光電科學與技術的前景范文

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關鍵詞：光電子技術；技術應用；發展態勢

前言

光電子技術是一項非常復雜的技術，其涉及的學科領域非常多，如電子學、光學、光電子學、計算機學等。光電子技術作為當代科技的重要內容之一，其在社會信息化過程中發揮著舉足輕重的作用。光電子技術作為推動社會向前發展的力量，其存在意義重大，值得各國投入大量的資本進行研究。伴隨著光電子技術應用的廣泛化，國內外學者都加大了對光電子技術的研究，推動著光電子技術的不斷創新與發展。加強光電子技術的應用，對于促進社會經濟的發展有著非常重大的影響。

1光電子技術的發展概述

光電子技術是由光子技術和電子技術相結合而成的新技術，是信息技術中的一個重要的硬件設備，是未來信息產業的核心技術。

1.1國外光電子技術的發展

由于國外技術水平相對較高，因此國外光電子技術發展的較為成熟。目前，國外光電子技術發展較為迅速的地區主要集中在北美和歐洲[1]。歐洲地區以德國為首也已經加大了對光電子技術的研究，積累了一定的研究理論，取得了重大的研究成果。日本作為亞洲地區的發達國家，其經濟水平較高，對于新技術的發展具有一定的前瞻性，在光電子技術方面也取得了一定的成績。通過對國外光電子技術的應用情況分析發現，國外光電子技術主要應用在了信息光電子技術上。隨著光纖通訊網的開發與完善，目前信息光電子技術已經得到了迅速的發展，促進了國外一些國家通信傳輸量和通訊速度的提高，加速了國外信息產業的發展。

1.2國內光電子技術的發展

盡管我國的科學技術與發達國家相比較有一定的差距，但是隨著近幾年我國經濟的不斷發展，我國的光電子技術水平也得到了很大的提高。隨著我國對光電子技術研究與應用力度的不斷加大，目前我國形成了幾大光電子技術發展較為領先的地區：京津地區、長三角地區、珠三角地區和華中地區[2]。由于每個地區發展速度及方向的不同，其依托的企業各具特色。以京津地區為例，其在發展光電子技術上主要以北京的高校、研究所為主要研究主體，以企業的應用為發展動力，在半導體激光器、光學儀器方面都有著較為深入的研究，并且取得了一定的成績。

2光電子技術的實際應用

2.1信息領域

二十一世紀已經進入到計算機時代，網絡應用逐漸普及化，滲透到社會生活的各個領域，如教學領域、醫學領域、商業領域等。網絡應用在社會中發揮著越來越重要的作用，因此高容量和高速度成為人們對網絡提出的新的時代要求。傳統的電子技術已經無法滿足新時代對網絡提出的要求，如何對網絡技術進行革新成為新的社會問題。光電子技術的應用，恰好以光子的快速性提高了網絡信息的傳輸速度，解決了人們對于網絡信息的要求。隨著光存儲密度的不斷提高，光電子技術在信息領域的應用程度得以加大，并且已經取得了一定的應用效果。

2.2能源領域

隨著各國工業化進程的加快，對于能源的需求越來越大，隨著不可再生能源儲備的不斷減少，對于新能源的開發成為人類研究的重大課題之一。高效、清潔的能源成為社會發展的寵兒，因此如何對高效、清潔能源進行開發成為研究的重點。太陽能作為一種新型的能源，受到各國的高度關注。在開發太陽能的過程中，光電子技術的應用能夠提高太陽能再向電能轉化的過程中的效率和穩定性，因此受到人們的廣泛關注。為了促進太陽能的開發，目前眾多國家紛紛制定了光伏技術發展計劃，加大光電子技術在能源領域的應用。

2.3軍事領域

隨著軍事武器的不斷現代化，光電子技術在軍事領域中同樣具有很大的發展空間。目前光電子技術在軍事領域主要應用在提高國防反應能力和準確攻擊能力方面，一些發達國家針對激光制導武器已經展開了大量的研究，另外各國針對光電子技術在軍事單兵作戰武器中的應用也加大了力度[3]。隨著光電子技術的不斷發展，該項技術已經發展成為軍事領域的核心技術。對于激光聚變在軍事領域應用的研究，在未來將成為擁有重大價值的軍事能源。

3光電子技術的發展前景

從光電子技術的發展狀態和應用情況來看，光電子技術擁有很大的發展空間。近幾年，隨著激光技術的發展與應用，使得光電子技術在多個領域的發展速度得以加快，促進了光電子產業的發展。隨著光纖網絡在國內的不斷發展與應用，光電子技術在信息領域的應用程度得以加深。伴隨著光電子技術的不斷發展，光電子技術將包含更多的內容。隨著研究學者對光電子技術的不斷研究，在光電子技術研究領域已經出現了很多新的發展趨勢和研究熱點。

3.1各種新型激光器的研究

光電子技術的核心是激光器，正是激光器的產生和發展促進了光電子學的興起與發展。隨著激光器的不斷創新，為光電子學和光電子技術的發展注入了新的發展動力。隨著半導體激光器在各領域的廣泛應用，使其技術呈現出高速增長的趨勢。正是由于半導體激光器的發展，才促進了其他各種類型激光器的發展。

3.2生物醫學中的光電子技術

隨著生命科學在科技領域的發展，為光電子技術的應用提供了新的空間。目前，生物醫學中的光電子技術研究的主要內容包括兩個方面：一是生物系統中產生的光子及其反映的生命過程，以及這種光子在生物學研究、醫學診斷、農業、環境、甚至食品品質檢查方面的重要應用，利用光電子技術對生物系統進行檢測、治療、加工與改造等。二是醫學光電子學基礎和技術，包括組織光學、醫學光譜技術、醫學成像技術、新穎的激光診斷和激光醫療技術及其作用機理的研究[4]。

3.3有機聚合物光電子材料的研究

隨著材料科學的發展，有機聚合物材料作為一種新型的材料發展越來越成熟，聚合物光電子學逐漸被人們所認識和重視。為了對聚合物光電子學有更進一步的認識，人們開展了聚合物超快全光開關的研究，并取得了一定進展。聚合物電光調制器在CATV、高比特網絡、相陣列系統和計算機平行互聯等方面的研究也取得了很大的進展[5]。聚合物光電子材料的應用前景十分誘人。

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關鍵詞：光電子學；教學方法；教學改革；實踐環節

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）11-0138-02

一、介紹

光電子技術是由光信息技術和電子技術的相互結合而形成的新的光電子技術，涉及光信息處理、光纖通信、激光技術等領域，是未來社會發展和進步的核心技術。光電子技術不僅研究內容非常廣泛，而且也是未來信息技術中的重要推動力量，它包含光信號的產生、光信息的傳遞、光電信號的轉換和處理和光電功能材料相關的內容，如：光電功能材料的發光機理、制備方法和工藝應用范圍、光電器件的加工與制作和光電系統的集成等一系列從基礎理論到實際工程應用等各個領域的研究。涉及光子學、光信息科學、電子學、材料科學、計算機技術等前沿學科理論，它是由多個學科之間的交叉而形成的一門高新技術學科。

光電子技術在經歷上述學科之間的交叉滲透后，其技術水平和工程應用技術取得了很多突破，在社會發展中以及社會信息化中起著越來越重要的作用，光電子技術的相關產品也越來越多地影響我們的生活。目前，國內外正掀起一股光電子技術和光電子產業的研究和發展的熱潮。一些國家把大量資金投入光電子學和光電子技術的研究和開發中，許多以光電子技術為研究方向的研究中心、實驗室和公司越來越多的建立起來。光電子技術的發展決定了未來產業的發展方向，將給工業和社會帶來比電子技術更大的技術沖擊。光電子技術和產業在國家經濟建設和科學持續發展中起到至關重要的作用。

因此，光電子學基礎是光電子專業學生必備的基礎知識，也是未來光電子產業需求的人才中需要掌握的重要基礎知識。

二、課程特點及專業培養目標

光電子學基礎是整個專業中的基礎專業課程，在學生專業思想和未來培養目標及要求的實現上發揮重要的作用，也是未來該專業研究生必需的基礎課程儲備。該課程注重理論聯系實際，注重對學習者能力的培養，重點培養學生綜合分析、解決問題能力，為將來從事光電技術領域的科研、開發和應用工作奠定基礎。

我們的培養目標為：培養在光電子技術科學領域具有深厚的理論基礎、扎實的專業知識和熟練的實驗技能，德、智、體全面發展的高級光電子技術科學人才，使學生具有在光學、光電子學、光通信技術、激光科學、光波導與光電集成技術、光信息處理技術、計算機應用技術等領域開展創新性基礎理論研究以及從事設計、開發應用和管理等工作應具備的理論和技術基礎。因此，基于我們的專業培養目標和光電子學基礎課程的自身特點，我們在教學過程中進行了改革探索。

三、教學改革探索

1.教學內容改革。①授課體系和講授重點。該課程根據學生培養需要，從光電子器件和光電子技術在未來工程應用的需要的角度出發，研究原理及系統構成在光電檢測技術、光纖通訊領域中的常用光電器件的技術。重點講述光學基礎、光纖通訊的構成、半導體物理、光纖器件、光電子現象和光電轉換器件，重點講解光電子器件的結構、工作機理、工作特性和在工程技術上的具體應用。為了更好地將所學應用到未來的技術發展上，對各類光電器件的系統集成、信號的調制、解調技術也作了詳細的講解，同時給出在工程中的實際例子。②課堂教學內容緊跟科學發展的步伐。光電子課程的教材對于快速發展的光電子技術來說，既是基本的原理內容，但又是滯后的技術，若授課時只是按照教材內容講解，往往會帶來知識不新、內容與技術發展脫節的后果，易使學生對該課程的學習積極性和興趣下降。因此，在教學過程中補充和及時更新教學內容，增加一部分現代光電子技術的發展前沿、新出現的技術及需求，從而能給學生提供更多的學習探索和求真的空間。③加強該課程與應用技術之間的聯系。專業基礎課程的基本功能是讓學生了解和掌握所學專業的發展方向，培養的學生能在以后的學習中、工作中涉及光電子技術方面上進行繼續學習和鉆研。因此在給同學們講解課程中的內容時，要與現代信息技術的發展緊密結合。針對在光電檢測技術、激光應用技術、光纖通訊技術等內容進行重點講解，結合當前社會已有的需求的技術發展進行講解，使該專業的學生明確所學課程內容在技術應用、研究發展及市場前景，對未來的從事的專業充滿信心。④為了更加與國際接軌，嘗試了雙語教學。在平時提供給學生光電子相關的外文讀物和論文，指導學生學習專業詞匯，在課堂中進行講解，開闊同學們的視野，引導學生進行初步科研潛力的培養和學習，調動學生的積極性，引導他們進行文獻學習，進一步了解國外光電子技術的發展現狀，激發興趣。⑤教學內容與市場技術應用及需求的結合。結合本校本地區特點，系統規劃、組織，實施產、學、研一體化模式。針對光電子技術和光電子產業市場密切聯系的特點，在課程內容上跟上市場技術需求，結合本地區經濟發展的實際情況，培養既有專業知識和跨學科知識，又有極強的實際操作能力、適應性強的學生，全面提升學生的理論素養和實踐能力，增強學生在未來光電子產業上的競爭力。

2.教學方法探索。①充分利用多媒體技術進行教學，利用多媒體課件在表達上形象直觀、方便，在效率上和容量上很大的特點和優勢。既能使課程中的各種圖片資料得到清晰展示，還能節約課程上的時間，從而能在課堂教學中講解更多的課程內容，較大地提升了授課中課堂的信息量。因此我們認真積極地制作教學課件，充分利用網絡上豐富的信息資源，并與兄弟院校的老師展開課程教學交流，共享多媒體課件。極大地激發學生對該門課程的學習興趣。②采用課堂教學和專題講座結合的教學方法。在進行課堂理論教學的同時，利用其他時間安排、組織團隊教師舉辦《光電子技術專題講座》，開展光電子技術專題研究，如液晶顯示、光電轉換及系統集成、光纖傳感及應用和近場光學中的探測技術等，既能強化學生所學的基礎理論，又能激發學習興趣，培養學生的科研意識。吸引學生參與到大學生訓練計劃和參與到老師研究的課題中，提前打下科學研究基礎。③在方法改革中，在富有開放性的問題情境中進行實驗探究。對參與到老師研究的課題或參加大學生訓練計劃的老師，幫助學生制定合理的研究計劃，選擇合適的研究方案和方法，積極發動研究光電子技術的老師，為這些同學們提供必要的實驗條件，由學生自己動手去實驗，考證研究方法和方案，來尋求實驗結果中的答案。這時，教師起到的是一個組織者的角色，指導、規范學生的探索過程。這樣的過程，不僅僅是要讓學生學量的知識，更重要的是要學習科學研究的過程或方法。

3.教學實踐環節探索。在光電子學基礎課程中，本來并沒有設置時間環節，而且多數放置在大三或大四學習，實驗環節很少開始。我們為了能夠更好地提升學生實踐技能和掌握技術設備的結合，先在原有課程體系中安排三分之一的時間來安排實踐環節，開設具體的、有針對性的實驗內容，讓同學們能更有效地了解、認識和掌握知識和技能。在普通物理實驗、電子實驗和光學實驗的基礎上，開設如固體光電子耦合器件、熱電耦器件、發光器件及光子器件。對光通訊系統的傳輸和光電子器件的作用有了直觀的認識和理解。在此基礎上，結合地方實際，聯系相關光電子產業中的企業，組織學生進行參觀學習，從而讓學生自己體會從書本上理論到實驗實際，再從實驗實際再到光電子技術，從光電子技術再到光電子商品的過程，能一下子把整個知識到技術到效益的過程展現在同學們的內心中，從而更能培養和激發學生興趣，也能將培養目標中的產業式人才完成，彌補普通高等教育中最缺失的人才與市場的不對接的不足。

4.教學目標實現探索。在光電子學基礎課程改革中，把教學目標從以知識教育為主轉變為實現人才培養和科學人才需求的融合，培養具有創新、探索精神的新時代新型人才。長時間以來，我們在教學過程和專業培養中，存在著理論與實際技術需求的相脫離的現象，造成理工科學生對于市場技術需求常識缺乏。我們把教學內容、教學方法和教學實踐環節都做了有意義的初步探索。進一步增強了理論學習到實踐環節、實踐環節到市場技術發展的學習過程，極大地激發和培養學生的學習興趣，為將來從事該專業打下堅實的基礎和牢固的信心。在近三年中，我們培養的本科畢業生就業率95%以上，該專業畢業生考研成功率30%以上，使光信息科學與工程專業的學生形成了良好的學習氛圍，形成了爭趕超的局面。同時，針對光信息科學和工程專業的學生，我們注意在進行科學知識教育的同時注重培養市場技術需求方面的培養，增加了企業參觀及動手實踐等環節，同時講授在科學研究中人文素養培養的重要性，從而使之潛移默化地對學生進行自然的而不是勉強的人文教育。

參考文獻：

[1]陶然，王越，單濤.信息對抗技術專業人才培養模式研究[J].中國電子教育，2008，（4）3：9-43.

[2]張向華.專業課教學應遵循的教學規律[J].遼寧教育學院學報，2014，（4）：71.

[3]陳小剛，陳俊風，林善明.《光電子技術》課程設計改革的探索[A].光電技術與系統文選[C].2005.

[4]梁紅兵.提速光電子技術與產業[N].中國電子報，2001.

[5]柴金華.《光電子學基礎》課程“兩結合”與“三要素”教學內容的研究與實踐[A].中國光學學會，2010年光學大會論文集[C].2010.

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電子信息類專業涵蓋較廣，主要的專業有電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術、通信工程、光信息科學與技術。這些專業看上去近似，又不盡相同，下面我們通過各專業的課程設置、培養方向、就業方向來進行了解。

電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術：傻傻分不清楚

不少同學面對“電子信息工程”“電子科學與技術”“電子信息科學與技術”這三個非常相近的專業名詞時，會感到迷惑。作為“電子”相關的專業，就像是三胞胎一樣，在一些院校被俗稱為“三電”。相對于通信工程和光信息科學與技術而言，它們都是較寬口徑專業，所學的專業知識更廣，當然就業面也會更廣。通信工程和光信息科學與技術專業，所學的專業知識更有針對性，更加深入，也比較精細。現如今，高校開設“三電”專業的大學非常多，一般的理工類院校和綜合性大學幾乎都有，甚至一些文科類大學也開始嘗試開設。那么這三個專業到底有什么區別呢？

首先，從教授的課程來看，這三個專業在大一、大二、大三上學期所學的基礎課程基本一樣，只是在大三下學期、大四開設的專業課程有不同的側重點――電子信息工程重“信息”，即信號處理，學習硬件電路、軟件編程；電子科學與技術重“電子”，即硬件電路設計，學習物理電子、光電子和微電子學；電子信息科學與技術重電路設計，跟電子科學與技術專業最為接近，它作為后者的子專業，學習范圍更廣，包括電子、計算機、信息技術三大知識板塊，可以說是集電子信息工程、電子科學與技術于一體。

其次，從就業來看，電子信息工程專業的學生畢業以后可以當軟件工程師（設計開發各種軟件）、電子工程設計師（設計開發一些電子、通信器件）。電子科學與技術專業的學生畢業以后可以從事開發計算機硬件工作，當電路設計工程師（這個專業主要有兩個就業方向，一是集成電路生產企業，二是集成電路設計企業）。電子信息科學與技術專業的學生就業口徑最寬，有著“萬金油”之稱，電子方面，可以做電路設計工程師；信息方面，可以做電信工程師；計算機方面，可以開發軟件、硬件。

【推薦院校】清華大學、北京大學、南京大學、復旦大學、南開大學、上海交通大學、華南理工大學、北京郵電大學、南京郵電大學、西安電子科技大學、杭州電子科技大學、中國科學技術大學

通信工程：“信息”中的王牌專業

通信工程具有極廣闊的發展前景，也是人才嚴重短缺的專業之一。通信行業涉及領域廣，可以說是橫跨了電子和計算機行業。而通信工程專業跟前文介紹的“三電”專業不同之處在于，通信工程專業知識更加有針對性，側重于“信息”，理論學習更加深入，課程難度大，可以達到“基本掌握”。而同樣是側重于“信息”的電子信息工程專業，只能說是“基本了解”。主干課程中，如程控交換技術、移動通訊、計算機網絡通訊、光纖通訊等，都是“三電”專業不會開設的。該專業要求畢業生掌握通訊技術和計算機技術的基本理論與設計方法及程控交換技術、光纖通訊、移動通訊和計算機網絡通訊的基本原理及應用方法。

通信工程專業在本文提及的所有專業中，開設最早，招生的分數線最高，得益于通信行業的高速發展，一直是非常熱門的“王牌專業”。因為其在信息、信號處理方面專業知識學習比較深入，畢業生選擇考研，特別是報考信號處理、無線電波等方向優勢會比較明顯。當然，就業也非常不錯，在通信領域中從事研究、設計、制造、運營的工作及在國民經濟各部門和國防工業中從事開發、應用通信技術與設備的高級工程技術的工作。比如選擇去電子信息類技術研發的相關科研院所，中興、華為、大唐、富士康等設備制造商，摩托羅拉、三星、貝爾等外資企業；也可以去通信運營商，如中國電信、中國移動、中國聯通等，從事信號處理類的研發、設計工作。隨著現在國家大力推廣的3G移動通信技術，通信工程專業的畢業生專業優勢明顯，專業對口，相信在就業時，可以得到更多被青睞的機會。

【推薦院校】清華大學、北京大學、北京郵電大學、北京航空航天大學、北京理工大學、上海交通大學、東南大學、國防科學技術大學、哈爾濱工業大學、西安電子科技大學

光信息科學與技術：徜徉在光的海洋

光信息科學與技術，這個名字聽起來很抽象，其實卻實實在在地存在于你我的日常生活之中：我們同美國親友之間的越洋電話聯系，依靠的是太平洋海底長長的光纖；我們上網所用的寬帶、用超大規模彩色LED（液晶）顯示器欣賞色彩艷麗的畫面，都是對光信息技術最直接的體驗。

本專業培養具備光信息科學與技術的基本理論、基本知識和基本技能，能在應用光學、光電子學及相關的電子信息科學、計算機科學等領域（特別是光機電算一體化產業）從事科學研究、教學、產品設計、生產技術或管理工作的光信息科學與技術高級人才。本專業學生主要學習光信息科學與技術的基本理論和技術，熟悉光學、電子學技術和計算機技術。

光信息科學與技術專業一般設在電子工程系或通信工程系。隨著光電子技術的發展與興起，一些院校已逐步將這一專業單獨分出成系，這也充分顯示了該專業良好的發展前景。不過，對物理學、量子力學、波動光學等幾科的要求都相當高。如果你對物理、數學很感興趣，有比較好的邏輯思維和抽象思維能力，以及比較強的理解力，不妨報考這個專業，光的海洋會讓你受益匪淺。

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【關鍵詞】光電復用技術 多站時差接收

1 引言

隨著光電技術，尤其是光調制解調和微波光子學的發展，在光纖中復用多路光波長傳輸微波的方法獲得了廣泛的應用。本文將光電復用技術應用于多站時差接收機的設計，使用光纖連接前端和總站，采用微波光電復用實現前端和總站之間微波信號傳輸與定標，獲得了布站靈活，時差測量精度高，電磁兼容性強，成本相對低廉的光電接收機系統。具有很強的社會效應和市場價值。在機場Ⅲ級綜合交通監視與引導系統，即MLAT多點定位系統中有較強的應用前景。

2 系統設計與實現

基于光電技術的分布式時差接收機結構原理圖如圖1所示。如圖1所示，該接收機由12個分布式接收前端，一個數據接收和處理總站，以及傳輸光纜組成。以1號接收前端為例，主要由耦合器、光調制器、光解調器、光波分復用器，各接收前端的結構完全相同。集中式接收與處理主站由12個接收后端、A/D與時間測量、脈沖調制定標源和基準與采樣時鐘組成，每個接收后端對應一個接收前端。以1號接收后端為例，由光復用器、光調制器、光解調器和對數檢波器組成，各接收后端結構相同。接收前端和相應的接收后端構成一條接收鏈路。其中，接收前端中光調制器的工作波長為1550nm，光解調器的工作波長為1310nm；接收前端中光解調器的工作波長為1550nm，光調制器的工作波長為1310nm；傳輸光纜內的光纖為標準單模光纖，截止波長為1200nm。整個接收機的射頻工作頻率為1090MHz。圖二分別是總站，一個接收前端和傳輸光纜的實物照片。

3 工作過程

該接收機工作時，由各接收前端接收頻率為1090MHz的電信號，通過耦合器傳送到光調制器，轉換為波長為1550nm的光信號，該光信號通過光復用器送到傳輸光纖，光信號到達相應接收后端中的波分復用器，被送至光解調器進行光電解調，把光信號恢復為頻率為1090MHz的電信號，然后由對數檢波器對該電信號進行檢波，獲得脈沖信號并送到A/D與時間測量器。在實際應用中，可通過對來自不同接收前端的信號到達前沿時間進行分析、計算，獲取目標空間位置等信息。基準與采樣時鐘為A/D與時間測量提供采樣時鐘。

此外，由于不同的接收鏈路對回波時間測量存在一定的誤差，該接收機還提供了校準方法。集中式接收與處理主站中的基準與采樣時鐘為脈沖調制定標源提供基準時鐘，產生一串載頻與工作頻率相同的脈沖信號源，分成12路，分別送至12個接收后端。以其中一路為例，定標信號由光調制器變換成波長為1310nm的光信號，經光復用器由傳輸光纖送至相應接收前端。光復用器將激光送到光解調器，將該光信號恢復成定標電信號送至耦合器耦合進入耦合器公共端，該信號經由探測模式下相同的路徑，最后在A/D與時間測量模塊中對通道時間測量誤差進行定標。

4 工作結果

我們對接收機的各項指標進行了測試，12個接收前端內的光調制器在無調制情況下輸出的光波長為均約為1550nm，光功率均值為5.5dBm，起伏約為0.25dBm；12個接收后端內的光調制器在無調制情況下輸出的光波長為均約為1310nm，光功率均值為6dBm，起伏約為0.25dBm。光纜損耗經標定為1dB/km，這一損耗包含了光纜接頭的損耗。從上述指標可以看出，系統的光路一致性良好。

在測試過程中我們重點關注光纖延遲對射頻信號傳輸的影響。圖4為光纜長度為5 km時測得的信號延遲。圖中的黃線表示信號源發出的脈沖信號經對數檢波之后的波形，信號脈沖寬度為10us，脈沖重復周期為1s，載頻頻率為1090MHz；紅線為經電光-光電變換和對數檢波后的信號。經驗估計5km的光纜延時在25us左右，實際測得的延遲為23.3us，與估計基本相符。同時，經過長距離傳輸和變換后，信號的波形并未發生大的畸變。

在光纜傳輸長度均為2km的情況下我們以12條鏈路的延遲時間不一致性，此時延遲時間約為10 us。測試結果表明，12條鏈路的延遲時間不一致的均值約為6.86ns，最大值為12.94ns，最小值為5.31ns。

5 結束語

本文提出了一種基于光電技術的多站時差接收機的設計方法。系統采用光纖在總站和各接收子站中高速傳輸電信號，遠程、低損傳輸微波信號；由于光纖傳輸多波長激光的能力，該系統可以方便的進行自校正功能，最終獲得了時差測量精度高，電磁兼容性強，成本相對低廉的基于光電技術的分布式時差接收機系統樣機。這一系統典型應用于無源探測雷達，如機場綜合交通與引導雷達系統。

參考文獻

[1]Djafar K.Mynbaev and Lowell L.Scheiner，光纖通信技術（英文影印版）[M].北京：科學出版社，2002

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前言：在科技改變生活的時代，作為現代化信息技術發展關鍵的光纖通信技術被應用的越來越廣泛，尤其是在計算機通信網的建設和完善上，光纖通信技術成為最為主要的通信傳輸技術。它有著其他通信技術難以企及的優勢。但同時也不可能否認，它的應用也存在著一些問題值得去改進。本文通過對具體的光纖技術應用的分析，希望可以有效提升此技術的運用效果，更好的讓它造福社會，造福于國民。

1.淺析光纖通信技術的特點

1.1 排除串音干擾

在電波的傳輸過程中，電磁波的傳送很容易出現泄漏的情況。而使用光纖進行傳送，由于包裹光纖的是不透明的塑料膜，可吸收泄漏的電磁波射線，這便很好的規避了這樣的狀況，同時也使得通信的保密性大大增強，信息的安全性大大增加。在多條光纖電纜設備同處于一條電纜的情形之下，光纖的特性也可以保證不串音，排除了串音的干擾。

1.2 抗干擾能力強

制作光纖電纜的材料一般是石英，石英具備良好的絕緣性和耐腐蝕性，作為通信設備極佳。另外，它不易受到外部環境中電磁的干擾，性能穩定，甚至可以與高壓線平行建立，在大多數通信領域，甚至是軍事通信領域都是運用極為廣泛的。

1.3 損耗低

通信是花費高回報率低的技術領域，所以如何能夠最大限度的降低成本從而相對提高收益是不得不去考慮的問題。現在大多數的光纖電纜材料時石英，它不僅有很強的絕緣性、耐腐蝕性和抗電磁干擾能力，它還是相對低損耗的傳輸介質，這可以最大限度的提升通信的效率。在廣泛運用石英之前，通信需要建立大量的中繼站，這耗費了許多不必要的人力、物力、財力，增加了成本。而在使用石英材料之后，中繼站可以只需要建設很少的一部分，這節約了許多資源。若能夠發現更加低損耗的材料，則能夠進一步提升傳播的效率，這是科學家們正在不斷探索的課題。

2.光纖通信傳輸技術的應用現狀

2.1 光纖接入技術

隨著社會經濟的迅猛發展，計算機普及率提升快速，現在越來越多的行業都需要全天候使用計算機，這對于通信的流暢度和速度都提出了較高的要求。另外計算機通信網的建設也很重要，這將納入越來越多的設備，完善整個通信網。而在軍事領域，使用的計算機對通信技術的要求則更高，跟普通用戶相比，又多出了信息的容量、保密性等多個方面的需要。目前使用很廣泛的光纖接入技術較傳統的用戶接入方式多出了許多優點。傳統所使用的接入方式主要是銅線接入，它損耗大，極度影響使用網絡的速度，并且抗干擾能力差，保密性差，不適用于許多領域的應用。現在的光纖接入方式大大提升了網絡的速度，拓寬了傳輸的帶寬，更令網絡故障發生頻率降低，大大便利了人們的日常生活和工作學習。為信息高速公路的建設提供了必要的技術支持。光纖接入技術勢必要成為光纖技術發展過程中的主流。

2.2 單纖雙向傳輸技術

單纖雙向傳輸技術是相對于雙纖雙向傳輸來講的，雙纖傳輸時，收發信號分別在不同的兩根光纖里傳輸，而單纖傳輸時，收發信號被調制在不同的波段后在同一根光纖里傳輸。目前，由于技術水平尚欠缺，我國使用最多的是雙纖傳輸。

而單纖傳輸僅僅在光纖末端接入設備、單纖光收發器等設備上得到了使用，在骨干傳輸網中還尚未使用，這還遠遠不夠。單纖傳輸相比于雙纖傳輸能夠節約一半的寶貴光纖資源，單是設備上的更新完善就可以達到驚人的成果，大大降低成本，這使得從事相關業務的技術人員認識到單纖傳輸是必須要推廣使用的技術，是雙纖傳輸技術普及之后必然的更新趨勢。

2.3 光交換技術

一個高速高效率的光纖通信技術應當是全程采用光信號，這對于各種器件的要求是很高的。過去我國大多采用電子器件，而電子器件只能接收傳送電信號，不能傳送光信號。隨著光纖技術的進步，光信號越來越普及，但是傳統的電子器件卻沒有隨之發展，導致目前我國光纖技術應用中的尷尬局面――“光―電―光”即發出光信號，在到達電子器件時需要轉換成為電信號，通過電子器件發出后再轉為光信號繼續發送。顯而易見，這樣的信號傳輸方式導致了資源的嚴重浪費，并且增添了許多額外的不必要的成本和損耗，大大制約了我國光纖通信技術的發展。

3.光纖通信傳輸技術發展前景分析

3.1 解決研發集成光電子器件的難題

提升通信速度和容量要必然達到的目標是體積不能因此擴大，反而要縮小，效率要提升。所以，光電子器件應當朝著集成化的方向發展。在互聯網飛速發展的時代大背景之下，現有的光電子器件已經不能滿足使用，更無法支撐起互聯網的進一步發展。所以使其集成化已經迫在眉睫。提升光電子器件集成化有很多途徑，其中主要的方法是使用全新且成熟的制作工藝，在硅襯底之上進行光學器件的制作，包括波導與光纖耦合器等重要的無源器件，在一塊硅芯片之上實現全部光學器件模塊的集成處理。這樣，便能夠大大提升其集成化。為了達到這一目標，應當積極引進先進設備和進行人才培養，讓科技的發展進步能夠可持續化，切實提升應用水平。

3.2 致力于實現全光網絡

全光網絡的實現對于計算機通信網有著巨大的現實意義。可以將通信速度提高不止一倍。實現全光網絡需要許多技術的共同進步――電子器件的升級與換代、因特網的進一步發展、移動通信網的進一步普及等等。可喜的是，我國的4G網絡得到了普及，不久又將會出現5G網絡，這大大促使了傳統的電子器件的淘汰，并引進新的光學器件，為致力于實現全光網絡掃清了一大障礙。總之，我們都不可否認，實現全光網絡是一個過程，并非一蹴而就，但同時是可以帶來巨大經濟社會效益且不可避免的提升光纖通信技術水平的必由之路。

4.結語

篇6

關鍵詞：電子信息；技術內涵；應用特征；發展前景

前言

有關傳統社會生產技術已經難以迎合時代規范訴求，因此電子信息技術獲取全新發展機遇，持續至今，已經成為校驗認證國家實力的關鍵性指標，所以說盡快強化電子信息技術改革應用進程，顯得十分必要。畢竟電子信息技術的確為社會大眾日常生活、生產活動，以及企業生產技術改革提供諸多便利條件。面對各個領域應用電子信息技術推動經濟發展的狀況，我們當下要做的，就是盡量科學合理地發展電子信息技術，以謀求日后產業更加理想化地改革升級成就。

1 電子信息技術的內涵

所謂電子信息技術，即電子信息控制和處理技術的有機融合結果，在信息加工處理工序中影響地位非凡，有助于在第一時間內獲取并處理產業機構急需的信息，促成電子設備、信息系統的完善化設計應用結果。長此以往，為日后電力、電子、化工儀表、計算機等行業，提供電子測量、多媒體、自動化、未處理、程序設計等技術功能特性。細致地講，電子信息技術，顧名思義，需要憑借電子計算機作為基礎性依托媒介，保證在較短時間范圍內自動化地完成信息收集整合、校驗解析、加工處理、存儲和傳輸等工序，毫無疑問是當代社會推進信息化發展進程的關鍵技術方式。為了避免在綜合國力上和西方發達國家產生較大距離，我國應主動強化電子信息技術的改革應用力度，同時借助電子信息技術推廣沿用促進產業創新升級結果。

2 電子信息技術的應用特征

自從我國順利步入信息時代過后，涉及社會活動內部衍生的數據信息量極為龐大，至此電子信息技術便實現了登上歷史舞臺的夙愿，并且一度被認定為是社會大眾生活、學習和工作中不可缺少的技術處理模式。透過這類技術實際的應用特征角度觀察，其應用空間范疇極為廣闊，通常集中鎖定在高新產業領域之中，屬于現代生命活力和影響效應最為強勁的科學項目之一，可以確保愈加理想化地改善信息處理、加工、利用實效基礎上，全面縮減信息處理的難度和過多的成本投入數量。透過現狀觀察分析，電子信息技術的應用時刻呈現出智能、網絡、便利化特征。如在工業生產領域中貫穿融入后，便順利貫徹落實預設的自動和智能化生產目標，更全面降低現場操作強度、提升實際生產效率、縮減大規模成本投入數量。再如在電力工業內部沿用過后，可以大幅度改善電力系統運行的安全性并加快智能電力系統的構建進程。

歸結來講，電子信息技術在電力系統內部的沿用，可以完成對相關電力設備實際運行狀態和故障的實時性檢測、控制任務，特別是在針對電流、電壓、頻率等實施同步科學化調試之后，避免相關故障的重復衍生，最終令電力設備整體運行可靠與穩定性得到保障。另外，電子信息技術還能夠實現企業整體運營發展的網絡化目標，無形之中給企業參與市場競爭提供更多的支持服務動力，令其商務活動效率得到前所未有地提升。

3 今后電子信息技術的發展前景

透過上述內容觀察，我們可以清晰觀察到現代社會中推廣沿用電子信息技術的現實意義，并且可以肯定其對于我國日后經濟改革發展，有著不可小覷的推動力。

首先，透過電子信息技術改革發展方向層面審視，今后電子信息和計算機技術彼此的關聯將變得愈加縝密，并且呈現出愈加顯著化的交互式發展跡象。在此期間，電子信息技術成為助推計算機行業發展的原動力，而計算機技術則長期扮演電子信息技術的運行的基礎性操作媒介。計算機發展進程全面加快，有關內部各類軟硬件資源也都得到更高層次的升級機遇，特別是處理器納米工藝變得愈加高端完善，這些結果都為日后電子信息技術可持續發展，奠定基礎。今后電子信息技術競爭發展的主要形式就是微處理，因為現代硬件技術全面革新且集成度更高、體積更小，使得電子信息技術介入到納米加工時代的步伐驟然加快。

其次，借助處理器設計工藝角度窺探，涉及22、14、12nm技術已然接近成熟狀態，同步狀況下更帶動微處理技術向更高等級層次改革發展。而隨著日后arm等嵌入式微電子產品的紛紛問世，有關更小納米技術的投入顯得勢在必行，所以說，微處理器理所當然成為當下電子信息技術改革發展的主流助推收。另外，電子信息技術還存在數據化的發展趨勢，特別是在大數據理念全面衍生和推廣過后，許多學者認定人類目前已然步入大數據時代，有關大數據和電子信息技術的融合，是時代進步的必然結果。在這類信息爆炸的時代風暴之下，社會活動信息量自然持續增大、數據形式也愈加多元化，涉及傳統信息處理技術明顯已經不足以迎合相關用戶應用要求。相比之下，大數據技術的貫穿沿用，則有助于針對大規模數據信息加以靈活化處理加工，進一步將電子信息技術效能予以科學人性化地發揮。

最后，光電子技術將過渡轉化成為現代電子信息處理技術的核心。透過當前形勢觀察，電子信息技術研究過程中普遍都在進行光電子技術融入，無形之中令電子信息技術整體發展速率全面加快，如數據傳輸、加工和處理速度的加快，使得電子信息技術很快介入一類全新發展歷程。其間該類技術含量愈來愈高、應有優勢異常顯著，逐漸轉變成為促進經濟發展的重要技術內容。

4 結束語

綜上所述，電子信息技術的長期革新發展，一時間令高新技術產業發展速率和格局發生翻天覆地的變化結果，因此，積極主動發展電子信息技術，存在一定的現實意義，即有助于推動產業轉型升級進程、提升日常生產效率、縮減生產工序中消耗的成本數量。日后我國要竭盡全力強化電子信息技術的研究力度，力求在今后全方位促進信息技術的應用，最終順利提升這類技術的綜合性開發應用水平。

參考文獻

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篇7

近年來,人們在暢享信息網絡技術所帶來的便利的同時,越來越明顯的感受到通信容量與傳輸速度的制約。西安飛訊光電有限公司研發的“650nm塑料光纖傳輸系統”,突破了信息傳輸和存儲領域“電光網”時代容量與速度上的瓶頸。以獨特的性能和良好的應用前景,昭示著“全光網”時代的到來,開創了全光網絡信息時代新紀元。

該系統的問世,實現了核心技術的重大突破,對于“全光網”、“三網融合”的發展將產生積極的推動作用。西安飛訊光電公司董事長兼總經理繆立山指出,“650nm塑料光纖傳輸系統”使信息傳輸領域從主干線到末端、終端“三分天下”的不協調局面得以徹底改觀,并在根本上解決了信息轉輸領域最后一公里末端“瓶頸”的歷史性難題,具有明顯的經濟效益和社會效益,將派生出一個具有戰略意義的產業。

據了解,西安飛訊光電有限公司是一家集科研、生產為一體的高科技企業,由江蘇華山光電有限公司和中國科學院西安光學精密機械研究所共同投資興建。公司主要致力于“650nm塑料光纖傳輸系統”的研發、生產與推廣。該系統是由“OBH型波長轉換器”、“OEJH型650nm光以太網交換機”、“OZJ型650nm光中繼器”、“OWK型650nm光網卡”、“ODH型650nm\RJ45光電轉換器”、“650nm塑料光纖光纜”和“光連接器”等九個產品組成,是一個系統配套齊全、功能完善的新型局域網系統。

作為拳頭產品,“650nm塑料光纖傳輸系統”先后通過了信息產業部和總參通信部組織的科技成果鑒定,該項目各項指標達到了國際同類產品的先進水平,填補了國內空白,同時該項目已申請國家發明和實用新型專利40余項。繆立山總經理信志滿滿的告訴《中國科技財富》:現在,公司正在為“650nm塑料光纖傳輸系統”起草國家標準進行基礎性研究。

“全光網”助推器

目前的寬帶網速理論上可達到100兆,但實際受傳輸介質的限制,實際上最多為10兆。此外,以銅為導體的接入方式保密性差,容易受干擾、被竊聽,而且成果也非常高。為此,目前世界各國正在研究開發用于廣大用戶接入網上的光纖通信系統。相關國家都希望通過光纖通信系統的成功研發,從信息化中獲取巨大的經濟利益和社會效益,確保在國際競爭中的領先優勢。

“650nm塑料光纖傳輸系統”系統是我國第一個實現以650nm塑料光纖為傳輸介質的局域網系統,可讓寬帶網實現真正的100兆。“650nm塑料光纖傳輸系統”優勢顯著,是一項全新的替代性技術。該系統采用2Gbps高速存儲交流技術現實網絡交換,具有傳輸頻道帶寬、保密性能好、抗干擾能力強的特點。相對于以銅為介質的傳統五類線系統,具有高帶寬、保密性能好、抗干擾能力強、防雷擊、重量輕、韌性好、施工簡便、節省銅資源等特點;相對于石英光纖系統,具有施工和接續簡單、光源便宜、綜合成本低等特點。

“650nm塑料光纖傳輸系統”的成功產業化符合信息網絡行業“光進銅退”的大趨勢,實現了“以塑代銅,以光代電”。即用塑料光纖取代銅芯電纜,可為國家節約大量的銅資源。銅作為不可再生資源,價格日益昂貴,而塑料卻擁有制造成本低,價格低廉等優勢,以塑代銅可為企業和國家節約大量資源與資金,降低產業成本,增加附加值。而用光信號取代了電信號,可實現網絡信息全光高速傳輸。

“全光網”時代的到來是科技進步下的必然結果。“650nm塑料光纖傳輸系統”的問世,實現了塑料光纖為傳輸介質,以光信號為信息載體,使光信息流在網絡的傳輸及交換時始終以光的形式存在,為光纖到桌面,光纖到終端提供了一種比較理想的技術支持。解決了通信系統全光網絡中“最后一公里”的瓶頸,為“全光網”時代的早日到來,打下了堅實的基礎。

新興的朝陽產業

目前“電光網”時代,世界各國大力發展下,信息高速公路主干網線已具有相當規模,主要采用有較好傳輸特性的石英光纖。但由于石英光纖存在材質較脆易斷、接續維護不便等缺陷,因此用戶接入網線末端只能采用銅線電接入方式,這已成為一種國際慣例。

而這種方式同樣存在諸多問題:首先由于銅線本身存在的電阻率等問題,造成信息傳輸速度慢、容量小,光信息流進入終端前一刻不得不變成電信息流,這種轉化使信息轉輸速度大為降低,成為難以滿足人們對信息通信技術的傳輸速度、容量等主面的高要求的世界性難題。

“650nm塑料光纖傳輸系統”通過技術創新,全面解決了上述難題。而且,在技術設計研發充分考慮客戶需求,使用起來方便簡單,充分體現了智能化與集成化。該系統讓人“一看就懂、一點就知、一學就會”;同時,系統維護起來也簡單便捷。

明顯的技術優勢,人性化的設計,再加上強有力的技術支撐;使“650nm塑料光纖傳輸系統”具有廣闊的應用前景,在寵大的市場面前占領了先機。該系統可廣泛用于各類公司、專用局域網,特別適用于短距離和對保密及環境有特殊要求的場合,例如機載、車載、艦船內部通信網絡,工業控制網絡等高速數據傳輸領域,是短距離、多接點通信網絡的理想設備。

篇8

裸眼3D是未來顯示技術發展的必然趨勢與終極方向，隨著光柵、指向光源、全息、體顯示等裸眼3D技術的快速發展，為人們帶來了全新的視覺體驗與消費方式，同時手機、廣告、展覽、軍事、醫療等先行行業對于裸眼3D顯示也有著極其迫切強烈的應用需求。

而究竟何為裸眼3D，緣何如此吸引大眾關注呢？

南昌大學機電工程學院副教授梁發云解釋說：裸眼3D技術是一種采用視差障壁技術、柱狀透鏡技術或者夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板MLD技術，實現在不使用專用眼鏡的情況下，觀看圖像及文字時呈現突出屏幕的3D效果。裸眼3D技術可以廣泛應用于臺式計算機顯示器、筆記本計算機顯示器、3D廣告機、移動3D電視、手機、平板電腦等領域，具有巨大的市場價值。

立足國需 服務產業

梁發云2005年畢業于合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，先后在國營企業、船舶重工集團研究所、高新技術企業任職。隨后在南昌大學機電工程學院從事教學科研工作。其研究團隊在裸眼3D技術、機器人立體視覺交互技術等領域做出了出色的成績，獲得多項科技成果獎，并承擔國家自然科學基金、省部級科技項目的研究工作。近20多篇，獲得國家專利10余項。

2012年12月16日，江西省教育部門在南昌組織有關專家召開了“裸眼3D技術理論及應用研究”科技成果鑒定會。鑒定結論為，項目研究內容及成果豐富，創新性明顯，在裸眼3D技術參數評價方法和自動多視點技術研究方面達到了國內領先水平，具有重要的理論意義和實際應用價值。

這一成果研究的光學差分式裸眼3D技術可以作為圖像、視頻、文字的視覺接口，廣泛應用于圖文顯示設備。在攻關過程中，梁發云團隊使用光學差分板固定在液晶顯示屏的前面（或后面）構成前置式與后置式的裸眼3D液晶屏，液晶屏是用TFT-LCD作為圖像顯示單元，左右眼圖像分別顯示在奇列和偶列構成的亞屏幕上，其光學差分組件改變圖像顯示單元上的左右眼圖像傳輸光線，在觀看區域會聚后形成左右眼獨立視區，雙眼接收到各自獨立的互不干擾的圖像，從而獲得立體視覺效果。

技術的關鍵在于裸眼3D光學機理的研究、光學差分組件參數的計算仿真及其設計加工和組裝。成果中的光學差分組件使用液晶技術加工制造，液晶層的厚度控制在8微米，使用電極上的動態驅動信號使液晶分子產生扭轉形成電子光柵，從而產生3D光學差分效應。而在電極無驅動信號時，光學差分組件處于不工作狀態，不對光線進行調制，使得LCD屏兼容于2D顯示。

通過攻關，他們提出了亞屏幕分區、獨立視區及其空間分布特征等理論，完善了裸眼3D技術的光學機理研究；探索了立體度參數及相應測試方法，完成裸眼式3D顯示器的質量評價和視覺特性測試研究；提出一種具有特色的不同于柱透鏡原理的自動多視點技術實現方法，在眼睛識別與跟蹤算法和播放軟件等方面進行了深入研究；設計并研制了視差分離光學板，開發了前置式和后置式的多種規格尺寸的裸眼3D顯示器樣機：樣機能形成左右眼圖像完全分離的獨立視區，滿足裸眼觀看3D影像的要求。

他們的成果完善了裸眼3D技術的光學研究，研制了裸眼3D顯示器，具有良好的3D視覺效果；研究了裸眼式3D顯示器的技術質量評價方法及測試儀器，為技術質量測試和建立國家標準提供了依據；自動多視點技術的研究充實了裸眼3D技術研究的內涵。

“裸眼3D技術理論及應用”研究在光學機理、技術質量評價及測試、自動多視點技術等方面的研究成果，對新型顯示技術的發展做出了一定的貢獻。技術性的研究成果可產業化推廣，與光電顯示技術公司合作開發適用產品，服務于社會經濟建設。”

創新前沿 領航發展

裸眼3D技術是光電顯示的重要研究領域，在多行業有重要的應用，為了凝聚研究方向，在光學機理、評價標準和測試方法、視覺特性、3D圖像與視屏信號處理方法、微電子3D電路、3D傳感器、虛擬圖像、3D人機交互等領域加強研究，梁發云組建了裸眼3D技術與虛擬現實技術研究中心。

中心目前承擔了廳委重點科技項目和產學研科技項目的研究開發工作，在產業化應用方面承擔了中小企業創新基金支持的產業化研究。為此，研究團隊成立了南昌興亞光電科技發展有限公司，專門從事裸眼3D技術的成果轉化及產業化工作。

身為科技領軍人的梁發云，不僅是一名孜孜不倦的墾荒者，在科技創新上持之以恒，克服經費和設備短缺等困難，堅持研以之致用，在科學技術的原野上無懼無畏地探索與開拓；而且是一名傳道授業解惑的良師，因為他深知要想有長久不竭的發展動力，技術能力和真才實學在人才培養中至關重要。梁發云在科研中著重培養研究生的實踐能力和創新創業意識，目前已畢業的8名碩士研究生都就職于大型企業和研究所，6名在讀研究生繼續鉆研3D技術的縱深問題。

“裸眼3D技術是新型顯示技術領域的重點發展方向，科技部“十二五”計劃專門規劃了其理論和應用的發展目標。3D技術已經進入產業化階段，特別在消費電子領域具有巨大的市場前景。裸眼3D技術在平板電腦、手機、監控、廣告機、車載等產業方面具有重要應用。市場容量巨大，產業鏈的產值每年上千億。”梁發云說。

最后，他向我們描繪了裸眼3D的藍圖：隨著3D市場的啟動和逐步普及，3D影視作品將加快生產步伐，使大部分的影視劇及視頻節目開始采用3D技術拍攝發行，3D動漫領域也將形成巨大的產能。裸眼3D技術的影像產品適合于中小尺寸的家庭電視機、電腦顯示器、監控設備、樓宇廣告設備、車載影像設備、便攜娛樂影音設備、通訊設備等，產品模塊化、標準化的發展趨勢日益明顯。裸眼3D技術的應用體系非常廣泛，可以形成不同尺寸規格、功能多樣化的技術產品，豐富用戶需求，促進產業鏈發展。

篇9

本文重點對半導體硅材料，GaAs和InP單晶材料，半導體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點半導體微結構材料，寬帶隙半導體材料，光子晶體材料，量子比特構建與材料等目前達到的水平和器件應用概況及其發展趨勢作了概述。最后，提出了發展我國半導體材料的建議。

關鍵詞 半導體 材料 量子線 量子點 材料 光子晶體

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2 GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的Picogiga MBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的Lars Samuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67 GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256 GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2 GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

本文限于篇幅，只討論了幾種最重要的半導體材料，II－VI族寬禁帶與II－VI族窄禁帶紅外半導體材料，高效太陽電池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及發展迅速的有機半導體材料等沒有涉及。

篇10

關鍵詞 碼盤;穩定性;精度;環境適應性

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）21-0018-02

光電編碼器具有廣闊的應用前景，其在精密機床數控、精確測角等領域發揮了巨大的作用。隨著材料科學的發展，光電編碼器碼盤材料得到了提高，從而拓寬了光電編碼器的應用領域，在惡劣、振動條件下應用范圍得到了擴展。

1 結構及工作原理

光電編碼器是一個包含光機電三大領域技術的綜合系統，由數據采集和數據處理裝置組成。

安裝時碼盤與電機同軸，當電機旋轉時，碼盤與電機就會相應的同速旋轉，經發光、接收管組成的數據采集裝置在機械位移中，轉換成若干個光電信號，經單片機邏輯處理，輸出相應脈沖。

1）主體。采用光、機、電一體，全封閉結構。外殼選擇鑄鋁成型，優點：具有強度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結構圖

2）碼盤。光柵盤是在一定直徑的金屬片上開通若干個等分的長方形孔，以通和不通刻線，分別代表數字量的“1”和“0”。

用玻璃碼盤或塑料碼盤，導致數據采集裝置和數據處理裝置不能可靠的接收到光信號，不能準確傳遞速度反饋信息，使調速系統的信號與實際值出現偏差，導致系統誤動作，而引發生產事故。碼盤選擇低膨脹系數的金屬片制成。優點：在高溫環境下不變形，并具有抗沖擊、抗振動能力，如圖2所示。

圖2 光電編碼器金屬碼盤

2 技術改進措施

1）獲取A、B相信號。將機械軸上的幾何位移量，轉換成數字信息量的過程，是由光電變換信號產生的，處理光電編碼器光電變換過程，是系統重要環節。

①“田”字排列光電接收器。

光敏器件是將光信息轉換成電信息（即通過光信號產生受控電信號）的器件。采用光敏器件為田字排列整體封裝，如圖3所示。

0 90

270 180

圖3 雙排布局裂相指示光柵示意圖。

田字排列的四裂相接收器，在光電編碼器應用中，稱之為四裂相讀取法，在碼盤與光源相對位移中，可以準確獲取四路各相差90°度正弦信號。其特點是：對照明不均勻有部分補充作用，可以消除軸系晃動、碼盤安裝偏心、刻劃半徑不等以及某些不對稱變形引起的數據誤差。

②安裝四相線光電接收器。

本文方法是將一個設計好光路的凸型透鏡與四相線光電接收器固定在一基座上，不采用指示光柵，克服了傳統光電編碼器的易受干擾缺點。

發光管發出的光，通過光柵經透鏡，光電接收器上直接裂相，獲取四路相差90°度的正弦信號。通過差分放大電路，變成兩路相差90°度的正弦SIN與余弦COS波形，如圖4所示。

圖4 輸出波形圖

2）獲取零位脈沖信號。傳統光電編碼器莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，光柵固定在主軸上隨之一起移動，指示光柵與基座固定在一起。由于光束透過光柵及指示光柵過程中，必然存在雜光，所以接收管輸出帶有不同程度的殘余電壓，也稱之為次峰，在不同環境下，會產生計數錯誤，造成零位誤差。本文是不要指示光柵，而將兩個光電接收管粘合，與基座固定在一起。發光管發出的光，通過光柵直接裂相獲取兩路相差45°的零位脈沖信號。如圖5所示。

圖5 零位脈沖信號

圖6 零位脈沖處理電路

兩個光電接收管直接獲取最大通光量，接收管輸出可達到最大量的效果，所以我們將兩路零位脈沖信號，直接用電子學進行邏輯處理，將比較器電路組合成與門邏輯關系如圖6所示。

從零位波形圖中可以看出，波形斜率在高低溫環境下，變化很小，可以準確定位起始點，同時也提高了計數精度。

3 結論

本文通過將光電編碼器的碼盤改變為金屬材質，提高了光電編碼器的環境適應性;通過獲取A、B相信號及獲取零位脈沖信號兩方面的改進提高電路的抗干擾性及穩定性。

通過本文的改進措施提高了光電編碼器的應用領域，提高了抗惡劣環境的能力。

參考文獻

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