1-光子學(xué)研究進(jìn)展10-12-13

1、1,李淳飛哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系 光學(xué)重點(diǎn)學(xué)科,光子學(xué)研究進(jìn)展,2,報(bào)告人簡(jiǎn)介,3,哈爾濱工業(yè)大學(xué),4,5,6,非線(xiàn)性光學(xué)信息處理國(guó)家重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室,物理學(xué)科,現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所,光電子材料研究室,光雷達(dá)技術(shù)研究室,光學(xué)信息處理研究室,非線(xiàn)性光子學(xué)研究室,,,,,,,,,,哈工大理學(xué)院物理系學(xué)科情況,凝聚態(tài)物理研究中心,,原子分子低維結(jié)構(gòu)研究室,凝聚態(tài)超快過(guò)程研究室,功能復(fù)合材料研究室,極端條件凝聚態(tài)研究室,,,,,,,重離子碰

2、撞物理研究室,,7,哈工大物理系光學(xué)學(xué)科＊首批光學(xué)博士點(diǎn)1981年＊建立應(yīng)用物理系1985年＊光學(xué)重點(diǎn)學(xué)科1987年＊國(guó)家重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室1989年 ＊特聘教授授予點(diǎn)1999年＊物理學(xué)科博士后點(diǎn) 2003年,8,,李淳飛簡(jiǎn)介,1956年入哈工大電機(jī)系，1959年入物理專(zhuān)業(yè)，1961畢業(yè)； 1962-1965年在吉林大學(xué)理論物理專(zhuān)業(yè)進(jìn)修； 1 982-1996年 3 次去美國(guó)

3、亞利桑那大學(xué)合作研究； 1985年起被聘為哈工大物理系教授、博士導(dǎo)師、 光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科帶頭人； 1985-1998年為哈工大物理系主任； 1989年起任哈工大“現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所”所長(zhǎng)； 2004年起任華南師范大學(xué)兼職教授。,9,1987－1989年首屆國(guó)家高技術(shù)（863）信息領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T 會(huì)委員、光電子器件專(zhuān)家組專(zhuān)家；1984－2006年被選為中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事；1984-2007年任國(guó)家教育部物理教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委

4、員；1992年起享受?chē)?guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼； 美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA)、光學(xué)工程學(xué)會(huì)（IEEE）國(guó)際會(huì)員光學(xué)學(xué)報(bào)、光子學(xué)報(bào)、非線(xiàn)性光學(xué)物理與材料雜志編委；曾任上海光機(jī)所、長(zhǎng)春物理所學(xué)術(shù)委員會(huì)委員；曾任上海交通大學(xué)、山東大學(xué)的兼職教授。,10,研究方向: 非線(xiàn)性光學(xué)，光子學(xué)，光開(kāi)關(guān)，納米光子學(xué)。 發(fā)表論文：總計(jì) 300篇，其中SCI論文約100篇。 著書(shū)3本： “非線(xiàn)性光學(xué)”、“全光開(kāi)關(guān)原理”、

5、 “光子學(xué)技術(shù)與應(yīng)用”（副主編）。 科研項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)，博士點(diǎn)基 金3項(xiàng), 863項(xiàng)目2項(xiàng), 國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目2項(xiàng)。 獲獎(jiǎng)4項(xiàng)： 教育部 3 項(xiàng)，航天部1項(xiàng)。 學(xué)術(shù)訪(fǎng)問(wèn)：美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利、 加拿大、澳大利亞、俄羅斯、韓國(guó)、泰國(guó)、新加坡等。 培養(yǎng)研究生：博士35人、碩士44人、博士后1人。,11,本人的科學(xué)研究路線(xiàn),物理學(xué)—光學(xué)——

6、光子學(xué)——納米光子學(xué) 非線(xiàn)性光學(xué)——全光開(kāi)關(guān)—納米全光開(kāi)關(guān),,,,,12,13,14,15,16,系列講座題目,1. 光子學(xué)研究進(jìn)展 2. 納米光子學(xué)進(jìn)展 3. 光纖通信器件 4. 全光開(kāi)關(guān)原理,17,光子學(xué)的發(fā)展 光子技術(shù)進(jìn)展 硅光子學(xué)簡(jiǎn)介,“光子學(xué)研究進(jìn)展”,18,光子學(xué)的發(fā)展,19,20,相似點(diǎn)： 1. 電子學(xué)和光子學(xué)都出自18世紀(jì)的物理學(xué)；2. 電子和光子都是電磁波、基本粒子；

7、 3. 器件尺寸的發(fā)展：大尺寸— 微米 — 納米。不同點(diǎn)： 1. 電子帶電，有利實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息處理； 2. 光子不帶電，有利實(shí)現(xiàn)寬帶、并行傳輸。 3. 光子學(xué)比電子學(xué)發(fā)展慢： * 相干源的出現(xiàn)光比電晚2個(gè)世紀(jì)；光子學(xué)誕生比電子學(xué)晚半個(gè)世紀(jì)； * 實(shí)現(xiàn)“光控光”的全光開(kāi)關(guān)比實(shí)現(xiàn)“電控電”的晶體管晚1個(gè)世紀(jì)。,光子學(xué)與電子學(xué)比較,21,光子學(xué)： 研究相干光子的產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)、處理、

8、 以及與物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光子學(xué)：基于相干光子（激光）的現(xiàn)代光學(xué) （光子學(xué) = “激光科學(xué)” = “現(xiàn)代光學(xué)”）光子學(xué)：以光子作為信息和能量載體的科學(xué)微米光子學(xué) — 微米尺度的光子學(xué)納米光子學(xué) — 納米尺度的光子學(xué),光子學(xué)的定義,22,傳統(tǒng)光學(xué)——基于非相干光子的波動(dòng)光學(xué) 歷史： 從18世紀(jì)—20世紀(jì)60年代 理論： 幾何光學(xué)（放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡…）

9、 物理光學(xué)（干涉、衍射、偏振…) 光譜學(xué)（包括顏色光學(xué)、大氣光學(xué)…） 應(yīng)用：工程光學(xué) 光學(xué)材料加工 光學(xué)元件加工 光學(xué)儀器制造,傳統(tǒng)光學(xué),23,光子學(xué)理論（現(xiàn)代光學(xué)）,1960年激光器產(chǎn)生以后，圍繞激光研究建立了光子學(xué)的基礎(chǔ)理論：1.激光物理學(xué) -研究激光器—相干光子源的產(chǎn)生與激光特性；2.傅立葉光學(xué) -研究光子

10、的相干性，應(yīng)用于模擬光信息處理；3.非線(xiàn)性光學(xué) -研究光子與物質(zhì)相互作用，數(shù)字光信息處理；4.導(dǎo)波光學(xué) -研究光子信息在光纖和平面波導(dǎo)中的傳輸；5.量子光學(xué) -研究光子的量子性，量子通信、量子計(jì)算等。,激光技術(shù)（1960-1970年）： 氣體、液體、固體激光器的制造；用于激光準(zhǔn)直、激光 加工、激光全息、激光光譜、激光雷達(dá)，激光醫(yī)學(xué)等。,24,光子學(xué)的兩個(gè)發(fā)展階段（從器件尺度看）,,,微米光子學(xué),

11、納米光子學(xué),光子學(xué),,25,微米光子學(xué)與納米光子學(xué)比較,26,時(shí)間： 1970年-2000年 微米光子學(xué)：1970年微米尺寸的光纖、室溫半導(dǎo)體 激光器和集成光學(xué)的發(fā)明，促進(jìn)了光 纖通信技術(shù)的發(fā)展，誕生微米光子學(xué) 光電子學(xué)： 微米光子學(xué)的主要器件是電子驅(qū)動(dòng)的 光子器件，故稱(chēng) 為光電子學(xué) 結(jié)論： 微米光

12、子學(xué) = 光電子學(xué),微米光子學(xué)（光電子學(xué)）,27,1. 信息光子學(xué)： 光通信、光計(jì)算、光顯示、光存儲(chǔ)、光傳感等； 2. 能源光子學(xué)： LED光照明, 太陽(yáng)能電池，激光加工技術(shù)等； 3. 生物光子學(xué)： 用光譜、聲光等光電子技術(shù)研究生物學(xué)與醫(yī)學(xué)；

13、 4. 光電子集成： 光子與電子器件共集成的功能集成芯片技術(shù)。 例：光通信收發(fā)芯片、波分復(fù)用器芯片、光交換器芯片、 光照明LED芯片、太陽(yáng)能電池芯片、生物芯片等。 光電子集成芯片技術(shù)——光電子學(xué)的核心技術(shù)。,光電子學(xué)主要

14、研究?jī)?nèi)容,28,時(shí)間：2000年— 形成：由于近場(chǎng)光學(xué)的進(jìn)展，突破了光的衍射 極限，促進(jìn)了納米尺度下光與物質(zhì)相互 作用的研究，光子學(xué)與納米科學(xué)結(jié)合形 成了納米光子學(xué)。 結(jié)論：光子學(xué) + 納米科學(xué) = 納米光子學(xué),納米光子學(xué),29,1. 納米光子材料： 光子晶體、金屬-電介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)和量子線(xiàn)、

15、 以及納米顆粒、納米硅晶、納米復(fù)合材料等。 2. 納米材料加工： 半導(dǎo)體外延，電子、離子束刻蝕，多光子聚合， 膠體自組裝，化學(xué)合成，溶膠－凝膠，模板壓印等。 3. 納米光子器件： 低功耗、高速度、光控光器件：納米尺寸器件； 用納米材料的器件；具有納米結(jié)構(gòu)的光電子器件。 4. 納米測(cè)量技術(shù)： 時(shí)間

16、和空間上的超高分辯率測(cè)量技術(shù)：近場(chǎng)光學(xué)顯微 鏡、近場(chǎng)光學(xué)光譜儀、光鑷技術(shù)、飛秒激光技術(shù)。,納米光子學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,30,光子技術(shù)進(jìn)展,31,光子技術(shù)定義,光子技術(shù)－以光子作為信息和能量載體的技術(shù),（1）信息光子技術(shù)—光子作為信息載體 光信息的產(chǎn)生、傳輸、處理、探測(cè)、顯示、存儲(chǔ)…,（2）能源光子技術(shù)—光子作為能量載體 光能與其他能量的轉(zhuǎn)換技術(shù)。,還有生物光子技術(shù)、消費(fèi)光子技

17、術(shù)、軍用光子技術(shù)…,32,光子技術(shù)主要推動(dòng)力：市場(chǎng)的需要光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特征：消費(fèi)性產(chǎn)品引領(lǐng)市場(chǎng)走向1980－2010年全球光子市場(chǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)－3C+SE：,計(jì)算機(jī) （Computer）,消費(fèi)性產(chǎn)品（Consumer）,通信（Communication）,傳感（Sensor）,能源（Energy）,光盤(pán)、光顯示、輸入輸出設(shè)備光纖、有源、無(wú)源光電子器件、系統(tǒng)錄像光盤(pán) DVD、液晶電視 LCD、手機(jī)照明 LED、數(shù)碼相

18、機(jī) CCD光纖光柵傳感器 （FBG、LPFG）太陽(yáng)能電池 SC（光伏型、光熱型）,光子技術(shù)與光子產(chǎn)業(yè),33,光子產(chǎn)業(yè)的內(nèi)容和分類(lèi),科研,軍事,能源,交通,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)療,環(huán)保,文娛,光子產(chǎn)業(yè),光通信產(chǎn)業(yè),光信息產(chǎn)業(yè),激光產(chǎn)業(yè),光學(xué)產(chǎn)業(yè),34,2001年全球光子產(chǎn)業(yè)概況,,,35,2002年－2006年全球各類(lèi)光子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化比較,億美元,36,總產(chǎn)值達(dá) 800 多億人民幣。 超過(guò)百億的：光通信、光顯示、光盤(pán)存儲(chǔ)等。 前5個(gè)城

19、市排名： 深圳（293億元，36％） 上海（210億元，26％） 武漢（187億元，23％） 廣州（120億元，15％） 長(zhǎng)春（70億元， 8％） 廣東珠江三角洲地區(qū)的產(chǎn)值約占全國(guó)的一半。,2001年我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì),37,改革開(kāi)放以來(lái)，特別是2000－2001年國(guó)際信息市場(chǎng)處于 低潮，國(guó)外的光子產(chǎn)業(yè)向廣東地區(qū)轉(zhuǎn)移，大量資金投向 廣東興建光子企業(yè)。 全國(guó)的光通信與激光龍頭企業(yè)有：華為、

20、中興、飛通、 杰迪訊、光聯(lián)、大族等。 形成了由廣州、深圳、東莞、惠州、佛山、珠海、中山、 江門(mén)等市組成的光子產(chǎn)業(yè)帶。 產(chǎn)值占全國(guó)的一半。成為全國(guó)、全球重要光子產(chǎn)業(yè)基地。,廣東省的光子產(chǎn)業(yè),38,信息技術(shù)的發(fā)展階段,39,通信：信號(hào)的傳輸－光子技術(shù)（光纖通信系統(tǒng)） 信號(hào)的交換－電子技術(shù)（電子交換器）計(jì)算：計(jì)算機(jī)CPU－電子技術(shù)（半導(dǎo)體電子芯片） 計(jì)算機(jī)外設(shè)－光子技術(shù)（光盤(pán)、顯示、輸入輸出）傳感：

21、傳感元件－光子技術(shù)（光纖傳感器和光纖網(wǎng)絡(luò)） 信號(hào)處理－電子技術(shù)（解調(diào)器、電子開(kāi)關(guān)）,信息技術(shù)現(xiàn)狀—光電混合,光子技術(shù)優(yōu)勢(shì)：信息傳輸－帶寬大，并行性好，存儲(chǔ)量大，速度快電子技術(shù)優(yōu)勢(shì)：信息處理－采用晶體管進(jìn)行信息處理，能力強(qiáng),40,41,（1）光纖通信的寬帶、并行傳輸大大優(yōu)越于電子通信， 已實(shí)現(xiàn) “全光傳輸”，有待實(shí)現(xiàn)“全光交換”。（2）光纖通信的器件與系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光纖傳 感、巨

22、型計(jì)算機(jī)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。（3）光纖通信的發(fā)展前景是光纖網(wǎng)絡(luò)，目前正在解決 100G傳輸速率，三網(wǎng)融合，光纖到戶(hù)問(wèn)題。,信息光子技術(shù)的核心技術(shù) ——光纖通信技術(shù),42,光網(wǎng)絡(luò)在21世紀(jì)的戰(zhàn)略地位—世界經(jīng)濟(jì)行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施排名（國(guó)外專(zhuān)家預(yù)測(cè)）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,光網(wǎng)系統(tǒng),國(guó)際機(jī)場(chǎng),高速公

23、路,港口,工業(yè)園區(qū),43,一、發(fā)展波分復(fù)用技術(shù)（全波化） 1、C 波段 (1.55?m) , 傳輸速率>1Tb/s 2、全波段(>400nm), 傳輸速率>10Tb/s二、發(fā)展通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（全光化） 1、光纖到戶(hù)：三網(wǎng)合一 2、全光網(wǎng)： 全光傳輸＋全光交換三、發(fā)展光子器件技術(shù)（集成化） 1、同材料光子晶體器件集成 2、光子/電子器件硅基共集成,光通信的發(fā)展趨勢(shì),44,存在問(wèn)題： 光纖通

24、信器件的材料不統(tǒng)一，不便集成化，成本高；2. 光通信技術(shù)是光電混合的，電子交換器效率比較低。 發(fā)展方向：1. 實(shí)現(xiàn)光、電器件同材料共集成；2. 實(shí)現(xiàn)基于全光開(kāi)關(guān)的全光交換。,光纖通信的問(wèn)題與發(fā)展方向,45,光纖通信系統(tǒng)發(fā)射端的光器件的材料不統(tǒng)一,46,1、光子與電子器件硅基共集成 （1）解決硅材料發(fā)光困難問(wèn)題，采用納米硅做激光器 （2）解決硅材料非線(xiàn)性低問(wèn)題，用納米尺寸全光開(kāi)關(guān) 2、采用其它納米光子技術(shù) （1

25、）光子晶體器件的集成 （2）金屬-電介質(zhì)表面等離子激元器件的集成 總之，實(shí)現(xiàn)光子器件材料的統(tǒng)一，要靠納光子技術(shù)。,光通信器件材料統(tǒng)一的可能途徑,47,“光信號(hào)傳輸”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全光化,采用 DWDM 和 EDFA 器件的 DWDM 全光系統(tǒng),48,“光信號(hào)交換”有待實(shí)現(xiàn)全光化,49,OXC（光交叉連接）,由 20個(gè) 2?2 光開(kāi)關(guān)組成的 8?8 OXC模塊,50,OADM（光分插復(fù)用）,由 M個(gè) 2?2 光開(kāi)關(guān)組成的 OADM 模

26、塊,51,目前使用的光開(kāi)關(guān)——電控光開(kāi)關(guān),缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度慢（ms-ns）；需要光—電—光轉(zhuǎn)換。,利用電光、磁光、聲光、旋光、熱光、MEMS…效應(yīng)制成,52,原理：用非線(xiàn)性光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)以光控光 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換；開(kāi)關(guān)速度快(ns-fs) 問(wèn)題：研究半世紀(jì)，大量投資、發(fā)表大量論文，但 尚無(wú)實(shí)用產(chǎn)品。 原因：1.開(kāi)關(guān)功率太大，光吸收大，不能級(jí)聯(lián)使用； 2.開(kāi)關(guān)的關(guān)閉速度受載流子復(fù)合壽命的限制； 3

27、.開(kāi)關(guān)功率與開(kāi)關(guān)時(shí)間矛盾，功耗小速度慢。,全光通信的關(guān)鍵技術(shù)——全光開(kāi)關(guān),53,實(shí)用要求：開(kāi)關(guān)功率 ? mw （光信號(hào)功率） 開(kāi)關(guān)時(shí)間 < ns （電子器件速度）吸收損耗 <0.1dB (可級(jí)聯(lián)） 解決途徑： 1. 采用納米尺寸器件 2. 采用飛秒激光技術(shù) 3. 采用高非線(xiàn)性材料 實(shí)現(xiàn)全光通信，要靠納米光子技術(shù)和超快技術(shù)。,54,信息光子技術(shù)的關(guān)鍵技

28、術(shù)之一——光顯示技術(shù),55,薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD） 等離子體顯示器（PDP） 發(fā)光二極管顯示器（LED） 有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（OLED） 量子點(diǎn)發(fā)光二極管顯示器（QD-LED） 硅基液晶顯示器 (LCOS) 場(chǎng)致發(fā)射顯示器（FED） 數(shù)字微鏡顯示器（DMD） 微透鏡三維平板光顯示器,平板光顯示器,56,液晶顯示器原理,未加電壓時(shí)，兩垂直取向模使相列液晶分子成90度扭曲排列，偏振光的偏振方

29、向旋轉(zhuǎn)90度，因此光可以通過(guò)正交的兩偏振片。,57,加電壓時(shí)，液晶分子順電場(chǎng)方向排列，偏振光通過(guò)液晶不改變偏振方向，因此不能通過(guò)正交的偏振片組成的液晶盒。,58,薄膜晶體管液晶顯示器,TFT 的作用是電子開(kāi)關(guān)，三端器件：在玻璃基版上有Si半導(dǎo)體層，上兩邊分別有的源極和漏極，下面有柵級(jí)，在柵極上施加電壓來(lái)控制源極和漏極間的電流。,59,場(chǎng)致發(fā)射光顯示（FED）,基于場(chǎng)致電子發(fā)射原理，有三種模型：金屬在強(qiáng)電場(chǎng)下隧穿勢(shì)壘向真空發(fā)射金屬－絕

30、緣體－真空模型 (MIV) 金屬－絕緣體－金屬模型 (MIM),* 模型 2 和 3是 由NS. Xu 和R. V. Latham 首先提出。,60,1. 微尖陣列型FED顯示器,61,2. 碳納米管(CNT) 型FED顯示器,62,等離子體顯示器,原理：電場(chǎng)引起氣體放電產(chǎn)生真空紫外光，激 發(fā)涂覆的紅、綠、蘭三基色熒光粉，經(jīng) 調(diào)制與混色實(shí)現(xiàn)彩色顯示。特點(diǎn)：1. 易實(shí)現(xiàn)大面積顯示 2. 成本低（LCD的十分之一）

31、分類(lèi)：1. 直流型； 2. 交流型： (1) 表面放電 (2) 對(duì)向放電,63,交流對(duì)向放電型等離子體顯示板的單元結(jié)構(gòu),64,納米光顯示,核殼量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)（2 —10nm） 材料：不同尺寸發(fā)不同顏色,——量子點(diǎn)膠體光顯示技術(shù)：,65,可制備發(fā)紅、橙、黃、綠四種顏色光的QD-LED器件,QD-LED光顯示器件,66,微納圖形化關(guān)鍵技術(shù) ? 大幅面微透鏡陣列制

32、造 新型顯示技術(shù)與材料：低功耗、超薄、立體、有機(jī)TFT,3D數(shù)字化處理 + 微透鏡陣列?立體平板顯示,3D光波前微納結(jié)構(gòu)處理 + 微納光刻?虛擬三維實(shí)現(xiàn),微透鏡三維平板顯示技術(shù),67,微透鏡陣列,68,三代光存儲(chǔ)：光盤(pán)存儲(chǔ)——2維（表面）光存儲(chǔ) 雙光子光存儲(chǔ)—— 3 維（體）光存儲(chǔ) 金屬納米桿光存儲(chǔ)—— 5 維（+2 偏振）光存儲(chǔ)Nanorod（Au）（長(zhǎng)約20nm),信息光子技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一——光存儲(chǔ)技術(shù),

33、69,金屬納米桿光存儲(chǔ) 雙光子激發(fā)， 多光子熒光讀出 可控：改變激光脈沖重復(fù)頻率和偏振 吸收光譜與長(zhǎng)度尺寸相關(guān)：長(zhǎng)偏紅，短偏藍(lán) 多層介質(zhì)（10層），還不可擦除 提高存儲(chǔ)密度 3 個(gè)數(shù)量級(jí),70,《自然》雜志報(bào)道：澳大利亞開(kāi)發(fā) 1萬(wàn)G 超級(jí)DVD（斯溫伯爾尼理工大學(xué)已與韓國(guó)三星公司就技術(shù)轉(zhuǎn)讓達(dá)成協(xié)議）,將納米結(jié)構(gòu)的材料合成到一張碟片上，在不增加碟片大小的情況下增加數(shù)字容量。三維電視和超高清晰視覺(jué)享受時(shí)代即將來(lái)臨,一

34、張普通DVD可以存儲(chǔ)8.5GB信息，但走向市場(chǎng)預(yù)計(jì)需要10年,71,（2）能源光子技術(shù)—光子作為能量載體 光能與其他能量的轉(zhuǎn)換技術(shù)：,當(dāng)前重點(diǎn)： 太陽(yáng)能光伏發(fā)電——太陽(yáng)電池半導(dǎo)體光照明——LED,72,能源光子技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一——半導(dǎo)體光照明（LED）,,73,人類(lèi)經(jīng)歷過(guò)2次照明革命：火——白熾燈、熒光燈——半導(dǎo)體光源（LED ） (20世紀(jì)) (21世紀(jì))

35、LED光源的優(yōu)點(diǎn)：1) 高效節(jié)能：減少全球照明用電50％和總耗電10％; 2) 節(jié)約經(jīng)費(fèi)：節(jié)約燈、燈具、電費(fèi)的開(kāi)支每年2500億美元;3) 綠色環(huán)保：可以減少CO2和SO2的排放量達(dá)到3.5萬(wàn)噸;4) 長(zhǎng)壽命： LED光源比白熾燈壽命長(zhǎng)100倍；比熒光燈長(zhǎng)5倍。,74,LED光源與傳統(tǒng)光源的比較,75,高亮度LED種類(lèi)與技術(shù),76,InGaN / GaN 雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED器件原理,77,有機(jī)薄膜 OLED 器件原理,7

36、8,白光 LED1. 藍(lán)光InGaN LED激發(fā)YAG-Ce熒光粉產(chǎn)生白光（見(jiàn)圖）。2. 紫外光GaN LED激發(fā)三基色熒光粉產(chǎn)生白光。3. 紅、綠、藍(lán)三基色的 LED組合成白光光源。,79,地球表面每年接收到的太陽(yáng)輻射能量高達(dá)：1）太陽(yáng)是人類(lèi)最豐富的能源2）太陽(yáng)能是最潔凈的能源3）太陽(yáng)能可就地開(kāi)發(fā)不需運(yùn)輸,能源光子技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一——太陽(yáng)能電池（SC）技術(shù),80,光伏太陽(yáng)電池,太陽(yáng)能優(yōu)點(diǎn) ：1）太陽(yáng)能是最豐富的

37、能源 2）太陽(yáng)能是最潔凈的能源 3）太陽(yáng)能不需運(yùn)輸可就地開(kāi)發(fā),各種能源耗盡的年份,81,太陽(yáng)電池發(fā)展簡(jiǎn)史,1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出首個(gè)硅太陽(yáng)電池（效率6％）1958年硅太陽(yáng)電池第一次在太空應(yīng)用1979年我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)單晶硅電池80年代中期引進(jìn)國(guó)外設(shè)備形成我國(guó)的制造產(chǎn)業(yè)2009提出太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃和金太陽(yáng)示范工程 太陽(yáng)電池產(chǎn)品國(guó)際年增長(zhǎng)率：達(dá)到50%。 光伏發(fā)電提供全球電能：現(xiàn)

38、在2%，2040年達(dá)到25%,82,太陽(yáng)能利用的物理效應(yīng)——光伏效應(yīng) 太陽(yáng)電池——光電轉(zhuǎn)換效率最高的半導(dǎo)體p-n結(jié)光伏器件 太陽(yáng)電池按材料分類(lèi)： 硅太陽(yáng)電池 （多晶硅-效率20%、單晶硅-效率25%） 化合物太陽(yáng)電池（硫化鎘、硒銦銅、碲化鎘、砷化鎵、磷化銦） 有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池 納米太陽(yáng)電池 (納米硅電池、二氧化鈦納米電池) 太陽(yáng)電池產(chǎn)品年增長(zhǎng)率：達(dá)到50%。 光伏

39、發(fā)電提供全球電能：現(xiàn)在2%，2040年達(dá)到21-26%,83,太陽(yáng)光伏電池原理,半導(dǎo)體p-n結(jié)光伏器件,84,第一代 體太陽(yáng)電池： 單晶硅（25%），多晶硅（20%）（效率較高，成本高） 化合物電池：硫化鎘、硒銦銅、碲化鎘、砷化鎵、磷化銦 第二代 薄膜太陽(yáng)電池： 多晶硅，CdTe，CuInSe，有機(jī)薄膜（成本低，效率低 10%） 第三代 納米太陽(yáng)電池： 量子點(diǎn)、量子阱納米硅電池，二氧化鈦納米電池，

40、 a-Si/C-Si異質(zhì)結(jié)(增加紅外吸收)…（效率高，成本低） 實(shí)驗(yàn)室發(fā)光效率：42.8％；理論極限為 86.8 %）,太陽(yáng)電池分類(lèi),85,第三代太陽(yáng)電池的預(yù)期效率與每瓦造價(jià)示意圖 第三代太陽(yáng)電池造價(jià)與第二代基本相當(dāng)，但效率是第一代的3倍 Science Vol. 315, 798 (2007),86,87,在光伏材料表面做二維納米透鏡、光柵或納米小孔， 有很強(qiáng)增透作用； 涂以金屬納米顆

41、粒，可使光的吸收能力提高約2-3倍。,表面增透與納米吸波結(jié)構(gòu),88,表面納米陷波結(jié)構(gòu),分布反射和光柵結(jié)構(gòu)使入射光反射、衍射，增加傳播光程，增強(qiáng)硅材料對(duì)光波的吸收,89,納米結(jié)構(gòu)光伏材料——黑硅,以飛秒激光脈沖照射SF6氣體中的硅晶，在硅表面形成高溫、高壓，揮發(fā)SF4，形成高度300 nm、間隔1 ?m的尖峰狀結(jié)構(gòu)——“黑硅”，該結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)300-2300nm 的光有90%的超高吸收（哈佛大學(xué)）,90,我國(guó)光電子技術(shù)現(xiàn)狀 光電子

42、技術(shù)有較大的發(fā)展，建立了幾個(gè)產(chǎn)業(yè)基地； 光電子產(chǎn)業(yè)缺乏核心技術(shù)，只能封裝進(jìn)口的芯片； 要加強(qiáng)半導(dǎo)體工藝平臺(tái)建設(shè)，自主開(kāi)發(fā)芯片技術(shù)； 要加強(qiáng)納米光子學(xué)研究，對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)。,91,硅光子學(xué)簡(jiǎn)介,92,硅的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：1、硅襯底材料廉價(jià)2、工藝成熟，穩(wěn)定性好3、對(duì)1.3?m和1.55?m波長(zhǎng)透明4、有光子與電子共集成的潛力5、高導(dǎo)熱性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)高集成度6、可精確微加工；單模波導(dǎo)截面 小達(dá)0

43、.5?m；損耗 <0.1dBcm-17、自然氧化對(duì)包層和電絕緣有利,缺點(diǎn)：1、非直接帶隙， 難作光源 （采用納米硅）2、低光學(xué)非線(xiàn)性 （采用環(huán)腔）,93,硅波分復(fù)用器（AWG） 硅微機(jī)電光開(kāi)關(guān)（MEMS） 硅基熱光開(kāi)關(guān) 硅基環(huán)腔光開(kāi)關(guān) 硅光放大器 硅發(fā)光二級(jí)管（LED） 硅激光器（LD）,硅光子學(xué)材料與器件,硅基光纖 硅基光波導(dǎo) 硅基光子晶體 硅基納米材料 硅電光調(diào)制器

44、 硅光電探測(cè)器 硅基光互連,94,硅基納米結(jié)構(gòu)多孔硅（Porous Silicon – PS）硅納米晶體（Silicon Narocrystals – Si-nc)量子阱、量子線(xiàn)、量子點(diǎn)（Quantum Wells，Wires and Dots),95,德國(guó) Max Planck 科學(xué)家用相分離法將無(wú)定型SiO/SiO2超晶格材料加熱至11000C再退火結(jié)晶，得到納米硅晶體,硅納米晶體的制造,96,硅納米晶體LED

45、的設(shè)計(jì),在SiO2層中摻發(fā)光的Si-nc，有波長(zhǎng)600－900nm 的熒光輻射，光發(fā)射主要發(fā)生在納米硅/氧化硅界面的發(fā)光中心上。,97,2kW/cm2、390nm的泵浦光下，800nm探測(cè)光被放大,硅納米晶體光泵放大,98,硅上絕緣體（SOI）波導(dǎo)受激拉曼放大,泵浦脈沖激光波長(zhǎng)1.545?m, 脈沖寬度短于載流子復(fù)合壽命，抑制因雙光子吸收在硅中形成的自由載流子的產(chǎn)生率，從而降低損耗。,99,硅波導(dǎo)拉曼激光器Optics Expres

46、s 12（21）,用1540nm 波長(zhǎng)脈沖激光泵浦硅波導(dǎo)產(chǎn)生25MHz 、1675nm波長(zhǎng)的拉曼激光,100,,硅基混合集成激光器,上面的III-V族半導(dǎo)體激光器靠倏逝波耦合至下面的在SOI波導(dǎo)中去。2007，B. R. Koch 等人設(shè)計(jì),101,陣列波導(dǎo)光柵型器件（AWG),102,納米硅環(huán)腔結(jié)構(gòu)全光開(kāi)關(guān)Natue，431 (28), 2004,103,硅納米線(xiàn)傳感器優(yōu)點(diǎn)：1. 迅衰場(chǎng)比例大 2. 傳感

47、靈敏度高,104,硅光子/電子器件集成回路,105,結(jié) 論,激光的產(chǎn)生使傳統(tǒng)光學(xué)發(fā)展成為光子學(xué)， 光子學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了光電子學(xué)， 光子技術(shù)的應(yīng)用是信息和能源光子技術(shù)， 信息光子技術(shù)的核心是光纖通信技術(shù)， 全光通信的關(guān)鍵是光開(kāi)關(guān)和光交換技術(shù)， 光子學(xué)的下一發(fā)展階段是納米光子學(xué)， 納米光子學(xué)將與納米電子學(xué)將實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。,106,主編 劉頌豪 副主編 李淳飛廣東科技出版社，安徽科學(xué)與技術(shù)出版社,107

48、,1. 緒論2. 光學(xué)材料3. 光學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)4. 激光器技術(shù)5. 光探測(cè)器技術(shù)6. 集成光子技術(shù)7. 納米光子學(xué)8. 光學(xué)信息處理9. 光學(xué)儀器10. 光通信技術(shù),11. 光顯示技術(shù)12. 光照明技術(shù)13. 光存儲(chǔ)技術(shù)14. 光傳感技術(shù)15. 激光加工技術(shù)16. 光輸入輸出設(shè)備17. 生物醫(yī)學(xué)光子技術(shù)18. 環(huán)境監(jiān)測(cè)光子技術(shù)19. 能源光子技術(shù)20. 軍用光子技術(shù),“光子學(xué)技術(shù)和應(yīng)用”編目錄,108,