1.2　光電子技術(shù)與多學(xué)科技術(shù)的結(jié)合

光電子技術(shù)不僅只是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，而且是多學(xué)科互相融合、互相滲透、互相支持的結(jié)果。同時，光電子技術(shù)在各個科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，又產(chǎn)生了一系列的交叉學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，如信息光電子技術(shù)，通信光電子技術(shù)、生物科學(xué)和醫(yī)用光電子技術(shù)、軍用光電子技術(shù)等。隨著這些技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展以及其他科技領(lǐng)域的滲透，形成了許多市場可觀、發(fā)展?jié)摿薮蟮墓怆娮赢a(chǎn)業(yè)，包括光纖通信產(chǎn)業(yè)、光顯示產(chǎn)業(yè)、光存儲-光盤產(chǎn)業(yè)、光電子材料產(chǎn)業(yè)、光電子檢測產(chǎn)業(yè)、軍用光電子產(chǎn)業(yè)以及光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)。下面著重描述光電子技術(shù)與多學(xué)科技術(shù)的結(jié)合（圖1-4），即光電子技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合、光電子技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合、光電子技術(shù)與生物科學(xué)和醫(yī)用技術(shù)的結(jié)合、光電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，以及光電子技術(shù)與軍事技術(shù)和武器裝備技術(shù)的結(jié)合。

1.2.1　光電子技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合

目前，光電子學(xué)已經(jīng)成為信息科學(xué)的重要發(fā)展方向之一。光電子技術(shù)不僅是新一代信息載體主流技術(shù)，而且它涵蓋了信息的獲取、通信、處理、存儲、交換、讀出與顯示的完整過程，融入到信息流的各個環(huán)節(jié)中，滲透到信息領(lǐng)域的每個角落。

（1）光信息獲取技術(shù)

光信息獲取的方式多種多樣，不勝枚舉。表1-3粗略地列舉了光信息的獲取技術(shù)的方式和應(yīng)用領(lǐng)域。其中，一些設(shè)備里的光纖傳感器，就是打破傳統(tǒng)的利用聲光、電光、磁光等效應(yīng)制作傳感器的方法，而是將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行檢測的光學(xué)傳感器。

（2）光信息傳輸技術(shù)

由于光子的速度比電子的速度快得多，光的頻率比無線電（如微波）的頻率高得多，所以，為提高傳輸速度和載波密度，信息的傳輸技術(shù)必然由電子發(fā)展到光子。光信息傳輸技術(shù)是在信息光學(xué)中最有廣泛應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域，表1-4列出了光信息傳輸技術(shù)的種類和方式。光信息傳輸技術(shù)的內(nèi)容主要包括光交換網(wǎng)絡(luò)和電子計(jì)算機(jī)的光互連，而且在光交換網(wǎng)絡(luò)的光互連中，常研究在集成光學(xué)中的光波導(dǎo)交換開關(guān)、自由空間光學(xué)中的多級交換網(wǎng)絡(luò)；在電子計(jì)算機(jī)的光互連中，常研究芯片間的自由空間和波導(dǎo)光互連，插件板之間的自由空間和波導(dǎo)光互連，多處理器之間的自由空間或光纖互連及并行計(jì)算機(jī)的光學(xué)總成等，因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)處理芯片之間的光互連可以大大提高計(jì)算機(jī)的速度。

利用光波來傳輸和處理信息有許多優(yōu)點(diǎn)：①光波的頻率高（3×10¹¹～3×10¹⁷Hz），因此，可使用的頻帶寬，可攜帶的信息量大；②光的傳播速度快，可以大大提高信息處理的速度；③光可以同時并行處理信息，特別是圖像信息，比串行處理速度提高了50倍；④光波波長很短，可以聚焦成很小的光斑，因而存儲的信息密度就可以很大；⑤光子是電中性的，相互之間沒有作用，也不受外界電磁場的干擾，因此用光傳輸、處理信息抗干擾性強(qiáng)，保密性好；⑥光的幅度、相位、偏振都可以調(diào)制，這給信息的獲取、調(diào)制、檢測提供了很多方便。

（3）光信息的存儲技術(shù)

光存儲最早的形式為縮微照相，它經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，成為文檔資料長期存儲的主要方式。激光出現(xiàn)后，激光全息技術(shù)引人注目，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)三維圖像存儲，具有更大的存儲容量，但是激光不能進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)存取，光盤存儲技術(shù)解決了這個問題。光盤作為存儲介質(zhì)和光子技術(shù)的使用，可大幅度提高存儲容量。光存儲器的存儲密度的進(jìn)一步提高，記錄介質(zhì)和寫入光源是關(guān)鍵。光源的波長越短，會聚光斑的尺寸將越小，存儲密度也就隨之提高。應(yīng)用800nm波長的激光來記錄和讀出波長，5in（1in=25.4mm）直徑光盤的信息存儲容量為650MB。利用目前已開發(fā)的新的刻錄技術(shù)和紅光半導(dǎo)體激光器（650nm和630nm）縮小記錄點(diǎn)及其間距，可把現(xiàn)有光盤的記錄密度提高5～10倍。目前DVD單面單層5in光盤的存儲容量可達(dá)4.7GB，雙層和雙面雙層光盤可分別達(dá)9GB和18GB。

光信息存儲的形式有：膠片信息存儲；磁帶存儲；光盤存儲技術(shù)（如音頻、視頻）；光學(xué)全息存儲技術(shù)。

光盤存儲和讀出信息具有以下優(yōu)點(diǎn)：①表面存儲密度很高；②在存儲和讀出信息過程中，載體和讀出頭之間沒有機(jī)械接觸，所以保真性好，沒有磨損，壽命長、可靠性好、誤碼率低；③接入信號時間短；④可以多次平行處理信息，速度達(dá)幾百兆比特/秒。

（4）光信息處理技術(shù)

全光計(jì)算機(jī)是光信息處理技術(shù)的重要應(yīng)用。光學(xué)信息處理技術(shù)主要包括：光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)（相干，非相干）；光計(jì)算與光互聯(lián)；模式識別；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

若利用光的并行處理、互連能力，則有窄脈沖（10^-15s）、速度快、有載頻能力大等優(yōu)點(diǎn)，可克服電子計(jì)算機(jī)的瓶頸效應(yīng)和時鐘效應(yīng)，有望獲得10¹⁴次/s計(jì)算速度的光子計(jì)算機(jī)和100GB的傳輸能力。串行電子計(jì)算機(jī)的極限計(jì)算速度是10¹⁰次/s，而目前串行光子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度已達(dá)到10¹⁰次/s。光處理器將能同時執(zhí)行100萬個平行任務(wù)，因此它能夠同時處理而不用逐個處理復(fù)雜問題。在某些操作上，這種大量的平行的光處理器的能力估計(jì)是目前最大的電子計(jì)算機(jī)能力的1000倍。

（5）光電顯示技術(shù)

商用廣告的光學(xué)顯示牌和電視機(jī)是人們早已熟知的光信息顯示裝置。這種用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將各種形式的信息（如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像和活動圖像）作用于人的視覺而使人感知的手段為光電顯示技術(shù)。而對光電子技術(shù)有著重要影響的光顯元件則是液晶顯示器、電荷耦合器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管。據(jù)報(bào)道，新近研制成功的納米硅顯像管，是最先進(jìn)、最優(yōu)異的光顯示器件。

光電顯示技術(shù)包括：CRT與彩色電視技術(shù)；液晶顯示與微型電視；液晶大屏幕彩色投影電視；高清晰度電視；激光掃描電視；激光彩色復(fù)印機(jī)及印刷機(jī)；電影技術(shù)。

最常用的靜止信息的顯示手段有打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和掃描機(jī)等，已成為大家熟知的光電輸出和輸入設(shè)備。為提高分辨率以及輸入和輸出的速度，需要發(fā)展高靈敏和穩(wěn)定的感光材料和傳感元件。

1.2.2　光電子技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合

光電子技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合是光電子技術(shù)的一個主要方面——光通信技術(shù)。光通信技術(shù)是當(dāng)今光電子技術(shù)最具代表性的成就，人們曾樂觀地估計(jì)，隨著波分復(fù)用、碼壓縮等技術(shù)的應(yīng)用，一根光纜所荷載的容量就足以滿足全球的話音通信。在未來的信息化社會中，人們?nèi)绾喂ぷ骱蜕睿F(xiàn)在還難以想象得到，但可以預(yù)料諸如可視電話會議、全自動化無人操作工廠、全球信息聯(lián)網(wǎng)必將到來。

從光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展中可以明顯地看到材料、器件和單元技術(shù)的關(guān)鍵作用。20世紀(jì)70年代由于解決了低損耗石英玻璃光纖（損耗小于20dB/km）和長壽命、高穩(wěn)定砷化鎵半導(dǎo)體激光器（壽命大于1萬小時），使光纖通信系統(tǒng)得到實(shí)用化。

光波分復(fù)用技術(shù)是指將多個不同波長的信息光載波復(fù)接到同一光纖中進(jìn)行傳輸，從而提高光纖傳輸容量的技術(shù)。光復(fù)用技術(shù)主要包括光波分復(fù)用技術(shù)（OWDM）、光時分復(fù)用技術(shù)（OTDM）、光碼分復(fù)用技術(shù)（OCDMA）、光頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、光空分復(fù)用技術(shù)（OSDM）等，其中光波分復(fù)用技術(shù)、碼分復(fù)用技術(shù)以及它們的混合應(yīng)用技術(shù)發(fā)展速度很快。20世紀(jì)90年代采用了光纖放大器技術(shù)（EDFA，摻鉺玻璃光纖放大器）和波分復(fù)用技術(shù)（WDM），建立了高信息量長距離光纖通信系統(tǒng)。目前，發(fā)展了高密度波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）和信息打包（IP）分送和交換技術(shù)，使通信速度輕而易舉地突破了太位每秒的速率。

為提高響應(yīng)速度和靈敏度，發(fā)展探測器（如PIN/FET，TEMT，HBT等）始終是重要的任務(wù)。首先要將半導(dǎo)體激光器、探測器和電源、電路實(shí)現(xiàn)光電集成化，做成芯片和模塊。高密度波分復(fù)用技術(shù)需要寬波段（C、L、S波段，1.3～1.6mm）的光纖放大器，因此制備摻不同稀土元素（Er、Tm、Pr等）的石英玻璃和復(fù)合氧化玻璃單模光纖就十分重要。半導(dǎo)體光放大器（SOA）將應(yīng)用到探測器的前端和激光器的后端放大。無源器件主要包括分波/合波器（OADM），可調(diào)諧光濾波器、光隔離器、光調(diào)制器以及色散補(bǔ)償器等。光纖光柵（OGF）和列陣波導(dǎo)光柵（AWG）是最近新發(fā)展的主要無源器件。

光通信分無線光通信和光纖通信。無線光通信技術(shù)應(yīng)用于空-空、地-空、地-地光通信以及星際光通信網(wǎng)，主要為軍用和專業(yè)用。光纖通信技術(shù)在長距離和主干線應(yīng)用上已趨完善，光纖通信主要應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體通信進(jìn)入家庭。

要建立全光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在密集波分復(fù)用的光纖通信上數(shù)據(jù)包的分送，光交叉交換器（OXC）和全光路由器（opticalrouter）就十分重要。目前光網(wǎng)中路由器還是光-電-光形式，即光學(xué)互聯(lián)和電子學(xué)作邏輯，因?yàn)殡娦盘栠壿嫈?shù)字交換臺分送和交換電信號的打包是成熟且廉價(jià)的。

1.2.3　光電子技術(shù)與生物科學(xué)和醫(yī)用技術(shù)的結(jié)合

光電子技術(shù)與生物科學(xué)和醫(yī)用技術(shù)的結(jié)合，也是光電子技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域。如今生命科學(xué)是世界科技發(fā)展的熱點(diǎn)之一，近年來，生物醫(yī)學(xué)中的光電子技術(shù)研究十分活躍，發(fā)展十分迅速，它將開拓生命科學(xué)的一個新領(lǐng)域。

目前，生物科學(xué)中的光電子技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括：生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的光子及其反映的生命過程；光子在生物學(xué)研究、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品質(zhì)量檢查等方面的重要應(yīng)用；以及利用光電子技術(shù)對生物系統(tǒng)進(jìn)行檢測、治療、加工與改造等。醫(yī)用技術(shù)中光電子技術(shù)研究的主要內(nèi)容是：醫(yī)學(xué)光電子學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)，包括組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、新穎的激光診斷和激光醫(yī)療技術(shù)及其作用機(jī)理的研究。下面舉例說明。

（1）醫(yī)學(xué)診斷

據(jù)報(bào)道，國外有一種膠囊型內(nèi)窺鏡，如圖1-5所示。這種膠囊將光、機(jī)、電微系統(tǒng)集成在一個膠囊內(nèi)。它與一般內(nèi)窺鏡比較，可完全避免病人在檢查過程中所產(chǎn)生的痛苦。這種帶有攝像機(jī)的膠囊型內(nèi)窺鏡其直徑為0.9cm、長2.3cm，“膠囊”被患者吞服后，就會隨消化道的不斷蠕動向前推進(jìn)，可在食道、胃、腸、十二指腸、小腸、大腸等處拍攝圖像，膠囊型內(nèi)窺鏡完成攝像任務(wù)后，便隨著排泄物排到體外。

膠囊型內(nèi)窺鏡使用CCD或CMOS攝像機(jī)，并通過微波技術(shù)把照片傳送出來，8h內(nèi)能向數(shù)據(jù)記錄儀傳送5萬～6萬幅圖片。膠囊型內(nèi)窺鏡所需的電能由自身電池或從體外用微波形式輸送，其運(yùn)行速度和方向等均可以從體外控制。所拍攝的圖像也用微波傳送到體外的控制裝置里，傳送到記錄、顯示系統(tǒng)，或直接通過打印機(jī)獲取圖像，或者經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，可獲取更多的信息。

（2）激光醫(yī)學(xué)診斷與治療

這是一個很廣闊的新領(lǐng)域，對不同的病例，采用不同的激光技術(shù)。診斷中采用激光成像和光譜技術(shù)，極小的相機(jī)可以看到人體內(nèi)的病變部位。治療中采用了光纖技術(shù)深入到病變部位。采用二氧化碳激光或準(zhǔn)分子激光實(shí)施激光手術(shù)，而用近紅外波段的激光作康復(fù)和理療，同時要求有一定的穿透深度和一定的照射劑量。另外，還有一種激光針灸，它是激光與中醫(yī)學(xué)結(jié)合的一種技術(shù)。

1.2.4　光電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)的結(jié)合

光電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)的結(jié)合是多方面的，下面僅以聚合物光電子學(xué)、硅（或鍺）基光電子技術(shù)為例子，說明光電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)的相互滲透和緊密結(jié)合的關(guān)系。

（1）聚合物光電子學(xué)

由于有機(jī)聚合物的合成、加工、器件生產(chǎn)方面相對容易、價(jià)格低廉，而且它們有相對低的介電常數(shù)，因而有更高的調(diào)制頻率和較低的驅(qū)動功率，并且容易與半導(dǎo)體器件和光纖傳輸集成，具有響應(yīng)性能快、非線性光學(xué)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛興趣。聚合物光電子材料的應(yīng)用前景十分誘人。

（2）硅（或鍺）基光電子技術(shù)

硅和鍺是微電子學(xué)中最重要的基質(zhì)材料，由于硅和鍺都是發(fā)光效率低的材料，為了克服硅材料發(fā)光效率低的問題，實(shí)現(xiàn)在一塊硅片上集成電子器件和發(fā)光器件，國外研究人員進(jìn)行了不懈的努力，為提高硅（或鍺）的發(fā)光效率，提出和研究了多種硅基發(fā)光材料，如摻鉺硅、多孔硅、納米硅、硅基異質(zhì)外延、超晶格和量子阱材料等。在硅材料上發(fā)展起來的集成電路已對電子計(jì)算機(jī)、通信和自動控制等信息技術(shù)起了關(guān)鍵的作用。但是硅集成電路受到尺寸和硅質(zhì)材料中電子運(yùn)動速度的限制，很難滿足信息技術(shù)的日益發(fā)展及對信息的傳遞速度、存儲能力、處理能力提出的更高要求。如果能在硅芯片中引入光電子技術(shù)，用光波代替電子作為信息載體，則可大大地提高信息傳輸速度和處理能力。

有機(jī)發(fā)光材料是新一代的顯示與照明技術(shù)，也是光電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物。與液晶相比，有機(jī)電致發(fā)光器件具有主動發(fā)光、超輕、超薄、對比度好、視覺寬、響應(yīng)速度快、發(fā)光效率高、溫度適應(yīng)性好、生產(chǎn)工藝簡單、驅(qū)動電壓低、耗能低和成本低等顯著特點(diǎn)。目前，世界上有多家大公司和許多科學(xué)研究機(jī)構(gòu)在從事有機(jī)發(fā)光材料和器件的研究開發(fā)工作。

1.2.5　光電子技術(shù)與技術(shù)軍事和武器裝備技術(shù)的結(jié)合

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，作戰(zhàn)方式和作戰(zhàn)手段與過去相比已經(jīng)發(fā)生重大變革。光電子技術(shù)對于開發(fā)新一代武器裝備和改進(jìn)現(xiàn)有武器裝備具有重要作用，國外軍用飛機(jī)的光電裝備和光電武器系統(tǒng)（表1-5）就從一個側(cè)面對此給予了充分的說明。目前，光電子技術(shù)已被諸多國家列為關(guān)鍵軍用技術(shù)或重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)。不僅如此，事實(shí)上，幾乎所有的光電子技術(shù)開始研究時均出于軍事應(yīng)用目的，后來才逐漸應(yīng)用于其他領(lǐng)域。所以，光電子技術(shù)與技術(shù)軍事和武器裝備技術(shù)的結(jié)合將在第6章中給出專題的描述。下面從戰(zhàn)場信息獲取、目標(biāo)信息偵察、提高制導(dǎo)武器的精度、開辟夜戰(zhàn)場四個方面來說明高尖端武器裝備的每項(xiàng)技術(shù)都離不開光電子技術(shù)。

（1）戰(zhàn)場信息獲取

戰(zhàn)場信息獲取主要靠3類傳感器：雷達(dá)、光電子和聲學(xué)。它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適于不同用途、不同對象。有時需將兩種傳感器結(jié)合起來使用，取長補(bǔ)短。例如可利用在軌衛(wèi)星對軍事行動進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視，衛(wèi)星上搭載的是各種信息獲取儀器，其中圖像獲取儀器是重要的組成部分之一，由于衛(wèi)星和其他航天器遠(yuǎn)離地球，各種圖像信息都需轉(zhuǎn)換成電信號并加載到微波上傳達(dá)到地球上來，這都離不開各種光電子技術(shù)。

（2）目標(biāo)信息偵察

戰(zhàn)場目標(biāo)信息偵察主要來源于戰(zhàn)場圖像情報(bào)。戰(zhàn)場圖像情報(bào)是通過戰(zhàn)場偵察傳感器平臺所獲得的偵察圖像，它包括白光、微光、紅外的圖像，各種平臺的電視偵察圖像，各種機(jī)載平臺的合成孔徑雷達(dá)（SAR）和逆合成孔徑雷達(dá)的雷達(dá)圖像，以及由地面人工偵察所獲得的人工圖像情報(bào)。其中，戰(zhàn)場電視偵察獲取視頻圖像情報(bào)具有直觀、清晰、快速、實(shí)時傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，能通過圖像一目了然地觀察到前沿?cái)撤疥嚨氐匦巍⒉荚O(shè)、武器裝備、兵力部署、調(diào)動等情況。

光電偵察衛(wèi)星具有高靈敏度、高分辨率、快速探測和識別目標(biāo)的能力，其地面分辨率可達(dá)0.1m左右，激光測距精度優(yōu)于1m。

（3）提高制導(dǎo)武器的精度

在精確制導(dǎo)武器中，光電制導(dǎo)占有重要地位。采用激光、紅外、紫外和電視制導(dǎo)技術(shù)的各類精確制導(dǎo)武器，具有打擊精度高、毀傷效果好、附帶損傷小等特點(diǎn)，可顯著提高作戰(zhàn)效能。最早使用的光電精確制導(dǎo)武器是20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)的紅外制導(dǎo)空-空導(dǎo)彈，海灣戰(zhàn)爭中大量使用了紅外和電視制導(dǎo)炸彈、激光制導(dǎo)炸彈。從戰(zhàn)區(qū)外發(fā)射、低空飛行的巡航導(dǎo)彈也使用了激光測高和障礙回避光雷達(dá)等光電子技術(shù)。

（4）開辟夜戰(zhàn)場

裝有性能先進(jìn)的脈沖多普勒火控雷達(dá)、前視紅外系統(tǒng)、紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、微光電視設(shè)備、激光測距/目標(biāo)指示系統(tǒng)和激光目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng)的飛機(jī)，能在各種惡劣氣候條件下作戰(zhàn)，當(dāng)然具有夜戰(zhàn)能力。例如，F(xiàn)-117A隱形飛機(jī)上裝有紅外搜索跟蹤系統(tǒng)和激光測距/目標(biāo)指示器，F(xiàn)/A-18多用途戰(zhàn)斗機(jī)上裝有前視紅外探測系統(tǒng)和激光跟蹤器。總之，這些飛機(jī)不僅配備先進(jìn)的夜戰(zhàn)裝備，還普遍裝有被動探測系統(tǒng)，使飛機(jī)能在機(jī)載雷達(dá)關(guān)機(jī)處于無線電靜默狀態(tài)下完成攻擊目標(biāo)的戰(zhàn)斗任務(wù)。

夜視偵察裝備，如主動式紅外夜視儀、微光夜視儀、紅外成像儀等用于夜間偵察。用于戰(zhàn)場偵察的合成孔徑雷達(dá)主要是獲取戰(zhàn)場圖像和地面活動目標(biāo)信息，可在夜間和惡劣的氣候條件下探測、搜索、跟蹤敵方運(yùn)動中的人員、車輛、艦船等，具有探測距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、測量速度快、全天候、全天時工作的特點(diǎn)。