周炳琨

(清華大學(xué) 電子工程系,北京 100084)

光電子科技創(chuàng)新推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展

周炳琨

(清華大學(xué) 電子工程系,北京 100084)

依據(jù)光電技術(shù)的科技創(chuàng)新應(yīng)用事例簡(jiǎn)要綜述了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史和趨勢(shì).基于創(chuàng)新思想的新器件、新技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力,提出了如何正確選擇光電科研課題.

原始創(chuàng)新;光電科技;信息產(chǎn)業(yè)

如今,激光與光電子技術(shù)已在各行各業(yè)中起著不能替代、無可或缺的巨大作用.其動(dòng)力源泉就是創(chuàng)新,一個(gè)成功的創(chuàng)新應(yīng)該包括發(fā)明和巨大市場(chǎng)機(jī)遇.

就信息技術(shù)而言,大致有:1)晶體管→集成電路+Microsoft Windows軟件→個(gè)人計(jì)算機(jī);2)激光和光纖→光纖通信+計(jì)算機(jī)→因特網(wǎng)+無線通信(智能手機(jī))→無線網(wǎng)絡(luò);3)空天地一體化傳感器網(wǎng)絡(luò)→物聯(lián)網(wǎng).

總之,創(chuàng)新貫穿在基礎(chǔ)研究→應(yīng)用研究→產(chǎn)品開發(fā)→提高商品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的全過程.

1 信息技術(shù)發(fā)展中的創(chuàng)新事件

人類從發(fā)明蒸汽機(jī)到上世紀(jì)30年代利用電能經(jīng)歷了220年,而從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有超過10億人在上網(wǎng),這期間僅有50多年(圖1).其中集成電路(IC)、計(jì)算機(jī)(PC)、激光、光通信(OFC)、互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、無線通信、無線互聯(lián)網(wǎng)是該時(shí)期信息技術(shù)最具代表性的創(chuàng)新.

圖1 信息技術(shù)發(fā)展中的創(chuàng)新Figure 1 Innovation in the development of information technology

1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)明

1.1.1 集成電路→計(jì)算機(jī)

1946年在美國(guó)研制成的第一臺(tái)真空電子管的數(shù)字計(jì)算機(jī)(圖2).ENIAC為Electrical Numerical Integrator and Computer的縮寫.

圖2 1946年研制成第一臺(tái)使用真空電子管的數(shù)字計(jì)算機(jī)Figure 2 The first digital computer with the vacuum tube developed in ENIAC

1947年威廉·肖克利(William Shockely)圣誕節(jié)前,他和沃爾特·布蘭坦(Walter Brattain)和約翰·巴丁(John Bardeen)發(fā)現(xiàn)“點(diǎn)接觸晶體管放大器”(Point-Contact Transistor Amplifier).1950年晶體管研制成功(圖3).1955年高純硅的工業(yè)提煉技術(shù)已成熟,用硅晶片生產(chǎn)的晶體管收音機(jī)問世.

圖3 20世紀(jì)50年代電子技術(shù)的進(jìn)展Figure 3 Progress of electronic technology in the 1950s

晶體管的發(fā)明讓計(jì)算元件從極其笨重的真空電子管解放出來.而集成電路能允許多個(gè)晶體管放在一個(gè)很小的小片塊上(圖4(a)).上述兩項(xiàng)發(fā)明使機(jī)器可以變得又小又能降低制造成本和方便維護(hù).

圖4 世界第一個(gè)集成電路和Intel公司推出第一個(gè)微處理器Figure 4 The first integrated circuit in the world and the first processing unit of Intel

第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)使用了18 000只真空電子管,占地167平方米,而采用CMOS集成電路,其尺寸僅為7.44 mm×5.29 mm,卻含有174 569只晶體管.集成電路的發(fā)明使計(jì)算機(jī)成為微電腦.

1971年11月15日Intel推出第一個(gè)微處理器(圖4(b))4004(第一個(gè)4表示它可以一次處理4位數(shù)據(jù),第二個(gè)4代表它是這類芯片的第4種型號(hào).這種數(shù)字代號(hào)沿用至今,就是20世紀(jì)80—90年代所謂的“386”、“486”等計(jì)算機(jī)俗稱的最早源頭).它的處理速度為108 kHz，晶體管個(gè)數(shù)為2300，柵長(zhǎng)為10 Micron.在英特爾公司帶動(dòng)下,1975年,摩托羅拉公司也宣布推出8位微處理器6800.1976年,霍夫研制小組的費(fèi)根,在硅谷組建了Zilog公司,同時(shí)宣布研制成功8位微處理器Z-80.從此,可以放在指尖上的芯片電腦全方位地改變了世界.

1.1.2 個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)

1981年8月,IBM在紐約宣布了IBM PC個(gè)人電腦出世,由此個(gè)人電腦以前所未有的廣度和速度向大眾普及.IBM PC主機(jī)板上配置64 kB存儲(chǔ)器,另有5個(gè)插槽供增加內(nèi)存或連接其他外部設(shè)備.它還裝備著顯示器、鍵盤和兩個(gè)軟磁盤驅(qū)動(dòng)器.把過去一個(gè)大型電腦機(jī)房的全套裝置統(tǒng)統(tǒng)搬到個(gè)人的書桌上.為了推廣這種電腦,IBM還巧妙借助卓別林式小流浪漢形象,揮舞個(gè)人電腦,表示人人都能夠使用.

1977年7月,沃茲奈克精心設(shè)計(jì)出另一新型微電腦,安裝在淡灰色的塑料機(jī)箱內(nèi),主電路板用了62塊集成電路芯片,1978年初又增加了磁盤驅(qū)動(dòng)器.這種電腦達(dá)到當(dāng)時(shí)微型電腦技術(shù)的最高水準(zhǔn),喬布斯命名它為“蘋果Ⅱ”(AppleⅡ).

1.2 激光(LASER)→光纖通信(OFC)→互聯(lián)網(wǎng)(INTERNET)

1917年,愛因斯坦提出原子中電子的受激輻射新概念.即處于高能級(jí)的原子,受外來光子的作用,當(dāng)外來光子的頻率正好與它的躍遷頻率一致時(shí),它就會(huì)從高能級(jí)跳到低能級(jí),并發(fā)出與外來光子完全相同的另一光子.新發(fā)出的光子不僅頻率與外來光子一樣,而且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相也都一樣.于是,一個(gè)光子變成了兩個(gè)光子.如果條件合適,光就可以像雪崩一樣得到放大.特別值得注意的是,這樣放大的光是一般自然條件下得不到的“相干光”.

1951年,湯斯(Townes,美國(guó)),巴索夫,普洛霍洛夫(Бacoв, Пpoxopoв前蘇聯(lián))提出利用原子、分子的受激輻射來放大電磁波的新概念(建成了世界第一臺(tái)NH3分子微波量子振蕩器).

1958年提出激光器概念:美國(guó)Bloembergen提出利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光放大;Schawlow肖洛,ПpoxopoB分別獨(dú)立提出Fabry-Perot開放式光諧振腔新思想.

1960年7月梅曼抓住了機(jī)遇,勇于實(shí)踐,發(fā)明紅寶石固態(tài)激光器.

普通光波是大量原子或分子自發(fā)發(fā)射形成的,而激光就是大量原子(或分子)受激發(fā)射形成可以控制的振蕩光波.主要的特點(diǎn)為:

1)方向性好,10-4弧度發(fā)散角激光的方向性比現(xiàn)在所有的其他光源都好得多,它幾乎是一束平行線.如果把激光發(fā)射到月球上去,歷經(jīng)38.4萬公里的路程后,也只有一個(gè)直徑為2 km左右的光斑;

2)單色性好,10-11波長(zhǎng)激光束幾乎就是一條直線.氦氖激光的譜線寬度,只有8～10 nm,顏色非常純;

3)功率(或能量)大,由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中,所以亮度很高,它比普通光源高億萬倍,比太陽表面的亮度高幾百億倍.亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo),若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過會(huì)聚,可在焦點(diǎn)產(chǎn)生出幾千到幾萬度的高溫;

4)光波干涉性好,可產(chǎn)生極短脈沖:飛秒→阿秒.

激光這些獨(dú)有的特性推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的飛速發(fā)展,可以歸納為:

1)信息應(yīng)用——信息光電子(通信,存儲(chǔ)等);激光測(cè)距雷達(dá)制導(dǎo);激光測(cè)量、計(jì)量與檢測(cè);激光分離同位素;激光物理(非線性光學(xué),超快光子技術(shù)等);軍用激光與激光武器.

2)能量應(yīng)用——激光加工與制造;激光醫(yī)療與生物技術(shù);激光化學(xué);激光核聚變.

人們正在創(chuàng)造性地利用激光獨(dú)有的特性尋找激光不可替代的應(yīng)用.

激光(LASER)→光纖通信(OFC)→INTERNET

促成信息光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的兩個(gè)創(chuàng)新，即：光導(dǎo)纖維;雙異質(zhì)結(jié)→量子阱半導(dǎo)體激光器.

1966年,高錕(Chals Gao)預(yù)言了用基于光學(xué)全反射原理的光導(dǎo)纖維來傳輸光的可能性,他的這一首創(chuàng)新思維獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).光纖結(jié)構(gòu)見圖5.光纖的損耗與色散見圖6.

材料:高純石英.幾何尺寸:單模光纖芯徑-5 μm,外徑-125 μm;多模光纖芯徑-100 μm,外徑-200 μm圖5 光纖結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Fiber structure diagram

圖6 光纖的損耗與色散Figure 6 Loss and dispersion of optical fiber

第二個(gè)原始創(chuàng)新,雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體→量子阱半導(dǎo)體激光器(Laser Diode).阿爾菲洛夫(ZHORES I. Alferov)和克羅默爾(Herbert Kroemer)等提出了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(圖7)新構(gòu)思,因此而獲得2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

圖7 半導(dǎo)體量子阱激光器Figure 7 Semiconductor quantum well laser

1997年,朱棣文(Steven Chu),塔羅季(Claude Cohen-Tannoudji)和菲利普(William D. Phillips)由于利用激光冷卻和鉗制原子的研究成果而共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

格勞伯(Roy J Glauber)因在光相干的量子理論方面的貢獻(xiàn),霍爾和漢斯因在發(fā)展激光精密光譜學(xué),包括光頻梳(optical frequency comb)技術(shù)方面的貢獻(xiàn),而分別獲2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

2014年赤崎勇(Isamu Akasaki),天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)的藍(lán)光LED→半導(dǎo)體固態(tài)照明的發(fā)現(xiàn)獲2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).綜上所述,因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家共有16位.

1.2.1 光纖通信原理

光纖通信系統(tǒng)的發(fā)送端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),并入射到光纖通道,此時(shí)光信號(hào)在光纖以全反射的方式不斷向前傳輸,并在接收端再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理(圖8).

圖8 光纖通信原理示意圖Figure 8 Schematic diagram of optical fiber communication

1.2.2 光纖通信帶寬發(fā)掘史

圖9 光纖通信帶寬發(fā)掘史Figure 9 Bandwidth discovery history of optical fiber communication

在數(shù)字設(shè)備中，帶寬指單位時(shí)間能通過鏈路的數(shù)據(jù)量.通常以每秒可傳輸?shù)奈粩?shù).其發(fā)展見圖9.1.2.3 波分復(fù)用(WDM)光纖通信

波分復(fù)用就是利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波(圖10)的特點(diǎn),把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段(圖11),每個(gè)波段用作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào).

圖10 多數(shù)據(jù)通道光纖傳輸Figure 10 Optical fiber transmission in multi-data channel

圖11 光纖傳輸損耗譜和工作波長(zhǎng)Figure 11 Optical fiber transmission loss spectrum and operating wavelengths

WDM的實(shí)用化等待中繼器件的突破.光纖放大器使波分復(fù)用光通信(圖12)商用化成為現(xiàn)實(shí),引發(fā)了超大容量光通信和網(wǎng)絡(luò)的革命.

圖12 16波長(zhǎng)的波分復(fù)用Figure 12 16-wavelength WDM

在20世紀(jì)70年代國(guó)外的低損耗光纖獲得突破以后,我國(guó)從1974年開始了低損耗光纖和光通信的研究工作,并于70年代中期研制出低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器.1979年分別在北京和上海建成了市話光纜通信試驗(yàn)系統(tǒng),這比世界上第一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只晚兩年多.這些成果成為我國(guó)光通信研究的良好開端,并使我國(guó)成為當(dāng)時(shí)少有的幾個(gè)擁有光纜通信系統(tǒng)試驗(yàn)段的幾個(gè)國(guó)家之一.到20世紀(jì)80年代末,我國(guó)的光纖通信(圖13)的關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.

圖13 全國(guó)一級(jí)光纜干線示意圖Figure 13 Map of the main cable of china

1.2.4 中美海底光纜系統(tǒng)

中美海底光纜系統(tǒng)(圖14)它是連接亞洲和北美洲的中美海底光纜系統(tǒng),是之前重要的國(guó)際光纜之一,全長(zhǎng)約30 000 km,共有9個(gè)登陸站,中國(guó)的登陸站分別為上海崇明和廣東汕頭.其他登陸方還有日本、韓國(guó)、美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣.該系統(tǒng)的傳輸速率為2.5 Gb/s ×8個(gè)波長(zhǎng),共由四對(duì)光纖組成,采用具有自愈功能的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).該系統(tǒng)于2000年1月開通部分段落.

圖14 中美海底光纜系統(tǒng)Figure 14 Sino US submarine cable system

1.2.5 氧氣工程

為了滿足因特網(wǎng)聲音、圖象服務(wù)和未來信息高速公路的需要,一個(gè)名叫“氧氣工程”的越洋跨洲連接175個(gè)國(guó)家的全世界海底光纖通信線路,同時(shí)傳送240萬路電話,2003年已完成.這項(xiàng)20世紀(jì)通信領(lǐng)域最宏偉的工程,從美國(guó)東部出發(fā),橫跨大西洋,穿越地中海,經(jīng)紅海和印度洋,通過馬六甲海峽進(jìn)入太平洋,最后又橫跨太平洋與北美相連,全長(zhǎng)近32萬km,相當(dāng)于環(huán)抱地球赤道轉(zhuǎn)了8圈.

2008年,中美第二條直達(dá)海底光纜在北京奧運(yùn)會(huì)開幕前完工,投資5億美元,1.8萬km,同時(shí)傳送6 200萬路電話(5.8 T=5 800 Gbit/s).“氧氣工程”是20世紀(jì)通信領(lǐng)域最宏偉的工程,是全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ).

1.2.6 計(jì)算機(jī)互聯(lián)的初期發(fā)展

20世紀(jì)60年代末,計(jì)算機(jī)已逐漸顯示巨大的潛力.當(dāng)時(shí)正處在冷戰(zhàn)時(shí)期,為保證某一臺(tái)計(jì)算機(jī)被摧毀后可以得到其它計(jì)算機(jī)的支持,1969年初美國(guó)國(guó)防部嘗試把洛杉磯加州大學(xué)(UCLA)、斯坦福大學(xué)、猶他大學(xué)和圣巴巴拉加州大學(xué)的四臺(tái)互不兼容的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)互連，1969年9月2日,實(shí)現(xiàn)了把UCLA的一臺(tái)計(jì)算機(jī)與斯坦福研究院的4個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)之間實(shí)現(xiàn)相連,開始了ARPANET的建設(shè).

1.2.7 互聯(lián)網(wǎng)Internet,TCP/IP的發(fā)明

Larry Robert·拉里構(gòu)思了最初的互聯(lián)網(wǎng)草圖(圖15).

圖15 Larry Robert·拉里構(gòu)思的互聯(lián)網(wǎng)草圖Figure 15 Robert Larry-Larry idea of the Internet draft

文頓·瑟夫(Vinton G. Cerf)與羅伯特·卡恩(Robert Kahn)在1972年第一屆國(guó)際計(jì)算機(jī)通信大會(huì)(ICCC)上首次提出了互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想.1974年發(fā)表關(guān)于分組交換網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議的論文,提出采用傳送控制協(xié)議TCP和網(wǎng)絡(luò)間互連協(xié)議IP實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間的互連.1978年完成后被稱為TCP/IP協(xié)議,1983年訂為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things):中國(guó)早在1999年就提出了傳感網(wǎng).其定義是:通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念.物聯(lián)網(wǎng)概念國(guó)內(nèi)外普遍公認(rèn)的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時(shí)最早提出來的.在2005年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的同名報(bào)告中,物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化,覆蓋范圍有了較大的拓展,不再只是指基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng).物聯(lián)網(wǎng)與其說是一個(gè)外來概念,不如說它是一個(gè)“中國(guó)制造”的概念,已經(jīng)超越了1999年Ashton教授和2005年ITU報(bào)告所指的范圍,物聯(lián)網(wǎng)(圖16)已被貼上“中國(guó)式”標(biāo)簽.隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,機(jī)-機(jī)之間遠(yuǎn)比人-人之間傳送更多的信息,屆時(shí)傳感器將成為最多的終端.

圖16 物聯(lián)網(wǎng)Figure 16 Physical networking

蜂窩移動(dòng)通信+集成電路(IC)→智能手機(jī)→移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是未來最大的IT產(chǎn)業(yè).也許有一天在一定程度上智能手機(jī)會(huì)取代PC.

2 光電子技術(shù)的其它創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 光存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)及未來

藍(lán)光光盤(已經(jīng)上市)存儲(chǔ)25G;體全息存儲(chǔ)(在研)有可能達(dá)到Tb(圖17).

圖17 光存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)Figure 17 Developing trend of optical storage

光顯示的發(fā)展是:1)裸眼3D全彩色顯示;2)新型平板全彩色顯示，有機(jī)電致發(fā)光OLED(圖18),柔性薄膜電致發(fā)光TFEL(圖19,20);3)激光彩色大屏幕電視(LASER TV).

圖18 有機(jī)電致發(fā)光Figure 18 Organic light-emitting diode(OLED)

圖19 有機(jī)高分子薄膜電致發(fā)光Figure 19 Electro luminescence of organic polymer film

圖20 有機(jī)高分子薄膜顯示器Figure 20 Organic polymer film display

2.2 激光測(cè)量傳感技術(shù)

2.2.1 激光拉曼散射光譜分析

圖21 激光拉曼散射光譜分析Figure 21 Laser Raman scattering spectra analysis

拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)于純定性分析、高度定量分析(圖21)測(cè)定分子結(jié)構(gòu)都有很大價(jià)值.通過對(duì)拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)情況,從而可以鑒別物質(zhì),分析物質(zhì)的性質(zhì)及測(cè)量生活污染物.拉曼光譜與紅外吸收光譜同為研究物質(zhì)的分子振動(dòng)能級(jí)從而分析物質(zhì)的組成,但相對(duì)于紅外吸收光譜,拉曼光譜的譜線較為簡(jiǎn)單且具有獨(dú)特性,而且被測(cè)物不需進(jìn)行前處理,因此在判斷物質(zhì)組成成分時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì).激光拉曼光譜儀(圖22)特別適用于反應(yīng)過程監(jiān)控、產(chǎn)品識(shí)別、遙感及介質(zhì)中高散射粒子的判定.

圖22 激光拉曼光譜儀Figure 22 Laser Raman spectrometer

2.2.2 微型光譜儀

微型光纖光譜儀具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊(圖23)、無移動(dòng)部件、波長(zhǎng)范圍寬、測(cè)量速度快、價(jià)格低的特點(diǎn),為在工業(yè)在線監(jiān)控及便攜式檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間.

圖23 微型光纖光譜儀Figure 23 Micro optical fiber spectrometer

2.3 能量光子技術(shù)

2.3.1 激光醫(yī)療

激光和光纖(傳像光纖和傳能量光纖)可能幫助找尋到攻克危害人類的心臟病和癌癥等疾病的方法.目前在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用有:激光診斷、手術(shù)和治療,如激光層析造影;激光熒光診斷,如光動(dòng)力學(xué)治療(PDT)技術(shù);激光心臟打孔,激光光纖內(nèi)窺鏡手術(shù)等.

2.3.2 激光加工

激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類.激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程(圖24),包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光鐳射打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等;光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光束照射到物體,借助高密度激光高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程.包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕等.

2.3.3 激光三維打印

激光三維打印是制造業(yè)的重大創(chuàng)新.它使制造業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度下降,材料使用量減少,產(chǎn)生的廢料降低,并且可以使用重量輕、強(qiáng)度強(qiáng)的新材料.根據(jù)使用材料的不同,該技術(shù)制造的產(chǎn)品可以達(dá)到傳統(tǒng)工藝重量的65%,但保持強(qiáng)度不減.這將觸發(fā)新的產(chǎn)品策略和客戶關(guān)系——通過與客戶的合作來創(chuàng)建產(chǎn)品(也就是“共同創(chuàng)造”).激光三維打印可以根據(jù)零件的形狀,每次制作一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面,然后再把它們逐層粘結(jié)起來(圖25),就得到了所需制造的立體的零件(圖26).

圖25 激光三維打印的早期原理圖Figure 25 Laser three-dimensional printing principle

圖26 激光三維打印飛機(jī)節(jié)流閥Figure 26 Laser three-dimensional printing aircraft throttle valve

2.4 光纖傳感

光纖傳感器的高靈敏度、高精度檢測(cè)位移測(cè)量精度可以達(dá)到10-3nm.光纖陀螺比機(jī)械陀螺靈敏度高很多,目前其測(cè)量精度可達(dá)0.001°/h.光纖磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器的靈敏度可達(dá)8×10-7A/m,與量子干涉儀相近.有害氣體檢測(cè)靈敏度可達(dá)百萬分之1以下.

2.4.1 環(huán)境適應(yīng)性

光纖傳感器適用各種復(fù)雜的環(huán)境,尤其是在高電壓、強(qiáng)腐蝕性、易燃、易爆環(huán)境.例如,高電壓、大電流電力傳感器,其耐電壓及抗電磁干擾的技術(shù)指標(biāo)很高,很安全.

2.4.2 非接觸、非破壞、簡(jiǎn)便性

用激光多普勒效應(yīng)可對(duì)速度進(jìn)行非接觸測(cè)量.

2.4.3 光纖陀螺

它是利用光纖技術(shù)測(cè)量空間慣性轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的一種傳感器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)時(shí)間短、反應(yīng)快、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)、制造成本低、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn).其角速度的測(cè)量精度已從最初的15°/h提高到現(xiàn)在小于0.001°/h的量級(jí).光纖陀螺的基本原理見圖27.利用它的精細(xì)測(cè)量可以控制火箭(圖28).

圖27 光纖陀螺原理結(jié)構(gòu)Figure 27 Fiber optic gyroscope principle structure

圖28 光纖陀螺控制火箭Figure 28 Fog control rocket

2.4.4 靈巧結(jié)構(gòu)材料

光纖傳感(應(yīng)力、溫度等)和結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合,創(chuàng)造一種能感知并自動(dòng)控制自己的應(yīng)力、溫度等狀態(tài)的靈巧結(jié)構(gòu)材料,為橋梁、飛機(jī)(圖29)等結(jié)構(gòu)提供更安全的保證.

圖29 靈巧結(jié)構(gòu)Figure 29 Smart structure

2.5 太赫茲輻射及其應(yīng)用

太赫茲輻射是指頻率從0.1～10 THz,波長(zhǎng)介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域(圖30),光子能量比X光小百萬倍.THz輻射能穿過大多數(shù)非金屬物質(zhì),損耗小,一些敏感物質(zhì)的分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)光譜都落在THz范圍內(nèi).THz主要應(yīng)用于檢測(cè)、成像、醫(yī)療診斷、生物醫(yī)學(xué)及THz波通信等.主要研究方有THz源，THz輻射與物質(zhì)的相互作用研究.

圖30 太赫茲波在電磁波譜中所處位置Figure 30 Position of THz wave in electromagnetic spectrum

2.6 生物光子學(xué)(BIOPHOTONICS)與激光醫(yī)療

生物光子學(xué)在21世紀(jì)的發(fā)展前景和重要性上決不亞于信息光電子技術(shù).就是用光子技術(shù)來研究生命奧秘的科學(xué),它是光子學(xué)和生命科學(xué)交叉、滲透而產(chǎn)生的邊緣學(xué)科.它涉及利用光子學(xué)手段對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行研究與改造.探測(cè)來自生物系統(tǒng)的光子以及這些光子攜帶的有關(guān)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能信息并應(yīng)用于激光醫(yī)療與診斷等.

2.7 LED和固態(tài)照明

我國(guó)目前每年用于照明的電力接近2500億度,其中若能有1/3采用半導(dǎo)體照明,每年就可節(jié)電800億度左右.業(yè)界一致的看法是LED要真正進(jìn)入普通照明領(lǐng)域,需要降低成本.此外,平板顯示器背光源、汽車工業(yè)、景觀照明、特種照明燈等也將是LED固態(tài)照明的大市場(chǎng).

早期的LED只有紅光和綠光兩種,而只依靠這兩種LED是無法提供白光照明功能的.盡管在科學(xué)界和工業(yè)界都為此付出了巨大的努力,但在長(zhǎng)達(dá)30年的時(shí)間里,藍(lán)光LED都是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn).

2014年赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)因創(chuàng)造了新的獲得高質(zhì)量氮化鎵(GaN)的方法.同時(shí)也解決了制造藍(lán)光LED的關(guān)鍵技術(shù)而獲得2014年諾貝爾物理獎(jiǎng).藍(lán)光LED的發(fā)明為L(zhǎng)ED固態(tài)照明(圖31)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

3 結(jié) 語

通過對(duì)上述發(fā)明和創(chuàng)新以及由此所帶來的產(chǎn)業(yè)化事例的簡(jiǎn)單介紹可以看出,什么是光電科技工作者應(yīng)該選擇的研究方向呢？我覺得國(guó)家的需求是最重要的,是第一位的;還有就是世界科技發(fā)展的新趨勢(shì).進(jìn)行工科研究,一定要看到世界發(fā)展的新趨勢(shì),最后還是要落實(shí)到國(guó)家的需求上來.國(guó)家的需求包括兩個(gè)方面:一是國(guó)家要求科技工作者做什么,最重要的就是能夠?qū)?guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防起作用;二是要在世界科技最前沿占有一席之地.科研應(yīng)該對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起作用,另外還要看到市場(chǎng)的需求,來推動(dòng)科技成果產(chǎn)業(yè)化,以至于達(dá)到發(fā)展經(jīng)濟(jì)的最終目的.如果科研的選題沒有什么用途、市場(chǎng)沒有需求、對(duì)國(guó)家公益性事業(yè)(如國(guó)防)起不到作用,就談不上對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn).

圖31 固態(tài)熒光燈[1]Figure 31 Solid-state fluorescent lamp[1]

[1] SATO Y, TAKAHASHI N, SATO S. Properties of full-color fluorescent display devices excited by a UV light-emitting diode[J].Japanese Journal of Applied Physics,1998,37:129-131.

(王蘭州根據(jù)周炳琨院士報(bào)告整理)

Optoelectronic S&T innovations and the promotion of IT industry

ZHOU Bingkun

(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The development history and trends of the information industry were briefly reviewed based on optoelectronic S &T innovations. New device and technology are the driving forces of the development of the information industry. It was also discussed as to how to select scientific research subjects for scientific research workers.

innovation; optoelectronic technology; information industry

1004-1540(2015)03-0247-11

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.001

2015-05-06 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

周炳琨(1936- )，男，四川省成都人，教授，中國(guó)科學(xué)院院士，激光與電子科學(xué)與技術(shù)專家，主要研究方向?yàn)榧す馀c光電子學(xué).E-mail:Zbk-dee@tsinghua.edu.cn

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