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1、2022/12/14,1,光电信息技术Introduction to Optoelectronic Information Engineering,刘清 （13951833789）,2022/12/14,2,第0章 光电信息技术概论,0.1 基本概念0.2 主要特点0.3 主要应用0.4 发展趋势,2022/12/14,3,信息技术 （先导和核心） 新材料技术 （基础） 新能源技术 （支柱） 生物技术 （微观领域的拓展） 空间技术 （宏观领域的拓展） 海洋开发技术,0.1 光电信息技术基本概念,一、六大高技术群体,2022/12/14,4,二、信息传递模型,信息系统分析要点 信源、信宿（起点、
2、终点）载体（电子，光子，声子）变换（载体，形式，时空）信道（传输介质种类，特点） 噪声（来源，特点）系统（电子，光子，声子，混合）光电子技术研究对象是光电混合系统,2022/12/14,5,信息系统举例,图书阅读：是一个将信息从书本通过光子载体传递到人脑的过程 信源书本；信宿大脑；变换载体变换；信道大气光学通道；还原视觉、识别； 噪声影响正确识别的因素（光线暗、视力差） 信息载体变换过程：书本光子大脑。,主动系统：使用人工光源；被动系统：使用自然光源,光纤通信：是一个将信息通过光纤进行异地传递的过程 信源磁盘；变换编码，调制；信道光纤；噪声：衰减、色散；还原探测、解码；信宿磁盘。 信息载体变换
3、过程：磁盘电子光子电子磁盘,2022/12/14,6,信息传递的时空形式与变换,信息的空间传递：从此地到彼地，如光纤通信信息的时间传递：从此时到彼时，如光盘存储信息传递过程中的时空信息相互变换电视的传输：将空间信息转化为时间信息再进行传输；电影的音轨：将时间信息转化为空间信息再进行传递。,2022/12/14,7,电子信息技术：电子信息技术研究作为信息载体的电子行为及其应用的科学。电子信息技术主要研究电子信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。,三、电子信息、光电子信息、光子信息技术,光电子信息技术：是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合信息技术，涉及光信息的
4、辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。,光子信息技术：也可称光电子信息技术，它是研究作为信息和载体的光子行为及其应用的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、探测和控制的科学技术。,2022/12/14,8,四、电子信息技术与光子信息技术分类,功能,类别,2022/12/14,9,光电子技术也可以认为是光波段的电子技术,光电信息技术是电子信息技术发展的一个重要阶段，是对光波段的开拓和利用。,人类对光的认识早于电，但对光的控制与利用却落后于电。,光不仅是支持生命的重要能量来源，也是生活中的重要信息来源。,2022/1
5、2/14,10,五、光子学与电子学,众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。,2022/12/14,11,电子与光子特征比较,2022/12/14,12,光子学与电子学的发展模式对比,电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 电子工程电子产业光学 光子学 光子回路 光子集成 光子系统 光子工程 光子产业,2022/12/14,13,光子学与电子学的结合模式,(a) 全电子(EE)过程：光(O)的参与只起辅助作用(
6、如提供能源等)，如由太阳能电池供电的各种电子设备。(b) 全光子(PP)过程：电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(c) 、(d) 光电结合的光电子过程：其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。 (a)与(b)分属电子学与光子学的研究范畴。而(c)和(d)分属光电子学和电光学领域。,2022/12/14,14,光子学与电子学相互促进,20世纪是电子时代，21世纪将迎来一个光子与电子交相辉映的全新时代。信息技术 依托成熟的电子技术，与其他高科技交叉渗透，成为高技术的先导和核心。光电子信息
7、技术 是信息技术的研究与应用前沿，是影响21世纪发展进程的主要高技术。,电信 光信,2022/12/14,15,光子的优异特性,（1） 极高的信息容量和效率（2） 极快的响应能力（3) 极高的分辨本领（4） 极强的互连能力与并行能力（5） 极大的存储能力,0.2 光子信息技术主要特点,光子信息技术最根本的特征是短波高频。,2022/12/14,16,（1） 极高的信息容量和效率,作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。光波（10nm, 1mm，波长范围5个数量级）与微波（1mm, 1m，波长范围3个数量级），前者可承载信息的容量比后者高出34个量级。一个载子可承载的信息量为信息效率。光
8、子状态远比电子状态丰富，如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声有可能减小到极小值，光子的信息效率也将成量级地提高，这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。,2022/12/14,17,（2） 极快的响应能力,在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s)量级。由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲
9、可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到23个飞秒(fs,10-15s)量级。即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit /s) 。,2022/12/14,18,（3) 极高的分辨本领,1.角度分辨率： = /(2L) 电磁波波长， L 天线口径脉冲雷达： =5cm, L=1.5m, =0.0174 rad激光雷达： =10.6m, L=10.6m, =10-4rad,2.距离分辨率： R = c /2c 光速， 脉冲宽度雷达测距仪： =1 s, R=150m激光测距仪
10、： =100 ps, R=1.5cm,2022/12/14,19,（4） 极强的互连能力与并行能力,电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。 在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性。例如
11、，在第六代计算机神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。例如N=104，互连数则为108。计算机的等效运算速率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010bit / s，这差不多是目前计算机的最高水平。,2022/12/14,20,（5） 极大的存储能力,不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长 量级，因此，三
12、维存储容量为(1/ )3量级。如果使用可见光( 500nm)，光子的存储能力则可达到1012bitcm3量级。三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是电子无法与之相媲美的。此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等，并因此而产生一系列新的应用。,2022/12/14,21,信息社会的3T目标,信息传输速率：1Tb/s 信息存储容量：1T
13、b/disk, 1Tb/cm3 信息处理速度：1Tb/s光子信息技术！,2022/12/14,22,(1) 数据通信,光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪信息社会的一大要素。光纤通信将人类带入互联网时代，将世界缩为村落。,0.3 光电信息技术主要应用,2022/12/14,23,光纤通信技术发展的里程碑,1966年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文光频介质纤维表面波导，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。1970年康宁公司首先研制出损耗为20db/km的石英光纤；1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤
14、通信线路，速率为45Mb/s；上世纪70年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性；1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。 现在，光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s以上。,2022/12/14,24,光纤之父高琨2009年高锟因为在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，荣获诺贝尔物理学奖一半的奖金；博伊尔和史密斯发明了
15、半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。,2022/12/14,25,(2)科学研究,光子检测技术光谱分析技术激光光谱技术光学计量技术,2022/12/14,26,光子技术在创造世界科技的最新记录,2022/12/14,27,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
16、密通讯。,压缩态光场实验装置,2022/12/14,28,（3）医疗诊断,国外报道一种胶囊型内窥镜，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。,胶囊型内窥镜,2022/12/14,29,胶囊型内窥镜结构,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，每小时内能向数据记录仪传送近万幅图片。,2022/12/14,30,胶囊内窥镜进入胃和小肠,胶囊型内窥镜完成摄像
17、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。,2022/12/14,31,医学成像,医学成像技术在过去几年取得了突飞猛进的发展，如今，这些新技术可以甄别人体任何结构以及许多重要生物过程，比如不同的血流速度。,2022/12/14,32,核磁共振成像,核磁共振成像是追踪水分子中的氢原子，,2022/12/14,33,弥散张量成像,2022/12/14,34,X光血管成像,2022/12/14,35,CT
18、血管成像,2022/12/14,36,正电子放射层扫描(PET),2022/12/14,37,(4) 遥感测绘,光学遥感高光谱遥感、评估油等污染与亦潮灾害、目标探测与识别,2022/12/14,38,Google Earth,2022/12/14,39,2022/12/14,40,激光雷达探测大气温度、水蒸气、温度场、气溶胶、海面风场、高精度海地形测绘,2022/12/14,41,（5）生活娱乐,光笔，光盘VCD、DVD，电视，办公自动化设备，激光打印机、扫描仪、传真机，等。,2022/12/14,42,夜视侦察,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
19、光电装备构成对塞族的很大威胁。,（6）军事国防,2022/12/14,43,1991年初的海湾战争，以美国为首的多国部队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。,2022/12/14,44,红外武器,1992-1995的科索沃战争中应用了大量光电子技术，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)，造成巨大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,2022/12/14,45,光电对抗,美国波音公司在2009年8月10日成功进行了空基激光反导系统(ABL)的
20、试验，成功模拟拦截了一枚带有试验用传感器的靶弹。在试验中，波音747-400F载机从爱德华空军基地起飞，用其红外传感器探测到了从加利福尼亚圣-尼古拉斯群岛发射升空的靶弹。随后载机火控系统的激光标定装置发射了激光束对目标进行照射跟踪，最后ABL对目标发射高能激光束，成功实施了导弹拦截。,2022/12/14,46,波音747-400F空基激光反导系统(ABL),2022/12/14,47,光电子科学技术与军事技术,光电子技术使现代信息战争 看得更清、更快，打得更准， 生存能力更强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。,2022/12/14,48,一、光电子产业的发展趋势21世纪的
21、产业,上世纪末以来，以光通信为核心的光电子产业热潮席卷全球。在国际上举足轻重的光电子领域的超级企业Nortel，JDS和Lucent大举进军中国。导致在中华大地出现“光谷”浪潮。,国际光电子主导产业产值增长趋势图,0.4 光电子技术发展趋势,2022/12/14,49,2005年：光电子产业的产值达到电子产业产值水平；2010年：以光电子信息技术为主导的信息产业将形成 5万亿美元的产业规模；2010年至2020年： 光电子产业可能会取代传统电子产业， 在21世纪将成为最大的产业； 成为衡量一个国家经济发展水平和 综合国力 的重要标志之一。,国际光电子产业分析,2022/12/14,50,我国光
22、电子产业近年来的发展迅速，每年以20%递增；我国光电子产业约占全球市场的5%；2010年，我国将有450多亿美元的产值，将占到全球10%左右的市场份额。如何实现这一份额，国家对光电子产业发展高度重视， 各地“光谷”应运而生。,国内光电子产业分析,2022/12/14,51,二、光电子器件的发展趋势,小型化、集成化和廉价化工作波段范围更大响应速度更快更加适应恶劣环境,摩尔定律 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。或者说，当价格不变时, 每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,2022/12/14,52,三、
23、光电子技术应用的发展趋势,产品不断更新换代和加速推广应用各类高新技术结合开拓新的技术和应用 MOEMS，生物光电子技术，纳米技术,2022/12/14,53,四、国内光电子产业基地,我国光电子产业基地发展迅速，目前共有13个光电子产业基地,我国光电子产业基地分布示意图,2022/12/14,54,我国光电子技术在电子材料、器件、工艺和应用等方面实现了飞跃发展，奠定了坚实的技术基础并取得了一批高水平的研究成果。其中有些达到世界先进水平，如量子阱材料和器件、光电集成（OEIC）和光子集成（PIC）技术，有些技术距离国际先进水平只有23年的差距，对国内光电子产业的形成和整体实力的加强发挥了重要作用。
24、,2022/12/14,55,国内主要城市光电子产业发展比较,1,2022/12/14,56,续上表,2,2022/12/14,57,五、光子信息器件分类,光源器件相干光源：激光，非线性光学器件非相干光源：照明光源，显示光源，信息处理用光源光传输器件光学元件（棱镜、透镜、光栅等）光波导，光纤光控制器件调制器，偏转器，光开关，光双稳器件光探测器件光电发射型，光电导型，光伏型，热伏型光存储器件光盘（CD,VCD,DVD），光驱，光盘塔,2022/12/14,58,光与光子学电与电子学比较,1,光与光子学,电与电子学,2022/12/14,59,光子器件与电子器件性能比较,2,2022/12/14,60,光子器件与电子器件性能比较,3,光子器件,电子器件,性能,
