2023年光电子技术的进展（教学课件）.ppt

光电子技术光电子技术 何大伟何大伟 教授博导教授博导 北京交通大学光电子北京交通大学光电子技术研究所一号技术研究所一号教学楼教学楼206室室 :51688018 dwhebjtu.edu 人类迈进了信息时代人类迈进了信息时代 光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 什么是光电子技术什么是光电子技术 光电子技术趋势光电子技术趋势 信息信息 生命生命 能源能源 材料材料 高新技术的代表高新技术的代表 信息科技最活泼信息科技最活泼 开展最迅速开展最迅速 影响最广泛最深刻影响最广泛最深刻 经济效益最明显的科技领域。经济效益最明显的科技领域。21世纪将是信息时代，人类将世纪将是信息时代，人类将迈入了信息社会。迈入了信息社会。人类迈进了信息时代人类迈进了信息时代 1.看看今天社会的快速变化：看看今天社会的快速变化：通信事业迅速开展：通信事业迅速开展：电缆通信电缆通信、微波通信微波通信、光纤光纤通信通信、卫星通信卫星通信、水底通信水底通信、空间通信空间通信 固定通信固定通信、移动通信移动通信、个个人通信人通信 多媒体技术广泛应用多媒体技术广泛应用：声音声音、图像图像、文件文件、数据数据、文字文字 三网合一和三电一体将实现：三网合一和三电一体将实现：网网、有线电视网有线电视网CATVCATV、计算机网统一营运；计算机网统一营运；、电器电器、电信产品的功能将融为一体电信产品的功能将融为一体，实现器智能化实现器智能化、数字数字化化。信息高速公路迅速浪潮在全球兴起信息高速公路迅速浪潮在全球兴起，带动高新技术和交叉学科开展带动高新技术和交叉学科开展 使计算机网络进入千家万户，迅速改变人使计算机网络进入千家万户，迅速改变人们的工作方式、思维方式和生活方式。们的工作方式、思维方式和生活方式。国际互连国际互连InternetInternet网网 宽带综合业务网宽带综合业务网B B-ISDNISDN 信息产业信息产业I I T T占国民生产总值占国民生产总值GNPGNP的比例越来越大：的比例越来越大：Information Technology:信息技术与设备制造业信息技术与设备制造业 信息效劳业信息效劳业 兴旺国家：兴旺国家：40406060；新兴工业化国家：新兴工业化国家：25254040；开展中国家：开展中国家：2525以下；以下；我国我国20222022：2525以以上上 。2 什么是信息什么是信息？特征是什么特征是什么？信息是客观世界中各种事物的特征及其开展变化的反映。信息信息 消息消息！信息有以下特征：信息有以下特征：信息是客观的，不是臆想的；信息是客观的，不是臆想的；信息和物质、能量一样是一种重要的资源，信息和物质、能量一样是一种重要的资源，可供人们利用；可供人们利用；信息有共享性，大家都可采集、接收和利用；信息有共享性，大家都可采集、接收和利用；信息有动态性、可扩充性信息有动态性、可扩充性可以增加或减可以增加或减少少；信息可压缩性和被解压，可对繁杂的信息进信息可压缩性和被解压，可对繁杂的信息进行整理、概括。行整理、概括。信息具有可传递性。信息具有可传递性。信息是可以严格定量计算和测量的物理量。信息是可以严格定量计算和测量的物理量。信息量信息量I被定义为以被定义为以2为底的同等概率为底的同等概率事件数目事件数目N的对数：的对数：I=log 2 N 单位：单位：bit(比特比特)例如例如，转动硬币后转动硬币后，只有正和反两只有正和反两种同等概率事件种同等概率事件，故故I=1bit。不同时代生产力、资源、工具的比较不同时代生产力、资源、工具的比较 3.信息社会的主要特征：信息社会的主要特征：传统工业为主社会转向信息产业为主社会传统工业为主社会转向信息产业为主社会。信息资源充分利用信息资源充分利用 信息技术迅猛开展和应用信息技术迅猛开展和应用 信息产业巨大开展信息产业巨大开展 大大提高工作学习效率和创新能力大大提高工作学习效率和创新能力 大大提高物质文明和精神文明水平大大提高物质文明和精神文明水平 使社会和生活使社会和生活发生巨大变革。发生巨大变革。1883年，爱迪生在一次改进电灯的实验中，将一根金属线密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了灯丝与金属线之间的空隙。1884年，他取得了该创造的专利权。这是人类第一次控制了电子的运动，这一现象的发现，为20世纪蓬勃开展的电子学提供了生长点。光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 J J J J 汤姆逊汤姆逊(英国)18971897年英国物理学家年英国物理学家J J J J 汤姆逊实汤姆逊实验确立了带负电的粒子验确立了带负电的粒子-电子的存在电子的存在 在电子学领域在电子学领域 光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 19011901年美国科学家罗伯特年美国科学家罗伯特 密立根测量出密立根测量出了电子带电量的大小。了电子带电量的大小。密立根观察了一个又一个小油滴。最后他密立根观察了一个又一个小油滴。最后他总结出带电量并非连续，而是具有一级一总结出带电量并非连续，而是具有一级一级的固定数值。它的最小单位自然就是电级的固定数值。它的最小单位自然就是电子的带电量了。子的带电量了。(列第三位列第三位)这一杰出工作以及光电效应的相关奉献为这一杰出工作以及光电效应的相关奉献为他赢得了他赢得了19231923年的诺贝尔物理学奖，成为年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。有史以来第二位得奖的美国物理学家。密立根(美国)在电子学领域在电子学领域 18991899年马可尼发送的无线电信年马可尼发送的无线电信号穿过了英吉利海峡号穿过了英吉利海峡(600千米)接着又成功穿越大西洋，从英接着又成功穿越大西洋，从英国传到加拿大的纽芬兰省。国传到加拿大的纽芬兰省。“无线电之父马可尼“无线电之父马可尼 无线电通信的创造，也是日无线电通信的创造，也是日后无线电播送、电视甚至后无线电播送、电视甚至 的先兆。的先兆。19091909年马可尼获得年马可尼获得诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 他把爱迪生及马可尼两位大师他把爱迪生及马可尼两位大师的创造成果结合起来，着手研的创造成果结合起来，着手研究真空电流的效应。究真空电流的效应。1904年，年，他创造了真空二级管整流器。他创造了真空二级管整流器。(Fleming,Sir John Ambrose 18491945)弗莱明创造的整流器创造了真空二级管整流器弗莱明创造的整流器创造了真空二级管整流器 1910年，德福累斯特首次把它用于年，德福累斯特首次把它用于声音的传送系统。声音的传送系统。1916年，在他的主年，在他的主持下，建立了第一个播送电台，开始持下，建立了第一个播送电台，开始了新闻播送。了新闻播送。到本世纪的到本世纪的 20年代，真空电子器年代，真空电子器件已经成为播送事业与电子工业的心件已经成为播送事业与电子工业的心脏，它推动着无线电、雷达、电视、脏，它推动着无线电、雷达、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速开展。等整个电子技术群的迅速开展。1906年，美国人德弗雷斯特在年，美国人德弗雷斯特在弗莱明的二极管中又参加一块栅弗莱明的二极管中又参加一块栅极，制成可以用于整流，还可以极，制成可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。用于放大的真空三极管。在研究中发现，三极管可以通在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速而促成了无线电通信技术的迅速开展。开展。19-20世纪，电磁学得到了飞跃的开世纪，电磁学得到了飞跃的开展不断开发了各种电的应用技术。展不断开发了各种电的应用技术。电能作为能源具有瞬时移动电能作为能源具有瞬时移动性和可控制性性和可控制性 广泛用于照明、动广泛用于照明、动力等方面力等方面 电子学正是研究电信号的控制、记电子学正是研究电信号的控制、记录、传递及其应用的一门科学。录、传递及其应用的一门科学。光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 1958年，年，半导体集成电路半导体集成电路问世，问世，不仅使高速计算机得以实现，不仅使高速计算机得以实现，还促使电子工业与近代信息处还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。理技术发生天翻地覆的变化。肖克莱、巴丁、布拉顿 电子学与信息技术的第一次重大电子学与信息技术的第一次重大变革发生在本世纪变革发生在本世纪5050年代。年代。肖克莱由于他的半导体理论而导致了肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体管的创造，揭开了电子革命崭新晶体管的创造，揭开了电子革命崭新的一页。的一页。他本人也由于这一重大奉献，和科学家他本人也由于这一重大奉献，和科学家巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学奖奖诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。电子电路不能在同一点重叠相交，电子电路不能在同一点重叠相交，这种空间的不共容性限制了密集这种空间的不共容性限制了密集度的提高；集成电路的平面结构度的提高；集成电路的平面结构只适用于串列处理，要在信息存只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，贮和数据处理上有突破性进展，要使信息贮存密集度再提高要使信息贮存密集度再提高4 4个个数量级，实现非定址的联想记忆数量级，实现非定址的联想记忆(associative momery)(associative momery)，以开展，以开展人工智能，必须开展三维并列处人工智能，必须开展三维并列处理机构。理机构。电子学已经出现不能适应新的要求的征兆电子学已经出现不能适应新的要求的征兆 1970年半导体年半导体激光器在室温环境激光器在室温环境下的连续激射获得下的连续激射获得成功。成功。在通信史上，跳过了为增大信息传在通信史上，跳过了为增大信息传输量而开发的毫米波通信阶段，直输量而开发的毫米波通信阶段，直接由微波通信转移到光纤通信。接由微波通信转移到光纤通信。正在这时候，低损正在这时候，低损耗的光导纤维的试耗的光导纤维的试制又获得了成功，制又获得了成功，光纤通信成为现实。光纤通信成为现实。光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 光纤通信光纤通信技术的开技术的开发促进了发促进了 作为光源的激光器作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的开展作为接收器件光探测器的开展 光调制器、光波导、光开关、光调制器、光波导、光开关、光放大器以及光隔离器等各光放大器以及光隔离器等各种光学部件的开展。种光学部件的开展。在电子学技术中采用小尺寸的在电子学技术中采用小尺寸的光学零部件的组合。光学零部件的组合。光电子技术的主要进展光电子技术的主要进展 光技术的开展没能够光技术的开展没能够超过电子技术的开展超过电子技术的开展 期待着在电子学期待着在电子学中采用光技术。中采用光技术。想得到更多的信息量、想得到更多的信息量、更高的演算速度，用更高的演算速度，用现存电子技术是不可现存电子技术是不可能实现的。能实现的。光信号传输方式要比光信号传输方式要比用电布线好得多，用电布线好得多，超并行计算机的配线超并行计算机的配线方式，方式，光子学的信息荷载量要大得多，光的光子学的信息荷载量要大得多，光的焦点尺寸与波长成反比，光波波长比焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波无线电波、微波短得多，经二次谐波、微波短得多，经二次谐波产生倍频，激光可使光盘存贮信息量产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。大幅度增加。当电子通信容量到达最大限度而当电子通信容量到达最大限度而不能继续扩大时，人们很自然地不能继续扩大时，人们很自然地把目光转向波长更短的光波。把目光转向波长更短的光波。电子开关的响应最短为电子开关的响应最短为1010-7 71010-9 9秒，而光子开关的响应时间可以到秒，而光子开关的响应时间可以到达飞秒数量级。光子属于玻色子，达飞秒数量级。光子属于玻色子，不带电荷，不易发生相互作用，因不带电荷，不易发生相互作用，因而光束可以