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2006-11-28 12:12 |
光電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
干福熹（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海復(fù)旦大學(xué)）
一、光電子學(xué)（Optoelectronics）技術(shù)是光學(xué)技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的融合，靠光子和電子的共同行為來執(zhí)行其功能。上世紀(jì)60年代激光技術(shù)的產(chǎn)生，極大地推動了光電子技術(shù)的發(fā)展。
以往把光電子學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)歸于電子學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，國外也有歸到光學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)（日本）。最近光子學(xué)（Photonics）技術(shù)的興起，也有的把光學(xué)、光電子學(xué)和光子學(xué)技術(shù)合并在一起，稱光科學(xué)技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)基地稱“光谷”。
光電子技術(shù)主要應(yīng)用于兩個方面：光子作為信息的載體，應(yīng)用于信息的探測、傳輸、存儲、處理和運算，稱信息光電子技術(shù)；光子作為能量的載體，作為高能量和高功率的束流（主要是激光束），應(yīng)用于材料加工、醫(yī)學(xué)治療、太陽能轉(zhuǎn)換、核聚變等，稱能量光電子技術(shù)。
二、當(dāng)代社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，信息容量日益劇增，21世紀(jì)已處于太位（Tera-bits 1´1012bits）信息時代，即信息的容量以太位計，信息密度以Tb/cm2計，信息流以Tb/s計和信息的頻率以THz計，即皮秒（ps，10-12s）時間相應(yīng)。為提高信息的獲取、傳輸、存儲和顯示、處理和運算的速度和容量，已由光子和電子共同參與來完成，光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后信息領(lǐng)域中的重要技術(shù)。
作為光電子技術(shù)的系統(tǒng)集成，光通信、光存儲、光電顯示、光電輸入和輸出系統(tǒng)技術(shù)的興起和它們在近20年來飛快發(fā)展，已使人們認(rèn)識到光電子技術(shù)的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。2001年世界光電子的硬件（材料、器件和設(shè)備）產(chǎn)業(yè)已達(dá)1700億美元，估計到2003年超過2000億美元。以上四個方面的產(chǎn)業(yè)約各占20%左右。我國大陸和臺灣近幾年光電子產(chǎn)業(yè)的上升速度都達(dá)50%，各有近100億美元的產(chǎn)值，占世界市場的10%。
三、光通信技術(shù)是光電子技術(shù)的一個主要方面，分無線光通信和光纖通信。無線光通信技術(shù)應(yīng)用于空-空、地-空、地-地光通信以及星際光通信網(wǎng)，主要為軍用和專業(yè)用。光纖通信技術(shù)在長距離和主干線應(yīng)用上已趨完善，今后光纖通信主要應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體通信進(jìn)入家庭。
從光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展中可以明顯地看到材料、器件和單元技術(shù)的關(guān)鍵作用。20世紀(jì)70年代由于解決了低損耗石英玻璃光纖（損耗小于20dB/km）和長壽命、高穩(wěn)定砷化鎵半導(dǎo)體激光器（壽命大于1萬小時），使光纖通信系統(tǒng)得到實用化。20世紀(jì)90年代采用了光纖放大器技術(shù)（EDFA，摻鉺玻璃光纖放大器）和波分復(fù)用技術(shù)（WDM），建立了高信息量長距離光纖通信系統(tǒng)。21世紀(jì)初（2005前）發(fā)展了高密度波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）和信息打包（IP）分送和交換技術(shù)，使2-3年內(nèi)信息傳輸速度可達(dá)到1Tb/s以上。
當(dāng)前發(fā)展光纖通信技術(shù)的主要目標(biāo)之一為開發(fā)價格低廉和高性能的有源和無源器件并實現(xiàn)光電集成化，推動光纖通信到區(qū)域和用戶。激光器和探測器為光纖通信有源器件的主要部分,而Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物(如GaAs,GaSb,InP等)為激光器和探測器的主要材料。為適應(yīng)DWDM的需求，除了進(jìn)一步提高分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB，DBR）和垂直面發(fā)射激光器（VCSEL）的性能外，要開拓出可調(diào)諧激光器（TLD）和多波長光源（MLS）。提高響應(yīng)速度和靈敏度，發(fā)展探測器如PIN/FET，TEMT，HBT，等始終是重要的任務(wù)。首先要將半導(dǎo)體激光器、探測器和電源、電路實現(xiàn)光電集成化，做成芯片和模塊。DWDM需要寬波段（C，L，S波段，1.3-1.6mm）的光纖放大器,因此制備摻不同稀土元素(Er,Tm,Pr等)的石英玻璃和復(fù)合氧化玻璃單模光纖就十分重要。半導(dǎo)體光放大器(SOA)將應(yīng)用到探測器的前端和激光器的后端放大。無源器件主要包括分波/合波器（OADM），可調(diào)諧光濾波器、光隔離器，光調(diào)制器以及色散補(bǔ)償器等。光纖光柵（OGF）和列陣波導(dǎo)光柵（AWG）是最近新發(fā)展的主要無源器件。無源器件主要要光學(xué)集成化，組成全光纖光子集成器件和波導(dǎo)光子集成器件。對光纖通信用玻璃光纖，在降低損耗方面當(dāng)前消除紅外1.4mm左右的羥基諧波吸收是最大的進(jìn)展，從而拓寬了波分復(fù)用的應(yīng)用波段。此外，色散補(bǔ)償、偏振補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償都是提高石英玻璃通信光纖性能的主要方面。
要建立全光通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在密集波分復(fù)用的光纖通信上數(shù)據(jù)包的分送（IP over DWDM），光交義交換器（OXC）和全光路由器（Optical router）就十分重要。目前光網(wǎng)中路由器還是光-電-光形式，即光學(xué)互聯(lián)和電子學(xué)作邏輯。由于電信號邏輯數(shù)字交換臺分送和交換電信號的打包是成熟且廉價的。雖然近年已有些實驗用波長光交換（波長路由器），但是信號的同步以及同步信號恢復(fù)、緩沖、記憶以及邏輯都是困難的問題。解決全光學(xué)交換，首先要開拓出快速、低耗的各種光子學(xué)元件，這是當(dāng)前首要的事情。
四、光存儲最早的形式為縮微照相，從本世紀(jì)初開始，經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，成為文檔資料長期存儲的主要方式。60年代初激光出現(xiàn)后，激光全息技術(shù)受人注目，因為它能實現(xiàn)三維圖像存儲，具有更大的存儲容量。但是，由于不能進(jìn)行實時數(shù)據(jù)存取，且不能與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，因此皆不能與磁存儲相比。光盤存儲技術(shù)是本世紀(jì)70年代開拓出來的。光盤存儲集成系統(tǒng)中，光盤機(jī)和光盤片是核心器件。在光盤機(jī)中光學(xué)讀、寫頭是關(guān)鍵元件。在目前物鏡離記錄介質(zhì)較遠(yuǎn)，屬于遠(yuǎn)場光存儲的范圍內(nèi)，記錄點的大小決定于用作記錄的激光波長和聚焦物鏡的數(shù)值孔徑。為提高存儲密度，激光波長向短波方向發(fā)展。第一代光盤存儲用GaAlAs半導(dǎo)體激光器，輸出激光波長為0.78mm （近紅外），5寸光盤的存儲容量為0.76GB（千兆字節(jié)），即CD系列光盤；第二代用GaAlInP激光器，波長為0.65mm （紅光），光盤容量為4.7GB，即數(shù)字多功能光盤（DVD）系列；第三代光盤存儲即將興起，使用GaN半導(dǎo)體激光器，波長為0.41mm（藍(lán)光），存儲容量為27GB，為高密度數(shù)字多功能光盤即HD-DVD光盤（藍(lán)碟）。由此可見，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展起了重要作用。
對可錄和可擦重寫光盤存儲，可錄和可擦重寫的過程由存儲介質(zhì)所決定。例如，利用光-熱過程，使磁性薄膜的記錄的磁疇產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，稱磁光光盤；利用光-熱過程使半導(dǎo)體合金薄膜的晶態(tài)與非晶態(tài)產(chǎn)生可逆變化，稱相變光盤。所以，存儲介質(zhì)、多層膜設(shè)計和制膜工藝等為發(fā)展高密度光盤的關(guān)鍵。
聲視信息領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了光盤存儲技術(shù)，上世紀(jì)80年代激光唱片和激光唱機(jī)的興起，包括聲響唱片CD和激光視盤LD，發(fā)展之迅速出人意料。作為一種新興的信息存儲手段，光存儲技術(shù)在計算機(jī)外存設(shè)備的應(yīng)用上也在很快地成長和發(fā)展著。上世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的磁光盤（MO）技術(shù)和90年代初期出現(xiàn)的相變光盤（PC）技術(shù)都在與磁存儲技術(shù)激烈競爭，已占據(jù)了一部分過去屬于磁存儲技術(shù)的應(yīng)用場合。近年問世的激光視盤（VCD），也已進(jìn)入千家萬戶。可錄CD（CD-R）已代替軟盤，發(fā)展勢頭迅猛。為了爭奪新一輪家庭多媒體娛樂產(chǎn)品的霸主地位，DVD系列光盤將與高密度磁盤作新的競爭。
隨著聲視（A/V）領(lǐng)域高分辨電視和廣播（HD-TV，HD-DVB）的推出，更高存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸率的光盤存儲系統(tǒng)將更快出現(xiàn)，目前正準(zhǔn)備應(yīng)用HD-DVD的技術(shù)，不僅下載和播放HD-TV和HD-DVB，同時用作高分辨的數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝影機(jī)和錄像機(jī)以及數(shù)碼電影。光盤的信息存儲密度達(dá)到10Gbit/cm2。
目前光存儲技術(shù)在存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率方面還不能滿足信息科學(xué)發(fā)展的需要，需要發(fā)展超高密度超快速光存儲技術(shù)。首先從光的遠(yuǎn)場記錄發(fā)展到近場記錄。打破光斑尺寸受光的衍射極限的限制。使光盤的存儲密度達(dá)到100 Gbit/cm2；另一發(fā)展方向為從目前的二維存儲發(fā)展到三維，即將用多層存儲的方案。作為三維存儲的全息光存儲技術(shù)近年來有了復(fù)興，即向圖像數(shù)字化方向發(fā)展。全息光存儲技術(shù)具有可并行傳輸和處理，因此數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到Gb/s，可以成為兩種存儲系統(tǒng)之間的快速緩沖數(shù)據(jù)存儲的手段。利用波長多功能（頻疇），時間多功能（時疇）以及位相角度等多功能可以發(fā)展多維光存儲，這也是超高密度光存儲的另一重要途徑。光存儲密度提高到1T bit/cm2是走向2010年的目標(biāo)。
五、用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將各種形式的信息,（如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖象和活動圖象）作用于人的視覺而使人感知的手段為光電顯示技術(shù)。最常用的靜止信息的顯示手段有打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和掃描機(jī)等，已成為大家熟知的光電輸出和輸入設(shè)備。為提高分辨率以及輸入和輸出的速度，需要發(fā)展高靈敏和穩(wěn)定的感光材料和傳感元件。
顯示器是光電顯示系統(tǒng)中的核心。自上世紀(jì)初出現(xiàn)陰極射管（CRT）以來，它一直是活動圖象的主要顯示手段。CRT技術(shù)一直在發(fā)展，特別在擴(kuò)大尺寸和提高分辨率方面有顯著的進(jìn)展。本世紀(jì)內(nèi)它繼續(xù)成為光電顯示的主要集成系統(tǒng)。
近二三十年來，平板顯示技術(shù)有較快的發(fā)展，它主要避免了CRT的龐大體積。平板顯示技術(shù)主要指液晶顯示技術(shù)（LCD）、場致放射顯示技術(shù)（FED）、等離子體顯示技術(shù)（PDP）和發(fā)光二極管顯示技術(shù)（LED）等。在高清晰度電視、電視電話、計算機(jī)（臺式或可移動式）顯示器、汽車用及個人數(shù)字化終端顯示等應(yīng)用目標(biāo)的推動下，顯示技術(shù)正向高分辨率、大顯示容量、平板化、大型化方向發(fā)展。
液晶顯示的主要優(yōu)點為功耗低、工作電壓低、體積小易于攜帶，易于彩色化，屬非自發(fā)光型顯示；不足之處為顯示視覺小，對比度和亮度受環(huán)境的影響較大，響應(yīng)速度較慢。目前以薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器為主，其中TFT-LCD的對角線尺寸已可做到40英寸。液晶材料一直是關(guān)注的對象，已從雙扭向列型（TN）液晶發(fā)展到超雙扭向列型（STN）液晶，為提高響應(yīng)速度，又開發(fā)了鐵電型（FE）液晶，其響應(yīng)時間在微秒級。
場致發(fā)射顯示（FED）是將真空微電子管應(yīng)用于顯示的技術(shù)。它具有視角寬、功耗低、響應(yīng)速度快、光效率和分辨率高。用類金剛石材料作冷陰極和稀土離子摻雜的氧化物作發(fā)光材料，推動了FED的發(fā)展。
等離子體顯示（PDP）的出現(xiàn)比場致發(fā)射顯示（FED）遲一點，由于PDP電極發(fā)射面積比FED容易做大，所以也容易做成大屏幕的顯示器，它的不足之處為驅(qū)動電壓高，功耗大。FED和PDP的發(fā)光材料、電極材料以及電介質(zhì)材料（低熔點玻璃等）等仍需不斷改進(jìn)和提高，從而提高發(fā)光效率和發(fā)光亮度，降低功耗，實現(xiàn)全色化和多級灰度顯示等。
發(fā)光二極管（LED）顯示技術(shù)出現(xiàn)較早，但由于價格高，制成大面積列陣比較困難，主要應(yīng)用于大型顯示板。近年來，電致發(fā)光的有機(jī)材料（OLED）有了新的進(jìn)展，它容易制成列陣，所以比較引人注目。主要有兩類：金屬有機(jī)分子，（如Alq和雙胺）可用蒸鍍法制成異質(zhì)結(jié)構(gòu)；另一類為共軛聚合物聚對苯乙炔（PPV）用溶液旋鍍法制成的。OLED是21世紀(jì)很有前途的顯示器,但仍需要在發(fā)光亮度和量子效率、穩(wěn)定性和耐用性等方面不斷提高和改進(jìn)。
各類光電顯示器有不同的用途。平板顯示器的布局可能是這樣的：LCD主要用于小屏幕，袖珍攜帶式；平板CRT和FED用于中屏幕彩色顯示；PDP用于大屏幕，壁掛式顯示。
六、近年來我國光電子技術(shù)有較快的發(fā)展，研究開發(fā)力量也有所增強(qiáng)。在專業(yè)和國防應(yīng)用方面的光電子技術(shù)取得較大成績。但是在研究開發(fā)成果的轉(zhuǎn)向生產(chǎn)以及在光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)中自主開發(fā)方面與國外的差距很大。這必須要引起特別重視。
光電子技術(shù)的主要方面的突破產(chǎn)生于美國，在R&D方面走在世界的前列，而光電子產(chǎn)業(yè)的形成又往往在日本，這主要是日本注重生產(chǎn)技術(shù)和家用（Consumer）市場的開發(fā)。巨大的投資產(chǎn)生了巨大效益。日本曾在半導(dǎo)體激光器、激光打印機(jī)、液晶顯示器、光盤產(chǎn)業(yè)等方面在世界上處于壟斷地位。1995年，美國光電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會（OIDA）在考察和對比了美國和日本的光電子技術(shù)發(fā)展情況后，認(rèn)為美國首先要在光電顯示、光通信和光存儲產(chǎn)業(yè)中加強(qiáng)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展；光通信產(chǎn)業(yè)要注意市場開發(fā)；光電顯示要加強(qiáng)制造業(yè)；光存儲要加強(qiáng)研究開發(fā)。制定除了5年、10年的發(fā)展規(guī)劃，要奮起直追。至今在光通信和光顯示產(chǎn)業(yè)等方面趕上和超過日本。
光電子技術(shù)發(fā)展迅猛，光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)屬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，除了看產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模，（我國大陸只占國際市場的5%的份額，與大國的地位也不相稱），還要看競爭能力。從科技背景（政策、經(jīng)費和人力資源）、產(chǎn)業(yè)環(huán)境（世界市場占有率、企業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、行銷能力）和科技實力（專利件數(shù)、產(chǎn)品開發(fā)、關(guān)鍵零組件、量產(chǎn)能力）3個大方面，對光電子產(chǎn)品的主要生產(chǎn)地區(qū)的評估�？梢钥闯觯覈ù箨懀┑木C合競爭能力遠(yuǎn)低于日本、美國甚至臺灣、韓國。特別在行銷能力、關(guān)鍵零組件生產(chǎn)、專利件數(shù)和市場占有率等方面。不能不注意到，我國（大陸）大部分的光電子企業(yè)還是作來料組裝，貼了別人的商標(biāo)去出口。這在生產(chǎn)剛開始形成時是可以的，但不能長久這樣下去。關(guān)鍵在于立足自主開發(fā)和創(chuàng)新上。
資料：
[1]干福熹。光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國科學(xué)院院刊，1996，（5）：366-367；周光召主編，共同走向科學(xué)，新華出版社，1997：364-375
[2]干福熹。光子學(xué)的發(fā)展-對當(dāng)代信息技術(shù)的影響。世界科技研究與發(fā)展；20[3]（1998）32-34
[3]干福熹。光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展和我國的戰(zhàn)略，科技導(dǎo)報，12（2001）6-8
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