光学光电子概念范文

导语：如何才能写好一篇光学光电子概念，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：光电子技术；理论教学；实验教学

Study on the teaching method in the optoelectronic technology course of electronic information engineering major

Luo Binbin, Zhao Mingfu, She Li, Zhou Dengyi, Cao Yang, Quan Xiaoli

Chongqing university of technology, Chongqing, 400054, China

Abstract: The importance of the optoelectronic technology course in electronic information engineering major is elaborated in this paper, and then according to author’s teaching experience of many years, the content, method and means of theoretical and experimental teaching of optoelectronic technology course in electronic information engineering major are discussed in details.

Key words: optoelectronic technology; theoretical teaching; experimental teaching

电子信息工程专业是一个包含电子科学技术、信息与通信工程、计算机科学与技术设计、研究、应用与开发，电子设备和信息系统的工程专业。当代信息技术的高速发展离不开电子信息科学技术，但是当今很多高端的信息技术成果融合了微电子学、光电子学、计算机工程及通信工程等多门学科的交叉知识。而且，目前很多具有良好基础的电子信息工程专业的学生在他们的硕士和博士阶段，通常会选择光电子技术的相关研究方向，而具备了良好电子学知识的学生更容易将电子学中的概念移植到光频段中，如果在本科阶段也修习了光电子技术这门基础课程，那么在他们的深造阶段将会更容易进入光电子相关领域的课题研究。因此，电子信息工程专业的学生除了需要掌握本专业的课程知识以外，也应该熟悉现代信息技术的其他相关知识，如光电子技术。然而根据笔者的调研，虽然目前很多重点大学及二本院校的电子信息工程专业都意识到光电子技术的重要性，但很少开设光电子技术这门课程。本文从光电子技术的研究内容、应用及发展等方面说明其在电子信息工程专业教育中的重要性，并研讨电子信息工程专业中的光电子课程的理论和实验教学方法。

1 光电子技术简介

早在19世纪，人们就已经用麦克斯韦(Maxwell)的经典电磁理论对光的本质进行了研究，认为光是波动的电磁场，关于光的吸收和辐射，1917年爱因斯坦(Einstein)建立了系统的光电子学理论，使人们认识了光的波粒二相性。但是直到20世纪60年代之前，光学和电子学仍然是两门独立的学科。1960年世界上第一台激光器研制成功，这标志着光学的发展进入了一个新阶段。随后在对激光器和激光应用的广泛研究中，电子学发挥了重要的作用，光学和电子学的研究有了广泛的交叉领域，形成了激光物理、非线性光学、波导光学等新学科。20世纪70年代以来, 由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，推动了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科(数学、物理、材料等)之间的相互渗透，形成了一个边缘的研究领域。光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息存储和处理等。

因此，可以这么说，现代信息技术的支撑学科是微电子学和光学，光电子学则是由电子学和光学交叉形成的新兴学科，对信息技术的发展起着至关重要的作用。光电子技术是光频段的电子技术，是电子技术与光学技术相结合的产物，光电子技术是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科，其技术广泛应用于光电探测、光通信、光存储、光显示、光处理等高新技术光电信息产业。同时，随着生物医学、生命科学等新兴学科的发展，其中的信息获取手段对光电子技术的依赖程度越来越高，加快了这些学科之间的交叉融合，从而诞生了很多边缘学科，比如生物光子学、光医学等。

综上所述，可见光电子技术在现代信息产业技术中的重要地位，因此，光电子技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程，也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。

2 光电子技术课程教学研究

2.1 光电子技术课程的理论教学

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一、光电子的产生

金属及其化合物在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应现象，释放出来的电子叫光电子。光电效应的实验规律必须用爱因斯坦光子理论解释。在教学中经常遇到学生提问：吸收光子的电子是金属中的什么电子？是束缚电子还是自由电子？这个问题值得考虑。

吸收光子的电子应该是金属中的自由电子，而非束缚电子。分析如下，如果是束缚电子，根据能量守恒定律，其光电效应方程应为：

式中W是电子越过金属表面时克服表面势垒所做的功，E是束缚在某壳层上的电子电离出来所需的能量。实际上，许多金属的逸出功的值约为2.0—7.0eV，比E的值要小得多，而和W相当。例如铯的最低电离能约为3.9eV，其逸出功约为1.9eV，如用1.9—3.9eV的光子入能使铯产生光电效应，而不能使铯的束缚电子电离。很显然逸出的光电子并非是束缚态的电子。那么电子克服表面势垒所做的功W与逸出的功的关系怎样？在金属表面附近，由于垂直于表面的晶体周期性中断，作用在表面原子内外两侧的力失去平衡，相应的电子密度分布也发生变化，通过表面原子和电子自洽相互作用，使得表面原子和电子分布趋向新的平衡，在表面区出现电偶极层，电子穿越该层区逸出表面时要克服电场力做功。此功与逸出功的值正好相当。

由上述可知，光电效应中光电子是金属中自由电子吸收了光子的能量而产生的。当然，如果光子能量大于原子的电离能，则束缚电子也可以成为光电子。由于普通光电效应中入射光子的能量并非很高，因此不可能使束缚电子逸出。如若电子能量过高，则会发生康普顿效应而非光电效应。因为不同能区的光子与金属发生相互作用时会产生不同的效应。当入射光子的能量较低时（hv10MeV)，光子可产生正负电子对；入射光子能量介于以上能区之间时，其能量的衰减主要取决于康普顿散射。

二、金属的极限频率

在光电效应实验中，每种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光多强，都不会有光电子逸出；只有当入射光的频率高于极限频率时，金属才会发射光电子，产生光电效应。

上述实验现象可以用光子理论解释。电子由金属逸出，至少需做一定量的功W，称为此金属的逸出功。光照在金属上。电子一次吸收一个光子的能量hv。如果hv

如果电子能够将光子能量积聚起来，即电子吸收一个光子后待一段时间再吸收一个光子，或者一个电子能同时吸收两个甚至更多个光子，则光子理论就无法解释为什么会存在极限频率。因为，一个光子的能量若小于逸出功，那么多个光子的能量总和可以高于逸出功，所以无论什么频率的光都可以产生光电效应，不可能出现极限频率。

所谓电子积聚能量，是指电子获得一个光子后，将能量保存下来，直到再吸收一个光子。事实上，当电子吸收光子后，它的能量便高于周围的电子和原子核而处于非热平衡状态。根据热力学原理，不平衡系统会通过各种方式趋于平衡，电子便会把所得能量向四周围粒子传递，实验证明，这个传递时间非常短，不超过10-8秒。而在这么短的时间内电子再吸收一个光子的可能性究竟有多大呢？

一般光电效应实验所用的光源是普通光源，普通光源其发光机制以自发辐射为主，光强较弱。我们不妨设入射光的强度为100瓦/厘米2（在普通光源中光强很高了），频率为6.0×1014赫的光在10－8秒内流过每平方厘米的光子数为：

个/厘米2

金属原子间距离的数量级为10－8厘米，若每个原子提供一个电子的话，每平方厘米就有1016个电子，以电子能够吸收到一个原子大小范围内的光子计算，则吸收到一个光子的概率是转贴于

而在10－8秒内一个电子连续吸收两个光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8

可见普通光源照射下的双光子吸收概率是非常小的，以致于在实验中无法观察到。那么，多光子吸收是否可能发生呢？回答是肯定的，但要在强光下的光电效应中。实验证明，当用激光作光源进行光电效应时，已经实现了双光子、三光子吸收。多光子吸收在理论上（非线性光学）已经证明也是可以实现的。因此，对于光电效应所得的实验规律，特别是每种金属存在极限频率，以及爱因斯坦光电效应方程等，都是在弱光（线性光学）范畴内适用，而对强光（非线性光学）则不适用。即适用于单光子吸收情形，不适用双光子或多光子吸收情形。

三、 光电流与光强

在高中物理教材中介绍光电效应规律时，并未对光电流和光强这两个概念作进一步说明。尤其是光强。实践表明：学生能否全面正确理解光电效应规律，正确理解光电流与光强的概念是关键之一。

正因为如此，教学中向学生指明光电子仍是通常意义上的物体内部的电子，只是由于受光的照射而激发出来才叫光电子。把由光电子在外电场作用下产生的电流叫光电流。在光电效应实验中，当入射光频率大于极限频率时，用频率一定，强度不同的光照射，实验得到的是光电流的最大值（饱和光电流）按正比关系随入射光强度增大而增大。因此教材中的“光电流强度与入射光的强度成正比”，应理解为入射光频率一定时，饱和光电流强度与入射光强度成正比。

教材中没有给出入射光强度的定义，我们可以借鉴声强定义，给光强下个定义。按照光子的观点，一束光实际上是一群以光速沿着光的传播方向运动的光子流，每个光子的能量为hv，因而光强可定义为：单位时间里垂直于光的传播方向上的单位面积内通过该面积的光子的能量总和。由此可知，单色光的光强公式为：I=Nhv。

式中N为单位时间内通过垂直光传播的方向上单位面积上的光子总数。据此，单色光的光强应由光的频率和光子的发射率两个因素共同决定的。

当光的频率一定时，饱和光电流Im=ne（n为单位时间内从金属中逸出的光电子数，e为电子电量）与入射光强度成正比。入射光强度越大，单位时间内到达金属表面的光子数越多，单位时间内从金属表面逸出的光电子数就越多。可见单位时间内从金属逸出的光电子数与入射光强度成正比。实际上，与入射光强成正比的正是单位时间内从金属中逸出的光电子数，而非光电流强度。

四、一个中学不宜讨论的问题

在许多的资料中经常出现如下问题：用强度相同、频率不同的光分别照射同一金属，比较相同时间内逸出的光电子数多少。

这个问题在中学不宜比较。

前文讲到，光子与电子的作用结果有多种不同情况。例如，用紫光照射某金属可发生光电效应，如改用同强度的X射线照射，此时主要表现为康普顿效应，而光电效应几乎可以忽略。因为X射线光子能量远大于电子的束缚能，此时电子可视为自由电子，当光子与这种电子作用时，电子只能获得光子部分能量，变成反冲电子，很难发生光电效应。

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一、主要内容

本章内容包括光的直线传播、棱镜、光的色散、光的反射、光的折射、法线、折射率、全反射、临界角、透镜(凸、凹)的焦点及焦距、光的干涉、光的衍射、光谱、红外线、紫外线、X射线、y射线、电磁波谱、光电子、光子、光电效应、等基本概念，以及反射定律、折射定律、透镜成像公式、放大率计算式，光的波粒二象性等基本规律，还有光本性学说的发展简史。

二、基本方法

本章涉及到的方法有：运用光路作图法理解平面镜、凸透镜、凹透镜等的成像原理，并能运用作图法解题;根据透镜成像规律，运用逻辑推理的方法判断物象变化情况。

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Abstract： There is more emphasis on scientific research than teaching in current universities. In fact， teaching and research reinforceeach other. This article briefly analyzes the reasons why most universities focus on scientific research and underestimate teaching. Some methods on reinforcing teaching and research mutually are provided based on teaching of optoelectronics-related courses in Huaihai Institute of Technology. Initial teaching results show several methods on integrating scientific research into teaching can improve the training of the talents of the photoelectric information technology. Meanwhile， the teaching process has brought a lot of inspiration to the teachers' scientific research. To a certain extent， we obtain the improvement on scientific research and teaching at the same time.

关键词：教研相长；方法；例子；光电子类课程

Key words： reinforcing teaching and research mutually；methods；example；optoelectronics-related courses

中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）30-0172-02

0 引言

中国近代力学之父、著名的科学家钱伟长院士在谈论教学与科研的关系时说：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。”教学是科研的前提和基础条件，科研是提高教育质量和层次的关键，二者相互支撑、相辅相成。但是，当前对于大部分高校来说，教学和科研之间存在的主要问题在于过于重视科研。本文首先简单分析造成这种重科研、轻教学的原因，然后以淮海工学院电子工程学院的光电子类课程教学为例初步探讨教研相长的具体实现途径。相应的研究成果可以在其他工科专业教师中推广，以帮助他们在教学方面和科研方面都取得好的效果。

1 重科研、轻教学原因分析

目前造成大部分高校重科研、轻教学的原因是多方面的，大致可以总结为以下几点：

1.1 与大学教师所处的大环境有关

“目前社会上有很多人认为，我国高校和世界一流大学的差距主要是科研水平低、师资差。包括时下流行各种“高校排行榜”，也多以科研为主要指标”[1]，而教学的实际效果对于学校的综合排名则无足轻重。如，时下流行的“武书连2015中国734所大学教师学术水平排行榜”[2]。那些科研搞得好、综合排名靠前的高校，其知名度也高。在这种情况下，高校为了自身的生存与发展，学校投入大量人力、财力力争在科研上有所突破。作为高校一分子的大学教师自然也不可能置身世外。

1.2 与我国现行的职称评审制度有关

目前我国大学教师的职称评审，实际上主要依据的是科研， 包括有没有科研论文、论著，有没有科研立项和科研成果。如评讲师、副教授、教授要多少篇论文，什么级别的论文，论著要有多少字，什么级别的立项和成果等。教学在职称评审中虽然也受重视，作了许多规定，但大都显得笼统模糊，而且缺乏可操作性。教学水平的高低和教学效果的好坏对教师职称的评审几乎没有什么影响。

1.3 与学校的实际情况有关

有一部分教师，尤其是青年教师，几乎很少主持或参与科研工作，这在淮海工学院非常普遍。不参与科研工作则容易造成理论与实践脱节，除了不能提高自己的科研能力，也不利于教学能力和教学效果的提高[3]。这其中部分原因是由于这些教师教学任务繁重，还有一些承担行政工作；同时没有良好的科研团队，形不成一个良好的科研氛围，而不能提供有效的科研条件让他们从事科研工作。

上述几种情况造成科研与教学分离，更难做到相辅相成，共同进步。作为一名普通的高校教师，自然无法去改变整个社会的大环境，也无法撼动现有的职称评审制度，但从大学教师的自身职责来看，我们不仅需要承担教书育人的工作，还需要承担一定的科研任务。同时做好科研与教学是每一位高校教师的职责所在。因此教学和科研孰重孰轻，如何处理好教学工作和科研工作的关系以及如何把自己的科研和教学很好地结合，对于教师自身非常重要。

2 教研相长途径初步探索

本节从普通高校教师角度出发，探索如何处理好教学与科研之间的关系，如何把科学研究应用到教学实践，以做到教研相长。下面分别从专业建设、人才培养及教师的教学和科研能力提高三个方面，以淮海工学院电子工程学院光电子类课程教学为例探讨教学相长的方法和途径。

2.1 专业建设方面

目前淮海工学院电子工程学院的电子科学与技术、测控技术与仪器等专业仅有7年的历史，虽已初具规模，但课程体系与专业建设仍需进一步完善和优化。以光波为信息载体的检测、控制技术、仪器系统、精密测试等内容是电子科学与技术、仪器科学与技术学科中的重要内容。

根据相关专业领域教师的科研基础，本课题组首先对电子工程学院的光电子类课程（光电子技术基础、光电传感与检测技术、光纤通信技术等）实施了教改研究，包括课程体系与教学大纲完善，加深了理论与实践的结合，即将教师的科研新成果融入理论和实验教学，并利用教师科研条件进行直观教学，这样既培养了学生动手能力，也促进了学生对理论知识学习的兴趣。

如，电子工程学院建有自适应光学实验室，是相关任课教师的科研平台。自适应光学技术是一门可以让光波适应外界变化而被能动控制的技术，也可以理解为光学中的自动化技术，集科学性和工程性为一体。相关专业学生已经学习过自动控制原理，对常规的液位、流量等过程控制非常熟悉，但对“光波”这样一个看得见摸不着的物理现象该如何完成控制呢？学生们非常好奇。通过分批次带领相关专业学生亲自动手完成光电成像校正实验，学生既加深了对光信号传输、光电信息转换及光电检测等方面知识的理解，又巩固和拓展了以前学习的自动控制相关理论知识的应用，学习到了教材中没有学到的内容，进一步扩大了学生的知识面，学生反馈非常好。

对于一些不具备实验条件的重点实验内容，由于实验条件比较苛刻，部分光电现象在实际实验中不明显，难以观察；另外也因为实验仪器有限，学生无法通过实验观察到所有的实验现象。针对这种现状，利用了科研过程中获得的数值仿真能力，帮助学生实现虚拟实验。

2.2 人才培养方面

通过科研与教学的有机结合，提高高等学校的教学质量，从而培养出新形势下的“综合型、应用型”人才。注重因材施教，将学有所长的学生引入到教师的科研项目中。通过教学改革，重点突出相关专业中的光电检测方法、光电系统研制与工程应用的能力培养，强调学生实践动手能力与创新意识的培养，使之成为应用型和创新型高级人才。在这个过程当中，学生除了实践书本知识外，还能在科研小组中学会分工及团队协作，为将来攻读研究生或进入相关企业累积经验。

本课题组已承担和参与国家及省市级科研项目多项，通过光电检测和光电子技术课程的学习，已有相关专业的多名学生主动要求参与到教师的科研项目中来。喜欢编程的学生让他们完成实验平台的软件建设，喜欢摆弄光电子器件的学生让他们完成硬件平台的搭建，爱动脑筋的学生让他们直接参与到教师科研课题的实验，和相关教师一起分析实验中出现的问题并解决它们。通过相关科研项目的训练，将科研渗透到教学内容中，培养了学生的创新能力、创新精神以及科研素养。

在2013-2015期间，多名相关专业学生有了参与教师科研项目的经历之后，积极申报各级创新项目。目前，已有多个光电子之创新项目获得校内立项。同时，淮海工学院电子工程学院已有多名毕业生进入光电专业研究生阶段的学习，如太原理工大学物电学院、中国科学院光电技术研究所等，开始了他们人生新的篇章。

2.3 提升教师教学与科研能力方面

教师一方面通过专业知识学习、关注本领域最新研究成果来提高自身业务能力，又通过教学工作，学习最新研究成果并有意识地积累未知问题、认真思考教学过程中学生所提出的疑问，进一步激发科研热情，并帮助了科研选题。

教学内容的主体是“基本理论、基本知识、基本技能”，但是，课堂教学除了围绕基本理论和概念进行外，还要注重科研成果和科技最新发展动态的渗透。让学生了解学科前沿的概况及其发展动态，开阔视野，启迪思维，进一步拓宽学生的知识面。并且使学生能够认识到，基础知识不仅仅是概念理论和公式，更是实际应用中的产品和解决实践问题的手段，以此提高学生的学习兴趣，同时使学生更容易接受抽象的理论知识。

如，教师分别在每学期开始和结束时举办了激光和光电子领域的最新研究成果或相关专题讲座，既提升了自身的业务能力，又达到了教书育人的效果。开学初的专题讲座有助于引领学生对光电子技术领域的兴趣，讲座的内容从围绕人们把光波作为一种载波进行信息传递开始一直到现阶段的激光通信、激光武器等。讲座结束，学生对光电子技术充满了好奇，这为学生学好光电子课程打下了良好的基础。学期结束时专门对学生比较感兴趣的以及近期比较热门的激光3D打印技术从原理到应用及未来发展趋势进行了一次专题讲座，扩大了学生的视野。

又如，基于光电子类课程涵盖知识面广、理论与应用相结合的特点，针对一些典型知识点，为加深学生理解，设置专题讨论课，鼓励学生课前主动查找相关文献，让学生事先做好研讨准备，写好研讨提纲。在课堂上进行交流、讨论，培养学生的表达能力、思维能力、分析能力，让学生充分发表不同意见。学期过程中，这样的专题讨论课进行了2次，学生提出的问题给了相关教师的科研很大的启发。

专题讲座和讨论形式的授课方式深受学生欢迎，教学效果好，学生评教均在90分以上，学生深受其益。课题组教师通过上述教学活动充分认识到要通过高水平科学研究苦练真功夫，又要通过钻研教学规律来加强组织教学的能力，从而真正做到科学研究和教学育人互相促进。

3 结束语

“教研相长”虽是一个老话题，但目前社会大环境中面临的“重研轻教”现象使得我们有必要对这个老话题展开新的研究。如何加强教学与科研的联系、在科学研究中如何开展教学活动以使得科研成果能够支持教学改革、并使得教学与科研互相促进是每一个高校教师的职责。本文以淮海工学院电子工程学院光电子类课程教改为例，分别从专业课程建设、人才培养、教学和科研能力提升等方面初步探讨了实现教研相长的一般化途径。改革的结果表明以上为今后存在这方面困惑的青年教师提供有价值的参考。

参考文献：

[1]张志峰，杨婷.“重研轻教”不可取（关注“朱淼华现象”）[N].人民日报，2005-11-28（11）.

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刘文清虽年过花甲，但眼睛仍清澈如洗。在他的领导下，中科院安徽光学精密机械研究所（以下简称安徽光机所）立意高远，自行研制出诸多的系列环境光学监测设备，满足我国环境保护的战略需求，“炮筒”长程差分吸收光谱仪就是其中之一。

发展我国独立自主的环境光学监测装备，刘文清的目光远大而且犀利。

满足于向上交差的工作我不做

当年，时任中科院院长的路甬祥到安徽光机所考察，他在临别之际关切地问刘文清回国之后的感受，刘文清回答：“近几年，我们开展知识创新工程，搭建了很好的科研平台，我在国外已学到一些东西，是该回来报效祖国了。”

1978年，刘文清从中国科学技术大学物理系毕业，分配到合肥西郊董铺岛上的中科院安徽光机所，岛上的生活枯寂、单调，这恰恰给他提供了潜心科研和学习的宁静环境。

爱喝咖啡的刘文清说：“搞科研和喝咖啡有点类似，总是先苦后甜，适合于坐科研冷板凳的人。”

刘文清需要“咖啡伴侣”。他将激光应用小组和目标光学小组合并，沙里淘金，“淘”出近十位优秀科技人员。环境光学监测涉及多个交叉学科，刘建国等几位同事都成为他很好的合作伙伴。

1999年，刘文清领导的环境光学监测研究室得到20万元启动经费，研制二氧化硫的空气监测仪。他说：“只满足于向上交差的工作我不做，走形式向国家打报告要钱的工作我也不做，科研项目必须面向国家战略需求，要做就得在高起点上做好。”

2000年5月，“环境污染高灵敏光谱在线监测技术研究”等一批瞄准国家需求的项目启动，刘文清带领团队不但完成了这个项目，而且做得很漂亮。

刘文清最满意的事情，是向纳税人交出圆满答卷。现在每当他坐在电视机屏幕前，看到全国各大城市的环境空气质量预报，用的都是他们提供技术的产品，就别有一番愉悦在心头。

环境光学对军民都十分有用

1998年，中科院和国家环保总局的领导商谈提出，中科院可在环境光学研究方面提供科技支撑。

刘文清等曾先后邀请王大珩等多位院士来研究所，指导开展环境光学的科研布局及建设。2000年4月，由两院院士组成的“先进环保技术领域专题组”，向国家提供了一份《先进环保技术咨询报告》，肯定了他们开发的多种环境监测技术，建议把“DOAS空气质量自动监测系统”“紫外差分烟道在线监测系统”“机动车尾气遥测系统”等列为国家重点发展项目。

刘文清带着他的同事，成功研制出城市监测环境大气污染的仪器，由国家环保总局推广生产，其产品价格低于国外进口产品的50%。美国一家公司看好中国市场，意欲前来推销同类产品，当他们被告知中国已有了“刘氏”产品后，感到意外的同时更带有敬佩：“这是从哪儿半途突然杀出的‘野马’？”

国家高分重大科技专项GF-5环境卫星，刘文清是三个有效载荷的总设计师，他还主持并出色完成了国家“863”计划相关项目以及中科院自主创新等一批科研任务。作为主帅扛起大旗，他更注重在带领科研队伍中把握好战略方向。

任安徽光机所所长多年，刘文清深知带团队的重要性，每年面试研究生总说：“让新导师先挑学生吧，‘团长挑完师长挑’。”

年轻导师被刘文清这番话所感动，在科研历练中也都已成长起来。

企业最好买只鸡回去就能下蛋

刘文清早年当过五年钳工，懂得什么是企业，什么是商品，他说：“企业最好买只鸡回去就能下蛋，不能把那些不成熟的科技成果卖给他们，我们要积极寻找成果转化的途径。”

安徽光机所与铜陵三佳电子集团等合作，刘文清以技术入股，占股权的12%，三方共同成立了注册资金为3600万元的铜陵蓝盾光电子有限公司，承担起科技项目的产业化运作，如今蓝盾光电子公司已成为环境光学先进技术带动企业发展的典范。

由安徽光机所提供技术，成功研制的空气质量自动监测子站，早年首先在广西桂林、北海的空气质量自动监测站运行，并通过中国环境监测总站的验收。

刘文清说道：“我们更多是考虑国家层面的利益，牢牢抓住基础性的创新源头，这是科研发展的根本所在；下游和后续的产业化工作，要积极配合蓝盾光电子公司这样的企业。企业科研立项时就先期介入，产品下线或者调试，我们也会去现场解决疑难问题。”

国家环保部门决策，把空气质量自动监测子站部署到全国2000个城市，刘文清带领安徽光机所审时度势，积极进行策应，使得研制的监测设备在全国遍地开花，目前已在20多个省市安装700余套，参与国家空气质量日报与预报工作。

目前，由刘文清领衔，开展汽车尾气道边快速监测系统研究，监测设备已在30多个城市应用200多套。除美国，只有我国拥有该监测技术。

舍不得孩子就套不住狼

刘文清领导的团队，争取国家“863”资源环境领域重大课题和国家自然科学基金等国家任务，研发的“城市空气质量自动监测系统关键技术及集成设备研制”“基于激光技术的大气污染光学监测技术及产业化”等，不仅获得42项发明专利授权，还形成系列环境监测仪器设备并实现了产业化，系统集成了大气污染立体监测技术并进行应用示范，开拓了我国环境光学监测技术新领域。

刘文清有一句口头禅是“舍不得孩子就套不住狼”。他还说：“要做成一件人们往往认为做不成的难事，就得有前瞻性的眼光，舍得进行必要的投资。”

早年刘文清刚参加工作，夏日董铺岛蚊蝇滋生，他买了一双长靴套住腿躲在蚊帐里学英语，几册《新概念》书本背得滚瓜烂熟，而他的脚丫也快被捂烂了。“砖头”录音机可分期付款购置，他每月的工资是50多元，若逐月从工资里扣10元，要三年才能还清，但他还是咬紧牙买了下来，用它每天练口语。

“不是我要刻意追赶‘新潮’，而是科研手段必须跟上。”回忆当年悬梁刺股的日子，刘文清说，“现在我们的科研布局，也必须‘舍得孩子’才能套住‘狼’。”

正是得益于刘文清的战略眼光，捕捉2007年“好运北京”、2008年北京奥运、2010年上海世博、2012年广州亚运等重大活动的难逢机遇，安徽光机所不负众望，得以大显身手。

依托安徽光机所的“国家环境保护环境光学监测技术重点实验室”，经过4年的组建，在2011年通过环保部组织的验收。

虽然研究成果“空气质量和污染源环境光学监测技术系统与应用”“大气环境综合立体监测技术研发、系统应用及设备产业化”和“大气细颗粒物在线监测关键技术及产业化”，已分别荣获2007年、2011年和2015年国家科技进步奖二等奖，为改变我国长期以来环境自动在线监测设备依赖国外的局面起到了带动作用，但刘文清带领的团队丝毫没有松懈斗志。

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英文名称：Photographic Science and Photochemistry

主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院理化技术研究所;中国感光学会

出版周期：双月刊

出版地址：北京市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1674-0475

国内刊号：11-5604/O6

邮发代号：2-383

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1983

期刊收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2000)

中文核心期刊(1996)

中文核心期刊(1992)

期刊荣誉：

中科双百期刊

联系方式

期刊简介

《影像科学与光化学》是由中国科学院理化技术研究所与中国感光学会联合主办的学报．读者对象是科研部门和生产单位的科学工作者和工程技术人员以及大专院校有关专业的教师和学生。本刊为双月刊，向国内外公开发行．学报现已被国外，如：《Chemical Abstracts》（CA，核心期刊）、《剑桥科学文摘》（CSA）、Scopus数据库（Elsevier）、《Imaging Abstracts》（IA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ）等，以及国内各主要检索机构和数据库收录，是中国科技核心期刊，被列入《中文核心期刊要目总览》化学类核心期刊，中华人民共和国新闻出版署颁评的“双百期刊”。

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【关键词】光学；光学教育；光学现状；光学发展

1.前言

随着科技的发展，光学技术也在不断进步，新的光学分支不断涌现，光学知识不断扩展，必然对光学教学产生冲击，而为了适应光学技术的发展，光学教学必须要教学内容不断更新、知识面要不断扩展等特点。为我国培养出具有创新思维和创新能力的科技人才。

2.我国光学教育的发展历程

2.1 萌芽时期

2.1.1 从上一辈直接传承到下一辈

当时的人们把有关光学方面的知识、技巧和工艺应用在了谋生和生活上，他们没有真正意义上的老师，都是从上一代怎样制造与光学有关的器具。这仅仅是为了生活，然而却在潜意识下产生了“光学”的应用和教学的过程。

2.1.2 从研读古书到写书撰写

从西周开始，就出现了大量有关于光学知识的书籍。在这个时代，人们把自己对于光学知识的理解编撰成书，供后人学习和研究。当时的人们已经开始观察与光有关的现象，并记录下来；还有些手工业者也把自己的光学工艺制造技术记录成册。而后人将这些知识和工艺方法进行进一步的扩充和传承。

2.2 形成和发展时期

这段时期是由明末开始到1937年。在这段时期里，中国的光学发展开始经历一个形成和发展的过程。也就是这一时期光学教育真正开始进入课堂。由于传教士来到中国传教，把西方的光学知识传入到中国，也就是这时，开始进入光学教育的形成时期。

2.3 战争维持时期

战争的出现不仅没把光学教育停滞，反而在西北地区有所发展。

2.4 空前繁荣时期

进入21世纪，科技的进步，对于光学的发展是迅猛的，达到了以前没有达到的高度。

3.光学教学的现状

3.1 光学教育中出现的问题

3.1.1 光学教学内容的更新跟不上光学应用的步伐

光学的应用领域在不断的扩大，不再仅仅局限于视光学和精密测量于加工领域，而是发展的越来越深入，与我国的工农业、科学技术以及人类的生活的领域都密切相关。然而先进的光学教育内容更新却跟不上光学应用的步伐。部分学校的教学内容还与几十年前的内容一样，整个教学内容体系完全落后于实际科学技术的发展。学生无法从课本学到与生活、生产紧密相连的光学技术。

3.1.2 专业需求导致光学教学内容被局限

目前，很多高校的非物理专业的大学物理光学教学越来越偏中于与自己专业相关的光学领域的知识，而对于与本专业无关的光学内容则进行了删减。有的光学内容过偏或者过简都会导致学生对光学知识只有一个片面的了解，使他们学不到真正的光学知识并失去兴趣。

3.1.3 光学目标的歧义化

课堂教学是光学教学的主要形式。而由于目前大学的教育模式和考核制度，使得学生把更多的注意力集中在与结课有关的光学内容和试题，而不是由兴趣出发而主动的去了解和学习。

3.1.4 现代光学内容设计过少甚至被忽略

虽然当今的光学技术发展迅猛，光学的应用领域在不断扩展，但是部分高校对于现代光学知识的内容知识浅尝辄止或者不涉及，缺乏时代信息，与现代光学内容几乎没有关系。

3.1.5 光学实验教学存在问题

在实验课时，学生知识根据课本的知识来完成实验，并不会去了解实验的设计思想。由于理论与实验的不同步，使得学生在实验室对实验的步骤不明，不了解实验数据的物理意义。

3.2 光学教学中出现的困难

3.2.1 光学教学面临着学生规模的不断扩充，而高校的教学资源很难达到要求的困难。

由于光学专业的学生的队伍每年都在扩大，使得部分高校的教学资源的升级很难与学生规模扩大的步伐同步，这就使得很难做到每个学生都充分了解光学内涵。

3.2.2 在光学教学中，很难更正学生之前对光学概念或现象的认识错误，这也给光学教育带来了难度。

学生从出生大长大通过自己的眼睛观察这个世界，并形成了自己的世界观，但往往他们所认识的都是表像，但是这种已经形成的观点一旦形成就很难更正。在课堂上老师讲解完知识后，由于学生众多，很难对每个学生是否正确掌握光学知识做一一了解的并更正，而错误的理解会导致对某个光学体系的错误认识，影响学习光学。

3.2.3 光学课堂上，教师与学生之间缺乏交流。

由于光学的内容偏向于物理，比较枯燥和抽象，而教师在教学的过程中，很难引起学生的共鸣，使老师不能及时里了解学生的理解状态，只能在课后通过考试时才能得到部分反馈的信息。

3.2.4 部分高校对光学的教学仍以传统教学为主。

在部分高校光学课堂上应用的现代化的教学手段，但教学的内容比较局限，不新颖，而且都是通过PPT呈现在学生面前，运用模型的时候很少，使学生不能直观的感受到光学内容，而只能在脑海中想象。

4.光学教育的发展对策

4.1 光学课程的改革

光学课程是学生学习现代化科学技术的基本课程。在光学教育改革中，应该把学习知识的教育内容转变为以科学素质教育为主的课堂教育内容，着重培养学生的创造能力和自主学习能力。在课程上利用近几年的教学研究成果，是课堂知识和现代的光学技术发展挂钩，使知识不陈旧，能引起学生的兴趣，主动去了解并去学习有关光学的知识，为学生的知识、能力、素质的发展提供条件。

4.2 加强相关专业的配合

学生学习光学知识，不应局限于仅仅学习光学知识，应跟上时代科技的发展，学习光学技术发展中产生的新分支和与其他专业的相关性，扩充自己的知识面，为我国的科技发展做贡献。

4.3 光学问题向导式学习

4.3.1 问题向导式教学的概念和模式

4.3.1.1 问题向导式教学的概念

问题向导式教学是指在课堂教学时，教师根据所要讲述的教材内容，引出相关内容和概念时，向学生进行提问，引发学生的思考与理解。

4.3.1.2 问题向导教学的模式

①一问一答模式。一问一答模式可以是教师提问，引导学生思考而回答问题；也可以是学生提问，老师回答问题来解决学生在学习光学是的疑问；还可以是学生通过计算机作为中介向老师提问或回答问题。

②集体辩论模式。它是指在课堂上后者课后，教师组织学生进行学生与学生之间的相互问答模式。通过这种模式，可以让学生进行交流并把自己所理解的光学知识渗透该对方，提高学生对光学知识的理解，并在这一过程中提升学习的兴趣。同时加强学生之间的交流，增强集体感。

4.3.2 问题向导式教学的作用

①提高师生间互动的频率。由于光学知识是枯燥乏味的，而课堂上的沉寂使师生之间缺乏交流。而通过这种模式，可以增加师生间的交流。在交流的过程中，师生间相互了解、互相认可，不但提高了教学质量，增进了师生间的友谊还达到了良好的教学效果。

②培养学生的思辨能力。学生在参加辩论时，通过提问和回答问题，把自己的思想观点说出来并进行探讨，也对别人的问题进行探讨，是其不再拘泥与过去的思考模式。

参考文献

[1]明海，陈博，章江英.大力加强光学专业学生的素质教育和创新能力的培养――促进光学、电学类高等人才的培养[J].光电子技术与信息，2010，17（4）：15-18.

[2]蔡履中.光学[M].北京：科学出版社，2011.

[3]吴寿煌，吴大炜.试论21世纪物理专业《光学》之教学改革[J].黑龙江高教研究，2011（6）：101-103.

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关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0．18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm,0．13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径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开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4,6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：（1）．增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。(2)．提高材料的电学和光学微区均匀性。（3）．降低单晶的缺陷密度，特别是位错。（4）．GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

(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基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1．5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄(～0．01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9．1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3．7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

(2)硅基应变异质结构材料。硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0．9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，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，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3．6～4W。特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED)和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0．5W。在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题,如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可见光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1．5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计算的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料

硅材料作为微电子技术的主导地位至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶

材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体

微结构材料的建议

(1)超晶格、量子阱材料

从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

(2)一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

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这是一套完整的基于硅实现了光信息发射、传输与放大接收的装置,它将使得电脑设备之间通过光互连实现高速传输真正成为可能,昂贵的光通信行业也终于在经历了千难万险之后,与英特尔的老本行――硅制造成功“嫁接”。

创新模块完成“总装”

英特尔视硅光电为战略性研究,并投入已久。其立足点就在于舍弃成本高昂的稀有材料,以价格便宜的硅为基础开发光子器件,并与英特尔的制造工艺相结合,在现有的晶圆厂中,采用标准工艺进行批量生产制造。目前,英特尔研究院拥有一支一流的硅光电研究团队,连续数年都取得了阶段性创新成果,刷新了当时的技术记录。《中国计算机报》曾发表文章《光脑渐近》对英特尔的突破性研究成果进行过报道,因为硅光子器件将是继集成电路之后最有应用前景的实用元器件。

与此次公布的最新成果不同的是,英特尔之前的研究成果大多是一些创新模块,聚焦在光源、传输、控制、检测等多个重要环节,分别克服不同环节的技术障碍。这一次则不同,据英特尔研究院副总裁、电路与系统研究院总监王文汉介绍,这次的成果是第一个具备集成激光器的硅基光电的数据联结系统,它把过去的构建模块全部集成在一起。“我们能有今天的成果,并不是一步登天的,而是基于过去十多年来不断积累的研究成果。” 王文汉说。

这个过程就好比神舟飞船,是一个浩大的系统工程,单有飞行器还不够,运载、控制、通信等所有环节都要跟上,直到总装调试完毕,才能发射向太空。英特尔在硅光电领域解决了光源、传输路径(光波导)、光调制、光探测等一系列关键问题之后,具备了完整的终端到终端光信号收发的能力。现在的研究就处于 “总装”阶段,距离产业化仅一步之遥。

王文汉认为,通过这项技术,英特尔将把光通信引入到所有计算平台。大趋势表明,在未来的电脑中,光束完全可以代替电子来传输数据。使用超细超轻的光纤替代铜线,让计算机在更长的距离传输更多的数据,将从根本上改变未来电脑的设计模式,以及未来数据中心的构建方式,引发应用和架构的双重革命

短距离光传输大势所趋

光传输不是新鲜名词,它最早被应用在横跨世界各大洋的光纤电缆上,而后被用于全国性的、本地的超高速数据网络。英特尔大力研究大批量、低成本的硅光器件,就可以实现把光传输引入更短距离,比如设备间、设备内,甚至芯片级。

据英特尔研究院光电子技术实验室首席工程师刘安胜介绍,这套硅基光电数据联结系统的传输速度已经达到50Gbps。这个速度是什么概念呢?打个比方,以这样的传输速度,一秒钟时间你可以从iTunes下载一部高清电影、100小时数字音乐或1000张高清照片。刘安胜告诉记者,仅仅通过扩展的方式,速度达到50Gbps的概念设备的速度就能被提升到100Gbps、400Gbps甚至1TB以上。按照这个传输速度,可以在一分半钟内把美国国会图书馆全部印刷品下载完毕。

而相比之下,铜缆在10Gbps的传输速度上已经遇到了挑战,折中考虑距离与速度的,也将耗费更多能量。而铜线的最大长度其实也限制了计算机形态的创新性设计。“光缆传输数据在任何速度下都可以传输更远,多种信令可以在一根缆线上传输,并且又薄又轻还节能。” 刘安胜表示,在克服了成本和技术难题之后,光传输已经相比铜缆有越来越多的优越性。“以后电视的高清显示度可能会达到现在的4倍,那时速度传输必须达到近60Gbps,这样的速度唯有用光才可以实现。”刘安胜坚信这项技术将成为明日的主流技术,“庞大的数据流动无处不在,光传输也会引发未来互联网的新革命。”

设备间光互连轻松实现

据刘安胜介绍,这套系统主要由发射器、接收器及传输光纤组成,单向传输,发射器与接收器芯片都已经集成在了线路板上,芯片本身的制造成本很低。每块芯片上都整合了英特尔的重大技术突破结晶,包括全球首款混合硅晶激光器以及2007年推出的高速光学调制器和光电探测器。

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【关键词】光纤通信；智能电网；应用

1.光纤通信技术的现状

光纤通信技术，其促进了我省电力系统通信的发展，当前，光纤通信技术的种类大致可以分为以下几种：

1.1波分复用技术

波分复用技术是指将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，在接收端将各个不同波长的光信号分开的通信技术。波分复用技术应用特点具体可以归结为以下几点：首先，其充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）极少一部分，波分复用技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。其次，传送信号的能力大；它具有在同一根光纤中，可以传送2个或数个非同步信号的强大能力，从而有利于数字信号和模拟信号的兼容。第三，具有较强的灵活性；它可以对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，就可以进一步增容，进而实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作很大的改动。第四，当出现故障时，恢复的速度快；由于光纤数量少，一方面大大降低了建设成本，与此同时，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。第五，由于有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。第六，系统的可靠性提高；系统中有源设备得到大幅减少，这样在一定程度上就大大提高了系统的可靠性。

1.2光纤接入技术

光纤接入技术是指以光纤作为传输介质，采用激光传输技术的接入网，泛指本地交换机或者远端设备与用户之间采用光纤通信或者部分采用光纤通信的系统。根据接入网室外传输设施中是否包含有源设备，其可以分为：无源光网络（PON）有源光网络（AON）。这种光纤所具有的优势：首先，其具有带宽优势，与双绞线和同轴缆相比，光纤的理论带宽几乎是无限的，并且单个波长可以传输10Gb/s，采用波分复用可以传输更高的速率。其次，长距离传输优势；衰减很小，增加光放器传输距离可达数百公里。第三，抗恶劣环境优势，其抗腐蚀能力强，而且不受电磁波等因素的干扰。第四，安全性优势，其盗接线头困难，不易盗听。

2.光纤通信技术在智能电网中的应用分析

智能电网的发展已经日益成为当今国际的共识，中国的智能电网建设为顺应这一国际形势，也在如火如荼的紧张进行着。目前，电力系统已经成功建成了先进的电力专用光纤通信网络，同时传感器的网络发展也势不可挡，两者必将会进一步促进青海省电力系统智能电网的快速发展。

2.1光纤通信技术已经成为智能电网通信网络建设的首选

随着光纤复合电压电缆的成功研制，在智能电网全面建设中，电力光纤到户已经成为当今势不可挡的一种发展趋势。

我们都知道智能电网需要一个高可靠、高带宽的通信网来推动电网的建设和发展。例如：某省某县地区4座供电营业所均已实现光纤覆盖，通信采用2M电路方式；但光纤未覆盖变台、用户表，通信方式主要还以公网GPRS无线通信为主，给日常运维带来极大不便。而我省贵德县主光纤线路已建设完成正好具有带宽高、抗干扰能力强、性价比优等特点，其它通信技术无法比拟的优势，因此，建设智能电网通信网络是最佳选择。

2.2光通信和无线通信的融合是未来的发展趋势

众所周知，光纤通信技术最大的特点就是高速、稳定以及传输距离远且抗干扰能力强等众多优势，而无线最大的特点就是方便灵活，如何将两者的优势充分结合起来一直是技术人员研究的重点。这种需求随着视频通话、多媒体无线接入、P2P文件传送等大容量需求上升而使其变得更加的紧迫，因此，这就在一定程度上使人们意识到光纤和无线的结合必将成为未来的发展趋势。

2.3 更好的实现了电力光纤到户，解决了广大群众上网难的问题

电力光纤到户是一个非常好的概念和架构，它的目的是在接电的同时，把光纤直接入户，这在一定程度上将极大地改善了广大农村地区上网难的问题，我们可以在铺设电力线路的同时，最大可能地实现光纤的接入，为以后的上网需求提供更为便利的条件，同时我们也要充分发挥光纤到户的技术优点和政策优势，尤其是在边远地区，大力推广电力光纤到户，一次性地完成成本投入，争取为以后智能电网在农村全面铺开奠定良好的基础。

2.4功能完备的传感器网络对电网智能化的重要意义

光纤传感器网络是通过传感器来收集信息并借由光纤把相关数据传输到数据中心，然后依托数据中心的数据处理系统对前端传感器采集的数据进行离线或实时处理，并依此执行后续工作，如监测或监控，如果传感器布置在输电线路上，则可以对输电线路的状态进行检测。传感器网络涉功能涉及的方面较多，可能既涉及到光纤传感器网络，也涉及到无线传感器网络，甚至是二者的融合网络，如果这个网络较为完备，那将极大地推进智能电网的发展。例如，分布式光纤温度传感技术的引用。如果在部分地区发生雪灾时，我们引用这种先进的光纤温度传感技术，就能够做到对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力进行实时监测，从而做到及时的排险，减少国家经济损失。

3.总结

综上所述，我们可以得知，光纤技术作为电力系统中信息传输的重要组成部分，为电力系统提供了容量大、快捷方便以及距离远这种安全可靠的信息传输方式，对我省电力系统的安全稳定的运行起到的重要的作用。因此，我们应该进一步加强光纤通信技术在智能电网中的应用研究，确保光纤通信技术在信息时代所占据重要的战略地位。

参考文献：

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[3]胡辽林.高速光通信中若干关键技术的研究[D].西安电子科技大学，2004年

[4]张永健.电网监控与调度自动化[M].中国电力出版社，2004年

[5]魏丽芳，王克谦，郭克义.浅谈光纤通信技术在智能电网中的应用与发展[J].中小企业管理与科技，2011年第34期

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