1.2　光电子技术与多学科技术的结合

光电子技术不仅只是光学与电子学相结合的产物，而且是多学科互相融合、互相渗透、互相支持的结果。同时，光电子技术在各个科学领域的应用，又产生了一系列的交叉学科和应用技术领域，如信息光电子技术，通信光电子技术、生物科学和医用光电子技术、军用光电子技术等。随着这些技术应用的快速发展以及其他科技领域的渗透，形成了许多市场可观、发展潜力巨大的光电子产业，包括光纤通信产业、光显示产业、光存储-光盘产业、光电子材料产业、光电子检测产业、军用光电子产业以及光机电一体化产业。下面着重描述光电子技术与多学科技术的结合（图1-4），即光电子技术与信息技术的结合、光电子技术与通信技术的结合、光电子技术与生物科学和医用技术的结合、光电子技术与材料科学技术的结合，以及光电子技术与军事技术和武器装备技术的结合。

1.2.1　光电子技术与信息技术的结合

目前，光电子学已经成为信息科学的重要发展方向之一。光电子技术不仅是新一代信息载体主流技术，而且它涵盖了信息的获取、通信、处理、存储、交换、读出与显示的完整过程，融入到信息流的各个环节中，渗透到信息领域的每个角落。

（1）光信息获取技术

光信息获取的方式多种多样，不胜枚举。表1-3粗略地列举了光信息的获取技术的方式和应用领域。其中，一些设备里的光纤传感器，就是打破传统的利用声光、电光、磁光等效应制作传感器的方法，而是将被测对象的状态转换成光信号进行检测的光学传感器。

（2）光信息传输技术

由于光子的速度比电子的速度快得多，光的频率比无线电（如微波）的频率高得多，所以，为提高传输速度和载波密度，信息的传输技术必然由电子发展到光子。光信息传输技术是在信息光学中最有广泛应用前景的研究领域，表1-4列出了光信息传输技术的种类和方式。光信息传输技术的内容主要包括光交换网络和电子计算机的光互连，而且在光交换网络的光互连中，常研究在集成光学中的光波导交换开关、自由空间光学中的多级交换网络；在电子计算机的光互连中，常研究芯片间的自由空间和波导光互连，插件板之间的自由空间和波导光互连，多处理器之间的自由空间或光纤互连及并行计算机的光学总成等，因为电子计算机处理芯片之间的光互连可以大大提高计算机的速度。

利用光波来传输和处理信息有许多优点：①光波的频率高（3×10¹¹～3×10¹⁷Hz），因此，可使用的频带宽，可携带的信息量大；②光的传播速度快，可以大大提高信息处理的速度；③光可以同时并行处理信息，特别是图像信息，比串行处理速度提高了50倍；④光波波长很短，可以聚焦成很小的光斑，因而存储的信息密度就可以很大；⑤光子是电中性的，相互之间没有作用，也不受外界电磁场的干扰，因此用光传输、处理信息抗干扰性强，保密性好；⑥光的幅度、相位、偏振都可以调制，这给信息的获取、调制、检测提供了很多方便。

（3）光信息的存储技术

光存储最早的形式为缩微照相，它经历了较长时间的发展，成为文档资料长期存储的主要方式。激光出现后，激光全息技术引人注目，因为它能实现三维图像存储，具有更大的存储容量，但是激光不能进行实时数据存取，光盘存储技术解决了这个问题。光盘作为存储介质和光子技术的使用，可大幅度提高存储容量。光存储器的存储密度的进一步提高，记录介质和写入光源是关键。光源的波长越短，会聚光斑的尺寸将越小，存储密度也就随之提高。应用800nm波长的激光来记录和读出波长，5in（1in=25.4mm）直径光盘的信息存储容量为650MB。利用目前已开发的新的刻录技术和红光半导体激光器（650nm和630nm）缩小记录点及其间距，可把现有光盘的记录密度提高5～10倍。目前DVD单面单层5in光盘的存储容量可达4.7GB，双层和双面双层光盘可分别达9GB和18GB。

光信息存储的形式有：胶片信息存储；磁带存储；光盘存储技术（如音频、视频）；光学全息存储技术。

光盘存储和读出信息具有以下优点：①表面存储密度很高；②在存储和读出信息过程中，载体和读出头之间没有机械接触，所以保真性好，没有磨损，寿命长、可靠性好、误码率低；③接入信号时间短；④可以多次平行处理信息，速度达几百兆比特/秒。

（4）光信息处理技术

全光计算机是光信息处理技术的重要应用。光学信息处理技术主要包括：光学模拟计算机（相干，非相干）；光计算与光互联；模式识别；人工神经网络。

若利用光的并行处理、互连能力，则有窄脉冲（10^-15s）、速度快、有载频能力大等优点，可克服电子计算机的瓶颈效应和时钟效应，有望获得10¹⁴次/s计算速度的光子计算机和100GB的传输能力。串行电子计算机的极限计算速度是10¹⁰次/s，而目前串行光子计算机的计算速度已达到10¹⁰次/s。光处理器将能同时执行100万个平行任务，因此它能够同时处理而不用逐个处理复杂问题。在某些操作上，这种大量的平行的光处理器的能力估计是目前最大的电子计算机能力的1000倍。

（5）光电显示技术

商用广告的光学显示牌和电视机是人们早已熟知的光信息显示装置。这种用光电转换技术将各种形式的信息（如文字、数据、图形、图像和活动图像）作用于人的视觉而使人感知的手段为光电显示技术。而对光电子技术有着重要影响的光显元件则是液晶显示器、电荷耦合器、半导体发光二极管。据报道，新近研制成功的纳米硅显像管，是最先进、最优异的光显示器件。

光电显示技术包括：CRT与彩色电视技术；液晶显示与微型电视；液晶大屏幕彩色投影电视；高清晰度电视；激光扫描电视；激光彩色复印机及印刷机；电影技术。

最常用的静止信息的显示手段有打印机、复印机、传真机和扫描机等，已成为大家熟知的光电输出和输入设备。为提高分辨率以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏和稳定的感光材料和传感元件。

1.2.2　光电子技术与通信技术的结合

光电子技术与通信技术的结合是光电子技术的一个主要方面——光通信技术。光通信技术是当今光电子技术最具代表性的成就，人们曾乐观地估计，随着波分复用、码压缩等技术的应用，一根光缆所荷载的容量就足以满足全球的话音通信。在未来的信息化社会中，人们如何工作和生活，现在还难以想象得到，但可以预料诸如可视电话会议、全自动化无人操作工厂、全球信息联网必将到来。

从光纤通信系统的发展中可以明显地看到材料、器件和单元技术的关键作用。20世纪70年代由于解决了低损耗石英玻璃光纤（损耗小于20dB/km）和长寿命、高稳定砷化镓半导体激光器（寿命大于1万小时），使光纤通信系统得到实用化。

光波分复用技术是指将多个不同波长的信息光载波复接到同一光纤中进行传输，从而提高光纤传输容量的技术。光复用技术主要包括光波分复用技术（OWDM）、光时分复用技术（OTDM）、光码分复用技术（OCDMA）、光频分复用技术（OFDM）、光空分复用技术（OSDM）等，其中光波分复用技术、码分复用技术以及它们的混合应用技术发展速度很快。20世纪90年代采用了光纤放大器技术（EDFA，掺铒玻璃光纤放大器）和波分复用技术（WDM），建立了高信息量长距离光纤通信系统。目前，发展了高密度波分复用技术（DWDM）和信息打包（IP）分送和交换技术，使通信速度轻而易举地突破了太位每秒的速率。

为提高响应速度和灵敏度，发展探测器（如PIN/FET，TEMT，HBT等）始终是重要的任务。首先要将半导体激光器、探测器和电源、电路实现光电集成化，做成芯片和模块。高密度波分复用技术需要宽波段（C、L、S波段，1.3～1.6mm）的光纤放大器，因此制备掺不同稀土元素（Er、Tm、Pr等）的石英玻璃和复合氧化玻璃单模光纤就十分重要。半导体光放大器（SOA）将应用到探测器的前端和激光器的后端放大。无源器件主要包括分波/合波器（OADM），可调谐光滤波器、光隔离器、光调制器以及色散补偿器等。光纤光栅（OGF）和列阵波导光栅（AWG）是最近新发展的主要无源器件。

光通信分无线光通信和光纤通信。无线光通信技术应用于空-空、地-空、地-地光通信以及星际光通信网，主要为军用和专业用。光纤通信技术在长距离和主干线应用上已趋完善，光纤通信主要应用于局域网络、计算机网络和多媒体通信进入家庭。

要建立全光通信网络，实现在密集波分复用的光纤通信上数据包的分送，光交叉交换器（OXC）和全光路由器（opticalrouter）就十分重要。目前光网中路由器还是光-电-光形式，即光学互联和电子学作逻辑，因为电信号逻辑数字交换台分送和交换电信号的打包是成熟且廉价的。

1.2.3　光电子技术与生物科学和医用技术的结合

光电子技术与生物科学和医用技术的结合，也是光电子技术的一个重要研究领域和应用领域。如今生命科学是世界科技发展的热点之一，近年来，生物医学中的光电子技术研究十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。

目前，生物科学中的光电子技术研究的主要内容包括：生物系统中产生的光子及其反映的生命过程；光子在生物学研究、农业、环境、食品质量检查等方面的重要应用；以及利用光电子技术对生物系统进行检测、治疗、加工与改造等。医用技术中光电子技术研究的主要内容是：医学光电子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像技术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究。下面举例说明。

（1）医学诊断

据报道，国外有一种胶囊型内窥镜，如图1-5所示。这种胶囊将光、机、电微系统集成在一个胶囊内。它与一般内窥镜比较，可完全避免病人在检查过程中所产生的痛苦。这种带有摄像机的胶囊型内窥镜其直径为0.9cm、长2.3cm，“胶囊”被患者吞服后，就会随消化道的不断蠕动向前推进，可在食道、胃、肠、十二指肠、小肠、大肠等处拍摄图像，胶囊型内窥镜完成摄像任务后，便随着排泄物排到体外。

胶囊型内窥镜使用CCD或CMOS摄像机，并通过微波技术把照片传送出来，8h内能向数据记录仪传送5万～6万幅图片。胶囊型内窥镜所需的电能由自身电池或从体外用微波形式输送，其运行速度和方向等均可以从体外控制。所拍摄的图像也用微波传送到体外的控制装置里，传送到记录、显示系统，或直接通过打印机获取图像，或者经过计算机进行图像处理，可获取更多的信息。

（2）激光医学诊断与治疗

这是一个很广阔的新领域，对不同的病例，采用不同的激光技术。诊断中采用激光成像和光谱技术，极小的相机可以看到人体内的病变部位。治疗中采用了光纤技术深入到病变部位。采用二氧化碳激光或准分子激光实施激光手术，而用近红外波段的激光作康复和理疗，同时要求有一定的穿透深度和一定的照射剂量。另外，还有一种激光针灸，它是激光与中医学结合的一种技术。

1.2.4　光电子技术与材料科学技术的结合

光电子技术与材料科学技术的结合是多方面的，下面仅以聚合物光电子学、硅（或锗）基光电子技术为例子，说明光电子技术与材料科学技术的相互渗透和紧密结合的关系。

（1）聚合物光电子学

由于有机聚合物的合成、加工、器件生产方面相对容易、价格低廉，而且它们有相对低的介电常数，因而有更高的调制频率和较低的驱动功率，并且容易与半导体器件和光纤传输集成，具有响应性能快、非线性光学系数大等优点，引起了人们的广泛兴趣。聚合物光电子材料的应用前景十分诱人。

（2）硅（或锗）基光电子技术

硅和锗是微电子学中最重要的基质材料，由于硅和锗都是发光效率低的材料，为了克服硅材料发光效率低的问题，实现在一块硅片上集成电子器件和发光器件，国外研究人员进行了不懈的努力，为提高硅（或锗）的发光效率，提出和研究了多种硅基发光材料，如掺铒硅、多孔硅、纳米硅、硅基异质外延、超晶格和量子阱材料等。在硅材料上发展起来的集成电路已对电子计算机、通信和自动控制等信息技术起了关键的作用。但是硅集成电路受到尺寸和硅质材料中电子运动速度的限制，很难满足信息技术的日益发展及对信息的传递速度、存储能力、处理能力提出的更高要求。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力。

有机发光材料是新一代的显示与照明技术，也是光电子技术与材料科学技术的结合的产物。与液晶相比，有机电致发光器件具有主动发光、超轻、超薄、对比度好、视觉宽、响应速度快、发光效率高、温度适应性好、生产工艺简单、驱动电压低、耗能低和成本低等显著特点。目前，世界上有多家大公司和许多科学研究机构在从事有机发光材料和器件的研究开发工作。

1.2.5　光电子技术与技术军事和武器装备技术的结合

在现代战争中，作战方式和作战手段与过去相比已经发生重大变革。光电子技术对于开发新一代武器装备和改进现有武器装备具有重要作用，国外军用飞机的光电装备和光电武器系统（表1-5）就从一个侧面对此给予了充分的说明。目前，光电子技术已被诸多国家列为关键军用技术或重点开发技术。不仅如此，事实上，几乎所有的光电子技术开始研究时均出于军事应用目的，后来才逐渐应用于其他领域。所以，光电子技术与技术军事和武器装备技术的结合将在第6章中给出专题的描述。下面从战场信息获取、目标信息侦察、提高制导武器的精度、开辟夜战场四个方面来说明高尖端武器装备的每项技术都离不开光电子技术。

（1）战场信息获取

战场信息获取主要靠3类传感器：雷达、光电子和声学。它们有各自的优缺点，适于不同用途、不同对象。有时需将两种传感器结合起来使用，取长补短。例如可利用在轨卫星对军事行动进行严密监视，卫星上搭载的是各种信息获取仪器，其中图像获取仪器是重要的组成部分之一，由于卫星和其他航天器远离地球，各种图像信息都需转换成电信号并加载到微波上传达到地球上来，这都离不开各种光电子技术。

（2）目标信息侦察

战场目标信息侦察主要来源于战场图像情报。战场图像情报是通过战场侦察传感器平台所获得的侦察图像，它包括白光、微光、红外的图像，各种平台的电视侦察图像，各种机载平台的合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达的雷达图像，以及由地面人工侦察所获得的人工图像情报。其中，战场电视侦察获取视频图像情报具有直观、清晰、快速、实时传输等特点，能通过图像一目了然地观察到前沿敌方阵地地形、布设、武器装备、兵力部署、调动等情况。

光电侦察卫星具有高灵敏度、高分辨率、快速探测和识别目标的能力，其地面分辨率可达0.1m左右，激光测距精度优于1m。

（3）提高制导武器的精度

在精确制导武器中，光电制导占有重要地位。采用激光、红外、紫外和电视制导技术的各类精确制导武器，具有打击精度高、毁伤效果好、附带损伤小等特点，可显著提高作战效能。最早使用的光电精确制导武器是20世纪50年代后期出现的红外制导空-空导弹，海湾战争中大量使用了红外和电视制导炸弹、激光制导炸弹。从战区外发射、低空飞行的巡航导弹也使用了激光测高和障碍回避光雷达等光电子技术。

（4）开辟夜战场

装有性能先进的脉冲多普勒火控雷达、前视红外系统、红外搜索跟踪系统、微光电视设备、激光测距/目标指示系统和激光目标自动跟踪系统的飞机，能在各种恶劣气候条件下作战，当然具有夜战能力。例如，F-117A隐形飞机上装有红外搜索跟踪系统和激光测距/目标指示器，F/A-18多用途战斗机上装有前视红外探测系统和激光跟踪器。总之，这些飞机不仅配备先进的夜战装备，还普遍装有被动探测系统，使飞机能在机载雷达关机处于无线电静默状态下完成攻击目标的战斗任务。

夜视侦察装备，如主动式红外夜视仪、微光夜视仪、红外成像仪等用于夜间侦察。用于战场侦察的合成孔径雷达主要是获取战场图像和地面活动目标信息，可在夜间和恶劣的气候条件下探测、搜索、跟踪敌方运动中的人员、车辆、舰船等，具有探测距离远、覆盖面积大、测量速度快、全天候、全天时工作的特点。