光電子學（optoelectronic或optronics）絕不僅僅是光子學的一個子領域，而是光學和電子學交叉領域的關鍵學科，推動著通信、成像、傳感和能源等領域的創新發展。盡管光電子學位于兩個物理領域的交叉地帶，但同時又具有其獨特的器件體系，主要涉及光的發射或探測。

就此而言，光電器件（optoelectronic devices）要么使用光信號并將其轉換為電輸出，要么采用電輸入并將其轉換為光信號。光電器件也可以歸類為能量轉

這類器件對于許多高科技行業都至關重要，包括汽車、軍事和國防、航空航天、能源、醫療、消費類電子和電信行業。

當今的一些主要光電組件包括：

• 光電二極管
• 激光二極管
• 發光二極管（LED）和micro-LED
•  光敏電阻
• 太陽能電池（光伏器件）
• 光纖電纜
•  光電晶體管
• 光電探測器

在這些行業中，光電器件廣泛應用于各種領域，包括：

• 攝像頭
• 醫療成像/醫療傳感器（內窺鏡等）
• 醫療診斷（心率監測器等）
• 激光雷達和其他汽車傳感器
• 顯示器
• 遠程制導系統
• 激光
• 日常電子產品，從智能手機和智能手表到LED照明、咖啡機和現代家用電器
• 光敏開關設備
• 激光打印機

“光電子學”與“電子學和光學”

傳統的半導體電子學和光學系統，使用電子來傳輸電磁信息信號。光電子學與傳統電子學有所不同，因為它還包含來自光的信息，涵蓋紫外線、可見光和紅外波長。

不同于對光進行被動調制的純光學系統（如反射鏡、透鏡和濾光片），光電器件會主動地轉換光信號和電信號，從而為攝像頭、光纖、激光和光電探測器等技術提供支持。這些器件能夠更直接地與穿過光學元件的光波的電磁場相互作用，例如與偏振相互作用。

光電子學與電光學

光電子學也與電光器件相關，但這兩類光-電混合器件之間存在一定區別。

光電器件和電光器件都可以與光波和電場相互作用，但它們的相互作用方式有所不同。光電器件可以實現電信號與光信號的相互轉換，而電光器件的核心在于電場如何利用器件中材料的光學屬性來控制、調制和操縱光。電光器件的一些示例包括光開關、調制器和高頻放大器。

光電器件的基本機制

光電器件依托多種基本機制運行，包括：光電效應、光伏效應、電致發光和受激輻射。

光電效應

光電效應（Photoelectric Effect）是指當光線照射在材料上時，電子會從材料中逸出的現象。光子的能量與其頻率直接相關，如果該能量超出材料的功函數，則傳輸的能量足以使電子從材料中逸出。

許多光電器件都依賴于光電效應。舉例來說，光電二極管利用光電效應來檢測光并將其轉換為電信號，光電晶體管利用該效應來放大傳感器和開關中的光信號，而太陽能電池則通過它來直接將太陽光轉化為電能。

光伏效應

光伏效應（Photovoltaic Effect）是指當被光線照射后，電子仍然滯留在材料中，但會處于比自然基態更高的能量狀態。光的能量會導致電子和空穴載流子在半導體結區運動，從而產生電流并傳輸到外部電路。這種效應被應用于太陽能電池，用于將太陽光轉化為電壓和電流，但它也可用于光電二極管和光電晶體管。

電致發光

電致發光（Electroluminescence）是一種光學現象——當固體材料與電場或電流相互作用時，產生光輻射。這種現象使電子處于激發態，并在電子和空穴載流子的輻射復合過程中釋放能量，其中電子會以光的形式釋放能量。電致發光現象可出現在半導體材料中，并應用于顯示技術。

受激輻射

受激輻射（Stimulated Emission）是指處于激發態的原子中的電子，在特定頻率下與光子相互作用的光學過程。受激發的電子會降低其能級，并將其能量傳輸到局部電磁場。這樣，會產生一個新的光子，其偏振和頻率與入射光波相同，因此兩個光子會產生相干作用。該過程將放大光信號，通常用于制造激光。

光電子學的應用

光電器件的應用十分廣泛，在日常家用電子產品以及高科技行業中均可見其身影。下面我們將對一些示例進行更深入的探討。

汽車傳感器

許多傳感器正在被集成到依賴光電組件的車輛中，其中包括：

• 互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器：用于感知自動駕駛汽車和高級駕駛輔助系統（ADAS）中的局部環境
• 電荷耦合器件（CCD）攝像頭：用于自動駕駛操作的另一種成像攝像頭，但尤其適用于弱光條件
• 激光雷達：跟蹤障礙物和車輛，創建車輛周圍局部環境的3D地圖——廣泛應用于自動駕駛汽車和ADAS

隨著汽車逐步具備更多的自動駕駛功能，例如ADAS、倒車影像攝像頭和自動駕駛儀，許多更先進的光學傳感器正在被集成到車輛中。其中一些傳感器基于可見光，其他則基于傳輸和接收紅外信號。目前，車輛上同時應用了被動式傳感器和主動式傳感器，以更好地了解周圍的環境。隨著汽車行業向更高的自動駕駛級別發展，更多基于光電子學的傳感器將被集成到車輛，以提高對車輛周圍局部環境的感知水平。

電信

光電子學是現代電信的關鍵，這不僅體現在光纖通信中，還得益于激光和光子集成電路（PIC）。

在這些系統中，半導體激光二極管將電子數據轉化為光信號，然后，光信號以脈沖的形式被引入光纖，并進行遠距離傳輸。信號沿著光纖傳輸，利用光纖纖芯和包層之間的折射率差異作為波導。在另一端，由光電探測器組成的收發器將光信號轉換回電信號。該過程使電子數據能夠借助光信號從一個位置傳輸到另一個位置，而光信號在遠距離的移動速度比電子快得多。

這些部件（激光器、調制器和探測器）越來越多地被組合成微型芯片，即上面提到的光子集成電路（PIC），從而使網絡變得更快、更小型化、更高效。這整個架構，使互聯網和移動網絡能夠高速處理海量數據。

醫療成像/攝像頭

在醫療領域，光電器件已被應用于內窺鏡。光電子學正在使內窺鏡變得更小，這意味著隨著光電技術的不斷微型化，該技術的侵入性也越來越低。

除了傳統內窺鏡技術外，光電子學還有助于開發更先進的新方法。患者可以吞咽的藥丸攝像頭就是一個良好例證。藥丸攝像頭會在穿過胃腸系統時拍照，這個過程比傳統的內窺鏡檢查更舒適。

消費類電子

光電子學在許多消費類電子產品中都有應用。幾乎所有集成了照明和顯示器的現代設備，都是通過光電子技術來實現發光的。例如：

LED：LED廣泛應用于日常照明產品；作為消費品的照明源，提高美感；用于LED和有機發光二極管（OLED）電視、智能手機、筆記本電腦和計算機監控器，以提供高畫質和低能耗。

圖像傳感器（CCD、CMOS傳感器）：這些傳感器被用于許多成像和視頻消費品，例如數碼相機和網絡攝像頭。

其他傳感器：消費類電子產品中，還使用了各種其他光電傳感器。比如：遙控器的紅外傳感器，AR/VR頭顯設備的深度傳感器，以及用于智能家居自動化的光學運動傳感器。

激光二極管：這些器件被應用于通信技術、光學存儲技術和條碼掃描器。

光耦合器（光隔離器）：這些光學互連器件利用光信號在集成電路之間傳輸電子信號，同時保持各集成電路之間在電氣上的相互隔離。它們被廣泛應用于電源、電機、數據采集系統和通信接口。

太陽能電池

太陽能電池本身是一種光電器件，但它的應用領域非常廣泛，尤其是在當今時代，許多太陽能電池板正在被安裝并添加到電網中，以實現能源去碳化。太陽能電池板可以安裝在住宅和企業中，也可以作為太陽能電池板陣列安裝在大型公用事業級電站中。

太陽能電池的種類繁多，從傳統硅太陽能電池到石墨烯增強太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池，柔性透明太陽能電池以及染料敏化太陽能電池（DSSC），不一而足。太陽能電池還使用單個或多個P-N結，并可作為單面板或雙面模塊進行商業化。

光電子學的優勢與不足

光電器件種類繁多，其性能優勢通常需要結合具體器件及應用系統來評估。

光電器件的優勢包括：

• 攝像頭可以清晰識別和確定前方的物體，而純電子系統（如雷達）只能檢測到物體，而不能進行識別。
• 照明用的LED在能效、亮度和圖像質量方面十分出眾。
• 光電子學為通信技術提供了更高的帶寬。
• 光電器件比許多電子器件的功耗更低。
• 相比電子系統，光電器件能夠實現更遠距離的信息和數據傳輸。
• 光電器件比許多電子器件更具成本效益。

光電器件的不足之處包括：

• 雷達可以在許多環境中工作，包括霧天，而攝像頭和激光雷達在惡劣的環境場景中容易產生誤報。
• 攝像頭比雷達的成本更高。
• 生產中的微小變化/缺陷，都可能會對器件性能產生重大影響。
• 在某些應用中，將光電器件集成到現有架構中可能很困難。

熱效應是光電器件的一個關鍵問題。隨著光電組件變得更小，功耗要求更高，需要新的熱管理方案來確保組件不會因過熱而損壞。

光電設計仿真

光電器件的制造工藝，對于其性能至關重要。光學元件上的任何灰塵顆粒都可能導致傳感器無法檢測其環境，而半導體電子器件中的任何缺陷都可能導致光信號和電子信號之間的轉換出現處理錯誤。

為避免持續進行原型迭代，仿真可以幫助：

• 開發具有集成型光電組件的產品，并驗證其功能
• 確定最佳材料選擇方案
• 對光波與器件的相互作用進行仿真
• 了解光學元件如何集成到更大型的電子系統中
• 設計光學元件，并查看光學元件與機械支撐結構集成時產生的機械效應，例如雙折射
• 查看熱量、氣流或流體流動等環境刺激因素對光電器件的影響
• 為光電器件設計與制造工程師節省時間和成本
• 揭示單靠實驗方法可能無法推斷出的行為 

在Ansys Lumerical FDTD先進3D電磁FDTD仿真軟件中，分別對具有（a）大型電接觸和（b）小型電接觸的垂直光電探測器中的2D橫向電場分布進行仿真

Ansys提供了以下用于光電器件仿真的工具：

Ansys Lumerical軟件：Lumerical軟件專注于光電器件的微納光子行為仿真。它可研究光的波長如何被吸收，以及如何與光學元件相互作用。

Ansys Zemax OpticStudio光學系統設計和分析軟件：OpticStudio軟件可用于設計和分析光學系統，包括透鏡、波導和光子電路，以實現光的控制和引導，被廣泛用于光通信和PIC。

Ansys Speos CAD集成光學和照明仿真軟件：Speos軟件可對光在真實環境中的行為表現進行仿真，以幫助評估系統級光學性能。其能夠使用OpticStudio軟件中生成的信息，來查看復雜應用場景（例如汽車中集成的攝像頭或駕駛艙中的AR顯示系統）中光電器件的影響和行為。

Ansys Mechanical結構有限元分析軟件：Mechanical軟件可研究光電器件所用材料的屬性、系統的熱信息以及任何潛在的機械問題。

光電子學的未來展望

原始設備制造商（OEM）正在不斷為各個行業開發更先進的新型光電組件。光電器件將繼續實現微型化，未來的許多器件都有可能成為純光子系統，以滿足現代技術的尺寸需求。基于量子電子學和量子光學領域目前取得的成功，量子光電子學有望在未來幾年成為新興的發展領域。

提升光電設計的可持續性，將是另一個不斷發展的重要領域。許多的天然材料十分有限，而且變得越來越難獲得，因此，轉向使用更環保或可回收的材料將變得越來越重要。但是，還存在一個主要考慮因素，即如何使用更少的原材料，或更新、更具可持續性的材料，來獲得同等準確性和/或性能。