光電子技術
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光電子技術(Optoelectronic Technology)
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什麼是光電子技術[1]
光電子技術是由光子技術和電子技術相結合而形成的一門新技術，它是研究光與物質中的電子相巨作用及其能量轉換相關的技術，涉及光通信、光電顯示、半導體照明、光存儲、激光器等多個應用領域，是信息和通信產業的核心技術。
光電子技術的發展[1]
光電子技術始於20世紀60年代激光器的誕生；到70年代，由於有了室溫下連續工作的半導體激光器和傳輸損耗很低的光纖，光電子技術迅速發展起來；80年代從光纖通信實用化，到光纖感測器以及激光唱機的誕生，光電子技術開始走進人們的生活；90年代，光電子技術在光通信領域取得極大成功，無論是器件還是系統走向實用化，形成了光通信產業，光通信發展到密集波分復用；21世紀光子晶體等面向全光概念的研究不斷深入，光電子技術逐漸向光子技術演進。目前，光電子技術研究熱點是在光通信領域，這對全球的信息高速公路的建設以及國家經濟和科技持續發展起著舉足輕重的推動作用。目前，國內外正掀起一股光子學和光子產業的熱潮。國際知名的科學家已經預言：光子時代已經到來，光子技術將引起一場超過電子技術的產業革命，將給工業和社會帶來比電子技術更大的衝擊。光電子技術是21世紀的前沿高科技，是國際問競爭制勝的戰略性技術。美國商務部聲稱：“誰在光電子產業方面取得主動權，誰就將在21世紀的尖端科技較量中奪魁”。日本《呼聲》月刊評論：“21世紀具有代表意義的主導產業，第一就是光電子產業”。科技界預測：到2010年，以光電子信息技術為主導的信息產業將形成5萬億美元的產業規模；2010～2015年，光電子產業可能會取代傳統電子產業，成為21世紀最大的產業，併成為衡量一個國家經濟發展和綜合國力的重要標誌。
光電子技術的特性[2]
光電子技術最大的特點是它的波長短(同電子技術相比)，即頻率高。它們的長波端波長分別為1mm和1m，相差3個數量級；短波端分別為1Onm和1mm，相差4個數量級。距離解析度高，有人對距離大於6000km的人造衛星進行激光測距時，距離解析度在1mm；頻帶寬、通信容量大，光波頻率比微波頻率約高10萬倍，因而它的帶寬與通信容量也相應提高10萬倍。在一根光纖上可通幾十萬路電路或者幾百路電視節目，這是在一般電纜通信和微波中繼通信中則是難以想像的事；光譜解析度高。光譜學是人們研究原子、分子的能級結構、能級壽命、電子組態、分子幾何形狀、化學鍵性質等多方面物質結構知識的科學，也是化學分析中進行定性定量分析的重要手段。激光光譜學與普通光譜學相比，具有極高的光譜解析度和極高的探測靈敏度。若用脈寬為波秒(ps)或飛秒(fs)級的超短激光脈衝作光譜，就可以探測和研究超快現象，如光合作用這樣若幹波秒或飛秒內發生的變化；非線性光學效應強。當光波的電場強度可以同原子、分子或凝聚態物質中束縛電子的庫侖場相比較時，可以觀察到物質與強相干光相互作用的一系列新的光學現象，統稱為非線性光學現象。
自從有了強度高和相干性好的激光出現後，才揭示出大量的非線性光學效應，包括光學二次諧波和高次諧波、光學的和頻與差頻，光學參量放大與振蕩、多光子吸收、光束白聚焦、多種受激光散射、非線性光譜效應、各種瞬態相干效應以及光致擊穿等等。
光電子技術既然是光波段的電子技術，它就必然同電子技術和光學技術有著十分密切的關係。光電子技術是電子學和光學結合的產物，電子技術的各種基本概念幾乎都可移植到光電子技術中，如放大與振蕩、調製與解調、直接探測與外差探測倍頻、和頻與差頻、參量放大與振蕩等等。
在光電子技術中，要實現電子器件和系統的功能，就離不開光學基礎技術。光電子器件和系統對光學設計、光學工藝和光學薄膜技術提出了比經典光學還要嚴格的要求。例如，激光器諧振腔對反射鏡就有許多嚴格要求，有的要求反射鏡在特定波長上具有極高(99％以上)的反射率，有的要求反射鏡有極高的透射率，有的要求反射鏡能承受很高的功率密度，如每平方釐米上千瓦(連續波激光器)，或在短時間(幾納秒)內每平方釐米承受若幹兆瓦的高功率而不損壞。兩者相互滲透，共同發展。
無論是光電轉換器件還是電光轉換器件，幾乎都離不開電子器件，有的還要配以光學元件以改善其性能。
光電子器件的發展趨勢：
(1)固態化、小型化、集成化和廉價化：目前在光電子器件中採用激光二極體陣列，或在功率不大的應用中直接用半導體激光器，使之固態化。光電子器件的集成化要比電子器件困難得多，其主要原因是用一種基質材料很難兼顧光電子和電子兩類器件的要求。人們為此在晶體材料、半導體材料和有機材料方呵做了大量研究，開始有所突破。目前所用的光電探測器多數是固態器件，由於獲取高質量(高解析度、大動態範圍)圖像信息和提高探測靈敏度的需要，人們正在擴大探測器的規模(光敏元數量)。素有“巨型微電子器件”之稱的平板顯示器已取代了陰極射線管而作為顯示器。
(2)工作波段範圍擴大，響應速度加快：為了滿足各方面的使用要求，人們正在通過各種途徑研製特定波長的激光器，包括探索新的工作物質、利用非線性光學效應產生新波長或新的可調諧波段。同時，人們也在研究快速響應單元、多元和麵陣光電探測器，將攻剋若幹特定波長的快響應高靈敏度探測器以及高速CCD。
(3)更加適應各種環境光電子器件的固態化和集成化，以及良好的材料技術，使之能適應高溫、低溫、高濕、乾燥、灰塵等環境。
(4)產品不斷更新換代的光電技術，如光纖通信、光存儲、可見光和紅外圖像信息獲取、圖像的顯示、光纖感測、激光加工、激光醫療、激光硬拷貝等技術，將有關光電子器件固態化、集成化和廉價化並不斷升級換代。
(5)各類高新技術結合開拓新的技術和應用使各種高新技術相互交叉和滲透已成為必然趨勢。光電子技術同微電子技術正在緊密結合，以致難以嚴格分開。光電子技術同生物技術結合，已出現光生物學和生物光電子學。正在興起的納米技術已同光電子技術發生密切關係，一方面利用激光技術生產納米超級細粉末，另一方面納米技術為發展新一代光電子器件開闢了廣闊的道路。
光電子技術包括各種光電子器件及其應用技術，如陰極射線管、電子發光顯示器件、全息器件、變像管、激光器、發光二極體、光調製器、液晶顯示器、光存儲器、光波導、光隔離器、光探測器、太陽能電池、攝像管、CXTD成像器件、光纖光纜、光無源器件、平板顯示器件、集成光路和光電子集成技術等。
光電子技術的應用[3]
光電子技術的具體應用目前主要包括有：光纖通信技術、光碟存儲技術、顯示技術和硬拷貝技術、光學感測器技術及光學互連技術。
(1)光纖通信技術
光纖通信技術已經商業化，並正在逐步取代傳統的微波同軸電纜通信。現在全世界敷設的通信光纖總長度超過5000萬千米，相當於地球到月球距離的130倍。商業化的光纖通信系統的速率是2．5*109比特／秒，到本世紀末的目標是1010比特／秒。這個傳輸速率意味著在一對和頭髮絲差不多粗細的光纖中，可以同時傳送大約12萬路電話。21世紀人們對通信的要求就不會只滿足於電話了，信息高速公路(正式名稱是國家信息基礎設施)將把電視、電話、電腦數據、圖文傳真、音樂等大量綜合信息服務業務同時由光纖通信網傳到千家萬戶。
(2)光碟存儲技術
這是用極小(小於1微米，1微米=10 − 6米)的激光斑點在光碟錶面的特殊材料上寫入(記錄、存儲)和讀出數字化信息的技術。激光的斑點可以聚焦到亞微米尺寸，所以光碟的存儲密度極高，比同規格的磁碟大幾百倍。目前廣泛使用的有：激光唱盤、視盤、電腦外部存儲庫、電子圖書館等。近幾年，又開發出可擦洗、可重寫的磁光光碟，其性能更加優越，它的應用領域必將進一步擴大，並和傳統的磁碟展開激烈的競爭。
(3)顯示技術
顯示技術是信息光電子技術中市場最大的一類技術，包括用於電視、電腦、家用電器的顯示器、大屏幕顯示、激光印表機、複印機和光電掃描器等等。在這個領域，當前世界各國競爭的主要技術之一是平板顯示技術，包括液晶等離子體平板顯示器。其中液晶大屏幕彩色顯示器在下一世紀有望逐步取代現在的陰極射線顯像管，從而製造出壁掛式電視機、大屏幕高清晰度電視和攜帶型電腦等等。
(4)光學感測器
光學感測器是一種新興的信息獲取技術，對國民經濟和國防建設具有十分重要的作用。它包含的內容十分豐富，例如激光測距，雷達和軍用制導，各種紅外探測器及電荷耦合器件(CCD)陣列成像系統等。光纖感測器是一種正處於開發應用階段的光學感測器。它利用激光在光纖中傳播時其強度、相位、偏振和波長可以隨外界物理量的改變而變化的特點，製成電場、電流、磁場、壓力、溫度、流量、速度、位移、振動、氣體成分和濃度、核輻射等幾十種感測器。光纖感測器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐惡劣環境和成本低等優點，它與材料科學相結合，正在發展成為一種有重要應用前景的“智能材料”。
(5)光學互連技術
光纖具有大容量、高速度的信息傳播能力。但在光纖與通信設備之間，光纖與電子電腦之間的聯接還要通過專用的電路和介面才能實現，這個介面人們常稱之為收發器。目前，在國家級的通信幹線設備上和在大型電腦的機櫃之間已開始採用光纖互連代替電纜互連，人們還著手解決印製板之間的光互連，並正在研究微電子晶元之間的光互連技術，從而最終做出光電子集成晶元。
光電子技術應用的發展趨勢[4]
隨著光電子器件的多樣化、微型化和各種功能和技術指標的發展，光電子技術的應用將更加廣泛，對國民經濟和軍事的影響更日益深刻和巨大。
1．產品不斷更新換代和推廣應用
已有光電子技術。如光纖通信、光存儲、圖像信息的獲取、圖像的顯示、光纖感測、激光加工、激光醫療、激光硬拷貝等技術。將由於有關光電子器件的固態化、集成化和廉價化而不斷升級換代，並更廣、更快地推廣應用。比如，光纖進入千家萬戶，集新聞、通信、娛樂、教育、購物、辦公、求醫和理財於一體，深刻改變著人們的工作和生活方式。在軍事上，已有的光電子裝備，如光電火控、光電制導、光電遙感、光電偵察、光電對抗等技術，也將由於光電子器件功能和指標的提高而不斷升級換代，作用距離更遠，對目標的識別、分辨本領更強，可靠性更高，體積更小，質量更輕，耗電更省，從而大大提高武器裝備的威力。例如，光電制導向智能化方向發展，使光電制導武器可以在作戰區以外發射(從而保證武器平臺的安全)並且“發射後不管”，自動識別和跟蹤目標直至命中。又如，光陀螺微型化，質量僅幾克，很容易嵌入各種武器平臺實現慣性導航。
2．各類高新技術結合開拓新的技術和應用
各種高新技術相互交叉和滲透是必然趨勢。光電子技術同微電子技術的緊密結合已是常見的事，進一步發展可能難以將它們嚴格區分開。光電子技術同生物技術結合，已出現光生物學和生物光電子學。前者是利用光電子技術作為認識和改造生物基因和細胞的有力工具。如改良農作物品種、製造新藥等；後者則是利用生物細胞或薄膜製造新的光電子器件。正在興起的納米技術已同光電子技術發生密切關係，一方面利用激光技術生產納米級超細粉末，加工直徑10nm～20nm的小坑(稱為納米加工)；另一方面納米技術為發展新一代光電子器件開闢了廣闊的道路。預期在人類社會的許多根本性問題，如能源、環境保護、災害預警、糧食生產、醫療衛生等方面都將藉助光電子技術以及光電子技術同其他高技術相結合得到很大改善。
3．促進新型武器裝備的出現
光電子技術在軍事應用中的潛力很大，有的已嶄露頭角，有的還在概念研究階段，恐怕更多的還未被開發。
例如，激光武器，激光誕生時就被軍方想到，很快就投資研究。1983年美國總統里根提出“戰略防禦倡議”(俗稱“星球大戰”)計劃中，激光武器作為優先發展的定向能武器，投以巨資。前蘇聯解體和東歐劇變後，國際局勢發生重大變化，美國把重點從戰略防禦轉移到“國家導彈防禦”(NMD)和“戰區導彈防禦”(TMD)。1995年美國同以色列簽訂協議，共同研製了代號為“鸚鵡螺”的激光武器，以戰區彈道導彈(如“飛毛腿”導彈)為主要攻擊目標，基於化學氧碘激光器(COIL)的機載激光武器(ABL)計劃經一再推遲進度，追加經費，正加緊工程演示試驗。21世紀初，高能固體激光器和高能液體激光器技術顯露出良好發展前景，美國軍方已著手研發基於這兩種激光器的激光武器。
激光雷達的研究已有很長歷史，有過許多樣機和試驗，也有不少科研用產品，預計隨著激光器和相關技術的進步，將出現多種軍用激光雷達。如三維成像激光雷達、化學和生物戰劑探測雷達、目標識別激光雷達等。
無人飛機、無人潛艇和戰場機器人是當前各發達國家競相發展的新型武器。有的用於情報偵察，其造價低，而獲得的情報詳盡；有的用於探測和排除地雷、水雷；有的用於作戰。它們的運動(地面行走、水下潛航、空中和太空飛行)和執行任務(偵察、探測、爆破等)都離不開光電感測器。
正在研究的採用分散式光纖感測器的“靈巧蒙皮”與“靈巧結構”技術一旦成熟，用於飛機，將使其安全性大為提高；“智能”結構和蒙皮還可以推廣應用到其他武器平臺和防禦工事上，以增強其防禦能力。
在高技術戰爭中，信息共用是一件意義重大的事，一個部隊、分隊甚至單個戰士，如果在戰場上隨時隨地都瞭解自己所在的準確位置和有關的敵我部隊的分佈情況，那麼他就不至於迷失方向，可以發揮更大的主觀能動性，從而避免或減少損失，增加生存和取勝的機會。同時，如果前沿的每個分隊和戰士能將他瞭解和掌握的敵方情況及時準確地向上級報告，這些情報也加入情報網進行處理。那麼整個情報網的情報來源就會大大擴展，並可在進行信息融合時去偽存真，戰場態勢就會更加詳盡，瞭如指掌。在這樣一個信息共用的系統中，光電子技術將發揮重要作用，包括以激光測距測向儀精確測定目標位置和以其他光電偵察設備獲得情報，並通過通信網路傳到指揮所，用平板顯示器以不同比例和不同詳盡程度顯示戰場態勢等。
