我国光电子技术与产业的发展.ppt
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1、2023/8/17,1,我国光电子技术与产业的发展,中国科学院广州电子技术研究所王天及,2023/8/17,2,摘要,简明阐述我国光电子技术的发展历程和光电子产业发展的现状指出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,加强基础建设着重分析以广州为中心创建“广东光谷”的有利条件。,2023/8/17,3,要目,前言21世纪光电子技术和产业光电子技术的发展历程及光电子产业的形成构成光电子产业的五大产业的现状和发展趋向抓住机遇,加速发展我国的光电子产业,2023/8/17,4,前言,光子学的内涵光子学Photonics
2、(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。,2023/8/17,5,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。,光子学&光子技术,Photonics,2023/8/17,6,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
3、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,预测到2010年,我国光子信息处理器件产值可达与电子信息器件产值相比拟的程度,而到21世纪中期,其规模和影响,光子产业将超过电子产业。,2023/8/17,7,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。,光电子产业,2023/8/17,8,21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
4、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。,2023/8/17,9,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。,2023/8/17,10,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
5、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。,2023/8/17,11,21世纪将是光子的世纪,世界光电子产业总产值已经超过1700亿美元,据美国光电子产业振兴协会预计,这一数字到2003年底将达到2000亿美元,到2010年,预测将超过4500亿美元。20世纪是微电子的世纪,21世纪将是光子的世纪。,2023/8/17,12,光电子产业在全世界的产值,2,2023/8/17,13,光子,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
6、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。,信息光子学,能量光子学,能量的载体,信息的载体,2023/8/17,14,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。,2023/8/17,15,光电子科学是21世纪最
7、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:,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,2023/8/17,16,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。,2023/8/17,17,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:,2023/8/17,18,1991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
8、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。,2023/8/17,19,19951996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。,2023/8/17,20,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。,红外制导及灵巧炸弹,2023/8/17,21,激光核聚变,激光核聚变不仅可
9、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。,激光核聚变装置示意图,2023/8/17,22,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。,2023/8/17,23,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,2023/8/17,24,光电子产业是高新技术的支柱产业,光电子产业是21世纪
10、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。,2023/8/17,25,(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。,耦合式G
11、aAs/AlGaAs多量子阱红外探测器结构,2023/8/17,26,(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。,2023/8/17,27,VCSEL(垂直腔面发射激光器),垂直,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,2023/8/17,28,垂直腔面发射激光器,其阈值电流可降至
12、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。,2023/8/17,29,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置,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。,2023/8/17,30,(3),
13、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,光波导光束分离,2023/8/17,31,(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。,光子晶体,2023/8/17,32,(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
14、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。,光子集成,二元光学,2023/8/17,33,(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。,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
15、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,2023/8/17,34,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-,2023/8/17,35,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
16、、传真机;激光测距,激光制导,激光武器等。,2023/8/17,36,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。,2023/8/17,37,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
17、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。,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,2023/8/17,38,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。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然,一束深红色的亮光从装置中射出,它被命名为Laser,是英文“受激辐射光放
18、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。,Theodore Harold Maiman Born Jul 11 1927,2023/8/17,39,光与光子学电与电子学之比较,1,光与光子学,电与电子学,2023/8/17,40,光子器件与电子器件性能比较,2,2023/8/17,41,光子器件与电子器件性能比较,3,光子器件,电子器件,性能,2023/8/17,42,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,
19、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。,2023/8/17,43,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。,2023/8/17,44,光电子技术所涉及多方面的内容,(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。,2023/8/
20、17,45,兆兆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。,2023/8/17,46,(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),2023/
21、8/17,47,1310nm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。,2023/8/17,48,(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。,2023/8/17,49,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
22、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。,2023/8/17,50,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。,2023/8/17,51,光计算技术、光互连、光神经网络、光学模拟运算、光信息处
23、理、激光雷达、激光测距、光制导和光陀螺。,光陀螺,(4),光计算与信息处理技术:,2023/8/17,52,(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。,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,1,2023/8/17,53,(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。,LCOS,2023/8/17,54,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
24、光育种与遗传变异、激光医学诊断与治疗。,(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:,2023/8/17,55,高功率光纤激光器,2023/8/17,56,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。,2023/8/17,57,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
25、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置里,使用记录、显示系统或打印机获取图像。,2023/8/17,58,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,胶囊型内窥镜结构,2023/8/17,59,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。,2023/8/17,60,胶囊内窥镜在
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