集成光电子器PPT课件

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1、集集 成成 光光 电电 子子 器器 件件1 1 李李 培培 丽丽Tel：Email：仙林校区教师公寓仙林校区教师公寓3栋栋4单元单元2082 2第一章第一章 光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件1.1 光纤通信光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展3 31.1 光纤通信光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子

2、器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展第一章第一章 光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件4 41.1.1 光通信的发展光通信的发展光通信的定义光通信的定义：以光波作为载波进行信息的传输方式。以光波作为载波进行信息的传输方式。1.探索时期的光通信探索时期的光通信原始形式的光通信：原始形式的光通信： 烽火、信号弹、红绿灯烽火、信号弹、红绿灯18801880年年BellBell发明了用光波作载波传送话音的发明了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”，传输距离，传输距离213213米。米。 Bell光电话是现代光通信的雏型光电话是现代光通信的雏型5 56 6 1960年，美国

3、人梅曼发明红宝石激光器，获得高强的、年，美国人梅曼发明红宝石激光器，获得高强的、 频率和相位都稳定的相干光频率和相位都稳定的相干光激光。激光。 解决了光源问题，这引起了新一轮的光通信研究热潮解决了光源问题，这引起了新一轮的光通信研究热潮 激光大气通信。但由于自然气象条件的影响没有进展。激光大气通信。但由于自然气象条件的影响没有进展。 （现在无线光通信又成了研究热点）（现在无线光通信又成了研究热点）BellBell光电话并没有进入实用，有两方面的制约因素：光电话并没有进入实用，有两方面的制约因素： 光源：光源：以自然光作为载波，它的频率和相位杂乱以自然光作为载波，它的频率和相位杂乱无章，不能用于

4、大容量的通信；无章，不能用于大容量的通信； 信道：信道：以大气作为传输介质，损耗非常大，同时以大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界的气象条件千变万化，对光信号的干扰很大。自然界的气象条件千变万化，对光信号的干扰很大。7 7 19661966年年，英籍华裔学者高锟发表论文，认为只要设法降低英籍华裔学者高锟发表论文，认为只要设法降低 光纤中的杂质，可以使光纤损耗降为光纤中的杂质，可以使光纤损耗降为20dB/km20dB/km。 实际上，人们早就利用光纤了。利用光波导的原理，人们实际上，人们早就利用光纤了。利用光波导的原理，人们制造了胃镜，可以观测制造了胃镜，可以观测1 1米左右的距离。米左右的

5、距离。 在在6060年代，最好的光纤损耗也在年代，最好的光纤损耗也在1000dB/km1000dB/km以上。以上。 10dB/km 1/10 10dB/km 1/10； 20dB/km 1/100 20dB/km 1/100； 1000dB/km 1000dB/km ？由由1000dB/km1000dB/km 20dB/km20dB/km，高锟的论文非同寻常！，高锟的论文非同寻常！ 他他指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通信使用的低损耗光纤通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向8 8光纤之父高锟光纤之父高锟1998年在英国接受年在英国接受I

6、EE授予的奖章授予的奖章9 9u 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英 光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段把光纤通信的研究开发推向一个新阶段；u 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km；u 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到； 1974 年降低到；u 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到 dB/km(波长1.2m)；u 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km； 1984年是0.157 dB/km； 1986 年是0.154 dB/km，

7、接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 1010光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性1111u 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础；u 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时；u 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器；u 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时；u 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发

8、射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1212 19801980： 850nm 850nm多模光纤通信系统多模光纤通信系统多模光纤通信系统多模光纤通信系统 19831983： 1310nm 1310nm单模光纤通信系统单模光纤通信系统单模光纤通信系统单模光纤通信系统 19911991： 1550nm 1550nm单模光纤通信系统单模光纤通信系统单模光纤通信系统单模光纤通信系统 19951995： 采用光放大器和波分复用采用光放大器和

9、波分复用采用光放大器和波分复用采用光放大器和波分复用(WDM)(WDM)技术的第四代技术的第四代技术的第四代技术的第四代 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统 全光网：是指信号只是在进出网络时才进行电全光网：是指信号只是在进出网络时才进行电全光网：是指信号只是在进出网络时才进行电全光网：是指信号只是在进出网络时才进行电/ /光和光光和光光和光光和光/ / 电的变换，电的变换，电的变换，电的变换， 而在网络中而在网络中而在网络中而在网络中传输和交换传输和交换传输和交换传输和交换的过程中始的过程中始的过程中始的过程中始 终以光的形式存在。终以光的形式存在。终以光的形式存在。终以光的形式

10、存在。 2. 2. 光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信1313第一章第一章 光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件1.1 光纤通信光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展1414光纤通信的优点：光纤通信的优点：1. 容量大容量大 激光的频率约为激光的频率约为100THz，微波的频率为，微波的频率为10GHz。用。用光传输信息，理论上通信容量比微波大一万倍！光传输信息，理论上通信容量比微波大一万倍！理论上光纤通信可容纳：理论上

11、光纤通信可容纳：电视：电视：3030万路万路电话：电话：7.57.5亿路亿路15152. 色散小色散小3. 损耗小损耗小4. 无中继距离长无中继距离长 5. 资源丰富资源丰富 光纤的主要成分是光纤的主要成分是SiO2，资源十分丰富。，资源十分丰富。 电缆的主要成分是电缆的主要成分是Cu、Al等有色金属，资源有限。等有色金属，资源有限。6. 防干扰性能好防干扰性能好 光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。 1616第一章第一章 光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件1.1 光纤通信

12、光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展1717光电子器件的发展推动了光纤通信的进步光电子器件的发展推动了光纤通信的进步u 激光器的发明激光器的发明u 低损耗光纤的研制成功低损耗光纤的研制成功u 光放大器的实用光放大器的实用WDM技术技术光纤通信的进步又促进了光电子器件的发展光纤通信的进步又促进了光电子器件的发展u WDM技术：是实现高速、大容量光纤通信的有效方法技术：是实现高速、大容量光纤通信的有效方法 定义：定义：是是让

13、多波长的光信号在同一根光纤上进行传输的让多波长的光信号在同一根光纤上进行传输的 技术。技术。 光分光分/插复用器插复用器(OADM) 光交叉连接器光交叉连接器(OXC)1818光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性1919 波分复用波分复用波分复用波分复用WDMWDM和掺铒光纤放大器和掺铒光纤放大器和掺铒光纤放大器和掺铒光纤放大器EDFAEDFA被认为是光纤通信的代表被认为是光纤通信的代表被认为是光纤通信的代表被认为是光纤通信的代表性技术，下面是性技术，下面是性技术，下面是性技术，下面是WDM+EDFAWDM+EDFA示意图示意图示意图示意图 2020 全光网：全光网：是指信号只是在进出网络时才进行电是

14、指信号只是在进出网络时才进行电是指信号只是在进出网络时才进行电是指信号只是在进出网络时才进行电/ / / /光和光光和光光和光光和光/ / / /电电电电 的变换，的变换，的变换，的变换， 而在网络中而在网络中而在网络中而在网络中传输和交换传输和交换传输和交换传输和交换的过程中始终的过程中始终的过程中始终的过程中始终 以光的形式存在。以光的形式存在。以光的形式存在。以光的形式存在。 在全光网中，需要全光的器件来实现各种功能，如：在全光网中，需要全光的器件来实现各种功能，如： 全光波长转换器全光波长转换器 光码型转换器光码型转换器 光逻辑门光逻辑门 光再生光再生 等等等等2121第一章第一章 光

15、纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件1.1 光纤通信光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展2222半导体光源半导体光源u 发光二极管（发光二极管（LED）：）： 输出非相关光，谱宽宽、输出功率小、调制速率低。输出非相关光，谱宽宽、输出功率小、调制速率低。 适用短距离、低速系统。适用短距离、低速系统。u 激光二极管激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、输出功率大、调制速率高。输出相干光，谱宽窄、输出功率大、调制速率高。

16、 适用长距离、高速系统。适用长距离、高速系统。2323在在外调制方式外调制方式中采用，可避中采用，可避免对光源直接调制产生线性免对光源直接调制产生线性啁啾的限制。调制器一般用啁啾的限制。调制器一般用电光效应或声光效应使折射电光效应或声光效应使折射率改变，或用磁光效应使光率改变，或用磁光效应使光的透过率变化实现光调制。的透过率变化实现光调制。包括包括幅度调制器幅度调制器、相位调制相位调制器器和和偏振调制器。偏振调制器。光调制器光调制器2424是光纤通信系统中光波传输的媒体。是光纤通信系统中光波传输的媒体。2525包括包括光纤放大器光纤放大器和和半导半导体光放大器体光放大器（SOA），），是一种对

17、信号光放大的是一种对信号光放大的一种光器件。一种光器件。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器2626在光纤通信中，所用的在光纤通信中，所用的光电检测器是光电检测器是光电二极光电二极管型的，管型的，实现把光信号实现把光信号转换为电信号的功能。转换为电信号的功能。光电二极管光电二极管2727是光纤与光纤之间的连接器件，是光纤与光纤之间的连接器件，主要用于光纤线路与光发射机输主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连线路与其他光无源器件之间的连接。接。光连接器光连接器2828光耦合器的功能是把一个光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个

18、输输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。号组合成一个输出。光耦合器光耦合器2929是一种非互易性器件，只是一种非互易性器件，只允许光波往一个方向传输，允许光波往一个方向传输，阻止光波往其他方向尤其阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后。激光器或光放大器后。光隔离器光隔离器3030光环行器光环行器是多端口的隔是多端口的隔离器。主要用于光分插复用离器。主要用于光分插复用器。典型的环行器一般有三器。典型的环行器一般有三或四个端口。或四个端口。光环行器光环行器3131231234(a) 三端口(b) 四端口1三

19、端口和四端口的环行器三端口和四端口的环行器3232光衰减器主要用于光纤通信光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为变化，可以分为固定固定衰减器衰减器和和可变可变衰减器。衰减器。光衰减器光衰减器3333将不同光源波长的信号结合在一起经一将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器。根传输光纤输出的器件称为合波器。经同一传输光纤送来的多波长信号分解经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器。为个别波长分别输出的器件

20、称分波器。有时同一器件既可作分波器，又可以作有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。合波器。3434光开关光开关用于切换光用于切换光路，实现光交换，提高路，实现光交换，提高光网络的灵活性和有效光网络的灵活性和有效性。性。分机械光开关和非机械分机械光开关和非机械光开关光开关光开关光开关3535 全光波长转换器实现把信息从一个波长上转换到另一个波全光波长转换器实现把信息从一个波长上转换到另一个波长上，可以避免网络阻塞，提高网络的有效性。长上，可以避免网络阻塞，提高网络的有效性。 全光波长转换器基本上都是利用某种光学介质的高速非线性全光波长转换器基本上都是利用某种光学介质的高速非线性效应来实现的，

21、如交叉增益调制效应、交叉相位调制效应、四效应来实现的，如交叉增益调制效应、交叉相位调制效应、四波混频效应、交叉偏振调制效应等。波混频效应、交叉偏振调制效应等。3636 在通信中，有在通信中，有NRZ、RZ、DPSK、FSK、PolSK等码型，等码型，对每一种码型来说，都有自己的优点和不可避免的缺点，它对每一种码型来说，都有自己的优点和不可避免的缺点，它们适用于不同的网络范围和工作速率。们适用于不同的网络范围和工作速率。 光码型转换器基本上也都是利用某种光学介质的高速非光码型转换器基本上也都是利用某种光学介质的高速非线性效应来实现的。线性效应来实现的。 码型转换器可以实现不同码型之间的转换，提高

22、光网络码型转换器可以实现不同码型之间的转换，提高光网络的有效性和灵活性。的有效性和灵活性。 3737 全光逻辑器件可以实现光的各种逻辑功能。全光逻辑器件可以实现光的各种逻辑功能。 全光逻辑器件也基本上都是利用某种光学介质的高速非线性全光逻辑器件也基本上都是利用某种光学介质的高速非线性效应来实现的。效应来实现的。 光逻辑器件可应用到信头处理、静荷定位、时钟提取、信号光逻辑器件可应用到信头处理、静荷定位、时钟提取、信号再生、光分组自路由和光信号编码等节点功能上，是超快全光信再生、光分组自路由和光信号编码等节点功能上，是超快全光信号处理技术中的一个关键组成部分。号处理技术中的一个关键组成部分。 3838第一章第一章 光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件1.1 光纤通信光纤通信 1.1.1 光通信的发展光通信的发展 1.1.2 光通信的优点光通信的优点1.2 光纤通信用光电子器件光纤通信用光电子器件 1.2.1 光电子器件光电子器件 1.2.2 光电子器件的发展光电子器件的发展3939光电器件的发展：光电器件的发展：发展趋势发展趋势40404141集成化的划分：集成化的划分：4242全球主要光器件制造商：全球主要光器件制造商：光网络的价格受制于光器件商光网络的价格受制于光器件商4343