半导体光学器件在电子信息领域的实际应用浅析

狄建锴

半导体光学器件在电子信息领域的实际应用浅析

狄建锴

（海信移动通信技术股份有限公司海信多媒体研发中心，青岛 266072）

随着电子信息技术的快速发展，目前，半导体光学器件在生产和生活领域应用范围不断拓宽，利用半导体光学技术的新型设备不断涌现，本文主要探讨半导体激光光源和激光接收器。

光学器件；激光器件；光源；接收器；光塔；红外；激光电视；光脑

1 引言

众所周知，自然光谱领域，在可见光光谱之外，红光之外的长波波段属于红外线激光，又分为近红外和远红外，在可见光光谱的紫光之外的超短波波段属于紫外线激光。

2 红外线激光的应用

红外线激光目前主要应用在红外定位、距离测量等领域。落实到消费类电子产品中，主要体现在距离红外传感器。用在手机上面时，主要用于判断手机屏幕是否被遮挡，如接听过程中的应用场景，或者手机放在背包里，避免来电误操作等功能。

红外定位的典型应用有大空间测距、步枪瞄准、手机摄像头快速对焦，等等。HTC的VR产品HTC VIVE配套的两个光塔，就是利用了红外定位技术。具体原理如下：

光塔放置于房间的对角线两个端点处。每个光塔包含两个红外激光管，一般是使用波长820纳米红外线激光光源，配合马达电机进行纵向光扫描和横向光扫描；VR头盔上分布了几十个红外感光单元，每个感光单元都代表了该头盔的具体3D点云模型中的一个确切的坐标；当每个光塔对目标VR头盔进行扫描时，会在光塔的后台形成一个二维坐标系，坐标系中会包含VR头盔各个感光光源的投影坐标信息；我们对其二维坐标向3D坐标进行高次还原，从而在后台拟合出此时空间中3D点云的拟合模型；利用原生的头盔3D点云原模型来校准在后台新拟合出的拟合模型，从而告知后台，目标VR头盔移动的具体方位；两个光塔都会进行上述扫描和拟合过程，两个拟合新模型都会由原头盔3D点云模型进行校准，从而更加精确的知道目标VR头盔的真实位置；上述目标头盔的真实位置将包括：头盔的位置、头盔的角度、头盔的高度、以及头盔的姿态细节等有用信息；将上述有用信息输入并整合进VR内容场景中，佩戴者就会减少眩晕和不适，从而提升VR产品的动态体验性能。

步枪瞄准和手机摄像头快速对焦，都是利用了红外激光的聚光特性和光速快速测距特性，从而准确地感知目标方位，调整对准精度，实现瞄准和摄像头快速对焦。

3 激光电视

我们知道，电视机屏幕的尺寸受到屏幕材料的最小或最大尺寸制作能力的限制，现在的电视机屏幕，液晶屏已经能够达到86吋或88吋了，并且分辨率可以达到8K的水平，就是目前流行的量子屏水准。所谓量子屏就是其分辨率已经超出了物理分辨率的像素点的范畴，量子屏的所谓量子像素可以是物理像素的1/8、1/16、1/32、1/64、1/128，等等，甚至更小，就是说正常的测量方法已经评估不到量子像素，只能通过理论推算获取该量子像素和分辨率，这样的电视，给观者带来的就是各层次的清晰，无论放大多少倍都仍然是清晰的图像。

然而，液晶电视受制于材料的制作工艺等因素，做到超过88吋以后，造价非常高，目前的价格是60多万元，对于一款电视来说，这种价位很难被消费者接受，在这种情况下，生产高分辨率大尺寸的电视机的发展方向催生出了激光电视这种产品形态。

新型激光电视利用固态半导体发光光源，对金属幕布发射RGB三基色，利用传统电视的行扫描和列扫描来实现画面的显示，目前分为背投式和正面投影式。此类电视的色域覆盖率达人眼光感色域的90%，所呈现的画面更真实，色彩更鲜艳，由于使用了上述量子像素技术，使得分辨率更高，支持8K级以上级别的分辨率，让观者感觉更舒服，并且没有传统液晶电视对人眼的不健康辐射，尤其是背投方式，对保护视力更有利。

4 光脑与光脑互联

4.1 光脑

光脑是最近非常热门的一种概念，但是光脑本身并不是新事物，早在二十世纪七十年代，光脑概念就已经被科学家提出，但是，以当时的科技水平，很难在高于绝对0度10度以上的条件下实现当时设想的光脑形态，并且当时的方向是实现光子量子化，并且使量子化的光子静态化，从而实现类似电脑中的0/1状态改变，进而实现运算或者通信。沿着这条道路，光脑无论在理论层面还是试验层面，都一直没有新突破，尽管人们已经实现了零下100℃左右的超导和光子量子化，但是，对于应用领域，这种条件或环境，仍然存在推广的困境。

直到半导体激光光源和激光光敏半导体发展到现在，并且发光和感光颗粒达到纳米和次纳米级别之后，我们才有办法实现光的状态改变。量子态的光源具有了类似现代电脑需要的0/1状态，并同时提供了第三种状态，而且，对于目前意义上的半导体光脑来说，0/1/状态三，都是必要的，这种新的计算机理论和新的通信编码理论将会为光脑带来更广阔的发展空间。

4.2 光脑互联

目前光脑互联有以下两种方式：一种是光直接运算；另外一种是光传导、传输、电子半导体运算。

所谓光直接运算是利用了上述新理论，将光的0/1/状态三，这三种状态运用到光脑运算设计和光脑互联通信中来，从而实现对光的直接利用，目前此种方式已经在实验室进行了10多年的研究，各实验室目前都声称在此领域有很多突破，该领域相关论文也有很多。

所谓光传导、传输，电子半导体运算，是指在大于1mm的传导领域里，使用硅、锗、砷的化合物等半导体的固态光学半导体为基底，如硅化镓、锗化镓、砷化镓、磷化铟，等等，制作成固态半导体发光光源或激光光敏材料，来发射和接收光信息，类似目前电子半导体领域中的PCB走线或集成电路中的金线这种导线的用途，其中砷化镓、磷化铟在现在新型半导体激光光源领域中已经可以实现纳米级别的光栅光源，并且在航空航天、激光制导领域已经开始大量采用。而在小于1mm的领域，仍然使用现有电子半导体技术，这样一来，光传导和传输只起到载体或载波的作用，而运算仍然交给现有技术，提高了传输路径的速率，为高速运算提供便捷高效的数据传递。此类光脑互联方式应该说前景很可观，技术转化和普及会更快，批量应用前景广阔。

5 结束语

综上所述，半导体光学器件，尤其是半导体激光器件，在电子信息领域越来越体现更加重要的作用，半导体激光技术的发展必将带来一场新的技术革新，甚至带来新的技术革命。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.011

TN214，TN365，TU714文献标示码：A

1672-7274（2017）07-0031-02