光電子技術(shù)課件0 緒論

光電子技術(shù)

OptoelectronicTechnology

北京化工大學(xué)理學(xué)院林承友Email:cylin@辦公室：行政樓328電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)1301~3班2015.3.9熱烈歡迎同學(xué)們學(xué)習(xí)教材緒論課程介紹光電子技術(shù)簡介

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課程介紹課程設(shè)置的目的和意義主要內(nèi)容及課程設(shè)置教學(xué)方法及考核方式教材及參考書課程設(shè)置的目的和意義《光電子技術(shù)》是為適應(yīng)光電子學(xué)科新的發(fā)展形勢和教學(xué)要求而開設(shè)的一門專業(yè)課程，介紹光電子技術(shù)領(lǐng)域中激光技術(shù)、光調(diào)制技術(shù)、光傳輸技術(shù)、光電探測技術(shù)、光電顯示技術(shù)、光成像技術(shù)以及光存儲技術(shù)等。課程分為理論教學(xué)（38學(xué)時）與實驗教學(xué)（10學(xué)時）兩部分，重視知識性內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)的融合，旨在拓寬學(xué)生在光學(xué)、電子學(xué)及光電子學(xué)等領(lǐng)域的知識面，培養(yǎng)學(xué)生跟蹤新理論、新技術(shù)的思維。

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光電子技術(shù)的主要內(nèi)容

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光電子技術(shù)光產(chǎn)生：產(chǎn)生光源光調(diào)制：光傳輸：傳輸攜帶信息的光源光探測：光成像：光顯示：顯示信息光存儲：存儲信息將信息加載到光源將信息從光源中提取出來將空間光信號變?yōu)闀r間電信號光電子技術(shù)的主要內(nèi)容

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光源調(diào)制探測成像顯示傳輸存儲專業(yè)方向31.5學(xué)分（16%）總學(xué)分193學(xué)分傳感器原理（3）應(yīng)用光學(xué)（2）通訊技術(shù)基礎(chǔ)（2）微弱信號檢測（2）微波技術(shù)（2）光電子技術(shù)（3）光電圖像處理（2）光學(xué)信息處理（2）光纖通信（2）光存儲技術(shù)（2）現(xiàn)代光學(xué)（2）光電檢測技術(shù)（2）傅里葉光學(xué)（2）非線性光學(xué)（2）光電子技術(shù)方向課程體系光電子技術(shù)專業(yè)方向課程地圖

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光源調(diào)制探測成像顯示傳輸《激光原理》《光纖通訊》《通訊技術(shù)基礎(chǔ)》《光學(xué)信息處理》《傅里葉光學(xué)》《非線性光學(xué)》《光電圖像處理》《光電子技術(shù)》《光電探測技術(shù)》《微弱信號檢測》《傳感器原理》《光電子技術(shù)》存儲《光存儲技術(shù)》光學(xué)基礎(chǔ)課程：《物理光學(xué)》、《現(xiàn)代光學(xué)》、《應(yīng)用光學(xué)》等光電子技術(shù)各部分內(nèi)容的聯(lián)系

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成像器件視頻信號激光器激光光纖探測器顯示器光盤光產(chǎn)生光調(diào)制光成像光傳輸光探測光顯示光存儲工廠貨物汽車廠汽車高速公路卸貨驗收倉庫汽車生產(chǎn)裝貨貨物生產(chǎn)送貨卸貨驗貨存貨光通信系統(tǒng)物流系統(tǒng)課程設(shè)置與學(xué)時分配

章標(biāo)題學(xué)時其中講授實驗考試緒論緒論33

第一章光輻射與發(fā)光源66

第二章光輻射的傳播99

第三章光束調(diào)制和掃描66

第四章光輻射探測技術(shù)66

第五章光電成像系統(tǒng)22第六章顯示技術(shù)22第七章光存儲技術(shù)22實驗一光電子器件5

5實驗二聲光調(diào)制+微光像增強(qiáng)+液晶顯示5

5合計

4836102

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教學(xué)方法及考核方式教學(xué)方法理論教學(xué)（13次課）+實驗教學(xué)（另行安排）考核方式平時成績（30%）：出勤（5%）+作業(yè)（10%）+實驗（15%）期末考試成績（70%）：閉卷教材及參考書教材：安毓英等，《光電子技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，2013

參考書：姚建銓，《光電子技術(shù)》，高等教育出版社，2006張永林，狄紅衛(wèi)，《光電子技術(shù)》，高等教育出版社，2009朱京平，《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》，科學(xué)出版社，2006彭江德，《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社，1988公共電子郵箱郵箱地址：optoelectronics14@163.com郵箱密碼：buctcos2015電子版的教材以及往年的課件已上傳至郵箱文件中心，最新的課件、實驗指導(dǎo)書等資料也會陸續(xù)上傳。光電子技術(shù)簡介

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光電子技術(shù)的概念與特征信息技術(shù)的發(fā)展光子傳遞信息的特點(diǎn)光電子技術(shù)發(fā)展史與發(fā)展趨勢各國光電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀光電子技術(shù)簡介光電子技術(shù)的概念

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光電子技術(shù)：是電子技術(shù)與光子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門新興的綜合性的交叉學(xué)科，主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)。

電子技術(shù)：包括真空電子技術(shù)、氣體電子技術(shù)、固體電子技術(shù)等，主要研究電子的特性與行為及其在真空或物質(zhì)中的運(yùn)動與控制。

光子技術(shù):研究光子的特性與行為及其與物質(zhì)的相互作用以及光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動和控制。光電子技術(shù)的概念

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電子技術(shù)光子技術(shù)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的特征

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光電子技術(shù)特征：光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、電子學(xué)中的理論模式和處理方法光學(xué)化。光電子技術(shù)將電子學(xué)使用的電磁波頻率提高到光頻波段，產(chǎn)生了電子學(xué)所不可能實現(xiàn)的許多功能，與微電子技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的兩大重要支柱。光電子技術(shù)是21世紀(jì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)之一，在現(xiàn)代社會中起著舉足輕重的作用，它的發(fā)展對國民經(jīng)濟(jì)及國防建設(shè)有著巨大的推動作用。

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三次科技革命

第一次（18世紀(jì)30年代——18世紀(jì)末） 以紡織機(jī)的改革為起點(diǎn)，蒸汽機(jī)的發(fā)明和使用為標(biāo)志，開創(chuàng)了人類工業(yè)文明時代第二次（始于19世紀(jì)中葉） 以電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，誕生了許多發(fā)明家，開創(chuàng)了人類電氣時代第三次（始于20世紀(jì)中葉） 以原子能技術(shù)、航天技術(shù)、電子計算機(jī)、通信技術(shù)的應(yīng)用為代表，開創(chuàng)了人類信息時代

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信息技術(shù)的發(fā)展趨勢第一階段——電子信息技術(shù)

電子信息技術(shù)：主要研究電子的特性與行為及其在真空或物質(zhì)中的運(yùn)動與控制。以半導(dǎo)體器件為代表的微電子技術(shù)是信息社會的第一次重大革命（微型化） 其特征是：信息的載體是電子

代表：半導(dǎo)體，計算機(jī)等

現(xiàn)代化發(fā)展，使各學(xué)科所擁有的信息量逐日猛增，微電子在實現(xiàn)超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了極大的困難。

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信息技術(shù)的發(fā)展趨勢第二階段——光電子信息技術(shù)

光電信息技術(shù)是光子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

其特征是：光子技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合

代表：激光器，光纖等

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信息技術(shù)的發(fā)展趨勢第三階段——光子信息技術(shù)

光子技術(shù)：研究光子的特性與行為及其與物質(zhì)的相互作用以及光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動和控制。 其特征是：以光子作為信息的載體

代表：全光通信，光計算機(jī)等為什么信息的載體從電子發(fā)展到光子是技術(shù)的進(jìn)步？

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特征電子光子靜止質(zhì)量m00運(yùn)動質(zhì)量mhv/c2傳播速度<cc時間特性時間不可逆性時間可逆性空間特性具有高度空間局域性不具有高度空間局域性粒子特性費(fèi)米子玻色子電荷-e（1.6×10-19庫侖）0（不帶電）電子

vs光子

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（1）極快的響應(yīng)時間，可用于超高速、寬帶通信：光子響應(yīng)時間可短達(dá)10－15秒，即fs量級，而電子器件及系統(tǒng)最快的響應(yīng)時間為10－9秒，即ns量級，兩者相差100萬倍。這在將來的光計算機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)中將發(fā)揮巨大作用。光子傳遞信息的特點(diǎn)（2）傳輸信息容量大：

光波的頻譜范圍比電波的頻譜范圍寬，可以獲得極大的傳輸容量。這就是為什么光纜比電纜的信息傳輸容量大的原因。

目前光纖通信正從第二代1.31微米波段零色散單模光纖向第三代1.55微米波段低損耗色散單模光纖作換代發(fā)展。傳輸容量從1978年的10Gb/s.km以每年10倍速度提高，86年1Tb/s.km。

理論已證明，一個光子在室溫下可攜帶30bit的信息量并隨溫度的下降而以指數(shù)形式增加，以至達(dá)到無限值。所以，理論上可以講“光子通信有望借助一個光子將無窮多信息傳輸給無窮多受信者”。

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光子傳遞信息的特點(diǎn)（3）信息傳輸過程中失真小:光子傳輸信息時具有時間可逆性、不具有高度空間局域，使它可以形成向前和向后的共軛波，以補(bǔ)償光纖傳輸中所產(chǎn)生的崎變和失真。利用這方法理論上可實現(xiàn)無損耗通信。

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光子傳遞信息的特點(diǎn)（4）高抗干擾、高可靠性：光子不帶電，不和外界電磁波相互作用，光纖通信具有高抗干擾性和高可靠性。光子與光子之間不容易發(fā)生交互作用，光束可以在光纖中交叉通過而互不影響，這個特性被利用來波分復(fù)用，使在一根光纖實現(xiàn)多波長通信，大大提高了光纖的通信容量和利用率。（5）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)。

總之，超高速、抗干擾、大容量、高可靠性是光子技術(shù)的特點(diǎn)。

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光子傳遞信息的特點(diǎn)光子傳遞信息的特點(diǎn)必須指出：到目前為止完全脫離電子的全光子過程、光子技術(shù)和光子產(chǎn)業(yè)還很少。

其原因：

1.光子技術(shù)還不成熟；

2.電子和光子是一對具有高度互補(bǔ)的“孿生兄弟”：電子能態(tài)的改變導(dǎo)致光子的發(fā)射，而光子被物質(zhì)吸收將引起電子系統(tǒng)能態(tài)的變化產(chǎn)生自由的電子。

光子技術(shù)和電子技術(shù)的關(guān)系實際上互相依存、互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)的。

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光電子技術(shù)發(fā)展史

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19世紀(jì)70年代至1960（萌芽期）：出現(xiàn)某些電光源及光電子器件，但光學(xué)與電子學(xué)仍然是兩門獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)60年代：各種激光器相繼問世，促進(jìn)了光與電子相互作用的理論研究，激光武器出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代：低損耗光纖出現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器成熟、CCD問世，導(dǎo)至光纖通信、光纖傳感、光盤信息存儲與顯示等為代表的光信息技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)80年代：光纖激光器出現(xiàn)，光纖通信網(wǎng)起步。20世紀(jì)90年代：光通信和光儲存器件與系統(tǒng)迅速發(fā)展。21世紀(jì)：向超高速、超大容量、超低損耗、集成技術(shù)發(fā)展。光電子技術(shù)的發(fā)展趨勢

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“光子挑戰(zhàn)電子，電子聯(lián)盟光子”

高新光電子材料與器件的發(fā)展新光電探測技術(shù)的發(fā)展

光機(jī)電一體化微結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展

軍事和民用領(lǐng)域的協(xié)調(diào)發(fā)展

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各國光電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀日本：最早認(rèn)定“21世紀(jì)是光的世紀(jì)”，是世

界光電子產(chǎn)業(yè)頭號大國美國：光電子技術(shù)所取得的主要突破在美國，

高技術(shù)研究重心在美國歐洲：均衡發(fā)展，有所側(cè)重中國：相對落后，發(fā)展迅速

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日本光電子技術(shù)發(fā)展發(fā)展概況： 日本在半導(dǎo)體激光器、激光打印機(jī)、液晶顯示器、光盤產(chǎn)業(yè)等方面長期處于壟斷地位。特別是在消費(fèi)光電子領(lǐng)域，如激光音響、影碟機(jī)、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、平面顯示器、光驅(qū)、光纖組件系統(tǒng)等。日本的一大批公司也是當(dāng)前光電子領(lǐng)域世界的翹楚，比如富士通、日立、松下、三洋、NEC(日本電氣股份有限公司)、NTT(日本電報電話公司)。對日本光電子產(chǎn)業(yè)的中長期需求預(yù)測結(jié)果顯示，2010年，日本國內(nèi)生產(chǎn)需求為122000億日元，1995-2010年度的平均年增長率為10.1%。

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美國光電子技術(shù)發(fā)展發(fā)展概況：

美國的光電子產(chǎn)業(yè)與日本相比，起步較晚，而且相比日本光電子行業(yè)的企業(yè)規(guī)模，美國企業(yè)的規(guī)模一般較小。然而，光電子技術(shù)主要方面的突破產(chǎn)生于美國，世界光電子高技術(shù)研究的重心在美國。美國一直都保持著一種對科學(xué)技術(shù)的高投入，在傳統(tǒng)光電子領(lǐng)域和多個科技領(lǐng)域具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展后勁。1998年，美國在亞利桑那州南部的Tucson（圖森），以亞利桑那大學(xué)為中心建立了“光谷”。企業(yè)約150余家，主要從事精密電子零件、電子設(shè)計軟件研發(fā)、定位系統(tǒng)、激光、電子資料傳輸與儲存，以及大型光學(xué)鏡片及零件的生產(chǎn)與服務(wù)。

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歐洲光電子技術(shù)發(fā)展發(fā)展概況：

法國：1997年，法國開始制定光電子技術(shù)發(fā)展計劃。2001年，法國在巴黎南郊阿爾卡特爾公司的馬爾庫西斯研究中心內(nèi)，建立了歐洲唯一的國家級光電子研究基地——光谷。

德國：政府已確定光子學(xué)是本世紀(jì)初“對保持德國在國際技術(shù)市場上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一”。

歐盟：2004年1月，由五家歐洲公司發(fā)起，成立了歐洲光電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EPIC），旨在推動歐洲光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面能力，應(yīng)對全球光電產(chǎn)業(yè)的競爭。

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中國光電子技術(shù)發(fā)展發(fā)展概況： 我國在光電子技術(shù)方面是與國際水平差距相對較小的一個領(lǐng)域，與世界發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬瑫r起步，近年來發(fā)展速度明顯加快。根據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2007年全國光電產(chǎn)值達(dá)到2,100億元，較2006年（1800億）增長36%，約占世界光電市場份額的7%。其中，激光產(chǎn)品產(chǎn)值達(dá)到750億人民幣，同比增長45%，預(yù)計到2009年激光產(chǎn)值將達(dá)到980億人民幣。同時，中國光電產(chǎn)品出口持續(xù)增長，其中激光產(chǎn)品、液晶顯示器、LED出口增長率都保持在23%、31%、35%。中國已成為全球重要的光電產(chǎn)品制造研發(fā)以及投資的核心地，是該行業(yè)國際買家采購產(chǎn)品首選的國家。中國光電子技術(shù)發(fā)展

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發(fā)展特點(diǎn)：

中國的激光、光通信技術(shù)起步較早，技術(shù)研發(fā)與世界差距相對較小，在產(chǎn)業(yè)化程度上，與國際先進(jìn)水平的差距不斷縮小，正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)分工的中上游環(huán)節(jié)。國內(nèi)的華為科技、中興通訊、烽火通信等光通信領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，其光通信研發(fā)接近思科、阿爾卡特朗訊、北電網(wǎng)絡(luò)等跨國企業(yè)。在光纖光纜方面，武漢長飛光纖光纜公司生產(chǎn)技術(shù)幾乎與歐洲同步。在激光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，武漢華工激光掌握了數(shù)控激光切割機(jī)、萬瓦級大功率激光器等領(lǐng)域的核心技術(shù)，與國際先進(jìn)水平的差距不斷減小。而在光電顯示、光存儲、數(shù)字成像等領(lǐng)域，盡管產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大，但由于缺乏核心技術(shù)，基本淪為跨國公司的裝配車間，能生產(chǎn)的增加值非常有限。

中國光電子技術(shù)發(fā)展

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深圳、武漢、上海光電子產(chǎn)業(yè)位居國內(nèi)前三位（64%）深圳：光通信、激光、半導(dǎo)體照明領(lǐng)域武漢：光通信、激光、光存儲領(lǐng)域上海：光通信、光顯示、半導(dǎo)體照明領(lǐng)域

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各國光電子產(chǎn)業(yè)競爭力綜合評估

中國

(臺灣)

美國

日本

歐洲

韓國

中國(大陸)

政策與經(jīng)費(fèi)

0.12

0.19

0.26

0.17

0.10

0.06

科技背景

人力資源

0.19

0.32

0.35

0.25

0.17

0.17

世界占有率

0.32

0.27

0.41

0.22

0.09

0.03

企業(yè)規(guī)模

0.12

0.16

0.27

0.18

0.11

0.03

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

0.27

0.24

0.46

0.24

0.15

0.09

產(chǎn)業(yè)環(huán)境

行銷能力

0.28

0.