什么是光电子学？

光电子学（optoelectronic或optronics）绝不仅仅是光子学的一个子领域，而是光学和电子学交叉领域的关键学科，推动着通信、成像、传感和能源等领域的创新发展。尽管光电子学位于两个物理领域的交叉地带，但同时又具有其独特的器件体系，主要涉及光的发射或探测。

就此而言，光电器件（optoelectronic devices）要么使用光信号并将其转换为电输出，要么采用电输入并将其转换为光信号。光电器件也可以归类为能量转换器件，因为它们可以将一种能量转换为另一种能量。

这类器件对于许多高科技行业都至关重要，包括汽车、军事和国防、航空航天、能源、医疗、消费类电子和电信行业。当今的一些主要光电组件包括：

• 光电二极管
• 激光二极管
• 发光二极管（LED）和micro-LED
• 光敏电阻
• 太阳能电池（光伏器件）
• 光纤电缆
• 光电晶体管
• 光电探测器

在这些行业中，光电器件广泛应用于各种领域，包括：

• 摄像头
• 医疗成像/医疗传感器（内窥镜等）
• 医疗诊断（心率监测器等）
• 激光雷达和其他汽车传感器
• 显示器
• 远程制导系统
• 激光
• 日常电子产品，从智能手机和智能手表到LED照明、咖啡机和现代家用电器
• 光敏开关设备
• 激光打印机

传统的半导体电子学和光学系统，使用电子来传输电磁信息信号。光电子学与传统电子学有所不同，因为它还包含来自光的信息，涵盖紫外线、可见光和红外波长。

不同于对光进行被动调制的纯光学系统（如反射镜、透镜和滤光片），光电器件会主动地转换光信号和电信号，从而为摄像头、光纤、激光和光电探测器等技术提供支持。这些器件能够更直接地与穿过光学元件的光波的电磁场相互作用，例如与偏振相互作用。

光电子学也与电光器件相关，但这两类光-电混合器件之间存在一定区别。

光电器件和电光器件都可以与光波和电场相互作用，但它们的相互作用方式有所不同。光电器件可以实现电信号与光信号的相互转换，而电光器件的核心在于电场如何利用器件中材料的光学属性来控制、调制和操纵光。电光器件的一些示例包括光开关、调制器和高频放大器。

光电器件依托多种基本机制运行，包括：光电效应、光伏效应、电致发光和受激辐射。

光电效应

光电效应（Photoelectric Effect）是指当光线照射在材料上时，电子会从材料中逸出的现象。光子的能量与其频率直接相关，如果该能量超出材料的功函数，则传输的能量足以使电子从材料中逸出。

许多光电器件都依赖于光电效应。举例来说，光电二极管利用光电效应来检测光并将其转换为电信号，光电晶体管利用该效应来放大传感器和开关中的光信号，而太阳能电池则通过它来直接将太阳光转化为电能。

光伏效应

光伏效应（Photovoltaic Effect）是指当被光线照射后，电子仍然滞留在材料中，但会处于比自然基态更高的能量状态。光的能量会导致电子和空穴载流子在半导体结区运动，从而产生电流并传输到外部电路。这种效应被应用于太阳能电池，用于将太阳光转化为电压和电流，但它也可用于光电二极管和光电晶体管。

电致发光

电致发光（Electroluminescence）是一种光学现象——当固体材料与电场或电流相互作用时，产生光辐射。这种现象使电子处于激发态，并在电子和空穴载流子的辐射复合过程中释放能量，其中电子会以光的形式释放能量。电致发光现象可出现在半导体材料中，并应用于显示技术。

受激辐射

受激辐射（Stimulated Emission）是指处于激发态的原子中的电子，在特定频率下与光子相互作用的光学过程。受激发的电子会降低其能级，并将其能量传输到局部电磁场。这样，会产生一个新的光子，其偏振和频率与入射光波相同，因此两个光子会产生相干作用。该过程将放大光信号，通常用于制造激光。

光电器件的应用十分广泛，在日常家用电子产品以及高科技行业中均可见其身影。下面我们将对一些示例进行更深入的探讨。

汽车传感器

许多传感器正在被集成到依赖光电组件的车辆中，其中包括：

• 互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器：用于感知自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统（ADAS）中的局部环境
• 电荷耦合器件（CCD）摄像头：用于自动驾驶操作的另一种成像摄像头，但尤其适用于弱光条件
• 激光雷达：跟踪障碍物和车辆，创建车辆周围局部环境的3D地图——广泛应用于自动驾驶汽车和ADAS

随着汽车逐步具备更多的自动驾驶功能，例如ADAS、倒车影像摄像头和自动驾驶仪，许多更先进的光学传感器正在被集成到车辆中。其中一些传感器基于可见光，其他则基于传输和接收红外信号。目前，车辆上同时应用了被动式传感器和主动式传感器，以更好地了解周围的环境。随着汽车行业向更高的自动驾驶级别发展，更多基于光电子学的传感器将被集成到车辆，以提高对车辆周围局部环境的感知水平。

电信

光电子学是现代电信的关键，这不仅体现在光纤通信中，还得益于激光和光子集成电路（PIC）。

在这些系统中，半导体激光二极管将电子数据转化为光信号，然后，光信号以脉冲的形式被引入光纤，并进行远距离传输。信号沿着光纤传输，利用光纤纤芯和包层之间的折射率差异作为波导。在另一端，由光电探测器组成的收发器将光信号转换回电信号。该过程使电子数据能够借助光信号从一个位置传输到另一个位置，而光信号在远距离的移动速度比电子快得多。

这些部件（激光器、调制器和探测器）越来越多地被组合成微型芯片，即上面提到的光子集成电路（PIC），从而使网络变得更快、更小型化、更高效。这整个架构，使互联网和移动网络能够高速处理海量数据。

医疗成像/摄像头

在医疗领域，光电器件已被应用于内窥镜。光电子学正在使内窥镜变得更小，这意味着随着光电技术的不断微型化，该技术的侵入性也越来越低。

除了传统内窥镜技术外，光电子学还有助于开发更先进的新方法。患者可以吞咽的药丸摄像头就是一个良好例证。药丸摄像头会在穿过胃肠系统时拍照，这个过程比传统的内窥镜检查更舒适。

消费类电子

光电子学在许多消费类电子产品中都有应用。几乎所有集成了照明和显示器的现代设备，都是通过光电子技术来实现发光的。例如：

• LED：LED广泛应用于日常照明产品；作为消费品的照明源，提高美感；用于LED和有机发光二极管（OLED）电视、智能手机、笔记本电脑和计算机监控器，以提供高画质和低能耗。
• 图像传感器（CCD、CMOS传感器）：这些传感器被用于许多成像和视频消费品，例如数码相机和网络摄像头。
• 其他传感器：消费类电子产品中，还使用了各种其他光电传感器。比如：遥控器的红外传感器，AR/VR头显设备的深度传感器，以及用于智能家居自动化的光学运动传感器。
• 激光二极管：这些器件被应用于通信技术、光学存储技术和条码扫描器。
• 光耦合器（光隔离器）：这些光学互连器件利用光信号在集成电路之间传输电子信号，同时保持各集成电路之间在电气上的相互隔离。它们被广泛应用于电源、电机、数据采集系统和通信接口。

太阳能电池

太阳能电池本身是一种光电器件，但它的应用领域非常广泛，尤其是在当今时代，许多太阳能电池板正在被安装并添加到电网中，以实现能源去碳化。太阳能电池板可以安装在住宅和企业中，也可以作为太阳能电池板阵列安装在大型公用事业级电站中。

太阳能电池的种类繁多，从传统硅太阳能电池到石墨烯增强太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池，柔性透明太阳能电池以及染料敏化太阳能电池（DSSC），不一而足。太阳能电池还使用单个或多个P-N结，并可作为单面板或双面模块进行商业化。

光电器件种类繁多，其性能优势通常需要结合具体器件及应用系统来评估。光电器件的优势包括：

• 摄像头可以清晰识别和确定前方的物体，而纯电子系统（如雷达）只能检测到物体，而不能进行识别。
• 照明用的LED在能效、亮度和图像质量方面十分出众。
• 光电子学为通信技术提供了更高的带宽。
• 光电器件比许多电子器件的功耗更低。
• 相比电子系统，光电器件能够实现更远距离的信息和数据传输。
• 光电器件比许多电子器件更具成本效益。

光电器件的不足之处包括：

• 雷达可以在许多环境中工作，包括雾天，而摄像头和激光雷达在恶劣的环境场景中容易产生误报。
• 摄像头比雷达的成本更高。
• 生产中的微小变化/缺陷，都可能会对器件性能产生重大影响。
• 在某些应用中，将光电器件集成到现有架构中可能很困难。
• 热效应是光电器件的一个关键问题。随着光电组件变得更小，功耗要求更高，需要新的热管理方案来确保组件不会因过热而损坏。

光电器件的制造工艺，对于其性能至关重要。光学元件上的任何灰尘颗粒都可能导致传感器无法检测其环境，而半导体电子器件中的任何缺陷都可能导致光信号和电子信号之间的转换出现处理错误。

为避免持续进行原型迭代，仿真可以帮助：

• 开发具有集成型光电组件的产品，并验证其功能
• 确定最佳材料选择方案
• 对光波与器件的相互作用进行仿真
• 了解光学元件如何集成到更大型的电子系统中
• 设计光学元件，并查看光学元件与机械支撑结构集成时产生的机械效应，例如双折射
• 查看热量、气流或流体流动等环境刺激因素对光电器件的影响
• 为光电器件设计与制造工程师节省时间和成本
• 揭示单靠实验方法可能无法推断出的行为

Ansys提供了以下用于光电器件仿真的工具：

Ansys Lumerical软件：Lumerical软件专注于光电器件的微纳光子行为仿真。它可研究光的波长如何被吸收，以及如何与光学元件相互作用。

Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计和分析软件：OpticStudio软件可用于设计和分析光学系统，包括透镜、波导和光子电路，以实现光的控制和引导，被广泛用于光通信和PIC。

Ansys Speos CAD集成光学和照明仿真软件：Speos软件可对光在真实环境中的行为表现进行仿真，以帮助评估系统级光学性能。其能够使用OpticStudio软件中生成的信息，来查看复杂应用场景（例如汽车中集成的摄像头或驾驶舱中的AR显示系统）中光电器件的影响和行为。

Ansys Mechanical结构有限元分析软件：Mechanical软件可研究光电器件所用材料的属性、系统的热信息以及任何潜在的机械问题。

原始设备制造商（OEM）正在不断为各个行业开发更先进的新型光电组件。光电器件将继续实现微型化，未来的许多器件都有可能成为纯光子系统，以满足现代技术的尺寸需求。基于量子电子学和量子光学领域目前取得的成功，量子光电子学有望在未来几年成为新兴的发展领域。

提升光电设计的可持续性，将是另一个不断发展的重要领域。许多的天然材料十分有限，而且变得越来越难获得，因此，转向使用更环保或可回收的材料将变得越来越重要。但是，还存在一个主要考虑因素，即如何使用更少的原材料，或更新、更具可持续性的材料，来获得同等准确性和/或性能。

如果您想了解基于仿真的方法如何帮助您设计更稳健的高性能光电器件，欢迎联系我们的技术团队。

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