1.2　光電子技術與多學科技術的結合

光電子技術不僅只是光學與電子學相結合的產物，而且是多學科互相融合、互相滲透、互相支持的結果。同時，光電子技術在各個科學領域的應用，又產生了一系列的交叉學科和應用技術領域，如信息光電子技術，通信光電子技術、生物科學和醫用光電子技術、軍用光電子技術等。隨著這些技術應用的快速發展以及其他科技領域的滲透，形成了許多市場可觀、發展潛力巨大的光電子產業，包括光纖通信產業、光顯示產業、光存儲-光盤產業、光電子材料產業、光電子檢測產業、軍用光電子產業以及光機電一體化產業。下面著重描述光電子技術與多學科技術的結合（圖1-4），即光電子技術與信息技術的結合、光電子技術與通信技術的結合、光電子技術與生物科學和醫用技術的結合、光電子技術與材料科學技術的結合，以及光電子技術與軍事技術和武器裝備技術的結合。

1.2.1　光電子技術與信息技術的結合

目前，光電子學已經成為信息科學的重要發展方向之一。光電子技術不僅是新一代信息載體主流技術，而且它涵蓋了信息的獲取、通信、處理、存儲、交換、讀出與顯示的完整過程，融入到信息流的各個環節中，滲透到信息領域的每個角落。

（1）光信息獲取技術

光信息獲取的方式多種多樣，不勝枚舉。表1-3粗略地列舉了光信息的獲取技術的方式和應用領域。其中，一些設備里的光纖傳感器，就是打破傳統的利用聲光、電光、磁光等效應制作傳感器的方法，而是將被測對象的狀態轉換成光信號進行檢測的光學傳感器。

（2）光信息傳輸技術

由于光子的速度比電子的速度快得多，光的頻率比無線電（如微波）的頻率高得多，所以，為提高傳輸速度和載波密度，信息的傳輸技術必然由電子發展到光子。光信息傳輸技術是在信息光學中最有廣泛應用前景的研究領域，表1-4列出了光信息傳輸技術的種類和方式。光信息傳輸技術的內容主要包括光交換網絡和電子計算機的光互連，而且在光交換網絡的光互連中，常研究在集成光學中的光波導交換開關、自由空間光學中的多級交換網絡；在電子計算機的光互連中，常研究芯片間的自由空間和波導光互連，插件板之間的自由空間和波導光互連，多處理器之間的自由空間或光纖互連及并行計算機的光學總成等，因為電子計算機處理芯片之間的光互連可以大大提高計算機的速度。

利用光波來傳輸和處理信息有許多優點：①光波的頻率高（3×10¹¹～3×10¹⁷Hz），因此，可使用的頻帶寬，可攜帶的信息量大；②光的傳播速度快，可以大大提高信息處理的速度；③光可以同時并行處理信息，特別是圖像信息，比串行處理速度提高了50倍；④光波波長很短，可以聚焦成很小的光斑，因而存儲的信息密度就可以很大；⑤光子是電中性的，相互之間沒有作用，也不受外界電磁場的干擾，因此用光傳輸、處理信息抗干擾性強，保密性好；⑥光的幅度、相位、偏振都可以調制，這給信息的獲取、調制、檢測提供了很多方便。

（3）光信息的存儲技術

光存儲最早的形式為縮微照相，它經歷了較長時間的發展，成為文檔資料長期存儲的主要方式。激光出現后，激光全息技術引人注目，因為它能實現三維圖像存儲，具有更大的存儲容量，但是激光不能進行實時數據存取，光盤存儲技術解決了這個問題。光盤作為存儲介質和光子技術的使用，可大幅度提高存儲容量。光存儲器的存儲密度的進一步提高，記錄介質和寫入光源是關鍵。光源的波長越短，會聚光斑的尺寸將越小，存儲密度也就隨之提高。應用800nm波長的激光來記錄和讀出波長，5in（1in=25.4mm）直徑光盤的信息存儲容量為650MB。利用目前已開發的新的刻錄技術和紅光半導體激光器（650nm和630nm）縮小記錄點及其間距，可把現有光盤的記錄密度提高5～10倍。目前DVD單面單層5in光盤的存儲容量可達4.7GB，雙層和雙面雙層光盤可分別達9GB和18GB。

光信息存儲的形式有：膠片信息存儲；磁帶存儲；光盤存儲技術（如音頻、視頻）；光學全息存儲技術。

光盤存儲和讀出信息具有以下優點：①表面存儲密度很高；②在存儲和讀出信息過程中，載體和讀出頭之間沒有機械接觸，所以保真性好，沒有磨損，壽命長、可靠性好、誤碼率低；③接入信號時間短；④可以多次平行處理信息，速度達幾百兆比特/秒。

（4）光信息處理技術

全光計算機是光信息處理技術的重要應用。光學信息處理技術主要包括：光學模擬計算機（相干，非相干）；光計算與光互聯；模式識別；人工神經網絡。

若利用光的并行處理、互連能力，則有窄脈沖（10^-15s）、速度快、有載頻能力大等優點，可克服電子計算機的瓶頸效應和時鐘效應，有望獲得10¹⁴次/s計算速度的光子計算機和100GB的傳輸能力。串行電子計算機的極限計算速度是10¹⁰次/s，而目前串行光子計算機的計算速度已達到10¹⁰次/s。光處理器將能同時執行100萬個平行任務，因此它能夠同時處理而不用逐個處理復雜問題。在某些操作上，這種大量的平行的光處理器的能力估計是目前最大的電子計算機能力的1000倍。

（5）光電顯示技術

商用廣告的光學顯示牌和電視機是人們早已熟知的光信息顯示裝置。這種用光電轉換技術將各種形式的信息（如文字、數據、圖形、圖像和活動圖像）作用于人的視覺而使人感知的手段為光電顯示技術。而對光電子技術有著重要影響的光顯元件則是液晶顯示器、電荷耦合器、半導體發光二極管。據報道，新近研制成功的納米硅顯像管，是最先進、最優異的光顯示器件。

光電顯示技術包括：CRT與彩色電視技術；液晶顯示與微型電視；液晶大屏幕彩色投影電視；高清晰度電視；激光掃描電視；激光彩色復印機及印刷機；電影技術。

最常用的靜止信息的顯示手段有打印機、復印機、傳真機和掃描機等，已成為大家熟知的光電輸出和輸入設備。為提高分辨率以及輸入和輸出的速度，需要發展高靈敏和穩定的感光材料和傳感元件。

1.2.2　光電子技術與通信技術的結合

光電子技術與通信技術的結合是光電子技術的一個主要方面——光通信技術。光通信技術是當今光電子技術最具代表性的成就，人們曾樂觀地估計，隨著波分復用、碼壓縮等技術的應用，一根光纜所荷載的容量就足以滿足全球的話音通信。在未來的信息化社會中，人們如何工作和生活，現在還難以想象得到，但可以預料諸如可視電話會議、全自動化無人操作工廠、全球信息聯網必將到來。

從光纖通信系統的發展中可以明顯地看到材料、器件和單元技術的關鍵作用。20世紀70年代由于解決了低損耗石英玻璃光纖（損耗小于20dB/km）和長壽命、高穩定砷化鎵半導體激光器（壽命大于1萬小時），使光纖通信系統得到實用化。

光波分復用技術是指將多個不同波長的信息光載波復接到同一光纖中進行傳輸，從而提高光纖傳輸容量的技術。光復用技術主要包括光波分復用技術（OWDM）、光時分復用技術（OTDM）、光碼分復用技術（OCDMA）、光頻分復用技術（OFDM）、光空分復用技術（OSDM）等，其中光波分復用技術、碼分復用技術以及它們的混合應用技術發展速度很快。20世紀90年代采用了光纖放大器技術（EDFA，摻鉺玻璃光纖放大器）和波分復用技術（WDM），建立了高信息量長距離光纖通信系統。目前，發展了高密度波分復用技術（DWDM）和信息打包（IP）分送和交換技術，使通信速度輕而易舉地突破了太位每秒的速率。

為提高響應速度和靈敏度，發展探測器（如PIN/FET，TEMT，HBT等）始終是重要的任務。首先要將半導體激光器、探測器和電源、電路實現光電集成化，做成芯片和模塊。高密度波分復用技術需要寬波段（C、L、S波段，1.3～1.6mm）的光纖放大器，因此制備摻不同稀土元素（Er、Tm、Pr等）的石英玻璃和復合氧化玻璃單模光纖就十分重要。半導體光放大器（SOA）將應用到探測器的前端和激光器的后端放大。無源器件主要包括分波/合波器（OADM），可調諧光濾波器、光隔離器、光調制器以及色散補償器等。光纖光柵（OGF）和列陣波導光柵（AWG）是最近新發展的主要無源器件。

光通信分無線光通信和光纖通信。無線光通信技術應用于空-空、地-空、地-地光通信以及星際光通信網，主要為軍用和專業用。光纖通信技術在長距離和主干線應用上已趨完善，光纖通信主要應用于局域網絡、計算機網絡和多媒體通信進入家庭。

要建立全光通信網絡，實現在密集波分復用的光纖通信上數據包的分送，光交叉交換器（OXC）和全光路由器（opticalrouter）就十分重要。目前光網中路由器還是光-電-光形式，即光學互聯和電子學作邏輯，因為電信號邏輯數字交換臺分送和交換電信號的打包是成熟且廉價的。

1.2.3　光電子技術與生物科學和醫用技術的結合

光電子技術與生物科學和醫用技術的結合，也是光電子技術的一個重要研究領域和應用領域。如今生命科學是世界科技發展的熱點之一，近年來，生物醫學中的光電子技術研究十分活躍，發展十分迅速，它將開拓生命科學的一個新領域。

目前，生物科學中的光電子技術研究的主要內容包括：生物系統中產生的光子及其反映的生命過程；光子在生物學研究、農業、環境、食品質量檢查等方面的重要應用；以及利用光電子技術對生物系統進行檢測、治療、加工與改造等。醫用技術中光電子技術研究的主要內容是：醫學光電子學基礎和技術，包括組織光學、醫學光譜技術、醫學成像技術、新穎的激光診斷和激光醫療技術及其作用機理的研究。下面舉例說明。

（1）醫學診斷

據報道，國外有一種膠囊型內窺鏡，如圖1-5所示。這種膠囊將光、機、電微系統集成在一個膠囊內。它與一般內窺鏡比較，可完全避免病人在檢查過程中所產生的痛苦。這種帶有攝像機的膠囊型內窺鏡其直徑為0.9cm、長2.3cm，“膠囊”被患者吞服后，就會隨消化道的不斷蠕動向前推進，可在食道、胃、腸、十二指腸、小腸、大腸等處拍攝圖像，膠囊型內窺鏡完成攝像任務后，便隨著排泄物排到體外。

膠囊型內窺鏡使用CCD或CMOS攝像機，并通過微波技術把照片傳送出來，8h內能向數據記錄儀傳送5萬～6萬幅圖片。膠囊型內窺鏡所需的電能由自身電池或從體外用微波形式輸送，其運行速度和方向等均可以從體外控制。所拍攝的圖像也用微波傳送到體外的控制裝置里，傳送到記錄、顯示系統，或直接通過打印機獲取圖像，或者經過計算機進行圖像處理，可獲取更多的信息。

（2）激光醫學診斷與治療

這是一個很廣闊的新領域，對不同的病例，采用不同的激光技術。診斷中采用激光成像和光譜技術，極小的相機可以看到人體內的病變部位。治療中采用了光纖技術深入到病變部位。采用二氧化碳激光或準分子激光實施激光手術，而用近紅外波段的激光作康復和理療，同時要求有一定的穿透深度和一定的照射劑量。另外，還有一種激光針灸，它是激光與中醫學結合的一種技術。

1.2.4　光電子技術與材料科學技術的結合

光電子技術與材料科學技術的結合是多方面的，下面僅以聚合物光電子學、硅（或鍺）基光電子技術為例子，說明光電子技術與材料科學技術的相互滲透和緊密結合的關系。

（1）聚合物光電子學

由于有機聚合物的合成、加工、器件生產方面相對容易、價格低廉，而且它們有相對低的介電常數，因而有更高的調制頻率和較低的驅動功率，并且容易與半導體器件和光纖傳輸集成，具有響應性能快、非線性光學系數大等優點，引起了人們的廣泛興趣。聚合物光電子材料的應用前景十分誘人。

（2）硅（或鍺）基光電子技術

硅和鍺是微電子學中最重要的基質材料，由于硅和鍺都是發光效率低的材料，為了克服硅材料發光效率低的問題，實現在一塊硅片上集成電子器件和發光器件，國外研究人員進行了不懈的努力，為提高硅（或鍺）的發光效率，提出和研究了多種硅基發光材料，如摻鉺硅、多孔硅、納米硅、硅基異質外延、超晶格和量子阱材料等。在硅材料上發展起來的集成電路已對電子計算機、通信和自動控制等信息技術起了關鍵的作用。但是硅集成電路受到尺寸和硅質材料中電子運動速度的限制，很難滿足信息技術的日益發展及對信息的傳遞速度、存儲能力、處理能力提出的更高要求。如果能在硅芯片中引入光電子技術，用光波代替電子作為信息載體，則可大大地提高信息傳輸速度和處理能力。

有機發光材料是新一代的顯示與照明技術，也是光電子技術與材料科學技術的結合的產物。與液晶相比，有機電致發光器件具有主動發光、超輕、超薄、對比度好、視覺寬、響應速度快、發光效率高、溫度適應性好、生產工藝簡單、驅動電壓低、耗能低和成本低等顯著特點。目前，世界上有多家大公司和許多科學研究機構在從事有機發光材料和器件的研究開發工作。

1.2.5　光電子技術與技術軍事和武器裝備技術的結合

在現代戰爭中，作戰方式和作戰手段與過去相比已經發生重大變革。光電子技術對于開發新一代武器裝備和改進現有武器裝備具有重要作用，國外軍用飛機的光電裝備和光電武器系統（表1-5）就從一個側面對此給予了充分的說明。目前，光電子技術已被諸多國家列為關鍵軍用技術或重點開發技術。不僅如此，事實上，幾乎所有的光電子技術開始研究時均出于軍事應用目的，后來才逐漸應用于其他領域。所以，光電子技術與技術軍事和武器裝備技術的結合將在第6章中給出專題的描述。下面從戰場信息獲取、目標信息偵察、提高制導武器的精度、開辟夜戰場四個方面來說明高尖端武器裝備的每項技術都離不開光電子技術。

（1）戰場信息獲取

戰場信息獲取主要靠3類傳感器：雷達、光電子和聲學。它們有各自的優缺點，適于不同用途、不同對象。有時需將兩種傳感器結合起來使用，取長補短。例如可利用在軌衛星對軍事行動進行嚴密監視，衛星上搭載的是各種信息獲取儀器，其中圖像獲取儀器是重要的組成部分之一，由于衛星和其他航天器遠離地球，各種圖像信息都需轉換成電信號并加載到微波上傳達到地球上來，這都離不開各種光電子技術。

（2）目標信息偵察

戰場目標信息偵察主要來源于戰場圖像情報。戰場圖像情報是通過戰場偵察傳感器平臺所獲得的偵察圖像，它包括白光、微光、紅外的圖像，各種平臺的電視偵察圖像，各種機載平臺的合成孔徑雷達（SAR）和逆合成孔徑雷達的雷達圖像，以及由地面人工偵察所獲得的人工圖像情報。其中，戰場電視偵察獲取視頻圖像情報具有直觀、清晰、快速、實時傳輸等特點，能通過圖像一目了然地觀察到前沿敵方陣地地形、布設、武器裝備、兵力部署、調動等情況。

光電偵察衛星具有高靈敏度、高分辨率、快速探測和識別目標的能力，其地面分辨率可達0.1m左右，激光測距精度優于1m。

（3）提高制導武器的精度

在精確制導武器中，光電制導占有重要地位。采用激光、紅外、紫外和電視制導技術的各類精確制導武器，具有打擊精度高、毀傷效果好、附帶損傷小等特點，可顯著提高作戰效能。最早使用的光電精確制導武器是20世紀50年代后期出現的紅外制導空-空導彈，海灣戰爭中大量使用了紅外和電視制導炸彈、激光制導炸彈。從戰區外發射、低空飛行的巡航導彈也使用了激光測高和障礙回避光雷達等光電子技術。

（4）開辟夜戰場

裝有性能先進的脈沖多普勒火控雷達、前視紅外系統、紅外搜索跟蹤系統、微光電視設備、激光測距/目標指示系統和激光目標自動跟蹤系統的飛機，能在各種惡劣氣候條件下作戰，當然具有夜戰能力。例如，F-117A隱形飛機上裝有紅外搜索跟蹤系統和激光測距/目標指示器，F/A-18多用途戰斗機上裝有前視紅外探測系統和激光跟蹤器。總之，這些飛機不僅配備先進的夜戰裝備，還普遍裝有被動探測系統，使飛機能在機載雷達關機處于無線電靜默狀態下完成攻擊目標的戰斗任務。

夜視偵察裝備，如主動式紅外夜視儀、微光夜視儀、紅外成像儀等用于夜間偵察。用于戰場偵察的合成孔徑雷達主要是獲取戰場圖像和地面活動目標信息，可在夜間和惡劣的氣候條件下探測、搜索、跟蹤敵方運動中的人員、車輛、艦船等，具有探測距離遠、覆蓋面積大、測量速度快、全天候、全天時工作的特點。