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1、1,第一讲 概述,光子学概述 全光网络 光器件分类,2,一、光子学,21世纪是信息时代 信息发展趋势 各国政府对发展光子产业定位 迈向光子学和光子技术时代 光子与光子学技术发展前景,3,21世纪是信息时代（2）,信息发展的特征：以多媒体化和数字化。 信息量： 2 kB/A4文件; 40 kB/A4黑白照片; 5 MB /A4彩色照片; 一分钟的VHS（Video Home System ）质量的全活动图像约为10 MB; 放一分钟的广播级的FMV(Full Motion Video )就约为40 MB。,5,信息技术的发展趋势（2）,目前信息技术的主要支撑技术： 电子技术，特别是微电子学技术；
2、 发展中的光电子学：信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成，已应用在光电信息处理、光通信、光存储和光电显示技术； 光子学技术正在倔起： 美国认为“光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和潜力”，“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。,6,各国政府对发展光子产业定位（1）,美国商务部指出： “90年代， 全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光子产业方面取得主 动权，谁就将在21世纪的尖端科技的较 量中夺魁”。在德国，政府已确定光子学 是本世纪初“对保持德国在国际技术市场 上的先进地位至关重要的关键技术之一” 。在日本有评论认为21世纪具
3、有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业”。,7,各国政府对发展光子产业定位（2）,我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大珩等四位专家倡导的“863计划”之后，在此基础上开始了“973计划”，这两个高科技计划的重点是光电子产业。据国家统计资料显示，21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业”。,8,迈向光子学和光子技术时代,人类创造的现代科技发展图,光子学欣欣向荣，与电子学比翼双飞；,9,光子技术破门而出,电子作为信息和能量的载体对20世纪文明社 会的发展作出了巨大
4、的、奠基性的贡献，然而电子 (或微波、无线电波)技术受到电荷性、带宽、互扰等 固有物理特性的限制，已很难满足“3T”的需求由 于光子或光波不存在传输瓶颈效应，带宽比电磁波 大103倍，响应速度比电子快3个数量级，有高度并 行处理的能力和高度的抗扰性因此，光子代替电子 或微波作为信息和能量的载体是现代信息化社会的 必然选择，光子技术将成为21世纪信息化社会的另 一主要支柱,10,电子学与光学(电子与光子)比较（1）,电子学，在20世纪中大展鸿图： 雷达微波通信卫星通信的出现： 半导体微电子学、大规模集成电路技术、电子计算机的发明：光纤通信的出现，它与电子计算机结合，使人类进入了信息社会 光学，在
5、21世纪中前景灿烂： 光波波长范围由x射线紫外可见光、直到红外等波段； 光波波长短频率高总带宽宽，因而分辨力高 光的速度快，因而处理速度快： 光由于其并行性，串音小、不受干扰以及能在空间互连 光波波段(例如红外)抗干扰性好，具有高度隐蔽性,11,电子学与光学(电子与光子)比较（2）,光子学与电子学相互依赖、相互渗透，许多概念理论和原理是相互借鉴的在信息社会中，电子(学)和光子(学)比翼双飞 光学，明天更辉煌 写在北京理工大学光电工程系建系50周年， 周立伟，2003.,12,光学与光子学的未来,如果把光比作大海，无边无际，我们对光和光子的认识和知识仅仅是“沧海一角”而已 人类社会的进展期待光学
6、和光子学、光学(光子学)不应是配角昨天的光学成就非凡，今天的光学 欣欣向荣，明天的光学将更加辉煌,13,光子学,目前对光子学的研究内容、范围及对其理解还没有统一的认识，但以光子为信息载体，研究包括光与物质(光子与光子、光子与电子)的相互作用及能量转换等问题是学科的基本内容，研究内容和范围可与电子学作类比 关于光子学与光电子学二者之间的关系和联系，国际光学界的人士认为：“光子学是物理学的两大分支电子学与光学的融合，这种融合的初期产物是光电子学，而其发展的更高级形式则是光子学”光子学(photonics)涵盖了光电子学，已逐步取代photoelectronics和optoelectronics(中
7、文都译为光电子学)，也取代了70年代常用的电光学(electro-optics)名词这种认识的原因主要是从本质上说光子是起主导作用的,14,光子学与光子技术优越性,优点是： 响应速度快 。 光开关器件的响应速度的理论值可达fs量级，而目前电子器件及其系统的响应时间最快达到ns量级，前者比后者几乎高出6个数量级以上 传输容量大 光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，一路微波通道可传送一路彩色电视或1 000多路数字电话信号，一根光纤则可同时传送1千多万甚至1亿路电话 存储密度高 利用光的相干性，三维全息技术可以把1 000部10万字的书籍存储在不到1 cm3的介质中，书桌上的图书馆不再是遥远的
8、梦想 处理速度快 由于光的频率高，故可高速传递信息，而且利用多重波长，信息二维并列传送等，可同时并行处理二维信息，易于三维并行互连及并行处理，特别有利于图像信息的处理与传输 微型化、集戊化 由于光波波长短，光子信息系统的几何尺寸大大缩小,15,光子与光子学技术发展前景（1）,光学与光子学：孕育着新的突破 半导体量子阱(线，点)光电子器件和光纤器件仍将是进一步发展信息光电子技术的基础，但以光子晶体和有机高分子材料为基础的光电子器件可能引发光电子技术的又一次革命光子技术进 入微电子芯片中，摆脱电子回路的“瓶颈”极限，协同电子在芯片内、外高速安全地传递高速逻辑运算的 信息，从而使电子计算机的运算速度
9、成万倍地提高。,16,光子与光子学技术发展前景（2）,科学研究方面：量子光学与信息科学的交叉正在形成光量子信息科学。以光子作为信息载体的量子通信能够提供其安全性由物理定律所确保的，不可破译、不可窃听的量子密码体系以20世纪的伟大科学成就量子理论和信息科学的结合为标志的这场革命可能使诸如量子计算机、量子通信、量子密码、量子信息编码与译码、量子信息网络等令人耳目一新的概念转变为全新技术。 光孤子的形成与传输以及未来全光通信网中的光子交换器件等。,17,光子学主要学科领域,1、光子理论 主要研究光子的本性、光子态、光孤子、光压缩态、腔量子电动力学、激光理论、量子光学等，为分析处理光子学中的各类问题提
10、供理论基础。 2、信息光子学 研究光子信息处理和存储，光纤光子学，光波导，光通讯，光纤放大器，波分复用技术和器件，光开关以及光计算等,18,光子学主要学科领域（2）,3、瞬态光子学 研究超快脉冲的产生，超快非线性光学，超快光脉冲与物质的相互作用，超快诊断技术等 4、固态光子学 主要研究光子与物质相互作用 5、生物医学光子学 主要研究光子与生物体的相互作用，生物系统的超微弱光子辐射，生物体特性的光子学探测和诊断，如OCT成像以及光子医疗等 6、集成光学与微结构光子学 主要研究超晶格量子阱的特性，光子微腔，量子尺寸效应，介质光栅，周期极化与准相位匹配，光电集成，开拓超小型化光子器件,19,光子学主
11、要学科领域（3）,7、光子源 研究新型可调谐激光器，激光的全固化和小型化发展蓝绿光半导体激光器及LED器件等 8、非线性光子学 研究光与物质的非线性相互作用，光频变换，光波耦合，光学孤子，光混沌，光学材料的非线性特性的测量及应用 9、光子探测器 研究高灵敏的光探测器，快速响应的光探测器，CCD成像器件等,20,光子学主要学科领域（4）,10、光显示 研究液晶显示器，有机电致发光器件及等离子体显示器等 11、光子学材料 光子学材料包括激光工作物质，非线性光学材料，光电转换材料，光存储材料，光子显示材料，光传输材料如光纤光波导，半导体超晶格量子阱材料，光子学微结构与光子晶体材料这些材料的种类繁多，
12、包括无机有机半导体，铁电体，生物等这些光学材料是光子学和光子技术发展的基础，也是光子器件的基础,21,光子学主要学科领域（5）,12、太阳能利用 太阳热能利用如太阳能热水器和取暖技术及装置、太阳能光伏器件的制备和使用。,22,光子产业的分类和内容,有些科学家预言：光子技术将引进一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击”也有人认为21世纪是光子时代”光子学技术在各个领域的泛应用，促进了光子器件和整机产品市场发展，从而形成了光子产业面对光子产业的美好发展前景和竞争，国内若干个城市和地区也看准了光子产业这个市场，抓住机遇，投入大量的人力和财力，建设光电子产业基地“光谷”
13、过去，美国的“硅谷”在电子技术和产业的发展中取得令人瞩目的成就，人们希望借鉴“硅谷”这一模式发展光子产业武汉上海长春广州深圳等地相继建立了“光谷”或光电子产业园区,23,光子产业的光子技术基础（1）,现在光子技术的主要领域为: 1、 光子产生、控制技术激光器件, 光调制, 光放大, 光开关, 光耦合, 滤波, 锁相, 光互联等 2、 光子传输技术光纤的制备与应用, 波分复用器件, 光纤传感, 有源与无源光波导技术等 3、 光信息处理技术光计算, 光互联, 光加密与识别, 激光测距, 光制导等,24,光子产业的光子技术基础（2）,4、 光子存储技术高密度光存储技术, 三维光存储 5、 光子探测与
14、分析技术光电探测技术,遥感技术, 光谱分析与计量技术 6、 光子显示技术三维全息显示, 液晶显示、场致发光与发光二极管等,25,另外一种分类,能量光电子:工业激光设备,激光材料处理,激光医疗设备,激光元器件,激光测量仪器 消费光电子:光存储,光传感,光显示,数码相机,新型光源 信息光电子:光纤光缆,光通信器件与光集成,光通信系统设备,IP网络及设备,移动通信系统及设备 军事光电子:,26,军事光电子,光电子技术广泛用于侦察、识别、预警、反隐形、跟 踪、制导、火控、导航、模拟训练、信息处理、光电子对抗等。 军事光电子技术主要包括激光、红外光、可见光 三个技术领域。 用于激光制导，制导精度高、抗干
15、扰能力强、 操作简便； 用于激光通信，信息容量大、通信距离远、传输损耗低、保密性强；用于激光测距，测距快速、准确、无盲区； 用于激光侦察，可识别伪装目标。 制成各种激光武器。 用于保障非合作目标识别和战术目标自动识别的热像仪 用于演示灵巧武器保障战术目标自动识别功能的双波段光电引导头和超高速武器红外引导头。 在激光雷达技术方面，正在研制以识别直升机为目标的激光振动传感器、化学战剂遥感用的红外激光雷达、有效识别真 假侵入目标的激光雷达等。,27,光子产业的分类,28,光通信产业,包括： 1、各种规格的光纤和光缆，包括各种掺杂光纤、特殊结构光纤（保偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光纤、大孔径光纤等）
16、、光子晶体光纤和塑料光纤； 2、各种有源器件（激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、接收模块等）和无源器件（耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环形器、连接器、光互联、光分叉复用、光波分复用以及包含这些功能的各种集成光子器件等； 3、各种光通信测试仪器（功率计、波长计、光纤光谱分析仪、宽带放大器、反射信号测试仪、信号发生器、通信信号分析仪等）与光纤加工设备（光纤拉制机、光纤熔接机、光纤熔融拉锥机、光纤刻蚀机、光纤抛磨机） 4、光通信系统（时分复用、波分复用）和光网络系统（远程网、城域网、接入网）,29,光信息产业,1、光电子元件（发光器件，感光器件，CMOS图像传感器、光纤光栅传感器、和太阳能电池。 2、光显示器，薄膜晶体管-液晶显示器，发光二极管显示器、等离子体平板显示器、场致发射显示器，数字微透镜或光纤阵列显示器，各种投射设备。 3、光信息输入/输出设备，包括激光照排系统、激光复印机、激光打印机、传真机、图像扫描仪，条码扫描器和数码相机 4、光存储器件,光盘和激光全息存贮设备等 5、照明，包括装饰照明、城市和旅游景点、商业娱乐、交通指示灯照明。半导体照
