光子學(xué)與信息時代第一講

1、光子學(xué)光子學(xué)課課 程程 介介 紹紹一、光子學(xué)與電子學(xué)的淵源光子學(xué)與電子學(xué)的淵源信息載體電子(electron)光子(photon)電子學(xué)光子學(xué) 光子學(xué)與電子學(xué)一起扮演著信息化社會兩大關(guān)鍵光子學(xué)與電子學(xué)一起扮演著信息化社會兩大關(guān)鍵支柱的重要角色支柱的重要角色電子學(xué)的發(fā)展電子學(xué)的發(fā)展 俄國人波波夫(A.A.Bobov)于1895發(fā)明無線電報1876年美國人貝爾(Bell)發(fā)明了有線電話意大利人馬可尼(Marconi)于1901年發(fā)明無線電報人們便開始認(rèn)識到電子或電磁波科被用來作為一種攜帶信息的載體，通過導(dǎo)線傳輸或在自由空間中傳播，實際遠(yuǎn)距離人們相互之間的通信聯(lián)絡(luò)。18世紀(jì)的以能量轉(zhuǎn)換為服務(wù)對象電氣

2、學(xué)和電工技術(shù)電子學(xué)或電子技術(shù)的時代信息服務(wù)為對象 電子學(xué)或電子技術(shù)使研究利用電子或電磁波為信息載體，而在回路中傳輸、控制、運(yùn)作以實現(xiàn)信息的獲取、傳輸、處理、存儲、顯示等功能的一門科學(xué)技術(shù)。 經(jīng)歷了20世紀(jì)整整一個世紀(jì)的發(fā)展，電子學(xué)的成就已滲透到科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域和社會生活各個方面，最具有代表性的就是無線電廣播、通信和電子計算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用。它已經(jīng)普及到千家萬戶，并形成了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，在發(fā)達(dá)國家中它的產(chǎn)值甚至超過了汽車、鋼鐵產(chǎn)業(yè)，而躍居為先進(jìn)國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一。人們常把廣播、通信喻為現(xiàn)代社會的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而電子計算機(jī)則在文明時代中起著中樞大腦的作用。真空管電子學(xué)固體電子學(xué)微電子學(xué)固體電子學(xué)與微電子學(xué)的

3、誕生將電子技術(shù)和信息技術(shù)推進(jìn)到一個空前未有的新高度真空電子管晶體管半導(dǎo)體集成電路電子流及電磁波的產(chǎn)生方法及其器件裝置的研究是發(fā)展電子學(xué)的首要任務(wù)。電子學(xué)有兩個主流發(fā)展方向：a.載波頻譜的開拓b.響應(yīng)速度的提高目標(biāo)為了實現(xiàn)提高荷載信息的容量和加快處理信息的速度在電子技術(shù)中信息的載入信息的載入過程是先借助壓-電效應(yīng)或光-電效應(yīng)將聲音、圖像和文字等初始信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或者電壓變化函數(shù)。再用它來調(diào)制電子載體或電磁波載體的某個參數(shù)后發(fā)送出去，又利用其逆過程在終端將調(diào)制信息還原為初始信息，于是人們就能聽到聲音、看到圖像?，F(xiàn)代半導(dǎo)體電子器件技術(shù)的發(fā)展，已能獲得皮秒（ps）寬度的超窄電脈沖，因而有可能將使

4、單個碼的載入時間縮短到皮秒量級，于是電子計算機(jī)的運(yùn)行速度就可能達(dá)到每秒一萬億次。電子計算機(jī)中的這些邏輯碼是按照串行的排序在一個含有大量邏輯門陣列的半導(dǎo)體芯片中傳遞與處理的，門與門之間信息碼的傳遞同樣是利用電子流在內(nèi)部互連通道傳輸來實現(xiàn)的，它也存在一定的時間延遲。由通道的電學(xué)參數(shù)、電阻、電容、電感所確定的，其極限值大約為納秒（ns）量級，它比邏輯門的開關(guān)時間（即信息碼載入時間）大1000倍，這便限制了電子計算機(jī)運(yùn)行速度的提高。目前單機(jī)運(yùn)算速度難以超過每秒10億（109）次。 現(xiàn)在對超大信息量計算技術(shù)的發(fā)展是采用并行處理的方法，即利用軟件的功能將輸入的信息分解成許多信息元包，分別給眾多的子處理器同

5、時運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果返回主機(jī)綜合處理。 電子載體在互連通道上的時延效應(yīng)所造成的，人們形象地稱它為瓶頸效應(yīng)瓶頸效應(yīng)。突破瓶頸效應(yīng)的限制，需要在信息載體上進(jìn)行一場革命，至少是在邏輯門之間的互連過程中摒棄電子載體，采用一種不荷電的新載體，那么，光子就是理光子就是理想的候選者。想的候選者。 以光子或光波代替電子或電磁波作為信息載體是超高速率和超大容量現(xiàn)代化信息科技發(fā)展中的必然選擇光子學(xué)研究光信息載體的科學(xué) 以光子或光波代替電子或電磁波作為信息載體是超高速率和超大容量現(xiàn)代信息科技發(fā)展中的必然選擇。 用光信號來實現(xiàn)通信聯(lián)絡(luò)hph,光量子物理學(xué)家說物理學(xué)家說，光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生和運(yùn)動特性、光子與物質(zhì)的相

6、互作用及其應(yīng)用的一門新興科學(xué)。信息科學(xué)家信息科學(xué)家則從與電子學(xué)類比的應(yīng)用角度認(rèn)為，光子學(xué)是研究光子作為信息和能量載體所賦予的固有特性、運(yùn)動行為及其應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。固體光子學(xué)固體光子學(xué)則是研究光子載體在固體煤質(zhì)中的產(chǎn)生、運(yùn)動、受控、操作及其信息功能體現(xiàn)的一門科學(xué)與技術(shù)。以信息應(yīng)用為內(nèi)容的光子學(xué)，人們又稱之為信息光子學(xué)。信息光子學(xué)是一門涉及領(lǐng)域面很寬的交叉學(xué)科 廣播、通信、計算機(jī)等信息功能服務(wù)外，它還包括了物理信息的獲?。ㄈ缤ㄟ^光發(fā)射、光吸收、光散射等）與應(yīng)用，化學(xué)信息的獲?。ㄈ缤ㄟ^化學(xué)反應(yīng)過程中的微光發(fā)射譜等）與應(yīng)用，生命信息的獲取（如通過生理過程中的微光發(fā)射譜）和醫(yī)學(xué)信息的獲?。ㄈ鐚z入人

7、體內(nèi)藥物治療過程中的微光吸收譜的檢測）與利用。 光子與電子在物理屬性與特征上有許多本質(zhì)的差別 電子是帶負(fù)電性的，它受外電場的作用形成電流，電子載體在固體回路中的傳輸即表現(xiàn)為電流在回路中的流動，它受到回路電學(xué)延遲（反映RC阻容延遲）效應(yīng)的限制，它的傳輸速度比較慢，一般大于納秒。 光子是不荷電的中性體，光子載體的傳輸不受外場的影響，不存在賄賂電學(xué)延遲效應(yīng)，始終以光速（為固體介質(zhì)的折射率）在固體回路中傳播，延遲時間只與傳輸光程有關(guān)，對10100um的光程(一般光子器件的尺寸)延遲時間可小于皮秒。因此光子信息賄賂的運(yùn)行速度至少比電子信息回路快1000倍。 從本質(zhì)上來說，光波也是一種電磁波，但是光波的頻

8、率比目前使用的毫米波的頻率至少大1000倍以上，本征帶寬可達(dá)到200THz（T=1012），若按現(xiàn)在數(shù)字通信的非壓縮碼制式考慮，每路信息占用帶寬8kb,則理想的光載波通信可同時容納信道數(shù)高達(dá)240億路。 現(xiàn)在的光通信，還只是利用光脈沖作為信息載體來實現(xiàn)的，光脈沖的最高重復(fù)頻率約為100GHz(G=)，離光波的本征寬度尚有2倍的差距。可見，光波作為載體，對提高傳輸容量蘊(yùn)含有巨大的潛力。 正由于光子是不荷電的載體，光子再傳輸中自身不產(chǎn)生電磁波輻射，也不受外界電磁場的影響，因此，以光子作為載體的信息系統(tǒng)不會產(chǎn)生電學(xué)的互相串?dāng)_，同時具有很強(qiáng)的抗干擾荷抗竊聽的能力，有很高的安全性。 正在發(fā)展的量子態(tài)通信

9、量子態(tài)通信，則是利用光子的量子態(tài)作為信息的載體，量子態(tài)編碼具有不可破譯的特有功能，同時，有望提高速度，增大傳輸能力和容量，利用光子的量子態(tài)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，因此正在孕育著一門新的光量子信息科學(xué)誕生 。 類同于電子學(xué)的發(fā)展，光子學(xué)發(fā)展的首要任務(wù)也是研究如何獲得譜線單純，頻率穩(wěn)定，高亮度相干光源的途徑及其器件裝置?？梢哉J(rèn)為，20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明是光子學(xué)發(fā)展的里程碑。激光產(chǎn)生于具有光增益特性的有源介質(zhì)對光的放大。 1962年美國國際通用機(jī)器公司（IBM）和無線電公司（RCA）的拉榭（G.J.Lasher）和霍爾（R.N.Hall）發(fā)明了半導(dǎo)體激光器，這種激光器能夠直接用電注入來激勵，易于

10、實現(xiàn)調(diào)制，響應(yīng)速度快，效率高，壽命長，尤其是易于集成，它與微電子學(xué)的可比性更為接近，因而成為了固體光子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。 光子學(xué)的應(yīng)用光子學(xué)的應(yīng)用 800900nm向1.3um和1.5um的長波區(qū)拓展，這個波長區(qū)正是石英光纖的零色散和低損耗窗口激光器的工作壽命則由早期一閃即逝發(fā)展到能連續(xù)工作105h以上，甚至達(dá)到106h. 1. .半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器semiconductor laser 光盤存儲的需求牽引，推動了半導(dǎo)體激光器往可見光區(qū)的短波長方向發(fā)展 紅光(670nm)，黃光(570nm)，綠光(550nm)，直到藍(lán)光(450nm)的半導(dǎo)體激光器已先后研制成功，連續(xù)工作壽命都在104h以上

11、，并已達(dá)到商品化的規(guī)模生產(chǎn)水平。紫光(330nm)直到紫外光半導(dǎo)體激光器也將會在氮化物基的材料上得到實現(xiàn)。 有源和無源光子器件，如光電調(diào)制器、光放大器、光開關(guān)、選頻濾波器、波長變換器、偏振控制器、分路合路器、路由控制器等。目前這些光子器件業(yè)已發(fā)展成熟，并在光子回路及工程系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)用。 2.光通信器件光通信器件Intensity ModulatorPhase ModulatorModulator DriverSemiconductor Optical Amplifiers (SOA)Photo switch High Speed Detector3.集成光子學(xué)集成光子學(xué)微電子學(xué)的強(qiáng)大生命

12、力在于它能夠?qū)崿F(xiàn)集成化，集成化使它的處理功能和運(yùn)行速度得到很大提高，功耗大幅度降低，尺寸極大縮小，芯片的成品率和可靠性極大改善，從而使芯片和系統(tǒng)的性能價格比日新月異的不斷得到優(yōu)化。固體光子學(xué)，尤其是半導(dǎo)體光子學(xué)和光纖光子學(xué)都能夠滿足集成化的要求，人們根據(jù)系統(tǒng)功能的不同需要，將若干或眾多的光子器件制作在同一基片上，通過光波導(dǎo)的內(nèi)部互連組成一個整體的光子功能回路，以突破分立器件的功能局限，這就是當(dāng)前正在迅速發(fā)展著的一門高新技術(shù)集成光子學(xué)。 光子的產(chǎn)生起源于電能的激勵，光子在半導(dǎo)體中的運(yùn)行與功能操作是基于各種電光效應(yīng)，如克爾（Kerr）效應(yīng)、普克爾（Pockel）效應(yīng)、斯塔克（Stark）效應(yīng)、弗朗

13、茨克爾迪茜（Franz-Keldysh）效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)以及偏置電場的收集效應(yīng)等。 離開電的操作，光子器件的功能也難以充分體現(xiàn)，因此未來的可實用的光子集成系統(tǒng)必須輔之以相應(yīng)的微電子回路。這就是集成光電子系統(tǒng)。然而在這樣的系統(tǒng)中光子集成回路占有核心部件的關(guān)鍵地位。4.光通信光通信融合包括有線(光纖或HFC)、無線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī)模的各種接入網(wǎng)所形成的一個靈活、大容量的綜合網(wǎng)其中全光通信網(wǎng)(AON)是主體， 不久的將來，全光網(wǎng)中的傳輸和交換容量均達(dá)到Tbit/s量級，將比現(xiàn)有傳輸速率提高1000倍以上。密集波分復(fù)用(DWDM)為基礎(chǔ)光核心網(wǎng)光核心網(wǎng)2.5/10Gbit/s40Gbit

14、/s 光通信是光子學(xué)應(yīng)用中最巨大的成就，可見波段的光波具有高達(dá)200THz的帶寬（比無線電波大1000倍以上），又能波長復(fù)用，它所能載入的信息容量將無與倫比。一個單信道傳輸容量為100Gb/s的光纖通信線路能容納1200萬門數(shù)字電話，意味著北京和上海的每個居民幾乎能夠在一根光纖上同時通話。 光盤信息存儲已顯示出它的超大容量存儲能力，并正在逐步替代磁盤，CD聲盤和VCD視盤幾乎已經(jīng)家喻戶曉，成為多媒體信息網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的組成部分。650nm和630nm半導(dǎo)體紅光激光器的成功發(fā)展為光盤存儲容量的擴(kuò)充提供了新的機(jī)會。采用雙層結(jié)構(gòu)的光盤，單面存儲容量已可達(dá)2.5GB位元，足以用數(shù)字制式錄下一部電影的全

15、部信息，如采用正在發(fā)展的350nm波長氮化物紫外激光器，則可望使存儲容量再提高10倍。6.光存儲光存儲人們稱此為數(shù)字式視頻光盤（DVD）。它也可以作為計算機(jī)的存儲器使用，可見DVD光盤的發(fā)展為寬帶數(shù)字化多媒體服務(wù)網(wǎng)的發(fā)展奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。太比特位元的超大容量信息存儲是當(dāng)前光子存儲技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，體全息存儲技術(shù)是可選擇的一類途徑，它如同書本一樣可以在光折變晶體中一頁頁的在介質(zhì)體內(nèi)將信息記錄下來，太比特的容量相當(dāng)于可存入1000部10萬字書本的文字信息，就像一個袖珍式的圖書館。 7. .信息信息 在信息獲取和讀出顯示領(lǐng)域，光子技術(shù)更是充分的顯示出它不可替代的地位。 信息的充分獲取與載入是未來國家信息

16、基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，反映社會和物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)的信息，可以通過聲、圖、文和數(shù)據(jù)的表達(dá)而反映出來，物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)通常伴隨有光場、電磁場、聲場、熱場和應(yīng)力場等的出現(xiàn)，它們的存在可以使某種材料器件的物理、化學(xué)特性產(chǎn)生一定的變化，通過對這種變化的量測就能察覺物質(zhì)的存在及其運(yùn)動狀態(tài)，這種器件即稱為傳感器。許多以光學(xué)、光電和光化學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)的獲取信息的手段已為人們廣泛應(yīng)用，例如衛(wèi)星上的紅外遙感、紅外焦平面雷達(dá)、CCD攝像、計算機(jī)用的光筆、光學(xué)測溫儀、星光夜視儀等等，這些技術(shù)都已相當(dāng)成熟，并廣泛投入使用。未來信息化社會對獲取信息的實時性和多功能性將提出更高的要求。 以光纖為基質(zhì)的傳感器正得到迅速發(fā)展，各種

17、輻射場的出現(xiàn)都能夠?qū)饫w的特征參量（如折射率）產(chǎn)生微小的變化，這種微小的變化都對在光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ南辔弧⑵駪B(tài)或是導(dǎo)波光的漏泄損耗有明顯的影響，從而可利用光的干涉效應(yīng)或損耗特性感知與獲取客觀存在的信息。8. 光纖傳感傳輸光信號入射光脈沖散射光后向散射光纖芯距離：z這是一種全光傳感技術(shù)，它既不受周圍電磁場的干擾，又不會因偶發(fā)電火花的出現(xiàn)導(dǎo)致引發(fā)性安全事故。所以，光纖傳感技術(shù)是一種實時安全、可靠的多功能傳感技術(shù)，在許多工程設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用，例如航天飛行器噴口溫度的監(jiān)測，發(fā)電站和高壓變壓器中溫升的監(jiān)測，飛行器定位的光纖陀螺的應(yīng)用，核試驗時各種環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測等。光纖光柵的成功發(fā)展使這種光學(xué)傳

18、感器的尺寸有幾個量級的縮小，而靈敏度和感測精度卻大為提高，人們期望把這種小巧的傳感器埋入大樓的墻壁里或安裝在橋梁上，可以實時監(jiān)測諸如水壩和橋梁等大型設(shè)施的安全狀態(tài)（如溫度、負(fù)荷、應(yīng)力等），人們稱它為新一代智能化建筑材料。9. 半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件 半導(dǎo)體發(fā)光二極管已發(fā)展到規(guī)?；a(chǎn)業(yè)的階段，它的波長范圍已覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫可見光區(qū)的全部，具備了全色顯示的條件，由于它的功耗低、亮度高（如達(dá)10000mcd, cd為發(fā)光強(qiáng)度的單位符號），更適于戶外中遠(yuǎn)距離的大屏幕顯示。光子學(xué)的發(fā)展正為人們呈現(xiàn)出了一幅幅五彩繽紛的美麗的圖像。 全彩色LED電子顯示屏三星三星LED光光源源DLP背投電背投電視視 10.軍事領(lǐng)域應(yīng)用光子學(xué)技術(shù)在軍事和安全領(lǐng)域的應(yīng)用很早就受重視，因為它有很高的定向性和很強(qiáng)的抗干擾能力，如激光遙測遙控、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)和激光引爆，早在20世紀(jì)60年代中葉就曾在戰(zhàn)