列处理机构。,电子学已经出现不能适应新的要求的征兆?,1970年半导体激光器在室温环境下的连续激射获得成功。,在通信史上，跳过了为增大信息传输量而开发的毫米波通信阶段，直接由微波通信转移到光纤通信。,正在这时候，低损耗的光导纤维的试制又获得了成功，光纤通信成为现实。,光电子技术的主要进展,光纤通信技术的开发促进了,作为光源的激光器作为接收器件光探测器的发展,光调制器、光波导、光开关、光放大器以及光隔离器等各种光学部件的发展。,在电子学技术中采用小尺寸的光学零部件的组合。,光电子技术的主要进展,光技术的发展没能够超过电子技术的发展,期待着在电子学中采用光技术。,想得到更多的信息量、更高的演算速度，用现存电子技术是不可能实现的。,光信号传输方式要比用电布线好得多，超并行计算机的配线方式，,光子学的信息荷载量要大得多，光的焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波、微波短得多，经二次谐波产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。,当电子通信容量达到最大限度而不能继续扩大时，人们很自然地把目光转向波长更短的光波。,电子开关的响应最短为10-710-9秒，而光子开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子属于玻色子，不带电荷，不易发生相互作用，因而光束可以交叉。光子过程一般也不受电磁干扰。,光场之间的相互作用极弱，不会引起传递过程中信号的相互干扰。这些优点为光子学器件的三维互连、神经网络等应用开拓了光明前景。,光电子技术的主要进展,1960年激光的诞生使古老的光学获得了新的活力。激光在信息电子技术中的应用，是光学与电子学进一步相互结合而形成了一门新兴的交叉学科光电子学。1、光与电打交道可分为三个回合第一回合是19世纪60年代，Maxwell提出：光也是电磁波；第二个回合，19世纪末20世纪初，光电效应的实验和理论发展。第三个回合是1960年第一台激光器的诞生，它是光学发展史上的一项重大的革命。也是20世纪最主要的重大发现之一。它将人类带入了一个光子时代。,光电子大量应用是20世纪50年代以后，100多年以前出现的光电子器件是光电探测器1873年，英国W.R.史密斯发现了硒的光电导性。1888年，紫外线照射到金属上时使金属发射带电粒子。1890年，P.勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，弄清了外光电效应的实质。1929年，L.R.科勒制成银氧色光电阴极，出现了光电管。1939年，制成实用的导体材料制光电倍增管。20世纪30年代末，硫化铅探测器线可探测到3 m辐射。40年代初制成的温差型红外探测器和测辐射热计。,2、光电探测器,50年代中期，可见光波段的硫化硒、硫化镉光敏电阻荷短波红外硫化铅光电探测器投入使用。50年代末，美军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。直到20世纪90年代，美、英、法等国大力发展了中波（35m）和长波（814m）红外多元器组件，广泛用于夜视、侦查、观瞄、火控和制导系统。1992年西方各国又用成熟起来的红外平面阵列在各种成成像技术中取代多元探测器组件。,光物理的基础研究孕育了激光器的诞生,19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究,1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性,1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,1900年普朗克引入的能量量子的概念,基础性、探索性研究,3、激光器是光波段的相干辐射源,激光走向新技术的开发和工程应用阶段,1954年研制成第一台微波激射器,1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计,1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。,我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功,光电子技术的主要进展,2023/9/22,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：,四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器固体激光器（半导体激光泵浦）化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,光电子技术的主要进展,自由电子激光器x射线激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,铜蒸气激光,激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件 高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）短至x射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光应用的开创性表现在：激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提高了百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。,可擦除小型光盘的刻录母盘,激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：在工业制造中可进行精确的切削和表面改性做精密的医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,2023/9/22,激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光瞄准、制导、测距激光雷达激光陀螺激光引信激光致盲传感器高能强激光武器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,ABL,ABL,激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展,非线性光学成为一个重要研究领域：激光与介质（含大气）相互作用时产生各种非线性效应的物理本质和规律。产生的条件、特性、机理：受激拉曼散射自聚焦热晕光学和频与倍频相干瞬态光学效应等,激光技术与工程,激光加工设备,2023/9/22,激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展,非线性光学材料及非线性光学效应的几种应用：扩展激光的波长范围发展非线性光学相位共轭技术光学双稳为研究非线性系统中的动力学行为提供实用的手段；超短、超强激光将对强场超快科学、相对论非线性物理、天体物理及宇宙学的研究提供新的手段和极端条件。,利用激光的高功率、高单色性和方向性，可获得很高的光功率密度。将一个千兆瓦级（109瓦）的调Q激光脉冲聚焦到直径为5微米的光斑上，所获得的功率密度将是1015瓦/厘米2。这是普通光源根本无法做到的。特别是锁模激光器的亮度可高达 10141017瓦/（厘米2球面度）以上，比太阳亮度高几千亿倍以上。脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,光电子技术的主要进展,激光的高强度特性，激光能量在时间上和空间上高度集中，它所产生的效果，可与核武器的爆炸效果相比。,激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中，发挥了巨大的推动作用如化学物理学生物物理学（以激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究的工具就是一例）等,光电子技术的主要进展,形形色色的激光武器,激光枪,激光武器的杀伤机理 一是烧蚀效应 二是激波效应 三是辐射效应,强激光可作为热武器和致盲器），强激光可以空间极小的范围、在短时间内倾注极大的能量，产生几千万度的高温等离子体，对热核聚变反应进行激光点火。,形形色色的激光武器,舰载激光武器,形形色色的激光武器,机载激光武器,激光在信息技术领域的应用全息照相光存储大屏幕显示,光电子技术的主要进展,激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程全息照片和普通照片截然不同.,(1)全息照相,用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹 用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物 从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面 每一片碎片都包括被摄物体的完整信息,英女王的全息照片,多路合成角度全息用于艺术品展示,（2）激光全息存储,利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术 通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图。全息图是由干涉条纹组成的影像，该条纹记录了入射光线的全部信息振幅和相位 阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影像的衍射原理使其再现,激光全息存储的优点,信息存储容量大-可达1Tb/cm3 记录速度快 记录信息不易丢失-寿命可达数百年 便于长期保存-每一碎片都包含完整信息便于拷贝、复制,光电子技术的主要进展,体全息信息存储,体全息信息存储原理,光通信是利用光波作为载波来传递信息的。广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设备。,4、光纤通信,光电子技术的主要进展,由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如:马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯和航标灯等等。,光电子技术的主要进展,早在1966年，英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质的论文，当时他还是一个在英国工作的年轻工程师，他指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。,光电子技术的主要进展,高 锟-光纤通信发明家（左）,1998年在英国接受IEE 授予的奖章,光纤的损耗约为3000dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，,而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的。,高锟指出:如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以下，光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很快就变成了现实。,光电子技术的主要进展,1970年 光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司按照高锟的思路，生产出了20 dB/km的石英光纤。1972年 生产的多模光纤损耗已下降到 4 dB/km 1973年 美国贝尔（Bell）实验室生产的光纤损耗为 2.5 dB/km，1974年已下降到 1.1 dB/km。1976日本 NTT 公司已减小到 0.47 dB/km。80年代初 单模光纤在波长 1550 nm 的损耗已降到 0.2 dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。90年代初，光纤放大与光波分复用两种技术结合，将充分发挥世界上已建成的超过1107km单模光纤长途通信网的频带潜力，使其传输能力至少提高一个量级。90年代初中期，光纤激光器、光纤光栅等光纤元器件崭露头角。光纤技术呈现持续蓬勃发展局面。,光电子技术的主要进展,世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤。波分复用技术和光纤技术的突飞猛进，现在一根光纤上的传输容量每 912个月就翻一番。5Gb/s系统已在横跨太平洋的海底光缆系统(TPC-5/6)中使用。2002年阿尔卡特在 C 波段和 L 波段成功地进行了10.2 Tb/s(25642.7 Gb/s)距离为 3100 km 的传输试验。,通信和计算机技术的发展，出乎许多人的预料。电子传输设备速度的高速增加只有光纤线路的容量才能满足。硅数字器件速度充其量可达到 12 Gb/s，而镓砷器件的速度是硅器件的 25 倍。10 Gb/s 的高速集成电路已经开发出来，200 Gb/s 的晶体管和 40 Gb/s 的集成电路也已逐渐成熟。,光电子技术的主要进展,新华网斯德哥尔摩10月6日电 瑞典皇家科学院6日宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。,科学家高锟因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路电荷藕合器件图像传感器CCD”获此殊荣。,