光电子科技创新推动信息产业发展

周炳琨

(清华大学 电子工程系,北京 100084)

光电子科技创新推动信息产业发展

周炳琨

(清华大学 电子工程系,北京 100084)

依据光电技术的科技创新应用事例简要综述了信息产业发展的历史和趋势.基于创新思想的新器件、新技术是信息产业发展的动力,提出了如何正确选择光电科研课题.

原始创新;光电科技;信息产业

如今,激光与光电子技术已在各行各业中起着不能替代、无可或缺的巨大作用.其动力源泉就是创新,一个成功的创新应该包括发明和巨大市场机遇.

就信息技术而言,大致有:1)晶体管→集成电路+Microsoft Windows软件→个人计算机;2)激光和光纤→光纤通信+计算机→因特网+无线通信(智能手机)→无线网络;3)空天地一体化传感器网络→物联网.

总之,创新贯穿在基础研究→应用研究→产品开发→提高商品市场竞争力的全过程.

1 信息技术发展中的创新事件

人类从发明蒸汽机到上世纪30年代利用电能经历了220年,而从1946年第一台计算机的出现至今已经有超过10亿人在上网,这期间仅有50多年(图1).其中集成电路(IC)、计算机(PC)、激光、光通信(OFC)、互联网(Internet)、无线通信、无线互联网是该时期信息技术最具代表性的创新.

图1 信息技术发展中的创新Figure 1 Innovation in the development of information technology

1.1 计算机的发明

1.1.1 集成电路→计算机

1946年在美国研制成的第一台真空电子管的数字计算机(图2).ENIAC为Electrical Numerical Integrator and Computer的缩写.

图2 1946年研制成第一台使用真空电子管的数字计算机Figure 2 The first digital computer with the vacuum tube developed in ENIAC

1947年威廉·肖克利(William Shockely)圣诞节前,他和沃尔特·布兰坦(Walter Brattain)和约翰·巴丁(John Bardeen)发现“点接触晶体管放大器”(Point-Contact Transistor Amplifier).1950年晶体管研制成功(图3).1955年高纯硅的工业提炼技术已成熟,用硅晶片生产的晶体管收音机问世.

图3 20世纪50年代电子技术的进展Figure 3 Progress of electronic technology in the 1950s

晶体管的发明让计算元件从极其笨重的真空电子管解放出来.而集成电路能允许多个晶体管放在一个很小的小片块上(图4(a)).上述两项发明使机器可以变得又小又能降低制造成本和方便维护.

图4 世界第一个集成电路和Intel公司推出第一个微处理器Figure 4 The first integrated circuit in the world and the first processing unit of Intel

第一台数字计算机使用了18 000只真空电子管,占地167平方米,而采用CMOS集成电路,其尺寸仅为7.44 mm×5.29 mm,却含有174 569只晶体管.集成电路的发明使计算机成为微电脑.

1971年11月15日Intel推出第一个微处理器(图4(b))4004(第一个4表示它可以一次处理4位数据,第二个4代表它是这类芯片的第4种型号.这种数字代号沿用至今,就是20世纪80—90年代所谓的“386”、“486”等计算机俗称的最早源头).它的处理速度为108 kHz，晶体管个数为2300，栅长为10 Micron.在英特尔公司带动下,1975年,摩托罗拉公司也宣布推出8位微处理器6800.1976年,霍夫研制小组的费根,在硅谷组建了Zilog公司,同时宣布研制成功8位微处理器Z-80.从此,可以放在指尖上的芯片电脑全方位地改变了世界.

1.1.2 个人计算机的出现

1981年8月,IBM在纽约宣布了IBM PC个人电脑出世,由此个人电脑以前所未有的广度和速度向大众普及.IBM PC主机板上配置64 kB存储器,另有5个插槽供增加内存或连接其他外部设备.它还装备着显示器、键盘和两个软磁盘驱动器.把过去一个大型电脑机房的全套装置统统搬到个人的书桌上.为了推广这种电脑,IBM还巧妙借助卓别林式小流浪汉形象,挥舞个人电脑,表示人人都能够使用.

1977年7月,沃兹奈克精心设计出另一新型微电脑,安装在淡灰色的塑料机箱内,主电路板用了62块集成电路芯片,1978年初又增加了磁盘驱动器.这种电脑达到当时微型电脑技术的最高水准,乔布斯命名它为“苹果Ⅱ”(AppleⅡ).

1.2 激光(LASER)→光纤通信(OFC)→互联网(INTERNET)

1917年,爱因斯坦提出原子中电子的受激辐射新概念.即处于高能级的原子,受外来光子的作用,当外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致时,它就会从高能级跳到低能级,并发出与外来光子完全相同的另一光子.新发出的光子不仅频率与外来光子一样,而且发射方向、偏振态、位相也都一样.于是,一个光子变成了两个光子.如果条件合适,光就可以像雪崩一样得到放大.特别值得注意的是,这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”.

1951年,汤斯(Townes,美国),巴索夫,普洛霍洛夫(Бacoв, Пpoxopoв前苏联)提出利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念(建成了世界第一台NH3分子微波量子振荡器).

1958年提出激光器概念:美国Bloembergen提出利用光泵浦三能级原子系统实现光放大;Schawlow肖洛,ПpoxopoB分别独立提出Fabry-Perot开放式光谐振腔新思想.

1960年7月梅曼抓住了机遇,勇于实践,发明红宝石固态激光器.

普通光波是大量原子或分子自发发射形成的,而激光就是大量原子(或分子)受激发射形成可以控制的振荡光波.主要的特点为:

1)方向性好,10-4弧度发散角激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多,它几乎是一束平行线.如果把激光发射到月球上去,历经38.4万公里的路程后,也只有一个直径为2 km左右的光斑;

2)单色性好,10-11波长激光束几乎就是一条直线.氦氖激光的谱线宽度,只有8～10 nm,颜色非常纯;

3)功率(或能量)大,由于激光的发射能力强和能量的高度集中,所以亮度很高,它比普通光源高亿万倍,比太阳表面的亮度高几百亿倍.亮度是衡量一个光源质量的重要指标,若将中等强度的激光束经过会聚,可在焦点产生出几千到几万度的高温;

4)光波干涉性好,可产生极短脉冲:飞秒→阿秒.

激光这些独有的特性推动了产业应用的飞速发展,可以归纳为:

1)信息应用——信息光电子(通信,存储等);激光测距雷达制导;激光测量、计量与检测;激光分离同位素;激光物理(非线性光学,超快光子技术等);军用激光与激光武器.

2)能量应用——激光加工与制造;激光医疗与生物技术;激光化学;激光核聚变.

人们正在创造性地利用激光独有的特性寻找激光不可替代的应用.

激光(LASER)→光纤通信(OFC)→INTERNET

促成信息光电子技术产业化的两个创新，即：光导纤维;双异质结→量子阱半导体激光器.

1966年,高锟(Chals Gao)预言了用基于光学全反射原理的光导纤维来传输光的可能性,他的这一首创新思维获得2009年诺贝尔物理学奖.光纤结构见图5.光纤的损耗与色散见图6.

材料:高纯石英.几何尺寸:单模光纤芯径-5 μm,外径-125 μm;多模光纤芯径-100 μm,外径-200 μm图5 光纤结构图Figure 5 Fiber structure diagram

图6 光纤的损耗与色散Figure 6 Loss and dispersion of optical fiber

第二个原始创新,双异质结半导体→量子阱半导体激光器(Laser Diode).阿尔菲洛夫(ZHORES I. Alferov)和克罗默尔(Herbert Kroemer)等提出了双异质结半导体激光器(图7)新构思,因此而获得2000年诺贝尔物理学奖.

图7 半导体量子阱激光器Figure 7 Semiconductor quantum well laser

1997年,朱棣文(Steven Chu),塔罗季(Claude Cohen-Tannoudji)和菲利普(William D. Phillips)由于利用激光冷却和钳制原子的研究成果而共同获诺贝尔物理学奖.

格劳伯(Roy J Glauber)因在光相干的量子理论方面的贡献,霍尔和汉斯因在发展激光精密光谱学,包括光频梳(optical frequency comb)技术方面的贡献,而分别获2005年诺贝尔物理学奖.

2014年赤崎勇(Isamu Akasaki),天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)的蓝光LED→半导体固态照明的发现获2014年诺贝尔物理学奖.综上所述,因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有16位.

1.2.1 光纤通信原理

光纤通信系统的发送端将电信号转换成光信号,并入射到光纤通道,此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输,并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理(图8).

图8 光纤通信原理示意图Figure 8 Schematic diagram of optical fiber communication

1.2.2 光纤通信带宽发掘史

图9 光纤通信带宽发掘史Figure 9 Bandwidth discovery history of optical fiber communication

在数字设备中，带宽指单位时间能通过链路的数据量.通常以每秒可传输的位数.其发展见图9.1.2.3 波分复用(WDM)光纤通信

波分复用就是利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波(图10)的特点,把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段(图11),每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号.

图10 多数据通道光纤传输Figure 10 Optical fiber transmission in multi-data channel

图11 光纤传输损耗谱和工作波长Figure 11 Optical fiber transmission loss spectrum and operating wavelengths

WDM的实用化等待中继器件的突破.光纤放大器使波分复用光通信(图12)商用化成为现实,引发了超大容量光通信和网络的革命.

图12 16波长的波分复用Figure 12 16-wavelength WDM

在20世纪70年代国外的低损耗光纤获得突破以后,我国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作,并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器.1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统,这比世界上第一次现场试验只晚两年多.这些成果成为我国光通信研究的良好开端,并使我国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一.到20世纪80年代末,我国的光纤通信(图13)的关键技术已达到国际先进水平.

图13 全国一级光缆干线示意图Figure 13 Map of the main cable of china

1.2.4 中美海底光缆系统

中美海底光缆系统(图14)它是连接亚洲和北美洲的中美海底光缆系统,是之前重要的国际光缆之一,全长约30 000 km,共有9个登陆站,中国的登陆站分别为上海崇明和广东汕头.其他登陆方还有日本、韩国、美国和中国台湾.该系统的传输速率为2.5 Gb/s ×8个波长,共由四对光纤组成,采用具有自愈功能的环型网络结构.该系统于2000年1月开通部分段落.

图14 中美海底光缆系统Figure 14 Sino US submarine cable system

1.2.5 氧气工程

为了满足因特网声音、图象服务和未来信息高速公路的需要,一个名叫“氧气工程”的越洋跨洲连接175个国家的全世界海底光纤通信线路,同时传送240万路电话,2003年已完成.这项20世纪通信领域最宏伟的工程,从美国东部出发,横跨大西洋,穿越地中海,经红海和印度洋,通过马六甲海峡进入太平洋,最后又横跨太平洋与北美相连,全长近32万km,相当于环抱地球赤道转了8圈.

2008年,中美第二条直达海底光缆在北京奥运会开幕前完工,投资5亿美元,1.8万km,同时传送6 200万路电话(5.8 T=5 800 Gbit/s).“氧气工程”是20世纪通信领域最宏伟的工程,是全球互联网的基础.

1.2.6 计算机互联的初期发展

20世纪60年代末,计算机已逐渐显示巨大的潜力.当时正处在冷战时期,为保证某一台计算机被摧毁后可以得到其它计算机的支持,1969年初美国国防部尝试把洛杉矶加州大学(UCLA)、斯坦福大学、犹他大学和圣巴巴拉加州大学的四台互不兼容的计算机实现互连，1969年9月2日,实现了把UCLA的一台计算机与斯坦福研究院的4个节点(node)之间实现相连,开始了ARPANET的建设.

1.2.7 互联网Internet,TCP/IP的发明

Larry Robert·拉里构思了最初的互联网草图(图15).

图15 Larry Robert·拉里构思的互联网草图Figure 15 Robert Larry-Larry idea of the Internet draft

文顿·瑟夫(Vinton G. Cerf)与罗伯特·卡恩(Robert Kahn)在1972年第一届国际计算机通信大会(ICCC)上首次提出了互联网的设想.1974年发表关于分组交换网络互连协议的论文,提出采用传送控制协议TCP和网络间互连协议IP实现计算机间的互连.1978年完成后被称为TCP/IP协议,1983年订为工业标准.

物联网(Internet of Things):中国早在1999年就提出了传感网.其定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念.物联网概念国内外普遍公认的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的.在2005年国际电信联盟(ITU)发布的同名报告中,物联网的定义和范围已经发生了变化,覆盖范围有了较大的拓展,不再只是指基于RFID技术的物联网.物联网与其说是一个外来概念,不如说它是一个“中国制造”的概念,已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围,物联网(图16)已被贴上“中国式”标签.随着物联网的发展,机-机之间远比人-人之间传送更多的信息,届时传感器将成为最多的终端.

图16 物联网Figure 16 Physical networking

蜂窝移动通信+集成电路(IC)→智能手机→移动互联网络将会是未来最大的IT产业.也许有一天在一定程度上智能手机会取代PC.

2 光电子技术的其它创新应用

2.1 光存储的发展趋势及未来

蓝光光盘(已经上市)存储25G;体全息存储(在研)有可能达到Tb(图17).

图17 光存储的发展趋势Figure 17 Developing trend of optical storage

光显示的发展是:1)裸眼3D全彩色显示;2)新型平板全彩色显示，有机电致发光OLED(图18),柔性薄膜电致发光TFEL(图19,20);3)激光彩色大屏幕电视(LASER TV).

图18 有机电致发光Figure 18 Organic light-emitting diode(OLED)

图19 有机高分子薄膜电致发光Figure 19 Electro luminescence of organic polymer film

图20 有机高分子薄膜显示器Figure 20 Organic polymer film display

2.2 激光测量传感技术

2.2.1 激光拉曼散射光谱分析

图21 激光拉曼散射光谱分析Figure 21 Laser Raman scattering spectra analysis

拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域,对于纯定性分析、高度定量分析(图21)测定分子结构都有很大价值.通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况,从而可以鉴别物质,分析物质的性质及测量生活污染物.拉曼光谱与红外吸收光谱同为研究物质的分子振动能级从而分析物质的组成,但相对于红外吸收光谱,拉曼光谱的谱线较为简单且具有独特性,而且被测物不需进行前处理,因此在判断物质组成成分时有明显的优势.激光拉曼光谱仪(图22)特别适用于反应过程监控、产品识别、遥感及介质中高散射粒子的判定.

图22 激光拉曼光谱仪Figure 22 Laser Raman spectrometer

2.2.2 微型光谱仪

微型光纤光谱仪具有内部结构紧凑(图23)、无移动部件、波长范围宽、测量速度快、价格低的特点,为在工业在线监控及便携式检测系统开发等领域提供了广阔的应用发展空间.

图23 微型光纤光谱仪Figure 23 Micro optical fiber spectrometer

2.3 能量光子技术

2.3.1 激光医疗

激光和光纤(传像光纤和传能量光纤)可能帮助找寻到攻克危害人类的心脏病和癌症等疾病的方法.目前在医学上的应用有:激光诊断、手术和治疗,如激光层析造影;激光荧光诊断,如光动力学治疗(PDT)技术;激光心脏打孔,激光光纤内窥镜手术等.

2.3.2 激光加工

激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类.激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程(图24),包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等;光化学反应加工是指激光束照射到物体,借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程.包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等.

2.3.3 激光三维打印

激光三维打印是制造业的重大创新.它使制造业的劳动强度下降,材料使用量减少,产生的废料降低,并且可以使用重量轻、强度强的新材料.根据使用材料的不同,该技术制造的产品可以达到传统工艺重量的65%,但保持强度不减.这将触发新的产品策略和客户关系——通过与客户的合作来创建产品(也就是“共同创造”).激光三维打印可以根据零件的形状,每次制作一个具有一定微小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来(图25),就得到了所需制造的立体的零件(图26).

图25 激光三维打印的早期原理图Figure 25 Laser three-dimensional printing principle

图26 激光三维打印飞机节流阀Figure 26 Laser three-dimensional printing aircraft throttle valve

2.4 光纤传感

光纤传感器的高灵敏度、高精度检测位移测量精度可以达到10-3nm.光纤陀螺比机械陀螺灵敏度高很多,目前其测量精度可达0.001°/h.光纤磁场强度传感器的灵敏度可达8×10-7A/m,与量子干涉仪相近.有害气体检测灵敏度可达百万分之1以下.

2.4.1 环境适应性

光纤传感器适用各种复杂的环境,尤其是在高电压、强腐蚀性、易燃、易爆环境.例如,高电压、大电流电力传感器,其耐电压及抗电磁干扰的技术指标很高,很安全.

2.4.2 非接触、非破坏、简便性

用激光多普勒效应可对速度进行非接触测量.

2.4.3 光纤陀螺

它是利用光纤技术测量空间惯性转动角速度的一种传感器,具有结构简单、动态范围宽、启动时间短、反应快、抗振动冲击能力强、制造成本低、体积小、重量轻、功耗低等特点.其角速度的测量精度已从最初的15°/h提高到现在小于0.001°/h的量级.光纤陀螺的基本原理见图27.利用它的精细测量可以控制火箭(图28).

图27 光纤陀螺原理结构Figure 27 Fiber optic gyroscope principle structure

图28 光纤陀螺控制火箭Figure 28 Fog control rocket

2.4.4 灵巧结构材料

光纤传感(应力、温度等)和结构材料的结合,创造一种能感知并自动控制自己的应力、温度等状态的灵巧结构材料,为桥梁、飞机(图29)等结构提供更安全的保证.

图29 灵巧结构Figure 29 Smart structure

2.5 太赫兹辐射及其应用

太赫兹辐射是指频率从0.1～10 THz,波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域(图30),光子能量比X光小百万倍.THz辐射能穿过大多数非金属物质,损耗小,一些敏感物质的分子振动、转动光谱都落在THz范围内.THz主要应用于检测、成像、医疗诊断、生物医学及THz波通信等.主要研究方有THz源，THz辐射与物质的相互作用研究.

图30 太赫兹波在电磁波谱中所处位置Figure 30 Position of THz wave in electromagnetic spectrum

2.6 生物光子学(BIOPHOTONICS)与激光医疗

生物光子学在21世纪的发展前景和重要性上决不亚于信息光电子技术.就是用光子技术来研究生命奥秘的科学,它是光子学和生命科学交叉、渗透而产生的边缘学科.它涉及利用光子学手段对生物系统进行研究与改造.探测来自生物系统的光子以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息并应用于激光医疗与诊断等.

2.7 LED和固态照明

我国目前每年用于照明的电力接近2500亿度,其中若能有1/3采用半导体照明,每年就可节电800亿度左右.业界一致的看法是LED要真正进入普通照明领域,需要降低成本.此外,平板显示器背光源、汽车工业、景观照明、特种照明灯等也将是LED固态照明的大市场.

早期的LED只有红光和绿光两种,而只依靠这两种LED是无法提供白光照明功能的.尽管在科学界和工业界都为此付出了巨大的努力,但在长达30年的时间里,蓝光LED都是一项艰巨的挑战.

2014年赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)因创造了新的获得高质量氮化镓(GaN)的方法.同时也解决了制造蓝光LED的关键技术而获得2014年诺贝尔物理奖.蓝光LED的发明为LED固态照明(图31)奠定了坚实的基础.

3 结 语

通过对上述发明和创新以及由此所带来的产业化事例的简单介绍可以看出,什么是光电科技工作者应该选择的研究方向呢？我觉得国家的需求是最重要的,是第一位的;还有就是世界科技发展的新趋势.进行工科研究,一定要看到世界发展的新趋势,最后还是要落实到国家的需求上来.国家的需求包括两个方面:一是国家要求科技工作者做什么,最重要的就是能够对国家的经济发展、国防起作用;二是要在世界科技最前沿占有一席之地.科研应该对国家的经济发展起作用,另外还要看到市场的需求,来推动科技成果产业化,以至于达到发展经济的最终目的.如果科研的选题没有什么用途、市场没有需求、对国家公益性事业(如国防)起不到作用,就谈不上对国家经济发展做贡献.

图31 固态荧光灯[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.

(王兰州根据周炳琨院士报告整理)

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 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

周炳琨(1936- )，男，四川省成都人，教授，中国科学院院士，激光与电子科学与技术专家，主要研究方向为激光与光电子学.E-mail:Zbk-dee@tsinghua.edu.cn

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