(完整版)光电技术应用及发展展望.doc

光电技术应用及发展前景

43年前，世界上第一台红宝石激光器诞生。那是的人们可能还没有意识到，由这台激

光器引发、孕育出的光电技术将会给人类的生活带来翻天覆地的变化。随着光电子技术的发展，当今社会正在从工业社会向信息社会过渡，国民经济和人们生活对信息的需求和依赖急

剧增长，不仅要求信息的时效好、数量大，并且要求质量高、成本低。在这个社会大变革时

期，光电子技术已经渗透到国民经济的每个方面，成为信息社会的支柱技术之一。总之，光电子技术具有许多优异的性能特征，这使得它具有很大的实用价值。而今天，光电子产业已经成为了 21 世纪的主导产业之一，光电子产业的参天大树上也结出了丰富的果实，它们包

括但不限于光通信、光显示、光存储、影像、光信号、太阳能电池等，也可以简单地把现在

的光电子产业分为信息光电子（光纤光缆、光通讯设备等）、能量光电子（激光器、激光加

工成套设备、测控仪表、激光医疗设备等）和娱乐光电子（VCD 、DVD 等）等方面。而本文将介绍光电子技术在以下几个领域的应用前景：

一．光通信：

目前，光通信网络行业进入高速发展期，以光纤为技术基础的网络通信现在已经覆盖了

许多地区，我国的光通信技术也走在世界前沿。2011 年，武汉邮科院在北京宣布完成“单

光源 1-Tbit/s LDPC 码相干光 OFDM 1040 公里传输技术与系统实验”，这一传输速率是目前国内商用最快速率（40Gb/s）的25 倍。十年发展，光通信商用水平的最高单通道速率增长

16 倍，最大传输容量增长 160 倍。 2005 年，邮科院实现了全球率先实现在一对光纤上4000 万对人同时双向通话。 2011 年 7 月 29 日，该院在全球率先实现一根光纤承载30.7Tb/s 信号的传输，可供 5 亿人同时在一根光纤上通话，再次刷新了世界纪录。而正在研制中的科技开发项目，有望在 2014 年实现12.5 亿对人同时通话。这一技术打破了美国在该领域保持的单

光源传输世界纪录。在 2012 年的中国光博会上，新技术新产品层出不穷。随着“宽带中国”上升为国家战略，中国得天独厚的优势将使光通信制造企业信心十足。通过对各技术分支专利的分析看出，光传输物理层PHY 和光核心网 OCN 已相对成熟和大规模商用，PHY 作为各类网络传输技术的基础，既有相对成熟、淡出主流研究视野的部分，也有业界正致力于寻求最佳方案的技术点；无光源网络PON 技术作为世界普遍应用的接入网技术，在“光纤到户”、“三网融合” 等概念家喻户晓的今天，已成为各国基础设施建设投资中不可或缺的一部

分；分组传输网 PTN 既是新兴技术，又得到了相对广泛的商用，其在移动回传中的应用使

其成为下一代移动通信网络建设中的一种较优的可选方案，同时相应技术标准正在争议中发展，其技术发展将带来难以估量的商机；智能交换光网络ASON 技术和全光网 AON 技术是光通信网络技术中的前沿技术，目前处于研发的活跃期。

此外，复旦大学近期研发的可见光通讯技术也是光通信的发展前景之一，通过给普通的LED 灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪

烁频率达到每秒数百万次。通过这种方式，LED 灯泡可以快速传输二进制编码。但对裸眼

来说，这样的闪烁是不可见的，只有光敏接收器才能探测。这类似于通过火炬发送莫尔斯

码，但速度更快，并使用了计算机能理解的字母表。使用标准的 LED 照明灯，哈斯与他的同事戈登· 波维创建的研究小组已经达到了两米距离的130 兆比特每秒的传输速度。随着白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED 取代，未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi 数据传输源。想象一下这样的场景：在街头，利用路灯就可以下载电影；在家里，打

开台灯就可以下载歌曲；在餐厅，坐在有 [4] 灯光的地方就可以发微博；即便是在水下，只要有灯光照射就可以上网。LiFi 另一个巨大的好处是在任何对无线电敏感的场合都可以使

用，比如飞机上、手术室里等。

二．光显示：

近年来，人们对显示产品高清、轻薄、节能的需求不断深化，显示领域新技术不断涌现，带动显示产业高速增长，已成为国家科技创新的重点领域和国民经济发展的支柱产业。目前，液晶如日中天，有机发光显示（OLED ）蓄势待发。 OLED 的基本结构是由一薄而透明具半

导体特性之铟锡氧化物 (ITO) ，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治

的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层 (HTL) 、发光层 (EL) 与电子传输层 (ETL) 。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝 RGB 三原色，构成基本色彩。OLED 的特性是自己发光，不像 TFT LCD 需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，加上反应快、重量轻、厚

度薄，构造简单，成本低等，被视为21 世纪最具前途的产品之一。有机发光二极体的发光

原理和无机发光二极体相似。当元件受到直流电（Direct Current ； DC）所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子（Electron ）与空穴（ Hole ）分别由阴极与阳极注入元件，

当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合（ Electron-Hole Capture ）。而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋（Electron Spin）和基态电子成对，则为单重态（Singlet ），其所释放的光为所谓的荧光（Fluorescence）；反之，若激发态电子和基态电子

自旋不成对且平行，则称为三重态（ Triplet ），其所释放的光为所谓的磷光（ Phosphorescence）。

当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（Light Emission ）或热能（ Heat Dissipation ）的方式放出，其中光子的部分可被利用当做显示功能；然有机荧

光材料在室温下并无法观测到三重态的磷光，故PM-OLED 元件发光效率之理论极限值仅25%。很多手机厂商使用 OLED 技术研发出了可弯曲的AMOLED 屏幕， 2013 年 1 月， LG

电子在 CES 上全球首次发布LG 曲面 OLED 电视，这表明全球进入了大尺寸OLED 时代。 9 月 13 日， LG 电子在北京召开电视新品发布会，推出中国第一款LG 曲面 OLED 电视——LG55EA9800-CA ，这标志着中国的OLED 电视时代正式来临。

据市场研究公司iSuppli 最新发表的研究报告称，2013 年全球 OLED（有机发光二极管）电视机出货量将从 2007 年的 3000 台增长到280 万台，复合年增长率为212.3% 。从全球销售收入看， 2013 年全球 OLED 电视机的销售收入将从2007 年的 200 万美元增长到14 亿美元，复合年增长率为206.8% 。 iSuppli 称， OLED 显示技术要对市场产生真正的影响还需要

克服一些挑战。首先，AMOLED 显示屏制造工艺还不充分。随着显示屏尺寸的加大，成品

率损失和制造损失也越来越大。此外， OLED 显示屏材料的使用寿命仍需要提高。 AMOLED 供应商不能保证产量。不过，OLED 电视机也有许多优点。OLED 电视不需要背光，因此比

其它技术更省电和更多做的更薄。OLED 电视响应时间非常快，在观看电视的时候没有移动

模糊的现象。此外，OLED 电视比其它技术的色彩更丰富。

三．光存储

目前主要的光存储技术有光盘存储技术、全息存储技术等，而多阶光存储技术、高清晰光存储技术等也在研发、实践过程中。其中多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，

缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储

在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。多阶光存储是读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质。多阶光存储分为信号多阶

光存储和介质多阶光存储。而对于高清晰度的光存储技术，随着高清晰度电视系统的出现及

使用，更高画面质量和音质节目的出现意味着需要更大容量和更高性价比的物理载体。国内外相继推出了各种高清晰度光盘技术方案，如采用红光技术的EVD 、NVD 、FVD 和采用蓝光技术的 BD 、HD DVD 、CBHD 。如红光技术中的EVD 技术，是我国企业联合研发的基于

红光技术的光存储技术。代表企业为北京阜国数字技术有限公司(开发 EVD 主体系统 )、今典环球公司 (负责 EVD 片源的供应 ) 、新科电子公司 (最先推出 EVD 影碟机的厂商 )。EVD 的

主要特点是：在不改变DVD 物理格式的前提下，使用部分新的音视频编码技术，如在视频

部分EVD 可使用MPEG--2 、H ． 264、 WMV 一 9、 AVS 等，在音频方面使用EVD 独有的

EAC 音频编码技术。而蓝光技术中的HD DVD也采用蓝紫光技术，盘片容量为单面单层 1 5 GB、双层 30 GB ，双面单层30 GB 、双层 60 GB 。HD DVD采用MPEG-4、H．264、WMV 一9 和 MPEG-2 视频编码，音频采用 Dolby Digital Plus 、DTS 、Dolby Digital 和 MPEG Audio

等有损编码和 LPCM 、MLP 和 DTS HD 等无损编码。 HD DVD 兼容现有 DVD ，生产成本也较

低。

四．激光技术

对于激光技术的发展前景，最近比较热的是3D 打印技术和光刻机。

3D 打印技术分为很多种，主要有：

以高分子聚合反应为基本原理的：激光立体印刷术（Stereolithography ， SLA ，有著名的Objet（已和 Stratasys合并）和 FormLabs 为代表） , 高分子打印技术（ Polymer Printing ）,

高分子喷射技术（ Polymer Jetting ）, 数字化光照加工技术（ Digital Lighting Processing ）, 微型立

体印刷术（ Micro Stereolithography ）。其中 SLA 全称 Stereolithography （立体印刷术）。

它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。SLA有两大

类，一种是Objet 为代表的，从下到上打印的。另一种是FormLabs 为代表的，从上往下打

印的。

以烧结和熔化为基本原理：选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering ， SLS，3D 打印行业龙头老大3D System 的看家本领）, 选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting,

SLM ）, 电子束熔化技术（Electron Beam Melting ，EBM ）。而其中SLS 全称Selective Laser

Sintering（选择性激光烧结）。和 SLA 类似， SLS 使用激光。和 SLA 不同的是， SLS 用的不是液

态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接

在一起

以粉末 -粘合剂为基本原理：三维打印技术（Three Dimensional Printing, 3DP， MIT 在

90 年发明的， Zcorp （已被 3D Systems 收购）、 EOS 和 voxeljet 是杰出代表），而这种技术是一

种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体

的技术。 3D 打印机则出现在上世纪 90 年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装

置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接

后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

目前最先进的光刻技术采用的是浸入式光刻技术，浸入式光刻的原型实验在上世纪90 年代开始陆续出现。 1999 年，IBM 的 Hoffnagle 使用 257nm 干涉系统制作出周期为89nm 的

密集图形。当时使用的浸入液是环辛烷。但因为当时对浸入液的充入、镜头的沾污、光刻胶

的稳定性和气泡的伤害等关键问题缺乏了解，人们并未对浸入式光刻展开深入的研究。2002 年以前，业界普遍认为 193nm 光刻无法延伸到65nm 技术节点，而 157nm 将成为主流技术。

然而，157nm 光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈

地吸收 157nm 的光波，只有CaF2 勉强可以使用。但研磨得到的CaF2 镜头缺陷率和像差很

难控制，并且价格相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短，频繁更换镜头让芯片制造

业无法容忍。正当众多研究者在157nm 浸入式光刻面前踌躇不前时，时任TSMC 资深处长

的林本坚提出了 193nm 浸入式光刻的概念。在157nm 波长下水是不透明的液体，但是对于

193nm 的波长则是几乎完全透明的。并且水在 193nm 的折射率高达 1.44，而可见光只有 1.33！

如果把水这样一种相当理想的浸入液，配合已经十分成熟的193nm 光刻设备，那么设备厂

商只需做较小的改进，重点解决与水浸入有关的问题，193nm 水浸式光刻机就近在咫尺了。

同时， 193nm 光波在水中的等效波长缩短为134nm ，足可超越 157nm 的极限。 193nm 浸入

式光刻的研究随即成为光刻界追逐的焦点。在晶圆代工领域，浸入式光刻应用在 45nm 量产

已成为普遍共识。至于 45nm 以下的 32nm 或 22nm 技术节点，采用何种光刻技术却面临业界看法

的分歧。现在可以预见的三条路径是：通过采用折射率更高的浸入液、光刻胶以及光学材料进一

步提高数值孔径，进而满足更高的分辨率需求；在维持现有浸入式光刻技术的前

提下，依靠双重曝光或双重成像技术满足更高的分辨率需求；极紫外光刻技术 (EUV) 。根据 ITRS 预测，随着合适的光刻胶和掩膜版技术的发展， 193nm 浸入式光刻配合双重图形极有

希望成为32nm 节点的主流工艺。不过双重图形技术还存在套刻精度以及由一次光刻变为两

次光刻所引起的生产效率下降等问题。虽然这些双重曝光步骤只可能用于最关键的器件层，但

无论如何，生产能力下降始终是芯片制造商无法泰然处之的问题。至于更小的技术节点，

EUV 的采用在目前看来也许是大势所趋。

五．太阳能电池

太阳能电池一向为人所诟病的是光电转化效率，实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS 薄膜电池效率达19.6%， CdTe 薄膜电池效率达16.7%，非晶硅 (无定形硅 )薄膜电池的效率为10.1%，而我们熟知的晶硅电池

分为单晶和多晶，区别在于所用硅片。单晶硅片由多晶硅原料经拉晶炉拉成单晶棒后再切片

制成，多晶硅片是由多晶硅料经铸锭炉铸成多晶硅锭后再切片制成。由于多晶硅电池的制作

工艺与单晶硅电池差不多。但就转换率看，目前单晶硅电池转换率普遍在16%~18% ，多晶硅电池普遍转换率在15%~16% 。从制作成本比较，多晶硅电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，得到了大量发展。因此多晶硅电池占到晶硅电池量的2/3，占太阳能电池市场份额55% 以上。但是，多晶硅虽然成本占据优势，除了上述转换率低于

单晶硅外，其使用寿命也比单晶硅太阳能电池短。而目前研发的转化效率较高的电池主要有：

1.博世太阳能（阿恩施塔特，德国）和哈梅林太阳能研究所（ISFH ， Emmerthal ，德国）已经使用离子注入指叉背结背接触（IBC ）技术，产生出了2

2.1％的高效晶体硅（C-Si ）的太阳能光伏（ PV ）电池。这是一个博世SE 和 ISFH 的 IBC 技术的联合开发计划。正方形的156 毫米太能能板子上的光伏电池已达到 5.32 瓦峰值输出，创造了单晶硅光伏电池的记录，

组织预计使用该技术将实现更高的电池输出。

2.中电光伏 (CSUN) 日前宣布其单晶太阳能电池转换率再创纪录，达20.26%。中电光伏称其新款破纪录电池是对公司前几代电池产品--Waratah 和 QSAR-- 的结合与突破。通过在传统硅片上使用新结构设计，中电光伏获得了在中国光伏企业内引领转换率水平的ISE 认证。

3.晶澳太阳能 8 月宣布公司旗下“博秀”P-型单晶太阳能电池转换效率已突破20%。而此前不久，公司多晶硅太阳能电池效率也已达到业界领先的18.3%。至此，晶澳太阳能旗下

单多晶电池转换效率均已超过光伏“国八条”里规定的20%及 18%的准入门槛，可谓是意

义重大。

六．其他

此外，光电技术的发展前景还有许多，比如内窥镜定位系统、光学计算机等，其中光学

计算机的研发能够使计算机集成度更高、运算速度更快，科学家估计，到本世纪末，光学计算机可能导致开发出以光为基础的超级计算机，它的运算速度将比现有计算机快 1 万倍。可以预见，这又将带来计算机领域的革命。

光电技术的飞速发展给人类的生活带来了极大的变革，在可见的未来，这种变革还将继续下去，科学技术发展之迅速一向是超过大多数人类的预期的，未来肯定还会出现我们所难

以展望的技术革新，给我们的生活带来更大的变化。