北京邮电大学光子学1、

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1、 光子学基础光子学基础 电子学或电子技术是研究利用电子或电磁波为信息载体，在回路中传输、控制等以实现信息的获取、传输、处理、存储、显示等功能的一门科学技术。 3光子学的定义光子学的定义光子学：以光子作为信息和能量载体的科学光子学：以光子作为信息和能量载体的科学光子学：光子学： 研究光子的产生、传输、探测、处理、研究光子的产生、传输、探测、处理、 以及以及 与物质相互作用的科学。与物质相互作用的科学。微米光子学微米光子学 微米尺度的光子学微米尺度的光子学纳米光子学纳米光子学 纳米尺度的光子学纳米尺度的光子学 电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发

2、现两者有着非常密切的内在联系。 光与电的第一次结合是19世纪初麦克斯韦提出的光的电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。光和电4通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空间波长，自由空间波长，m频率，频率，Hz电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫

3、星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质光纤5 电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来，从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz波段)。电子技术的发展电子技术的发展6从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新兴的交叉学科，标志

4、着电学与光学的相互渗透、相互融合进入到一个新的阶段，并为光子学的建立奠定基础。电子技术的发展电子技术的发展7 光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出当光作用于物质时，光是以“光子Photon”（光的能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。光电探测器（光转电）和半导体激光器（电转光）分别是光子电子转换器和电子光子转换器，它们是光电相互依存和相互转化的典型例子。 第二次结合8 光与电打交道的第三个回合是1960年激光的发明(激光的理论基础是：1917年爱因斯坦在辐射理论中提出受激发射的概念)。激光是光学上的一项重大革命，也是20世纪最主

5、要的重大科学发明之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等 。第三个回合9 半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成功应用又出现光波技术（Lightwave Technology）和导波光学技术（Waveguide optics）等分

6、支学科。10 光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。 光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的产业可名为光子产业或光电子产业。1112 1. 信息光子学信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等；光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等

7、； 2. 能源光子学能源光子学： LED光照明光照明, 太阳能电池，激光加工技术等；太阳能电池，激光加工技术等； 3. 生物光子学生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学；用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。 例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。 光电子集成芯片技术光电子集成芯片技术光电子学的核心技术。光电子学的核

8、心技术。光电子学主要研究内容光电子学主要研究内容13通信：通信：信号的传输信号的传输光子技术光子技术（光纤通信系统）（光纤通信系统） 信号的交换信号的交换电子技术电子技术（电子交换器）（电子交换器）计算：计算：计算机计算机CPU电子技术电子技术（半导体电子芯片）（半导体电子芯片） 计算机外设计算机外设光子技术光子技术（光盘、显示、输入输出）（光盘、显示、输入输出）传感：传感：传感元件传感元件光子技术光子技术（光纤传感器和光纤网络）（光纤传感器和光纤网络） 信号处理信号处理电子技术电子技术（解调器、电子开关）（解调器、电子开关）信息技术现状信息技术现状光电混合光电混合光子技术优势：光子技术优势：

9、信息传输信息传输带宽大，并行性好，存储量大，速度快带宽大，并行性好，存储量大，速度快电子技术优势：电子技术优势：信息处理信息处理采用晶体管进行信息处理，能力强采用晶体管进行信息处理，能力强14光子学与电子学的发展路线图光子学与电子学的发展路线图电磁学电磁学电子学电子学微电子学微电子学纳米电子学纳米电子学18世纪世纪光学光学光子学光子学光电子学光电子学纳米光子学纳米光子学1906年年电子管1948年晶体管1960年年集成电路21世纪18世纪1960年年激光器 1970年光纤、室温LD、集成光路21世纪激光物理学非线性光学付里叶光学量子光学几何光学波动光学工程光学光谱学光纤光学集成光学光纤通信量子