光电子技术及其产业发展概况

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一、光电子学（Optoelectronics）技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的共同行为来执行其功能。上世纪60年代激光技术的产生，极大地推动了光电子技术的发展。
以往把光电子学技术和产业归于电子学技术和产业，国外也有归到光学技术和产业（日本）。最近光子学（Photonics）技术的兴起，也有的把光学、光电子学和光子学技术合并在一起，称光科学技术，其产业基地称“光谷”。
光电子技术主要应用于两个方面：光子作为信息的载体，应用于信息的探测、传输、存储、处理和运算，称信息光电子技术；光子作为能量的载体，作为高能量和高功率的束流（主要是激光束），应用于材料加工、医学治疗、太阳能转换、核聚变等，称能量光电子技术。
二、当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，21世纪已处于太位（Tera-bits1′1012bits）信息时代，即信息的容量以太位计，信息密度以Tb/cm2计，信息流以Tb/s计和信息的频率以THz计，即皮秒（ps，10-12s）时间相应。为提高信息的获取、传输、存储和显示、处理和运算的速度和容量，已由光子和电子共同参与来完成，光电子技术是继微电子技术之后信息领域中的重要技术。
作为光电子技术的系统集成，光通信、光存储、光电显示、光电输入和输出系统技术的兴起和它们在近20年来飞快发展，已使人们认识到光电子技术的重要性和它广阔的发展前景，并且成为光电子领域的支柱产业。2001年世界光电子的硬件（材料、器件和设备）产业已达1700亿美元，估计到2003年超过2000亿美元。以上四个方面的产业约各占20%左右。我国大陆和台湾近几年光电子产业的上升速度都达50%，各有近100亿美元的产值，占世界市场的10%。
三、光通信技术是光电子技术的一个主要方面，分无线光通信和光纤通信。无线光通信技术应用于空-空、地-空、地-地光通信以及星际光通信网，主要为军用和专业用。光纤通信技术在长距离和主干线应用上已趋完善，今后光纤通信主要应用于局域网络、计算机网络和多媒体通信进入家庭。
从光纤通信系统的发展中可以明显地看到材料、器件和单元技术的关键作用。20世纪70年代由于解决了低损耗石英玻璃光纤（损耗小于20dB/km）和长寿命、高稳定砷化镓半导体激光器（寿命大于1万小时），使光纤通信系统得到实用化。20世纪90年代采用了光纤放大器技术（EDFA，掺铒玻璃光纤放大器）和波分复用技术（WDM），建立了高信息量长距离光纤通信系统。21世纪初（2005前）发展了高密度波分复用技术（DWDM）和信息打包（IP）分送和交换技术，使2-3年内信息传输速度可达到1Tb/s以上。
当前发展光纤通信技术的主要目标之一为开发价格低廉和高性能的有源和无源器件并实现光电集成化，推动光纤通信到区域和用户。激光器和探测器为光纤通信有源器件的主要部分,而Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物(如GaAs,GaSb,InP等)为激光器和探测器的主要材料。为适应DWDM的需求，除了进一步提高分布反馈半导体激光器（DFB，DBR）和垂直面发射激光器（VCSEL）的性能外，要开拓出可调谐激光器（TLD）和多波长光源（MLS）。提高响应速度和灵敏度，发展探测器如PIN/FET，TEMT，HBT，等始终是重要的任务。首先要将半导体激光器、探测器和电源、电路实现光电集成化，做成芯片和模块。DWDM需要宽波段（C，L，S波段，1.3-1.6mm）的光纤放大器,因此制备掺不同稀土元素(Er,Tm,Pr等)的石英玻璃和复合氧化玻璃单模光纤就十分重要。半导体光放大器(SOA)将应用到探测器的前端和激光器的后端放大。无源器件主要包括分波/合波器（OADM），可调谐光滤波器、光隔离器，光调制器以及色散补偿器等。光纤光栅（OGF）和列阵波导光栅（AWG）是最近新发展的主要无源器件。无源器件主要要光学集成化，组成全光纤光子集成器件和波导光子集成器件。对光纤通信用玻璃光纤，在降低损耗方面当前消除红外1.4mm左右的羟基谐波吸收是最大的进展，从而拓宽了波分复用的应用波段。此外，色散补偿、偏振补偿和非线性补偿都是提高石英玻璃通信光纤性能的主要方面。
要建立全光通信网络，实现在密集波分复用的光纤通信上数据包的分送（IPoverDWDM），光交义交换器（OXC）和全光路由器（Opticalrouter）就十分重要。目前光网中路由器还是光-电-光形式，即光学互联和电子学作逻辑。由于电信号逻辑数字交换台分送和交换电信号的打包是成熟且廉价的。虽然近年已有些实验用波长光交换（波长路由器），但是信号的同步以及同步信号恢复、缓冲、记忆以及逻辑都是困难的问题。解决全光学交换，首先要开拓出快速、低耗的各种光子学元件，这是当前首要的事情。四、光存储最早的形式为缩微照相，从本世纪初开始，经历了较长时间的发展，成为文档资料长期存储的主要方式。60年代初激光出现后，激光全息技术受人注目，因为它能实现三维图像存储，具有更大的存储容量。但是，由于不能进行实时数据存取，且不能与计算机联机，因此皆不能与磁存储相比。光盘存储技术是本世纪70年代开拓出来的。光盘存储集成系统中，光盘机和光盘片是核心器件。在光盘机中光学读、写头是关键元件。在目前物镜离记录介质较远，属于远场光存储的范围内，记录点的大小决定于用作记录的激光波长和聚焦物镜的数值孔径。为提高存储密度，激光波长向短波方向发展。第一代光盘存储用GaAlAs半导体激光器，输出激光波长为0.78mm（近红外），5寸光盘的存储容量为0.76GB（千兆字节），即CD系列光盘；第二代用GaAlInP激光器，波长为0.65mm（红光），光盘容量为4.7GB，即数字多功能光盘（DVD）系列；第三代光盘存储即将兴起，使用GaN半导体激光器，波长为0.41mm（蓝光），存储容量为27GB，为高密度数字多功能光盘即HD-DVD光盘（蓝碟）。由此可见，半导体激光器的发展起了重要作用。
对可录和可擦重写光盘存储，可录和可擦重写的过程由存储介质所决定。例如，利用光-热过程，使磁性薄膜的记录的磁畴产生反转，称磁光光盘；利用光-热过程使半导体合金薄膜的晶态与非晶态产生可逆变化，称相变光盘。所以，存储介质、多层膜设计和制膜工艺等为发展高密度光盘的关键。
声视信息领域的发展促进了光盘存储技术，上世纪80年代激光唱片和激光唱机的兴起，包括声响唱片CD和激光视盘LD，发展之迅速出人意料。作为一种新兴的信息存储手段，光存储技术在计算机外存设备的应用上也在很快地成长和发展着。上世纪80年代后期出现的磁光盘（MO）技术和90年代初期出现的相变光盘（PC）技术都在与磁存储技术激烈竞争，已占据了一部分过去属于磁存储技术的应用场合。近年问世的激光视盘（VCD），也已进入千家万户。可录CD（CD-R）已代替软盘，发展势头迅猛。为了争夺新一轮家庭多媒体娱乐产品的霸主地位，DVD系列光盘将与高密度磁盘作新的竞争。
随着声视（A/V）领域高分辨电视和广播（HD-TV，HD-DVB）的推出，更高存储密度和数据传输率的光盘存储系统将更快出现，目前正准备应用HD-DVD的技术，不仅下载和播放HD-TV和HD-DVB，同时用作高分辨的数码相机、数码摄影机和录像机以及数码电影。光盘的信息存储密度达到10Gbit/cm2。
目前光存储技术在存储密度和数据传输速率方面还不能满足信息科学发展的需要，需要发展超高密度超快速光存储技术。首先从光的远场记录发展到近场记录。打破光斑尺寸受光的衍射极限的限制。使光盘的存储密度达到100Gbit/cm2；另一发展方向为从目前的二维存储发展到三维，即将用多层存储的方案。作为三维存储的全息光存储技术近年来有了复兴，即向图像数字化方向发展。全息光存储技术具有可并行传输和处理，因此数据传输率可达到Gb/s，可以成为两种存储系统之间的快速缓冲数据存储的手段。利用波长多功能（频畴），时间多功能（时畴）以及位相角度等多功能可以发展多维光存储，这也是超高密度光存储的另一重要途径。光存储密度提高到1Tbit/cm2是走向2010年的目标。
五、用光电转换技术将各种形式的信息,（如文字、数据、图形、图象和活动图象）作用于人的视觉而使人感知的手段为光电显示技术。最常用的静止信息的显示手段有打印机、复印机、传真机和扫描机等，已成为大家熟知的光电输出和输入设备。为提高分辨率以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏和稳定的感光材料和传感元件。
显示器是光电显示系统中的核心。自上世纪初出现阴极射管（CRT）以来，它一直是活动图象的主要显示手段。CRT技术一直在发展，特别在扩大尺寸和提高分辨率方面有显著的进展。本世纪内它继续成为光电显示的主要集成系统。
近二三十年来，平板显示技术有较快的发展，它主要避免了CRT的庞大体积。平板显示技术主要指液晶显示技术（LCD）、场致放射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极管显示技术（LED）等。在高清晰度电视、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标的推动下，显示技术正向高分辨率、大显示容量、平板化、大型化方向发展。
液晶显示的主要优点为功耗低、工作电压低、体积小易于携带，易于彩色化，属非自发光型显示；不足之处为显示视觉小，对比度和亮度受环境的影响较大，响应速度较慢。目前以薄膜晶体管（TFT）液晶显示器为主，其中TFT-LCD的对角线尺寸已可做到40英寸。液晶材料一直是关注的对象，已从双扭向列型（TN）液晶发展到超双扭向列型（STN）液晶，为提高响应速度，又开发了铁电型（FE）液晶，其响应时间在微秒级。场致发射显示（FED）是将真空微电子管应用于显示的技术。它具有视角宽、功耗低、响应速度快、光效率和分辨率高。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动了FED的发展。
等离子体显示（PDP）的出现比场致发射显示（FED）迟一点，由于PDP电极发射面积比FED容易做大，所以也容易做成大屏幕的显示器，它的不足之处为驱动电压高，功耗大。FED和PDP的发光材料、电极材料以及电介质材料（低熔点玻璃等）等仍需不断改进和提高，从而提高发光效率和发光亮度，降低功耗，实现全色化和多级灰度显示等。
发光二极管（LED）显示技术出现较早，但由于价格高，制成大面积列阵比较困难，主要应用于大型显示板。近年来，电致发光的有机材料（OLED）有了新的进展，它容易制成列阵，所以比较引人注目。主要有两类：金属有机分子，（如Alq和双胺）可用蒸镀法制成异质结构；另一类为共轭聚合物聚对苯乙炔（PPV）用溶液旋镀法制成的。OLED是21世纪很有前途的显示器,但仍需要在发光亮度和量子效率、稳定性和耐用性等方面不断提高和改进。
各类光电显示器有不同的用途。平板显示器的布局可能是这样的：LCD主要用于小屏幕，袖珍携带式；平板CRT和FED用于中屏幕彩色显示；PDP用于大屏幕，壁挂式显示。
六、近年来我国光电子技术有较快的发展，研究开发力量也有所增强。在专业和国防应用方面的光电子技术取得较大成绩。但是在研究开发成果的转向生产以及在光电子技术产业中自主开发方面与国外的差距很大。这必须要引起特别重视。
光电子技术的主要方面的突破产生于美国，在R&D方面走在世界的前列，而光电子产业的形成又往往在日本，这主要是日本注重生产技术和家用（Consumer）市场的开发。巨大的投资产生了巨大效益。日本曾在半导体激光器、激光打印机、液晶显示器、光盘产业等方面在世界上处于垄断地位。1995年，美国光电子工业发展协会（OIDA）在考察和对比了美国和日本的光电子技术发展情况后，认为美国首先要在光电显示、光通信和光存储产业中加强生产技术的发展；光通信产业要注意市场开发；光电显示要加强制造业；光存储要加强研究开发。制定除了5年、10年的发展规划，要奋起直追。至今在光通信和光显示产业等方面赶上和超过日本。
光电子技术发展迅猛，光电子技术产业属高技术产业，除了看产业的发展规模，（我国大陆只占国际市场的5%的份额，与大国的地位也不相称），还要看竞争能力。从科技背景（政策、经费和人力资源）、产业环境（世界市场占有率、企业规模、产业结构、行销能力）和科技实力（专利件数、产品开发、关键零组件、量产能力）3个大方面，对光电子产品的主要生产地区的评估。可以看出，我国（大陆）的综合竞争能力远低于日本、美国甚至台湾、韩国。特别在行销能力、关键零组件生产、专利件数和市场占有率等方面。不能不注意到，我国（大陆）大部分的光电子企业还是作来料组装，贴了别人的商标去出口。这在生产刚开始形成时是可以的，但不能长久这样下去。关键在于立足自主开发和创新上。
资料：
[1]干福熹。光电子技术和产业的发展。中国科学院院刊，1996，（5）：366-367；周光召主编，共同走向科学，新华出版社，1997：364-375
[2]干福熹。光子学的发展-对当代信息技术的影响。世界科技研究与发展；20[3]（1998）32-34
[3]干福熹。光电子产业发展和我国的战略，科技导报，12（2001）6-8