左玉華 楊亞洲
左玉華研究員
光子學在日常生活中的應用是隨處可見的。例如五彩斑斕的顯示螢幕,又或者是半導體照明燈泡,都是依靠發光二極體進行工作的,其原理是利用電場驅動電子與空穴的複合並釋放出光子,將電能轉換為光能。
另一種生活中常見的光電器件是太陽能電池,它的原理是利用光子在半導體內部相互作用產生光生載流子,進而將光能轉換為電能,這一現象被稱為光生伏特效應。LED螢幕的廣泛應用極大的提高了人們的生活品質,太陽能電池技術的進步也推動著光伏產業的迅速發展。
但是,光子學真正大放光彩的地方是資訊科學。我們都知道,20世紀被稱為“電子時代”,這是因為電子作為資訊的載體和能量的載體構成了資訊領域和能源領域的主要特徵和標誌。進入21世紀後,電子學和光子學互相補充,構成21世紀資訊社會的時代特徵。如今,資訊社會幾天產生的資訊量,可能就已經超過了資訊時代前的總和,我們迎來資訊大爆炸的時代,這也意味著資訊的產生,傳輸和接收,都將面臨大爆炸的發展。顯而易見,原有的電子技術並不能支援資訊的大爆炸,而光訊號的傳輸效率遠高於電路訊號的傳輸效率,光電子技術應運而生。正因如此,在資訊時代資訊才可搭乘光子學與光電子技術的“高速列車”。
目前,人們都傾向認為光電子技術的發展歷史應從1960年第一臺鐳射器的誕生算起。現代光子學的理論依據是愛因斯坦在1916年時發表的科學論文《關於輻射的量子理論》,其中提出了受激輻射和受激吸收的理論,他也因此榮獲了1921年的諾貝爾物理學獎。早在1839年,法國科學家貝克雷爾就發現光能可以轉化為電能的光生伏特效應。雖然人們很早就認識到光能與電能可以互相轉換,但是直到愛因斯坦提出輻射的量子理論,人們才深刻的認識到了光子和原子、電子的相互作用機理。光子與物質相互作用時,有可能會引起受激發射,也會引起受激吸收。當物質中處於高能態的電子躍遷到低能態時,就會以發光或發熱的形式將多餘的能量釋放出來。同樣的,外來的光照射到物質上時,處於低能態的電子就會吸收外來光的能量躍遷到高能態,發生光吸收。基於受激發射效應,可以發出頻率、相位、傳播方向以及偏振狀態與外來光子全相同的光子,就可以獲得單色性、方向性、亮度都優於普通光源的鐳射。
在有了單色性優異的鐳射後,就可以實現資訊的傳遞了。首先從鐳射器中獲得單色性和方向性優異的鐳射,然後需要將電訊號傳輸轉化為光訊號的傳輸,這就需要光調製器的參與。電光調製器可以透過施加外加電場,調控輸出光的振幅或相位,從而使光的振幅和相位中攜帶有資訊,從而完成將電子攜帶的資訊轉移到光子上。再利用光耦合技術將光訊號最大限度地注入光纖線路,經過光纖道路送至接收端,由光電探測器接受光訊號並將其轉化為電訊號,最後恢復為原來的資訊。
隨著光電子技術的發展和光子學理論的完善,光電子技術早就不侷限於資訊科學了。光子學與材料學、計算機學、生命科學等學科互相交叉、互相滲透,透過光的發射、傳播、吸收、散射,可以探測並研究物理資訊、化學資訊、生物資訊、醫學資訊等,在廣播通訊、計算機、化學化工、醫療健康、高能物理等應用領域大放光彩。在不久的將來,光電子技術將會向整合化、智慧化的發展趨勢不斷前進,以一種潤物細無聲的方式改變我們的生活。
左玉華 中國科學院半導體研究所 研究員,博士生導師,長期從事矽基光電子材料及器件研究
楊亞洲 中國科學院半導體研究所博士研究生,從事新型矽基低維奈米結構材料與光電器件方面的研究
(文/胡月)
