光电子技术的进展光的本性PPT课件.ppt
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1、光存储技术的历史较短,而发展很快。 1972年,美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。,5.光存储,1993年下半年才付诸实用的新技术,也称CD视盘。VCD的视频压缩和解码技术是由美国人发明的,通过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到1.2G信息容量左右的光盘中去,并通过数字解码技术把压缩的电子信号重新播放出来。,1982年,飞利浦公司同日本索尼公司合作,推出了第一台数字式激光唱机。由于激光唱机(CD)进入家庭和只读式光盘存储器(CD-ROM)同个人计算机结合,VCD(CD视盘)其全称为VideoCD。,目前光盘存储技术中,载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上记录,由于物镜离介质较
2、远(毫米级)故称为远场记录,而存储密度正比于 所以要提高存储的位密度,就要缩短激光波长和升高物镜的数值孔径.,记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射极限. 在光的衍射极限下,光线的聚焦直径(d)与光波长()成正比例而与镜头的数值孔径(NA)成反比,即,CD(780nm,NA:0.45) DVD(650nm,NA:0.6), Blu-ray Disc盘片(405nm,NA:0.85),光盘技术要提高记录密度,可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小,,光盘存储密度和数据传输速率的发展趋势.,平板显示器技术以液晶显示器发展最快。液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性。 1964年,美国RCA公
3、司发现液晶的多种光电效应:宾主效应、动态散射效应和相移存储效应,为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。,6平板显示器,等离子体显示器、场致发光显示器相继问世并不断的发展。现在,平板显示器以形成巨大的市场。,是研究从红外波、可见光、紫外光、X射线直至射线波段范围内的光波电子技术,是研究运用光子和电子的特性,通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的技术。 信息:声音、文字、图像(动态和静态)、数据、文件 信息的收集、处理、传递和显示必须依靠载体。 例如,声音是以无线电波(调幅或调频)为载体实现无线电广播。 最通常的信息载体是 :电子、光子,什么是光电子技术?,光电子学,光电子技术
4、,2电子学和光子学的比较: 电子学:Electronics是研究电子的运动、电子及其应用的科学 电子学发展历程: 从爱迪生1883年实验开始算起, 经120年发展 电学-电子学-电子技术-电子工程- 电子产业 电子技术及其主要应用: 器件:电子管、晶体管、集成电路(IC)等 应用:电信、无线电广播、电视、计算机等,光子学:Photonics 是研究光子运动、光子作用及其应用的科学。 荷兰科学家Poldervart 1970年提出Photonics并定义为: “光子学是研究以光子为信息载体的科学”。 钱学森:“光子学是研究光子的产生、运动和转化的科学。”,光子学发展历程: 从1970年Polde
5、rvart提出算起,也正经历: 光学 - 光子学- 光子技术 - 光子工程 - 光子产业 光子技术及其主要应用: 器件:有源元件:激光器、光探测器、光放大器、光集成回路等 无源元件:耦合器、调制器、滤波器、光波导等 应用:光子通信、光储存、光计算机等,电子和光子性质的比较,3光子传递信息的特点: 对比电子: (1)极快的响应时间可用于超高速、宽带通信: 光子静止质量为零、在真空中以光速运动,不受电路中RCL时间常数的限制。 光子响应时间可短达1015秒,即fs量级,而电子器件及系统最快的响应时间为109秒,即ns量级,两者相差100万倍。 这在将来的光计算机等关键技术中将发挥巨大作用。1990
6、年美Bell,(2)传输信息容量大: 光子传输信息时具有时间可逆性、不具有高度空间局域性,使它可以形成向前和向后的共轭波,以补偿光纤传输中所产生的崎变和失真。利用这方法理论上可实现无损耗通信。 目前光纤通信正从第二代1.31微米波段零色散单模光纤向第三代1.55微米波段低损耗色散单模光纤作换代发展。传输容量从1978年的10Gb/s.km 以每年10倍速度提高,1986年达1Tb/s.km。,理论已证明,一个光子在室温下可携带30bit的信息量并随温度的下降而以指数形式增加,以至达到无限值。所以,理论上可以讲: “光子通信有望借助一个光子将无穷多信息传输给无穷多受信者”。,(3)高抗干扰、高可
7、靠性: 光子不带电荷,光纤不和受外界电磁波相互作用,光纤通信具有高抗干扰、高可靠性。 光子与光子之间不容易发生交互作用,光束可以在光纤中交叉通过而互不影响,这个特性被利用来波分复用,使在一根光纤实现多波长通信,大大提高了光纤的通信容量和利用率。,(4)光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点。 总之,超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。,其原因: 1.光子技术还不成熟, 2.电子和光子是一对具有高度互补的“孪生兄弟”:电子能态的改变导致光子的发射,而光子被物质吸收将引起电子系统能态的变化产生自由的电子。 光子学和电子学的关系实际上互相依存、互相补充、互相促进的。 光子学
8、和电子学结合在一起称为光电子学;因它应用于信息领域所形成的主要技术、方法、工艺等统称为光电子技术。,必须指出:到目前为止完全脱离电子的全光子过程、光子技术和光子产业还很少。,4. 光电子技术的应用: 光电子技术以光和电相结合的崭新技术进行信息的 收集、加工、发射、传输、接收、提取、储存、显示和分配等, 在工农业、科技、军事和生活等几乎所有领域都有广泛的应用。,目前光子技术在向微光子技术、光电 集成技术方向迅速发展。它们代表了信息 光子技术在微光、光纤通信、光计算、光 信息储存等领域的应用。 1微光子技术的发展: 2光电集成技术的发展: 3光纤技术的发展: 4光盘技术的发展:,1微光子技术的发展
9、: 微加工 - 微工程 -微电子、微机械、微光学 自聚焦透镜的出现为微光学发展奠定基础 阵列光学元件的发展开拓了微光学在信息领域的广泛应用 集成微光学器件是微光学发展的新方向,2光电集成技术的发展: 微电子 - IC 光电子 - OEIC 微光子- PIC 超晶格理论 能带工程 量子效应光电器件 光电器件“革命” 超薄材料技术 态密度阶梯分布 - 激子存在 - 非线性光学效应 - 多功能光电器件: 量子阱激光器、垂直腔面激光器、自电光效应器件、 光开关、光储 存、光逻辑 介质光栅发射器 - DFB激光器- 为PIC发展奠定基础,各种OEIC器件: LD+PD(探测器) PD+GR(光栅) LD
10、+MD (调制器) PD+WG(光波导) LD+OA (光放大器) PD+AP(放大器) LD+GR(光栅) PINFET,PINHBT LD+WG(光波导)PINHEMT,SMSHEMT,3光纤技术的发展: 光纤应用:通信介质、传感器、激光器、 医疗、 艺术 光纤发展方向:低损耗、多功能化 光介质:损耗20dB/km 降到0.2dB/km以下 多模光纤:偏注入技术、中心注入技术, 1Gb/s、2km 单模光纤:低成本化,0.2$/km 特殊光纤:掺稀土、色散管理、宽带色 散补偿、大面积、多芯、全 波、塑料 我国光纤产业:光纤芯生产严重不足,光 缆产品过剩,4光盘技术的发展: 光盘储存的优点:
11、 高速、高储存密度、高可靠性、高适应性 光盘储存的发展方向: 短波全光光盘、三维立体储存,一光的本性,1光的波粒二象性,光学真正形成一门学科,反射定律和折射定律算起,这两个定律奠定了几何光学的基础。,什么是光? 光的本质是什么? 光是由什么组成的? 人们认识光的本性经过了艰难而又曲折的道路。,法国科学家笛卡儿,生于1596年,是近代科学技术史上一位有多方面成就的伟大学者,其思想影响了整个17世纪。 作为近代科学技术史上的伟大科学家,笛卡儿探索了科学技术的众多领域,取得了众多科研成果。 他用微粒子涡动理论说明太阳和行星的运动,发现了光折射基本定律; 证明了宇宙永远保存着同量的运动,提出了运动守恒
12、定律;,虎克和牛頓的關係問題一直充滿了爭論。一般認為,兩人彼此存在較大的敵意。 爭論起源於光學,1672年牛頓在皇家學會闡述自己的觀點,認為白光經過稜鏡產生色散,分成七色光,他將其解釋為不同顏色微粒的混合與分開,遭到主張波動說的虎克的尖銳批評。,牛頓大怒,稱虎克完全沒有理解自己這一劃時代發現的意義,並威脅要離開皇家學會。,牛顿的微粒说, 光是直线传播的微粒流。,17世纪-两种对立的学说。,牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算,现象,“牛顿环”的光学现象等等。,“微粒说”这些微粒从光源飞出,质量极小,忽略重力作用,在真空或均匀媒质中做惯性运动,并且走的是最快速的直线运动路径。,白光是由各种不同颜
13、色的光组成,主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作光學延遲到虎剋死後才出版,光學出版後,奠定了微粒說的統治地位。,例如,为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰?,微粒说也面临着许多棘手的问题。,研究牛顿环时,牛顿认识到了光的周期性,牛顿主张中有一个假设,就是媒质中光速比空气中的光速大。,惠更斯的波动说,光是在以太中传播的波动。,惠更斯波动学说,打破了当时流行的光的微粒学说,提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。,惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬,有极好的弹性,光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样,当第一个球受到碰撞,碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。,光的传播方式与声音类似,不是
14、微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。,微粒说在解释光线从空气进入水中的折射现象时,需要假设; C水C空气,这两种学说都可以解释一定的光学现象(光的反射和折射)。,而波动说需要假设 C水C空气,当时,人们还不能准确地用实验方法测定光速,因而无法根据折射现象去判断它们的优劣。,19世纪,光的干涉、衍射和偏振等现象, 与微粒说格格不入,,光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波,杨的实验手段极其简单:把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、
15、暗交替的条纹,,这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿,几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力,也无法躲开对手的无情轰炸:它就是难以说明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。,而波动的理由却是简单而直接的:两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时,两列光波正好互相加强,就形成亮点。反之,当距离差刚好造成半个波长的相位差时,两列波就正好互相抵消,造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。,惠更斯的波动说 惠更斯发展了波动理论。但是由于他把光看成像声波一类的纵波,因此不能解释偏振现象、干涉和衍射现象。,但是光波的本质到底是什么,是像水波?还是像声波呢?,从这个观念出
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