光子学与信息时代第一讲

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1、武汉理工大学理学院胡昌奎光子学与信息时代WuhanUniversityofTechnology光子学技术－信息化时代的支持技术光子学技术－信息化时代的支持技术19世纪是机械时代20世纪是电子时代21世纪是光子时代第一讲时代的呼唤－光子学的诞生与发展第二讲光子学器件的物理基础第三讲光子学器件第四讲光纤传感在信息灵敏获取中的应用第五讲光子学技术在信息传输中的应用光子学技术－信息化时代的支持技术第六讲光子学技术在高密度传输网中的应用第七讲光子学技术在高速信息处理中的应用第八讲光子学技术在信息存储与显示中的应用第九讲光子学技术在生物工程与医学中的应用第十讲光子学技术在军事上的

2、应用光子学技术－信息化时代的支持技术参考书：1.光子学技术－信息时代的支撑技术，王启明等清华大学出版社2.《Optoelectronicsandphotonics:principlesandpractices》S.O.Kasap第一讲时代的呼唤－光子学的诞生与发展光子学技术－信息化时代的支持技术一、光子学与电子学的渊源信息载体电子(electron)光子(photon)电子学光子学光子学与电子学一起扮演着信息化社会两大关键支柱的重要角色电子学的发展俄国人波波夫(A.A.Bobov)于1895发明无线电报1876年美国人贝尔(Bell)发明了有线电话意大利人马可尼(Ma

3、rconi)于1901年发明无线电报人们便开始认识到电子或电磁波科被用来作为一种携带信息的载体，通过导线传输或在自由空间中传播，实际远距离人们相互之间的通信联络。18世纪的以能量转换为服务对象电气学和电工技术电子学或电子技术的时代信息服务为对象电子学或电子技术使研究利用电子或电磁波为信息载体，而在回路中传输、控制、运作以实现信息的获取、传输、处理、存储、显示等功能的一门科学技术。经历了20世纪整整一个世纪的发展，电子学的成就已渗透到科学技术各个领域和社会生活各个方面，最具有代表性的就是无线电广播、通信和电子计算机的发明与应用。它已经普及到千家万户，并形成了规模化产业，

4、在发达国家中它的产值甚至超过了汽车、钢铁产业，而跃居为先进国家的支柱产业之一。人们常把广播、通信喻为现代社会的神经网络，而电子计算机则在文明时代中起着中枢大脑的作用。真空管电子学固体电子学微电子学固体电子学与微电子学的诞生将电子技术和信息技术推进到一个空前未有的新高度真空电子管晶体管半导体集成电路电子流及电磁波的产生方法及其器件装置的研究是发展电子学的首要任务。电子学有两个主流发展方向：a.载波频谱的开拓b.响应速度的提高目标为了实现提高荷载信息的容量和加快处理信息的速度在电子技术中信息的载入过程是先借助压-电效应或光-电效应将声音、图像和文字等初始信息转变为相应的电

5、流或者电压变化函数。再用它来调制电子载体或电磁波载体的某个参数后发送出去，又利用其逆过程在终端将调制信息还原为初始信息，于是人们就能听到声音、看到图像。现代半导体电子器件技术的发展，已能获得皮秒（ps）宽度的超窄电脉冲，因而有可能将使单个码的载入时间缩短到皮秒量级，于是电子计算机的运行速度就可能达到每秒一万亿次。电子计算机中的这些逻辑码是按照串行的排序在一个含有大量逻辑门阵列的半导体芯片中传递与处理的，门与门之间信息码的传递同样是利用电子流在内部互连通道传输来实现的，它也存在一定的时间延迟由通道的电学参数、电阻、电容、电感所确定的，其极限值大约为纳秒（ns）量级，它比

6、逻辑门的开关时间（即信息码载入时间）大1000倍，这便限制了电子计算机运行速度的提高。目前单机运算速度难以超过每秒10亿（109）次。现在对超大信息量计算技术的发展是采用并行处理的方法，即利用软件的功能将输入的信息分解成许多信息元包，分别给众多的子处理器同时运算，再把运算结果返回主机综合处理。电子载体在互连通道上的时延效应所造成的，人们形象地称它为瓶颈效应。突破瓶颈效应的限制，需要在信息载体上进行一场革命，至少是在逻辑门之间的互连过程中摒弃电子载体，采用一种不荷电的新载体，那么，光子就是理想的候选者。以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现代化信

7、息科技发展中的必然选择二、光子学—研究光信息载体的科学以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现代信息科技发展中的必然选择。用光信号来实现通信联络：烽火台，舰艇上的旗语等光量子物理学家说，光子学是研究光子的产生和运动特性、光子与物质的相互作用及其应用的一门新兴科学。信息科学家则从与电子学类比的应用角度认为，光子学是研究光子作为信息和能量载体所赋予的固有特性、运动行为及其应用的一门科学技术。固体光子学则是研究光子载体在固体煤质中的产生、运动、受控、操作及其信息功能体现的一门科学与技术。以信息应用为内容的光子学，人们又称之为信息光子学