《光电子信息系统》教学课件

光电子信息系统欢迎参加光电子信息系统课程学习本课程将带领大家深入探索光电子信息系统的基本原理、关键技术和重要应用我们将从光学和电子学基础开始，逐步了解各种光电子器件、系统构成以及前沿技术发展在信息时代，光电子技术已成为支撑现代通信、计算、感知等领域的基石，掌握这些知识将对您未来的研究和工作具有重要意义课程概述1课程目标2学习内容本课程旨在使学生掌握光电子课程内容包括光学与电子学基信息系统的基本概念、工作原础、光电器件原理、光电信息理和设计方法，培养学生分析系统构成与应用、前沿技术等和解决光电子系统问题的能力方面我们将系统介绍从基础通过理论学习和实践训练，使理论到实际应用的全过程，帮学生具备光电子信息系统的研助学生建立完整的知识体系发、应用和创新能力3考核方式课程考核包括期末考试（60%）、课堂表现（10%）、实验报告（20%）和课程设计（10%）四个部分期末考试主要检验理论知识掌握程度，实验和课程设计则重点考察实践能力和创新思维光电子信息系统的重要性现代信息技术的支柱广泛的应用领域光电子信息系统是现代信息技术的重要支柱，它利用光的高频宽、光电子信息系统已广泛应用于通信、医疗、国防、航空航天、能低损耗等特性，克服了传统电子系统的带宽瓶颈随着信息量爆源、制造等领域从日常生活中的光纤宽带、激光打印到高科技炸式增长，光电子技术在高速数据传输、处理和存储方面的优势领域的光学传感、激光雷达、量子通信，光电子技术已深入到经日益凸显，成为信息产业发展的关键推动力济社会发展的各个方面，推动了新一轮科技革命和产业变革光电子信息系统的发展历程早期发展（年代）119601960年激光器的发明标志着光电子学的诞生随后，半导体发光二极管（LED）和光电二极管的研发成功，为光电子信息系统奠定了基础这一时期主要是基础理论和器件技术的突破中期发展（年代）21970-1990光纤通信技术的成熟是这一阶段的重要突破低损耗光纤、半导体激光器和光电探测器的性能不断提高，光纤通信系统开始大规模商用同时，CCD技术的发展推动了光学成像系统的革命现代发展（世纪至今）321光电子集成技术和量子光学是当前发展的主要方向硅光子学、光子集成电路、量子通信等技术取得重大突破，太赫兹技术、超材料等新兴领域不断拓展光电子信息系统的应用边界光电子信息系统的基本组成信号处理系统1处理光电转换后的电信号光检测器2将光信号转换为电信号光传输介质3传输光信号的通道光源4产生光信号的发射端光电子信息系统由四个基本部分组成光源是系统的信息发射端，如激光器、LED等，负责将电信号转换为光信号；光传输介质如光纤、大气等，为光信号提供传输通道；光检测器如光电二极管、光电倍增管等，实现光信号到电信号的转换；信号处理系统包括放大、滤波、解调等环节，完成信息的提取与处理光学基础光的本质I波动性粒子性波粒二象性光表现为电磁波，具有频率、波长和振幅等光也表现为能量粒子（光子），具有确定的量子力学揭示，光同时具有波动性和粒子性，特性光的干涉、衍射和偏振现象均可用波能量和动量光电效应、康普顿效应等现象这种二象性是微观粒子的本质特性在不同动理论解释麦克斯韦方程组完美描述了光证明了光的粒子性每个光子的能量E=hν，实验条件下，光会表现出波动或粒子的特性，的电磁波特性，预测了电磁波的存在并计算其中h为普朗克常数，ν为光的频率两种描述是互补的出光速光学基础几何光学II反射折射透镜系统当光线从一种介质射向当光从一种介质进入另透镜是利用折射原理设另一种介质的界面时，一种介质时，传播方向计的光学元件，可以会部分光线会返回原介质，发生改变，这就是折射聚或发散光线凸透镜这就是反射现象反射现象折射定律（斯涅会聚平行光线于焦点，定律指出入射光线、尔定律）描述了入射角凹透镜则使平行光线发反射光线和法线在同一与折射角的关系散透镜成像公式平面内，入射角等于反n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，1/u+1/v=1/f描述了物距、射角反射是光学系统其中n为折射率折射是像距与焦距的关系，是中光路设计的基础透镜成像的物理基础设计光学系统的重要依据光学基础物理光学III干涉衍射偏振光波相遇时，振幅按照相位关系叠加，形成当光波遇到障碍物或通过狭缝时，会绕过障光波是横波，振动方向垂直于传播方向自干涉现象当两束相干光叠加时，相位差为碍物边缘传播，这种现象称为衍射衍射限然光的振动方向随机分布，通过偏振片等器2nπ的位置形成明条纹（增强干涉），相位制了光学系统的分辨率，同时也是全息技术、件可获得振动方向单一的偏振光偏振现象差为2n+1π的位置形成暗条纹（减弱干光栅光谱仪等光学器件的工作原理广泛应用于液晶显示、应力分析、光通信等涉）干涉是许多精密光学测量技术的基础领域电子学基础半导体物理I能带理论载流子固体中的电子能量呈现带状分布，形成导带和价带导体的导带半导体中的自由电子和空穴统称为载流子本征半导体中电子和和价带重叠，绝缘体具有宽禁带，而半导体的禁带宽度适中（通空穴浓度相等；N型半导体中电子为多数载流子，P型半导体中空常为

0.1-4eV）能带理论解释了半导体的导电性随温度升高而增穴为多数载流子载流子的浓度、迁移率和寿命等参数决定了半加的现象，以及掺杂对半导体电学性质的影响导体器件的性能电子学基础结II PN结特性曲线PN1正向导通，反向截止空间电荷区2形成内建电场结形成PN3P型与N型半导体接触PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构，是半导体器件的基本单元当P型和N型半导体接触时，由于浓度差异，载流子扩散形成空间电荷区，产生内建电场PN结具有单向导电性正向偏置时，势垒降低，电流增大；反向偏置时，势垒增高，只有少量反向饱和电流PN结的电流-电压特性曲线是非线性的，可用理想二极管方程I=Ise^qV/kT-1描述，其中Is为反向饱和电流，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度这种非线性特性使PN结成为整流、检波、变容等功能器件的基础电子学基础基本电路III放大电路振荡电路开关电路放大电路是将微弱信号放大到所需幅度的振荡电路能产生持续的交流信号，是信号开关电路工作在截止和饱和两种状态，用电路常见的放大电路包括共射极、共基源的核心振荡电路的工作原理是将输出于数字信号处理晶体管作为开关时，控极和共集电极三种基本配置放大电路的信号的一部分正反馈到输入端，满足振荡制电流很小而开关电流较大，具有功率放关键参数包括电压增益、电流增益、输入/条件环路增益大于等于1，相移为360度大作用开关电路是数字系统的基础，光输出阻抗和频率响应等在光电子系统中，的整数倍常见的振荡电路有LC振荡、RC电耦合器常用于信号隔离的开关应用放大电路用于放大光电探测器输出的微弱振荡和石英晶体振荡电路信号量子力学基础量子态量子态是描述量子系统状态的完整表述与经典物理不同，量子系统可以同时处于多个状态的叠加，这种叠加态是量子力学的核心概念量子态的测量会导致波函数坍缩，系统随机进入某个特定状态波函数波函数Ψx,t是描述量子系统的数学工具，其物理意义是|Ψx,t|²表示在位置x处发现粒子的概率密度波函数满足归一化条件，即总概率为1波函数的演化遵循薛定谔方程，是确定性的薛定谔方程薛定谔方程是量子力学的基本方程，描述了量子系统的时间演化iħ∂Ψ/∂t=ĤΨ，其中ħ为约化普朗克常数，Ĥ为哈密顿算符求解薛定谔方程可以得到系统允许的能量本征值和对应的本征态光电效应

18871.5eV外光电效应发现年份典型半导体禁带宽度由赫兹首次发现，爱因斯坦成功解释决定了内光电效应的光谱响应范围15-25%商用太阳能电池效率基于光伏效应的能量转换效率光电效应是指光照射到物质上引起的电效应，分为三种主要类型外光电效应是光照射金属表面使电子逸出，要求光子能量hν大于逸出功W₀，是光电倍增管等器件的基础；内光电效应是半导体内部的光生载流子效应，是光电二极管等光电探测器的工作原理；光伏效应则是PN结或异质结中的光生伏特效应，是太阳能电池的基础发光二极管LED发光原理材料选择1载流子复合释放能量禁带宽度决定发光颜色2封装技术器件结构43散热和光学设计提高光提取效率发光二极管LED是将电能直接转换为光能的半导体器件当PN结加正向偏置时，多数载流子注入少数载流子区，发生复合并以光子形式释放能量LED的发光波长主要由半导体材料的禁带宽度决定GaAs基材料发红光和红外光，GaP基材料发绿光，GaN基材料发蓝光和紫外光LED的关键特性参数包括发光光谱、光效、寿命和驱动特性等现代LED已广泛应用于显示、照明、通信和传感等领域，特别是白光LED的出现彻底改变了照明行业与传统光源相比，LED具有高效、长寿、环保、响应快等优势激光二极管受激发射原理结构设计输出特性激光二极管的工作基于受激发射原理当处典型的激光二极管采用双异质结结构，中间激光二极管的输出特性包括输出功率、光谱于激发态的电子受到与能级差相对应频率的的有源层被两侧的限制层包围，形成波导结特性、调制特性和光束特性等与LED相比，光子刺激时，会跃迁至低能级并发射一个与构腔面两端通常采用解理面形成法布里-激光二极管的输出光具有高相干性、高单色入射光子频率、相位、偏振和传播方向完全珀罗腔，提供光反馈现代激光二极管还采性和高方向性根据有源层结构不同，激光相同的光子，形成光放大这一过程要求实用分布反馈DFB、垂直腔面发射VCSEL二极管可分为量子阱、量子线和量子点激光现粒子数反转，即高能级粒子数多于低能级等结构，以满足不同应用需求器，量子限制效应使其具有更低的阈值电流和更高的温度稳定性光电探测器光电管I工作原理结构组成1基于外光电效应光电阴极与阳极2应用场景性能指标43光强检测与开关响应度与暗电流光电管是基于外光电效应的光电探测器，由真空管和光电阴极组成当光照射到光电阴极表面时，产生光电子，在电场作用下飞向阳极，形成光电流光电管的响应度通常为几十mA/W，暗电流较低，响应速度快，但灵敏度不高光电管的性能取决于光电阴极材料和结构设计常用的光电阴极材料有碱金属化合物、III-V族半导体等，不同材料的光谱响应范围不同光电管已被更先进的光电探测器所替代，但在一些特殊应用如宇宙射线探测、紫外探测等领域仍有应用光电探测器光电倍增管II光电变换光子击中光电阴极，产生光电子光电阴极材料和工艺决定了量子效率和光谱响应范围典型的量子效率为10-30%，响应范围覆盖紫外到近红外波段电子倍增光电子在高压加速下撞击第一级倍增极，产生二次电子这些二次电子继续加速撞击下一级倍增极，形成电子雪崩效应每级倍增极的增益通常为3-5倍，级间电压约为100V信号采集倍增后的电子流被阳极收集，转换为可测量的电流信号阳极电流与入射光强成正比，倍增放大使微弱光信号产生足够大的电流输出，便于后续电路处理光电倍增管是高灵敏度的光电探测器，其增益可达10⁶-10⁸，能够探测单光子级别的微弱光信号其噪声主要来源包括暗电流噪声、散粒噪声和增益波动噪声光电倍增管广泛应用于科学研究、医学影像、核辐射探测等领域光电探测器光电二极管III1PIN结构优势2关键响应特性3工作模式选择PIN光电二极管在P型和N型区之间插入光电二极管的响应特性包括响应度、量光电二极管有光伏模式和光电导模式两一层本征I半导体，形成宽阔的耗尽区，子效率、暗电流、噪声等效功率和响应种工作方式光伏模式零偏或微小正偏增大了光吸收体积和减小了结电容，提时间响应度R=I/PA/W表示入射光功无需外加电压，暗电流小，噪声低，适高了响应速度和量子效率I层的宽度是率与输出电流的比值，量子效率η表示合弱光检测；光电导模式反向偏置响PIN二极管设计的关键参数，它影响着产生的电子数与入射光子数的比值理应速度快，线性范围宽，适合高速光通量子效率、响应速度和工作波长范围想情况下R=ηq/hν，其中q为电子电荷，信选择工作模式需权衡响应速度、灵hν为光子能量敏度和线性度光电探测器电荷耦合器件IV CCD结构原理图像采集过程性能优势CCD是一种基于MOS电容的电荷转移器CCD的图像采集分为四个阶段光电转换CCD具有高量子效率80%、低噪声、件，由光敏元件阵列、电荷传输通道和输积分、电荷传输、电荷检测和信号处理高动态范围和良好的线性度其成像性能出放大器组成每个像素包含一个光敏二积分阶段，光生电荷在每个像素中累积；主要受量子噪声、暗电流噪声和读出噪声极管和多相移位寄存器当光照射到光敏读出阶段，通过多相时钟电压控制，电荷影响制冷可降低暗电流噪声，背照式结区时，产生电子-空穴对，电子被势阱捕包按行列顺序传输至输出放大器；信号处构可提高量子效率CCD已广泛应用于科获并积累，形成与入射光强成比例的电荷理阶段，电荷转换为电压信号并进行放大、学成像、数码相机、医学影像和机器视觉包采样和量化等领域光电探测器互补金属氧化物V半导体传感器CMOS工作原理与的比较应用前景CCDCMOS传感器每个像素包与CCD相比，CMOS传感CMOS传感器已成为主流含一个光电二极管和多个器功耗更低仅为CCD的图像传感器，应用于智能晶体管电路，实现了光电1/10，集成度更高，可实手机、安防监控、汽车视转换、信号放大和读出功现片上系统SoC，成本觉等领域未来发展趋势能的集成与CCD采用移更低；但早期CMOS的图包括提高分辨率和灵敏度、位寄存器传输电荷不同，像质量不如CCD，存在较扩展光谱响应范围如近红CMOS采用行列寻址方式大的固定模式噪声随着外、紫外、增强智能处理访问每个像素，每个像素技术发展，背照式功能如机器学习加速器有自己的放大器，可以实CMOSBSI、堆栈式和发展新型结构如量子点现随机访问CMOS等新结构极大提高CMOS、有机CMOS了CMOS传感器的性能光纤通信系统发射端1发射端将电信号转换为光信号并耦合到光纤中主要包括信号源、调制器和光源三部分信号源产生携带信息的电信号；调制器控制光源，实现光强、相位或频率的调制；光源通常采用激光二极管LD或发光二极管LED，LD用于长距离高速系统，LED用于短距离低成本系统传输通道2光纤是传输通道的核心，基于全反射原理传导光按折射率分布可分为单模光纤和多模光纤单模光纤芯径小~9μm，只传输基模，带宽高；多模光纤芯径大50-

62.5μm，传输多种模式，模间色散限制了带宽光纤的主要性能指标包括损耗、色散、带宽和数值孔径等接收端3接收端将光信号转换回电信号并恢复原始信息主要包括光探测器和信号处理电路光探测器通常采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管APD，将光信号转换为电流；信号处理电路包括前置放大、均衡、时钟恢复和判决电路，完成信号的放大和再生光放大器掺铒光纤放大器半导体光放大器拉曼放大器EDFA SOAEDFA是当今光通信系统中最重要的光放大SOA基于受激发射原理，结构类似于无反拉曼放大器基于受激拉曼散射效应，利用器，由掺铒光纤、泵浦激光器和波分复用馈激光二极管通过电流注入形成粒子数高功率泵浦光与传输光纤中的声子相互作器组成铒离子在

1.48μm或

0.98μm泵浦反转，在有源区实现光放大相比EDFA，用，将泵浦光能量转移给信号光拉曼放光激发下形成粒子数反转，能在

1.55μm波SOA具有小型化、可集成、低成本和宽增大的特点是不需要特殊掺杂光纤，可在任长窗口通信最低损耗窗口提供增益益谱宽等优势，但存在偏振敏感、噪声高何波长实现放大，增益带宽可通过多波长EDFA具有高增益30dB、宽带宽和非线性强等缺点SOA主要应用于接入泵浦拓展分布式拉曼放大可改善信号噪30nm、低噪声和高饱和输出功率等优网和光功能器件中，如波长转换器、全光声比，延长传输距离，是超长距离高速系点，已成为长距离光通信系统的标配开关等统的关键技术光开关电光效应开关声光效应开关全光开关电光效应开关利用电场改变材料折射率的特性声光效应开关利用声波在介质中传播产生的周全光开关利用光控制光，基于材料的非线性光实现光开关功能常用的电光材料有铌酸锂期性折射率变化，形成类似光栅的结构，使入学效应如克尔效应、两光子吸收等全光开关LiNbO₃、砷化镓GaAs等以马赫-曾德射光发生布拉格衍射通过控制声波信号，可不需要光电转换，可实现超高速~fs操作常干涉仪结构为例，光束分为两路，其中一路通以调节衍射光的强度和方向，实现开关功能见结构有非线性马赫-曾德干涉仪、半导体光过加电场的电光晶体，相位变化；两路重合后，声光开关的优点是可同时处理多波长光信号，放大器和微谐振腔等随着光子集成技术发展，根据相位差形成干涉，实现光开关功能电光功耗低，但响应速度较慢~μs，主要用于波全光开关有望实现低功耗、高集成度和超高速开关响应速度快~ps，适合高速光通信系统长选择和光束偏转的全光信息处理光调制器强度调制相位调制1直接调制信号光强度改变光波相位携带信息2高级调制格式偏振调制43结合多维度实现高效传输控制光偏振状态传递信息光调制器是将信息加载到光载波上的关键器件强度调制IM最为简单直接，可通过直接调制激光器驱动电流或外置马赫-曾德干涉仪MZI调制器实现直接调制简单但存在啁啾效应，限制传输距离；外置调制器可实现高速、长距离传输，已成为高速系统标配相位调制PM通过改变光波相位携带信息，需要相干接收技术解调偏振调制通过控制光的偏振状态传递信息，可与其他调制方式结合现代光通信系统采用相干通信技术，结合正交相位调制QPSK、QAM等高级调制格式，同时利用光的强度、相位、偏振和波长四个维度，极大提高了频谱效率和传输容量光信息处理基础傅里叶光学相干光学非相干光学傅里叶光学是利用透镜实现光学傅里叶变相干光学利用激光等相干光源，基于干涉非相干光学使用LED等非相干光源，仅处换的理论与技术当物体位于透镜前一个和衍射原理进行信息处理相干光学系统理光强信息虽然信息容量低于相干光学，焦距处时，在后一个焦距平面上形成物体能够保存并处理信息的幅度和相位，记录但系统稳定性高，对环境振动和热效应不的傅里叶变换这种变换将空间域的信息完整的波前信息，是全息技术的基础相敏感，实现简单非相干光学广泛应用于转换到频率域，便于进行频率滤波和信息干光学处理具有高精度、高分辨率的特点，光学图像处理、投影显示和照明系统等领处理傅里叶光学是光学信息处理的理论在高级光学信息处理如光学全息计算和量域，是更经济实用的光信息处理方案基础，广泛应用于光学滤波、模式识别和子信息处理中发挥重要作用图像增强等领域光学全息技术记录原理再现原理应用领域光学全息记录是通过参考光与物体光干涉形成全息图再现是用与记录相同的参考光照射全息全息技术应用广泛，包括三维显示、安全防伪、的干涉图样，记录物体的幅度和相位信息当图，通过衍射重建原始物体光波场当参考光光学元件、数据存储和医学成像等全息防伪相干光束分成参考光和物体光两部分，物体光被全息图衍射时，会产生零级衍射光、共轭像标签难以复制，广泛用于钞票、证件；全息光携带物体散射的光波信息；两束光相遇形成干和真实像其中真实像重现了原始物体光波的学元件HOE可实现复杂的光学功能；全息数涉图样，被记录在全息介质上这种干涉图样幅度和相位分布，观察者可从不同角度看到物据存储可实现超高密度存储；数字全息显微术包含了物体光波的完整信息，包括幅度和相位体的不同视角，实现三维立体显示效果能够无扫描成像活细胞，为生物医学研究提供有力工具光学模式识别相关器原理光学相关器是利用光学系统实现模式识别的基本装置，其核心是计算输入图像与参考图像之间的相关函数当两个图像完全匹配时，相关峰值最大；部分匹配或不匹配时，相关峰值减小或消失相关器利用光的并行处理能力，可同时处理大量信息，实现高速模式识别匹配滤波技术匹配滤波是光学模式识别的经典方法，由VanderLugt提出其基本思想是在频率平面放置与参考物体傅里叶变换共轭的滤波器，当输入包含参考物体时，输出平面产生明亮的相关峰匹配滤波对目标位移不敏感，但对旋转和尺度变化敏感，可通过多滤波器设计或不变矩描述克服联合变换相关器联合变换相关器JTC是一种无需复杂滤波器制作的相关技术JTC将输入图像和参考图像并排放置，通过两次傅里叶变换实现相关计算JTC更易于实现实时处理，结合数字技术可进一步提升性能现代光学模式识别结合深度学习和相位编码技术，形成了光电混合系统，克服了传统方法的限制光学神经网络光学互连光学权重光学非线性光学互连利用光在自由空间传播的特性，实现光学权重是光学神经网络中调节信号强度的关光学非线性元件在光学神经网络中实现激活函神经元之间的高密度、低串扰连接与电子互键元素，对应于传统神经网络的连接强度光数功能，是网络处理复杂问题的关键常用的连相比，光学互连具有高带宽、低功耗和无电学权重可通过全息图、光学掩模或空间光调制光学非线性包括饱和吸收体、双稳光学器件和磁干扰等优势常用的光学互连技术包括全息器实现在基于相干光的系统中，权重可同时光学晶体等近年来，基于微腔的非线性光学互连、衍射光学元件和微透镜阵列等空间光编码在光的振幅和相位上；在非相干系统中，器件展现出低功耗、高速度的特点；集成光子调制器SLM作为可编程互连元件，能够动态权重通过调制光强实现可调权重技术是实现学中的非线性硅波导和石墨烯等二维材料为实调整神经网络结构光学神经网络学习功能的关键现高效光学非线性提供了新途径光学计算光学并行处理光学逻辑门光学并行处理利用光的空间并行性，同光学逻辑门是全光计算的基本单元，利时处理大量数据与串行电子计算不同，用非线性光学效应实现逻辑运算常见光学系统中的信息可在自由空间或波导的实现方式包括基于非线性干涉的光学中并行传播，不同数据通道间无需时分双稳态器件、量子阱结构和光子晶体等复用典型的光学并行处理系统包括光与电子逻辑门相比，光学逻辑门速度更学傅里叶处理器、光学矩阵-向量乘法器快飞秒量级，但面临功耗和集成度等和光学卷积器等这些系统在模式识别、挑战近年来，基于表面等离子体、光信号处理和神经网络计算中表现出显著子晶体和超材料的超小型光学逻辑门取的速度优势得了突破性进展光学模拟计算光学模拟计算直接利用光学系统的物理特性求解特定问题，如微分方程、优化问题等例如，光波传播自然遵循波动方程，可用于求解波动相关问题；光的干涉和衍射可用于实现傅里叶变换和相关运算；非线性光学系统可模拟复杂动力学过程近期兴起的光学计算加速器结合了模拟和数字方法，为人工智能等领域提供高效算力光存储技术1光盘工作原理2存储密度提升技术光盘利用激光束读写信息，基于光反提高光存储密度的关键是减小记录点射率差异识别数据CD使用780nm尺寸，主要方法包括缩短激光波长激光，在聚碳酸酯基底上的铝反射层从红光到蓝光；增大数值孔径NA，创建凹坑pit和平台land结构，通如蓝光从

0.6提高到

0.85；多层记录过反射光强变化表示0和1DVD采用技术，如BDXL实现了3-4层；超分辨650nm激光，采用双层结构提高容技术，如近场记录、等离子体辅助记量蓝光光盘使用405nm蓝紫激光，录等，突破衍射极限；全息存储技术进一步提高存储密度，单层容量达利用体材料的三维空间和多路复用，25GB理论密度可达TB/cm³级别3读写方式演进光存储的读写方式经历了只读ROM、一次写入WORM和可重写RW三个阶段只读光盘在制造时固定内容；可刻录光盘如CD-R采用染料层，激光加热使其不可逆变化；可重写光盘如CD-RW采用相变材料，利用晶态和非晶态间的可逆转换实现多次擦写新型光存储如多维光存储和纳米光存储正在研发中光显示技术液晶显示等离子显示显示LCD PDPOLED液晶显示器利用液晶分子在电场作用下改变偏等离子显示面板利用紫外放电激发荧光粉发光有机发光二极管OLED显示器利用有机材料在振方向的特性调制光强基本结构包括背光源、每个亚像素是一个小型放电室，充满惰性气体电流激发下发光的原理OLED像素自发光，偏振片、液晶层和彩色滤光片TFT-LCD采用混合物当施加高压时，气体电离形成等离子无需背光源，每个像素由阳极、有机层和阴极薄膜晶体管阵列驱动每个像素，实现高分辨率体，产生紫外线；紫外线激发荧光粉发出红、组成根据驱动方式分为被动PMOLED和主和高对比度IPS和VA等技术改善了视角问题，绿、蓝三原色光PDP具有高对比度、宽视角动AMOLED两种OLED具有超薄、轻量、量子点技术则提高了色域LCD具有低功耗、和快速响应时间等优势，曾在大尺寸电视市场高对比度、广色域、快速响应和可柔性等优势高分辨率和长寿命等优势，广泛应用于电视、占主导地位，但因功耗高和像素密度低等问题微型LED和量子点LED等新型显示技术也在快显示器和移动设备已逐渐被其他技术取代速发展，有望在特定应用领域取代OLED光电信息融合图像融合技术图像融合技术将不同源图像中的互补信息整合为单一图像，提高信息含量常用方法包括基2于多分辨率分析小波变换、金字塔分解的融多传感器数据融合合、基于深度学习的融合等如可见光与红外图像融合，结合细节信息和热信息；多光谱融多传感器数据融合是将多个传感器采集的信息合则综合不同波段特性，增强目标识别能力综合处理，获取比单一传感器更完整、准确的信息在光电系统中，常见的是光学和雷达传1决策融合方法感器融合，如可见光/红外/激光雷达融合数据融合可在像素级、特征级和决策级实现，通决策融合是系统层面的信息融合，整合多个子过互补优势提高系统性能系统的判断结果得出最终决策常用方法包括3投票法、贝叶斯推理、模糊逻辑和证据理论等在光电信息系统中，决策融合可提高目标识别准确率、降低虚警率，在复杂环境下保持系统稳定性和可靠性光电信息系统光通信系统I系统结构传输容量关键技术现代光通信系统采用分层光通信系统容量由当前光通信关键技术包括结构，包括物理层光纤传Nyquist定理和Shannon相干通信技术，利用光的输、数据链路层帧同步、极限决定现代光通信容振幅和相位；数字信号处网络层路由等在物理量已从早期的Gbps发展理DSP，补偿色散和非层，系统由发射机激光器、到如今的Pbps量级提高线性效应；软件定义光网调制器、传输媒介光纤、容量的技术包括高阶调络SDON，提高网络灵放大器和接收机光探测制格式如QAM提高频谱活性；弹性光网络，根据器、解调器组成波分复效率；空分复用SDM利业务需求动态分配带宽；用WDM技术在单根光纤用多芯光纤或少模光纤；量子通信技术，利用量子中同时传输多个波长通道，非线性香农极限补偿技术特性实现安全通信面向极大提高了系统容量克服光纤非线性效应限制；6G的空天地一体化光通信全光信号处理避免光电转网络正在研发中换瓶颈光电信息系统光纤传感系统II传感原理传感类型1基于光与测量参数的交互强度型、相位型、偏振型、波长型2网络组织信号解调43分布式和准分布式系统结构光信号转换为被测量的数值光纤传感系统利用光在光纤中传输的特性感知外部物理量变化其传感原理基于外部参数温度、应变、压力等对光的强度、相位、偏振或波长的调制根据调制机制，光纤传感器分为多种类型强度型简单但抗干扰能力弱；相位型如光纤迈克尔逊干涉仪灵敏度高；光栅型如光纤布拉格光栅FBG结构简单且波长编码抗干扰光纤传感系统根据分布特性分为点式、准分布式和全分布式点式系统在特定位置布置传感器；准分布式系统如FBG阵列在多个离散点监测；全分布式系统如光时域反射OTDR、布里渊/拉曼散射可连续监测整条光纤光纤传感具有抗电磁干扰、本质安全、分布测量、多参数监测等优势，广泛应用于结构健康监测、油气管道监测和火灾预警等领域光电信息系统光学成像系统III光学成像系统利用光与物体相互作用获取目标信息并形成图像成像原理基于几何光学光线追踪和波动光学衍射理论传统成像系统由物镜、光阑和像平面组成，物镜收集物体散射/发射的光，在像平面形成实像；系统性能由分辨率、对比度、景深和视场等参数表征现代光学成像系统分为多种类型普通成像如照相机；立体成像利用双目视差；计算成像结合光学采集和计算重建；光谱成像获取物体光谱信息；相干成像利用光的相干性，如OCT、全息；层析成像如X射线CT、光学断层扫描系统设计需平衡分辨率、灵敏度、速度和成本等因素数字图像处理技术如超分辨、去噪、增强进一步提升图像质量和信息提取能力光电信息系统激光雷达系统IV1工作原理2系统结构激光雷达LiDAR是利用激光测距原理探典型激光雷达系统包括激光发射器脉测目标位置和特性的主动遥感技术其基冲或连续波激光器；扫描系统实现空间本原理是发射激光脉冲，测量激光从发射采样；接收光学系统收集回波；光电到接收的时间，计算目标距离根据探测器探测反射信号；信号处理系统d=c·t/2公式，精确测量飞行时间可获得提取目标信息根据测距技术，LiDAR高精度距离信息通过扫描机制机械旋分为直接飞行时间TOF型、相位测量型转、MEMS微镜或固态相控阵等，系统和FMCW调频连续波型FMCW技术可获取三维空间信息，形成点云数据可同时测量距离和速度，已成为自动驾驶领域的热点3性能指标激光雷达关键性能指标包括探测距离由激光功率、探测器灵敏度和大气衰减决定；距离分辨率由脉冲宽度或带宽决定；角度分辨率由扫描精度决定；点云密度由扫描频率和角分辨率决定；更新率完成一次全场景扫描的频率现代汽车级LiDAR已实现200m探测距离、厘米级分辨率和10Hz以上更新率，适合复杂环境感知光电信息系统光学遥感系统V信息提取与应用1目标识别、变化检测、环境监测数据处理与分析2几何校正、辐射定标、分类解译数据获取系统3传感器、平台、数据传输遥感基本原理4电磁波与地物相互作用光学遥感系统是利用光电传感器从远距离获取地物信息的技术系统其基本原理是探测目标反射或辐射的电磁波遥感系统按工作波段可分为可见光、近红外、中红外、热红外等；按分辨率可分为低分辨率公里级、中分辨率百米级、高分辨率米级和超高分辨率亚米级数据获取是遥感系统的第一步，包括遥感平台卫星、飞机、无人机和传感器推扫式、凝视式、高光谱等获取的原始数据需经过几何校正、辐射定标和大气校正等预处理通过图像分类、特征提取等信息提取技术，将遥感数据转化为有价值的信息，应用于资源调查、环境监测、灾害评估和国土规划等领域现代遥感系统正向多源数据融合、人工智能解译和实时监测方向发展光电信息系统光学测量系统VI干涉测量全息测量光栅测量干涉测量利用光波干涉原理，实现高精度全息测量结合全息技术和干涉原理，记录光栅测量利用光栅衍射特性进行位移、角几何量测量其原理是将被测物体反射的被测物体的完整波前信息，实现三维形貌、度等参数的精密测量莫尔条纹技术基于测量光与参考光合成，形成干涉条纹，通应变和振动等参数的测量数字全息技术两个光栅叠加产生的莫尔条纹，可放大微过分析条纹变化获取被测量信息常见的通过CCD/CMOS记录全息图，结合计算小位移；光栅编码器将位移转换为光电信干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干机重建和分析，大大提高了测量效率和灵号，实现高精度线性或角度测量；光频梳涉仪和法布里-珀罗干涉仪等干涉测量活性电子散斑干涉术ESPI是一种重要技术则为长距离测量提供了超高精度频率精度可达纳米甚至亚纳米级，广泛应用于的全息测量技术，可实现全场非接触振动基准光栅测量的优势在于非接触、高精精密机械加工、光学元件检测和半导体制和变形测量，在航空航天、材料力学等领度和抗电磁干扰，是现代精密制造和科学造等领域域具有重要应用研究的重要工具光电信息系统光学安全系统VII光学加密生物特征识别光学水印光学加密利用光学系统的并行处理能力和多种光学生物特征识别利用光学成像和分析技术，光学水印是一种在载体信息中嵌入隐藏信息的变换特性实现信息安全双随机相位编码识别人体固有特征确认身份主要技术包括技术，用于版权保护和防伪验证全息水印利DRPE是经典光学加密方法，通过在空间和频指纹识别，通过全内反射成像和光学相干层析；用全息技术在光学元件中嵌入隐藏信息；数字率域引入随机相位，使信息变成噪声状白光场虹膜识别，利用近红外光照射和高分辨率成像；全息水印在全息图中嵌入版权信息；光学隐写衍射光学加密、全息加密和分数傅里叶变换加人脸识别，结合3D结构光或飞行时间测距获取术则将信息隐藏在图像的频域或相位中，肉眼密等技术进一步提高了安全性量子加密是新立体信息；静脉识别，基于近红外吸收特性不可见但可通过特定解码方法提取现代光学兴方向，利用量子不可克隆和测量坍缩特性，3D活体检测技术有效防止欺骗攻击，使生物识水印技术结合人工智能和量子技术，正向更高实现理论上无条件安全的通信别更安全可靠安全性和鲁棒性方向发展光电信息系统光学存储系统VIII未来发展1全息存储、DNA存储、量子存储系统架构2驱动控制、伺服系统、信道编码存储介质3反射层、记录层、保护层光学存储系统是利用激光在介质上读写信息的系统，包括光盘驱动器和存储介质两大部分系统结构由机械组件转盘、伺服电机、光学组件激光器、透镜、光检测器和电子组件驱动电路、信号处理电路构成根据记录密度不同，系统采用不同波长激光器和数值孔径透镜CD780nm,

0.45NA、DVD650nm,

0.6NA、蓝光405nm,

0.85NA读写技术是系统核心，包括存储原理和信道编码根据存储原理分为凹坑型光盘预制凹坑、相变型利用晶态与非晶态转变、染料型染料热分解和磁光型热磁效应信道编码将数据转换为适合光学读取的编码形式，如RLLRun-Length Limited编码控制

0、1序列长度现代光存储系统正向高密度多层、全息、高速率并行寻址和长寿命石英玻璃方向发展，如Facebook的Project Silica可实现数据保存上万年光电信息系统光学显示系统IX投影显示显示增强现实显示3D投影显示系统通过光学投影将小型图像放大显3D显示技术产生立体视觉，让观众感知深度信增强现实AR显示将虚拟信息叠加到现实环境示在大屏幕上主要技术包括LCD投影，利息主流技术包括眼镜式3D，如偏振式利中主要实现方式包括视频透视式AR，通过用液晶面板调制光；DLP投影，利用数字微镜用光偏振分离和主动快门式时分复用；无眼摄像头采集现实场景并与虚拟内容合成；光学器件反射光；LCOS投影，结合液晶和反射技镜3D，如视差屏障在液晶前添加光栅和柱状透视式AR，如光波导显示，利用全内反射和衍术；激光投影，采用激光光源提供高亮度和宽透镜阵列将不同视角图像投向不同方向；真射光栅引导光线；投影式AR，直接将虚拟内容色域现代投影系统已实现4K分辨率、HDR显三维显示，如体积显示在空间体积内发光、投影到现实物体上关键技术包括光学设计扩示和短焦投影等功能，广泛应用于家庭影院、全息显示重建完整光波场和光场显示重现光展视场、提高亮度、眼动追踪和环境感知教育、会议和商业展示等场景线方向和强度裸眼3D和光场显示是当前研AR眼镜如Microsoft HoloLens采用全息波导究热点技术，是AR显示的重要发展方向光电信息系统光学计算系统X光学并行处理器光学模拟计算机量子光学计算机光学并行处理器利用光的空间光学模拟计算机直接利用光学量子光学计算机利用光子的量并行特性，实现大规模并行计系统的物理特性求解特定问题子特性实现量子计算主要实算典型实现有光学矩阵乘法如光学傅里叶处理器，利用透现路径包括线性光学量子计加速器，将矩阵元素编码到空镜的傅里叶变换特性进行频谱算，利用单光子干涉和纠缠；间光调制器上，通过光的传播分析；光学微分方程求解器，连续变量量子计算，利用光场自然完成乘法运算，输出通过利用光在介质中的传播特性模的幅度和相位；光子玻色采样，光电探测器阵列读取这类系拟波动方程；光学优化处理器，利用多光子干涉实现特定算法统特别适合卷积神经网络等AI利用衍射和干涉寻找能量极小相比其他量子系统，光子量子算法，计算效率比电子处理器值，求解优化问题虽然精度计算在室温下稳定，易于集成高数个数量级目前商业化产有限，但这类系统在特定问题英国PsiQuantum和加拿大品如Lightelligence和上速度极快，能耗极低，如Xanadu等公司正在开发基于Lightmatter的光学AI加速器NTT的光学伊辛机可在毫秒内硅光子学的大规模光量子计算已用于数据中心，加速深度学求解组合优化问题机，有望在特定应用领域实现习推理量子优势光电信息系统光电检测系统XI波长范围nm检测灵敏度ppm光电检测系统基于物质与光的相互作用，分析物质的组成和特性光谱分析是最基础的技术，根据物质对不同波长光的吸收或反射特性进行分析常见的光谱技术包括紫外-可见光谱、红外光谱和原子吸收/发射光谱光谱仪由光源、单色器、样品室和检测器组成，可检测ppm级物质荧光检测利用物质受激发后发射特征荧光的原理，具有极高灵敏度可达ppb甚至ppt级和选择性荧光系统包括激发光源、滤光片、样品室和荧光探测器拉曼散射检测则基于入射光与分子振动相互作用产生的散射光频移，能提供分子结构指纹信息表面增强拉曼散射SERS技术将灵敏度提高至单分子水平现代光电检测系统正向小型化、集成化和智能化方向发展，如微型拉曼光谱仪和便携式食品安全检测仪等光电信息系统光学跟踪系统XII系统集成跟踪算法完整的光学跟踪系统集成光学、机械和电子多个子目标识别跟踪算法负责持续锁定并追踪已识别的目标经典系统硬件上包括光学传感器CCD/CMOS相机、光学跟踪系统首先需要识别和提取目标常用方法算法包括相关滤波器跟踪KCF、MOSSE、均值红外探测器、光学系统变焦镜头、稳像系统和包括基于特征的识别利用目标形状、颜色和纹理漂移跟踪和卡尔曼滤波预测现代深度学习跟踪器云台系统实现目标跟随软件上包括图像处理、等特征、基于模型的识别与预设模型匹配和基如Siamese网络、YOLO+DeepSort组合已成为主目标识别、跟踪算法和控制算法现代系统采用边于深度学习的识别通过神经网络自动提取特征流针对目标遮挡、外观变化和光照变化等挑战，缘计算架构，将AI算法部署到前端，提高响应速度在复杂背景下，多光谱融合如可见光与红外融合多传感器融合和上下文感知算法能提供更稳健的跟和自主性可提高识别率，降低虚警率踪性能光电信息系统光学制导系统XIII寻的原理光学制导系统利用目标自身或环境辐射/反射的光学信号进行目标探测和跟踪按工作波段分为可见光、红外和多波段制导红外制导根据目标热辐射特性，可分为全红外成像IIR、半主动激光SAL和双模式复合制导寻的头是系统核心，包括光学系统收集目标信号、探测器转换光信号为电信号和信号处理系统提取目标特征制导方式光学制导系统主要采用三种制导方式比例导引，控制视线角变化率，适合空中拦截；线视制导，保持制导平台与目标连线方向不变，适合精确打击；波束骑乘制导，使平台保持在激光波束中心，适合远程精确制导现代系统通常结合多种制导方式，如末制导阶段切换为更精确的制导模式，以提高打击精度系统性能光学制导系统性能取决于多项关键指标探测距离由传感器灵敏度和大气传输特性决定；抗干扰能力对假目标、光学干扰和电磁干扰的抵抗力；跟踪精度视线角测量精度；环境适应性全天候、全天时能力现代系统采用多传感器融合、自适应滤波和人工智能算法等技术，实现更高可靠性和精确度光电信息系统光学对抗系统XIV光电对抗原理干扰技术光电对抗是破坏敌方光电探测和制导系统正光电对抗的核心技术是光学干扰，主要形式常工作的技术与装备对抗原理基于光电系包括闪光干扰，利用闪烁光源致盲光电系统的工作特性和薄弱环节，主要包括饱和统；红外诱饵，释放高温红外源吸引热制导干扰，用强光源使探测器饱和失效；欺骗干系统；激光干扰器，发射调制激光信号欺骗扰，模拟目标特征误导敌方系统；屏蔽干扰，或饱和探测器；烟幕/气溶胶，散射和吸收光阻断光信号传输；毁伤干扰，利用高功率激线降低可见度；光电干扰无人机，机动性强光破坏光电器件系统脆弱性包括有限的动的干扰平台先进技术包括可编程光谱干扰态范围、特定波段依赖和算法可预测性和量子干扰，能针对特定系统定制干扰策略防护措施针对光电对抗的防护措施包括多波段融合，综合不同波段信息降低单一干扰影响；自适应滤波，识别并滤除干扰信号；光学陷波器，滤除特定波长激光干扰；自主决策算法，减少预设逻辑被利用的风险；物理防护，如可调光学滤波器和快速响应光学限幅器态势感知和威胁评估系统可主动识别潜在干扰源，及时启动防护措施，实现电子防护的闭环控制光电信息系统光学能量传输系统XV光学能量传输系统利用光波携带能量从源端到用户端的技术系统激光能量传输是最直接的形式，利用高功率激光束定向传输能量系统包括高功率激光源如光纤激光器、CO2激光器、光束整形系统、指向控制系统和光电转换接收器该技术已应用于无人机供电、空间太阳能电站和偏远地区供电等领域，能量转换效率可达30-45%光伏发电系统是最成熟的光能利用形式，将太阳光直接转换为电能系统由太阳能电池阵列、控制器和逆变器组成现代光伏系统采用PERC、异质结HJT和钙钛矿等技术提高效率，已达到商业化水平光纤照明系统则利用光导纤维传输光线，实现光源与照明点的分离这种系统能提供无热、无电磁干扰的照明，广泛应用于博物馆、医疗和特殊工业环境新兴的可见光通信技术Li-Fi则同时实现照明和通信功能，代表了光能利用的新方向应用案例光纤通信网络I传输协议光通信网络的传输协议分为多个层次物理层定义光信号格式和光纤特性；数据链路层处理帧同步和差错控制，如OTN光传送网协议；网络层负责路网络架构由选择，如IP协议；传输层保证端到端可靠传输，2如TCP协议新一代协议如弹性光网络协议EON现代光纤通信网络采用分层架构，包括骨干网、实现了频谱资源的灵活分配，支持超通道和变调制城域网和接入网骨干网连接主要城市和数据中格式心，采用高容量DWDM系统，单纤传输容量达数十Tbps；城域网连接城市内各区域，采用灵活的1性能优化ROADM技术；接入网直接为用户提供服务，包括网络性能优化主要从容量、延迟和可靠性三方面进FTTH光纤到户、PON无源光网络等技术虚行容量优化采用先进调制技术如概率星座整形拟化光网络是新一代架构，采用SDN控制平面和PCM、空间分割多路复用SDM等；延迟优化通NFV功能实现3过优化路由算法和部署边缘节点实现；可靠性优化依靠网络保护和恢复机制，如1+1保护、共享保护和快速重路由等人工智能正被应用于网络规划和流量预测，实现网络资源的智能分配和故障预测应用案例光学遥感卫星II卫星平台载荷设计数据应用光学遥感卫星平台提供卫星正常工作所需光学载荷是遥感卫星的核心，主要包括光光学遥感卫星数据广泛应用于资源调查、的基本功能，包括结构、热控、姿态控制、学系统和探测器系统光学系统采用折反环境监测和应急响应等领域数据处理流电源和数据处理等子系统现代卫星平台式结构，口径1-2米，焦距5-15米，确保程包括数据接收、预处理几何校正、辐趋向标准化和系列化，如东方红系列平高空间分辨率；多光谱系统通常包含可见射定标、专题信息提取和应用服务现代台精密姿态控制系统确保成像稳定，典光和近红外波段，高光谱系统则可达数百应用结合人工智能技术，提高了信息提取型指标优于

0.001°；推进系统保证轨道维个波段探测器方面，线阵推扫式CCD是效率和精度典型应用包括农作物产量持和机动；热控系统则维持载荷工作温度主流，新一代卫星如高分七号采用面阵估算，结合多时相数据和生长模型；城市稳定在±

0.5℃范围内小型化是重要趋势，凝视成像，提高了时间分辨率光学载荷变化监测，利用高分辨率数据进行建筑提微小卫星如高景系列具有成本低、研的关键指标包括空间分辨率优于

0.5米和取；环境污染监测，通过光谱分析识别污制周期短等优势光谱分辨率染物应用案例光学生物传感III1传感原理光学生物传感基于光与生物分子相互作用的特性，检测特定生物标志物主要原理包括表面等离子体共振SPR，检测折射率变化；荧光共振能量转移FRET，测量分子间距离变化；拉曼散射，提供分子振动指纹信息；光纤生物传感，利用光纤传感和光波导技术核心机制是生物识别元件如抗体、适配体、酶与目标分子特异性结合，引起可检测的光学信号变化2系统设计光学生物传感系统包括光源、传感元件、光学探测器和信号处理单元光源选择需匹配生物分子的光谱特性，如激发荧光需特定波长；传感元件包括敏感膜层和信号传导结构；探测器选择考虑灵敏度和信噪比，如弱信号检测使用光电倍增管系统设计需平衡灵敏度、特异性、响应时间和便携性集成微流控技术可实现样品自动处理，提高检测效率和一致性3临床应用光学生物传感在临床应用已取得显著进展便携式血糖监测仪利用酶反应和光学检测，实现糖尿病患者的自我监测；基于SPR的免疫分析仪可快速检测血清中的抗体和抗原，应用于传染病筛查；基于荧光的核酸检测系统用于病原体识别和基因表达分析；近红外光谱成像用于非侵入性组织氧合状态监测新冠疫情期间，基于光学原理的快速检测设备发挥了重要作用，如核酸检测和抗原检测系统应用案例激光加工IV激光切割激光焊接激光3D打印激光切割利用高功率密度激激光焊接通过激光束加热材激光3D打印是增材制造的重光束熔化、汽化或化学分解料形成熔池，冷却后形成牢要方式，通过激光将材料逐材料，实现精确切割根据固连接主要分为热传导焊层熔融或固化形成三维物体作用机制分为熔融切割、汽接和深熔焊接两种模式相主要技术包括选择性激光化切割、反应切割和断裂切比传统焊接，激光焊接具有烧结SLS，用于塑料、陶割常用激光源包括CO₂激热输入低、变形小、速度快瓷等粉末材料；选择性激光光器适合非金属、光纤激和可实现异种材料连接等优熔化SLM，用于金属粉末；光器适合金属和紫外激光势先进技术包括双光束焊立体光刻SLA，利用紫外器适合精密切割现代激接改善裂纹敏感性、激光-激光固化光敏树脂激光3D光切割系统具有高精度电弧复合焊接结合两种热源打印可实现复杂几何结构，±

0.01mm、高速度优势和激光遥焊利用扫描适合定制化、小批量生产10m/min和高质量低飞振镜实现远距离焊接工业在医疗如定制假体、航空溅、小热影响区等特点，广应用广泛，如汽车车身焊接、航天如轻量化结构件和文泛应用于金属加工、汽车制电池封装和精密电子器件连化创意等领域应用广泛造和电子产业接应用案例光学芯片V光子集成电路硅光子学量子光学芯片光子集成电路PIC在单个芯片上集成多种光学功硅光子学是利用硅基材料实现光子器件的技术，其量子光学芯片利用光子的量子特性实现量子信息处能元件，类似于电子集成电路PIC包含光源、调核心优势是与成熟CMOS工艺兼容，可实现光电集理典型结构包括单光子源如量子点、量子干制器、探测器、波导和无源元件等，实现光信号的成关键器件包括硅波导传输光信号、硅调制器涉电路如多模干涉器、量子态操控元件如相位产生、处理和检测根据材料体系分为InP基PIC，基于等离激元或微环结构、锗探测器集成于硅调制器和单光子探测器制造工艺包括直写光刻、可集成源、探测器和无源元件；Si基PIC，利用成上和波长分复用器等硅光子面临的挑战是缺乏电子束曝光和纳米压印等高精度技术量子光学芯熟CMOS工艺，成本低；SiN、LiNbO₃基PIC，高效光源，通常采用外部光源耦合或杂质掺杂方案片已实现小规模量子计算原型，如光量子玻色采样各有特定优势PIC已广泛应用于高速光通信、数硅光子已成功应用于数据中心光互连、光计算加速和量子随机行走随着集成度提高，量子光学芯片据中心互连和传感器等领域器和生物传感芯片等领域有望在量子通信、量子计算和量子传感等领域发挥重要作用光电信息系统的设计方法需求分析光电信息系统设计首先进行详细的需求分析，明确系统功能、性能指标和约束条件关键需求包括光谱范围紫外、可见、红外等，决定材料和器件选择；分辨率空间、光谱、时间，影响光学设计和探测器选择；环境适应性温度范围、抗振性等，影响结构设计；成本和可靠性要求，影响器件选型和冗余设计需求分析阶段应进行可行性研究，评估技术和经济可行性系统建模系统建模将复杂系统分解为功能模块，建立系统架构和接口规范光电系统主要分为光学子系统、探测子系统、信号处理子系统和控制子系统建模工具包括功能流程图、系统框图和数学模型光电系统特有的建模技术包括光学设计软件Zemax、Code V、光电探测器仿真如TCAD和系统级光电模型如MathWork工具系统建模应考虑各子系统的相互作用和匹配性性能优化性能优化通过调整设计参数，达到整体性能最优常用方法包括参数扫描、敏感性分析和多目标优化算法光电系统典型的优化目标包括信噪比最大化、分辨率最高、功耗最低等优化过程需考虑各指标间的权衡，如高灵敏度与低噪声、高分辨率与系统尺寸等基于物理模型的优化与数据驱动的优化如机器学习相结合，可提高优化效率最终设计应进行容差分析，确保在制造和环境变化条件下性能稳定光电信息系统的测试与评估1测试方法2性能指标光电信息系统测试采用多层次方法，从器件、光电系统的性能指标包括通用指标和专用指模块到系统级逐步验证常用测试方法包括标通用指标包括灵敏度，能检测的最小功能测试，验证系统各项功能是否符合设计信号强度；信噪比，信号功率与噪声功率之要求；性能测试，测量关键性能指标如信噪比；分辨率，区分两个相邻目标的能力；动比、分辨率和功耗；环境测试，评估系统在态范围，最大与最小可测信号的比值；响应温度、湿度、震动等极端条件下的性能；可时间，系统响应输入变化的速度专用指标靠性测试，如老化测试和加速寿命测试；电因系统类型不同而异，如成像系统的调制传磁兼容性测试，确保系统在电磁环境中正常递函数MTF、通信系统的比特错误率BER、工作测试需设计科学的测试方案和搭建专雷达系统的探测概率等每项指标都有对应业的测试平台的测量方法和标准3可靠性分析可靠性分析评估系统在预期寿命期内保持功能的能力主要方法包括失效模式与影响分析FMEA，识别可能的失效模式及其后果；故障树分析FTA，分析导致系统失效的事件链；平均无故障时间MTBF计算，预测系统可靠性；加速寿命测试，在加速条件下评估寿命光电系统特有的可靠性挑战包括光学元件的老化如激光器退化、机械结构的稳定性和环境适应性系统设计应采用冗余设计、容错设计等提高可靠性光电信息系统的仿真技术光学仿真软件电路仿真工具系统级仿真光学仿真软件是设计和分析光电路仿真工具用于光电系统中系统级仿真将光学、电子和机学系统的重要工具几何光学电子电路部分的设计与验证械等多个子系统集成在一个仿仿真如Zemax、Code V和SPICE类软件如PSpice、真环境中，评估整体性能OSLO，利用光线追迹法设计Cadence用于模拟电路仿真，MATLAB/Simulink提供了多透镜系统、分析像质；物理光可分析光电探测器前端电路、域建模能力，可构建信号流模学仿真如VirtualLab、放大器响应特性；型；OptiSystem专注于光通COMSOL波光学模块，基于麦Verilog/VHDL用于数字电路信系统仿真；LabVIEW适合控克斯韦方程计算衍射效应；非设计与仿真，适用于信号处理制系统仿真与测试系统级仿线性光学仿真用于激光与物质部分；多物理场仿真软件如真的难点在于多尺度问题从纳相互作用分析这些软件提供COMSOL可同时考虑电、热、秒光电效应到秒级系统响应和了包括MTF分析、容差分析、光等多种物理效应的耦合，分多物理场耦合现代系统采用温度影响分析等多种功能，大析如光电探测器的热噪声影响分层次仿真方法和硬件在环大提高了设计效率和精确度，这些工具支持器件级、电路级HIL技术，提高了复杂系统仿减少了实物试制次数和系统级仿真，加速了复杂电真的效率和准确性路的设计与验证光电信息系统的发展趋势集成化光电信息系统的集成化是主要发展趋势，包括光子集成、电子集成和光电融合三个层面光子集成方面，硅光子学和InP基光子集成电路实现了多种光学功能的单片集成，器件尺寸从厘米缩小到微米级；电子集成方面，高速ADC/DSP芯片处理带宽突破100GHz；光电融合方面，硅光电子学技术实现了光电器件与CMOS电路的单片集成集成化大幅降低了系统体积、功耗和成本，提高了可靠性和性能智能化智能化是光电系统适应复杂环境和任务的关键能力人工智能技术在光电系统中的应用包括图像处理领域的目标识别和场景理解；信号处理领域的信号恢复和参数估计；系统控制领域的自适应控制和优化决策边缘计算架构将AI算法部署到光电系统前端，减少了数据传输需求；专用AI加速芯片大幅提高了处理效率智能化使系统具备自主感知、自适应处理和自主决策能力，拓展了应用场景微型化微型化是适应便携和嵌入式应用的必然趋势光学微型化主要通过平面光学、微纳光学和元光学技术实现，如衍射光学元件将复杂光学系统缩小到单片元件；电子微型化采用三维堆叠、异构集成等技术；系统封装方面，芯片级封装POP和系统级封装SiP技术显著减小了系统尺寸微型光电系统已广泛应用于智能手机相机、可穿戴设备和微型无人机等领域，实现了小而全的功能集成前沿技术量子信息技术I1量子通信2量子计算量子通信利用量子力学原理实现安全通信，量子计算利用量子比特qubit的叠加和纠缠核心是量子密钥分发QKD技术QKD基于特性，在特定问题上表现出超越经典计算机量子态不可克隆原理和测量导致状态坍缩的的能力光学量子计算是重要实现路径，采特性，使窃听者无法获取信息而不被发现用单光子作为量子比特，利用线性光学元件主要实现方式包括基于单光子的BB84协议，如波束分束器、相位调制器实现量子门操作利用偏振编码；基于纠缠光子对的E91协议，光量子计算的优势是光子相干时间长、室温利用贝尔不等式检测；基于连续变量的高斯工作，挑战是光子间相互作用弱现阶段研调制协议中国率先实现星地量子通信，济究热点包括光量子玻色采样、光量子随机行南-上海量子保密通信干线已投入使用，通信走和集成光量子电路九章光量子计算原型距离突破千公里级在高斯玻色采样上已实现量子优势3量子传感量子传感利用量子态对外界扰动的高敏感性，实现超越经典极限的测量精度光学量子传感的主要形式包括量子增强成像，利用非经典光态提高分辨率；量子精密测量，利用压缩光或纠缠光突破标准量子极限；量子雷达/激光雷达，利用纠缠光子对提高探测灵敏度量子传感已在生物显微镜、引力波探测和旋转测量等领域展现出巨大潜力浙江大学和中科院研制的量子精密测量装置已将磁场测量精度提高到飞特斯拉级别前沿技术太赫兹技术II太赫兹源太赫兹探测太赫兹应用太赫兹源是产生

0.1-10THz电磁波的装置太赫兹探测器分为相干探测和非相干探测太赫兹波具有独特的物质穿透性和分子指光学太赫兹源主要包括光整流，利用超两类相干探测包括电光采样和太赫兹外纹特性，应用广泛安全检查领域，太赫短脉冲激光在非线性晶体中产生差频；光差接收等，可同时检测幅度和相位信息；兹成像可无损检测隐藏物品；材料分析领激发等离子体，利用激光电离气体产生宽非相干探测包括热电探测器如热释电探测域，太赫兹光谱可鉴别药物、爆炸物等；带太赫兹辐射；量子级联激光器，通过半器和光电导探测器等，仅检测功率信息通信领域，太赫兹波可实现超高速无线传导体量子阱能级设计实现太赫兹发射电新型探测技术如等离子体波太赫兹探测器输100Gbps；医学领域，太赫兹可用子太赫兹源包括回旋管、行波管和频率倍和量子点太赫兹探测器提供了更高灵敏度于癌症诊断和药物分析；工业领域，太赫增器等新型太赫兹源如自旋激发太赫兹和更快响应速度室温下高灵敏度太赫兹兹可用于无损检测如芯片内部故障太赫发射器和二维材料基太赫兹源正在研发中，探测器是当前研究热点，如基于二维电子兹技术目前面临的挑战是器件集成度低、致力于提高输出功率和调制带宽气的场效应晶体管探测器已实现优于源功率弱和大气衰减强，需要开发新材料1pW/√Hz的噪声等效功率和新结构克服这些限制前沿技术超材料与超表面III超材料是人工设计的具有天然材料所不具备的特殊电磁特性的复合材料，其关键在于亚波长结构单元的精确设计其中负折射率材料是最具代表性的超材料，由同时具有负介电常数和负磁导率的结构组成，表现出与自然界相反的电磁波传播特性这种材料可实现完美透镜，突破衍射极限实现超分辨成像电磁隐身是超材料的重要应用，通过控制电磁波的反射和散射路径，使目标在特定波段隐形超表面则是二维化的超材料，厚度远小于工作波长，通过在表面排布亚波长谐振单元，可实现对入射波的完全控制基于超表面的平面光学器件如超薄透镜、全息元件和相位调制器等，具有超轻、超薄和多功能特性，正逐渐取代传统体积光学元件动态可调的超材料是当前研究热点，如结合相变材料、液晶或MEMS技术的可调谐超材料，可实现光束转向、焦距可变和波前校正等功能，为新一代光学系统提供了革命性解决方案总结与展望学习建议1注重理论与实践结合未来发展方向2智能化、集成化、微型化课程回顾3从基础到应用的体系化学习本课程系统介绍了光电子信息系统的基本原理、关键技术和重要应用我们从光学与电子学基础开始，深入学习了各类光电器件的工作原理，包括光源、光电探测器和光学元件等；然后探讨了光电信息系统的设计、测试与仿真方法；最后介绍了不同领域的光电信息系统及前沿技术发展未来，光电子信息系统将向智能化、集成化和微型化方向发展人工智能将赋予系统自适应处理能力；光子集成技术将实现复杂功能的单芯片实现；微纳制造技术将使系统尺寸大幅缩小量子信息技术、太赫兹技术和超材料等前沿领域将开辟全新应用建议同学们注重理论与实践结合，关注学科交叉融合，培养创新思维，为未来光电子技术发展做好准备。