光电子技术——“光谷”的基石，本文主要内容关键词为：光谷论文,光电子论文,基石论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着信息技术的飞速发展，享有“中华希望之光美称的“中国光谷”正在我国中部中心城市武汉崛起。如果说，“硅谷”的问世将人类带入神奇的电子时代，那么，“光谷”的诞生将使现代社会迈入光电子的新时代。
光电子技术是电子技术与光子技术“联姻”的产物，这对科苑“伉俪”年龄相差8岁。电子于1897 年由英国著名物理学家约翰·汤姆逊发现，随之打开了探索原子内部世界的大门；光子于1905年由科学巨匠爱因斯坦发现，当时爱因斯坦提出一个假说，认为光能是一粒粒以光速流动的粒子流，这些光粒子称为光量子，小名叫光子。20世纪60年代，号称人间奇光的激光问世，给这对“情侣”披上了高科技的“婚纱”。
光电子技术是构筑“光谷”的基石，它的理论基础是光电子学。这是一门由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。光电子学的应用非常广泛，几乎遍及现代社会中的方方面面。
在信号转换和能源转换上，借助于光电子技术，可以非常方便地将光（包括可见光、红外光和紫外光等）信号或能量自动地转换成电信号或电能，也可将电信号或电能转换成光信号或光能。太阳能电池是光电转换的典型应用，小者可用于电子表和电子计算器，大者可制成太阳能电站。以电驱动的发光光源是电光转换的典型应用，常见的有霓虹灯、荧光灯、发光二极管以及计算机、电视机上的荧光屏等。因为信号转换和能量转换是光电子学应用的主战场，光电子学有时也狭义地专指光／电转换器件及其应用的领域。
在扩展人眼视觉功能上，光电子学系统可大显身手。科学研究表明，人眼在获取外界信息时，具有许多其它感官所不及的特征：一是获取的信息量最多，大约80％以上信息是由光通过眼睛输入的；二是获取信息的速度最快，看到的比听到的几乎快7倍；三是获取信息后记得最牢，看到的比听到的要牢靠得多。耳听为虚、眼见为实不是没有根据的。然而，人眼存在局限性，大大地限制了获得光信息的能力。借助于光电子系统可以使人眼功能得到极大限度的增强。它大大地扩展了人眼在低照度下的视觉能力，利用各种夜视侦察、探测设备，能使伸手不见五指的黑夜成为白昼；它大大地扩展了人眼对电磁波段的敏感范围，利用各种照相、显像设备，能使红外线、紫外线和X 类射线的光图像成为能被肉眼可见；它大大地扩展了人眼对光学过程的时间分辨能力，按照现代的信息技术水平，已经可以做到在几十飞秒（10[－15]秒）这一极其短暂的时间内，观察到信息量瞬息变化。
在电路集成上，光电子技术开创了前所未有的局面。集成电路是微电子技术的“心脏”。它是利用微细工艺处理技术，将成百上千甚至上万个各种彼此分立的电子元器件及其相互之间的连接线，按照一定的规律，全部制作在一块小小的半导体硅片上，从而将各种分立的元器件集成一个完整的器件。
集成密度，简称集成度，是度量集成电路规模大小的一个指标。按照目前的技术水平，世界上最高集成的集成电路能在1 张普通邮票大小的硅片上集成5亿多个晶体管，元器件的最小尺寸只有0.25μm。如此高的集成度，使得1台微处理机的芯片可以做得比小拇指的指甲还要小，1台每秒运算10万次以上的电子计算机只有一包香烟大小，而且省电、可靠性高。然而在光电子集成电路面前，即使是最大规模的集成电路还得技低三分。光电子集成电路是将光学系统集成到一块半导体芯片上，与集成电路比较具有运算速度快、存储容量大、保密性能好的特点，是当今世界上一种“神奇的魔片”，大有替代集成电路之势。
在信息存储能力上，光电子技术比电子技术强。人们常将磁带、磁盘说成是由电磁兄弟联营的“信息储蓄所”，不是没有道理的。因为声音和图像的存储与播放是基于电生磁和磁生电的原理，这是电子技术的应用。如今光盘已广泛应用，它将信息的存储能力推向更高。
光盘存储系统是一种借助于光电子技术，通过光学方法进行数据的读、写，既可录制文字信息，也可录制图像信息。为了提高声音和图像的质量，增强信息的保真度，现在使用的都是数字式光盘。存储信息时，先将声音、图像等模拟信号转换成相应的数字信号，并将数字信号调制成相应的激光信号。然后，用经过调制后的光信号照射光盘的感光材料，在它上面形成一圈圈由微小凹坑组成的纹迹，称为光道。从光盘上提取（读出）信息是存入（写入）信息的逆变换。当用直径极细的激光束照射光盘上的凹坑时，就会根据凹坑的形状产生出强弱不同的反射光，再将这种光信号转换成相应的电信号。这种电信号是数字式的，经过数字／模拟转换以后，就能使人们耳闻目睹优美清晰的声像节目。
光盘作为一种新型信息载体，存储容量很大，享有“掌上书库”之称。一张光盘可存储6亿多个汉字，相当于15年8开版报纸的容量，可谓是“光盘一小碟，报纸15载”。光盘的使用寿命非常长，享有光存储技术的“寿星”之称。普通电唱机播放声音时，是用一个针头安放在唱盘上，根据盘体上高低不平的凹坑使针头产生上下振动，从而发出了声音。从光盘上读取信息时，是通过一枚非常纤细、精确的“激光针”（激光束）去拾取所存储的信息。因为是非接触，不产生机械摩擦，不会损伤光盘上的信息纹迹。所以，只要制造光盘的材料性能稳定，从理论上讲，它的使用寿命是无限长的，实际使用寿命起码在10年以上。现在使用的光盘大多是只读式，可擦重写式光盘的广泛使用已指日可待。
在信息传输上，借助于光电子技术，凡是传统电子学所能实现的问题，原则上都可延伸到光波段。我们知道，无线电波和光波同属电磁波范畴，长期以来，声音、文字、图像等信息都以无线电波为载体进行传播的，广播、电视是其中的代表。20世纪60年代以来，随着激光的问世，实现了用激光波传输信息，使古老的光通信（如烽火台通信）“返老还童”，呈现出一派蓬勃发展的生机。
激光通信分大气激光通信和激光光纤通信两大类，它们都是以光电子学系统为基础进行信息传输的。以光纤电话为例，在发话端先将用户送出的声音通过电话机变成相应的电信号，再将电信号经过光端机变成相应的光信号，沿着光导纤维（玻璃丝）传送到对方。到了接收端，先由光端机将光信号变回电信号，再由电话机将电信号还原成声信号，送给用户。
光纤通信因为是以光波为信息传输载体，具有许许多多电通信所无法比拟的优点。光波的频率介于3×10[12]Hz至1.5×10[16]Hz之间，比无线电波高出几个数量级，频带宽度（频率范围）比无线电波大几万倍，因而具有极大的通信容量。一根光纤用一束激光理论上可以同时传送近100亿路电话和1000万路电视节目。 如果将很多束（目前世界上最多可达40束）不同波长的激光加注到同一根光纤中进行传送，其通信容量更是大得惊人。人类有史以来迄今积累的知识，用一根光导纤维不到5分钟就可以传完。用“化千载为一瞬，变万里为咫尺”两句话形容丝毫不过分。光导纤维的传输衰耗很低，无中继通信距离（直通距离）很长，比最先进的电缆要长几十倍。光导纤维是电绝缘体，不导电，不会受到高压线和雷电的电磁感应，抗核辐射的能力也强，因而在某些特殊场合，电通信受干扰不能工作而光纤通信却能照常工作。激光束在光导纤维中传播几乎不漏光，因而保密性好，第三者要想窃获光导纤维中的信息简直是不可能的。因此，它是当今世界上最理想的防干扰、抗窃密信道。此外，当通信容量较大、通信距离较远时，光纤通信系统的每话路公里的造价远比电缆通信低得多。用“多、快、好、省”四个字来描述光纤通信的优点是比较贴切的。
在当今的光电子学系统中，光纤通信还不是真正意义上的光通信，因为在通信过程中要有电信号参与，充其量是电光通信，或者称半光通信。未来的发展方向是全光通信。电信号不参与通信过程，电仅仅起能源作用。届时，现在的打电话、发电报、看电视将被打光话、发光报、看光视代替，电脑也易名为“光脑”，“电子世界”跃入“光子世界”，“光谷”将被光子一统天下，人类将步入神奇的全光通信时代。