【每日科普】光电子让生活“大放光彩”

▲来源：视觉中国

光子学在日常生活中的应用是随处可见的。例如五彩斑斓的显示屏幕，又或者是半导体照明灯泡，都是依靠发光二极管进行工作的，其原理是利用电场驱动电子与空穴的复合并释放出光子，将电能转换为光能。

另一种生活中常见的光电器件是太阳能电池，它的原理是利用光子在半导体内部相互作用产生光生载流子，进而将光能转换为电能，这一现象被称为光生伏特效应。LED屏幕的广泛应用极大地提高了人们的生活品质，太阳能电池技术的进步也推动着光伏产业的迅速发展。

但是，让光子学真正大放光彩的是信息科学。我们都知道，20世纪被称为“电子时代”，这是因为电子作为信息的载体和能量的载体构成了信息领域和能源领域的主要特征和标志。进入21世纪后，电子学和光子学互相补充，构成21世纪信息社会的时代特征。如今，信息社会几天产生的信息量，可能就已经超过了信息时代前的总和，我们迎来信息大爆炸的时代，这也意味着信息的产生、传输和接收，都将面临大爆炸的发展。显而易见，原有的电子技术并不能支持信息的大爆炸，而光信号的传输效率远高于电路信号的传输效率，光电子技术应运而生。正因如此，在信息时代信息才可搭乘光子学与光电子技术的“高速列车”。

目前，人们都倾向认为光电子技术的发展历史应从1960年第一台激光器的诞生算起。现代光子学的理论依据是爱因斯坦在1916年时发表的科学论文《关于辐射的量子理论》，其中提出了受激辐射和受激吸收的理论，他也因此荣获了1921年的诺贝尔物理学奖。早在1839年，法国科学家贝克雷尔就发现光能可以转化为电能的光伏特效应。虽然人们很早就认识到光能与电能可以互相转换，但是直到爱因斯坦提出辐射的量子理论，人们才深刻地认识到了光子和原子、电子的相互作用机理。光子与物质相互作用时，有可能会引起受激发射，也会引起受激吸收。当物质中处于高能态的电子跃迁到低能态时，就会以发光或发热的形式将多余的能量释放出来。同样，外来的光照射到物质上时，处于低能态的电子就会吸收外来光的能量跃迁到高能态，发生光吸收。基于受激发射效应，可以发出频率、相位、传播方向，以及偏振状态与外来光完全相同的光子，就可以获得单色性、方向性、亮度都优于普通光源的激光。

在有了单色性优异的激光后，就可以实现信息的传递了。首先从激光器中获得单色性和方向性优异的激光，然后需要将电信号传输转化为光信号的传输，这就需要光调制器的参与。电光调制器可以通过施加外加电场，调控输出光的振幅或相位，从而使光的振幅和相位中携带有信息，从而完成将电子携带的信息转移到光子上。再利用光耦合技术将光信号最大限度地注入光纤线路，经过光纤道路送至接收端，由光电探测器接收光信号并将其转化为电信号，最后恢复为原来的信息。

随着光电子技术的发展和光子学理论的完善，光电子技术早就不局限于信息科学了。光子学与材料学、计算机科学、生命科学等学科互相交叉、互相渗透，通过光的发射、传播、吸收、散射，可以探测并研究物理信息、化学信息、生物信息、医学信息等，在广播通信、计算机、化学化工、医疗健康、高能物理等应用领域大放光彩。在不久的将来，光电子技术将会向集成化、智能化的发展趋势不断前进，以一种润物细无声的方式改变我们的生活。

作者：左玉华杨亚洲（第一作者系中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师；第二作者系中国科学院半导体研究所博士研究生）

来源：科普时报

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