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：以光波作為載波進行信息的傳輸方式。探索時期的光通信原始形式的光通信：烽火、信號彈、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展。（現(xiàn)在無線光通信又成了研究熱點）Bell光電話并沒有進入實用，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，同時自然界的氣象條件千變?nèi)f化，對光信號的干擾很大。7光纖之父高錕1998年在英國接受IEE授予的獎?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)實驗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)：是指信號只是在進出網(wǎng)絡(luò)時才進行電/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：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)展推動了光纖通信的進步

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

WDM技術(shù)：是實現(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在同一根光纖上進行傳輸?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)：是指信號只是在進出網(wǎng)絡(luò)時才進行電/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），是一種對信號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，實現(xiàn)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能。光電二極管27光耦合器光耦合器的功能是把一個輸入光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。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分解為個別波長分別輸出的器件稱分波器。有時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，實現(xiàn)光交換，提高光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和有效性。分機械光開關(guān)和非機械光開關(guān)光開關(guān)35全光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)把信息從一個波長上轉(zhuǎn)換到另一個波長上，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，對每一種碼型來說，都有自己的優(yōu)點和不可避免的缺點，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)來實現(xiàn)的。碼型轉(zhuǎn)換器可以實現(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)來實現(xiàn)的。光邏輯器件可應(yīng)用到信頭處理、靜荷定位、時鐘提取、信號再生、光分組自路由和光信號編碼等節(jié)點功能上，是超快全光信號處理技術(shù)中的一個關(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：1、使用方便2、降低成本3、性能