導語：如何才能寫好一篇光學光電子概念，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：光電子技術；理論教學；實驗教學

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

電子信息工程專業是一個包含電子科學技術、信息與通信工程、計算機科學與技術設計、研究、應用與開發，電子設備和信息系統的工程專業。當代信息技術的高速發展離不開電子信息科學技術，但是當今很多高端的信息技術成果融合了微電子學、光電子學、計算機工程及通信工程等多門學科的交叉知識。而且，目前很多具有良好基礎的電子信息工程專業的學生在他們的碩士和博士階段，通常會選擇光電子技術的相關研究方向，而具備了良好電子學知識的學生更容易將電子學中的概念移植到光頻段中，如果在本科階段也修習了光電子技術這門基礎課程，那么在他們的深造階段將會更容易進入光電子相關領域的課題研究。因此，電子信息工程專業的學生除了需要掌握本專業的課程知識以外，也應該熟悉現代信息技術的其他相關知識，如光電子技術。然而根據筆者的調研，雖然目前很多重點大學及二本院校的電子信息工程專業都意識到光電子技術的重要性，但很少開設光電子技術這門課程。本文從光電子技術的研究內容、應用及發展等方面說明其在電子信息工程專業教育中的重要性，并研討電子信息工程專業中的光電子課程的理論和實驗教學方法。

1 光電子技術簡介

早在19世紀，人們就已經用麥克斯韋(Maxwell)的經典電磁理論對光的本質進行了研究，認為光是波動的電磁場，關于光的吸收和輻射，1917年愛因斯坦(Einstein)建立了系統的光電子學理論，使人們認識了光的波粒二相性。但是直到20世紀60年代之前，光學和電子學仍然是兩門獨立的學科。1960年世界上第一臺激光器研制成功，這標志著光學的發展進入了一個新階段。隨后在對激光器和激光應用的廣泛研究中，電子學發揮了重要的作用，光學和電子學的研究有了廣泛的交叉領域，形成了激光物理、非線性光學、波導光學等新學科。20世紀70年代以來, 由于半導體激光器和光纖技術的重要突破，推動了以光纖傳感、光纖傳輸、光盤信息存儲與顯示、光計算以及光信息處理等技術的蓬勃發展，從深度和廣度上促進了光學和電子學及其他相應學科(數學、物理、材料等)之間的相互滲透，形成了一個邊緣的研究領域。光電子學一經出現就引起了人們的廣泛關注，反過來又進一步促進了光電子學及光電子技術的發展。光電子技術包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測以及光信息存儲和處理等。

因此，可以這么說，現代信息技術的支撐學科是微電子學和光學，光電子學則是由電子學和光學交叉形成的新興學科，對信息技術的發展起著至關重要的作用。光電子技術是光頻段的電子技術，是電子技術與光學技術相結合的產物，光電子技術是光電信息產業的支柱與基礎，涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術等前沿學科理論，是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術學科，其技術廣泛應用于光電探測、光通信、光存儲、光顯示、光處理等高新技術光電信息產業。同時，隨著生物醫學、生命科學等新興學科的發展，其中的信息獲取手段對光電子技術的依賴程度越來越高，加快了這些學科之間的交叉融合，從而誕生了很多邊緣學科，比如生物光子學、光醫學等。

綜上所述，可見光電子技術在現代信息產業技術中的重要地位，因此，光電子技術這門課程不僅是光學工程專業的基礎必修課程，也應該作為電子信息工程專業的專業選修課程來開設。

2 光電子技術課程教學研究

2.1 光電子技術課程的理論教學

篇2

一、光電子的產生

金屬及其化合物在光的照射下釋放出電子的現象叫光電效應現象，釋放出來的電子叫光電子。光電效應的實驗規律必須用愛因斯坦光子理論解釋。在教學中經常遇到學生提問：吸收光子的電子是金屬中的什么電子？是束縛電子還是自由電子？這個問題值得考慮。

吸收光子的電子應該是金屬中的自由電子，而非束縛電子。分析如下，如果是束縛電子，根據能量守恒定律，其光電效應方程應為：

式中W是電子越過金屬表面時克服表面勢壘所做的功，E是束縛在某殼層上的電子電離出來所需的能量。實際上，許多金屬的逸出功的值約為2.0—7.0eV，比E的值要小得多，而和W相當。例如銫的最低電離能約為3.9eV，其逸出功約為1.9eV，如用1.9—3.9eV的光子入能使銫產生光電效應，而不能使銫的束縛電子電離。很顯然逸出的光電子并非是束縛態的電子。那么電子克服表面勢壘所做的功W與逸出的功的關系怎樣？在金屬表面附近，由于垂直于表面的晶體周期性中斷，作用在表面原子內外兩側的力失去平衡，相應的電子密度分布也發生變化，通過表面原子和電子自洽相互作用，使得表面原子和電子分布趨向新的平衡，在表面區出現電偶極層，電子穿越該層區逸出表面時要克服電場力做功。此功與逸出功的值正好相當。

由上述可知，光電效應中光電子是金屬中自由電子吸收了光子的能量而產生的。當然，如果光子能量大于原子的電離能，則束縛電子也可以成為光電子。由于普通光電效應中入射光子的能量并非很高，因此不可能使束縛電子逸出。如若電子能量過高，則會發生康普頓效應而非光電效應。因為不同能區的光子與金屬發生相互作用時會產生不同的效應。當入射光子的能量較低時（hv10MeV)，光子可產生正負電子對；入射光子能量介于以上能區之間時，其能量的衰減主要取決于康普頓散射。

二、金屬的極限頻率

在光電效應實驗中，每種金屬都存在一個極限頻率，當入射光的頻率低于極限頻率時，不管入射光多強，都不會有光電子逸出；只有當入射光的頻率高于極限頻率時，金屬才會發射光電子，產生光電效應。

上述實驗現象可以用光子理論解釋。電子由金屬逸出，至少需做一定量的功W，稱為此金屬的逸出功。光照在金屬上。電子一次吸收一個光子的能量hv。如果hv

如果電子能夠將光子能量積聚起來，即電子吸收一個光子后待一段時間再吸收一個光子，或者一個電子能同時吸收兩個甚至更多個光子，則光子理論就無法解釋為什么會存在極限頻率。因為，一個光子的能量若小于逸出功，那么多個光子的能量總和可以高于逸出功，所以無論什么頻率的光都可以產生光電效應，不可能出現極限頻率。

所謂電子積聚能量，是指電子獲得一個光子后，將能量保存下來，直到再吸收一個光子。事實上，當電子吸收光子后，它的能量便高于周圍的電子和原子核而處于非熱平衡狀態。根據熱力學原理，不平衡系統會通過各種方式趨于平衡，電子便會把所得能量向四周圍粒子傳遞，實驗證明，這個傳遞時間非常短，不超過10-8秒。而在這么短的時間內電子再吸收一個光子的可能性究竟有多大呢？

一般光電效應實驗所用的光源是普通光源，普通光源其發光機制以自發輻射為主，光強較弱。我們不妨設入射光的強度為100瓦/厘米2（在普通光源中光強很高了），頻率為6.0×1014赫的光在10－8秒內流過每平方厘米的光子數為：

個/厘米2

金屬原子間距離的數量級為10－8厘米，若每個原子提供一個電子的話，每平方厘米就有1016個電子，以電子能夠吸收到一個原子大小范圍內的光子計算，則吸收到一個光子的概率是轉貼于

而在10－8秒內一個電子連續吸收兩個光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8

可見普通光源照射下的雙光子吸收概率是非常小的，以致于在實驗中無法觀察到。那么，多光子吸收是否可能發生呢？回答是肯定的，但要在強光下的光電效應中。實驗證明，當用激光作光源進行光電效應時，已經實現了雙光子、三光子吸收。多光子吸收在理論上（非線性光學）已經證明也是可以實現的。因此，對于光電效應所得的實驗規律，特別是每種金屬存在極限頻率，以及愛因斯坦光電效應方程等，都是在弱光（線性光學）范疇內適用，而對強光（非線性光學）則不適用。即適用于單光子吸收情形，不適用雙光子或多光子吸收情形。

三、 光電流與光強

在高中物理教材中介紹光電效應規律時，并未對光電流和光強這兩個概念作進一步說明。尤其是光強。實踐表明：學生能否全面正確理解光電效應規律，正確理解光電流與光強的概念是關鍵之一。

正因為如此，教學中向學生指明光電子仍是通常意義上的物體內部的電子，只是由于受光的照射而激發出來才叫光電子。把由光電子在外電場作用下產生的電流叫光電流。在光電效應實驗中，當入射光頻率大于極限頻率時，用頻率一定，強度不同的光照射，實驗得到的是光電流的最大值（飽和光電流）按正比關系隨入射光強度增大而增大。因此教材中的“光電流強度與入射光的強度成正比”，應理解為入射光頻率一定時，飽和光電流強度與入射光強度成正比。

教材中沒有給出入射光強度的定義，我們可以借鑒聲強定義，給光強下個定義。按照光子的觀點，一束光實際上是一群以光速沿著光的傳播方向運動的光子流，每個光子的能量為hv，因而光強可定義為：單位時間里垂直于光的傳播方向上的單位面積內通過該面積的光子的能量總和。由此可知，單色光的光強公式為：I=Nhv。

式中N為單位時間內通過垂直光傳播的方向上單位面積上的光子總數。據此，單色光的光強應由光的頻率和光子的發射率兩個因素共同決定的。

當光的頻率一定時，飽和光電流Im=ne（n為單位時間內從金屬中逸出的光電子數，e為電子電量）與入射光強度成正比。入射光強度越大，單位時間內到達金屬表面的光子數越多，單位時間內從金屬表面逸出的光電子數就越多。可見單位時間內從金屬逸出的光電子數與入射光強度成正比。實際上，與入射光強成正比的正是單位時間內從金屬中逸出的光電子數，而非光電流強度。

四、一個中學不宜討論的問題

在許多的資料中經常出現如下問題：用強度相同、頻率不同的光分別照射同一金屬，比較相同時間內逸出的光電子數多少。

這個問題在中學不宜比較。

前文講到，光子與電子的作用結果有多種不同情況。例如，用紫光照射某金屬可發生光電效應，如改用同強度的X射線照射，此時主要表現為康普頓效應，而光電效應幾乎可以忽略。因為X射線光子能量遠大于電子的束縛能，此時電子可視為自由電子，當光子與這種電子作用時，電子只能獲得光子部分能量，變成反沖電子，很難發生光電效應。

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一、主要內容

本章內容包括光的直線傳播、棱鏡、光的色散、光的反射、光的折射、法線、折射率、全反射、臨界角、透鏡(凸、凹)的焦點及焦距、光的干涉、光的衍射、光譜、紅外線、紫外線、X射線、y射線、電磁波譜、光電子、光子、光電效應、等基本概念，以及反射定律、折射定律、透鏡成像公式、放大率計算式，光的波粒二象性等基本規律，還有光本性學說的發展簡史。

二、基本方法

本章涉及到的方法有：運用光路作圖法理解平面鏡、凸透鏡、凹透鏡等的成像原理，并能運用作圖法解題;根據透鏡成像規律，運用邏輯推理的方法判斷物象變化情況。

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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.

關鍵詞：教研相長；方法；例子；光電子類課程

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

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）30-0172-02

0 引言

中國近代力學之父、著名的科學家錢偉長院士在談論教學與科研的關系時說：“大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育。”教學是科研的前提和基礎條件，科研是提高教育質量和層次的關鍵，二者相互支撐、相輔相成。但是，當前對于大部分高校來說，教學和科研之間存在的主要問題在于過于重視科研。本文首先簡單分析造成這種重科研、輕教學的原因，然后以淮海工學院電子工程學院的光電子類課程教學為例初步探討教研相長的具體實現途徑。相應的研究成果可以在其他工科專業教師中推廣，以幫助他們在教學方面和科研方面都取得好的效果。

1 重科研、輕教學原因分析

目前造成大部分高校重科研、輕教學的原因是多方面的，大致可以總結為以下幾點：

1.1 與大學教師所處的大環境有關

“目前社會上有很多人認為，我國高校和世界一流大學的差距主要是科研水平低、師資差。包括時下流行各種“高校排行榜”，也多以科研為主要指標”[1]，而教學的實際效果對于學校的綜合排名則無足輕重。如，時下流行的“武書連2015中國734所大學教師學術水平排行榜”[2]。那些科研搞得好、綜合排名靠前的高校，其知名度也高。在這種情況下，高校為了自身的生存與發展，學校投入大量人力、財力力爭在科研上有所突破。作為高校一分子的大學教師自然也不可能置身世外。

1.2 與我國現行的職稱評審制度有關

目前我國大學教師的職稱評審，實際上主要依據的是科研， 包括有沒有科研論文、論著，有沒有科研立項和科研成果。如評講師、副教授、教授要多少篇論文，什么級別的論文，論著要有多少字，什么級別的立項和成果等。教學在職稱評審中雖然也受重視，作了許多規定，但大都顯得籠統模糊，而且缺乏可操作性。教學水平的高低和教學效果的好壞對教師職稱的評審幾乎沒有什么影響。

1.3 與學校的實際情況有關

有一部分教師，尤其是青年教師，幾乎很少主持或參與科研工作，這在淮海工學院非常普遍。不參與科研工作則容易造成理論與實踐脫節，除了不能提高自己的科研能力，也不利于教學能力和教學效果的提高[3]。這其中部分原因是由于這些教師教學任務繁重，還有一些承擔行政工作；同時沒有良好的科研團隊，形不成一個良好的科研氛圍，而不能提供有效的科研條件讓他們從事科研工作。

上述幾種情況造成科研與教學分離，更難做到相輔相成，共同進步。作為一名普通的高校教師，自然無法去改變整個社會的大環境，也無法撼動現有的職稱評審制度，但從大學教師的自身職責來看，我們不僅需要承擔教書育人的工作，還需要承擔一定的科研任務。同時做好科研與教學是每一位高校教師的職責所在。因此教學和科研孰重孰輕，如何處理好教學工作和科研工作的關系以及如何把自己的科研和教學很好地結合，對于教師自身非常重要。

2 教研相長途徑初步探索

本節從普通高校教師角度出發，探索如何處理好教學與科研之間的關系，如何把科學研究應用到教學實踐，以做到教研相長。下面分別從專業建設、人才培養及教師的教學和科研能力提高三個方面，以淮海工學院電子工程學院光電子類課程教學為例探討教學相長的方法和途徑。

2.1 專業建設方面

目前淮海工學院電子工程學院的電子科學與技術、測控技術與儀器等專業僅有7年的歷史，雖已初具規模，但課程體系與專業建設仍需進一步完善和優化。以光波為信息載體的檢測、控制技術、儀器系統、精密測試等內容是電子科學與技術、儀器科學與技術學科中的重要內容。

根據相關專業領域教師的科研基礎，本課題組首先對電子工程學院的光電子類課程（光電子技術基礎、光電傳感與檢測技術、光纖通信技術等）實施了教改研究，包括課程體系與教學大綱完善，加深了理論與實踐的結合，即將教師的科研新成果融入理論和實驗教學，并利用教師科研條件進行直觀教學，這樣既培養了學生動手能力，也促進了學生對理論知識學習的興趣。

如，電子工程學院建有自適應光學實驗室，是相關任課教師的科研平臺。自適應光學技術是一門可以讓光波適應外界變化而被能動控制的技術，也可以理解為光學中的自動化技術，集科學性和工程性為一體。相關專業學生已經學習過自動控制原理，對常規的液位、流量等過程控制非常熟悉，但對“光波”這樣一個看得見摸不著的物理現象該如何完成控制呢？學生們非常好奇。通過分批次帶領相關專業學生親自動手完成光電成像校正實驗，學生既加深了對光信號傳輸、光電信息轉換及光電檢測等方面知識的理解，又鞏固和拓展了以前學習的自動控制相關理論知識的應用，學習到了教材中沒有學到的內容，進一步擴大了學生的知識面，學生反饋非常好。

對于一些不具備實驗條件的重點實驗內容，由于實驗條件比較苛刻，部分光電現象在實際實驗中不明顯，難以觀察；另外也因為實驗儀器有限，學生無法通過實驗觀察到所有的實驗現象。針對這種現狀，利用了科研過程中獲得的數值仿真能力，幫助學生實現虛擬實驗。

2.2 人才培養方面

通過科研與教學的有機結合，提高高等學校的教學質量，從而培養出新形勢下的“綜合型、應用型”人才。注重因材施教，將學有所長的學生引入到教師的科研項目中。通過教學改革，重點突出相關專業中的光電檢測方法、光電系統研制與工程應用的能力培養，強調學生實踐動手能力與創新意識的培養，使之成為應用型和創新型高級人才。在這個過程當中，學生除了實踐書本知識外，還能在科研小組中學會分工及團隊協作，為將來攻讀研究生或進入相關企業累積經驗。

本課題組已承擔和參與國家及省市級科研項目多項，通過光電檢測和光電子技術課程的學習，已有相關專業的多名學生主動要求參與到教師的科研項目中來。喜歡編程的學生讓他們完成實驗平臺的軟件建設，喜歡擺弄光電子器件的學生讓他們完成硬件平臺的搭建，愛動腦筋的學生讓他們直接參與到教師科研課題的實驗，和相關教師一起分析實驗中出現的問題并解決它們。通過相關科研項目的訓練，將科研滲透到教學內容中，培養了學生的創新能力、創新精神以及科研素養。

在2013-2015期間，多名相關專業學生有了參與教師科研項目的經歷之后，積極申報各級創新項目。目前，已有多個光電子之創新項目獲得校內立項。同時，淮海工學院電子工程學院已有多名畢業生進入光電專業研究生階段的學習，如太原理工大學物電學院、中國科學院光電技術研究所等，開始了他們人生新的篇章。

2.3 提升教師教學與科研能力方面

教師一方面通過專業知識學習、關注本領域最新研究成果來提高自身業務能力，又通過教學工作，學習最新研究成果并有意識地積累未知問題、認真思考教學過程中學生所提出的疑問，進一步激發科研熱情，并幫助了科研選題。

教學內容的主體是“基本理論、基本知識、基本技能”，但是，課堂教學除了圍繞基本理論和概念進行外，還要注重科研成果和科技最新發展動態的滲透。讓學生了解學科前沿的概況及其發展動態，開闊視野，啟迪思維，進一步拓寬學生的知識面。并且使學生能夠認識到，基礎知識不僅僅是概念理論和公式，更是實際應用中的產品和解決實踐問題的手段，以此提高學生的學習興趣，同時使學生更容易接受抽象的理論知識。

如，教師分別在每學期開始和結束時舉辦了激光和光電子領域的最新研究成果或相關專題講座，既提升了自身的業務能力，又達到了教書育人的效果。開學初的專題講座有助于引領學生對光電子技術領域的興趣，講座的內容從圍繞人們把光波作為一種載波進行信息傳遞開始一直到現階段的激光通信、激光武器等。講座結束，學生對光電子技術充滿了好奇，這為學生學好光電子課程打下了良好的基礎。學期結束時專門對學生比較感興趣的以及近期比較熱門的激光3D打印技術從原理到應用及未來發展趨勢進行了一次專題講座，擴大了學生的視野。

又如，基于光電子類課程涵蓋知識面廣、理論與應用相結合的特點，針對一些典型知識點，為加深學生理解，設置專題討論課，鼓勵學生課前主動查找相關文獻，讓學生事先做好研討準備，寫好研討提綱。在課堂上進行交流、討論，培養學生的表達能力、思維能力、分析能力，讓學生充分發表不同意見。學期過程中，這樣的專題討論課進行了2次，學生提出的問題給了相關教師的科研很大的啟發。

專題講座和討論形式的授課方式深受學生歡迎，教學效果好，學生評教均在90分以上，學生深受其益。課題組教師通過上述教學活動充分認識到要通過高水平科學研究苦練真功夫，又要通過鉆研教學規律來加強組織教學的能力，從而真正做到科學研究和教學育人互相促進。

3 結束語

“教研相長”雖是一個老話題，但目前社會大環境中面臨的“重研輕教”現象使得我們有必要對這個老話題展開新的研究。如何加強教學與科研的聯系、在科學研究中如何開展教學活動以使得科研成果能夠支持教學改革、并使得教學與科研互相促進是每一個高校教師的職責。本文以淮海工學院電子工程學院光電子類課程教改為例，分別從專業課程建設、人才培養、教學和科研能力提升等方面初步探討了實現教研相長的一般化途徑。改革的結果表明以上為今后存在這方面困惑的青年教師提供有價值的參考。

參考文獻：

[1]張志峰，楊婷.“重研輕教”不可取（關注“朱淼華現象”）[N].人民日報，2005-11-28（11）.

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劉文清雖年過花甲，但眼睛仍清澈如洗。在他的領導下，中科院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安徽光機所）立意高遠，自行研制出諸多的系列環境光學監測設備，滿足我國環境保護的戰略需求，“炮筒”長程差分吸收光譜儀就是其中之一。

發展我國獨立自主的環境光學監測裝備，劉文清的目光遠大而且犀利。

滿足于向上交差的工作我不做

當年，時任中科院院長的路甬祥到安徽光機所考察，他在臨別之際關切地問劉文清回國之后的感受，劉文清回答：“近幾年，我們開展知識創新工程，搭建了很好的科研平臺，我在國外已學到一些東西，是該回來報效祖國了。”

1978年，劉文清從中國科學技術大學物理系畢業，分配到合肥西郊董鋪島上的中科院安徽光機所，島上的生活枯寂、單調，這恰恰給他提供了潛心科研和學習的寧靜環境。

愛喝咖啡的劉文清說：“搞科研和喝咖啡有點類似，總是先苦后甜，適合于坐科研冷板凳的人。”

劉文清需要“咖啡伴侶”。他將激光應用小組和目標光學小組合并，沙里淘金，“淘”出近十位優秀科技人員。環境光學監測涉及多個交叉學科，劉建國等幾位同事都成為他很好的合作伙伴。

1999年，劉文清領導的環境光學監測研究室得到20萬元啟動經費，研制二氧化硫的空氣監測儀。他說：“只滿足于向上交差的工作我不做，走形式向國家打報告要錢的工作我也不做，科研項目必須面向國家戰略需求，要做就得在高起點上做好。”

2000年5月，“環境污染高靈敏光譜在線監測技術研究”等一批瞄準國家需求的項目啟動，劉文清帶領團隊不但完成了這個項目，而且做得很漂亮。

劉文清最滿意的事情，是向納稅人交出圓滿答卷。現在每當他坐在電視機屏幕前，看到全國各大城市的環境空氣質量預報，用的都是他們提供技術的產品，就別有一番愉悅在心頭。

環境光學對軍民都十分有用

1998年，中科院和國家環保總局的領導商談提出，中科院可在環境光學研究方面提供科技支撐。

劉文清等曾先后邀請王大珩等多位院士來研究所，指導開展環境光學的科研布局及建設。2000年4月，由兩院院士組成的“先進環保技術領域專題組”，向國家提供了一份《先進環保技術咨詢報告》，肯定了他們開發的多種環境監測技術，建議把“DOAS空氣質量自動監測系統”“紫外差分煙道在線監測系統”“機動車尾氣遙測系統”等列為國家重點發展項目。

劉文清帶著他的同事，成功研制出城市監測環境大氣污染的儀器，由國家環保總局推廣生產，其產品價格低于國外進口產品的50%。美國一家公司看好中國市場，意欲前來推銷同類產品，當他們被告知中國已有了“劉氏”產品后，感到意外的同時更帶有敬佩：“這是從哪兒半途突然殺出的‘野馬’？”

國家高分重大科技專項GF-5環境衛星，劉文清是三個有效載荷的總設計師，他還主持并出色完成了國家“863”計劃相關項目以及中科院自主創新等一批科研任務。作為主帥扛起大旗，他更注重在帶領科研隊伍中把握好戰略方向。

任安徽光機所所長多年，劉文清深知帶團隊的重要性，每年面試研究生總說：“讓新導師先挑學生吧，‘團長挑完師長挑’。”

年輕導師被劉文清這番話所感動，在科研歷練中也都已成長起來。

企業最好買只雞回去就能下蛋

劉文清早年當過五年鉗工，懂得什么是企業，什么是商品，他說：“企業最好買只雞回去就能下蛋，不能把那些不成熟的科技成果賣給他們，我們要積極尋找成果轉化的途徑。”

安徽光機所與銅陵三佳電子集團等合作，劉文清以技術入股，占股權的12%，三方共同成立了注冊資金為3600萬元的銅陵藍盾光電子有限公司，承擔起科技項目的產業化運作，如今藍盾光電子公司已成為環境光學先進技術帶動企業發展的典范。

由安徽光機所提供技術，成功研制的空氣質量自動監測子站，早年首先在廣西桂林、北海的空氣質量自動監測站運行，并通過中國環境監測總站的驗收。

劉文清說道：“我們更多是考慮國家層面的利益，牢牢抓住基礎性的創新源頭，這是科研發展的根本所在；下游和后續的產業化工作，要積極配合藍盾光電子公司這樣的企業。企業科研立項時就先期介入，產品下線或者調試，我們也會去現場解決疑難問題。”

國家環保部門決策，把空氣質量自動監測子站部署到全國2000個城市，劉文清帶領安徽光機所審時度勢，積極進行策應，使得研制的監測設備在全國遍地開花，目前已在20多個省市安裝700余套，參與國家空氣質量日報與預報工作。

目前，由劉文清領銜，開展汽車尾氣道邊快速監測系統研究，監測設備已在30多個城市應用200多套。除美國，只有我國擁有該監測技術。

舍不得孩子就套不住狼

劉文清領導的團隊，爭取國家“863”資源環境領域重大課題和國家自然科學基金等國家任務，研發的“城市空氣質量自動監測系統關鍵技術及集成設備研制”“基于激光技術的大氣污染光學監測技術及產業化”等，不僅獲得42項發明專利授權，還形成系列環境監測儀器設備并實現了產業化，系統集成了大氣污染立體監測技術并進行應用示范，開拓了我國環境光學監測技術新領域。

劉文清有一句口頭禪是“舍不得孩子就套不住狼”。他還說：“要做成一件人們往往認為做不成的難事，就得有前瞻性的眼光，舍得進行必要的投資。”

早年劉文清剛參加工作，夏日董鋪島蚊蠅滋生，他買了一雙長靴套住腿躲在蚊帳里學英語，幾冊《新概念》書本背得滾瓜爛熟，而他的腳丫也快被捂爛了。“磚頭”錄音機可分期付款購置，他每月的工資是50多元，若逐月從工資里扣10元，要三年才能還清，但他還是咬緊牙買了下來，用它每天練口語。

“不是我要刻意追趕‘新潮’，而是科研手段必須跟上。”回憶當年懸梁刺股的日子，劉文清說，“現在我們的科研布局，也必須‘舍得孩子’才能套住‘狼’。”

正是得益于劉文清的戰略眼光，捕捉2007年“好運北京”、2008年北京奧運、2010年上海世博、2012年廣州亞運等重大活動的難逢機遇，安徽光機所不負眾望，得以大顯身手。

依托安徽光機所的“國家環境保護環境光學監測技術重點實驗室”，經過4年的組建，在2011年通過環保部組織的驗收。

雖然研究成果“空氣質量和污染源環境光學監測技術系統與應用”“大氣環境綜合立體監測技術研發、系統應用及設備產業化”和“大氣細顆粒物在線監測關鍵技術及產業化”，已分別榮獲2007年、2011年和2015年國家科技進步獎二等獎，為改變我國長期以來環境自動在線監測設備依賴國外的局面起到了帶動作用，但劉文清帶領的團隊絲毫沒有松懈斗志。

篇6

英文名稱：Photographic Science and Photochemistry

主管單位：中國科學院

主辦單位：中國科學院理化技術研究所;中國感光學會

出版周期：雙月刊

出版地址：北京市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1674-0475

國內刊號：11-5604/O6

郵發代號：2-383

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1983

期刊收錄：

CA 化學文摘(美)(2009)

Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)

中國科學引文數據庫(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)

期刊榮譽：

中科雙百期刊

聯系方式

期刊簡介

《影像科學與光化學》是由中國科學院理化技術研究所與中國感光學會聯合主辦的學報．讀者對象是科研部門和生產單位的科學工作者和工程技術人員以及大專院校有關專業的教師和學生。本刊為雙月刊，向國內外公開發行．學報現已被國外，如：《Chemical Abstracts》（CA，核心期刊）、《劍橋科學文摘》（CSA）、Scopus數據庫（Elsevier）、《Imaging Abstracts》（IA）、俄羅斯《文摘雜志》（AJ）等，以及國內各主要檢索機構和數據庫收錄，是中國科技核心期刊，被列入《中文核心期刊要目總覽》化學類核心期刊，中華人民共和國新聞出版署頒評的“雙百期刊”。

篇7

【關鍵詞】光學；光學教育；光學現狀；光學發展

1.前言

隨著科技的發展，光學技術也在不斷進步，新的光學分支不斷涌現，光學知識不斷擴展，必然對光學教學產生沖擊，而為了適應光學技術的發展，光學教學必須要教學內容不斷更新、知識面要不斷擴展等特點。為我國培養出具有創新思維和創新能力的科技人才。

2.我國光學教育的發展歷程

2.1 萌芽時期

2.1.1 從上一輩直接傳承到下一輩

當時的人們把有關光學方面的知識、技巧和工藝應用在了謀生和生活上，他們沒有真正意義上的老師，都是從上一代怎樣制造與光學有關的器具。這僅僅是為了生活，然而卻在潛意識下產生了“光學”的應用和教學的過程。

2.1.2 從研讀古書到寫書撰寫

從西周開始，就出現了大量有關于光學知識的書籍。在這個時代，人們把自己對于光學知識的理解編撰成書，供后人學習和研究。當時的人們已經開始觀察與光有關的現象，并記錄下來；還有些手工業者也把自己的光學工藝制造技術記錄成冊。而后人將這些知識和工藝方法進行進一步的擴充和傳承。

2.2 形成和發展時期

這段時期是由明末開始到1937年。在這段時期里，中國的光學發展開始經歷一個形成和發展的過程。也就是這一時期光學教育真正開始進入課堂。由于傳教士來到中國傳教，把西方的光學知識傳入到中國，也就是這時，開始進入光學教育的形成時期。

2.3 戰爭維持時期

戰爭的出現不僅沒把光學教育停滯，反而在西北地區有所發展。

2.4 空前繁榮時期

進入21世紀，科技的進步，對于光學的發展是迅猛的，達到了以前沒有達到的高度。

3.光學教學的現狀

3.1 光學教育中出現的問題

3.1.1 光學教學內容的更新跟不上光學應用的步伐

光學的應用領域在不斷的擴大，不再僅僅局限于視光學和精密測量于加工領域，而是發展的越來越深入，與我國的工農業、科學技術以及人類的生活的領域都密切相關。然而先進的光學教育內容更新卻跟不上光學應用的步伐。部分學校的教學內容還與幾十年前的內容一樣，整個教學內容體系完全落后于實際科學技術的發展。學生無法從課本學到與生活、生產緊密相連的光學技術。

3.1.2 專業需求導致光學教學內容被局限

目前，很多高校的非物理專業的大學物理光學教學越來越偏中于與自己專業相關的光學領域的知識，而對于與本專業無關的光學內容則進行了刪減。有的光學內容過偏或者過簡都會導致學生對光學知識只有一個片面的了解，使他們學不到真正的光學知識并失去興趣。

3.1.3 光學目標的歧義化

課堂教學是光學教學的主要形式。而由于目前大學的教育模式和考核制度，使得學生把更多的注意力集中在與結課有關的光學內容和試題，而不是由興趣出發而主動的去了解和學習。

3.1.4 現代光學內容設計過少甚至被忽略

雖然當今的光學技術發展迅猛，光學的應用領域在不斷擴展，但是部分高校對于現代光學知識的內容知識淺嘗輒止或者不涉及，缺乏時代信息，與現代光學內容幾乎沒有關系。

3.1.5 光學實驗教學存在問題

在實驗課時，學生知識根據課本的知識來完成實驗，并不會去了解實驗的設計思想。由于理論與實驗的不同步，使得學生在實驗室對實驗的步驟不明，不了解實驗數據的物理意義。

3.2 光學教學中出現的困難

3.2.1 光學教學面臨著學生規模的不斷擴充，而高校的教學資源很難達到要求的困難。

由于光學專業的學生的隊伍每年都在擴大，使得部分高校的教學資源的升級很難與學生規模擴大的步伐同步，這就使得很難做到每個學生都充分了解光學內涵。

3.2.2 在光學教學中，很難更正學生之前對光學概念或現象的認識錯誤，這也給光學教育帶來了難度。

學生從出生大長大通過自己的眼睛觀察這個世界，并形成了自己的世界觀，但往往他們所認識的都是表像，但是這種已經形成的觀點一旦形成就很難更正。在課堂上老師講解完知識后，由于學生眾多，很難對每個學生是否正確掌握光學知識做一一了解的并更正，而錯誤的理解會導致對某個光學體系的錯誤認識，影響學習光學。

3.2.3 光學課堂上，教師與學生之間缺乏交流。

由于光學的內容偏向于物理，比較枯燥和抽象，而教師在教學的過程中，很難引起學生的共鳴，使老師不能及時里了解學生的理解狀態，只能在課后通過考試時才能得到部分反饋的信息。

3.2.4 部分高校對光學的教學仍以傳統教學為主。

在部分高校光學課堂上應用的現代化的教學手段，但教學的內容比較局限，不新穎，而且都是通過PPT呈現在學生面前，運用模型的時候很少，使學生不能直觀的感受到光學內容，而只能在腦海中想象。

4.光學教育的發展對策

4.1 光學課程的改革

光學課程是學生學習現代化科學技術的基本課程。在光學教育改革中，應該把學習知識的教育內容轉變為以科學素質教育為主的課堂教育內容，著重培養學生的創造能力和自主學習能力。在課程上利用近幾年的教學研究成果，是課堂知識和現代的光學技術發展掛鉤，使知識不陳舊，能引起學生的興趣，主動去了解并去學習有關光學的知識，為學生的知識、能力、素質的發展提供條件。

4.2 加強相關專業的配合

學生學習光學知識，不應局限于僅僅學習光學知識，應跟上時代科技的發展，學習光學技術發展中產生的新分支和與其他專業的相關性，擴充自己的知識面，為我國的科技發展做貢獻。

4.3 光學問題向導式學習

4.3.1 問題向導式教學的概念和模式

4.3.1.1 問題向導式教學的概念

問題向導式教學是指在課堂教學時，教師根據所要講述的教材內容，引出相關內容和概念時，向學生進行提問，引發學生的思考與理解。

4.3.1.2 問題向導教學的模式

①一問一答模式。一問一答模式可以是教師提問，引導學生思考而回答問題；也可以是學生提問，老師回答問題來解決學生在學習光學是的疑問；還可以是學生通過計算機作為中介向老師提問或回答問題。

②集體辯論模式。它是指在課堂上后者課后，教師組織學生進行學生與學生之間的相互問答模式。通過這種模式，可以讓學生進行交流并把自己所理解的光學知識滲透該對方，提高學生對光學知識的理解，并在這一過程中提升學習的興趣。同時加強學生之間的交流，增強集體感。

4.3.2 問題向導式教學的作用

①提高師生間互動的頻率。由于光學知識是枯燥乏味的，而課堂上的沉寂使師生之間缺乏交流。而通過這種模式，可以增加師生間的交流。在交流的過程中，師生間相互了解、互相認可，不但提高了教學質量，增進了師生間的友誼還達到了良好的教學效果。

②培養學生的思辨能力。學生在參加辯論時，通過提問和回答問題，把自己的思想觀點說出來并進行探討，也對別人的問題進行探討，是其不再拘泥與過去的思考模式。

參考文獻

[1]明海，陳博，章江英.大力加強光學專業學生的素質教育和創新能力的培養――促進光學、電學類高等人才的培養[J].光電子技術與信息，2010，17（4）：15-18.

[2]蔡履中.光學[M].北京：科學出版社，2011.

[3]吳壽煌，吳大煒.試論21世紀物理專業《光學》之教學改革[J].黑龍江高教研究，2011（6）：101-103.

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關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC’s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm,0．13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑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開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4,6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。(2)．提高材料的電學和光學微區均勻性。（3）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。（4）．GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

(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基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管(HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW,功率增益6.4db;雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz,HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1．5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄(～0．01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9．1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW。量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

(2)硅基應變異質結構材料。硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0．9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3．6～4W。特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED)和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0．5W。在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題,如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可見光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1．5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計算的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料

硅材料作為微電子技術的主導地位至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶

材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體

微結構材料的建議

(1)超晶格、量子阱材料

從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

(2)一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

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這是一套完整的基于硅實現了光信息發射、傳輸與放大接收的裝置,它將使得電腦設備之間通過光互連實現高速傳輸真正成為可能,昂貴的光通信行業也終于在經歷了千難萬險之后,與英特爾的老本行――硅制造成功“嫁接”。

創新模塊完成“總裝”

英特爾視硅光電為戰略性研究,并投入已久。其立足點就在于舍棄成本高昂的稀有材料,以價格便宜的硅為基礎開發光子器件,并與英特爾的制造工藝相結合,在現有的晶圓廠中,采用標準工藝進行批量生產制造。目前,英特爾研究院擁有一支一流的硅光電研究團隊,連續數年都取得了階段性創新成果,刷新了當時的技術記錄。《中國計算機報》曾發表文章《光腦漸近》對英特爾的突破性研究成果進行過報道,因為硅光子器件將是繼集成電路之后最有應用前景的實用元器件。

與此次公布的最新成果不同的是,英特爾之前的研究成果大多是一些創新模塊,聚焦在光源、傳輸、控制、檢測等多個重要環節,分別克服不同環節的技術障礙。這一次則不同,據英特爾研究院副總裁、電路與系統研究院總監王文漢介紹,這次的成果是第一個具備集成激光器的硅基光電的數據聯結系統,它把過去的構建模塊全部集成在一起。“我們能有今天的成果,并不是一步登天的,而是基于過去十多年來不斷積累的研究成果。” 王文漢說。

這個過程就好比神舟飛船,是一個浩大的系統工程,單有飛行器還不夠,運載、控制、通信等所有環節都要跟上,直到總裝調試完畢,才能發射向太空。英特爾在硅光電領域解決了光源、傳輸路徑(光波導)、光調制、光探測等一系列關鍵問題之后,具備了完整的終端到終端光信號收發的能力。現在的研究就處于 “總裝”階段,距離產業化僅一步之遙。

王文漢認為,通過這項技術,英特爾將把光通信引入到所有計算平臺。大趨勢表明,在未來的電腦中,光束完全可以代替電子來傳輸數據。使用超細超輕的光纖替代銅線,讓計算機在更長的距離傳輸更多的數據,將從根本上改變未來電腦的設計模式,以及未來數據中心的構建方式,引發應用和架構的雙重革命

短距離光傳輸大勢所趨

光傳輸不是新鮮名詞,它最早被應用在橫跨世界各大洋的光纖電纜上,而后被用于全國性的、本地的超高速數據網絡。英特爾大力研究大批量、低成本的硅光器件,就可以實現把光傳輸引入更短距離,比如設備間、設備內,甚至芯片級。

據英特爾研究院光電子技術實驗室首席工程師劉安勝介紹,這套硅基光電數據聯結系統的傳輸速度已經達到50Gbps。這個速度是什么概念呢?打個比方,以這樣的傳輸速度,一秒鐘時間你可以從iTunes下載一部高清電影、100小時數字音樂或1000張高清照片。劉安勝告訴記者,僅僅通過擴展的方式,速度達到50Gbps的概念設備的速度就能被提升到100Gbps、400Gbps甚至1TB以上。按照這個傳輸速度,可以在一分半鐘內把美國國會圖書館全部印刷品下載完畢。

而相比之下,銅纜在10Gbps的傳輸速度上已經遇到了挑戰,折中考慮距離與速度的,也將耗費更多能量。而銅線的最大長度其實也限制了計算機形態的創新性設計。“光纜傳輸數據在任何速度下都可以傳輸更遠,多種信令可以在一根纜線上傳輸,并且又薄又輕還節能。” 劉安勝表示,在克服了成本和技術難題之后,光傳輸已經相比銅纜有越來越多的優越性。“以后電視的高清顯示度可能會達到現在的4倍,那時速度傳輸必須達到近60Gbps,這樣的速度唯有用光才可以實現。”劉安勝堅信這項技術將成為明日的主流技術,“龐大的數據流動無處不在,光傳輸也會引發未來互聯網的新革命。”

設備間光互連輕松實現

據劉安勝介紹,這套系統主要由發射器、接收器及傳輸光纖組成,單向傳輸,發射器與接收器芯片都已經集成在了線路板上,芯片本身的制造成本很低。每塊芯片上都整合了英特爾的重大技術突破結晶,包括全球首款混合硅晶激光器以及2007年推出的高速光學調制器和光電探測器。

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【關鍵詞】光纖通信；智能電網；應用

1.光纖通信技術的現狀

光纖通信技術，其促進了我省電力系統通信的發展，當前，光纖通信技術的種類大致可以分為以下幾種：

1.1波分復用技術

波分復用技術是指將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸，在接收端將各個不同波長的光信號分開的通信技術。波分復用技術應用特點具體可以歸結為以下幾點：首先，其充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數倍。目前我們只是利用了光纖低損耗譜（1310nm-1550nm）極少一部分，波分復用技術可以充分利用單模光纖的巨大帶寬約25THz，傳輸帶寬充足。其次，傳送信號的能力大；它具有在同一根光纖中，可以傳送2個或數個非同步信號的強大能力，從而有利于數字信號和模擬信號的兼容。第三，具有較強的靈活性；它可以對已建光纖系統，尤其早期鋪設的芯數不多的光纜，只要原系統有功率余量，就可以進一步增容，進而實現多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統作很大的改動。第四，當出現故障時，恢復的速度快；由于光纖數量少，一方面大大降低了建設成本，與此同時，當出現故障時，恢復起來也迅速方便。第五，由于有源光設備的共享性，對多個信號的傳送或新業務的增加降低了成本。第六，系統的可靠性提高；系統中有源設備得到大幅減少，這樣在一定程度上就大大提高了系統的可靠性。

1.2光纖接入技術

光纖接入技術是指以光纖作為傳輸介質，采用激光傳輸技術的接入網，泛指本地交換機或者遠端設備與用戶之間采用光纖通信或者部分采用光纖通信的系統。根據接入網室外傳輸設施中是否包含有源設備，其可以分為：無源光網絡（PON）有源光網絡（AON）。這種光纖所具有的優勢：首先，其具有帶寬優勢，與雙絞線和同軸纜相比，光纖的理論帶寬幾乎是無限的，并且單個波長可以傳輸10Gb/s，采用波分復用可以傳輸更高的速率。其次，長距離傳輸優勢；衰減很小，增加光放器傳輸距離可達數百公里。第三，抗惡劣環境優勢，其抗腐蝕能力強，而且不受電磁波等因素的干擾。第四，安全性優勢，其盜接線頭困難，不易盜聽。

2.光纖通信技術在智能電網中的應用分析

智能電網的發展已經日益成為當今國際的共識，中國的智能電網建設為順應這一國際形勢，也在如火如荼的緊張進行著。目前，電力系統已經成功建成了先進的電力專用光纖通信網絡，同時傳感器的網絡發展也勢不可擋，兩者必將會進一步促進青海省電力系統智能電網的快速發展。

2.1光纖通信技術已經成為智能電網通信網絡建設的首選

隨著光纖復合電壓電纜的成功研制，在智能電網全面建設中，電力光纖到戶已經成為當今勢不可擋的一種發展趨勢。

我們都知道智能電網需要一個高可靠、高帶寬的通信網來推動電網的建設和發展。例如：某省某縣地區4座供電營業所均已實現光纖覆蓋，通信采用2M電路方式；但光纖未覆蓋變臺、用戶表，通信方式主要還以公網GPRS無線通信為主，給日常運維帶來極大不便。而我省貴德縣主光纖線路已建設完成正好具有帶寬高、抗干擾能力強、性價比優等特點，其它通信技術無法比擬的優勢，因此，建設智能電網通信網絡是最佳選擇。

2.2光通信和無線通信的融合是未來的發展趨勢

眾所周知，光纖通信技術最大的特點就是高速、穩定以及傳輸距離遠且抗干擾能力強等眾多優勢，而無線最大的特點就是方便靈活，如何將兩者的優勢充分結合起來一直是技術人員研究的重點。這種需求隨著視頻通話、多媒體無線接入、P2P文件傳送等大容量需求上升而使其變得更加的緊迫，因此，這就在一定程度上使人們意識到光纖和無線的結合必將成為未來的發展趨勢。

2.3 更好的實現了電力光纖到戶，解決了廣大群眾上網難的問題

電力光纖到戶是一個非常好的概念和架構，它的目的是在接電的同時，把光纖直接入戶，這在一定程度上將極大地改善了廣大農村地區上網難的問題，我們可以在鋪設電力線路的同時，最大可能地實現光纖的接入，為以后的上網需求提供更為便利的條件，同時我們也要充分發揮光纖到戶的技術優點和政策優勢，尤其是在邊遠地區，大力推廣電力光纖到戶，一次性地完成成本投入，爭取為以后智能電網在農村全面鋪開奠定良好的基礎。

2.4功能完備的傳感器網絡對電網智能化的重要意義

光纖傳感器網絡是通過傳感器來收集信息并借由光纖把相關數據傳輸到數據中心，然后依托數據中心的數據處理系統對前端傳感器采集的數據進行離線或實時處理，并依此執行后續工作，如監測或監控，如果傳感器布置在輸電線路上，則可以對輸電線路的狀態進行檢測。傳感器網絡涉功能涉及的方面較多，可能既涉及到光纖傳感器網絡，也涉及到無線傳感器網絡，甚至是二者的融合網絡，如果這個網絡較為完備，那將極大地推進智能電網的發展。例如，分布式光纖溫度傳感技術的引用。如果在部分地區發生雪災時，我們引用這種先進的光纖溫度傳感技術，就能夠做到對電力系統電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力進行實時監測，從而做到及時的排險，減少國家經濟損失。

3.總結

綜上所述，我們可以得知，光纖技術作為電力系統中信息傳輸的重要組成部分，為電力系統提供了容量大、快捷方便以及距離遠這種安全可靠的信息傳輸方式，對我省電力系統的安全穩定的運行起到的重要的作用。因此，我們應該進一步加強光纖通信技術在智能電網中的應用研究，確保光纖通信技術在信息時代所占據重要的戰略地位。

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