《光电子电路》课件——光的控制与电子的应用

光电子电路光的控制与电子的应用欢迎来到《光电子电路》课程，这门课程将带领大家探索光的控制与电子应用的奇妙世界在当今科技快速发展的时代，光电子技术已经成为信息通信、医疗健康、工业制造等多个领域的核心技术本课程将系统介绍光电子学的基础理论、关键器件、电路设计方法以及前沿应用，帮助大家建立起完整的光电子知识体系通过本课程的学习，你将了解从基础光学原理到复杂光电集成系统的全过程，掌握光电子器件的工作机制和设计方法，为未来在相关领域的学习和研究奠定坚实基础课程概述课程目标学习内容应用领域123培养学生对光电子学基本原理的理解本课程涵盖光电子学基础、光电子器光电子技术广泛应用于信息通信、医能力，使学生掌握光电子器件的工作件原理、光电子电路设计、光纤通信疗健康、工业制造、消费电子、军事机制、特性及其在电路中的应用，提技术、光电子集成技术以及光电子在国防、环境监测等众多领域，是当今升学生设计和分析光电子电路系统的通信、传感、医疗、工业等领域的应科技发展的重要推动力，具有巨大的能力，为后续深入学习和研究奠定基用，同时介绍前沿技术发展趋势市场前景和研究价值础第一部分光电子学基础光的基本特性1了解光的波粒二象性、电磁波谱特性以及光与物质的相互作用，为理解光电子器件的工作原理奠定物理基础半导体物理基础2掌握能带理论、载流子运动规律以及结基本特性，理解半导体PN材料在光电子器件中的核心作用光电效应3研究内外光电效应的物理机制，了解光能与电能转换的基本原理，这是光电子器件工作的基础光的本质波粒二象性电磁波谱光具有波动性和粒子性的双重属性作为波，光表现为电磁波，根据波长不同，电磁波谱包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、具有波长、频率等波动特性；作为粒子，光由光子组成，每个红外线、微波和无线电波等在光电子学中，我们主要关注紫光子携带一定的能量E=hν，其中h为普朗克常数，ν为光的频率外、可见和红外区域的光，这些不同波长的光与物质相互作用这种二象性使光在不同实验中表现出不同的特性方式各不相同，对应不同的光电器件和应用光与物质的相互作用反射折射当光从一种介质射向另一种介质的界面时，部分光线会改变传播方向返回原介光线从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象称为折射折射质，这种现象称为反射反射遵循反射定律入射角等于反射角反射在光学遵循斯涅尔定律，折射率差异导致光速和传播方向改变折射现象是透镜、棱器件如镜面、反射镜和光波导中起着关键作用，是许多光电子系统设计的基础镜等光学元件工作的原理，在光路设计中至关重要吸收散射物质吸收光能并转化为其他形式能量的过程称为吸收半导体材料对特定波长光遇到微小颗粒或不均匀介质时发生方向改变的现象称为散射散射分为弹性光的吸收是光电探测器工作的基础，吸收系数与材料和波长密切相关，决定了散射（波长不变）和非弹性散射（波长改变）散射现象在光纤通信、光学传光在材料中的穿透深度感等领域中既可能是有用的信号，也可能是需要抑制的噪声半导体物理基础能带理论半导体材料中电子能量分布呈带状结构，包括价带、导带和禁带价带通常被电子填满，导带通常为空，两者间的能量差称为带隙带隙大小决定了半导体的光电特性，如硅的带隙为，对应约的光子能量，这是理解半导

1.1eV1100nm体光电器件的基础载流子半导体中的自由电子和空穴统称为载流子，它们是电流的载体在本征半导体中，热激发会使少量电子跃迁到导带形成电子空穴对掺杂可以增加特定类-型载流子的浓度，如型半导体（电子为多数载流子）和型半导体（空穴为N P多数载流子）结P-N型和型半导体接触形成结，是半导体器件的基本结构结区形成空间电P N P-N荷区和内建电场，阻止多数载流子扩散外加正向偏置可减小势垒高度，使电流显著增大；反向偏置则增大势垒，仅有少量少数载流子形成的饱和反向电流这一特性是二极管、晶体管等器件工作的基础光电效应内光电效应外光电效应当光照射到半导体材料上，光子能量大于材料带隙时，价带电当光照射到某些材料（尤其是金属）表面时，表面电子吸收光子吸收光子能量跃迁到导带，形成电子-空穴对，导致材料导电子能量后克服功函数逸出材料表面的现象称为外光电效应这性增强的现象称为内光电效应这是光电探测器和太阳能电池一现象由爱因斯坦解释，光子能量hν必须大于材料的逸出功才工作的基本原理内光电效应的关键参数包括量子效率（入射能发生，逸出电子的最大动能为hν减去逸出功外光电效应是光子产生电子-空穴对的比例）和响应度（输出电流与入射光功光电倍增管、光电发射器等器件的工作原理率的比值）第二部分光电子器件发光器件光电探测器包括、激光二极管和等，将电能包括光电二极管、光电晶体管、等，LED OLEDCCD转换为光能，是光电子系统的光源部分将光信号转换为电信号，是光电检测的核12心组件光电集成器件光调制器件43在单一衬底上集成多种光电功能，提高系通过外部信号控制光的强度、相位、偏振统性能和可靠性，降低体积和成本等特性，实现光信息的编码和处理发光器件概述激光二极管LED OLED发光二极管是最常见基于受激发射原理的有机发光二极管使用的光电子器件之一，半导体激光器，输出有机半导体材料作为基于P-N结中的载流的光具有高相干性、发光层，具有自发光、子复合发光原理，具高方向性和高单色性对比度高、视角广、有功耗低、寿命长、激光二极管在光通信、响应速度快等优点响应快等优点根据激光打印、光存储、OLED技术已广泛应用材料体系不同，LED激光测距等领域有重于智能手机、电视等可以发出从紫外到红要应用，是现代光电显示设备，代表了显外的不同波长光，广子技术的核心器件示技术的重要发展方泛应用于指示灯、显向示屏、照明等领域的工作原理LED结构的基本结构为结，包括型半导体、型半导体、有源区（量LED P-NPN子阱结构）、衬底、电极等部分现代高效通常采用双异质结或LED多量子阱结构，通过能带工程提高载流子限制效率和发光效率封装技术对提高出光效率和散热性能至关重要能带图在结区域，形成导带底部和价带顶部的能量差，即带隙电子从P-N N区注入到区，与空穴复合释放能量带隙大小决定了发射光子的能量，P进而决定了的发光波长不同材料体系具有不同带隙，如LED GaN（蓝光）、（红光）等AlGaInP发光机制当向施加正向偏置电压时，电子和空穴被注入到有源区，发生辐LED射复合，将电能转换为光能辐射复合过程中电子从导带跃迁到价带，释放的能量以光子形式辐射光子能量大致等于半导体材料带隙，发光波长λ≈hc/Eg，其中Eg为带隙能量的特性与应用LED电流电压特性光谱特性应用领域-的伏安特性类似普通二极管，但开启发出的光具有一定的波长分布，中心已广泛应用于指示灯、显示屏、照明、LED LED LED电压通常更高，与材料带隙相关红色波长由材料带隙决定，半峰宽一般为20-通信、传感、医疗、农业等多个领域特约为，蓝色约为超过温度升高会导致带隙减小，中心别是在节能照明领域，光效可达LED

1.8V LED

3.0V50nm LED阈值电压后，电流随电压呈指数增长，因波长红移高质量LED具有较窄的光谱宽200lm/W以上，远超传统光源RGB三此实际应用中需要电流限制电阻或恒流源度和较高的色纯度，这对显示和照明应用基色LED组合可实现全彩显示，是现代显驱动，避免器件损坏尤为重要示技术的基础激光二极管原理受激发射激光二极管工作基于受激发射原理当处于高能级的电子受到与能级差相当的光子激发时，会跃迁至低能级，同时发射一个与入射光子完全相同的光子，包括能量、相位、方向和偏振态这一过程需要实现粒子数反转，即高能级粒子数超过低能级，通常通过强电流注入实现光学谐振腔激光二极管中的光学谐振腔由两个平行的反射面构成，通常利用半导体材料与空气界面的自然反射或镀膜增强反射光子在谐振腔中来回反射，形成驻波并触发更多受激发射，产生相干性极高的激光腔长决定了激光的纵模结构，是激光二极管设计的关键参数激光二极管的特性阈值电流光输出电流特性-激光二极管从自发辐射转变为激射的最小电1阈值以下光输出随电流缓慢增加，阈值以上流称为阈值电流2呈线性快速增长温度依赖性光谱特性4温度升高会增大阈值电流、降低效率并导致激光输出具有极窄的线宽和高相干性，适合3波长红移精密应用激光二极管的阈值电流是实现粒子数反转并克服各种损耗所需的最小电流，通常在几十毫安到几百毫安范围低阈值电流意味着更高效率和更小功耗，是评价激光二极管性能的重要指标激光二极管的工作温度对性能影响显著，每升高℃，阈值电流通常增加左右，输出功率下降，波长红移约因此，在精密应用中需11%

0.3nm要严格控制激光二极管的工作温度，通常采用热电制冷器（）实现温度稳定TEC光电探测器概述光电二极管基于结或结构的光电器件，当光照射到空间电荷区时，产生电子PN PIN空穴对，在内建电场作用下形成光电流具有结构简单、响应速度快、-线性度好等优点，广泛应用于光通信、光度测量等领域光电晶体管结合光电二极管和双极性晶体管优点的器件，光生载流子被放大，具有高灵敏度但响应速度较慢常用于需要高灵敏度而对速度要求不高的场合，如光控开关、光耦合器等电荷耦合器件（）CCD利用电容存储和传输电荷的器件，能将光信号转换为空间分布的电MOS荷，再按序读出形成电信号因其高灵敏度和良好的空间分辨率，广泛应用于数码相机、扫描仪、科学成像等领域光电二极管工作原理结光电二极管光电二极管雪崩光电二极管（）PN PIN APD当光子能量大于带隙能量时，入射光在在P区和N区之间插入一层本征半导体，在高反向偏置下工作，光生载流子在强电PN结空间电荷区产生电子-空穴对，在内扩大耗尽区宽度，提高光吸收效率和减小场中发生碰撞电离，产生新的电子-空穴建电场作用下分离并形成光电流结结电容，同时提高响应速度结构是对，形成雪崩倍增效应具有内部增PN PIN APD光电二极管结构简单，但量子效率和响应现代高速光通信探测器的主流结构，工作益，通常为数十到数百，大大提高了灵敏速度有限，主要用于简单光检测应用波长覆盖可见光到近红外区域度，适合弱光信号检测，但噪声较大且需要高偏置电压光电二极管特性响应度1单位入射光功率产生的光电流，单位为A/W暗电流2无光照时的反向漏电流，影响探测下限响应时间3决定探测器带宽，受结电容和载流子迁移时间限制光电二极管的响应度R与材料的量子效率η密切相关，理论上R=ηq/hν，其中q为电子电荷，hν为光子能量硅光电二极管在可见光区域的响应度通常为，对应约的量子效率光电二极管在波长处可达

0.4-

0.6A/W60-80%InGaAs1550nm

0.9-

1.0A/W暗电流是影响探测灵敏度的关键因素，包括体生分量和表面漏电分量降低工作温度可显著减小暗电流，高质量硅光电二极管室温下的暗电流可低至几至几十响应时间由时间常数和载流子漂移时间共同决定，结构通过拓宽耗尽区可显著提高响应速度pA pARC PIN光电晶体管结构与工作原理特性与应用光电晶体管基本结构包括发射极、基极和集电极，与普通晶体光电晶体管的电流放大率与晶体管的电流增益因子相关，使得β管类似，但其基极通常不引出或通过高阻抗连接当光照射到小信号光照也能产生可检测的电流光电晶体管具有阈值特性，基区-集电极PN结时，产生的光生载流子被放大，形成较大的只有光强超过某一阈值才会触发显著输出，这在开关类应用中集电极电流放大倍数通常为数十到数百，显著提高了器件的非常有用灵敏度光电晶体管主要应用于对速度要求不高但需要高灵敏度的场合，光电晶体管的放大作用使其在同样光照条件下产生的电流比光如光控开关、红外遥控接收器、光电编码器、光耦合器等在电二极管大得多，对弱光信号具有更好的响应，但响应速度较这些应用中，光电晶体管能够以简单的电路结构实现可靠的光慢，带宽通常限制在几百kHz信号检测功能工作原理CCD电荷存储由矩阵排列的电容器单元组成，每个单元为一个像素当光照射CCD MOS到硅衬底时，产生电子空穴对，电子被存储在表面下形成的势阱中电-荷量与入射光照度和积分时间成正比，实现光信号到电荷的转换电荷转移曝光完成后，通过在电极上施加相应时序的电压，形成移动的势阱，使电荷按特定方向逐步转移的关键技术在于实现高效的电荷转CCD移，现代的电荷转移效率可达以上，确保图像信息的精CCD

99.999%确传递电荷检测与读出电荷最终传输到输出寄存器，再转换为电压信号输出输出电路通常包括电荷检测放大器，将微弱的电荷信号转换为可测量的电压信号读出电路的设计对的信噪比和动态范围有显著影响CCD光调制器件电光调制器声光调制器利用电场改变材料光学特性（如折射率）的器件，包括电光晶利用声波在介质中产生的周期性密度变化（折射率变化）形成体调制器和电吸收调制器两大类电光晶体调制器利用光栅，对入射光进行衍射的器件通过调节声波的频率和强度，Pockels效应或Kerr效应，通过外加电场改变晶体的双折射性，可以控制出射光的方向、强度和频率声光调制器通常使用声进而调制通过的光波常用材料如铌酸锂具有良好的光系数高的材料如二氧化碲或二氧化硅LiNbO₃TeO₂SiO₂电光系数电吸收调制器基于效应或量子限制效应，相比电光调制器，声光调制器调制速度较低（通常为级Franz-Keldysh StarkMHz外加电场使半导体吸收边缘发生移动，调制光的强度电光调别），但衍射效率高、动态范围大，在激光加工、光学信号处制器具有高速、低功耗等优点，是高速光通信系统的关键器件理、Q开关激光器等领域有重要应用第三部分光电子电路设计信号处理与系统集成复杂光电系统设计1信号调理与转换2放大、滤波、转换A/D基本光电子电路3驱动电路与前置放大设计基础与参数4设计目标与关键指标光电子电路设计是连接光电器件与系统应用的关键环节，涵盖从基础电路设计到复杂系统集成的各个层面良好的电路设计能够充分发挥光电器件的性能，实现高效可靠的信号转换和处理，是光电子系统成功应用的基础本部分将系统介绍光电子电路设计的各个环节，包括设计目标与流程、关键参数指标、发光器件驱动电路、光电探测器前置放大电路、信号调理与处理电路，以及电源设计与设计等实用内容，帮助学习者掌握光电子电路设计的核心技能PCB光电子电路设计概述设计目标1光电子电路设计的目标是实现光信号与电信号之间的高效转换和处理，提高系统性能指标，如信噪比、带宽、动态范围等，同时降低功耗、成本和体积设计还需考虑可靠性、稳定性和环境适应性，以满足具体应用需求设计流程2典型设计流程包括需求分析、方案设计、理论计算、仿真验证、样机测试和优化改进等环节采用自顶向下的设计方法，先确定系统架构和各模块指标，再进行具体电路设计迭代优化过程中需要平衡各项性能指标，达到整体最优关键参数3光电子电路的关键参数包括带宽（决定系统响应速度）、信噪比（影响检测灵敏度）、线性度（关系到信号失真）、稳定性（温度和电源变化的抗干扰能力）、功耗（直接影响系统散热和电池寿命）等这些参数之间存在相互制约关系，需要根据应用需求合理权衡驱动电路LED恒流源驱动调光PWM是电流驱动型器件，其亮度主要由通过的电流决定，而非电压脉宽调制（）是控制亮度的有效方法，通过改变占空比调LED PWMLED恒流驱动可以提供稳定的电流，确保亮度一致常见的恒流源包节的平均电流，实现亮度调节相比直接调节电流的模拟调光，LEDLED括线性恒流源（如构成的恒流电路）和开关型恒流源（如降压具有线性度好、色温变化小的优点频率通常选择在几百LM317PWM PWM型转换器）线性恒流源设计简单、纹波小，但效率较低；开到几范围，需高于人眼闪烁融合频率（约）以避免视觉DC-DC HzkHz60Hz关型恒流源效率高，但电路复杂且可能引入问题闪烁高功率驱动中，信号常用于控制恒流源的开关，而EMI LEDPWM非直接驱动LED激光二极管驱动电路恒流驱动温度补偿激光二极管对驱动电流的要求比LED温度变化会显著影响激光二极管的阈更为严格，需要高精度的恒流源小值电流和输出特性为保持稳定输出，的电流波动可能导致输出功率和波长驱动电路通常包含温度补偿功能，通的显著变化，甚至因过流损坏器件过热敏电阻检测激光器温度，相应调高速应用中，驱动电路需具备足够带整驱动电流更精确的控制系统会使宽，保证激光器能跟随调制信号快速用监测光电二极管，实时监测激光输开关典型的激光驱动电路包括基准出功率，形成闭环控制系统，提高稳电压源、误差放大器、功率输出级和定性电流监测反馈网络过流保护激光二极管特别容易因过流损坏，瞬态过流也可能导致器件灾难性失效驱动电路必须包含快速过流保护功能，包括软启动电路、电流限制和异常关断功能高质量的驱动器还提供电源欠压锁定和过温保护，全方位保障激光二极管的安全工作光电探测器前置放大电路跨阻放大器电压放大器跨阻放大器（）是将光电探测器的电流信号转换为电压信号输出的信号通常较弱，需要后续电压放大器进一步提升信号TIA TIA的关键电路，基本结构为运算放大器负反馈配置，反馈电阻决幅度电压放大器设计需考虑线性度、带宽和噪声系数等参数定了转换增益的设计需要平衡噪声、带宽和动态范围等参非反相放大器配置具有较高输入阻抗，适合作为的后级多TIA TIA数增大反馈电阻可提高增益，但会降低带宽并增加热噪声级放大时需防止信号失真和带宽降低高速光通信应用中，需要具备量级带宽和低输入阻抗特TIA GHz在要求（自动增益控制）的场合，可使用可变增益放大器AGC性（），根据信号强度自动调整增益，扩大系统动态范围VGA为降低噪声，通常选择输入噪声低的运算放大器，并使用引导高增益放大电路布局时需注意信号完整性，避免寄生振荡和串缓冲技术降低输入电容对带宽的影响实际设计中，反馈网络扰，关键电路可能需要屏蔽措施常包含电阻和电容并联，形成极点补偿，优化频率响应信号调理电路滤波滤波电路用于抑制噪声和不需要的信号成分，提高系统信噪比根据通带特性分为低通、高通、带通和带阻滤波器在光电子系统中，低通滤波常用于抑制高频噪声，高通滤波用于消除基线漂移滤波器设计需平衡带宽、相位响应和群延时等特性，避免信号失真放大放大电路提高信号幅度，主要包括前述的和电压放大器设计中需考虑增TIA益、线性度、带宽、噪声和稳定性等因素精密应用中，放大电路可能需要温度补偿和自校准功能高速光电系统的放大级设计需特别关注频率响应的平坦度和相位线性度比较器比较器将模拟信号转换为数字信号，判断信号是否超过设定阈值在光电检测系统中，比较器常用于信号判决，如光纤通信的数据恢复比较器设计需考虑响应速度、滞后特性和温度稳定性为避免噪声引起误判，通常引入适当的滞后电路（施密特触发器结构）模数转换电路原理采样定理ADC模数转换器（ADC）将连续的模拟信号奈奎斯特采样定理指出，对于带宽限制量化为离散的数字信号，是光电测量和在fmax的信号，采样频率必须大于数字信号处理的关键环节常见的才能无失真地恢复原始信号实ADC2fmax类型包括逐次逼近型（SAR）、Σ-Δ型、际应用中，为避免混叠失真，采样频率闪存型和流水线型等不同类型适用于通常选择为信号最高频率的

2.5倍以上，不同应用场景平衡了速度和并在前使用抗混叠滤波器限制信号SAR ADCADC精度，适合中速应用；Σ-ΔADC具有高带宽信号调理电路需确保输入信号范精度特点，适合低速高分辨率场合；闪围匹配ADC的满量程范围，提高有效分存ADC速度最快但功耗高；流水线ADC辨率适合高速高精度应用性能参数关键性能参数包括分辨率、采样率、信噪比（）、有效位数（）、积分ADC SNRENOB非线性误差（）和微分非线性误差（）等这些参数影响系统的测量精度和动态INL DNL范围现代高性能可实现高达位的分辨率或高达的采样率，但两者通常难以ADC20GS/s兼得，需要根据应用需求选择合适的器件数字信号处理微控制器数字信号处理算法FPGA微控制器（MCU）集成现场可编程门阵列常用的数字信号处理算了CPU、存储器和各种（FPGA）由可配置的法包括滤波（低通、高外设，是光电子系统数逻辑单元阵列组成，具通、带通）、傅里叶变字处理的核心针对光有高度并行处理能力，换（快速分析信号频电应用，选择MCU时需适合高速实时信号处理谱）、相关分析（提取考虑处理速度、内存容在高速光通信和光成像弱信号）和小波变换量、片上外设（如ADC、等应用中，FPGA能实（时频分析）等这些定时器、通信接口）和现复杂的信号处理算法，算法可提高信噪比，提开发环境等因素常用如FIR滤波、FFT变换和取有用信息，识别特定的32位ARM Cortex-M实时图像处理FPGA模式在光电系统中，系列MCU提供良好的性编程通常使用硬件描述合适的算法选择和优化能和功耗平衡，适合大语言（HDL）如VHDL对提升系统性能至关重多数光电子应用或Verilog，开发周期较要长但性能优势显著电源设计线性稳压开关电源线性稳压器通过调节串联晶体管的导通电阻维持恒定输出电压，开关电源通过高频开关控制能量传输，能够实现高效率的电压具有噪声低、纹波小的优点，适合对电源质量要求高的精密光转换，适合功率较大的光电系统常见拓扑包括降压型电电路典型的线性稳压如、系列提供固定（）、升压型（）、降升压型（）等IC LM317LM7805Buck BoostBuck-Boost或可调输出电压线性稳压的主要缺点是效率低，尤其在输入开关电源效率通常可达85%以上，体积小，但会产生开关噪声，输出电压差大时，多余能量以热量形式损耗，限制了其在大功可能干扰敏感电路率应用中的使用在光电系统中，通常采用混合供电方案主电源采用高效的开精密光电应用中，常使用低噪声线性稳压器为敏感电路（如TIA、关电源，然后通过低噪声线性稳压器为敏感电路提供干净电源PLL等）提供干净电源，有时还需增加额外的LC滤波网络进一现代集成开关电源控制器具备多种保护功能和同步整流技术，步抑制高频噪声进一步提高了效率和可靠性设计考虑PCB布局布线电磁兼容性良好的PCB布局是光电子高速信号线应使用等长等电磁兼容性（EMC）考虑电路性能发挥的基础应阻抗控制，避免锐角和突包括抑制电路辐射干扰和将数字电路与模拟电路分变；模拟地和数字地分离提高电路抗干扰能力常区放置，降低串扰；敏感后在单点相连；电源线使用措施包括多层PCB采电路（如TIA、比较器等）用足够线宽以降低阻抗；用完整接地平面；滤波和应远离噪声源（如开关电关键信号采用差分传输提去耦电容靠近噪声源；高源、高速数字电路）；功高抗干扰能力；在层间过速信号线避免形成环路天率器件周围预留足够散热孔附近放置去耦电容；敏线；关键电路增加屏蔽罩；空间；信号路径保持短直，感电路周围设置保护环或合理安排接地回路，避免减少寄生效应光电耦合栅状接地光电子电路特地环路；PCB边缘设置接部分（如LED/PD对准位别需要关注光电耦合路径地走线对于高速光通信置）需特别考虑机械结构的屏蔽，防止环境光干扰电路，还需考虑信号完整和装配工艺性问题，可能需要阻抗匹配和信号预加重技术第四部分光纤通信光纤通信是光电子技术最成功的应用领域之一，已成为现代通信网络的基础光纤通信利用光纤作为传输介质，将电信号转换为光信号传输后再转换回电信号，具有带宽大、衰减小、抗电磁干扰能力强等优势全球互联网骨干网络几乎完全依赖光纤通信系统，支持着日益增长的数据传输需求本部分将系统介绍光纤通信的基本原理、系统组成、关键器件及核心技术，包括光纤传输特性、光发射机、光接收机、光放大器以及波分复用等高级技术，帮助学习者全面了解现代光通信系统的工作原理和设计方法光纤通信系统概述发射端1包括信源、编码器、调制器、光发射器等，将电信号转换为光信号发射端的核心是光源（激光器或），其波长、功率、带宽等参数直接影响系统性能现代系统普LED遍采用半导体激光器作为光源，结合外调制器实现高速调制传输媒介2光纤是系统的传输通道，分为单模和多模两类光纤的关键参数包括衰减系数、色散系数、模场直径等当代长距离传输多采用低衰减（约）、低色

0.2dB/km@1550nm散的单模光纤，城域和接入网也逐渐向单模光纤过渡接收端3包括光探测器、放大器、解调器、解码器等，将光信号转换回电信号接收端的核心是光电探测器（如二极管、），其灵敏度决定了系统的最大传输距离接收PIN APD端电路设计对系统性能有显著影响，尤其是前置放大器的噪声特性光纤原理全反射单模与多模光纤传输基于全反射原理当光从高折射率介质（纤芯）射向低折射多模光纤纤芯直径较大（50-

62.5μm），允许多种模式同时传输，率介质（包层）界面时，入射角大于临界角会发生全反射，光被限制但存在模间色散，限制了带宽和传输距离，主要用于短距离传输单在纤芯内传播纤芯和包层的折射率差决定了光纤的数值孔径模光纤纤芯较细（9μm左右），仅支持基模传输，消除了模间色散，（NA），数值孔径越大，光纤的接收角度越大，但模间色散也越严可实现长距离高速传输现代长途通信几乎全部采用单模光纤，在重典型单模光纤的约为，多模光纤约为波长窗口工作，实现超远距离传输NA

0.

10.2-

0.31550nm光纤损耗与色散光纤损耗主要包括吸收损耗和散射损耗吸收损耗源于光纤材料对光的吸收，包括基本吸收（与材料本身有关）和杂质吸收（如OH-离子）散射损耗主要是瑞利散射，由微观密度波动引起，与波长的四次方成反比，因此短波长光损耗更大现代通信主要使用1310nm和1550nm波长窗口，对应损耗分别约为

0.35dB/km和

0.2dB/km色散是光脉冲展宽的主要原因，包括材料色散（不同波长光速不同）、波导色散（不同波长模场分布不同）和多模色散（不同模式传输速度不同）色散限制了系统带宽和传输距离，是高速长距离传输的主要瓶颈通过使用色散补偿光纤、色散移位光纤等技术可有效管理色散光发射机结构光源主要参数光发射机主要由光源、驱动电路、调制器光通信常用光源包括LED、边发射激光器光发射机的关键参数包括中心波长及其稳和光学耦合系统组成根据调制方式不同，（FP-LD、DFB-LD）和垂直腔面发射激光定性（影响WDM系统）、调制带宽（决定分为直接调制和外部调制两类直接调制器（VCSEL）DFB-LD因其窄线宽、高功数据速率）、发射功率（关系到传输距通过直接改变光源驱动电流来调制光输出，率和优良温度特性，成为长距离单模光通离）、边模抑制比（影响色散容限）和相结构简单但带宽有限；外部调制使用额外信的主流；VCSEL成本低、便于集成，适对强度噪声（影响信噪比）高性能光发的调制器（如马赫-曾德尔调制器）调制连合短距离多模通信；LED带宽有限，主要射机还需具备良好的线性度、动态范围和续光，可实现更高带宽但结构复杂用于低速短距离应用温度稳定性光接收机结构光接收机由光学耦合系统、光电检测器、前置放大器和后级信号处理电路组成光接收机的设计需平衡灵敏度、带宽和动态范围等参数现代接收机常采用差分接收结构，提高共模噪声抑制能力；同时集成自动增益控制和时钟数据恢复电路，提高系统可靠性光电检测器光通信常用的光电检测器包括光电二极管和雪崩光电二极管（）PINAPD二极管结构简单、工作电压低，但无内部增益；具有内部倍增效应，PINAPD可提高接收灵敏度约，但需要较高偏置电压且噪声较大长波长10dB（）系统多采用材料的探测器1550nm InGaAs灵敏度接收机灵敏度定义为实现特定误码率所需的最小接收光功率，直接决定系统最大传输距离影响灵敏度的因素包括光电检测器响应度、前置放大器噪声、热噪声和散粒噪声等典型的接收机灵敏度约为10Gb/s PIN-，接收机约为提高灵敏度的方法包括使用低噪声20dBm APD-30dBm前置放大、优化光电路耦合和采用先进编码技术光放大器掺铒光纤放大器（）半导体光放大器（）EDFA SOA是光通信系统中最成功的光放大器，由掺铒光纤、泵浦激结构类似于无反馈的激光二极管，通过载流子注入实现信EDFA SOA光器和光学耦合器组成工作原理基于受激发射泵浦光（通号放大相比EDFA，SOA体积小、集成度高、成本低，可覆常为980nm或1480nm）将铒离子激发到高能级，信号光盖更宽的波长范围，但存在偏振敏感、非线性强、噪声大等缺（1530-1565nm）通过时触发受激发射，实现信号放大点，限制了其在传输系统中的应用具有高增益（）、低噪声（噪声系数）、宽EDFA30dB5dB在特殊应用如波长转换、开关、调制等全光信号处理中具SOA带宽（）等优点，彻底改变了长距离光通信系统设计30nm有独特优势，是集成光子学的重要组件新型量子点具有SOA更好的线性度和温度稳定性，有望在未来系统中发挥更大作用现代系统通常采用双级结构，集成增益平坦滤波器和动态也是硅基光电集成中实现光放大的重要技术路线之一EDFA SOA增益控制，适应系统需求的发明和应用是光通信WDM EDFA发展的重要里程碑，使跨洋无中继传输成为可能波分复用技术超密集波分复用UDWDM通道间隔通道数

112.5GHz,320密集波分复用DWDM2通道间隔通道数25-100GHz,40-160粗波分复用CWDM3通道间隔通道数20nm,8-18基本WDM4仅个波长通道2-3波分复用（）是在单根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术，大幅提高了光纤传输容量系统的关键器件包括复用器解复用器（将不同波长信WDM WDM/号合并分离）、光源阵列（提供多种精确波长）、光放大器（同时放大多个波长信号）和波长选择开关（实现灵活路由）/技术是现代骨干网的基础，单纤容量已从最初的提升至如今的数十最新的超密集结合高阶调制格式（如）和数字信号处理技术，DWDM10Gb/s Tb/s WDMQAM频谱效率已超过弹性网格技术进一步提高了频谱利用效率，根据业务需求灵活分配带宽资源技术的发展彻底改变了通信网络架构，推动了全球6bit/s/Hz WDM信息化进程第五部分光电子集成提高系统性能降低成本1集成降低互连损耗，提高带宽效率批量生产、简化封装测试工艺2提高可靠性减小体积4减少分立器件互连，提高系统稳定性3高密度集成节省空间和能源光电子集成是将多种光功能和电子功能集成在一个芯片上的技术，被视为光电子技术发展的重要方向随着数据传输速率的不断提高，分立器件互连已成为系统性能的瓶颈，光电子集成提供了解决方案，实现了更高带宽、更低功耗和更小体积本部分将介绍光电子集成的基本概念、工艺技术、材料平台以及典型器件，包括单片集成与混合集成方法，硅基与族材料优势，以及光III-V子晶体等新型结构同时探讨光电子集成面临的挑战和最新研究进展，为理解未来光电子技术发展趋势提供基础光电子集成概述定义优势12光电子集成指在单个芯片或模块上集光电子集成相比分立器件有显著优势成光发射、调制、传输、探测和电信1减小体积重量，提高系统集成度；2号处理等多种功能的技术根据集成降低互连损耗和寄生效应，提高性能；度和功能复杂度，可分为光子集成电3减少装配工序和外部连接，提高可路（）、电子光子集成电路靠性；批量生产降低成本；降低PIC45（）和光电子集成电路（）功耗，提高能效；实现分立器件难EPIC OEIC6等PIC主要集成光学功能组件，以实现的新功能这些优势使光电子包含简单电子驱动，而实集成成为数据中心、通信和高性能EPIC OEIC5G现了光电功能的深度融合计算等领域的关键技术挑战3光电子集成面临多重挑战材料兼容性问题，难以在同一材料上实现所有光电功能；1不同器件工艺互相干扰；光波导与电互连的布局冲突；耦合和封装难度大；2345测试和良率控制复杂；散热问题克服这些挑战需要创新的设计理念、材料平台和6工艺技术，是当前研究的热点方向集成工艺单片集成混合集成单片集成将所有器件和功能在同一衬底上制造，具有高集成度、混合集成将不同材料平台上制造的最优器件组合在一起，克服高可靠性和低成本潜力根据材料体系不同，单片集成可基于单片集成的材料限制主要方法包括1倒装芯片技术，将III-、或等平台平台可同时集成激光器、探测器和器件翻转键合到衬底；晶圆键合，将材料直接键合到InP GaAsSi InPV Si2III-V无源器件，适合光通信应用；平台主要用于短光波导上；微转移打印，精确放置微小器件；外延

1.3-

1.6μm GaAsSi3III-V4波长应用；平台利用成熟工艺，成本低但难以制作高转移，将外延层转移到上Si CMOSIII-V Si效激光器混合集成灵活性高，可结合各种材料的优势，如族的高效III-V单片集成的工艺流程通常包括外延生长（MBE或MOCVD）、发光特性和硅的低损耗波导现代混合集成已能实现微米级对光刻、刻蚀、离子注入、金属化等步骤挑战在于不同器件对准精度，显著提高耦合效率最新的异质外延技术如选择区异材料和工艺的要求可能相互冲突，如源漏离子注入可能破坏激质外延尝试直接在上生长材料，有望实现更高程度的集/Si III-V光区量子阱结构这需要特殊的集成方案如选择区外延或量子成阱间断技术硅基光电子集成优势限制发展趋势硅基光电子集成利用成熟的CMOS工艺基础，具硅基平台最大的限制是难以实现高效光源，因硅光子产业发展迅速，已从实验室走向商业应有显著优势1可利用现有大规模半导体制造设为硅是间接带隙半导体，发光效率极低此外，用，特别是在数据中心光互连领域主要趋势施，成本低；高折射率对比度使器件尺寸小，硅基电光调制效率较低（无效应），需包括集成度提高，单芯片集成器件数从数十2Pockels1集成度高；3晶圆尺寸大12英寸，批量生产效要利用等离子色散效应，带宽受限在长波长个提升至数千个；2异质集成技术成熟，实现率高；4与电子电路兼容，易于实现光电融合；探测方面，纯硅也存在局限性这些限制要求硅基激光器商业化；3新型材料引入，如SiN提硅波导损耗低（）这些优势使结合其他材料如锗（用于探测器）和族材高无源器件性能；工艺标准化，出现多工艺

50.1dB/cm III-V4硅光子成为数据通信和电信应用的理想平台料（用于激光器）来实现完整功能公司服务；5从通信向传感、计算等领域拓展预计到年，硅光子市场规模将超过亿美202540元族光电子集成III-V材料特性族化合物半导体（如、、等）是由周期表族元素和族元III-V GaAs InP GaNIII V素组成的化合物这类材料多为直接带隙半导体，具有优异的光电特性1高发光效率，适合制作激光器和；高电子迁移率，有利于高频电子器LED2件；通过材料组分调节可获得从可见光到中红外的带隙范围；部分材料34具有强电光效应和光电效应集成技术族集成主要基于和两大平台平台可实现波长器III-V InPGaAsInP

1.3-

1.6μm件，适合光通信；平台主要用于短波长和高频电子器件典型工艺包括GaAs外延生长（或）、光刻（电子束或光学）和各种刻蚀技术MBE MOCVDIII-V族集成面临的主要挑战是衬底尺寸小、成本高和与电子器件工艺兼容性差应用领域族光电子集成在多个领域有重要应用高速光通信收发器，尤其是长距III-V1离和骨干网应用；光接入网组件；微波光子学系统；激光雷达；高2345性能计算互连；光传感器阵列；太赫兹发生与探测随着通信、675G/6G自动驾驶和量子信息技术发展，族集成器件需求不断增长III-V光电子集成器件光电子集成器件按功能可分为源、调制器、波导、滤波器、探测器等类别集成激光器是最具挑战性的组件，主要通过异质集成方式实现，如将基激光器或集成到硅基平台上集成调制器包括电吸收调制器（）和马赫曾德尔调制器（），InP DFBVCSEL EAM-MZM前者紧凑但带宽和消光比有限，后者性能好但尺寸大无源波导器件包括分波器、耦合器、、微环谐振器等，在信号路由和处理中发挥重要作用集成探测器多采用锗或材料，AWG InGaAs高性能设计可达带宽完整的光电子集成电路还包括驱动电路、跨阻放大器和数字控制电路等电子部分，通过单片或混合方40GHz式集成新型集成器件如全光开关、光学神经网络等展现出巨大应用潜力光子晶体原理应用光子晶体是具有周期性折射率分布的人工微结构，利用布拉格在光电子集成中，光子晶体有多种重要应用1低损耗波导，散射原理控制光的传播类似电子在半导体晶体中形成能带结利用线缺陷实现光的高效传输；2高Q值微腔，用于滤波器、构，光子在光子晶体中也形成光子带隙特定频率范围内光无激光器和传感器；慢光结构，增强光与物质相互作用；超——34法传播光子晶体可分为一维、二维和三维结构，不同维度结棱镜效应，实现异常色散和光分离；5表面发射激光器，提高构对光的控制能力不同光提取效率；6光子集成，实现超小型功能器件光子晶体的设计参数包括晶格常数（决定工作波长范围）、折射率对比度（影响带隙宽度）和缺陷结构（创造局域模式）最新研究方向包括拓扑光子晶体（实现单向传输）、动态可调通过精心设计这些参数，可实现对光传播方向、色散关系和局光子晶体（通过外场调控光学性质）和量子光子晶体（用于量域场增强的精确控制子信息处理）光子晶体与等离子体结构结合形成的表面等离子体光子晶体也展现出独特的光场增强和调控能力第六部分光电子应用光电子技术已渗透到现代社会的方方面面，从通信网络到消费电子，从工业制造到医疗健康，从科学研究到国防安全光电子应用的广度和深度不断扩展，创造了巨大的经济和社会价值这些应用极大地改变了人们的生活和工作方式，推动了多个行业的技术革新本部分将系统介绍光电子技术在各个领域的具体应用，包括光通信、显示技术、照明、传感、医疗、工业、汽车和量子信息等领域通过了解这些应用实例，学习者可以更全面地认识光电子技术的价值和潜力，为未来的学习和研究提供方向光通信应用光纤到户数据中心互连光纤到户FTTH是将光纤直接引入用户住宅的接入网技术，提供高带宽、低延数据中心内部和之间的高速互连是光通信的重要应用场景随着云计算和大数迟的网络服务典型FTTH系统采用无源光网络PON架构，一根光纤通过光分据发展，数据中心带宽需求呈指数增长现代数据中心采用光互连替代铜缆，路器分支到多个用户，节约成本现代技术如、提实现更高带宽和更低功耗典型应用包括服务器间互连、机架间PON XGS-PON NG-PON2100G/400G供最高对称或总容量和芯片间硅光互连10Gbps40Gbps MBOMid-Board Optics部署已成为全球宽带发展趋势，中国、日本和韩国等亚洲国家普及率领先，数据中心光互连技术快速迭代，从发展到，FTTH QSFP284×25G QSFP-DD8×50G欧美国家也加速部署最新技术演进包括和超高速，未来未来将向和进军硅光子和集成光电子技术是降低成本和功耗的关键，WDM-PON50G-PON800G

1.6T将支持视频、、云游戏等高带宽应用将光学引擎直接集成在交换芯片上，代表未来发展方向8K AR/VR Co-Packaged Optics显示技术显示器LCD OLED液晶显示器是当前最常见的显示技术，原理是利用液晶有机发光二极管显示器基于有机材料电致发光原理，像LCD OLED分子在电场作用下改变排列方向，调控光的偏振状态，结合偏素自发光无需背光源，具有高对比度、广视角、快响应和柔性振片实现光强调制现代主要采用薄膜晶体管有源矩等优点显示器分为无源和有源两LCD TFTOLED PMOLEDAMOLED阵驱动关键光电子器件包括背光模组阵列、导光板、类，高端应用主要采用关键技术包括有机发光材料、LEDAMOLED阵列、彩色滤光片和偏振片等背板、精细金属掩模和封装工艺等TFT TFT技术不断进步，从传统的扭曲向列到垂直排列和在手机、可穿戴设备市场占据主导地位，并逐步扩展至电LCD TNVA OLED平面转换，视角和色彩表现大幅提升量子点技术的引入视和商用显示新型柔性折叠引领显示形态创新，透明IPS/OLED使色域接近水平，背光进一步提高了对比开拓新应用场景技术挑战包括蓝光材料寿命、高效率发LCD OLEDMini-LED OLED度和性能凭借成本优势仍占据大尺寸显示市场主导光和大尺寸制造良率印刷和是未来显示技术HDR LCDOLED Micro-LED地位的重要发展方向照明应用照明智能照明LEDLED照明以其高效率、长寿命和环保特性，已成为全球照明市场的主流现代智能照明系统结合光电子技术和物联网技术，实现照明的智能控制和管理基白光LED主要采用蓝光芯片加黄色荧光粉技术路线，光效已超过200lm/W，远本功能包括亮度调节、色温调整、场景预设和定时控制等高级系统可根据环高于传统白炽灯15lm/W和荧光灯80lm/W LED照明覆盖室内、室外、道路、境光线、人员存在和用户习惯自动调节照明状态，优化能源使用和用户体验景观等各类应用场景，大幅降低了全球照明能耗通信技术包括ZigBee、蓝牙Mesh、Wi-Fi和电力线通信等LED照明技术持续进步，包括提高发光效率、改善显色性、降低蓝光危害和开智能照明已从单一控制发展为照明物联网，照明设备成为物联网的重要节点，发新型封装形式硅基GaN技术和量子点转换技术有望进一步提升LED性能集成各类传感器，提供照明之外的功能商业照明控制系统通过数据分析优化和技术将照明与显示功能融合，创造新的应用可能能源使用，实现精细化管理技术利用照明进行高速数据传输，为密Mini-LED Micro-LED Li-Fi LED集通信场景提供新选择传感应用光纤传感光纤传感技术利用光在光纤中传输特性的变化探测各种物理量基本原理包括强度调制（光强变化）、相位调制（干涉测量）、偏振调制和波长调制等典型的光纤传感器包括光纤布拉格光栅，用于应变和温度测量；光纤法布里珀罗干涉仪，用FBG-于微小位移探测；分布式散射系统，可实现沿光纤全程感知光纤传感优势光纤传感具有多项独特优势抗电磁干扰、本质安全（无电火花风险）、耐腐蚀、可多点分布式测量、远程传输能力强、尺寸小重量轻这些特性使其在特殊环境如强电/磁场、易爆区域和极端温度条件下有不可替代的应用价值关键应用领域包括结构健康监测、油气管道监测、电力设备监测、隧道和矿山安全等生物传感光学生物传感器利用光与生物分子相互作用探测生物标志物主要技术包括表面等离子体共振，探测生物分子结合引起的折射率变化；荧光传感，检测标记分子SPR的荧光信号；拉曼光谱，识别分子的特征振动模式；干涉传感，检测纳米级厚度变化光生物传感应用于医疗诊断（如血糖监测）、食品安全检测、环境监测和药物筛选等领域医疗应用光学相干断层扫描（）OCTOCT是一种高分辨率的光学成像技术，利用低相干干涉原理获取组织内部的断层图像，分辨率可达微米级OCT类似于超声成像，但使用光而非声波，提供更高的分辨率核心组件包括超宽带光源（通常为超辐射二极管SLD）、干涉仪和高速光电探测器现代OCT系统采用傅里叶域技术，大幅提高了成像速度和灵敏度应用OCTOCT已成为眼科诊断的标准工具，用于视网膜疾病（如黄斑变性、青光眼）的早期诊断和监测此外，OCT在心血管内窥镜成像、皮肤病变检查和牙科诊断中也有重要应用最新的OCT变种如偏振敏感OCT和血管造影OCT提供了功能性信息，进一步拓展了应用范围光动力疗法光动力疗法PDT是一种微创治疗方法，结合光敏剂和特定波长激光选择性破坏病变组织工作原理是光敏剂吸收光能后产生活性氧，引起细胞死亡光动力疗法的选择性来自光敏剂在病变组织的优先富集和光的精确照射主要光电子器件包括特定波长激光器、光纤传输系统和剂量监测装置应用PDT光动力疗法已被批准用于多种疾病治疗，包括特定类型的皮肤癌、食道癌、肺癌、膀胱癌以及年龄相关性黄斑变性等PDT优势在于可重复进行、副作用小，且与其他治疗方法兼容研究方向包括开发靶向性更强的光敏剂、近红外激活光敏剂（提高穿透深度）和联合免疫治疗等工业应用激光加工机器视觉激光加工利用高能量密度激光束进行材料处理，包括切割、焊机器视觉是工业自动化的关键技术，通过光电成像系统获取、接、钻孔、表面处理和3D打印等激光加工的优势在于非接触、处理和分析图像，实现自动检测、识别和测量功能典型的机高精度、灵活性高和易于自动化根据应用不同，工业激光器器视觉系统包括光源、镜头、相机、图像采集卡和图像处理软包括CO2激光器（

10.6μm，适合非金属材料）、光纤激光器件光源设计至关重要，包括环形光、背光源、同轴光等多种（

1.06μm，适合金属加工）、准分子激光器（紫外波段，用于类型，针对不同应用优化照明条件微加工）和超快激光器（用于精密无热加工）机器视觉应用包括产品外观缺陷检测、尺寸测量、条码二维码/现代激光加工系统结合先进控制技术，实现复杂三维轨迹加工识别、装配验证等现代系统结合深度学习技术，实现了高级和智能化生产激光加工已广泛应用于汽车、航空航天、电子、视觉任务如复杂缺陷分类和异常检测3D机器视觉技术如结构医疗器械等行业，提高了生产效率和产品质量超快激光加工光、飞行时间ToF和立体视觉拓展了应用范围，支持三维测量和增材制造是当前研究热点，拓展了激光加工的应用边界和机器人引导工业物联网和边缘计算的发展进一步推动了机器视觉的普及汽车应用激光雷达车载照明激光雷达是自动驾驶汽车的核心传感器，通过发射激光脉冲并测量反射时间，车载照明已从传统卤素灯发展为全和激光照明时代前照灯具有高效率、长LiDAR LEDLED创建周围环境的高精度点云图车载系统主要分为机械旋转式、固态式和寿命和设计灵活性，已成为中高端汽车标配矩阵式大灯通过独立控制多个3D LiDARLED LEDMEMS式三类机械式提供360°视野但体积大；固态式紧凑但视场有限；MEMS式在单元，实现智能照明功能，如自适应远近光、动态转向灯和防眩目选择性照明激光性能和体积间取得平衡关键光电子组件包括激光发射器（多为905nm或1550nm脉辅助远光灯利用蓝色激光激发荧光粉，可将照明距离延伸至传统灯一倍以上冲激光）、光学扫描机构、接收光学系统和高速光电探测器阵列（600m）车内照明也朝着智能化和人性化方向发展，环境光照系统根据驾驶模式、音乐节奏和LiDAR技术快速发展，从早期每套10万美元降至现在数千美元，并朝更低成本方向发导航信息动态调整光效，增强驾乘体验OLED尾灯因其超薄特性和可分段控制能力，展长距离（200m）、高分辨率和全天候性能是技术挑战新兴的成像激光雷达和开创了车灯设计新可能，实现个性化光效和动态信息显示激光雷达能同时测量距离和速度，进一步增强感知能力4D量子信息技术量子通信量子通信网络量子通信利用量子力学原理实现安全通信，主要基于量子密钥分发技术中国建设了全球首个量子保密通信骨干网京沪干线，全长超过公里，并通过墨QKD QKD2000利用光子的量子态（如偏振、相位）携带信息，由于量子不可克隆原理，任何窃听行为子号量子卫星实现了洲际量子密钥分发量子中继器和量子存储器的发展有望克服量都会留下可检测的痕迹实现QKD的关键光电子器件包括单光子源（如衰减激光器、子通信距离受限问题，实现全球量子通信网络光量子纠缠源、高效量子态转换和纠缠参量下转换源）、单光子探测器（如雪崩光电二极管、超导纳米线）和高精度相位调制纯化技术是研究重点器等量子计算光量子芯片光量子计算是量子计算的重要技术路线，利用光子的量子态进行量子信息处理相比其光量子计算的重要发展方向是集成光量子芯片，通过光子集成电路实现可扩展的量子计他量子比特实现方式，光子具有室温工作、相干时间长和易于传输等优势光量子计算算功能硅光子和氮化硅平台是目前光量子芯片的主要技术路线，已实现多达几百个组的基本原理是将量子信息编码在光子的自由度中（如偏振、路径、轨道角动量等），通件的集成波导、分束器、相位调制器、光子源和探测器等功能组件的集成与优化是关过线性光学元件和非线性相互作用实现量子门操作键挑战现有光量子芯片已实现玻色采样和小规模量子算法验证第七部分前沿技术与发展趋势新型光电材料1新型光电材料如二维材料、钙钛矿、量子点等展现出独特的光电特性，为器件创新提供基础这些材料的发展将大幅拓展光电子技术的应用边界微纳光电子器件2表面等离子体器件、光子晶体和超构材料等微纳结构实现了对光场的亚波长操控，开创了全新的光场工程方法，推动光电子器件向微型化和高性能方向发展光子计算3光学人工智能和神经形态光子计算利用光的并行处理能力，有望大幅提高计算效率，为未来和超算提供新路径AI绿色光电子技术4环境友好材料和高能效设计成为光电子技术的重要方向，促进可持续发展能源高效利用和全生命周期环保设计将成为行业标准新型光电材料二维材料钙钛矿材料二维材料是原子级厚度的层状材料，包括石墨烯、过渡金属二硫化物和有机无机杂化钙钛矿（如）是近年崛起的明星光电材料，具有高TMDs-CH3NH3PbI3六方氮化硼等石墨烯具有超高载流子迁移率和宽频带吸收特性，适合高速光吸收系数、长载流子扩散长度和可调带隙等优点钙钛矿太阳能电池效率已从电探测器；如、是直接带隙半导体，适合发光和探测应用；年的提升至目前的，接近单晶硅；同时钙钛矿也展现出优异的TMDs MoS2WS

220093.8%25%黑磷具有可调带隙，覆盖红外到可见光范围发光特性，PLQY可达90%二维材料的独特优势在于原子级厚度、机械柔性、强光物质相互作用和易于形钙钛矿材料的优势包括溶液加工的低成本制备、结构和成分的灵活可调以及卓成异质结构最新研究方向包括二维材料范德华异质结（不同二维材料叠层）、越的光电性能主要挑战是铅毒性和稳定性问题研究热点包括全无机钙钛矿扭转角工程（调控电子结构）和二维材料与传统光电平台的混合集成（提高稳定性）、无铅钙钛矿（解决毒性问题）和钙钛矿/硅叠层电池（突破单结效率极限）钙钛矿在发光二极管、光探测器和激光器等领域也有广阔应用前景微纳光电子器件纳米天线表面等离子体器件操控光场的亚波长结构，增强光与物质相互作用1利用金属电介质界面电磁波实现场增强和限制-2集成光量子电路超构材料4芯片级量子光源和单光子探测器实现量子信息处人工设计微结构阵列实现自然界不存在的光学性3理质微纳光电子器件利用精密设计的亚波长结构操控光场，突破传统光学衍射极限，实现新颖光学功能纳米天线作为接收和发射光波的单元，能高效实现自由空间光与纳米结构的耦合通过调整天线的尺寸、形状和材料，可实现特定波长的场增强、方向性辐射和共振特性，广泛应用于高灵敏度传感和光谱增强表面等离子体器件利用金属表面电子集体振荡与光的耦合，将光场限制在亚波长尺度，大幅增强场强这一特性已应用于高灵敏传感、表面增强拉曼散射和纳米尺度成像超构材料通过精心设计的人工原子阵列，实现负折射率、完美吸收、超透镜等奇特光学效应，开创了全新的光场工程方法集成光量子电路将单光子源、量子干涉和探测功能集成在芯片上，为可扩展量子计算提供了硬件平台人工智能与光电子学神经形态光子计算光学人工智能神经形态光子计算旨在利用光学元件构建类脑计算系统，结合光学人工智能是一个更广泛的概念，涵盖利用光学系统实现或光的并行处理优势和神经网络的学习能力光学神经网络通过加速AI算法的各种方法除神经形态计算外，还包括光学保留波导、分束器、干涉仪等线性光学元件实现矩阵乘法运算，这计算、光学量子计算和光学散射计算等范式光学散射介质是神经网络最基本的计算操作相比电子实现，光学矩阵乘法（如多模光纤或乳白材料）可作为复杂转换矩阵，实现高维特具有超低能耗（理论极限可低至几飞焦操作）和超高速度（光征映射；光学傅里叶处理器可高效完成卷积运算，加速；/CNN速传播）的优势光学随机矩阵可用于压缩感知和随机投影目前神经形态光子计算的实现方式包括自由空间光学系统，光学人工智能的产业化正加速推进，多家初创公司开发了基于利用空间光调制器和透镜阵列；光波导网络，在芯片上集成波光学计算的AI加速芯片，瞄准数据中心推理加速市场同时，导和调制器阵列；谐振器网络，利用微环谐振器的耦合实现复研究人员也在探索将光学AI应用于边缘计算场景，利用其低功杂功能关键挑战包括可编程性、非线性激活函数实现和光电耗特性实现物联网设备的实时推理长期来看，光学AI有望与接口效率等初步演示系统已在图像识别和信号处理等任务上量子计算、类脑计算等技术融合，形成未来计算的综合生态系取得promising成果统绿色光电子技术能源效率环境友好材料12提高能源效率是绿色光电子技术的核心传统光电子器件中使用的重金属（铅、目标新型照明技术如Micro-LED和量镉、砷等）和稀有元素（铟、镓等）存子点LED有望将发光效率提升至传统在毒性和资源限制问题环境友好材料LED的

1.5-2倍；硅光子技术可将数据中的研发方向包括无铅钙钛矿光电材料，心互连能耗降低90%以上；光学计算可替代含铅体系；无稀土荧光粉，减少稀实现比电子计算低2-3个数量级的能耗土开采污染；生物基有机电子材料，利通过设计优化和新材料应用，显示器、用可再生资源；高丰度元素半导体（如传感器和通信系统的能效也在持续提升ZnSnN2），替代稀缺元素材料此外，能效提升不仅降低了运行成本，更显著可回收设计和模块化结构也是减少电子减少了碳排放，对实现碳中和目标具有废弃物的重要策略重要意义全生命周期分析3绿色光电子技术强调对产品全生命周期的环境影响评估，从原材料获取、制造、使用到废弃回收的各个环节研究显示，许多光电产品的主要环境负担来自制造阶段，而非使用阶段减少制造能耗、优化工艺气体使用（减少温室气体排放）和提高生产良率是降低环境影响的关键同时，研发更环保的封装材料和无卤素工艺，开发高效的电子废弃物回收技术，也是绿色光电子技术的重要研究方向光电子产业发展2020年亿美元2025年预测亿美元光电子产业已发展成为全球重要的技术产业，规模超过3000亿美元，年增长率保持在10%以上从区域分布看，亚太地区（特别是中国、日本、韩国、台湾地区）在显示、照明和消费电子光电子领域占据主导地位；北美在高端激光器、光通信设备和光电传感领域具有技术优势；欧洲在精密光学、科研设备和工业应用方面保持竞争力未来五年，光电子产业发展将呈现以下趋势15G/6G建设带动光通信设备需求增长；2智能手机和AR/VR驱动显示技术创新；3自动驾驶推动激光雷达和机器视觉发展；4工业

4.0和智能制造提升光电传感和激光加工需求；5数据中心光互连市场快速扩张；6量子技术和光计算进入商业化初期阶段技术上，集成化和智能化是主要方向，单一功能器件向多功能集成系统发展，结合AI实现自适应优化和功能增强总结与展望基础理论未来发展光电子学基于光与电子相互转换原理，结合半导体物理、光学和电子学理论，形成了系统的技新材料、微纳结构、人工智能与光子集成将引领未来发展，催生新型器件和应用光电子技术术体系，为各类光电器件提供理论基础将在信息、能源、健康和环境等领域做出更大贡献，推动社会可持续发展123核心技术从基础器件（LED、激光器、光电探测器）到系统应用（光通信、显示、传感），光电子技术已形成完整产业链，并持续创新发展，不断突破性能边界《光电子电路》课程全面介绍了光电子学的基础理论、器件原理、电路设计和应用技术，为同学们构建了系统的知识体系从最基础的光学现象和半导体物理，到复杂的光电子集成系统和前沿应用，我们尝试展现光电子技术的科学魅力和实用价值光电子技术正处于快速发展阶段，新理论、新材料、新器件和新应用不断涌现希望同学们通过本课程学习，不仅掌握基础知识和设计方法，更能培养持续学习的能力和创新思维，在未来的学习、研究和工作中做出自己的贡献光电子技术的发展将持续推动社会进步，我们期待你们成为这一领域的新力量。