天津光电子技术及产业区域发展设想Word格式文档下载.docx
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1231(2004)03-0001—05
SuggestionofRegionalDevelopmentofOptoelectronicTechnologyandIndustry
LIUTie-gen,ZHANGFan,ZHAYing(The
KeyLaboratoryofOptoelectronicsInformationOptoelectronics
Science&Technology,EMC,SchoolofPrecisionInstrumentsand
Engineering,TianjinUniv,Tianjin300072,China)
were
Abstract:
Thecontentsstate
and
classificationofoptoelectronicindustry
brieflyintroduced.Thecurrent
andkeyareasofoptoelectronictechnologyandindustry,bothdomestically
andoverseas,wereanalyzed.
on
Specifically,severalachievementsof
statusof
Tianjin’S
optoelectronic
technology
werein
presented.Based
thecurrent
Tianjin,wemakesomesuggest{onsofherfuturedevelopment
optoelectronicindustry
catch
a
glimpseofseveralmost
Key
important
parts
ofherR&Dscheduleofoptoelectronictechnology.
words:
technology;
optoelectronicindustry;
regionaldevelopment
1
引
言
光电子学是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学,主要研究光子的产生、运动及其转化的规律.光电子技术是光学技术和电子学技术的融合,靠光子和电子的共同行为来执行其功能,它主要研究光的产生、传输、控制和探测,可以粗略地分为信息光电子(如光纤通信)、能量光电子(如激光)、娱乐光电子(如VCD)等部分,分别应用在光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗、军事武器装备、日常消费品制造等方面.光电子技术的快速发展及向其他科技领域的渗透,形成了市场可观、发展潜力巨大的光电子产业.鉴于光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着的巨大作用,国际上一些发达工业国家对光子学的发展给予充分的重视,纷纷将其列入国家科学技术发展规划并投入巨大财力.目前世界上已
收稿日期:
2003—10—16修改日期z
2004—02—25
形成以美国、欧洲、日本为中心的光电子产业发展格局,世界光电子产业总产值已经超过1700亿美元,据美国光电子产业发展协会(OIDA)预测,光电子产业产值2003年将达到2000亿美元,到2010年将超过4500亿美元f31.美国商务部曾指出“谁在光电子产业取得主动权,谁就在21世纪尖端科技较量中夺魁”【1I,光电子产业是本世纪最具魅力的朝阳产业已是不争的事实,其在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和巨大的潜力.我国在光电子技术方面几乎与世界同时起步,1987年科技部把信息光电子列入“863”计划后,光电子产业得到了快速发展.目前,我国已基本掌握了信息光电子领域中关键技术的主要部分,在光电子技术及产品应用方面,已具备较好基础,国产的通信传输、交换、路由等系统设备也进入世界先进行列.但就整体而言,我国光电子技术水平和产业化程度
万 方数据
2
与国际先进水平相差较大,创新和拥有自主知识产权的先进技术不多;
研发仍处于跟踪科研和小批量生产阶段;
资金不足和人才匮乏仍困扰着我国光电子产业的发展.
国内外光电子技术产业发展状况
2.1光电子产业组成按照美国光电子工业发展协会(OIDA)的定
义,考虑到产品用途,光电子产业可分为信息、消费、军用等六大项,详见表1.当考虑到光电子产业的产业层次及产品产值时,又有如表2的分法。
2.2国内外光电子技术发展状况在光电子技术研发和产业上,美国、日本和德国走在了世界前列.其中,在光电子技术方面,日本占首位,美国其次;
在激光医疗及激光检测方面则美
表1光电子组成分类表
Table1Thecontentsand
classificationofoptoelectronictechnology
(1)光源;
光通信设备
(2)光放大器;
(3)光调制器;
(4)转换开关;
(9)SDH光纤通信系统;
(3)条码机;
(8)显示器等(12)光交换系统;
(7)传真;
(5)光纤;
(6)波分复用器;
(7)连接器;
(8)发送和接收模块;
(10)DWDM光纤通信系统;
(11)有线电视光分配网;
信息光学设备
(13)全光通信网络系统(4)打印机;
(1)光学处理装置;
(5)图像处理;
(2)记忆存储器件;
(6)互联网;
非军用交通设备
(1)自动显示内部文件;
(4)驾驶舱显示系统;
(1)机器人视觉;
(2)交通控制系统;
(3)光导航设备;
(6)光学陀螺仪等
(5)激光雷达测干扰系统;
(5)激光器等
工业/医疗设备
(2)光学检测和测量;
(3)激光加工;
(3)激光雷达系统;
(8)激光武器等
(4)非激光医疗设备;
军用设备
(1)光纤地面和卫星通信系统;
(4)光学陀螺仪;
(1)电视;
(2)视频摄像机;
(6)可视电话;
(2)航空/航天侦察系统;
(6)夜视仪;
(3)数码相机;
(7)显示屏;
(5)前视红外元件;
(7)军用导航系统;
家用设备
(4)cD/VcD/DVD机;
(8)报警系统等
(5)家用传真;
表2光电子产业分类表
Table2光电子材料与元件产业
The
(1)平面显示元件(2)光电元件(3)光电材料
1)液晶显示元件;
1)发光二极管:
4)特种光学材料;
2)发光二极管显示元件;
3)荧光屏‘4)电致发光显示元件2)光探测元件;
3)太阳电池5)半导体光电子材料、外延用源材料2)表格阅读机;
3)文字识别机;
1)特种光学玻璃;
2)特种光塑料;
3)特种光学晶体;
1)图像扫描仪;
光信息
(1)光输入和
输出设备
(存储)产业
4)条码扫描仪;
5)数码照相机;
6)激光打印机;
7)激光复印机;
8)光传真机
1)设备2)光存储介质a.光盘机;
b.光卡机
a.CD;
b.VCD;
c.LD;
d.CD
(2)光存储
光通信产业
ROM;
e.MO;
f.DVD;
g.CD-R;
h.其他
(1)系统和设备
1)光纤传输设备;
2)光纤区域网络设备;
3)光纤通信检测与监控设备;
4)光纤信息施工设备;
5)终端设备;
6)光纤CATV系统(2)元器件1)单模,多模光纤;
2)光纤连接器
3)光有源器件a.光放大器;
b.光源-光纤耦合器件;
c.光源-探测器耦合器件;
d.光源T0封装器件、探测器TO封装器件、光泵浦器件4)光无源器件a.光耦合器;
b.光开关;
c.光衰减器;
d.光隔离器;
e.分光器;
f.波分复用器等激光器与激光应用(能量、医疗)
(1)激光器(2)激光应用(3)光传感器
1)半导体激光器;
2)固体激光器;
3)气体激光器;
4)染料激光器;
5)准分子激光器1)激光工业应用;
2)激光医疗应用;
3)激光军事应用;
4)科研应用;
5)其他应用1)光电传感;
2)声光传感;
3)光纤传感;
4)其他(2)显微镜;
(3)照相机;
(4)透镜、反射镜等
光学器材
(1)望远镜;
电子技术与信
3
国占首位;
而在激光材料加工设备方面则是德国占首位【9I。
这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。
美国和日本两国比较来看,光电子技术主要方面的突破产生于美国,在研发上走在世界的前列,而光电子产业的形成在日本,这主要是日本注重生产技术和家用市场的开发.日本曾在半导体激光器、激光打印机、液晶显示器、光盘产业等方面在世界上处于垄断地位.美国之所以在光电子技术方面落后于日本,主要原因是美国的半导体工业落后于日本,因此,美国光电子工业发展协会(OIDA)提出要在光电子工业方面迎头赶上,使美国在光电子世界市场上占有较大的份额.1995年以来,美国特别注重了在光电显示、光通信和光存储产业中加强生产技术的发展和市场开发,至今在光通信和光显示产业等方面赶上和超过了日本.台湾地区也十分重视光电子产业的发展,在光电子产业的某些领域,例如发光二极管等多项产品在世界光电子市场名列前茅,成为台湾电子工业最为亮丽的风景线.台湾光电子产业发展的特点是一批中小公司,目标发展明确,与光电子研究部门关系密切;
另一个特点是努力开拓自己有特色的产品,在新竹工业园有1/3的公司在制造光电子产品,生产的半导体发光管及激光器居世界前列.由于光电子器件是信息光电子技术的核心和关键,1986年经中央批准的863计划中将光电子器件及其集成技术选为信息领域的三大主题之一.经过十多年的发展,我国(大陆)的光电子技术在材料、器件、工艺和应用等方面都有很大提高,并取得了一些高水平的研究成果,为相关产业的崛起奠定了坚实的技术基础.比如在信息光电子领域中的主要关键技术如量子阱光电子器件和单元技术的整体研究开发能力已达到国际先进水平,光电集成(OEIC)和
光子集成(PIC)技术距国际先进水平也只有2—3年的差距.同时,我国还培养了一批高水平光电子技术的研究开发骨干队伍,形成了较完整的配套研究开发及生产体系,包括中科院半导体所、信息产业部武汉邮电科学研究院、信息产业部电子13所、信息产业部电子44所、中科院长春光机所、清华大学、北京大学、‘吉林大学、天津大学、东南大学、南开大学、华中科技大学等科研院所,这些科研骨干力量对国内信息光电子产业的形成和整体实力的加强发挥了重要作用I61.尽管近年来我国光电子技术有较快的发展,研究开发力量也有所增强,在专业和国防应用方面的光电子技术取得了较大成绩,但是在研究开发成果转化生产以及在光电子技术产业中自主开发方面与国外的差距很大.我国(大陆)的综合竞争能力远低于日本、美国甚至台湾、韩国,特别是在行销能力、关键零组件生产、专利件数和市场占有率等方面.2.3世界及中国光电子产业发展重点当今世界光电子产业呈现出以下几个新的发展趋势:
(1)光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展.超大容量DWDM的全光网络将成为主要的发展趋势;
(2)光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展;
(3)光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化;
另外,光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等,将成为未来光电子产业发展的重要组成.对比国外光电子产业发展热点,我国则重点开发一些技术及相关产业,见表3.
表3我国光电子产业发展重点
光纤通信激光器
光纤与光缆及预制棒;
光纤通信设备与系统;
光有源器件;
光无源聱件;
光仪表
非半导体激光器
(应用于加工、医疗、仪器、装饰显示、图像、条形码扫描、敏感技术、测控)
红外行业光电产业激光加工激光医疗.激光医疗设备等激光全息光电子晶体材料及光学玻璃光电探测器及配套件;
热探测器及配套件;
热像仪等光电元件;
光电显示器件;
.光输出与输入;
光存储;
光通信;
激光及其它光电应用激光切割;
激光微加工;
激光标记
天津市光电子研究成果状况及发展设想
光电子产业是适应未来社会发展的战略产业,
对地方的经济建设乃至整个社会发展起着难以估量的关键作用.面对世界光电子产业快速发展的态势,以国家“在激光产业布局上,建立重点基地,形成规模和辐射源”的规划为指导,国内十多个省市地区
4
电
子技
与
信
1
7(3)
把发展光电子产业作为“十五”规划的重中之重,武汉、长春、广东、上海和北京等地纷纷根据各自优势分别投巨资欲建成上千亿元产业规模的“光谷”,争抢光电子产业的制高点.天津市也把光电子产业列为六大电子信息产业基地之一.3.1天津市光电子部分研究成果光电子学科是天津的优势学科,由南开大学母国光院士和天津大学姚建铨院士为主组建的光电子联合科研中心,以光电子器件及光电子信息技术为主攻方向,为天津的光电子产业提供一批科技成果.主要为:
(1)在飞秒激光研究方面取得了具有国际先进水平的成果.在国际上首次将半导体可饱和吸收镜(SESAM)应用于飞秒台式太瓦激光系统,改善了系统运转的稳定性和可靠性;
在国际上首次同时采用时域、空域、频域三种滤波技术,提高了飞秒激光的信噪比;
实现了脉冲宽度为38fs,峰值功率为1.7Tw的具有自启动特性和高信噪比性能的飞秒台式太瓦激光系统的稳定运转.飞秒激光技术的研究获1999年度的国家科技进步二等奖;
(2)将白光信息处理技术创造性地应用于航空侦察彩色摄影,并采用了先进的分幅扫描光学解码、数字图像解码及图像融合等技术.用黑白编码图像信息传输彩色图像,其技术会对数字图像传输、处理和应用产生重要影响.’利用该技术研制成功的大幅面航空军用光学信息处理设备于2000年获天津市科技进步一等奖;
(3)在计算机光互连中研制成功以太网光纤收发器、双通道空间光互连旋转连接器和计算机高速红外传输卡,并完成了空间光互连实验及波长路由光互连环网系统实验.研制成功的器件有的已用于相控阵雷达等方面.计算机光纤互连的应用研究获2000年度教育部科技进步二等奖;
(4)在国际上首先研制成功双掺杂(镁和铁,铟和铁)铌酸锂晶体,其衍射效率高达70%一80%,生长的近化学计量组分铌酸锂晶体其响应时间短至
100ms,光折变晶体及其存储技术研究达国际先进水平;
(7)在光神经网络理论研究、高速实时模式识别研究、柔性衬底薄膜太阳能电池研究、光显示器件研究、金融票证防伪鉴真光电检测等方面也都取得了良好的进展;
(8)在电子内窥成像、激光加工等产品开发方面取得了一定的经济效益。
3.2如何加快天津市光电子产业发展天津市光电子产业发展应该注重跟踪国际国内光电子技术产业发展动态,发挥地区优势,两条腿走路,既积极引进境内外产业、技术、人才,又继续投入资金资助自主开发项目,加速创建光电子产业基地,保持和发展技术优势,目标是实现天津光电子产业的跨越式发展.要想达到这一目标,应该重视以下几个方面:
(1)结合我国国情,发挥天津的学科优势。
紧密跟踪国际国内光电子技术产业发展动态,掌握国内外光电子技术热点,充分利用天津市光电子领域的科研优势和成果,在激光技术、光电检测及光显示领域,开发具有自主知识产权的专利技术和产品.(2)引进吸收和自主开发相结合,保持和发展天津市技术优势.由于目前我国在高技术设备的开发和制造方面与国际先进水平相比有一定差距,因此仍需从国外引进生产技术和设备.天津在引进国外先进技术后,应在消化吸收的同时加大对光电子产业的投入,逐步转化为企业自身的创新能力,开发出更多具有自主知识产权的产品与技术,逐渐夯实整个产业的技术基础,以避免“引进一落后一再引进一再落后”的恶性循环,从而促进天津市光电子产业的良性发展.(3)采取几家、多学科联合攻关,将课题做大做
强.
首先,在基础研究和技术攻关层面上,应加强高校之间、高校和科研院所之间的充分合作.一方面实现强强联合,优势互补,能够对现有资源进行充分开发利用,一方面能最大限度避免重复开发和低水平竞争.在这一点上,天津大学和南开大学合作的光电子联合科研中心就作出了有益的尝试.另外,光电子学科还应与其他学科联合攻关,在多学科交叉领域做出成果.天津市重点攻克的四项关键技术之一的高清晰度电视和光电子器件研发在这方面有比较成功的经验.(4)产学研结合,以产业为导向,科技成果为突破口.技术的先进性、创新性应与市场需求并重,以产业化为目标,推动科研优势转化为产业优势。
天津市近两年通过产学研合作开发,培育了一批具有自主知识产权的科研成果,部分成果已进入产业化。
其中,基于LCOS液晶微显技术的HIC系统项目使天津市在LCOS微显模块的研发成果处于国内领先水
(5)在全固态激光及非线性光学频率变换技术方面已解决了泵浦耦合、冷却及恒温控制、高效Q开关、谐振腔设计、高效谐波产生及高质量光束控制等技术问题,在技术和理论研究方面处于国际先进水平;
(6)在光通信中的光子器件及其系统研究方面提出了多种波长的悬臂梁调谐机构与稳定性机理;
研制出具有多波长、可调谐、增益平坦和宽带宽等性能的光纤激光器与放大器,并建立了一种具有特色的全光纤集成波分复用通信系统,达到160—640Gb/s的实验水平;
电子技术
5
平;
光纤光栅OADM及WDM系统项目、数字有线电视接收系统等项目已开始实施产业化;
此外密集波分复用器、可调谐可变波长激光器等若干高技术起点项目也取得了阶段性成果。
下面列出几个能发挥天津市现有科研优势的光电子技术发展方向:
(1)全固态激光器及应用.以激光晶体、非线性光学晶体材料为基础、大功率半导体激光器为泵源的全固态激光器,具有效率高、体积小、寿命长、结构牢固、光束质量好等优势,推动着传统激光器的更新换代,在先进制造、信息、微电子、医疗、能源、军事和高科技研究等领域不断开拓出新的应用产业生长点.全固态激光器将为微电子、微机械的光刻、激光清洗、激光加工和激光三维成型等提供关键光源.第三代DVD光盘高密度的写入使用深紫外全固态激光器可达100GB,实现下一代高清晰电视记录和宽带信息网络传输记录的目标。
实现这一目标目前最先进的方法就是使用深紫外全固态激光器。
在聚变能源与裂变燃料生产方面,高功率全固态激光器也是驱动的关键技术.全固态激光器的发展趋势是高功率、多波长、宽调谐、长寿命、高稳定性.(2)新型光电子、半导体材料及器件.上世纪80年代初以GaN材料P型掺杂的突破为起点,高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功标志着第三代半导体材料的兴起.如用高效率蓝、绿、红光发光二极管制作超大屏幕全色显示,可用于室内室外各种场合的动态信息显示。
高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源,使用寿命超过十万小时,比白炽灯节电5-u10倍,达到节约资源、减少环境污染的双重目的,在世界范围内将引发照明电光源的一场划时代的革命.有资料分析,在未来10年里,GaN材料将成为市场增幅最快的半导体材料,到2006年将达到30亿美元的产值,占化合物半导体市场总额的20%.同时,作为新型光显示、光存储、光照明、光探测器件,可促进上千亿美元相关设备、系统的新产业的形成.(3)新型光子集成和光电子集成芯片.光电集成芯片技术是光纤通信的最核心技术,是我国发展光纤通信产业必须取得突破的战略性技术.目前,小规模集成度的PIC器件组件近年已在市场上出现.今后目标是开发更高集成度PIC和OEIC,多波长的半导体激光器数组,半导体激光器与高速调制器集成芯片,集成光接收机数组等.另外空间集成芯片的研究也逐步成为热点,就是通过在
作者简介:
刘铁根
PIC或OEIC中引入微机单元,从而构成功能齐备的微型光机电集成系统(MOEMS)。
结
语
光电子产业是适应未来社会发展的战略产业。
目前,作为信息和能量载体的光电子在信息的光传输、光存储、光显示和激光上,已经形成了新兴的光电子工业,对地方的经济建设乃至整个社会发展起着难以估量的关键作用.天津市只要充分把握机遇、合理统筹规划、发挥地域及学科优势,通过重点发展高性能激光、光电子器件及相关技术,就可以在光电子信息产业获得超常规的发展,增强天津市在电子信息领域的竞争优势,进而为经济增长提供新的动力和发展后劲。
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等.重庆市光电
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