1、光電子技術的發(fā)展態(tài)勢及應用畢業(yè)論文 光電子技術的發(fā)展態(tài)勢及應用 摘要:光電子技術是21世紀的新技術,它將對整個科學技術的發(fā)展起到巨大的推動作用.當前光電技術已經滲透到了許多科學領域.光電子技術已經融入了我們的日常生活,相信在今后的生活中,光電子技術必定得到更多的應用,本文討論了光電子技術的發(fā)展的歷程,以及光電子技術在軍事,航天,醫(yī)療等領域的應用,和發(fā)展趨勢。 引言:隨著1960年激光的出現(xiàn)光電子技術開始迅猛發(fā)展。激光器是光波短的相干輻射源,能發(fā)射激光的裝置。它的理論基礎是愛恩斯坦在1916年奠定的。1954年制成了第一臺微波量子放大器,獲得了高度相干的微波束。1958年微波量子放大器原理推廣應

2、用到光頻范圍,1960年制成了第一臺紅寶石激光器。1961年制成了氦氖激光器。1962年創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后,激光器的種類就越來越多。按工作介質分,激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。這些激光器為光與物質相互作用的研究提供了一個嶄新的、極其有效的工具,極大地推動了光電子技術的發(fā)展。幾乎在第一臺激光器誕生之時起,人們就開始探索激光的應用,特別優(yōu)先考慮激光的軍事應用。1961年,第一臺激光測距儀出現(xiàn),其后,各種激光制導武器、激光致盲武器、激光毀滅性武器等相繼研制成功,激光可控核聚變等也在不斷成熟中。 1964年,美國rca公司發(fā)現(xiàn)了液晶的多種光電效應、賓主

3、效應、動態(tài)散射效應和相移存儲效應,為液晶顯示器、液晶光閥等器件的研制奠定了技術基礎。液晶,即液態(tài)晶體(liquid crystal,lc),是相態(tài)的一種,因為具有特殊的理化與光電特性,20世紀中葉開始被廣泛應用在輕薄型的顯示技術上。自此,平板顯示器技術以液晶顯示器發(fā)展最快,其他平板顯示器,包括等離子體顯示器、有機電致發(fā)光顯示器等許多品種也相繼問世并不斷發(fā)展。 1966年,光纖技術開始發(fā)展。當年英籍華人科學家高錕等提出了實現(xiàn)低損耗光學纖維的可能性,為光纖通信開辟了道路。 20世紀70年代,光電子技術領域的標志性成果是低損耗光纖的實現(xiàn),半導體激光器的成熟以及ccd的問世。1970年,美國研制出損耗

4、為20db/km的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的半導體激光器,使光纖通信成為實現(xiàn)可能。自此,光纖通信得到迅猛發(fā)展。技術發(fā)展的同時,應用也在展開80年代初,日、美、英等國的光纖通信骨干網相繼建成,其他國家也競相開始自己的光纖干線網建設。 20世紀90年代,光電子技術在通信領域取得了極大成功,無論是器件還是系統(tǒng),均有大量產品走出實驗室,形成了光纖通信產業(yè)。現(xiàn)在,光纖通信技術(optical fiber communications)從光通信中脫穎而出,已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一,在現(xiàn)代電信網中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術,其近年來發(fā)展速度之快、應用面之廣是通信史上罕見的,也是世界新技

5、術革命的重要標志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。 發(fā)展狀態(tài)、特點以及優(yōu)勢 光纖通信系統(tǒng)對比傳統(tǒng)的電通信系統(tǒng)有一些顯著的特點:通信容量大、傳輸距離遠;信號串擾小、保密性能好;抗電磁干擾、傳輸質量佳,電通信不能解決各種電磁干擾問題,唯有光纖通信不受各種電磁干擾;光纖尺寸小、重量輕,便于敷設和運輸; 材料來源豐富,環(huán)境保護好,有利于節(jié)約有色金屬銅;無輻射,難于竊聽,因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外;光纜適應性強,壽命長。不可避免的,光纖通信也有一定的缺點:質地脆,機械強度差;光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設備和技術;分路、耦合不靈活;光纖光纜的彎曲半徑不能過小(20cm);有供電困難問題

6、。 光纖通信的原理是:在發(fā)送端首先要把傳送的信息如話音變成電信號,然后調制到激光器發(fā)出的激光束上,使光的強度隨電信號的幅度頻率變化而變化,并通過光纖發(fā)送出去;在接收端,檢測器收到光信號后把它變換成電信號,經解調后恢復原信息。 光纖通信是現(xiàn)代通信網的主要傳輸手段,它的發(fā)展歷史只有一二十年,已經歷三代:短波長多模光纖、長波長多模光纖和長波長單模光纖.采用光纖通信是通信史上的重大變革,美、日、英、法等20多個國家已宣布不再建設電纜通信線路,而致力于發(fā)展光纖通信.中國光纖通信已進入實用階段。 光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動通信并列為20世紀90年代的技術。進入21世紀后,

7、由于因特網業(yè)務的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應用的增長,對大容量(超高速和超長距離)光波傳輸系統(tǒng)和網絡有了更為迫切的需求。 光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息,而以光纖作為傳輸介質實現(xiàn)信息傳輸,達到通信目的的一種最新通信技術。 通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程,光頻作為載頻已達通信載波的上限,因為光是一種頻率極高的電磁波 ,因此用光作為載波進行通信容量極大,是過去通信方式的千百倍,具有極大的吸引力,光通信是人們早就追求的目標,也是通信發(fā)展的必然方向。 光纖通信與以往的電氣通信相比,主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點:它傳輸頻帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長;線徑細、

8、重量輕,原料為石英,節(jié)省金屬材料,有利于資源合理使用;絕緣、抗電磁干擾性能強;還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點,可在特殊環(huán)境或軍事上使用。 世界上光纖已經普遍采用,已成為通信網的基礎。 我國光纖通信的研究始于70 年代初,起步較早, 是70 年代末期世界上少數(shù)擁有光纖系統(tǒng)試驗段的國家之一, 但后來與國際上的差距擴大了。在七五期間, 國家加強了光纖通信的研究和發(fā)展, 重點發(fā)展長波長單模光纖、遠距離光纖通信技術和成套設備。進入90 年代以后光纖通信的應用更加迅速。 八五期間,是我國光纖通信的飛躍發(fā)展階段,主要是在國家范圍內建設一級干線,總共有22條光纜干

9、線工程,總長度約35000km,耗資約62億人民幣。建成以北京為核心, 聯(lián)絡除拉薩、臺北之外的全國所有省會城市的光纖干線網。 這22條國家干線與省內二級干線以及農化線路和中繼線相連接, 構成了全國縱橫交錯、四通八達的光纖網, 為建設我國?! 世紀的信息高速公路打下有力的基礎。 今后的發(fā)展方向, 將與世界同步, 發(fā)展同步傳送網(sdh)、異步傳遞方式(atm) 交換技術、智能網、光纖用戶網、綜合業(yè)務數(shù)字網(isdn), 迎接世界信息革命的挑戰(zhàn)。 光纖通信的一系列突出優(yōu)點, 在軍事通信上有廣闊的應用前景。外軍研制成功的野戰(zhàn)通信光纜, 不受外界干擾, 不輻射電磁波, 抗核輻射, 體積小, 重量輕,

10、通信穩(wěn)定可靠, 為在現(xiàn)代電子戰(zhàn)條件下的通信提供了一種性能優(yōu)越的手段。外軍光纖通信在陸地上主要用于局域網、遠距離戰(zhàn)術及戰(zhàn)略系統(tǒng)、特種武器控制與制導等。在海上和水下光纖通信系統(tǒng)主要 用于艦載光纖數(shù)據(jù)鏈路、航空母艦光纖通信、光纖魚雷制導、光纖反潛系統(tǒng)。光纖通信在空軍的開發(fā)應用主要有: 機載光纖數(shù)據(jù)總線、機載光纖陀螺等。總言之, 凡是用電纜通信系統(tǒng)能完成的都可以用光纖代替。作為現(xiàn)代化通信網的基礎, 光纖通信的發(fā)展將進入一個新紀元。應用更加迅速。 二、發(fā)展趨勢以及方向 中國的集成光電子器件也有一定進展。集成的小通道光開關和屬于plo技術的awg有所突破。但與發(fā)達國家尚有較大差距。如果我們不迎頭趕上,就會

11、重復如同微電子落后的被動局面。 展望國際光纖通信高技術的發(fā)展, 結合我國的國情來考慮我國的發(fā)展戰(zhàn)略非常必要。光纖通信技術的發(fā)展要結合通信網的發(fā)展來考慮。光纜通信網可以分為干線光纜網、本地用戶光纜網和海底光纜網三類。從光纖通信技術來說, 干線光纜網, 無論是一級還是二級干線, 其科研和應用發(fā)展的重點應放在常規(guī)的強度調制直接檢波(imdd)技術、光同步數(shù)字體系sdh與數(shù)字交叉連接(dxc)技術的發(fā)展和應用上。 對于摻餌光纖放大器(edfa)和密集型波分復用dwdm技術要積極開發(fā), 盡快實用化。 從本地用戶光纜網來看, 現(xiàn)階段應重點發(fā)展用戶光纖環(huán)路fitl和與有線電視catv有關的技術, 并積極開展

12、對異步轉移模式atm的本地用戶光纖通信系統(tǒng)的研究。 從海底光纜網看, 它是將來組成我國沿海光纜網絡和全球光纜網的必要技術, 對海底光纜通信技術開展研究將對我國的光電集成電路技術、光放大和波分復用技術、光孤子通信技術的發(fā)展起重要的促進作用。 光電子技術是一個比較龐大的體系,它包括信息傳輸,如光纖通信、空間和海底光通信等;信息處理,如計算機光互連、光計算、光交換等;信息獲取,如光學傳感和遙感、光纖傳感等;信息存儲,如光盤、全息存儲技術等;信息顯示,如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術是光電子學領域中最為活躍的分支。在信息技術發(fā)展過程中,電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻。但它也在

13、速率、容量和空間相容性等方面受到嚴峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體,其響應速度可達到飛秒量級、比電子快三個數(shù)量級以上,加之光子的高度并行處理能力,不存在電磁串擾和路徑延遲等缺點,使其具有超出電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點,必將大大改善電子通信設備、電子計算機和電子儀器的性能。 在微電子技術蓬勃發(fā)展的同時,人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務。比如激光器,光電探測器,太陽電池如等方面都需要光電結合。這就是早期的光電子學。隨著光電子學的發(fā)展,人們研究完全利用光來處理信息,于是誕生了光子學。所以可以說,先有了光電子學,又有了光子學。而最終的發(fā)

14、展會是光電的再次統(tǒng)一,即更高一個層次上的光電子學。現(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術和單光子技術,那時信息的載體不再是束流,而是單個的粒子。光子和電子都是利用量子力學的概念,區(qū)別只是波長不同而已。我想我們在二十一世紀肯定會走到這一步。那時既不能叫光子信息技術,也不能叫電子信息技術,應該叫量子信息技術。 由于光子具有電子所不具備的許多特性所以光子學有它獨特的優(yōu)勢。尤其在信息領域。比如通信,我們現(xiàn)在大部分主干網用的都是光纖,信息的載體都是光。由于密集波分復用技術的發(fā)展,一根頭發(fā)絲粗細的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電纜無法比擬的 。再如信息存儲技術,光盤由vcd發(fā)展到dvd,容量增大了好幾倍,未來如果研制

15、出能夠商用的藍光激光器,采用藍光波段的光來作為信息的載體,就又可以使同樣大小的光盤的容量增大近十倍。而且光具有相干性,可以實現(xiàn)全息存儲,在不到一個平方厘米的芯片上,我們可以把北京圖書館的所有的書都存進去。在計算機方面,未來的發(fā)展趨勢是光要進入計算機中,發(fā)揮光子的優(yōu)勢實現(xiàn)開關的互聯(lián),利用光來消除電子傳輸帶來的瓶頸效應。 光電子學是指光波波段,即紅外線、可見光、紫外線和軟x射線(頻率范圍31011hz31016hz或波長范圍1mm10nm)波段的電子學。光電子技術在經過80年代與其相關技術相互交叉滲透之后,90年代,其技術和應用取得了飛速發(fā)展,在社會信息化中起著越來越重要的作用。 在光盤技術的促進

16、下,近年來可見光半導體激光二極管和發(fā)光二級管得到了較快的發(fā)展。藍綠光可見光半導體激光二級管(ld)和藍綠光半導體發(fā)光二極管、黃橙紅光可見光激光二極管和高亮度黃橙紅綠光發(fā)光二極管都已商品化。今后的發(fā)展需要繼續(xù)解決提高亮度,降低價格,提高使用壽命等問題。 近紅外半導體激光和發(fā)光二極管的發(fā)射波長為0.81.0m。近紅外半導體激光二極管主要用于光纖通信和作為固體激光器的泵浦源(替代閃光燈泵浦源)。在1.3m和1.55m近紅外半導體激光二極管商品化之后,其發(fā)展勢頭受到很大影響,甚至出現(xiàn)了停止發(fā)展的跡象。隨著短距離局域網和二極管泵浦固體激光器的迅猛發(fā)展,又出現(xiàn)了新的發(fā)展。目前研究開發(fā)主要集中在單頻工作、模

17、式穩(wěn)定以及提高輸出功率等方面。近紅外發(fā)光二極管主要有超發(fā)光二極管和諧振腔發(fā)光二極管。超發(fā)光二極管是光纖陀螺儀的最佳自選光源,與一般的發(fā)光二極管相比,可提供較高的輸出功率和相對窄的發(fā)射譜。目前,在50ma工作電流下,單管超輻射輸出功率的研究水平最高達到50mw,最窄譜寬為15nm。諧振腔發(fā)光二極管是一種有前途的發(fā)光二極管,其實驗和理論效率比傳統(tǒng)發(fā)光二極管高510倍。 1.3m和1.55m近紅外半導體激光和發(fā)光二極管是現(xiàn)行通信系統(tǒng)、高速光纖通信系統(tǒng)的重要光器件,已成為廣為研究開發(fā)的光源。日本nec已開發(fā)出在單晶片上制造不同發(fā)射波長的近紅外激光二極管,采用它可大大降低多波長長途通信設備的價格。近年來

18、,國外又相繼開發(fā)出半導體孤子激光器、量子阱線或點激光器和垂直腔表面發(fā)射激光器等新型半導體激光二極管。 激光技術是一項前沿科學技術發(fā)展不可缺少的支柱。作為光電子主導產品的激光器的發(fā)展,經歷了原理上的四次變革,體積日益變小,功率不斷增大,可靠性和功率得到了很大的提高。半導體二級管激光器和固體激光器技術和發(fā)展十分迅速,其中最為突出的進展是固態(tài)化。現(xiàn)今,固體激光器的平均輸出功率已從百瓦級提高到了千瓦級。半導體激光器的功率也有很大提高,其結構和其他性能也正在經歷重大變化。與此同時,還開發(fā)出了實用價值高的新波長和寬帶可調諧激光器,包括對人眼無傷害的1.54m和2m的激光器、藍光激光器和x光激光器。 光纖是

19、隨著光通信的發(fā)展而不斷發(fā)展的,各種結構和類型的光纖支持著光通信產業(yè)的發(fā)展。目前,單根光纖傳輸?shù)男畔⒘恳堰_到萬億位。光纖作為光通信信息傳輸?shù)慕橘|,它的色散和損耗將直接影響到通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離,而常規(guī)的單模光纖已不能滿足新一代通信技術的要求,因此光纖技術又有了新的發(fā)展。迄今,光纖已經經歷了由短波長(0.85m)到長波長(1.31.55m),由多模到單模光纖以及特種光纖的發(fā)展過程,并開發(fā)出了色散移位光纖、非零色散光纖和色散補償光纖。 平板顯示(fpd)技術包括液晶顯示(lcd)、等離子體顯示(pdp)、電致發(fā)光顯示(el)、真空熒光顯示(vfd)和發(fā)光二極管顯示(led)等,除在民用領域的

20、廣泛應用外,已在虛擬顯示、高清晰度顯示、語言和圖形識別等軍用領域應用。近年來,液晶顯示以及其他平板顯示器件和技術正在大力地改進,如為解決等離子體顯示發(fā)光效率、亮度、壽命、光串擾和對比度等問題,正在進行諸如大面積精細圖形制作和保護層等工藝方面的改進,并取得了較快進展。從整體來說,平板顯示技術將繼續(xù)向著彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉價方向發(fā)展。 隨著半導體技術的迅速發(fā)展,各種類型的光電探測器,如電荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏陣列探測器等應運而生,取得了重大進展。進入90年代,光電探測器的發(fā)展方向除了開發(fā)高速響應光電 探測器外,其重點是開發(fā)焦平面陣列為代表的光電成像器件。紅外焦平

21、面陣列制作技術的日臻完善,使紅外探測技術進入了第二代。當前,降低成本是紅外探測器在民用領域得到廣泛應用的關鍵。21世紀,紅外焦平面陣列開發(fā)方向,一是在現(xiàn)有基礎上提高分辨率,二是開發(fā)多功能和智能化焦平面陣列。 隨著光通信、光信息處理、光計算等技術的發(fā)展,加之材料科學和制造技術的進展,使得在單一結構或單片襯底上集成光學、光電和電子元器件成為可能,形成具有單一功能或多功能的光電子集成回路(oeic)和集成光路(ioc)。目前,商品化的集成光路產品有調制器、開關和分路器以及采用集成光路相干通信系統(tǒng)、光纖陀螺、激光光纖多普勒干涉儀等系統(tǒng),以及用于光纖傳輸試驗的單片集成光電子集成回路。預計到2020年,光電子集成回路和集成光路的發(fā)展速度將相當于20世紀70年代的微電子技術,多功能集成光學器件和光電子集成器件將系列化,集成光學信號處理速度將達到1ghz。 我國光電子行業(yè)在科研上起步較早,也有一批水平較高的應用成果,其中光纖通信的發(fā)展尤快。在國防上的應用也開展較早,如靶場用的激光、紅外、電視等光測設備,以及紅外導引裝置、紅外熱像儀、激光測距儀、微光夜視儀等。但民用市場開發(fā)較晚,真正能形成較大生產規(guī)模的產品不多。 我國在八五計劃期