光電子學(第四章5)匯總課件

1、 湖南大學物理與微電子科學學院，王玲玲2016 年 3 月物理與微電子科學學院School of Physics and MicroelectronicsScience 光電子學 第四章 光輻射在介質波導中的傳播 第十一講 問題一：材料n隨自由載流子濃度而原因 襯底 薄層 不含自由載流子材料，單位體積含Nfc自由載流子材料實部： 波導： n1不含載流子材料n 問題二：異質結模dm與同質結同模dm比較 同質結對稱平板波導 異質結非對稱平板波導 異質結模dm比同質結同模dm小得多。 問題三：半導體波導中主要損耗 波導每層吸收光，自由載流子吸收光損耗；吸收系數(shù)： 波導轉折處或彎曲段。導波模彎曲波導傳

2、播，沿波導層上下面?zhèn)鞑鼋?jīng)不同傳播距離或不同傳播v，模向消逝波耦合。 光刻不完善波導斷口，波導互聯(lián)端面填n匹配硅膠。導波模很好準直端面與端面小間隔兩波導間耦合，功率損。間隙功率： 光輻射在介質波導中的傳播（第十一講） 44-7 光纖損耗與色散 4-6 光纖中電磁波模式理論 4-4 矩形介質波導基本概念 4-3 平板波導的電磁理論 4-2 介質平板光波導的射線分析方法 4-1 光在介質分界面上的反射與折射 4-8 光波導裝置與應用 4-5 光纖中的射線分析 （上、中、下） 思路： 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概

3、念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用先：高錕-光纖之父成就、簡歷、榮譽 然：光纖通信發(fā)展歷程、優(yōu)點和應用后：光纖組成、分類、比較 第十一講要點 光纖發(fā)展歷程 高錕-光纖之父成就與生平 光纖組成、分類、比較 1 3 2 光纖通信獨特優(yōu)點使通信史革命性變革 2009：英華裔高錕，美威拉德博伊爾和喬治史密斯，“光在纖維中傳輸已用于光學通信方面”突破成就；2010：英曼徹斯特大學安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”。石墨烯塑造低功率電子元件，晶體管。銅線和半導體電腦芯片75%能耗。 2011：美約翰巴赫恰勒，天體物理學

4、成就，與美布魯克黑文國家實驗室小雷蒙德戴維斯，證明太陽中微子理論正確。哈勃望遠鏡創(chuàng)立人之一。 高錕-光纖之父2012：法沙吉阿羅什與美大衛(wèi)溫蘭德?！巴黄菩栽囼灧椒ㄊ箿y量和操縱單量子系統(tǒng)成為可能”。神秘量子世界不再“與世隔絕”。 高錕-光纖之父2013：比利時弗朗索瓦恩格勒特和英彼得希格斯描述粒子物理學標準模型，預測基本粒子- 希格斯玻色子，被歐洲核子研究中心大型強子對撞機實驗發(fā)現(xiàn)。 2014：日赤崎勇，天野弘和中村修二發(fā)明節(jié)能環(huán)保高效藍光發(fā)光二極管（LED）。藍LED，白光多種新產(chǎn)生方式。LED燈到來，更耐用更經(jīng)濟照明方式。 高錕-光纖之父2015：日本Takaaki Kajita和加拿大Ar

5、thur B. McDonald。發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，表明中微子具有質量?！?所有的科學家都應該固執(zhí), 都要覺得自己是對的, 否則不會成功. 高錕 高錕從瑞典國王卡爾十六世古斯塔夫手中接過諾貝爾物理學獎證書 我是真正的炎黃子孫 高錕-光纖之父 20091006瑞典皇家科學院首都斯德哥爾摩新聞發(fā)布會，諾貝爾物理學獎授予英華裔高錕及美威拉德博伊爾和喬治史密斯。 家人陪領諾貝爾獎 三位諾貝爾物理獎獲得者 高錕-光纖之父健康因，高錕演講詞夫人黃美蕓代讀 與妻子黃美蕓起舞 導 言 早 期 關鍵發(fā)現(xiàn) 該文件 說服世界 對世界的影響 結 論 5500多字： 高錕-光纖之父香港中文大學前校長高錕1996年“高錕星

6、”命名典禮 原香港中文大學校長“光纖之父”高錕6日獲諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院，獲獎因“光在纖維中傳輸已用于光學通信方面”突破成就。 高錕1966“光通訊”理論，比頭發(fā)絲細光纖代替龐大千百萬條銅線，傳容量無限信息，外笑“癡人說夢”，90年代利用，造就今天互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，譽“光纖之父”。 高錕-光纖之父所獲成就： （1）1966高錕“光頻率介質纖維表面波導”論文提光導纖維在通信應用原理，長程及高信息量光通信需絕緣性纖維結構和材料特性。 解決玻璃純度和成分，用玻璃制光學纖維，高效傳輸信息。 有人稱匪夷所思，也有大加褒揚。爭論中設想變現(xiàn)實：石英玻璃制光纖應用廣泛，掀起光纖通信革命。第一光纖系統(tǒng)198

7、1問世，“光纖之父”美譽傳世界。 （2）開發(fā)實現(xiàn)光纖通訊需輔助子系統(tǒng) 單模纖維構造，強度和耐久性，纖維連接器和耦合器及擴散均衡性等研究，成果使信號無放大條件，每秒億兆位元傳送至距離以萬米為單位成功關鍵。 高錕曾被嘲笑為神經(jīng)有病 高錕-光纖之父純度極高玻璃為媒介傳送光波作為通信用基礎理論提出玻璃制成衰減20dB/km光纖實現(xiàn)光通訊 光頻率介質纖維表面波導 （英國）電機工程師協(xié)會會議錄 高錕-光纖之父1966海外，物理學華人多。有時參加國際物理會議1/3華人。 現(xiàn)實驗室科研華人主要力量，博士生、博士后很多華人。 高錕繼李政道，楊振寧，丁肇中，李遠哲，朱棣文，崔琦及錢永健后，第八位獲諾貝爾科學獎華裔

8、科學家。 美國公民，同時英國國籍。 高錕-光纖之父1933出生上海，曾住法租界。父親律師； 1948遷香港。中學香港圣若瑟書院。未畢業(yè)去英國留學； 1957和1965倫敦大學分別獲電機工程學士和博士學位； 1957進ITT（國際電話電報集團）公司旗下英國子公司“標準電話與電纜有限公司”（Standard Telephonesand Cables Ltd.）工程師； 1960進ITT設英國歐洲中央研究機構-標準電信實驗有限公司，服務十年，職位研究科學家升至研究經(jīng)理。這時期，為光纖通訊領域先驅； 高錕簡歷： 高錕-光纖之父1966發(fā)表“光頻率介質纖維表面波導”論文，提出光導纖維在通信應用原理，描述

9、長程及高信息量光通信需絕緣性纖維結構和材料特性； 新構想提出，沒人相信理論包括專家們，認為絕不可行； 六十年代，最好導體，光波在其中傳輸 20m，能量剩原1%，何談“通訊”。高錕沒因專家話放棄，埋首研究理論，曾親自向當時美國通訊界權威貝爾實驗室推銷想法； 高錕愿意出售專利權，貝爾實驗室不看好； 高錕簡歷： 高錕-光纖之父1970美紐約州康奈爾大學附近玻璃制造公司-康寧公司賞識他理論，成功制出第一條光纖； 1974光纖大量投產(chǎn)； 1981首個真正光纖傳訊系統(tǒng)面世。高錕提出光纖，高純度玻璃纖維制成，光進入其中，像進入一周圍全鏡子管線，全反射，再也跑不掉，從另端出來； 光纖低損，寬頻，小尺，輕重優(yōu)點

10、，高錕發(fā)明有效解決信息長距離傳輸，極大提高效率并降低成本，給通訊帶來一場革命。 高錕埋頭研究光導纖維技術 高錕簡歷： 可見：許多實驗成功來自理論預言！ 高錕-光纖之父互聯(lián)網(wǎng)，電子郵件出現(xiàn)及現(xiàn)代信息技術高速發(fā)展歸功光纖發(fā)明。 諾貝爾獎評委會描述： “光流動在細小如線玻璃絲中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個方向，文本，音樂，圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球?！?高錕對全球電信與信息技術發(fā)展重大貢獻，當之無愧“光纖之父”。 光纖在醫(yī)學應用，胃鏡等內窺鏡讓醫(yī)生看見患者體內； 光纖系統(tǒng)在工業(yè)應用，各類生產(chǎn)制造和機械加工大顯身手。 高錕簡歷： 高錕-光纖之父ITT十年后，高錕香港中文大學任職四年； 197

11、4返ITT。光纖前生產(chǎn)階段。位于美弗吉尼亞州勞諾克光電產(chǎn)品部任主任科學家，后升工程主任； 1982，卓越研究與管理才能被ITT任命首位“ITT執(zhí)行科學家”，康尼迪克州先進技術中心工作； 1985德國SEL研究中心工作。任耶魯大學特朗布爾學院兼職教授及研究員； 1986，任合作研究主任； 1987-1996，任香港中文大學校長。任香港高科橋集團有限公司主席兼行政總裁，開發(fā)電信與信息； 高錕簡歷： 高錕-光纖之父1990，獲美國國家工程學院院士； 199606中國科學院第二批外籍院士。同年，中國科學院紫金山天文臺將19811203發(fā)現(xiàn)國際編號“三四六三”小行星命名“高錕星”； 英國皇家工程科學院院

12、士； 英國皇家藝術學會會員和 瑞典皇家工程科學院外籍院士， 臺灣中央研究院院士。 高錕簡歷： 高錕-光纖之父曾獲多國際學術獎， 1998發(fā)明光纖光學獲IEE獎； 1999美國家工程院“查理斯塔克德雷珀獎”。被譽“工程界諾貝爾”獎項，美工程界杰出成就最高榮譽； 諾貝爾獎委員會將2009物理學獎授予他，獲獎金1/2，500萬瑞典克朗（1瑞典克朗換1.1269元人民幣，合563.45萬人民幣），另兩位美科學家威拉德博伊爾和喬治史密斯平分余下500萬瑞典克朗獎金。 高錕捐贈部分諾貝爾獎金 光纖通信發(fā)明家高錕1998在英接受IEE授予獎章 高錕獲獎： 高錕-光纖之父1976美硅酸鹽學會摩尼獎 1977美

13、富蘭克林研究所史特活柏蘭亭獎章 1978英蘭克信托基金會蘭克獎 1978美電機及電子工程師學會摩理斯H利柏曼紀念獎 1979瑞典艾力松基金會LM艾力松國際獎 1980美武裝部隊通訊及電子學會金章獎 1985美電機及電子工程師學會亞歷山大格林姆貝爾獎章 1985美馬可尼基金會馬可尼國際科學家獎 1985香港中文大學榮譽理學博士 1985意大利熱那亞市哥倫布獎章 1987日本通訊及計算機促進基金會通訊及計算機獎 1989英電機工程師學會法拉第獎章 1989美物理學會新材料國際獎 高錕所獲榮譽： 高錕-光纖之父1990英塞薩斯大學榮譽理學博士 1990美國家工程院院士 1991日本創(chuàng)價大學榮譽博士

14、1992英格拉茲高大學榮譽工程學博士 1992光學工程國際協(xié)會（SPIE）“協(xié)會金章獎” 1992臺灣中央研究院院士 1993英帝國司令勛章 1994英達勒姆大學榮譽理學博士 1995世界工程組織協(xié)會杰出工程成就金章 1995澳洲格理斐思大學第一服務榮譽博士 1996十二屆日本國際賞 1999美國家工程院“查理斯塔克德雷珀獎” 2009諾貝爾物理獎 高錕所獲榮譽： 高錕-光纖之父纖芯core：n高，傳送光； 包層coating：n低，與纖芯一起形成全反射條件； 保護套jacket：強度大，承受大沖擊，保護光纖。 高錕1966發(fā)表“光通訊”基礎理論，提出以比頭發(fā)絲細光纖代替體積龐大千百萬條銅線，

15、傳送容量幾近無限信息。 高錕-光纖之父纖芯 包層 保護套 玻璃光纖多分支光束 HCS石英光纖 光纖按材料分類： 玻璃光纖：纖芯與包層玻璃，損耗小，傳距長，成本高； 膠套硅光纖：纖芯玻璃，包層塑料，特性同玻璃光纖，成本低； 塑料光纖：芯與包層塑料，損耗大，傳距短，價低。家電音響 短距圖像傳輸。 塑料光纖多芯傳光纜高錕-光纖之父光纖通信 超高速 大容量 長距離 網(wǎng)絡化 一根光纖同時傳輸一百多路信號，特殊技術同時傳1022路 單路v不斷， 達10，20，40Gb/s用OTDM技術達640Gb/s 各種通信技術快速發(fā)展使上千甚至上萬km 長距離傳輸為可能 全光網(wǎng)為目前光通信 領域最熱門話題之一 時分復

16、用（OTDM）技術實現(xiàn)超高速傳輸有效技術 Gb 109個字節(jié) 關鍵光纖！ 高錕-光纖之父容許頻帶很寬，傳輸容量很大； 傳輸損耗小，中繼距離長且誤碼率很??； 抗電磁干擾性好，保密性強，使用安全； 材料資源豐富，節(jié)約金屬材料利于資源合理使用； 量輕，體積小，敷設方便。 缺點： 組件昂貴，光纖質地脆，機械強度低，連接難，分路，耦合不便，彎曲半徑不宜太小。 缺點技術可克服，不影響光纖通信實用。 光纖通信技術特點： 高錕-光纖之父光纖通信發(fā)展歷程： 探索時期光通信： 原始光通信：中國古代“烽火臺”報警，歐洲旗語傳信息； 1880美貝爾（Bell）發(fā)明光波作載波傳話音“光電話”。貝爾光電話現(xiàn)代光通信雛型；

17、 1960美梅曼（Maiman）發(fā)明第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來新希望。激光器發(fā)明和應用，使沉睡80年光通信進新階段。 該時期，美麻省理工學院He-Ne和CO2激光器大氣激光通信試驗。沒找到穩(wěn)定可靠和低損傳輸介質，光通信研究低潮。 高錕-光纖之父1966英籍華裔學者高錕（C. K. Kao）和霍克哈姆（C. A. Hockham）傳輸介質新概念論文，指出用光纖（Optical Fiber）信息傳輸可能和技術途徑，奠定現(xiàn)代光通信光纖通信基礎。 高錕首次提出玻璃纖維衰減率20dB/km，光纖通信可成功。 接著，指出： 高純石英玻璃是制造可用于實現(xiàn)光通信光纖首選材料 發(fā)現(xiàn)“溶凝石英”玻璃提煉，提

18、煉出“無雜質”玻璃。 指明通過“原材料提純制造適合長距離通信使用低損耗光纖”發(fā)展方向 光纖通信發(fā)展歷程： 高錕-光纖之父1972，康寧公司高純石英多模光纖損耗到4dB/km； 1973，Bell實驗室光纖損耗到2.5dB/km； 1974，到1.1dB/km； 以后10年， 1.55m光纖損耗： 1979，0.20dB/km； 1984，0.157dB/km; 1986，0.154dB/km，近光纖最低損耗理論極限； 1976，日本電報電話(NTT)光纖損耗0.47dB/km(1.2m)； 1970，光纖研制取得重大突破： 1970，康寧公司最先生產(chǎn)出衰減率1000dB/km 1970，突破，

19、損耗到20dB/km（1m 區(qū)） 1979，損耗0.2dB/km （1.55m） 低損耗光纖問世致光波技術領域革命，開創(chuàng)光纖通信時代。 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 光纖工作在光頻介質波導，形狀圓柱形，光波約束在內部，引導光沿與軸平行方向前進。 光纖光導纖維，細小，柔韌能傳輸光信號介質，光纜由多條光纖組成。 與雙絞線和同軸電纜比： 光纜適應網(wǎng)絡對長距離傳輸大

20、容量信息要求，計算機網(wǎng)絡發(fā)揮作用。 光纖高度透明玻璃絲，純石英經(jīng)復雜工藝拉制成。 光纖中心部分（芯Core）同心圓狀包裹層（包層Clad）涂覆層。 特點：ncorenclad光在芯和包層界面反復全反射，光纖中傳遞。 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 室內外單膜多膜2芯-24 芯光纖光纜 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）塑料光纖 室外光纖24681012單模 多模 光

21、導纖維（Optical fiber）光纖，用光在玻璃或塑料纖維全反射原理達成光傳導工具。 光在光纖傳導損耗比電在電線傳導損耗低得多，作長距信息傳遞。 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 光纖三部分組成： 1. 里面纖芯，n1 2. 纖芯外n2（n1）介質包層，保護纖芯： (1) 光纖機械強度； (2) 避免纖芯接觸污染物質，纖芯表面過大不連續(xù)（界面兩邊n差過大）引

22、起散射損耗； 3. 包層外有層彈性耐磨塑料材料，進一步光纖強度，機械上隔離或緩和幾何形狀微小不均勻，畸變或鄰近表面粗糙度對光纖影響，避免產(chǎn)生隨機微彎引起散射損耗。 纖芯 包層 保護套 芯 包層 樹脂被覆層 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 光纖分類： 由n分布（芯區(qū)n徑向分布）； 階躍型（SIF）：芯n均勻分布； 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上

23、光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 2. 漸變型（梯度，多模） （GIF）；芯n軸最大， 沿橫截面徑向變小， 連續(xù)變化，梯度光纖； 此外，其他n分布； 環(huán)形光纖； W型光纖（雙包層）； 三角分布散位移光纖（DSF G.653）； 非零色散位移光纖（NZ-DSF G.655）。 幾種光纖n分布 纖芯芯n均勻分布纖芯n軸線最大，沿橫截面徑向變小，連續(xù)變化梯度 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射

24、線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 按傳光原理分：1. 反射型光纖； 2. 折射型光纖。 階躍光纖，光沿直線傳播，芯與包層界面全反射變方向，階躍型光纖另一稱呼； n連續(xù)變光線不斷變方向，也是漸變型光纖，運動軌跡曲線； 按傳輸模式分: 1. 多模光纖2. 單模光纖 允許多模式(幾十至幾百個)在光纖傳播, 芯50-100m; 只允許一個模式存在, 芯小, 5-10m; 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導

25、射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 按材料分：1. 石英光纖2. 塑料光纖最廣泛，可是階躍，也可是梯度型； 與石英光纖屬同類材料（硅酸鹽）還有多組分玻璃光纖； 包括全塑料（芯與包層）光纖及芯是石英，包層是塑料光纖； 除以上，有：液芯光纖 氟化物光纖 鋯鋇鑭鋁鈉光纖 4-1光在介質分界面上反射與折射4-2介質平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用一、概 論 二、階躍型光纖的射線分析 三、漸變型光纖的射線分析 按照損耗程度區(qū)分：1. 高損耗 2. 中損耗 3. 低損耗 長距離傳播信號，要求光纖損耗盡可能小，低損耗光纖（0.15dB/km）主要選擇，傳距幾到100km以上； 中及高損耗適用短距（幾十m到1km左右）信號傳輸； 還有新型光纖，如：有源光纖（激光光纖及發(fā)光