羅彬彬 趙明富 舍 麗 周登義 曹 陽 全曉莉

重慶理工大學(xué)電子信息工程與自動化學(xué)院 重慶 400054

電子信息工程專業(yè)是一個包含電子科學(xué)技術(shù)、信息與通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)設(shè)計、研究、應(yīng)用與開發(fā)，電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的工程專業(yè)。當(dāng)代信息技術(shù)的高速發(fā)展離不開電子信息科學(xué)技術(shù)，但是當(dāng)今很多高端的信息技術(shù)成果融合了微電子學(xué)、光電子學(xué)、計算機工程及通信工程等多門學(xué)科的交叉知識。而且，目前很多具有良好基礎(chǔ)的電子信息工程專業(yè)的學(xué)生在他們的碩士和博士階段，通常會選擇光電子技術(shù)的相關(guān)研究方向，而具備了良好電子學(xué)知識的學(xué)生更容易將電子學(xué)中的概念移植到光頻段中，如果在本科階段也修習(xí)了光電子技術(shù)這門基礎(chǔ)課程，那么在他們的深造階段將會更容易進入光電子相關(guān)領(lǐng)域的課題研究。因此，電子信息工程專業(yè)的學(xué)生除了需要掌握本專業(yè)的課程知識以外，也應(yīng)該熟悉現(xiàn)代信息技術(shù)的其他相關(guān)知識，如光電子技術(shù)。然而根據(jù)筆者的調(diào)研，雖然目前很多重點大學(xué)及二本院校的電子信息工程專業(yè)都意識到光電子技術(shù)的重要性，但很少開設(shè)光電子技術(shù)這門課程。本文從光電子技術(shù)的研究內(nèi)容、應(yīng)用及發(fā)展等方面說明其在電子信息工程專業(yè)教育中的重要性，并研討電子信息工程專業(yè)中的光電子課程的理論和實驗教學(xué)方法。

1 光電子技術(shù)簡介

早在19世紀(jì)，人們就已經(jīng)用麥克斯韋(Maxwell)的經(jīng)典電磁理論對光的本質(zhì)進行了研究，認(rèn)為光是波動的電磁場，關(guān)于光的吸收和輻射，1917年愛因斯坦(Einstein)建立了系統(tǒng)的光電子學(xué)理論，使人們認(rèn)識了光的波粒二相性。但是直到20世紀(jì)60年代之前，光學(xué)和電子學(xué)仍然是兩門獨立的學(xué)科。1960年世界上第一臺激光器研制成功，這標(biāo)志著光學(xué)的發(fā)展進入了一個新階段。隨后在對激光器和激光應(yīng)用的廣泛研究中，電子學(xué)發(fā)揮了重要的作用，光學(xué)和電子學(xué)的研究有了廣泛的交叉領(lǐng)域，形成了激光物理、非線性光學(xué)、波導(dǎo)光學(xué)等新學(xué)科。20世紀(jì)70年代以來, 由于半導(dǎo)體激光器和光纖技術(shù)的重要突破，推動了以光纖傳感、光纖傳輸、光盤信息存儲與顯示、光計算以及光信息處理等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，從深度和廣度上促進了光學(xué)和電子學(xué)及其他相應(yīng)學(xué)科(數(shù)學(xué)、物理、材料等)之間的相互滲透，形成了一個邊緣的研究領(lǐng)域。光電子學(xué)一經(jīng)出現(xiàn)就引起了人們的廣泛關(guān)注，反過來又進一步促進了光電子學(xué)及光電子技術(shù)的發(fā)展。光電子技術(shù)包括光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、放大、頻率轉(zhuǎn)換和檢測以及光信息存儲和處理等。

因此，可以這么說，現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐學(xué)科是微電子學(xué)和光學(xué)，光電子學(xué)則是由電子學(xué)和光學(xué)交叉形成的新興學(xué)科，對信息技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。光電子技術(shù)是光頻段的電子技術(shù)，是電子技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，光電子技術(shù)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱與基礎(chǔ)，涉及光電子學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計算機技術(shù)等前沿學(xué)科理論，是多學(xué)科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術(shù)學(xué)科，其技術(shù)廣泛應(yīng)用于光電探測、光通信、光存儲、光顯示、光處理等高新技術(shù)光電信息產(chǎn)業(yè)。同時，隨著生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展，其中的信息獲取手段對光電子技術(shù)的依賴程度越來越高，加快了這些學(xué)科之間的交叉融合，從而誕生了很多邊緣學(xué)科，比如生物光子學(xué)、光醫(yī)學(xué)等。

綜上所述，可見光電子技術(shù)在現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的重要地位，因此，光電子技術(shù)這門課程不僅是光學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，也應(yīng)該作為電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程來開設(shè)。

2 光電子技術(shù)課程教學(xué)研究

2.1 光電子技術(shù)課程的理論教學(xué)

電子信息工程專業(yè)的光電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)理論知識包括：光度學(xué)基本知識、光輻射傳播、光束調(diào)制與解調(diào)、光輻射探測技術(shù)等。其中，光度學(xué)基本知識是最基礎(chǔ)的內(nèi)容，包括：電磁波波譜、輻射度學(xué)、光度學(xué)、熱輻射基本定律、激光原理、典型激光器等。光輻射傳播包括：光輻射的電磁理論、光波在大氣中的傳播規(guī)律與特性、光波在電光晶體中的傳播規(guī)律與特性、光波在聲光晶體中的傳播規(guī)律與特性、光波在磁光晶體中的傳播規(guī)律與特性、光波在光纖波導(dǎo)中的傳播規(guī)律與特性、光波在水中的傳播特性、光波在非線性介質(zhì)中的傳播等。

光度學(xué)基本知識和光輻射傳播這兩個基礎(chǔ)內(nèi)容可以說是光電子技術(shù)課程基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，而對于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生來說，這些知識點比較抽象，為了便于該專業(yè)學(xué)生對光電知識的接受和激發(fā)他們的興趣，因此，在課堂上有必要多花時間重點講解這部分的知識點，同時在制作PPT教案時盡可能使用圖片或動畫描述一些原理性的知識。比如：在講解激光是如何產(chǎn)生的時候，可制作動畫描述自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射的原理；在講解激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理時，可制作多色圖片對激光在各種光學(xué)諧振腔中的受激放大過程進行描述；在介紹各種典型的激光器時，最好收集到它們的實物照片進行講解；在講解光波在各種光學(xué)晶體中的傳播特性與規(guī)律時，最好能制作三維立體的圖片描述光學(xué)晶體的各向異性的特性，相應(yīng)的公式表達盡量簡潔化，然后結(jié)合動畫描述光波在其中傳播時所發(fā)生的變化。

光束的調(diào)制、掃描和解調(diào)技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容包括：光束調(diào)制的基本原理、電光調(diào)制技術(shù)、聲光調(diào)制技術(shù)、磁光調(diào)制技術(shù)、直接調(diào)制技術(shù)、光束機械掃描技術(shù)、光束電光掃描技術(shù)、光束聲光掃描技術(shù)、空間光調(diào)制器等。這些知識點的理論基礎(chǔ)都是“光輻射在光學(xué)晶體中的傳播規(guī)律和特性”。其中光束調(diào)制的基本原理移植了微電子學(xué)中微波調(diào)制中的很多概念，電子信息工程專業(yè)的學(xué)生易于理解，但是光束調(diào)制和掃描的實現(xiàn)技術(shù)中，除了需要使用各種光學(xué)晶體以外，還需要使用半波片、全波片、起偏器、檢偏器共同組成一個系統(tǒng)完成光束的調(diào)制和掃描。這些光學(xué)器件對于沒有光學(xué)工程基礎(chǔ)的電子信息工程專業(yè)的學(xué)生來說比較陌生，因此，在講解過程中應(yīng)該通過動畫或圖片等手段形象地描繪線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光等基本光學(xué)概念，并借用相關(guān)的光學(xué)參考資料對這些光學(xué)器件的功能和原理進行簡單介紹。只有這樣，才有利于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生深刻理解光束的調(diào)制、掃描、解調(diào)等技術(shù)。

光輻射探測技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容主要包括：光電探測的物理效應(yīng)、光電探測器的性能參數(shù)、光電探測器的噪聲、光電導(dǎo)探測器—光敏電阻、PN結(jié)光伏探測器的工作模式、硅光探測器、光電二極管、光熱探測器、直接光電探測系統(tǒng)、光頻外差探測的基本原理等。由于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)具備了較好的半導(dǎo)體器件理論基礎(chǔ)知識，而光電子器件本身也屬于半導(dǎo)體器件，因此學(xué)生只要掌握了愛因斯坦的光電效應(yīng)原理，就很容易理解各種光電子器件的工作原理、性能特點及應(yīng)用領(lǐng)域。該部分所介紹的各種光電半導(dǎo)體器件很可能會在學(xué)生將來從事信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的相關(guān)工作中用到，也可能會在將來某些學(xué)生跨到光電信息或光學(xué)工程相關(guān)專業(yè)進一步深造時從事相關(guān)科研課題研究時用到，比如：PN結(jié)光伏探測器、光敏電阻、光電二極管、光電三極管等，都會經(jīng)常用到。因此，建議在理論教學(xué)過程中，除了結(jié)合圖片等多媒體教學(xué)手段介紹相關(guān)光電子器件的工作原理外，最好能夠給學(xué)生展示光電子器件的實物，以便給學(xué)生一些感官認(rèn)識。

電子信息工程專業(yè)光電子技術(shù)課程的系統(tǒng)方面的知識點包括：光電成像系統(tǒng)、光電顯示系統(tǒng)等。其中，光電成像系統(tǒng)的基本器件是電荷耦合攝像器件(CCD)，CMOS攝像器件和電荷注入器件(CID)。目前，CCD攝像器件的應(yīng)用最為成熟和廣泛，主要包括線陣CCD和面陣CCD等，其原理基礎(chǔ)仍然是光電半導(dǎo)體器件和兩相或三相電極電路的結(jié)合。因此，教學(xué)中應(yīng)結(jié)合脈沖數(shù)字電路知識重點講解CCD的原理和特點。光電成像系統(tǒng)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)、紅外成像系統(tǒng)、紅外成像中的信號處理及綜合特性等。其中紅外成像系統(tǒng)涉及很多應(yīng)用光學(xué)方面的知識，這對沒有應(yīng)用光學(xué)基礎(chǔ)知識的電子信息工程專業(yè)的學(xué)生來說比較陌生，而且屬于光學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的研究方向之一，因此，這部分內(nèi)容簡單介紹即可。而紅外成像中的信號處理都涉及電子電路方面的知識，屬于電子信息工程專業(yè)的范疇，這部分內(nèi)容可以重點講解。光電顯示系統(tǒng)包括陰極射線管原理、液晶顯示原理、等離子體顯示原理、電致發(fā)光顯示原理及多色激光顯示原理等，其中前三類顯示技術(shù)的應(yīng)用已很廣泛和成熟，可以重點講解，而后兩類顯示技術(shù)比較前沿，可以簡單介紹，以便讓電子信息工程專業(yè)的學(xué)生了解當(dāng)今光電顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢。

電子信息工程專業(yè)光電子技術(shù)課程應(yīng)用方面的內(nèi)容包括：光纖通信、激光雷達、激光制導(dǎo)、紅外遙感、紅外跟蹤制導(dǎo)、光纖傳感技術(shù)等。這些應(yīng)用技術(shù)可以分別舉一個相應(yīng)的實際應(yīng)用系統(tǒng)進行介紹，讓學(xué)生體會到光電子技術(shù)的重要性和廣泛性，激發(fā)他們對這門技術(shù)的興趣。

2.2 光電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)

對于電子信息工程本科專業(yè)而言，畢竟培養(yǎng)的學(xué)生不屬于光學(xué)工程或光電子技術(shù)領(lǐng)域的人才，而且電子信息工程專業(yè)已有很多屬于本專業(yè)的實驗課程及課程設(shè)計，筆者認(rèn)為光電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)應(yīng)根據(jù)該專業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和將來他們最可能需要的工程能力而設(shè)置。在該課程中，各種光電子器件和原理、功能及應(yīng)用最易于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生理解，而且也是電子信息工程師應(yīng)該具備的基本知識，因此，筆者建議開設(shè)一些光電子器件的相關(guān)實驗課。由于光電子技術(shù)課程的總學(xué)時設(shè)置為48學(xué)時，所以建議理論教學(xué)為40學(xué)時，8學(xué)時為實驗教學(xué)(共4個實驗)。

根據(jù)筆者6年來給電子信息工程專業(yè)本科學(xué)生講授這門課程的經(jīng)驗，建議實驗課程設(shè)置如下：

(1)光敏電阻的工作特性實驗?？蛇x擇幾種不同類型的光敏電阻，實驗要求掌握光敏電阻的主要特性參數(shù)，掌握使用光敏電阻時需要注意的事項，比如：光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配，防止光敏電阻受雜散光的影響等。了解數(shù)字信息傳輸和模擬信號傳輸時應(yīng)該選擇哪種特性參數(shù)的光敏電阻。實驗設(shè)置為2個課時。

(2)光電二極管的工作特性及參數(shù)測量實驗。包括PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)，要求通過實驗測量Si和Ge的PIN光電二極管光譜特性，設(shè)計PIN光電二極管和APD光電二極管輸入輸出特性測試電路，并進行相應(yīng)實驗分別獲得它們的光電轉(zhuǎn)換效率及增益系數(shù)等參數(shù)。實驗設(shè)置為2個課時。

(3)光電三極管的電路設(shè)計及參數(shù)測量實驗。設(shè)計一個光電三極管的光子探測及放大電路，并通過實驗測量光電三極管的光電轉(zhuǎn)換效率及放大系數(shù)等參數(shù)。實驗設(shè)置為2個課時。

(4)光電池的伏安特性、光譜、溫度特性的測量。通過實驗繪出光電池的伏安特性曲線、光譜特性曲線、溫度特性等。實驗設(shè)置為2個課時。

通過以上實驗課程，能夠使電子信息工程專業(yè)的學(xué)生對光電子基本器件有些感官認(rèn)識，而且能夠深刻掌握它們工作的基本原理和基本特性，為將來在具體工程設(shè)計及進一步深造奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

光電子技術(shù)在國家的信息產(chǎn)業(yè)、國防工業(yè)中占有舉足輕重的地位，電子信息技術(shù)與光學(xué)信息技術(shù)的結(jié)合也越來越緊密。對于當(dāng)今的電子信息工程專業(yè)的學(xué)生而言，除了需要牢固掌握本專業(yè)的知識和技能以外，了解和掌握光電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢也是必不可缺的。本文通過對電子信息工程專業(yè)特點和光電子技術(shù)課程內(nèi)容的分析，討論了該課程與該專業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系，分析了其重要性，并根據(jù)筆者6年來的授課經(jīng)驗，提出了本門課程在電子信息工程專業(yè)中的理論及實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點、教學(xué)方法及課程設(shè)置等方面的一些意見和建議。

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