光电子技术信息论导论张继华
2
Outline
光电子技术的发展
光电子技术的主要领域及应用
光电子技术展望
3
1.光电子技术的发展
光电子学（ Optoelectronics）
研究光波与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科,
光学
电子学 光电子学
半导体激光器
光导纤维技术
4
What is Optoelectronics?
Optoelectronics Materials & Components
Display and Optoelectronics devices
Opto Information
Input / output equipment and optical
storage
Opto Telecommunications
Devices,carriers and systems
Lasers and Laser Applications
Laser sources,systems and applications
5
Optoelectronics
6
Can you tell how many kinds of
displays are found in the market?
7
Components of opto-electronics
Light emitting diodes (LED)
Laser diodes (LD)
Why and how these diodes emit light?
To answer the question we need to
understand;
diodes
semiconductors
pn junctions
Solid state physics
underlying these
semiconductor devices is
necessary
8
光电子技术是科学技术中的先导技术
当今世界上几乎所有领域的各个学科都在应用光电子技术
民用领域
太阳能电池
信息显示
军事领域：
夜战
精确制导
1.光电子技术的发展
9
1.光电子技术的发展
美国时代杂志,21世纪将成为一个光电子时代。
我国光电子产业已初具规模。
有的达到世界先进水平（量子阱材料和器件、
光电集成 (OE-IC)、和光子集成 (PIC)技术）
总体上还有差距
10
Who are the major players?
華為
中興
峰火
大唐
Onet
Nortel
Foxconn
Alcatel
Philips
TDK
Osram
JDSU
Corning
Koncent
Cisco
PMS
11
Why Optoelectronics?
Faster
Higher capacity
Higher definition
Higher precision
More channels
12
2.光电子技术的主要领域及应用
激光技术
红外技术
光纤通信技术
信息显示技术
13
2.1 激光技术
1960年 5月 美国 第一台 红宝石激光器
激光 —— 20世纪又一重大发明（原子能、
半导体、计算机）
计算机 —— 大脑
激光 —— 五官
14
激光及其特性
亮度高
能量高度集中在很小的立体角内）。 可用于打孔、切割、焊接等工业加工，激光手术刀可用于外科手术。
方向性好
激光束的发散角很小，可用于定位、导向、测距等。
如激光测定月地距离（ 3.8?106 km)，误差仅为几十厘米。
单色性好
如 He－ Ne激光器发射的 632.8nm的谱线宽度仅为 10-
9nm。可用作光频计时标准。
相干性好
利用激光光源进行有关的光学实验具有独特的优点。
15
激光器 Laser
LASER
=Light Amplification by
Stimulated Emission of
Radiation 受激辐射式光频放大器
16
受激辐射 ----处于高能态的原子，在产生自发辐射前，若受到能量为 的外来光子的诱发作用，
就有可能从高能态 E2跃迁到 E1,同时发射一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子。
12 EEh
若受激辐射能在原子之间连续发生，就会得到大量的特征相同的光子 ----光放大 。 受激辐射的光之间是相干的。
h?
发光后
h?
Ｅ 2
Ｅ 1
发光前
h?
激光器 Laser
17
激光器 Laser
一种崭新的人造光源，
基本结构：
激光工作物质
产生激光的物质，处于非热平衡状态，增益介质 M1 M2
工作物质谐振腔激 励 能 源激光
光学谐振腔
由一对反射镜构成，选择具有特定频率的光输出
激励源
一种能源，使腔内介质由一般物质变成具有增益的激活介质，使其处于非热平衡状态（建立起粒子数反转状态）
18
2.2 红外技术
红外技术 —— 研究红外光辐射的产生、传播、转化、测量以及应用的技术。
wavelength,2.5-15 mm; frequency,4000-650 cm-1
伴随军事需要而迅速发展起来
1800年 英国天文学家 赫舍耳
二战引起重视，迅猛发展，军用
与雷达相比,结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强
与可见光相比,透过烟尘能力强、可昼夜工作
19
红外技术的应用
穿透大气和云雾能力强 —— 通信、导航、
制导、定位、跟踪、侦察和夜视
红外遥感 —— 战略侦察、预警、气象、地质资源勘测、卫星等
工业 —— 高温、高压、高速运转设备监控或检测
电子 —— 检查半导体器件、集成电路、印刷电路
医疗 —— 皮下肿瘤、血管疾病、皮肤病等
20
红外技术的应用
21
红外技术的基本功能
远红外辐射加热技术
辐射源的辐射波长和被辐照物体的吸收波长相一致时，物体吸收辐射能
红外测温技术
辐射功率由物体的温度决定。如果测定了物体所发射的辐射光功率，就可确定物体的温度。
不需接触被测物体，不会影响被测物体的温度分布
反应速度快
灵敏度高
22
红外技术的基本功能
红外成像技术
将红外图像直接或间接转换成可见光图像的技术。
能将物体的温度分布转换成图像，以直观、形象的热图像显示出来。
红外线变像管成像
红外摄像管成像
光学机械扫描成像
CCD成像
红外无损检测
利用物体表面温度差异检测物体内部缺陷的一种方法
火箭发动机壳体及内层缺陷检测
集成电路元器件温度信息
多层印刷电路板质量检测
23
2.3 光纤通信技术
光纤通信是通过光导纤维传输信息的通信方式
早在电话机发明后，人类便尝试着以光作为通讯的媒介。
1880年时 贝尔（ Graham Bell）便利用太阳光直接调变进行光波电话的实验。
1970年 美国卡布伦（ Kapron） 单模光纤证实了光纤可用于大量传送讯号，但此时光纤传送的损耗率约有 20dB/km之多。
24
光纤的结构
光纤为 光导纤维 的简称。它透明、纤细，
虽比发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖 一层塑料 加以保护，光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，
光导纤维 为传输介质的一种通信方式。
25
Fibreoptic cable
www.howstuffworks.com
26
低损失,光纤来传送时，因为其石英纤维材质，所以传送损耗率相当低，相对的传送距离便可拉长
宽带带,光纤的频宽相当大，理论上一条光纤相当于 670万 个频道的电视缆线，如此大的频宽若全部加以利用，网络拥塞便可得以解决。
光纤的优点
27
光纤的优点
尺寸小,使得光纤和光纤在空间的利用上获得很多便利，如它可用于飞行器材、
船上以及城市拥挤的地下导管等。
不导电、不辐射、不感应,可以避免利用金属作为传输介质所引起的辐射干扰，
地回路以及感应相关的麻烦。
重量轻,光纤材质又细又轻，在铺设方面相当容易，可省下不少人力成本 。
28
光在光纤中的传播
当光线以某一角度射入纤维端面时，入射光线与纤维轴心线之间有一夹角，称为纤维端面入射角。光线折射进入光纤芯子后，继续入射到纤芯与包层之间的交界面上。
当射入纤芯和包层交界面的光线的角度合适时，就可以产生全反射。否则光线就可能进入包层。所以，进入光纤中的光必须以一定的角度范围入射。
29
传输衰减小，传输距离长。
传输频带宽，通信容量大。
抗电磁干扰，传输质量好。
体积小、重量轻、便于施工。
原材料丰富，节约有色金属，有利于环保。
易碎不易接续。
光纤通信的特点
30
光纤通信技术的发展
改善单模光纤特性的研究
损耗
色散
研制新型的光电子器件
发展中的光纤通信系统
今后光纤通信系统的发展方向是大容量、长距离、
超小型和全光化
波分复用系统
超长波长通信系统
光纤相干通信系统
全光通信系统
31
Outline
光电子技术的发展
光电子技术的主要领域及应用
光电子技术展望光电子技术展望
32
3.1 激光技术的发展方向
1,高功率、高能量激光器
用于激光核聚变的高功率激光器
用于激光武器的高能激光器
摧毁导弹、卫星
高功率激光用作火箭推动
不需燃料
2,超短脉冲激光技术
可研究纳秒、皮秒和飞秒的时间尺度上，研究自然界快速发生的过程，如化学反应、熔融、
光致合成、视觉、半导体物理等
33
3.1 激光技术的发展方向
3,蓝色光激光技术
全色平板显示和投影电视方面，使颜色范围更宽，图像更加饱满
激光打印提高分辨率
4.紫外波长激光器
波长短，精度高 —— 用于集成电路光刻、微加工、微量污染物测量、细胞分析、光谱分析
小型、高平均功率、高可靠性、成本低 —— 代替准分子激光器
34
3.1 激光技术的发展方向
5,X射线激光器
碰撞技术
放电技术
电子复合技术
谐波法
6,量子点激光器
阈值更低
效率更高
热效应小
揭示 DNA的秘密
癌症
化学反应过程
35
3.2 红外技术的发展
红外焦平面器件发展成高密度、快响应、
元件数达 106-108元以上的大规模集成器件
双色、多色 (多波段 )红外器件的发展
目标识别
光电对抗
探测器在焦平面上实现神经网络功能 ——
智能化
提高探测器工作温度
不需制冷，使整机更精巧、更可靠，全固态化
提高成品率，降低价格
36
3.3 光纤技术的发展
1,石英光纤、光缆制造技术的发展
发展轻、细的多芯高密度光纤
研究新型的光缆填充阈被覆材料
2,其他类型光纤的发展
超低损耗与超低色散光纤
大功率传输光纤
保偏光纤和激光光纤
37
3.3 光纤技术的发展
光无源器件的发展
多芯连接器
降低成本
光纤应用开发及其未来前景
38
谢谢
2
Outline
光电子技术的发展
光电子技术的主要领域及应用
光电子技术展望
3
1.光电子技术的发展
光电子学（ Optoelectronics）
研究光波与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科,
光学
电子学 光电子学
半导体激光器
光导纤维技术
4
What is Optoelectronics?
Optoelectronics Materials & Components
Display and Optoelectronics devices
Opto Information
Input / output equipment and optical
storage
Opto Telecommunications
Devices,carriers and systems
Lasers and Laser Applications
Laser sources,systems and applications
5
Optoelectronics
6
Can you tell how many kinds of
displays are found in the market?
7
Components of opto-electronics
Light emitting diodes (LED)
Laser diodes (LD)
Why and how these diodes emit light?
To answer the question we need to
understand;
diodes
semiconductors
pn junctions
Solid state physics
underlying these
semiconductor devices is
necessary
8
光电子技术是科学技术中的先导技术
当今世界上几乎所有领域的各个学科都在应用光电子技术
民用领域
太阳能电池
信息显示
军事领域：
夜战
精确制导
1.光电子技术的发展
9
1.光电子技术的发展
美国时代杂志,21世纪将成为一个光电子时代。
我国光电子产业已初具规模。
有的达到世界先进水平（量子阱材料和器件、
光电集成 (OE-IC)、和光子集成 (PIC)技术）
总体上还有差距
10
Who are the major players?
華為
中興
峰火
大唐
Onet
Nortel
Foxconn
Alcatel
Philips
TDK
Osram
JDSU
Corning
Koncent
Cisco
PMS
11
Why Optoelectronics?
Faster
Higher capacity
Higher definition
Higher precision
More channels
12
2.光电子技术的主要领域及应用
激光技术
红外技术
光纤通信技术
信息显示技术
13
2.1 激光技术
1960年 5月 美国 第一台 红宝石激光器
激光 —— 20世纪又一重大发明（原子能、
半导体、计算机）
计算机 —— 大脑
激光 —— 五官
14
激光及其特性
亮度高
能量高度集中在很小的立体角内）。 可用于打孔、切割、焊接等工业加工，激光手术刀可用于外科手术。
方向性好
激光束的发散角很小，可用于定位、导向、测距等。
如激光测定月地距离（ 3.8?106 km)，误差仅为几十厘米。
单色性好
如 He－ Ne激光器发射的 632.8nm的谱线宽度仅为 10-
9nm。可用作光频计时标准。
相干性好
利用激光光源进行有关的光学实验具有独特的优点。
15
激光器 Laser
LASER
=Light Amplification by
Stimulated Emission of
Radiation 受激辐射式光频放大器
16
受激辐射 ----处于高能态的原子，在产生自发辐射前，若受到能量为 的外来光子的诱发作用，
就有可能从高能态 E2跃迁到 E1,同时发射一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子。
12 EEh
若受激辐射能在原子之间连续发生，就会得到大量的特征相同的光子 ----光放大 。 受激辐射的光之间是相干的。
h?
发光后
h?
Ｅ 2
Ｅ 1
发光前
h?
激光器 Laser
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激光器 Laser
一种崭新的人造光源，
基本结构：
激光工作物质
产生激光的物质，处于非热平衡状态，增益介质 M1 M2
工作物质谐振腔激 励 能 源激光
光学谐振腔
由一对反射镜构成，选择具有特定频率的光输出
激励源
一种能源，使腔内介质由一般物质变成具有增益的激活介质，使其处于非热平衡状态（建立起粒子数反转状态）
18
2.2 红外技术
红外技术 —— 研究红外光辐射的产生、传播、转化、测量以及应用的技术。
wavelength,2.5-15 mm; frequency,4000-650 cm-1
伴随军事需要而迅速发展起来
1800年 英国天文学家 赫舍耳
二战引起重视，迅猛发展，军用
与雷达相比,结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强
与可见光相比,透过烟尘能力强、可昼夜工作
19
红外技术的应用
穿透大气和云雾能力强 —— 通信、导航、
制导、定位、跟踪、侦察和夜视
红外遥感 —— 战略侦察、预警、气象、地质资源勘测、卫星等
工业 —— 高温、高压、高速运转设备监控或检测
电子 —— 检查半导体器件、集成电路、印刷电路
医疗 —— 皮下肿瘤、血管疾病、皮肤病等
20
红外技术的应用
21
红外技术的基本功能
远红外辐射加热技术
辐射源的辐射波长和被辐照物体的吸收波长相一致时，物体吸收辐射能
红外测温技术
辐射功率由物体的温度决定。如果测定了物体所发射的辐射光功率，就可确定物体的温度。
不需接触被测物体，不会影响被测物体的温度分布
反应速度快
灵敏度高
22
红外技术的基本功能
红外成像技术
将红外图像直接或间接转换成可见光图像的技术。
能将物体的温度分布转换成图像，以直观、形象的热图像显示出来。
红外线变像管成像
红外摄像管成像
光学机械扫描成像
CCD成像
红外无损检测
利用物体表面温度差异检测物体内部缺陷的一种方法
火箭发动机壳体及内层缺陷检测
集成电路元器件温度信息
多层印刷电路板质量检测
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2.3 光纤通信技术
光纤通信是通过光导纤维传输信息的通信方式
早在电话机发明后，人类便尝试着以光作为通讯的媒介。
1880年时 贝尔（ Graham Bell）便利用太阳光直接调变进行光波电话的实验。
1970年 美国卡布伦（ Kapron） 单模光纤证实了光纤可用于大量传送讯号，但此时光纤传送的损耗率约有 20dB/km之多。
24
光纤的结构
光纤为 光导纤维 的简称。它透明、纤细，
虽比发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖 一层塑料 加以保护，光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，
光导纤维 为传输介质的一种通信方式。
25
Fibreoptic cable
www.howstuffworks.com
26
低损失,光纤来传送时，因为其石英纤维材质，所以传送损耗率相当低，相对的传送距离便可拉长
宽带带,光纤的频宽相当大，理论上一条光纤相当于 670万 个频道的电视缆线，如此大的频宽若全部加以利用，网络拥塞便可得以解决。
光纤的优点
27
光纤的优点
尺寸小,使得光纤和光纤在空间的利用上获得很多便利，如它可用于飞行器材、
船上以及城市拥挤的地下导管等。
不导电、不辐射、不感应,可以避免利用金属作为传输介质所引起的辐射干扰，
地回路以及感应相关的麻烦。
重量轻,光纤材质又细又轻，在铺设方面相当容易，可省下不少人力成本 。
28
光在光纤中的传播
当光线以某一角度射入纤维端面时，入射光线与纤维轴心线之间有一夹角，称为纤维端面入射角。光线折射进入光纤芯子后，继续入射到纤芯与包层之间的交界面上。
当射入纤芯和包层交界面的光线的角度合适时，就可以产生全反射。否则光线就可能进入包层。所以，进入光纤中的光必须以一定的角度范围入射。
29
传输衰减小，传输距离长。
传输频带宽，通信容量大。
抗电磁干扰，传输质量好。
体积小、重量轻、便于施工。
原材料丰富，节约有色金属，有利于环保。
易碎不易接续。
光纤通信的特点
30
光纤通信技术的发展
改善单模光纤特性的研究
损耗
色散
研制新型的光电子器件
发展中的光纤通信系统
今后光纤通信系统的发展方向是大容量、长距离、
超小型和全光化
波分复用系统
超长波长通信系统
光纤相干通信系统
全光通信系统
31
Outline
光电子技术的发展
光电子技术的主要领域及应用
光电子技术展望光电子技术展望
32
3.1 激光技术的发展方向
1,高功率、高能量激光器
用于激光核聚变的高功率激光器
用于激光武器的高能激光器
摧毁导弹、卫星
高功率激光用作火箭推动
不需燃料
2,超短脉冲激光技术
可研究纳秒、皮秒和飞秒的时间尺度上，研究自然界快速发生的过程，如化学反应、熔融、
光致合成、视觉、半导体物理等
33
3.1 激光技术的发展方向
3,蓝色光激光技术
全色平板显示和投影电视方面，使颜色范围更宽，图像更加饱满
激光打印提高分辨率
4.紫外波长激光器
波长短，精度高 —— 用于集成电路光刻、微加工、微量污染物测量、细胞分析、光谱分析
小型、高平均功率、高可靠性、成本低 —— 代替准分子激光器
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3.1 激光技术的发展方向
5,X射线激光器
碰撞技术
放电技术
电子复合技术
谐波法
6,量子点激光器
阈值更低
效率更高
热效应小
揭示 DNA的秘密
癌症
化学反应过程
35
3.2 红外技术的发展
红外焦平面器件发展成高密度、快响应、
元件数达 106-108元以上的大规模集成器件
双色、多色 (多波段 )红外器件的发展
目标识别
光电对抗
探测器在焦平面上实现神经网络功能 ——
智能化
提高探测器工作温度
不需制冷，使整机更精巧、更可靠，全固态化
提高成品率，降低价格
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3.3 光纤技术的发展
1,石英光纤、光缆制造技术的发展
发展轻、细的多芯高密度光纤
研究新型的光缆填充阈被覆材料
2,其他类型光纤的发展
超低损耗与超低色散光纤
大功率传输光纤
保偏光纤和激光光纤
37
3.3 光纤技术的发展
光无源器件的发展
多芯连接器
降低成本
光纤应用开发及其未来前景
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谢谢
