“光谷”与光电子技术的发展

xx_912 · 发表于 2005-12-31 15:15:53

“光谷”与光电子技术的发展

　中国船舶重工集团公司717研究所《舰船光学》主编　许少华
　

　“美国硅谷”在取得了惊人的成功之后，又在建设“美国光谷”。北美洲、欧洲、日本、俄罗斯和以色列的信息光电子技术和产业继续蓬勃发展。15年来，中国的“国家863计划”推动了国内信息光电子技术的发展和6个转化基地的建设，催生了“武汉·中国光谷”。为了满足最广泛的民用和军用需求，“中国光谷”的当务之急是，大力发展光纤光缆、各种通信器件、激光器、视频成像设备、夜视器材和激光加工设备等等。机不可失，时不待我。

一、世界高技术冲击波

从20世纪70年代中期开始，美国在加利福尼亚州圣何塞地区建立采用半导体材料硅制造微电子产品的产业基地--“硅谷”。“硅谷”的建设和成功发展，促使美国和北美洲地区的电子计算机硬件和软件迅速发展,并很快在全世界掀起了微电子技术和微电子产业发展的巨大冲击波，把人类带入了电子时代。

1983年文化革命结束后已经6年的中国开始考虑迎接新技术革命的对策。1986年3月经邓小平批准，国务院发出“高技术发展计划纲要”的通知，于是产生了“国家863计划”，并于1987年2月正式组织实施。从此，中国的高技术走上了健康快速发展的道路。这是中国千载难逢的一次好机遇。

15年来，北美洲、欧洲、俄罗斯、日本、中国和以色列的信息光电子技术和产业取得了突飞猛进的发展。随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合，并形成了具有强大生命力的信息光电子产业。信息光电子技术的迅猛发展出现了一种被称为“新摩尔定律”的光纤通信发展趋势：每隔9个月，光缆的传输能力就会增加一倍，而数据传输的成本却在直线下降。

二、国家863计划催生了“中国光谷”

光子技术和产业的基础是光子学。光子学的研究范围包括光子的产生、运动、传播、探测和光与物质的相互作用问题。我国光电子技术的发展，从“六五”开始起步，1986年国家863计划将光电子器件及其集成技术列为一个主题给予支持，同时国家自然科学基金委员会也布局了光电子学和相关学科的研究工作。15年来，主要是在国家863计划支持下，培养了一批高水平的学术带头人和骨干人才，形成了一支实力雄厚的在国内外认可的光电子学科领域中的高素质研究开发队伍，包括中科院半导体所、清华大学、武汉邮电科学院、信息产业部电子13所、中科院长春光机物理所、北京大学、华中科技大学、吉林大学、天津大学、南开大学、东南大学、南京大学、信息产业部电子44所等。国家863计划又是启动和发展我国信息光电子技术的动力，促使我国信息光电子技术取得长足的进步，已基本掌握

本领域中主要的关键技术，包括先进的量子阱光电子材料和器件技术；量子阱DFB-LD制造技术；量子阱DFB-LD+EA调制器PIC技术；适应于DWDM系统和增益平坦、具有功率锁定的EDFA制造技术；含光源（LD）、光探测器（PD）在内的光发送/接收模块单片集成（DEIC）技术；以与偏振无关的半导体光放大器（SOA）为代表的能带工程应用技术和以兰光发光器件（LED）为代表的第三代半导体（GaN）材料和器件技术等。国家863计划的实施，使我国在信息光电子技术与国际先进水平的差距缩小，使国内光电子技术科研发展与国际基本同步，有些距国际先进水平落后2～3年，有些成果达到了世界先进水平。在863计划支持下，正在建设北京、武汉、深圳、上海、长春、石家庄6个信息光电子技术研究成果的转化产业基地。

这6个信息光电子产业基地中，在国际竞争中不断成长壮大的公司有：武汉烽火集团，深圳飞通光电子技术有限公司，深圳开发科技股份有限公司，北京海特光电子公司，福创公司、河北立德电子有限公司，汇能公司、长春新产业公司、郑州雪城公司，上海北大蓝光公司，博为公司等等。这些公司已经形成我国信息光电子产业的群体，目前能够批量生产十几种量子阱激光器、半导体泵浦激光器和掺饵光纤放大器等多种光纤通信器件、部件和子系统，占据国内市场约30%份额。国内移动通信的光纤直放站所用的光发射接收器件90%为国内制造，有些半导体激光器650nm红光LD激光器、808nm大功率LD激光器、1310nm无致冷LD激光器和1550nmDFB-LD激光器等，已进入了国际市场。相关的产值近年来成倍增长，2001年有望达到10亿元人民币。

美国于1998年宣布，在亚利桑那州以亚利桑那大学为龙头，在图森市建立“光谷”。与此同时，德国推行“激光2000”计划，英国推行“阿维尔计划”，日本实施“激光研究五年计划”。发达国家普遍地高度重视光电子技术和产业的发展，以此促进科技、经济和国防建设。就在这样的大气候下，2000年夏季，广州市宣布“广东光谷”的预期目标，是在10年内达到3000亿元～5000亿元人民币的产值，就业40万～60万人。

武汉市宣布“武汉·中国光谷”（Optics Valley of China）的目标是，用5年左右时间，初步建成50平方公里的光电子信息产业带，形成1000亿元人民币左右产出规模的光电子信息产业。湖北省省委书记郑重表示：举全省之力支持“武汉·中国光谷”建设。在此期间，长春市和重庆市也都相继宣布建设本地区的“光谷”。一时间，来自祖国各地的“光谷”春风吹暖了大江南北，竞争也随之开始。

三、“光谷”里景象万千

“光谷”建设面临新的世界形势：经济全球化，中国即将加入WTO。“光谷”设计和制造各种各样的产品，这些产品的销售将受到国内贸易和国际贸易规则的制约。

光电子技术是一个较为庞大的领域，在这个领域中包括：信息传输，如光纤通信、空间和海洋中的光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如紫外线、可见光和红外波段的光电成像和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、固体激光投影电视、激光打印和印刷等；激光加工，如激光快速原型／模具制造、激光微细加工和激光治病等；光化学、生物光子学和材料学；军用光电技术，如夜视仪、红外成像探测和激光武器等等。

不同的工业发达国家对于光电子工业产品的分类不尽相同，一种典型的分类是这样的：

光纤通信设备类产品

光源，光纤，放大器，光调制器，转换开关，波分复用器，连接器，发送／接收模块，有线电视分布网等。

信息光学设备

光学处理装置，记忆存储器件，条码机，打印机，图像处理，互联网，传真，显示器等。

非军用交通设备

自动显示内部文件，交通控制系统，光导航设备，驾驶舱显示系统，激光雷达测干扰系统，光学陀螺仪等。

工业/医疗设备

机器人视觉，光学检测和测量，激光器，激光加工，激光和非激光医疗设备等。

军用设备

光纤地面和卫星通信系统，空间和海洋光通信，航空／航天侦察系统，激光雷达系统，激光陀螺仪，夜视仪，红外监视跟踪设备，军用导航系统，激光武器系统等。

家用设备

电视，视频摄像机，CD／VCD／DVD机，家用传真，显示屏，报警器等。

四、“光谷”与光纤通信

在光电子领域里，信息光电子技术和设备所涉及的面最宽，对于国民经济和国防建设产生举足轻重的影响。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体做出了巨大的贡献。但是与光子相比较，电子在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒（10-15秒）数量级，比电子快三个数量级以上。加之光子的高度并行处理能力，使其具有远超出电子的信息容量和处理速度的潜力。充分综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能，促使目前的信息技术水平上升到一个新的台阶。

扩大光纤光缆生产量是当务之急。据美国有关方面报道，世界对于光缆的需求，到2000年达到126亿美元，2001～2005年5年间年均增长率为13%，到2005年时将达到261亿美元。1999年世界光缆市场共消耗光纤超过7000万公里，1999年比1998年增长率为50%。据专家估计，2001年全世界光纤、光缆需求普遍看好，供不应求，所以一些光纤光缆大厂纷纷扩建增产，生产能力提高50%。我国“十五”规划初步设想，光缆总长度得增加到250万公里，其中，长途干线光缆为50万公里。

光纤已从多模光纤发展到单模光纤。90年代初诞生了波长为1550nm的激光管，适合于这一波长的光纤损耗最低，0.2dB/km，且波长窗口最宽，从1510nm至1610nm，宽度可达100nm，对长途光纤线路的WDM使用十分有利。后来又发展到制造“非零色散光纤”（NZDF），把1550nm波长的光纤色散减至适当小的值，使它对WDM应用有利。这是目前推广使用WDM/DWDM和EDFA的最好光纤，即Lucent商标为True Wave的单模光纤。生产光纤光缆是武汉的强项。同时要继续提供多品种、富有国际竞争力的波分复用通信器件和模块等。

五、“光谷”与激光器

40年来，激光器的发展和应用取得了令人惊讶的显著成就，激光已经广泛应用于工业、医疗、科学研究、军事装备、通信设备和办公自动化设备等领域。不同的应用，要求不同的激光功率、波长和光束质量。

量子阱激光器（QW）和分布反馈（DFB）激光器是光纤通信、光存储设备中必不可少的光源；准分子激光器和各种紫外波段激光器是激光微细加工和遥感的必需设备；波长为532nm的固体激光器适用于水下激光同步扫描成像和水下激光选通成像设备；数十瓦的Nd:YAG激光器和二氧化碳激光器分别适用于加工金属材料和非金属材料；工业激光焊接通常需要1500W　5000W激光器，国外已有人用太瓦级激光产生等离子体感生　射线，具有足够的能量以引发核裂变。激光武器系统需配用兆瓦级氟化氘激光器，而德国正在开发的红光（635nm）、绿光（532nm）和蓝光（447nm）连续波激光器（功率4～5W）将用于激光电视系统，该系统采用转速为1300转/秒的25面多棱镜完成水平方向扫描，在竖直方向的扫描用振镜式扫描器，这种激光电视系统可作为多煤体和家用视频投影系统。

激光器的发展在国内已取得显著成就，但还与国外存在差距。进一步开发适用于不同领域的稳定可靠的激光器，仍然是大为有利可图的事情。

六、“光谷”与视频成像

信息高速公路传送的信息包括：文字符号、声音和图像。要为信息高速公路提供数字式图像，首先就必须利用视频图像发生器,例如电荷耦合器件（CCD）摄像机、X射线摄像机、红外成像设备等。这些摄像器材的研制仍然需要国人的继续努力，特别是在红外成像设备开发方面还要作长期努力，尤其要把重点放在开发红外热成像探测器上面，以便摆脱3～5　m和8～14　m波段高灵敏度面阵探测器受制于人的困境。而且，发展视频成像器件是为了满足广泛的民用和军用需要，因为人类总是需用视频成像设备来记录真实的景物和活动，反映真实世界并传输真实世界的信息。在军用无线电通信领域，新型的战区视频图像传输设备，也需要高分辨率的电视数字式摄像机。

为了适应信息高速公路发展的需要，研制和采用数字式摄像设备、耐冲击耐震动耐苛刻使用环境的加固型视频成像设备，具有现实意义。

七、“光谷”要征服黑夜

二战后50多年来，夜视技术取得了长足进步。红外变像管、微光像增强器和热成像仪，堪称人类挣脱黑色羁绊的三座里程碑。目前流行的微光夜视仪由于采用了第二代或第三代像增强器，能够在夜间低照度条件下观察800～2000米范围内的目标，可安装在飞行员、驾驶员和步兵的头盔上，用于夜间驾驶、巡逻、布雷、架桥、战地掩护和各种夜间侦察、监视活动。微光电视是像增强器与电视摄像技术相结合的产物，夜间对于陆地和海面上的活动进行记录特别有效。

热成像仪是对物体的热辐射（红外线辐射）进行接收并产生视频图像的红外成像设备，不受烟雾的限制，白天和漆黑之夜均可使用，最先进的热成像仪探测距离可达15公里。波长为3～5　m的热成像仪尤其适合于探测红外辐射较强较集中的物体部位（例如飞机发动机尾部）；波长为8～14　m的热成像仪尤其适合于探测红外辐射面较宽的目标（例如水面舰船和坦克）。配用致冷器的热成像仪，一般价格都很贵（热灵敏度和图像分辨率都高的这类热成像仪的进口，至今还受美国和一些北约国家的限制）。发展非致冷型的热成像仪，是国内“光谷”成员单位值得重视的课题，主要解决非致冷红外探测器的来源问题，可以来自国内，也可来自国外，例如热释电探测器、热敏电阻辐射热探测器、热电堆探测器等。

八、“光谷”与激光加工

与常规机械加工相比，激光加工的优点是更精密、更准确和更迅速，在微细加工领域独领风骚。对于微小元件、印刷电路板、集成电路、微电子元件和微小生物传感器等的制作，激光微细加工是不可替代的手段。

激光加工技术和激光加工设备广泛应用于工业、科研和医学。激光加工作业范围，包括打标、切割、焊接、深雕刻、曲面加工、热处理、熔覆、材料改性、电容电阻制作和微调、快速原型／模具制造、电路板微孔制作和集成电路制板、大面积眼科和皮肤科治疗等等。

德国施肯拉公司（SCANLAB AG）生产和销售的激光扫描机头、实时控制板/PC接口板、动态调焦镜和相关部件，已在欧洲市场占据总销售额的85%；德国激光工业总产值目前位于全世界第二位。

国内激光加工成套设备制造业，已取得显著成就，占据国内相关市场份额大约80%，其中不少激光器、振镜扫描器和某些应用软件是国内制造的。国产激光加工设备中的切割类、焊接类、打标类和热处理类，目前在国内的销售额正在扩大，有少量产品出口到亚洲，但出口欧美国家，面临较大的难度。业内人士指出，国内销售的国产激光加工设备，连续工作的稳定性较差；国产激光医疗设备正在接受用户的考验；在激光微细加工设备制造方面，尚与国外存在一定距离。目前最需要的是，进一步了解发达国家激光技术和产品的发展现状和趋势，需要走出国门去了解信息、广交朋友。激光加工产业的事情未来100年也做不完。例如：采用新一代激光微型多面镜扫描器可用于炼钢厂生产线，通过激光束对生产线上的未成型钢的表面进行快速扫描处理，激光束在未成型钢表面产生热冲击，引起钢内部应力波动，导致金属微晶结构中产生滑移平面脱位，形成新的磁域壁界，使钢内部特性改变和磁心能量转换损耗降低到10%，变成特种钢、“品牌钢”。

采用激光光刻（直接成像）法制造集成电路。需配用紫外波段的激光器，波长愈短，愈利于线宽更窄的集成电路制作。例如配用波长为248nm甚至更短的紫外激光器，可以满足0.25　m线宽电路的制作需要。目前能够满足波长和功率需要的氟化氪（KrF）准分子激光器和更加小巧的氟化氩（ArF）准分子激光器（波长为193nm），可以满足0.18　m线宽电路的制作需要。估计到2003年，能够制作0.13　m线宽电路的激光微细加工设备会进入市场。

采用激光熔覆方法可使金属表面改变特性：通过在基体材料表面添加可熔覆的材料，并利用高能密度激光束进行照射，可以在基材表面形成一层与基体材料相互熔合的且具有完全不同成份和性能的合金覆层或其它材料（如陶瓷材料）覆层。采用激光在汽车发动机汽缸内表面进行热处理，可以使汽缸内表面形成一种硬化的网子，这些硬化的网子可使汽缸的寿命增加一倍以上。有的激光科技工作者正在探索非线性材料的制造技术。

印刷电路板的需要量仍呈上升趋势。利用激光进行切割和钻孔将会更精确和更洁净，速度也更快。例如采用200W的二氧化碳激光器切割0.031英寸厚的G-10玻璃环氧片印刷电路板，切割速度可达10英寸/分钟。此外，采用激光直接沉积系统，可以在金属材料和介质材料上直接制作BaTiO3电容和厚膜电阻。

采用紫外激光直接成像法制作微电子元件也正在兴起。美国海军实验室已研制脉冲激光蒸发直接把晶质材料薄膜图形和电路列阵刻写到微小的基片（甚至蜜蜂的腹部）上，或直接把槽或电路刻写在基片上，或对基片面作预清洗或热处理，甚至可以把单个元件刻写在基片上，所作的微电子线路图分辨率可达10　m，这种方法可用于制作微小电荧光显示器、生物组织工程所需的生物材料和阵列式生物传感器。

激光快速原型制造（RPM）和激光快速模具制造（RTM）是80年代后期发展起来的新技术，是机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学的综合性技术，就是在计算机控制下，根据离散／堆积成型原理，利用零件的CAD模型所确定的几何信息，对层片材料或粉层进行二维扫描和处理，得到零件的一个层面，层层堆积可得到一个三维实体（原型）。这样，用传统方法需几个星期、几个月才能制造出的复杂产品原型，用快速成型技术可在一夜之间完成，而且费用大大降低。

采用RP技术的单位已从开始时的汽车制造行业和来图加工中心发展到了军队基地、园林设备制造业、医疗设备制造业、铸造业、宇航业、塑料制品业、玩具制造业和电影制作等许多行业。尤其在快速模具制造、快速零件制造方面发挥出了优势。

RP技术已发展有 20多种工艺，其中较为成熟的有5种方法，即立体光造型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔化沉积制造（FDM）和三维印制（3D-P），这些工艺已不同程度地用于工业生产中，技术上追求快速、精确、经济。

我国的清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源自动成型系统公司、南京航空航天大学等单位已经开发了多种样机，已有部分产品进入市场。西安交通大学与第四军医大学正在开发生物活性骨快速制造技术，即研制具有生物活性的人造骨头，通血液、通营养，将用于人体骨骼移植。这是激光快速成型技术与生物学巧妙结合的一个典型。我国的RP技术领域的研究工作具有自己鲜明的特点，国家在RP的应用方面也给予了很大的重视，取得了许多成果。总体来说，我国这方面的科研工作与世界先进水平虽有差距，但是并不大，某些方面还有领先之处。国外的研究水平以美国为最高，德国、日本等次之，我国的水平大致与德国、日本等国家较为相近。

在制造业日趋国际化的形势下，缩短产品开发周期并减少开发新产品投资风险，已成为企业赖以生存的关键因素。因此，快速原型制造和快速模具制造技术将会得到进一步发展。

hehehehehe · 发表于 2005-12-31 16:40:49

中国光谷多而不强，最好是技术集中，呵呵

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