集成光電子器件課件

集成光電子器件1

李培麗Tel：Email：仙林校區(qū)教師公寓3棟4單元2082第一章光纖通信與光電子器件1.1光纖通信1.1.1光通信的發(fā)展1.1.2光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2光纖通信用光電子器件1.2.1光電子器件1.2.2光電子器件的發(fā)展31.1.1光通信的發(fā)展光通信的定義：以光波作為載波進(jìn)行信息的傳輸方式。探索時(shí)期的光通信原始形式的光通信：烽火、信號(hào)彈、紅綠燈1880年Bell發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”，傳輸距離213米。

Bell光電話是現(xiàn)代光通信的雛型56

1960年，美國人梅曼發(fā)明紅寶石激光器，獲得高強(qiáng)的、頻率和相位都穩(wěn)定的相干光——激光。解決了光源問題，這引起了新一輪的光通信研究熱潮——激光大氣通信。但由于自然氣象條件的影響沒有進(jìn)展。（現(xiàn)在無線光通信又成了研究熱點(diǎn)）Bell光電話并沒有進(jìn)入實(shí)用，有兩方面的制約因素：

Ⅰ光源：以自然光作為載波，它的頻率和相位雜亂無章，不能用于大容量的通信；

Ⅱ信道：以大氣作為傳輸介質(zhì)，損耗非常大，同時(shí)自然界的氣象條件千變?nèi)f化，對(duì)光信號(hào)的干擾很大。7光纖之父高錕1998年在英國接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?

1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段；

1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km；

1973

年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km；

1974

年降低到1.1dB/km；

1976

年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)；在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：

1979

年是0.20dB/km；

1984年是0.157dB/km；

1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。10光纖損耗譜特性111980：850nm多模光纖通信系統(tǒng)1983：1310nm單模光纖通信系統(tǒng)1991：1550nm單模光纖通信系統(tǒng)1995：采用光放大器和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的第四代光纖通信系統(tǒng)全光網(wǎng)：是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。

2.光纖通信13第一章光纖通信與光電子器件1.1光纖通信1.1.1光通信的發(fā)展

1.1.2光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2光纖通信用光電子器件1.2.1光電子器件1.2.2光電子器件的發(fā)展14光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：1.容量大激光的頻率約為100THz，微波的頻率為10GHz。用光傳輸信息，理論上通信容量比微波大一萬倍！理論上光纖通信可容納：電視：30萬路電話：7.5億路15第一章光纖通信與光電子器件1.1光纖通信1.1.1光通信的發(fā)展1.1.2光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2光纖通信用光電子器件1.2.1光電子器件1.2.2光電子器件的發(fā)展17光電子器件的發(fā)展推動(dòng)了光纖通信的進(jìn)步

激光器的發(fā)明低損耗光纖的研制成功光放大器的實(shí)用——WDM技術(shù)光纖通信的進(jìn)步又促進(jìn)了光電子器件的發(fā)展

WDM技術(shù)：是實(shí)現(xiàn)高速、大容量光纖通信的有效方法

定義：是讓多波長的光信號(hào)在同一根光纖上進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。光分/插復(fù)用器(OADM)光交叉連接器(OXC)18光纖損耗譜特性19全光網(wǎng)：是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。

在全光網(wǎng)中，需要全光的器件來實(shí)現(xiàn)各種功能，如：全光波長轉(zhuǎn)換器光碼型轉(zhuǎn)換器光邏輯門光再生等等21第一章光纖通信與光電子器件1.1光纖通信1.1.1光通信的發(fā)展1.1.2光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2光纖通信用光電子器件

1.2.1光電子器件1.2.2光電子器件的發(fā)展22半導(dǎo)體光源發(fā)光二極管（LED）：

輸出非相關(guān)光，譜寬寬、輸出功率小、調(diào)制速率低。適用短距離、低速系統(tǒng)。激光二極管(LD):

輸出相干光，譜寬窄、輸出功率大、調(diào)制速率高。適用長距離、高速系統(tǒng)。23光纖（纜）是光纖通信系統(tǒng)中光波傳輸?shù)拿襟w。25光放大器包括光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器（SOA），是一種對(duì)信號(hào)光放大的一種光器件。摻鉺光纖放大器26光檢測器在光纖通信中，所用的光電檢測器是光電二極管型的，實(shí)現(xiàn)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。光電二極管27光耦合器光耦合器的功能是把一個(gè)輸入光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。光耦合器29光隔離器是一種非互易性器件，只允許光波往一個(gè)方向傳輸，阻止光波往其他方向尤其是反方向傳輸。一般用在激光器或光放大器后。光隔離器30光環(huán)行器光環(huán)行器——是多端口的隔離器。主要用于光分插復(fù)用器。典型的環(huán)行器一般有三或四個(gè)端口。光環(huán)行器31231234(a)三端口(b)四端口1三端口和四端口的環(huán)行器32光衰減器光衰減器主要用于光纖通信系統(tǒng)的特性測試和其他測試中，是對(duì)光功率有一定衰減量的器件。根據(jù)衰減量是否變化，可以分為固定衰減器和可變衰減器。光衰減器33光波分復(fù)用器/解復(fù)用器將不同光源波長的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根傳輸光纖輸出的器件稱為合波器。經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號(hào)分解為個(gè)別波長分別輸出的器件稱分波器。有時(shí)同一器件既可作分波器，又可以作合波器。34光開關(guān)光開關(guān)——用于切換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，提高光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和有效性。分機(jī)械光開關(guān)和非機(jī)械光開關(guān)光開關(guān)35全光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)把信息從一個(gè)波長上轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長上，可以避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，提高網(wǎng)絡(luò)的有效性。全光波長轉(zhuǎn)換器基本上都是利用某種光學(xué)介質(zhì)的高速非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，如交叉增益調(diào)制效應(yīng)、交叉相位調(diào)制效應(yīng)、四波混頻效應(yīng)、交叉偏振調(diào)制效應(yīng)等。36光碼型轉(zhuǎn)換器在通信中，有NRZ、RZ、DPSK、FSK、PolSK等碼型，對(duì)每一種碼型來說，都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不可避免的缺點(diǎn)，它們適用于不同的網(wǎng)絡(luò)范圍和工作速率。光碼型轉(zhuǎn)換器基本上也都是利用某種光學(xué)介質(zhì)的高速非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。碼型轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)不同碼型之間的轉(zhuǎn)換，提高光網(wǎng)絡(luò)的有效性和靈活性。

37光邏輯門全光邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)光的各種邏輯功能。全光邏輯器件也基本上都是利用某種光學(xué)介質(zhì)的高速非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。光邏輯器件可應(yīng)用到信頭處理、靜荷定位、時(shí)鐘提取、信號(hào)再生、光分組自路由和光信號(hào)編碼等節(jié)點(diǎn)功能上，是超快全光信號(hào)處理技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。38第一章光纖通信與光電子器件1.1光纖通信1.1.1光通信的發(fā)展1.1.2光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2光纖通信用光電子器件1.2.1光電子器件

1.2.2光電子器件的發(fā)展39光電器件的發(fā)展：分立元件組件模塊光集成和光電集成發(fā)展趨勢40集成化的優(yōu)點(diǎn)：1、使用方便2、降低成本3、性能