我国光电子技术与产业的发展

2020/1/181我国光电子技术与产业的发展中国科学院广州电子技术研究所王天及2020/1/182摘要简明阐述我国光电子技术的发展历程和光电子产业发展的现状指出光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学技术持续发展中的巨大作用及其发展趋势为加速建立和发展我国的光电子产业，必须抓住机遇，加强基础建设着重分析以广州为中心创建“广东光谷”的有利条件。2020/1/183要目前言21世纪光电子技术和产业光电子技术的发展历程及光电子产业的形成构成光电子产业的五大产业的现状和发展趋向抓住机遇,加速发展我国的光电子产业2020/1/184前言光子学的内涵光子学Photonics(也称光电子学)是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子的产生、运动及其转化的规律。光子技术(亦称光电子技术)包括光子的产生、传输、控制和探测。2020/1/185光子学和光子技术的迅猛发展光子学和光子技术在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光子产业(亦称光电子产业)的迅猛发展，而应用的热点则在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。光子学&光子技术Photonics2020/1/186光子时代已经到来!目前,国内外正掀起一股“光子学”的热潮，一些国家把大量资金投入光子学及光子技术的研究与开发。许多以光子学命名的研究中心、实验室与公司如雨后春笋般地建立起来。光子时代已经到来!光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击，预测到2010年，我国光子信息处理器件产值可达与电子信息器件产值相比拟的程度，而到21世纪中期，其规模和影响,光子产业将超过电子产业。2020/1/187光电子产业是21世纪的支柱产业展望未来，光子学与电子学将更紧密合作，互为补充，相互促进，把未来信息社会推向新的发展阶段，为人类美好的未来作出更伟大的贡献。光电子产业2020/1/18821世纪光电子科技和产业光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着巨大的作用。一些发达工业国家对光子学的发展给予充分的重视，纷纷将其列入国家科学技术发展规划并投入巨大财力。2020/1/189美国美国政府已将光子学确定为国家发展的重点；国防部和能源部把光子学列为当前20项关键技术之一，把通信与计算机的未来研究与发展纳入光子学的范畴。为此，已建立了若干个光子学技术中心，如以南加州大学为核心的美国5所著名大学联合建立了光子工艺中心。2020/1/1810德国、澳大利亚与日本德国政府已确定光子学是21世纪初对保持德国在国际市场上先进地位至关重要的九大关键技术之一。日本早在1981年通产省就雄心勃勃地联合13家大公司投入13亿美元组建了光子技术研究所。澳大利亚集中10个重要单位的力量成立了光子联合研究中心，重点开拓信息技术和新产品。2020/1/181121世纪将是光子的世纪世界光电子产业总产值已经超过1700亿美元，据美国光电子产业振兴协会预计，这一数字到2003年底将达到2000亿美元，到2010年，预测将超过4500亿美元。20世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世纪。2020/1/1812光电子产业在全世界的产值21400亿美元1800亿美元4500亿美元0100020003000400050001998年2000年2010年2020/1/1813光子21世纪将是光子的世纪现代信息技术的发展是与电子和光子学科与技术的发展密切相关的，光子作为信息和能量的载体，产生了信息光子学和能量光子学;信息光子学和能量光子学都在按自己的规律和市场需求向前发展，形成了一个现代光电子学科和光电子产业;电子技术和光子技术的相配合衍生的光电子技术是未来信息技术的核心并将在众多科学技术领域中起领军作用。信息光子学能量光子学2020/1/1814光电子信息产业是未来国际竞争的制高点光电子信息产业是适应未来社会发展的战略产业。作为信息和能量载体的光电子，在信息的光显示、光存储和激光上，已经形成了新兴的光电子工业，对人类社会的经济建设、社会变革、国家安全乃至整个社会发展起着难以估量的关键作用。光电子信息产业是未来国际竞争的制高点。2020/1/1815光电子科学是21世纪最尖端科学技术光电子科学在科学技术的发展中起着巨大的推动作用；光电子科学技术涵盖众多学科与技术：光子学光学和光学工程电子学和微电子技术材料科学和技术计算机科学技术生命科学及技术2020/1/1816光子学在创造科学技术的最新记录谁在光电子产业方面取得优势，谁就将在21世纪的尖端科技中夺魁。项目内容最大的功率、能量密度激光输出脉冲功率已经超过13PW=l3X1015W;聚焦强度达l05PW/cm2;可产生亿度以上的高温。能焊接、加工和切割最难熔的树料最低的温度激光冷却可将原子冷到20nk，接近绝对零度;量子冷却到基态，为量于光学和量于力学的实验研究准备了条件；量子计算机将是能力最大的计算机最短光脉冲在780nm已产生4fs脉冲，等于该波长光1.5个周期进入强场物理领域最密的刻划制造最小的光机电一体化设备；加工最小光学和机械零件从微米到几十微米，集成光机电一体化系统可小到几毫米;大规模集成线路的线宽已达0.8um；已研制成功0.13um的集成电路;最大的信息量已达到3T目标；通信传输容量已达Tbit/s，运算速率已达Tbit/s，三维立体存储密度达Tbit/cm3。最保密的通信系统光量子通信是最安全的通信系统;在常规的通信线路上进行量子保密通信，通信距离已达55km2020/1/1817光电子技术是军事上的主流技术光电子科学技术使国防军事具有快速反应和准确攻击的能力，是国防军事现代化的重要支柱。近10年来规模较大的局部战争及其应用光电子技术的情况：2020/1/18181991年初的海湾战争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。2020/1/18191995~1996年的波黑战争1995~1996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光电装备构成对塞族的很大威胁。2020/1/1820科索沃战争中的光电子技术前几年的科索沃战争，在战争中应用大量光电子技术，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)，造成惨重破坏．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2020/1/1821激光核聚变激光核聚变不仅可以作为未来能源，它还有重要的军事应用价值。它可以模拟氢弹的爆炸过程，代替既费钱又不安全的空中或地下核试验，来改进核武器的性能。激光核聚变装置示意图2020/1/1822光电子科学技术与军事技术光电子技术为军事提供既快又准的信息。目前激光致盲武器已装备部队，舰载和机载激光反导武器已开始走出实验室。战术防空和战区防御激光武器可望在21世纪初初步达到实战要求。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。2020/1/1823激光热核聚变和激光对原子的冷却为物理学提供了极端物理条件激光热核聚变2020/1/1824光电子产业是高新技术的支柱产业光电子产业是21世纪市场潜力巨大、产值迅猛增长的高新技术支柱产业。光电子产业将成为21世纪世界上最重要的产业之一，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。近阶段光子学在下述6个方向取得重大的进展，并展示其应用的光明前景，给21世纪光电子产业带来巨大发展潜力。2020/1/1825(1),半导体超晶格材料和量子阱结构与器件半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究得到了迅速发展。例如使量子阱激光器的阈值电源电流密度已降到l0^-4/cm2量级，极大地降低了功耗;量子阱超晶格材料由于存在室温激子，使量子效应器件具有重要的非线性光学特性，据此可制作光开关、光存储、光逻辑等多种功能的量子效应器件。耦合式GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器结构2020/1/1826(2),谐振量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射二维激光器的问世由于谐振量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射二维激光器的问世使谐振腔理论和器件取得突破性的进展，可使在lcm2的芯片上制作100万个激光器成为可能。2020/1/1827VCSEL（垂直腔面发射激光器）垂直准直光束输出内置ALGaN/GaN分布式布拉格反射镜量子阱InGaN激活介质P-GaNTi/Al/Au环接触分布式布拉格反射镜SiO2绝缘层Ti/Aln-接触电流传播层2020/1/1828垂直腔面发射激光器其阈值电流可降至几十微安，这将完全改变目前激光器大体积、高能耗、低效率的状况，从而产生难以估量的影响。又如垂直腔面发射激光器列阵是光子学器件在集成化上的一个突破。有利于发挥光子的并行操作能力，对光通信、图像信号处理、模式识别和神经网络、激光打印、光存储读/写光源、光互连和光显示等方面起到从根本上改变面貌的重大作用。2020/1/1829VCSEL的应用，垂直腔面发射激光器是光通信中的一种深具潜力的固体激光源，被称为新千年最重要的光通信器件。从光驱到多维光导网络，从DVD播放器到动作感应装置，从信息技术到工业生产乃至激光医疗等的应用中，VCSEL都能发挥出惊人的作用。2020/1/1830(3),非线性导波光学非线性导波光学的发展在光纤通信上导致几项重大成果:掺稀土光纤放大器光纤孤子通信高密度波分复用(DWD)技术利光纤光栅技术采用上述技术的光通信系统，传输速率可达100Gbit/s以上，将加速全球信息高速公路的实现光波导光束分离2020/1/1831(4),光子晶体和光子材料最近光子晶体和光子材料有了新进展和新突破；用光子晶体可制成各种光子控制器件。有机聚合物在光电子领域的应用取得突破性进展。例如第一个聚合物光子集成回路也于两年前问世，可实现1一12个表面法线二维光互联。光子晶体2020/1/1832(5),光子集成光子集成是21世纪光子器件发展的必然趋势。与集成电路的发展相似，本来的光子器件(无论是III-V族半导体光子器件、聚合物光子器件，还是微光子器件和硅基光电子器件)也必然以集成为方向才能满足科技迅速发展的需要。利用二元光学方法，可逆行光学功能集成，初步实现了分束、整形、阵列、校正、扫描、相干合成和光互连等功能。光子集成二元光学2020/1/1833(6),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密通讯。山西大学压缩态光场实验装置2020/1/1834光电子科技的发展历程及光电子产业的形成光和光子进入人类活动舞台并己走进市场电和电子大家都很熟悉:电灯、电话、电影、电视、电子管、电子学…光和光子在日常生活中也与我们密切相关：黑暗的夜晚要有灯光，近视者要带眼镜，看远方物体要用望远镜，看微小物体要用显微镜----2020/1/1835光子学走进市场到20世纪60年代以后，光子学及其相关技术开始进入人类活动的舞台;近20多年逐步走进市场的如:光笔，光盘VCD、DVD，光纤通信，激光医疗，激光加工；办公自动化设备激光打印机、扫描仪、传真机;激光测距，激光制导，激光武器等。2020/1/1836电学和光学都是具有悠久历史的学科电学在19世纪就以电气化的面貌推动着人类社会的进步，在20世纪又以电子学和微电子学为龙头的学科技术将人类带入信息社会。20世纪60年代激光问世了，激光的问世对光学及其它科学技术和社会生活产生了革命性的