“光信息技術”向我們大步走來 省賽獲獎

2023/9/301光電信息技術

IntroductiontoOptoelectronicInformationEngineering2023/9/302光電信息技術概論0.1基本概念0.2主要特點0.3主要應用0.4發(fā)展趨勢2023/9/303

信息技術

（先導和核心）

新材料技術

（基礎）

新能源技術

（支柱）

生物技術

（微觀領域的拓展）

空間技術（宏觀領域的拓展）

海洋開發(fā)技術光電信息技術基本概念一、六大高技術群體2023/9/304二、信息傳遞模型信息系統(tǒng)分析要點信源、信宿（起點、終點）載體（電子，光子，聲子）變換（載體，形式，時空）信道（傳輸介質種類，特點）噪聲（來源，特點）系統(tǒng)（電子，光子，聲子，混合）光電子技術研究對象是光電混合系統(tǒng)2023/9/305信息系統(tǒng)舉例圖書閱讀：是一個將信息從書本通過光子載體傳遞到人腦的過程信源——書本；信宿——大腦；變換——載體變換；信道——大氣光學通道；還原——視覺、識別；噪聲——影響正確識別的因素（光線暗、視力差）信息載體變換過程：書本——光子——大腦。主動系統(tǒng)：使用人工光源；被動系統(tǒng)：使用自然光源光纖通信：是一個將信息通過光纖進行異地傳遞的過程信源——磁盤；變換——編碼，調制；信道——光纖；噪聲：衰減、色散；還原——探測、解碼；信宿——磁盤。信息載體變換過程：磁盤—電子—光子—電子—磁盤2023/9/306信息傳遞的時空形式與變換信息的空間傳遞：從此地到彼地，如光纖通信信息的時間傳遞：從此時到彼時，如光盤存儲信息傳遞過程中的時空信息相互變換電視的傳輸：將空間信息轉化為時間信息再進行傳輸；電影的音軌：將時間信息轉化為空間信息再進行傳遞。2023/9/307電子信息技術：電子信息技術研究作為信息載體的電子行為及其應用的科學。電子信息技術主要研究電子信息的獲取與處理，電子設備與信息系統(tǒng)的設計、開發(fā)、應用和集成。三、電子信息、光電子信息、光子信息技術光電子信息技術：是由光學、光電子、微電子等技術結合而成的多學科綜合信息技術，涉及光信息的輻射、傳輸、探測以及光電信息的轉換、存儲、處理與顯示等眾多的內(nèi)容。光子信息技術：也可稱光電子信息技術，它是研究作為信息和載體的光子行為及其應用的科學，主要研究光子是如何產(chǎn)生及其運動和轉化的規(guī)律。所謂光子技術，主要是研究光子的產(chǎn)生、傳輸、探測和控制的科學技術。2023/9/308四、電子信息技術與光子信息技術分類電子信息技術（廣義）光電子信息技術=光子信息技術（廣義）電子信息技術（電子作為信息的載體）光電子信息技術（光電相互作用與轉換）光子信息技術（光子作為信息的載體）產(chǎn)生電源技術，電磁輻射激光技術，電光源技術，光伏技術傳輸波導技術，無線電、微波技術光纖光纜，光無源器，空間光通信變換電子電路，編碼解碼電光調制，光電傳感空間光調制探測電子傳感光電探測（紅外、可見，紫外），光電成像（掃描、陣列）光譜技術，光波導傳感存儲半導體存儲、磁存儲光存儲（光盤、光全息）顯示CRT,LCD,PDP光全息處理數(shù)字電路，電子計算機圖像處理，模式識別空間濾波、光互連、光計算，自適應光學集成微電子技術，電路系統(tǒng)光電子集成（MOEMS），微納加工（光刻技術）微光學器件，集成光路功能類別2023/9/309光電子技術也可以認為是光波段的電子技術

光電信息技術是電子信息技術發(fā)展的一個重要階段，是對光波段的開拓和利用。人類對光的認識早于電，但對光的控制與利用卻落后于電。光不僅是支持生命的重要能量來源，也是生活中的重要信息來源。2023/9/3010五、光子學與電子學眾所周知，電子與光子是當今和未來信息社會的兩個最重要的微觀信息載子，對它們的研究分別隸屬于電子學與光子學的范疇。電子與光子除了具有能夠承載信息的共性外，它們還有各自的個性。正是這些個性才決定了電子學與光子學分屬不同的學科。2023/9/3011電子與光子特征比較2023/9/3012光子學與電子學的發(fā)展模式對比電學→電子學→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)→電子工程→電子產(chǎn)業(yè)光學→光子學→光子回路→光子集成→光子系統(tǒng)→光子工程→光子產(chǎn)業(yè)2023/9/3013光子學與電子學的結合模式(a)全電子(EE)過程：光(O)的參與只起輔助作用(如提供能源等)，如由太陽能電池供電的各種電子設備。(b)全光子(PP)過程：電(E)在其中起輔助作用，如各種光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系統(tǒng)。(c)、(d)光電結合的光電子過程：其中(c)的典型例子是光電探測及現(xiàn)行的各種光電通信接收系統(tǒng)；(d)的典型例子是電致發(fā)光及各種電視接收系統(tǒng)等。

(a)與(b)分屬電子學與光子學的研究范疇。而(c)和(d)分屬光電子學和電光學領域。2023/9/3014光子學與電子學相互促進20世紀是電子時代，21世紀將迎來一個光子與電子交相輝映的全新時代。信息技術依托成熟的電子技術，與其他高科技交叉滲透，成為高技術的先導和核心。光電子信息技術是信息技術的研究與應用前沿，是影響21世紀發(fā)展進程的主要高技術。電信——

光信2023/9/3015光子的優(yōu)異特性（1）極高的信息容量和效率（2）極快的響應能力（3)極高的分辨本領（4）極強的互連能力與并行能力（5）極大的存儲能力

光子信息技術主要特點光子信息技術最根本的特征是短波高頻。2023/9/3016（1）極高的信息容量和效率作為信息載體，光與電相比信息容量要大出幾個量級。光波（10nm,1mm，波長范圍5個數(shù)量級）與微波（1mm,1m，波長范圍3個數(shù)量級），前者可承載信息的容量比后者高出3～4個量級。一個載子可承載的信息量為信息效率。光子狀態(tài)遠比電子狀態(tài)豐富，如果考慮到光子的數(shù)字編碼與光子的統(tǒng)計特性等，光子的信息效率遠遠高出電子。例如，在光子學中，如使用所謂光的壓縮態(tài)、光子數(shù)態(tài)等作光子源，量子噪聲有可能減小到極小值，光子的信息效率也將成量級地提高，這時，一個光子甚至具有承載成千上萬個比特信息的能力。2023/9/3017（2）極快的響應能力在信息領域，信息載體的響應能力是至關重要的，它是決定信息速率與容量的主要因素。在電子技術中，電子脈沖脈寬最窄限度在納秒(ns，10-9s)量級，因此在電子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量級。由于光子是玻色子，沒有電荷，而且能在自由空間傳播，因此，光子脈沖可輕易做到脈寬為皮秒(ps，10-12s)量級?，F(xiàn)在實驗室的光子脈沖寬度水平已達到2～3個飛秒(fs,10-15s)量級。即相當一個光學周期的寬度。因此使用光子為信息載體，信息速率能夠達到每秒幾十、幾百個Gb，甚至幾個、幾十個Tb(1012bit/s)。2023/9/3018（3)極高的分辨本領1.角度分辨率：

=/(2L)

電磁波波長，L天線口徑脈沖雷達：=5cm,L=1.5m,=0.0174rad激光雷達：=10.6m,L=10.6m,=10-4rad2.距離分辨率：

R=c

/2c光速，

脈沖寬度雷達測距儀：

=1s,R=150m激光測距儀：=100ps,R=1.5cm2023/9/3019（4）極強的互連能力與并行能力電子與電子之間存在庫侖作用力，這就使得它們彼此間無法交連。在電子技術中，兩根導線如果交連，就會形成短路。所以，在電路中為了實現(xiàn)互連，就只能像搭“立交橋”那樣，將其運行路線彼此隔離，顯然這就使互連受限，成為限制電子信息速率與容量的一個主要因素。另外，在電子技術中，電子信號也只能是串行提取、傳輸和處理的，對于兩維以上的信號，如圖象信號等，則只好依靠掃描一類的手段將其轉換為一維串行信號來處理。這是另一個限制電子信息速率和容量的主要因素。光子無電荷，彼此間不存在排斥和吸引力，具有良好的空間相容性。例如，在第六代計算機—神經(jīng)網(wǎng)絡計算機中，具有足夠大的網(wǎng)絡規(guī)模，需要超大規(guī)模的群并行性處理。對于一階網(wǎng)絡，規(guī)模為N時，其完全互連數(shù)則為N2。例如N=104，互連數(shù)則為108。計算機的等效運算速率與互連通量成正比，因此，在這種情況下，速率可達1010bit/s，這差不多是目前計算機的最高水平。2023/9/3020（5）極大的存儲能力不同于電子存儲，光子除能進行一維、二維存儲外，尚能完成三維存儲。再考慮頻率“維”等，可用于存儲的參量很多，因此，可以說，光子具有極大的存儲能力。一個存儲器的容量極限是由單位信息量(bit)所需最小存儲介質體積決定的，對于光來說，這個量為其波長

量級，因此，三維存儲容量為(1/

)3量級。如果使用可見光(

～500nm)，光子的存儲能力則可達到1012bit／cm3量級。三維存儲除容量大外，另外一個顯著特點是并行存取，即信息寫入和讀出都是“逐頁”進行的，并能與運算器并行連接，由此速度很快。加之光子無電荷，既能防電磁干擾，讀取準確，又不產(chǎn)生干擾，具有保密性。這樣一些優(yōu)點，都是電子無法與之相媲美的。此外，由于光在時間與空間上的特性，可形成反演共軛波，在自適應控制等信息處理領域有獨到應用；還由于光子的自旋為h，導致出現(xiàn)偏振、雙折射效應等，并因此而產(chǎn)生一系列新的應用。2023/9/3021信息社會的3T目標信息傳輸速率：1Tb/s信息存儲容量：1Tb/disk,1Tb/cm3

信息處理速度：1Tb/s光子信息技術！2023/9/3022(1)數(shù)據(jù)通信光纖的發(fā)明，引起了通信技術的一場革命，是構成21世紀信息社會的一大要素。光纖通信將人類帶入互聯(lián)網(wǎng)時代，將世界縮為村落。光電信息技術主要應用2023/9/3023光纖通信技術發(fā)展的里程碑1966年出生在中國上海的英籍華人高錕，發(fā)表論文《光頻介質纖維表面波導》，提出用石英玻璃纖維（光纖）傳送光信號來進行通信，可實現(xiàn)長距離、大容量通信。1970年康寧公司首先研制出損耗為20db/km的石英光纖；1976年，美國貝爾實驗室在亞特蘭大到華盛頓間建立了世界第一條實用化的光纖通信線路，速率為45Mb/s；上世紀70年代末，大容量的單模光纖和長壽命的半導體激光器研制成功。光纖通信系統(tǒng)開始顯示出長距離、大容量無比的優(yōu)越性；1996年WDM技術取得突破，貝爾實驗室發(fā)展了WDM技術，美國MCI公司在1997年開通了商用的WDM線路?，F(xiàn)在，光纖通信系統(tǒng)的速率從單波長的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地發(fā)展到多波長的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)傳輸。當今實驗室光系統(tǒng)速率已達10Tb/s以上。2023/9/3024光纖之父——高琨2009年高錕因為在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就，榮獲諾貝爾物理學獎一半的獎金；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學獎另一半獎金。2023/9/3025(2)科學研究光子檢測技術光譜分析技術激光光譜技術光學計量技術2023/9/3026

光子技術在創(chuàng)造世界科技的最新記錄

項目內(nèi)容

最大的功率、能量密度

激光輸出脈沖功率已經(jīng)超過13PW=l3X1015W;聚焦強度達l05PW/cm2;可產(chǎn)生億度以上的高溫。能焊接、加工和切割最難熔的材料最低的溫度

激光冷卻可將原子冷到20nk，接近絕對零度;量子冷卻到基態(tài)，為量子光學和量子力學的實驗研究準備了條件；最短光脈沖

在780nm已產(chǎn)生4fs脈沖，行程0.3微米，為該波長光0.5個周期，進入強場物理領域

最密的刻劃

制造最小的光機電一體化設備；加工最小光學和機械零件從微米到幾十微米，集成光機電一體化系統(tǒng)可小到幾毫米;大規(guī)模集成線路的線寬已達0.8um；已研制成功0.13um的集成電路;最大的信息量

已達到3T目標；通信傳輸容量已達Tbit/s，運算速率已達Tbit/s，三維立體存儲密度達Tbit/cm3。最大的望遠鏡探測宇宙太空的哈勃望遠鏡最強的顯微鏡可探測亞波長量級的光子顯微鏡最保密的通信系統(tǒng)

光量子通信是最安全的通信系統(tǒng)。在常規(guī)的通信線路上進行量子保密通信，通信距離已達55km

2023/9/3027光的壓縮態(tài)在對光子的控制上,光的壓縮態(tài)利用光子數(shù)態(tài)是將噪音壓縮到低于量子噪聲，為超高精度、超微弱信號測量和保密通信帶來新的前景。壓縮態(tài)光場是指描述光頻電磁場的某一正交分量起伏低于標準量子極限。目前對壓縮態(tài)光場研究的重點集中在如何進一步提高其壓縮度，向實用化發(fā)展，并將它盡快應用于量子測量及量子信息等前沿學科。將它用于連續(xù)變量的量子保密通訊。壓縮態(tài)光場實驗裝置2023/9/3028（3）醫(yī)療診斷國外報道一種膠囊型內(nèi)窺鏡，與一般的內(nèi)窺鏡比較，可完全避免病人在檢查過程中所產(chǎn)生的苦痛。這種帶有攝像機的膠囊型內(nèi)窺鏡其直徑0.9cm，長2.3cm，被病人吞下后，可在食道、胃、十二指腸、小腸、大腸等處拍攝圖像。膠囊型內(nèi)窺鏡2023/9/3029膠囊型內(nèi)窺鏡結構光、機、電微系統(tǒng)集成在一個膠囊內(nèi)“膠囊”被患者吞服后就會隨著消化道的不斷蠕動向前推進，通過微型攝像機拍攝數(shù)字圖像，并通過微波技術把照片傳送出來，每小時內(nèi)能向數(shù)據(jù)記錄儀傳送近萬幅圖片。2023/9/3030膠囊內(nèi)窺鏡進入胃和小腸膠囊型內(nèi)窺鏡完成攝像任務后，內(nèi)窺鏡便隨著排泄物排到體外。膠囊型內(nèi)窺鏡使用CCD或CMOS攝像機，所需的電能由自身電池或從體外用微波形式輸送，其運行速度和方向等均可以從體外來控制。所拍攝的圖像也使用微波傳送到體外的控制裝置里，使用記錄、顯示系統(tǒng)或打印機獲取圖像。2023/9/3031醫(yī)學成像醫(yī)學成像技術在過去幾年取得了突飛猛進的發(fā)展，如今，這些新技術可以甄別人體任何結構以及許多重要生物過程，比如不同的血流速度。2023/9/3032核磁共振成像

核磁共振成像是追蹤水分子中的氫原子，2023/9/3033彌散張量成像

2023/9/3034X光血管成像2023/9/3035CT血管成像

2023/9/3036正電子放射層掃描(PET)

2023/9/3037(4)遙感測繪光學遙感高光譜遙感、評估油等污染與亦潮災害、目標探測與識別2023/9/3038GoogleEarth2023/9/30392023/9/3040激光雷達

探測大氣溫度、水蒸氣、溫度場、氣溶膠、海面風場、高精度海地形測繪2023/9/3041（5）生活娛樂光筆，光盤VCD、DVD，電視，辦公自動化設備，激光打印機、掃描儀、傳真機，等。2023/9/3042夜視偵察1995~1996年的波黑戰(zhàn)爭，其出動的飛機裝備了夜間低空導航和目標偵察紅外系統(tǒng)等光電裝備構成對塞族的很大威脅。（6）軍事國防2023/9/30431991年初的海灣戰(zhàn)爭，以美國為首的多國部隊首先用衛(wèi)星上的光電遙感儀器獲取了伊拉克和科威特境內(nèi)的地面部署情報，戰(zhàn)爭中采用裝備了紅外前視儀和激光制導航彈的飛機進行夜襲，取得了驚人的效果。2023/9/3044紅外武器1992-1995的科索沃戰(zhàn)爭中應用了大量光電子技術，如用于武器控制的光電精確制導(紅外制導，電視制導，靈巧炸彈等)，造成巨大破壞．以上充分反映光電子高新技術的奇特威力。紅外制導及靈巧炸彈2023/9/3045光電對抗美國波音公司在2009年8月10日成功進行了空基激光反導系統(tǒng)(ABL)的試驗，成功模擬攔截了一枚帶有試驗用傳感器的靶彈。

在試驗中，波音747-400F載機從愛德華空軍基地起飛，用其紅外傳感器探測到了從加利福尼亞圣-尼古拉斯群島發(fā)射升空的靶彈。隨后載機火控系統(tǒng)的激光標定裝置發(fā)射了激光束對目標進行照射跟蹤，最后ABL對目標發(fā)射高能激光束，成功實施了導彈攔截。2023/9/3046波音747-400F空基激光反導系統(tǒng)(ABL)2023/9/3047光電子科學技術與軍事技術光電子技術使現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭看得更清、更快，打得更準，生存能力更強光電子科學技術已經(jīng)成為信息時代軍事技術的一個重要支柱。2023/9/3048一、光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢——21世紀的產(chǎn)業(yè)

上世紀末以來，以光通信為核心的光電子產(chǎn)業(yè)熱潮席卷全球。在國際上舉足輕重的光電子領域的超級企業(yè)Nortel，JDS和Lucent大舉進軍中國。導致在中華大地出現(xiàn)“光谷”浪潮。國際光電子主導產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長趨勢圖0.4光電子技術發(fā)展趨勢2023/9/30492005年：光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值達到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；2010年：以光電子信息技術為主導的信息產(chǎn)業(yè)將形成

5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；2010年至2020年：光電子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，在21世紀將成為最大的產(chǎn)業(yè)；成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平和綜合國力的重要標志之一。

國際光電子產(chǎn)業(yè)分析2023/9/3050我國光電子產(chǎn)業(yè)近年來的發(fā)展迅速，每年以20%遞增；我國光電子產(chǎn)業(yè)約占全球市場的5%；2010年，我國將有450多億美元的產(chǎn)值，將占到全球10%左右的市場份額。如何實現(xiàn)這一份額，國家對光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高度重視，各地“光谷”應運而生。國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)分析2023/9/3051二、光電子器件的發(fā)展趨勢小型化、集成化和廉價化工作波段范圍更大響應速度更快更加適應惡劣環(huán)境

摩爾定律

集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍?；蛘哒f，當價格不變時,每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。2023/9/3052三、光電子技術應用的發(fā)展趨勢產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代和加速推廣應用各類高新技術結合開拓新的技術和應用

MOEMS，生物光電子技術，納米技術2023/9/3053長春北京西安重慶武漢廣州上海合肥南昌無錫福州浙江四、國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)基地

我國光電子產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展迅速，目前共有13個光電子產(chǎn)業(yè)基地我國光電子產(chǎn)業(yè)基地分布示意圖2023/9/3054我國光電子技術在電子材料、器件、工藝和應用等方面實現(xiàn)了飛躍發(fā)展，奠定了堅實的技術基礎并取得了一批高水平的研究成果。其中有些達到世界先進水平，如量子阱材料和器件、光電集成（OEIC）和光子集成（PIC）技術，有些技術距離國際先進水平只有2～3年的差距，對國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)的形成和整體實力的加強發(fā)揮了重要作用。

2023/9/3055國內(nèi)主要城市光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較1地域強勢領域科研教育實力2001年產(chǎn)值優(yōu)勢與特點上海光通信產(chǎn)業(yè)光顯示產(chǎn)業(yè)微電子產(chǎn)業(yè)光通信和激光技術基礎雄厚，有上海光機所，上海交通大學、復旦大學等在光電子技術方面處于國內(nèi)領先的院校。約210億RMB漕河涇、嘉定、松江等地區(qū)的光電子企業(yè)相對較集中，已初步形成上海光電子產(chǎn)業(yè)鏈，光通信和光顯示產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)具有相對優(yōu)勢。武漢光通信產(chǎn)業(yè)激光加工產(chǎn)業(yè)光通信和激光技術基礎雄厚，有武漢郵科院，華中科技大學等在光電子技術方面處于國內(nèi)領先的院校。

約187億RMB(含軟件)長飛(連續(xù)十年光纖光纜產(chǎn)銷量全國同行業(yè)第一)楚天激光(全國最大的專業(yè)激光產(chǎn)品制造商)；華工科技(具高校背景的上市公司，擁有“華工圖象”等多個知名品牌)。廣州光顯示產(chǎn)業(yè)光電材料產(chǎn)業(yè)光儲存產(chǎn)業(yè)有中山大學、華南師大、華南理工大學、暨南大學、廣東工業(yè)大學、廣州大學等在光電子技術方面處于國內(nèi)領先的院校。

約120億RMB科學城成為國內(nèi)外知名的光電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)。吸引大批外資或合資企業(yè)，如光寶、依利安達、恒光電子、高科通信等，形成了光顯示、光存儲產(chǎn)業(yè)群。深圳光通信產(chǎn)業(yè)激光加工產(chǎn)業(yè)集中了全國各地的光電子人才，有深圳大學等從事光電子技術研究和開發(fā)的院校。

約120億RMB全國最大的光通信產(chǎn)業(yè)基地，擁有一批著名的本土企業(yè)，如華為、中興等等；另外，激光方面有大族。2023/9/3056續(xù)上表2地域強勢領域科研教育實力2001年產(chǎn)值優(yōu)勢與特點長春光顯示、激光設備、傳統(tǒng)光學精密儀器設備產(chǎn)業(yè)軍用光電子領域光電子基礎雄厚，有長春光機所、長春理工大學、（原長春光機學院）等光電子專業(yè)院校。

約70億RMB全國主要的液晶生產(chǎn)基地；全國最大的光電編碼器生產(chǎn)基地；是世界生產(chǎn)532nm全固態(tài)綠激光器系列產(chǎn)品最大供應商，激光加工設備、軍用光電設備力量雄厚。北京微電子、數(shù)控機床、智能儀器儀表、醫(yī)療設備、電子專用設備、激光技術、機器人等產(chǎn)業(yè)光通信和激光技術基礎雄厚，有中國科學院、清華大學、北京大學等在光電子技術方面處于國內(nèi)領先的院校?？蒲性核?、高校集中，在半導體激光器、光學儀器、光通信器件、激光加工等方面擁有優(yōu)勢，有“大恒光電子”等上市公司。南京蘇州昆山（