光電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢及應(yīng)用畢業(yè)論文

1、光電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢及應(yīng)用畢業(yè)論文 光電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢及應(yīng)用 摘要:光電子技術(shù)是21世紀(jì)的新技術(shù),它將對整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動作用.當(dāng)前光電技術(shù)已經(jīng)滲透到了許多科學(xué)領(lǐng)域.光電子技術(shù)已經(jīng)融入了我們的日常生活,相信在今后的生活中,光電子技術(shù)必定得到更多的應(yīng)用,本文討論了光電子技術(shù)的發(fā)展的歷程,以及光電子技術(shù)在軍事,航天,醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用,和發(fā)展趨勢。 引言:隨著1960年激光的出現(xiàn)光電子技術(shù)開始迅猛發(fā)展。激光器是光波短的相干輻射源,能發(fā)射激光的裝置。它的理論基礎(chǔ)是愛恩斯坦在1916年奠定的。1954年制成了第一臺微波量子放大器,獲得了高度相干的微波束。1958年微波量子放大器原理推廣應(yīng)

2、用到光頻范圍,1960年制成了第一臺紅寶石激光器。1961年制成了氦氖激光器。1962年創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后,激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分,激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。這些激光器為光與物質(zhì)相互作用的研究提供了一個嶄新的、極其有效的工具,極大地推動了光電子技術(shù)的發(fā)展。幾乎在第一臺激光器誕生之時起,人們就開始探索激光的應(yīng)用,特別優(yōu)先考慮激光的軍事應(yīng)用。1961年,第一臺激光測距儀出現(xiàn),其后,各種激光制導(dǎo)武器、激光致盲武器、激光毀滅性武器等相繼研制成功,激光可控核聚變等也在不斷成熟中。 1964年,美國rca公司發(fā)現(xiàn)了液晶的多種光電效應(yīng)、賓主

3、效應(yīng)、動態(tài)散射效應(yīng)和相移存儲效應(yīng),為液晶顯示器、液晶光閥等器件的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。液晶,即液態(tài)晶體(liquid crystal,lc),是相態(tài)的一種,因為具有特殊的理化與光電特性,20世紀(jì)中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。自此,平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快,其他平板顯示器,包括等離子體顯示器、有機(jī)電致發(fā)光顯示器等許多品種也相繼問世并不斷發(fā)展。 1966年,光纖技術(shù)開始發(fā)展。當(dāng)年英籍華人科學(xué)家高錕等提出了實現(xiàn)低損耗光學(xué)纖維的可能性,為光纖通信開辟了道路。 20世紀(jì)70年代,光電子技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)志性成果是低損耗光纖的實現(xiàn),半導(dǎo)體激光器的成熟以及ccd的問世。1970年,美國研制出損耗

4、為20db/km的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器,使光纖通信成為實現(xiàn)可能。自此,光纖通信得到迅猛發(fā)展。技術(shù)發(fā)展的同時,應(yīng)用也在展開80年代初,日、美、英等國的光纖通信骨干網(wǎng)相繼建成,其他國家也競相開始自己的光纖干線網(wǎng)建設(shè)。 20世紀(jì)90年代,光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域取得了極大成功,無論是器件還是系統(tǒng),均有大量產(chǎn)品走出實驗室,形成了光纖通信產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在,光纖通信技術(shù)(optical fiber communications)從光通信中脫穎而出,已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一,在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù),其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的,也是世界新技

5、術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。 發(fā)展?fàn)顟B(tài)、特點(diǎn)以及優(yōu)勢 光纖通信系統(tǒng)對比傳統(tǒng)的電通信系統(tǒng)有一些顯著的特點(diǎn):通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn);信號串?dāng)_小、保密性能好;抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳,電通信不能解決各種電磁干擾問題,唯有光纖通信不受各種電磁干擾;光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運(yùn)輸; 材料來源豐富,環(huán)境保護(hù)好,有利于節(jié)約有色金屬銅;無輻射,難于竊聽,因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外;光纜適應(yīng)性強(qiáng),壽命長。不可避免的,光纖通信也有一定的缺點(diǎn):質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度差;光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù);分路、耦合不靈活;光纖光纜的彎曲半徑不能過小(20cm);有供電困難問題

6、。 光纖通信的原理是:在發(fā)送端首先要把傳送的信息如話音變成電信號,然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上,使光的強(qiáng)度隨電信號的幅度頻率變化而變化,并通過光纖發(fā)送出去;在接收端,檢測器收到光信號后把它變換成電信號,經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。 光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段,它的發(fā)展歷史只有一二十年,已經(jīng)歷三代:短波長多模光纖、長波長多模光纖和長波長單模光纖.采用光纖通信是通信史上的重大變革,美、日、英、法等20多個國家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路,而致力于發(fā)展光纖通信.中國光纖通信已進(jìn)入實用階段。 光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動通信并列為20世紀(jì)90年代的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)后,

7、由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長,對大容量(超高速和超長距離)光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了更為迫切的需求。 光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息,而以光纖作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)信息傳輸,達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。 通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴(kuò)大通信容量的過程,光頻作為載頻已達(dá)通信載波的上限,因為光是一種頻率極高的電磁波 ,因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大,是過去通信方式的千百倍,具有極大的吸引力,光通信是人們早就追求的目標(biāo),也是通信發(fā)展的必然方向。 光纖通信與以往的電氣通信相比,主要區(qū)別在于有很多優(yōu)點(diǎn):它傳輸頻帶寬、通信容量大;傳輸損耗低、中繼距離長;線徑細(xì)、

8、重量輕,原料為石英,節(jié)省金屬材料,有利于資源合理使用;絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng);還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可在特殊環(huán)境或軍事上使用。 世界上光纖已經(jīng)普遍采用,已成為通信網(wǎng)的基礎(chǔ)。 我國光纖通信的研究始于70 年代初,起步較早, 是70 年代末期世界上少數(shù)擁有光纖系統(tǒng)試驗段的國家之一, 但后來與國際上的差距擴(kuò)大了。在七五期間, 國家加強(qiáng)了光纖通信的研究和發(fā)展, 重點(diǎn)發(fā)展長波長單模光纖、遠(yuǎn)距離光纖通信技術(shù)和成套設(shè)備。進(jìn)入90 年代以后光纖通信的應(yīng)用更加迅速。 八五期間,是我國光纖通信的飛躍發(fā)展階段,主要是在國家范圍內(nèi)建設(shè)一級干線,總共有22條光纜干

9、線工程,總長度約35000km,耗資約62億人民幣。建成以北京為核心, 聯(lián)絡(luò)除拉薩、臺北之外的全國所有省會城市的光纖干線網(wǎng)。 這22條國家干線與省內(nèi)二級干線以及農(nóng)化線路和中繼線相連接, 構(gòu)成了全國縱橫交錯、四通八達(dá)的光纖網(wǎng), 為建設(shè)我國?! 世紀(jì)的信息高速公路打下有力的基礎(chǔ)。 今后的發(fā)展方向, 將與世界同步, 發(fā)展同步傳送網(wǎng)(sdh)、異步傳遞方式(atm) 交換技術(shù)、智能網(wǎng)、光纖用戶網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(isdn), 迎接世界信息革命的挑戰(zhàn)。 光纖通信的一系列突出優(yōu)點(diǎn), 在軍事通信上有廣闊的應(yīng)用前景。外軍研制成功的野戰(zhàn)通信光纜, 不受外界干擾, 不輻射電磁波, 抗核輻射, 體積小, 重量輕,

10、通信穩(wěn)定可靠, 為在現(xiàn)代電子戰(zhàn)條件下的通信提供了一種性能優(yōu)越的手段。外軍光纖通信在陸地上主要用于局域網(wǎng)、遠(yuǎn)距離戰(zhàn)術(shù)及戰(zhàn)略系統(tǒng)、特種武器控制與制導(dǎo)等。在海上和水下光纖通信系統(tǒng)主要 用于艦載光纖數(shù)據(jù)鏈路、航空母艦光纖通信、光纖魚雷制導(dǎo)、光纖反潛系統(tǒng)。光纖通信在空軍的開發(fā)應(yīng)用主要有: 機(jī)載光纖數(shù)據(jù)總線、機(jī)載光纖陀螺等?？傃灾? 凡是用電纜通信系統(tǒng)能完成的都可以用光纖代替。作為現(xiàn)代化通信網(wǎng)的基礎(chǔ), 光纖通信的發(fā)展將進(jìn)入一個新紀(jì)元。應(yīng)用更加迅速。 二、發(fā)展趨勢以及方向 中國的集成光電子器件也有一定進(jìn)展。集成的小通道光開關(guān)和屬于plo技術(shù)的awg有所突破。但與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。如果我們不迎頭趕上,就會

11、重復(fù)如同微電子落后的被動局面。 展望國際光纖通信高技術(shù)的發(fā)展, 結(jié)合我國的國情來考慮我國的發(fā)展戰(zhàn)略非常必要。光纖通信技術(shù)的發(fā)展要結(jié)合通信網(wǎng)的發(fā)展來考慮。光纜通信網(wǎng)可以分為干線光纜網(wǎng)、本地用戶光纜網(wǎng)和海底光纜網(wǎng)三類。從光纖通信技術(shù)來說, 干線光纜網(wǎng), 無論是一級還是二級干線, 其科研和應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)放在常規(guī)的強(qiáng)度調(diào)制直接檢波(imdd)技術(shù)、光同步數(shù)字體系sdh與數(shù)字交叉連接(dxc)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用上。 對于摻餌光纖放大器(edfa)和密集型波分復(fù)用dwdm技術(shù)要積極開發(fā), 盡快實用化。 從本地用戶光纜網(wǎng)來看, 現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展用戶光纖環(huán)路fitl和與有線電視catv有關(guān)的技術(shù), 并積極開展

12、對異步轉(zhuǎn)移模式atm的本地用戶光纖通信系統(tǒng)的研究。 從海底光纜網(wǎng)看, 它是將來組成我國沿海光纜網(wǎng)絡(luò)和全球光纜網(wǎng)的必要技術(shù), 對海底光纜通信技術(shù)開展研究將對我國的光電集成電路技術(shù)、光放大和波分復(fù)用技術(shù)、光孤子通信技術(shù)的發(fā)展起重要的促進(jìn)作用。 光電子技術(shù)是一個比較龐大的體系,它包括信息傳輸,如光纖通信、空間和海底光通信等;信息處理,如計算機(jī)光互連、光計算、光交換等;信息獲取,如光學(xué)傳感和遙感、光纖傳感等;信息存儲,如光盤、全息存儲技術(shù)等;信息顯示,如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術(shù)是光電子學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的分支。在信息技術(shù)發(fā)展過程中,電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻(xiàn)。但它也在

13、速率、容量和空間相容性等方面受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體,其響應(yīng)速度可達(dá)到飛秒量級、比電子快三個數(shù)量級以上,加之光子的高度并行處理能力,不存在電磁串?dāng)_和路徑延遲等缺點(diǎn),使其具有超出電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點(diǎn),必將大大改善電子通信設(shè)備、電子計算機(jī)和電子儀器的性能。 在微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時,人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務(wù)。比如激光器,光電探測器,太陽電池如等方面都需要光電結(jié)合。這就是早期的光電子學(xué)。隨著光電子學(xué)的發(fā)展,人們研究完全利用光來處理信息,于是誕生了光子學(xué)。所以可以說,先有了光電子學(xué),又有了光子學(xué)。而最終的發(fā)

14、展會是光電的再次統(tǒng)一,即更高一個層次上的光電子學(xué)?，F(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術(shù)和單光子技術(shù),那時信息的載體不再是束流,而是單個的粒子。光子和電子都是利用量子力學(xué)的概念,區(qū)別只是波長不同而已。我想我們在二十一世紀(jì)肯定會走到這一步。那時既不能叫光子信息技術(shù),也不能叫電子信息技術(shù),應(yīng)該叫量子信息技術(shù)。 由于光子具有電子所不具備的許多特性所以光子學(xué)有它獨(dú)特的優(yōu)勢。尤其在信息領(lǐng)域。比如通信,我們現(xiàn)在大部分主干網(wǎng)用的都是光纖,信息的載體都是光。由于密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電纜無法比擬的 。再如信息存儲技術(shù),光盤由vcd發(fā)展到dvd,容量增大了好幾倍,未來如果研制

15、出能夠商用的藍(lán)光激光器,采用藍(lán)光波段的光來作為信息的載體,就又可以使同樣大小的光盤的容量增大近十倍。而且光具有相干性,可以實現(xiàn)全息存儲,在不到一個平方厘米的芯片上,我們可以把北京圖書館的所有的書都存進(jìn)去。在計算機(jī)方面,未來的發(fā)展趨勢是光要進(jìn)入計算機(jī)中,發(fā)揮光子的優(yōu)勢實現(xiàn)開關(guān)的互聯(lián),利用光來消除電子傳輸帶來的瓶頸效應(yīng)。 光電子學(xué)是指光波波段,即紅外線、可見光、紫外線和軟x射線(頻率范圍31011hz31016hz或波長范圍1mm10nm)波段的電子學(xué)。光電子技術(shù)在經(jīng)過80年代與其相關(guān)技術(shù)相互交叉滲透之后,90年代,其技術(shù)和應(yīng)用取得了飛速發(fā)展,在社會信息化中起著越來越重要的作用。 在光盤技術(shù)的促進(jìn)

16、下,近年來可見光半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二級管得到了較快的發(fā)展。藍(lán)綠光可見光半導(dǎo)體激光二級管(ld)和藍(lán)綠光半導(dǎo)體發(fā)光二極管、黃橙紅光可見光激光二極管和高亮度黃橙紅綠光發(fā)光二極管都已商品化。今后的發(fā)展需要繼續(xù)解決提高亮度,降低價格,提高使用壽命等問題。 近紅外半導(dǎo)體激光和發(fā)光二極管的發(fā)射波長為0.81.0m。近紅外半導(dǎo)體激光二極管主要用于光纖通信和作為固體激光器的泵浦源(替代閃光燈泵浦源)。在1.3m和1.55m近紅外半導(dǎo)體激光二極管商品化之后,其發(fā)展勢頭受到很大影響,甚至出現(xiàn)了停止發(fā)展的跡象。隨著短距離局域網(wǎng)和二極管泵浦固體激光器的迅猛發(fā)展,又出現(xiàn)了新的發(fā)展。目前研究開發(fā)主要集中在單頻工作、模

17、式穩(wěn)定以及提高輸出功率等方面。近紅外發(fā)光二極管主要有超發(fā)光二極管和諧振腔發(fā)光二極管。超發(fā)光二極管是光纖陀螺儀的最佳自選光源,與一般的發(fā)光二極管相比,可提供較高的輸出功率和相對窄的發(fā)射譜。目前,在50ma工作電流下,單管超輻射輸出功率的研究水平最高達(dá)到50mw,最窄譜寬為15nm。諧振腔發(fā)光二極管是一種有前途的發(fā)光二極管,其實驗和理論效率比傳統(tǒng)發(fā)光二極管高510倍。 1.3m和1.55m近紅外半導(dǎo)體激光和發(fā)光二極管是現(xiàn)行通信系統(tǒng)、高速光纖通信系統(tǒng)的重要光器件,已成為廣為研究開發(fā)的光源。日本nec已開發(fā)出在單晶片上制造不同發(fā)射波長的近紅外激光二極管,采用它可大大降低多波長長途通信設(shè)備的價格。近年來

18、,國外又相繼開發(fā)出半導(dǎo)體孤子激光器、量子阱線或點(diǎn)激光器和垂直腔表面發(fā)射激光器等新型半導(dǎo)體激光二極管。 激光技術(shù)是一項前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展不可缺少的支柱。作為光電子主導(dǎo)產(chǎn)品的激光器的發(fā)展,經(jīng)歷了原理上的四次變革,體積日益變小,功率不斷增大,可靠性和功率得到了很大的提高。半導(dǎo)體二級管激光器和固體激光器技術(shù)和發(fā)展十分迅速,其中最為突出的進(jìn)展是固態(tài)化?，F(xiàn)今,固體激光器的平均輸出功率已從百瓦級提高到了千瓦級。半導(dǎo)體激光器的功率也有很大提高,其結(jié)構(gòu)和其他性能也正在經(jīng)歷重大變化。與此同時,還開發(fā)出了實用價值高的新波長和寬帶可調(diào)諧激光器,包括對人眼無傷害的1.54m和2m的激光器、藍(lán)光激光器和x光激光器。 光纖是

19、隨著光通信的發(fā)展而不斷發(fā)展的,各種結(jié)構(gòu)和類型的光纖支持著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前,單根光纖傳輸?shù)男畔⒘恳堰_(dá)到萬億位。光纖作為光通信信息傳輸?shù)慕橘|(zhì),它的色散和損耗將直接影響到通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離,而常規(guī)的單模光纖已不能滿足新一代通信技術(shù)的要求,因此光纖技術(shù)又有了新的發(fā)展。迄今,光纖已經(jīng)經(jīng)歷了由短波長(0.85m)到長波長(1.31.55m),由多模到單模光纖以及特種光纖的發(fā)展過程,并開發(fā)出了色散移位光纖、非零色散光纖和色散補(bǔ)償光纖。 平板顯示(fpd)技術(shù)包括液晶顯示(lcd)、等離子體顯示(pdp)、電致發(fā)光顯示(el)、真空熒光顯示(vfd)和發(fā)光二極管顯示(led)等,除在民用領(lǐng)域的

20、廣泛應(yīng)用外,已在虛擬顯示、高清晰度顯示、語言和圖形識別等軍用領(lǐng)域應(yīng)用。近年來,液晶顯示以及其他平板顯示器件和技術(shù)正在大力地改進(jìn),如為解決等離子體顯示發(fā)光效率、亮度、壽命、光串?dāng)_和對比度等問題,正在進(jìn)行諸如大面積精細(xì)圖形制作和保護(hù)層等工藝方面的改進(jìn),并取得了較快進(jìn)展。從整體來說,平板顯示技術(shù)將繼續(xù)向著彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉價方向發(fā)展。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展,各種類型的光電探測器,如電荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏陣列探測器等應(yīng)運(yùn)而生,取得了重大進(jìn)展。進(jìn)入90年代,光電探測器的發(fā)展方向除了開發(fā)高速響應(yīng)光電 探測器外,其重點(diǎn)是開發(fā)焦平面陣列為代表的光電成像器件。紅外焦平

21、面陣列制作技術(shù)的日臻完善,使紅外探測技術(shù)進(jìn)入了第二代。當(dāng)前,降低成本是紅外探測器在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。21世紀(jì),紅外焦平面陣列開發(fā)方向,一是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高分辨率,二是開發(fā)多功能和智能化焦平面陣列。 隨著光通信、光信息處理、光計算等技術(shù)的發(fā)展,加之材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)展,使得在單一結(jié)構(gòu)或單片襯底上集成光學(xué)、光電和電子元器件成為可能,形成具有單一功能或多功能的光電子集成回路(oeic)和集成光路(ioc)。目前,商品化的集成光路產(chǎn)品有調(diào)制器、開關(guān)和分路器以及采用集成光路相干通信系統(tǒng)、光纖陀螺、激光光纖多普勒干涉儀等系統(tǒng),以及用于光纖傳輸試驗的單片集成光電子集成回路。預(yù)計到2020年,光電子集成回路和集成光路的發(fā)展速度將相當(dāng)于20世紀(jì)70年代的微電子技術(shù),多功能集成光學(xué)器件和光電子集成器件將系列化,集成光學(xué)信號處理速度將達(dá)到1ghz。 我國光電子行業(yè)在科研上起步較早,也有一批水平較高的應(yīng)用成果,其中光纖通信的發(fā)展尤快。在國防上的應(yīng)用也開展較早,如靶場用的激光、紅外、電視等光測設(shè)備,以及紅外導(dǎo)引裝置、紅外熱像儀、激光測距儀、微光夜視儀等。但民用市場開發(fā)較晚,真正能形成較大生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)品不多。 我國在八五計劃期