光电子技术

第三节　光电子技术

我们在享受着他人的发明给我们带来的巨大益处，我们也必须乐于用自己的发明去为他人服务。

——富兰克林（美国）

光电子技术是继微电子技术之后，近十几年来迅速发展的新兴学科，它集中了固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为电子技术与光技术自然结合与扩展、具有强烈应用背景的一门交叉学科，研究光与固体中的电子相互作用以及光能和电能相互转换，主要利用光电转换原理。1960年，世界上第一台红宝石激光器的问世，标志着这一学科的开端，激光在电子信息技术的应用形成了光电子技术。按照这一定义，光电子技术是激光在信息电子技术中的应用分支技术，有时更确切地称为信息光电子技术。

（一）从电子技术到光电子技术

电子技术产生以来经历了三个阶段：电子管和晶体管阶段是电子技术的起步；微电子技术是电子技术的一次革命性飞跃；近三十年来，光子技术与电子技术迅速结合起来，形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。

信息光电子技术是具有信息传输容量大，中继距离长，信息处理速度高，信息获取灵敏度高以及抗干扰、抗辐射等一系列由光的本性带来的优点。如我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电路。这是电缆无法比拟的。再如，信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光作为信息载体，又可以使同样大小的光盘的容量增大好几倍。而且光具有相干性，可实现全息存储，在不到一平方厘米的芯片上，可以把北京图书馆的所有书籍都存进去。

（二）光电子技术基础

（1）光电效应的发现

光电效应是指物质在光的作用下释放出电子的现象，它是1888年由赫兹（Hertz，1857～1894年）发现的，赫兹在进行著名的验证电磁波存在的实验中，当接收线路中的两个小锌球之一受到紫外线照射时，发现在两球之间很容易跳过火花，这表明光照引起了电子的发射。1905年，爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上提出关于光的本性的光量子假说后，才完满地解释了这一现象，光电效应成了光具有量子性的重要依据。

在赫兹发现光电效应以后，斯托列托夫又进—步研究了光对带电物体的影响，发现对于任意金属制成的极板，在紫外线的照射下都能观察到放电粒子的形成，从而将这种现象称为光致放电作用，也即光电效应。

（2）光电子技术的核心——半导体激光器

半导体激光器是各类激光器中体积最小、重量最轻的，而且容易被电信号调制，它的使用寿命很长，有效使用时间超过10万小时。因此半导体激光器深受光电子技术的宠爱。

（三）神奇的信息载体

（1）激光通信的原理

同电波通信一样，激光通信实际上是将激光束作为传送信息的一种载体。以传输语音为例，从一方发出语音信号到另一方收到语音信号，中间经历了三个阶段，即发送过程、传输过程和接受过程。

在发送过程中，语音信号经过电信号发送器和编码器转化为载有语音信息的电信号，调制器根据编码电信号的变化规律对激光器发出的激光束调制，使光束随语音的变化而变化，即光束载上了语音信号成为光信号，这样光信号就可以在光纤中进行传输了。在这一过程中，语音转化为电，电又转化为光。接受过程恰好和发射的过程相反，光通过光电探测器（光接收器），如一种称为PIN的光敏二极管变成电信号，电信号经过解码器和电信号接收器再经过整形还原成语音信号。

在长距离的光纤通信中，为避免信号的衰弱，还需要在一定距离处增加光中继器。

（2）激光通信的优点

激光通信技术将激光与电子很好地结合在一起，与以往的通信技术相比，具有四个明显的特点：①通信容量大；②通信质量高；③保密性好；④原料足，价格低。

（四）巴掌大的图书馆——光盘

（1）三代光盘产品

图12-8　U77U机架式智能网管光纤收发器

收发光盘作为一种新兴的存储手段，和磁带相比，具有存储密度高，存储寿命长，非接触式读写信息及信息的信噪比高等优点，从而促进光盘在自1966年提出“光存储”的概念以来的短短几年时间内，相继开发出只读存储器（ROM）、一次性存入光盘（WORM或DRAM）和可擦重存光盘（EDAW）等三代商业产品。

（2）光盘信息的写入和读出

目前，光盘的基片一般是在玻璃或塑料圆盘上涂以铝层，铝层上再涂以塑料保护层。用激光实现高密度存储的技术源于激光相干性好的特点。

图12-9　SONY最新蓝光光盘（容量23GB，可使用50年）

在对光盘写入信息时，首先要把所要存储的信息按某种方式编码，然后用信息来调制激光，这种编码过程和激光通信中发送信号过程很相似，用调制后的激光束来照射光盘记录层，由于激光相干性好，可将光束聚集到直径小于1微米的焦斑上，在照射位置烧蚀出小坑，或产生其他改变介质植性的影响，而没有激光照射的地方不发生这些变化，有变化和没变化分别表示“1”和“0”两个状态，激光束在盘面上扫描完毕，也就完成了写入信息工作。

从光盘上读出信息时也是用激光束。用一定波长的激光来照射光盘的工作面（记录信息的一面），并接受反射的激光束，由于记录有信息，工作面各点的状态也都不同，这样所反射的光束状态也不同，反射光就载有了信息。这种读出方式与盘面不发生机械摩擦，不会损伤光盘上记录有信息的沟道，所以，只要制造光盘的材料化学性能稳定，原则上说它的使用寿命是永久性的。在上述信息的写入和读出过程中所用的激光，一般都由半导体激光器提供。

（3）光盘的发展方向

各种技术的快速发展，推动光盘的发展也很快，光盘技术主要朝着两个方向发展。一是在改变现有光盘尺寸的同时，极大地增大光盘的存储量。二是向三维方向发展，目前所使用的光盘存储的信息都是二维形式，许多单位正联合研究和开发高速全息数据存储系统。

（五）造福人类的新能源——太阳能电池

高新技术的应用是解决能源问题的根本出路。太阳可以说是人类取之不尽，用之不竭的“聚宝盆”，然而人类开发利用太阳能的程度极为有限，在地球表面接收的太阳能中，被植物吸收的仅占0.015%，被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%，可见，利用太阳能造福人类的潜力非常大。在光电子领域中，我们利用光电效应实现光—电转换，将太阳辐射能直接转换成电能并加以利用，太阳能电池便是当前太阳利用的一个最基本的方式。

（六）光计算机

自从人们学会利用光到现在，人们发明了光传感器、激光、光导纤维、光开关和光存储等先进的技术为人类造福，其运算速度可达每秒1000亿次。科学家们预测，在不久的将来，就像过去晶体管代替电子管那样，光计算机将取代现在风靡世界的电子计算机。

进一步了解光电子技术，请登陆：

http://www.33tt.com/ht-mldata/4/sort-4-1.html

图12-10　太阳能电池

【思考题】

1.什么是光电子技术？半导体激光器为什么会成为光电子技术的核心？

2.激光通信有哪些优点？

3.光盘的一大优点是不会磨损，能长期保持图像清晰，这是为什么？