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1、8/17/2021-------信息時(shí)代的光子學(xué)8/17/2021次目信息時(shí)代的光子學(xué)納米光子學(xué)NBIC四大技術(shù)的會(huì)聚8/17/2021光子學(xué)的發(fā)展從20世紀(jì)70年代包含傳統(tǒng)光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、光電子學(xué)和微光學(xué)在內(nèi)的寬廣領(lǐng)域統(tǒng)稱為光子學(xué)（Photonics）激光器半導(dǎo)體微加工技術(shù)芯徑幾微米的石英光纖集成光學(xué)微米尺寸的激光器探測(cè)器光纖通信光傳感光顯示光照明光存儲(chǔ)8/17/202121世紀(jì)被譽(yù)為光子世紀(jì)光子學(xué)內(nèi)容極為寬廣，其涉及多種學(xué)科和高技術(shù)領(lǐng)域；光子學(xué)技術(shù)的應(yīng)用遍及國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。光子學(xué)Pho
2、tonics光學(xué)和光學(xué)工程電子學(xué)和微電子技術(shù)材料科學(xué)和技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)生命科學(xué)及技術(shù)據(jù)專家預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)中，光子產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值將超過電子產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值。因此21世紀(jì)被譽(yù)為光子世紀(jì)。光通訊8/17/2021光子學(xué)的發(fā)展1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)，并提出了光子的概念。明確提出當(dāng)光作用于物質(zhì)時(shí)，光是以“光子”（光的能量會(huì)集成一個(gè)個(gè)的“能包”）作為最小單位進(jìn)行的。光電探測(cè)器---光子——電子轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體激光器---電子——光子轉(zhuǎn)換器是光電相互依存和相互轉(zhuǎn)化的典型例子。8/17/2021光子學(xué)與電子學(xué)相似
3、的發(fā)展歷程電子學(xué)光子學(xué)真空電子學(xué)（真空管器件）固體電子學(xué)（晶體管）微電子學(xué)（集成電路）各種類型的激光器、探測(cè)器半導(dǎo)體激光器微光子學(xué)（光子集成器件）8/17/2021光子學(xué)的發(fā)展1960年激光的發(fā)明激光器(LASER)是電子學(xué)中微波量子放大器(MASER)在波長上的延伸。激光器的發(fā)明不僅提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源，而且對(duì)時(shí)至今日的無線電頻率下的許多電子學(xué)的概念、理論和技術(shù)原則上均可延伸到光頻波段，如振蕩、放大、倍頻、混頻、參量、調(diào)制、信息處理、通信、雷達(dá)以至計(jì)算機(jī)等。E1E28/17/2021光子學(xué)的發(fā)展光
4、學(xué)和電子學(xué)兩個(gè)學(xué)科的相互交融，促成了光子學(xué)的建立，可以說光子學(xué)是發(fā)展到現(xiàn)階段的光學(xué)。由于激光的發(fā)明，低損耗光纖的研制成功和半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展，使光學(xué)迅速進(jìn)入近代高新技術(shù)舞臺(tái)，并對(duì)近代科學(xué)技術(shù)和人類社會(huì)生活產(chǎn)生巨大的影響。TheodoreHaroldMaimanBornJul1119278/17/2021光子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系光子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系是繼承與發(fā)展和相互依存的關(guān)系。在信息科技領(lǐng)域，20世紀(jì)電子學(xué)作出了巨大貢獻(xiàn)，但由于其本身固有特性帶來的局限而使其進(jìn)一步發(fā)展無論在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制。而
5、光子的特性卻蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Σ⒈憩F(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，許多方面彌補(bǔ)了電子學(xué)的不足，為信息科技的發(fā)展提供了新的可能性。8/17/2021電子和光子的主要屬性屬性光子電子共同點(diǎn)都是具有波粒二像性的基本粒子質(zhì)量無靜止質(zhì)量有靜止質(zhì)量統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)波色子費(fèi)米子頻率500THz10MHz—10GHz能量2ev40nev—40pev傳輸損失低（光纖中）高（銅線中）粒子相互作用無（低）高8/17/2021電子和光子的主要屬性光子電子費(fèi)米子電子波是標(biāo)量波玻色子光子波是矢量波電子在晶體周期勢(shì)場(chǎng)中傳播：薛定鄂方程單色平面光波在各向同性介
6、質(zhì)中傳播:麥克斯韋方程8/17/2021光子器件與電子器件性能比較性能光子器件電子器件信息載體特性和傳輸方式電中性,具有時(shí)間可逆性，無空間局域性，在自由空間或光纖中傳輸帶基本電荷，具有時(shí)間不可逆性和空間局域性，無線電波在自由空間或金屬導(dǎo)體中傳輸信息處理速度（開關(guān)速度/響應(yīng)時(shí)間）并行處理能力10-12s～10-15s(ps-fs)光子不帶電荷,傳輸時(shí)不產(chǎn)生相互作用，有高度的平行處理能力10-11s平行處理能力差8/17/2021光子器件與電子器件性能比較頻率（帶寬和信息容量）3×1011～6×1016Hz>100
7、0倍以上，高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)3×108～3×1011Hz傳輸速度光波在真空中傳輸速度為光速，在光纖中傳輸速度接近光速無線電波在金屬導(dǎo)線傳輸，受RC時(shí)間常數(shù)限制抗干擾能力無電磁干擾抗干擾能力差信息存儲(chǔ)能力可實(shí)現(xiàn)三維光存儲(chǔ)磁存儲(chǔ)8/17/2021回顧電學(xué)和光學(xué)的發(fā)展歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)：物理學(xué)的兩個(gè)孿生分支——電學(xué)和光學(xué)，它們的發(fā)展歷程是相似的且又是相輔相成的。光子學(xué)是研究光子與物質(zhì)相互作用及其應(yīng)用的一門新興學(xué)科8/17/2021基礎(chǔ)學(xué)科技術(shù)學(xué)科電學(xué)（18世紀(jì)開始）電磁場(chǎng)理論電工學(xué)（電工、電器、電機(jī)技術(shù)）電子物理學(xué)（2
8、0世紀(jì)開始）電子管與電子線路理論電子學(xué)納米電子學(xué)真空管電子學(xué)標(biāo)志：1906年發(fā)明真空三級(jí)管固體電子學(xué)標(biāo)志：1948年發(fā)明半導(dǎo)體晶體管微電子學(xué)標(biāo)志：1960年發(fā)明集成電路21世紀(jì)發(fā)展納米電子材料與器件光學(xué)（18世紀(jì)開始）基于自發(fā)輻射光源工程光學(xué)（光學(xué)材料、光學(xué)元件、光學(xué)儀器技術(shù)）現(xiàn)代光學(xué)（20世紀(jì)中開始）基于受激輻射光源光子學(xué)納米光子學(xué)激光技術(shù)標(biāo)志：1960年發(fā)明固體和氣體激光器光子技術(shù)
