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1、光电子技术的发展态势及应用毕业论文 光电子技术的发展态势及应用 摘要:光电子技术是21世纪的新技术,它将对整个科学技术的发展起到巨大的推动作用.当前光电技术已经渗透到了许多科学领域.光电子技术已经融入了我们的日常生活,相信在今后的生活中,光电子技术必定得到更多的应用,本文讨论了光电子技术的发展的历程,以及光电子技术在军事,航天,医疗等领域的应用,和发展趋势。 引言:随着1960年激光的出现光电子技术开始迅猛发展。激光器是光波短的相干辐射源,能发射激光的装置。它的理论基础是爱恩斯坦在1916年奠定的。1954年制成了第一台微波量子放大器,获得了高度相干的微波束。1958年微波量子放大器原理推广应
2、用到光频范围,1960年制成了第一台红宝石激光器。1961年制成了氦氖激光器。1962年创制了砷化镓半导体激光器。以后,激光器的种类就越来越多。按工作介质分,激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。这些激光器为光与物质相互作用的研究提供了一个崭新的、极其有效的工具,极大地推动了光电子技术的发展。几乎在第一台激光器诞生之时起,人们就开始探索激光的应用,特别优先考虑激光的军事应用。1961年,第一台激光测距仪出现,其后,各种激光制导武器、激光致盲武器、激光毁灭性武器等相继研制成功,激光可控核聚变等也在不断成熟中。 1964年,美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应、宾主
3、效应、动态散射效应和相移存储效应,为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了技术基础。液晶,即液态晶体(Liquid Crystal,LC),是相态的一种,因为具有特殊的理化与光电特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。自此,平板显示器技术以液晶显示器发展最快,其他平板显示器,包括等离子体显示器、有机电致发光显示器等许多品种也相继问世并不断发展。 1966年,光纤技术开始发展。当年英籍华人科学家高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性,为光纤通信开辟了道路。 20世纪70年代,光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现,半导体激光器的成熟以及CCD的问世。1970年,美国研制出损耗
4、为20dB/km的石英光纤和室温下连续工作的半导体激光器,使光纤通信成为实现可能。自此,光纤通信得到迅猛发展。技术发展的同时,应用也在展开80年代初,日、美、英等国的光纤通信骨干网相继建成,其他国家也竞相开始自己的光纤干线网建设。 20世纪90年代,光电子技术在通信领域取得了极大成功,无论是器件还是系统,均有大量产品走出实验室,形成了光纤通信产业。现在,光纤通信技术(optical fiber communications)从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技
5、术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。 发展状态、特点以及优势 光纤通信系统对比传统的电通信系统有一些显著的特点:通信容量大、传输距离远;信号串扰小、保密性能好;抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题,唯有光纤通信不受各种电磁干扰;光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; 材料来源丰富,环境保护好,有利于节约有色金属铜;无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外;光缆适应性强,寿命长。不可避免的,光纤通信也有一定的缺点:质地脆,机械强度差;光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术;分路、耦合不灵活;光纤光缆的弯曲半径不能过小(20cm);有供电困难问题
6、。 光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息如话音变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度频率变化而变化,并通过光纤发送出去;在接收端,检测器收到光信号后把它变换成电信号,经解调后恢复原信息。 光纤通信是现代通信网的主要传输手段,它的发展历史只有一二十年,已经历三代:短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤.采用光纤通信是通信史上的重大变革,美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路,而致力于发展光纤通信.中国光纤通信已进入实用阶段。 光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后,
7、由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长,对大容量(超高速和超长距离)光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。 光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息,而以光纤作为传输介质实现信息传输,达到通信目的的一种最新通信技术。 通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程,光频作为载频已达通信载波的上限,因为光是一种频率极高的电磁波 ,因此用光作为载波进行通信容量极大,是过去通信方式的千百倍,具有极大的吸引力,光通信是人们早就追求的目标,也是通信发展的必然方向。 光纤通信与以往的电气通信相比,主要区别在于有很多优点:它传输频带宽、通信容量大;传输损耗低、中继距离长;线径细、
8、重量轻,原料为石英,节省金属材料,有利于资源合理使用;绝缘、抗电磁干扰性能强;还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点,可在特殊环境或军事上使用。 世界上光纤已经普遍采用,已成为通信网的基础。 我国光纤通信的研究始于70 年代初,起步较早, 是70 年代末期世界上少数拥有光纤系统试验段的国家之一, 但后来与国际上的差距扩大了。在七五期间, 国家加强了光纤通信的研究和发展, 重点发展长波长单模光纤、远距离光纤通信技术和成套设备。进入90 年代以后光纤通信的应用更加迅速。 八五期间,是我国光纤通信的飞跃发展阶段,主要是在国家范围内建设一级干线,总共有22条光缆干
9、线工程,总长度约35000km,耗资约62亿人民币。建成以北京为核心, 联络除拉萨、台北之外的全国所有省会城市的光纤干线网。 这22条国家干线与省内二级干线以及农化线路和中继线相连接, 构成了全国纵横交错、四通八达的光纤网, 为建设我国?! 世纪的信息高速公路打下有力的基础。 今后的发展方向, 将与世界同步, 发展同步传送网(SDH)、异步传递方式(ATM) 交换技术、智能网、光纤用户网、综合业务数字网(ISDN), 迎接世界信息革命的挑战。 光纤通信的一系列突出优点, 在军事通信上有广阔的应用前景。外军研制成功的野战通信光缆, 不受外界干扰, 不辐射电磁波, 抗核辐射, 体积小, 重量轻,
10、通信稳定可靠, 为在现代电子战条件下的通信提供了一种性能优越的手段。外军光纤通信在陆地上主要用于局域网、远距离战术及战略系统、特种武器控制与制导等。在海上和水下光纤通信系统主要 用于舰载光纤数据链路、航空母舰光纤通信、光纤鱼雷制导、光纤反潜系统。光纤通信在空军的开发应用主要有: 机载光纤数据总线、机载光纤陀螺等。总言之, 凡是用电缆通信系统能完成的都可以用光纤代替。作为现代化通信网的基础, 光纤通信的发展将进入一个新纪元。应用更加迅速。 二、发展趋势以及方向 中国的集成光电子器件也有一定进展。集成的小通道光开关和属于PLO技术的AWG有所突破。但与发达国家尚有较大差距。如果我们不迎头赶上,就会
11、重复如同微电子落后的被动局面。 展望国际光纤通信高技术的发展, 结合我国的国情来考虑我国的发展战略非常必要。光纤通信技术的发展要结合通信网的发展来考虑。光缆通信网可以分为干线光缆网、本地用户光缆网和海底光缆网三类。从光纤通信技术来说, 干线光缆网, 无论是一级还是二级干线, 其科研和应用发展的重点应放在常规的强度调制直接检波(IMDD)技术、光同步数字体系SDH与数字交叉连接(DXC)技术的发展和应用上。 对于掺饵光纤放大器(EDFA)和密集型波分复用DWDM技术要积极开发, 尽快实用化。 从本地用户光缆网来看, 现阶段应重点发展用户光纤环路FITL和与有线电视CATV有关的技术, 并积极开展
12、对异步转移模式ATM的本地用户光纤通信系统的研究。 从海底光缆网看, 它是将来组成我国沿海光缆网络和全球光缆网的必要技术, 对海底光缆通信技术开展研究将对我国的光电集成电路技术、光放大和波分复用技术、光孤子通信技术的发展起重要的促进作用。 光电子技术是一个比较庞大的体系,它包括信息传输,如光纤通信、空间和海底光通信等;信息处理,如计算机光互连、光计算、光交换等;信息获取,如光学传感和遥感、光纤传感等;信息存储,如光盘、全息存储技术等;信息显示,如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中,电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在
13、速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体,其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上,加之光子的高度并行处理能力,不存在电磁串扰和路径延迟等缺点,使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点,必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。 在微电子技术蓬勃发展的同时,人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务。比如激光器,光电探测器,太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展,人们研究完全利用光来处理信息,于是诞生了光子学。所以可以说,先有了光电子学,又有了光子学。而最终的发
14、展会是光电的再次统一,即更高一个层次上的光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术,那时信息的载体不再是束流,而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念,区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术,也不能叫电子信息技术,应该叫量子信息技术。 由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信,我们现在大部分主干网用的都是光纤,信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展,一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的 。再如信息存储技术,光盘由VCD发展到DVD,容量增大了好几倍,未来如果研制
15、出能够商用的蓝光激光器,采用蓝光波段的光来作为信息的载体,就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性,可以实现全息存储,在不到一个平方厘米的芯片上,我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面,未来的发展趋势是光要进入计算机中,发挥光子的优势实现开关的互联,利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。 光电子学是指光波波段,即红外线、可见光、紫外线和软X射线(频率范围31011Hz31016Hz或波长范围1mm10nm)波段的电子学。光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后,90年代,其技术和应用取得了飞速发展,在社会信息化中起着越来越重要的作用。 在光盘技术的促进
16、下,近年来可见光半导体激光二极管和发光二级管得到了较快的发展。蓝绿光可见光半导体激光二级管(LD)和蓝绿光半导体发光二极管、黄橙红光可见光激光二极管和高亮度黄橙红绿光发光二极管都已商品化。今后的发展需要继续解决提高亮度,降低价格,提高使用寿命等问题。 近红外半导体激光和发光二极管的发射波长为0.81.0m。近红外半导体激光二极管主要用于光纤通信和作为固体激光器的泵浦源(替代闪光灯泵浦源)。在1.3m和1.55m近红外半导体激光二极管商品化之后,其发展势头受到很大影响,甚至出现了停止发展的迹象。随着短距离局域网和二极管泵浦固体激光器的迅猛发展,又出现了新的发展。目前研究开发主要集中在单频工作、模
17、式稳定以及提高输出功率等方面。近红外发光二极管主要有超发光二极管和谐振腔发光二极管。超发光二极管是光纤陀螺仪的最佳自选光源,与一般的发光二极管相比,可提供较高的输出功率和相对窄的发射谱。目前,在50mA工作电流下,单管超辐射输出功率的研究水平最高达到50MW,最窄谱宽为15nm。谐振腔发光二极管是一种有前途的发光二极管,其实验和理论效率比传统发光二极管高510倍。 1.3m和1.55m近红外半导体激光和发光二极管是现行通信系统、高速光纤通信系统的重要光器件,已成为广为研究开发的光源。日本NEC已开发出在单晶片上制造不同发射波长的近红外激光二极管,采用它可大大降低多波长长途通信设备的价格。近年来
18、,国外又相继开发出半导体孤子激光器、量子阱线或点激光器和垂直腔表面发射激光器等新型半导体激光二极管。 激光技术是一项前沿科学技术发展不可缺少的支柱。作为光电子主导产品的激光器的发展,经历了原理上的四次变革,体积日益变小,功率不断增大,可靠性和功率得到了很大的提高。半导体二级管激光器和固体激光器技术和发展十分迅速,其中最为突出的进展是固态化。现今,固体激光器的平均输出功率已从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的功率也有很大提高,其结构和其他性能也正在经历重大变化。与此同时,还开发出了实用价值高的新波长和宽带可调谐激光器,包括对人眼无伤害的1.54m和2m的激光器、蓝光激光器和X光激光器。 光纤是
19、随着光通信的发展而不断发展的,各种结构和类型的光纤支持着光通信产业的发展。目前,单根光纤传输的信息量已达到万亿位。光纤作为光通信信息传输的介质,它的色散和损耗将直接影响到通信系统的传输容量和中继距离,而常规的单模光纤已不能满足新一代通信技术的要求,因此光纤技术又有了新的发展。迄今,光纤已经经历了由短波长(0.85m)到长波长(1.31.55m),由多模到单模光纤以及特种光纤的发展过程,并开发出了色散移位光纤、非零色散光纤和色散补偿光纤。 平板显示(FPD)技术包括液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)、电致发光显示(EL)、真空荧光显示(VFD)和发光二极管显示(LED)等,除在民用领域的
20、广泛应用外,已在虚拟显示、高清晰度显示、语言和图形识别等军用领域应用。近年来,液晶显示以及其他平板显示器件和技术正在大力地改进,如为解决等离子体显示发光效率、亮度、寿命、光串扰和对比度等问题,正在进行诸如大面积精细图形制作和保护层等工艺方面的改进,并取得了较快进展。从整体来说,平板显示技术将继续向着彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉价方向发展。 随着半导体技术的迅速发展,各种类型的光电探测器,如电荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏阵列探测器等应运而生,取得了重大进展。进入90年代,光电探测器的发展方向除了开发高速响应光电 探测器外,其重点是开发焦平面阵列为代表的光电成像器件。红外焦平
21、面阵列制作技术的日臻完善,使红外探测技术进入了第二代。当前,降低成本是红外探测器在民用领域得到广泛应用的关键。21世纪,红外焦平面阵列开发方向,一是在现有基础上提高分辨率,二是开发多功能和智能化焦平面阵列。 随着光通信、光信息处理、光计算等技术的发展,加之材料科学和制造技术的进展,使得在单一结构或单片衬底上集成光学、光电和电子元器件成为可能,形成具有单一功能或多功能的光电子集成回路(OEIC)和集成光路(IOC)。目前,商品化的集成光路产品有调制器、开关和分路器以及采用集成光路相干通信系统、光纤陀螺、激光光纤多普勒干涉仪等系统,以及用于光纤传输试验的单片集成光电子集成回路。预计到2020年,光
22、电子集成回路和集成光路的发展速度将相当于20世纪70年代的微电子技术,多功能集成光学器件和光电子集成器件将系列化,集成光学信号处理速度将达到1GHz。 我国光电子行业在科研上起步较早,也有一批水平较高的应用成果,其中光纤通信的发展尤快。在国防上的应用也开展较早,如靶场用的激光、红外、电视等光测设备,以及红外导引装置、红外热像仪、激光测距仪、微光夜视仪等。但民用市场开发较晚,真正能形成较大生产规模的产品不多。 我国在八五计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造,已在九五计划中产生了效益。例如,12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列(SDH)光通
23、信系统,于1997年研制开发成功,现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。 863计划实施以来,光电子主题取得了多方面的成绩。在技术方面实现了量子阱材料和器件的突破,完成了用于高速光通信、光存储和光显示的几十种关键器件的研制和商品化,结束了半导体激光器和光纤放大器国外产品的垄断局面。与此相关的是促进产业化的工作。在最大限度地把科技成果转化为生产力,促进国内光电子产业的形成和发展壮大方面,光电子主题取得了很有价值的经验,并形成多种形式的成果转化模式,其中包括:成果转化基地内部转化。如武汉邮电科学研究院的光纤放大器在重大研究课题的基础上,自己筹资建立生产线,开始了规模化的生产;向企业进行技术转让,形成
24、光电子产业新的增长点。如清华大学的光纤放大器和绿光固体激光器等成果分别转让两个生产单位,有力支持了后续的科学研究。结论随着科学技术的发展,光电子行业的发展前景一片大好,掌握了光电子技术的发展动态,也就掌握住了新型科技的发展! 参考文献: 1 赵梓森光纤通信的回顾与展望光通信研究1994 (1);9. 2 H.C Casey Appl phs Lett 271975,142. 3 赵梓森光纤数字通信人民邮电出版社 1991;316. 4 张旅 相干光纤通信技术的进展光纤通信研究1989年第1.2期.5 刘增基, 周洋溢, 胡辽林等. 光纤通信. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2001.8. 6 韦乐平. 光通信技术的发展趋势与展望. 电信科学,2003,8:15.
