1光电信息技术概论

2020/4/281光电信息技术IntroductiontoOptoelectronicInformationEngineering刘清（13951833789）2020/4/282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2020/4/283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2020/4/284二、信息传递模型信息系统分析要点–信源、信宿（起点、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2020/4/285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。信息载体变换过程：磁盘—电子—光子—电子—磁盘2020/4/286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。2020/4/287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。2020/4/288四、电子信息技术与光子信息技术分类电子信息技术（广义）光电子信息技术=光子信息技术（广义）电子信息技术（电子作为信息的载体）光电子信息技术（光电相互作用与转换）光子信息技术（光子作为信息的载体）产生电源技术，电磁辐射激光技术，电光源技术，光伏技术传输波导技术，无线电、微波技术光纤光缆，光无源器，空间光通信变换电子电路，编码解码电光调制，光电传感空间光调制探测电子传感光电探测（红外、可见，紫外），光电成像（扫描、阵列）光谱技术，光波导传感存储半导体存储、磁存储光存储（光盘、光全息）显示CRT,LCD,PDP光全息处理数字电路，电子计算机图像处理，模式识别空间滤波、光互连、光计算，自适应光学集成微电子技术，电路系统光电子集成（MOEMS），微纳加工（光刻技术）微光学器件，集成光路功能类别2020/4/289•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。2020/4/2810五、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。2020/4/2811电子与光子特征比较2020/4/2812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2020/4/2813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(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。2020/4/2814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2020/4/2815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。2020/4/2816（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3～4个量级。一个载子可承载的信息量为信息效率。光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。2020/4/2817（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(109bit/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2～3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)。2020/4/2818（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,=0.0174rad激光雷达：=10.6m,L=10.6m,=10-4rad2.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：=100ps,R=1.5cm2020/4/2819（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，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。2020/4/2820（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1012bit／cm3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。2020/4/2821信息社会的3T目标信息传输速率：1Tb/s信息存储容量：1Tb/disk,1Tb/cm3信息处理速度：1Tb/s光子信息技术！2020/4/2822(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2020/4/2823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。2020/4/2824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。2020/4/2825(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2020/4/2826光子技术在创造世界科技的最新记录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材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，为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件；最短光脉冲在780nm已产生4fs脉冲，行程0.3微米，为该波长光0.5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。最大的望远镜探测宇宙太空的哈勃望远镜最强的显微镜可探测亚波长量级的光子显微镜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55km2020/4/2827光的压缩态在对光子的控制上,光的压缩态利用光