个人对光电专业的认识字.docx

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个人对光电专业的认识字

个人对光电专业的认识

光电信息科学与工程专业在教育部的学科分类里属于工学门类中的一级学科光学工程（OpticalEngineering），该学科下并无二级学科设置。

考虑到国外对光学工程专业的设置多为电机工程（ElectricalEngineering,EE）的下设众多方向之一，故学科单列多少可以见出我国对光学工程这个方向的重视。

在答主看来，有可能是因为物理光学（PhysicalOptics）中的相关技术在我国工业体系中的分量使得该学科可以单列，而在国外，光电工程通常是指光子学（Photonics）或是光电子学（Optoelectronics），主要研究内容是微电子与纳米技术。

光电信息工程在华科算是优势科目，学校由此专门成立光电信息学院；而在别的学校里，就答主观察光电专业主要是属于物理，通信，或是电子这类学院的下设专业。

从中可以看出光电专业在华科的优势地位。

一）专业起源&基础知识

1）光的波动性——电磁波（ElectromagneticRadiation）

Opticalengineering和Photonicengineering名称不同，内部含义也是不太一样的。

光是所有波长电磁波的集合，所以研究光就是研究电磁波。

基于电磁波的波动性而延伸出的知识称为物理光学（PhysicalOptics）。

物理光学在工业中的应用被称之为应用光学（AppliedOptics），例如相机镜头，激光雷达这类宏观光学系统。

而电磁波的表征要感谢英国物理学家法拉第（Faraday）发现了电磁感应，并由苏格兰数理学家麦克斯韦（Maxwell）以四行简洁的公式实现表达，这就是电动力学（Electrodynamics），或者叫电磁学（Electromagnetism）。

电磁波（Fig.1）在工业上的应用主要是在通信领域（Communication），也就是说从一开始，光学就与通信产生了联系，通信方面的知识也是光学工程的重要组成部分。

不过严格意义上说电磁波背后的通信研究不能算是光电子技术，但通过电磁波及应用光学的知识有助于我们对光子晶体材料（Photoniccrystal）展开分析和研究，最终也会促进光子学的发展。

事实上直到今天，光电子学已经是一门融合了材料、通信和信息等等的综合学科了。

2）光的粒子性——光子学（Photonics）

目前我们所说的光学工程更多应该被理解为Photonics或是Optoelectronics。

二者都是基于光的粒子性来解释的，即量子光学（QuantumOptics）。

光子作为众多粒子的一种，在自然界中广泛存在，它本身就是由电磁辐射产生，由电子的流动与跃迁实现。

而光电子学，就是研究如何产生、接收、控制及利用特定能量（即特定波长）光子的技术。

目前的解决办法，就是激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，LASER）及光电探测技术。

激光技术的诞生得益于固体物理学（Solid-StatePhysics）的发展（即材料科学）。

激光的产生需要满足三个要素：

Pumpingsource（泵浦），Gainmedium（增益介质）和Opticalresonator（光学谐振腔）。

泵浦用来实现载流子的移动和跃迁以辐射出光子；增益，即光子数量的倍增过程，需要用到增益介质实现；光学谐振腔，令产生的光子流可以在一定时间内于腔体内部反复经过增益介质得到光子数量的持续倍增。

所以激光技术的实现过程中，光学材料的作用尤其明显。

这也是为什么我们经常说现代电子科技的每一次进步都是由材料科学（Materialsscience）推动的。

半导体材料（Semiconductor）因此显示出了它在激光技术中的重要性。

回到激光的两个问题，首先，泵浦为何能产生光子；其次，增益介质为何能倍增光子的数目从而实现功率的放大。

这两个问题的解答得益于材料的能带（EnergyBand）理论。

能带由离散的能级（EnergyLevel）分隔而来，载流子在固体（金属，半导体，绝缘体）中的运动只能在特定的能级上完成，想要脱离自身所在的能级就需要跨过能带，跃迁到另一个能级之上（见Fig.2）。

在半导体材料中，每个能级的能量（Energy）是不同的，电子想要在不同能级间跃迁就必然需要吸收或释放能量，而这些能量是离散的固定值，即量子力学解释下能量的离散性。

激光的受激辐射过程见Fig.3。

在这个过程中，外部能量施加于半导体材料中，实现泵浦，令电子吸收能量由低能级跃迁至高能级；电子在高能级上不能稳定存在，坍塌回低能级，在这个过程中辐射出光子，释放能量；产生的光子可以当作新的泵浦源，进而产生更多的光子，从而实现了光子的倍增效应。

光电探测则是将产生光子的过程反过来，即特定能带的半导体材料接收光子实现载流子的能级跃迁，我们可以通过电子的流动来让电子设备观测到光信号。

至此，人类掌握了光子的使用规律。

回首量子物理的发展及应用历史，离散的能量最早是由德国物理学家普朗克（Planck）于1900年在黑体辐射中发现的，彼时光学理论还是由波动光学主导，而后光子的概念由爱因斯坦（Einstein）于1905年提出的光电效应引入，并于1916年由美国物理学家密立根（Millikan）通过实验证实。

正是基于光子的存在，经由1913年丹麦物理学家玻尔（Bohr）提出原子模型，1924年法国物理学家德布罗意（DeBroglie）在博士论文中提出适用于所有微观粒子的波粒二象性（Wave-Particleduality），1925年与1926年，德国物理学家海森堡（Heisenberg）与奥地利物理学家薛定谔（Schrödinger）分别以矩阵力学和波动力学解释波函数的量子行为，1926年德国数理学家波恩（Born）以概率的方式解释波函数的存在，量子力学的理论基础在被不断地丰富着。

之后的半导体产业在量子力学与固体物理的发展中奠定了基础，人类的工业进程发展到了新的时代，这大概就是ElectricalEngineering的发展渊源。

而光子则是这一切的开始。

作为光电人，上述知识是不是都得好好学以致敬咱们专业的老祖宗们？

总的来说，光子学始于光子的发现，成熟于量子力学和固体物理，最终以激光作为技术手段控制光子并将其应用于半导体工业。

简洁的普朗克关系式从而成为了连接电磁波与光子的桥梁，二者共同构成了光电工程的理论基础。

由于诞生了激光这种从无到有的革命性技术，光电子工程终于从应用物理学中跳脱出来成为了一门单独的学科。

近些年主要的科研方向都是在高能激光及半导体光电材料方面，前者多用于军工领域，后者可以从军工下放到民用。

第一部分中标黑的学科共同构成了光电工程专业的基础课程。

基于此你会发现，脱胎于应用物理学的光电工程需要一定的数理基础，所以在大学的第一年，工科大类的专业课程基本都会由微积分，基础物理，线性代数，概率论等课程构成，它们将会是电动力学及量子力学的认知基础；而电动力学，量子力学及固体物理则是通信技术，激光技术和半导体技术的基础。

二）市场导向&专业课程设置

所谓经济基础决定上层建筑，任何不以市场需求为导向的学科设置都是耍流氓。

光学工程目前在工业领域的应用主要在以下几个领域里：

显示，信息，通讯，医疗，安防，光学系统，工业生产及测绘等等（Fig.4），所以大学相关学科的设置也必然基于市场需求，可以看出，在这个时代，任何一个工科专业都是跨学科的。

正如前文所说，光电子学的本质是微电子科学和材料科学。

所以光电子学严格意义上并不是一个直面用户的技术，它更多地是以半导体光电器件及系统的形式作用于多种我们生活中耳熟能详的工业领域。

在大学课程中，我们主要接触到的是单独的光电子器件，如LED，光电二极管等等。

但其实目前业界关于光电器件最热的研究还是在集成光路（PhotonicIntegratedCircuits,PIC）领域，独立光电器件的研究也是在PIC的背景上。

PIC产业脱胎于集成电路（IntegratedCircuits,IC）,在生产过程上与IC大同小异，二者基本元件的区别见Fig.5。

IC产业的元件是我们比较耳熟能详的晶体管、电阻、电容和导线；而PIC产业的元件则是光学领域的光放大器、相位调制器、偏振转换器及波导。

所以基于PIC的有源及无源光电子器件，以及光学波导则是PIC行业的研究重点。

目前PIC已经较为广泛地应用在信息，通讯，安防，医疗和光电系统等领域。

同传统IC行业一样，PIC行业同样是fabless和foundry的生产模式。

我们对光电子技术的研究主要是针对生产环节，但设计环节还是需要信息技术的支持。

而芯片的设计，系统的仿真及光路的模拟等等必然基于算法（Algorithm），机器语言（MachineLanguage）和汇编语言（AssemblyLanguage），这也是时代对我们这些工程师提出的要求。

当然，光电工程对编程技术的要求和计算机科学（ComputerScience，CS）还是不可同日而语的，按照答主在科研工作中的经验，只要熟悉相关软件的操作并能写一些基础的代码就可以了。

一般大三的后期和大四的时候课程安排多会有一些面向传统市场和新兴市场的相关课程，答主简要说一下：

首先，通讯技术作为一个面向用户的领域，PIC在这个系统中有着很重要的作用，事实上，IC产业和PIC产业都是依托通信行业发展壮大的。

PIC的重要性随着光通信技术的发展不断提升，这要感谢高锟博士发明了光纤从而开辟了光纤通信（Fiber-opticCommunication）领域的研究。

而光纤的物理性质本身也是光电专业研究的重点，因为光纤可以说是目前应用最广泛的光学波导之一。

在光纤诞生之前，通信是在大气中由电磁波的传输实现的，这就是无线通信。

而光纤凭借其低损耗的优势成为长距离通信的不二之选，另外，由于光纤通信所在的波段均位于THz范围，所以在理论上可以达到较无线通信更大的带宽。

位于武汉的中国光谷中规模最大的相关企业就是烽火科技和长飞光纤这两家光纤企业。

其次，PIC在信息领域的营收基本和通信领域并驾齐驱，这也是PIC行业的重点市场。

在目前这个大数据时代，海量的信息不仅需要先进的通信技术实现传输，同时也需要数据中心（Datacenter）及存储器（Memory）等等配合调度数据，光芯片在其中的作用也越发明显。

激光技术近些年来在生物，医疗和安防上的应用也越来越多。

最后，军工领域中的应用规模不容小觑，增强光的相干性以实现光功率的放大本身也是激光技术诞生的起因。

其中会涉及到高功率激光技术，激光雷达，红外探测等技术的研究。

由于我国在民用IC及PIC领域的发展与欧美还有较大差距，所以很多高校和研究所的科研方向都是在高能激光领域。

也因此多少导致了高校研究与民用市场之间的脱节。

基于以上几点，当前的光电工程的专业是一个基于激光技术和材料科学，并与通信，信息，安防和生物等领域交叉的专业方向，上文中标黑的专业核心课程一般会在大二和大三这两年的时间内落实。

同时由于光电子技术与通信、信息行业的密切关联，光电工程专业学生的毕业之后也主要由这四个领域接收：

IC，通信，信息和国防。

三）光电工程领域的发展前景

答主在第二部分里提到过，专业设置对应市场需求，中国和欧洲在光电产业上的需求及技术差异导致了具体学科设置上会有区别。

鉴于我科光电专业在全国属于唯二的A+学科，所以应该可以代表国内光电工程专业的面貌。

就答主在华科读本科的经历来看，囿于我国相对薄弱的IC产业，导致了PIC领域的课程设计不够扎实，而PIC恰恰是光电工程最大的应用市场。

答主本科在校期间关于IC的相应课程主要集中在模拟电路，数字电路，CAD及单片机设计等基础课程，但对于半导体器件的工艺及流片过程涉及的很少，就算有课程设计，但在实验上也会有欠缺。

这多少和国内超净间资源不多，无法满足大规模教学需要所致。

相较之下，答主在欧洲读硕士期间会有专门的半导体工艺课程，数字电路的设计，仿真和生长环节都会有涉及，并会进入实验室的超净间流片，在此过程中会对IC产业有个更直观的认识。

相比之下，通信和信息产业在我国已经逐渐发展为优势产业，也在过去的一段时间内吸纳了不少光电专业的学生。

就当下的发展来看，光电人的就业还是会与IC和PIC产业的发展相辅相成。

本世纪第一个十年中通信行业在中国发展势头较好，带动了IC及PIC产业在通信领域中的应用，令光电工程成为了一个热门学科；在答主进入大学的本世纪第二个十年里，互联网产业在中国的蓬勃发展使得通信工程，电子工程和光电工程的学生纷纷转行，知乎在这几年里也是纷纷劝退光电。

答主身边继续选择工作在光电行业里的同学也不多了。

随着中美贸易争端的发酵，近些天华为海思频繁地出现在所有人的时间线上。

伴随互联网行业退烧，很多人把注意力重新转回IC及PIC行业，可以预见光电工程专业在未来的几年内会重新成为热门专业。

事实上，IC产业经过几十年接近饱和式的发展，行业已经形成了垄断fabless和foundry的几家巨头，以至于我国的国产芯片历经二三十年还无法突破垄断。

相比之下，PIC还算是个新兴的产业，在欧洲有大量的初创企业都是近十年内创立的（见Fig.6）。

同时由于需要承接IC产业的生产工艺，PIC也是个入门门槛很高的行业，目前就答主所知，全球布局PIC的国家主要集中在美国，日韩，荷兰，德国等传统IC强国，这也是一个增长较快的市场，中国正在入局，而其中的先驱者就是华为海思。

由于传统IC产业是以硅（Silicon）为基础的，所以PIC产业近年来也是在往硅基上靠。

目前无源硅基光电子器件的发展相对成熟，有源器件的性能还需要进一步提升。

所以说，时代是个轮回，技术也是个轮回，在答主看来，当今世界的工业格局以及可见的万物互联及人工智能时代，软硬件的深度结合依旧是大势所趋，CS及EE也会一起共同发展，不存在孰优孰劣的问题。

当然，资本的热潮还是会周期性的改变大家的看法。

希望所有光电人，脚踏实地，为国造芯。