集成光電子器課件

1、集集 成成 光光 電電 子子 器器 件件 李李 培培 麗麗 TelEmail： 仙林校區(qū)教師公寓仙林校區(qū)教師公寓3棟棟4單元單元208 第一章第一章 光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件 1.1 光纖通信光纖通信 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點光通信的優(yōu)點 1.2 光纖通信用光電子器件光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件光電子器件 1.2.2 光電子器件的發(fā)展光電子器件的發(fā)展 1.1 光纖通信光纖通信 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點光通信的優(yōu)點 1.2 光纖通信用光電子器件光纖通信用光電子器件

2、 1.2.1 光電子器件光電子器件 1.2.2 光電子器件的發(fā)展光電子器件的發(fā)展 第一章第一章 光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 光通信的定義光通信的定義：以光波作為載波進行信息的傳輸方式。以光波作為載波進行信息的傳輸方式。 探索時期的光通信探索時期的光通信 原始形式的光通信：原始形式的光通信： 烽火、信號彈、紅綠燈烽火、信號彈、紅綠燈 18801880年年BellBell發(fā)明了用光波作載波傳送話音的發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電光電 話話”，傳輸距離，傳輸距離213213米。米。 Bell光電話是現(xiàn)代光通信的雛型光電話是現(xiàn)代光通信的雛型 19

3、60年，美國人梅曼發(fā)明紅寶石激光器，獲得高強的、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)定的相干光頻率和相位都穩(wěn)定的相干光激光。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。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）（現(xiàn)在無線光通信又成了研究熱點） BellBell光電話并沒有進入實用，有兩方面的制約因素：光電話并沒有進入實用，有兩方面的制約因素： 光源：光源：以自然光作為載波，它的頻率和相位雜亂以自然光作為載波，它的頻率和相位雜亂

4、 無章，不能用于大容量的通信；無章，不能用于大容量的通信； 信道：信道：以大氣作為傳輸介質(zhì)，損耗非常大，同時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。自然界的氣象條件千變?nèi)f化，對光信號的干擾很大。 19661966年年，英籍華裔學(xué)者高錕發(fā)表論文，認為只要設(shè)法降低英籍華裔學(xué)者高錕發(fā)表論文，認為只要設(shè)法降低 光纖中的雜質(zhì)，可以使光纖損耗降為光纖中的雜質(zhì)，可以使光纖損耗降為20dB/km20dB/km。 實際上，人們早就利用光纖了。利用光波導(dǎo)的原理，人們實際上，人們早就利用光纖了。利用光波導(dǎo)的原理，人們 制造了胃鏡，可以觀測制造了胃鏡，可以觀測1 1米左右的

5、距離。米左右的距離。 在在6060年代，最好的光纖損耗也在年代，最好的光纖損耗也在1000dB/km1000dB/km以上。以上。 10dB/km 1/1010dB/km 1/10； 20dB/km 1/10020dB/km 1/100； 1000dB/km 1000dB/km ？ 由由1000dB/km1000dB/km 20dB/km20dB/km，高錕的論文非同尋常！，高錕的論文非同尋常！ 他指明通過他指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離原材料的提純制造出適合于長距離 通信使用的低損耗光纖通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向這一發(fā)展方向 光纖之父高錕光纖之父高錕1998年在英國接受年在

6、英國接受IEE授予的獎?wù)率谟璧莫務(wù)?u 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)推向一個新階段把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段； u 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km； u 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； u 1976 年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)； u 在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km； 1984年是0.157

7、dB/km； 1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性 u 1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先 后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo) 體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光 器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)； u 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達到7000小時； u 1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦 鎵砷磷(InGaAsP)激光器； u 1977 年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達到10萬小時； u 1979年

8、美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成 功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使 1970 年年 成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。 第一章第一章 光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件 1.1 光纖通信光纖通信 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點光通信的優(yōu)點 1.2 光纖通信用光電子器件光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件光電子器件 1.2.2 光電子器件的發(fā)展光電子器件的發(fā)展 光纖通信的優(yōu)點：光纖通信的優(yōu)點： 1. 容量大容

9、量大 激光的頻率約為激光的頻率約為100THz，微波的頻率為，微波的頻率為10GHz。用。用 光傳輸信息，理論上通信容量比微波大一萬倍！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：理論上光纖通信可容納： 電視：電視：3030萬路萬路 電話：電話：7.57.5億路億路 2. 色散小色散小 3. 損耗小損耗小 4. 無中繼距離長無中繼距離長 5. 資源豐富資源豐富 光纖的主要成分是光纖的主要成分是SiO2，資源十分豐富。，資源十分豐富。 電纜的主要成分是電纜的主要成分是Cu、Al等有色金屬，資源有限。等有色金屬，資源有限。 6. 防干擾性能好防干擾性能好 光纖不受強電干擾、電

10、氣化鐵道干擾和雷電干擾，光纖不受強電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾， 抗電磁脈沖能力也很強，保密性好。抗電磁脈沖能力也很強，保密性好。 第一章第一章 光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件 1.1 光纖通信光纖通信 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點光通信的優(yōu)點 1.2 光纖通信用光電子器件光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件光電子器件 1.2.2 光電子器件的發(fā)展光電子器件的發(fā)展 光電子器件的發(fā)展推動了光纖通信的進步光電子器件的發(fā)展推動了光纖通信的進步 u 激光器的發(fā)明激光器的發(fā)明 u 低損耗光纖的研制成功低損耗光纖的研制成功 u 光放大器的實用光放大器

11、的實用WDM技術(shù)技術(shù) 光纖通信的進步又促進了光電子器件的發(fā)展光纖通信的進步又促進了光電子器件的發(fā)展 u WDM技術(shù)：是實現(xiàn)高速、大容量光纖通信的有效方法技術(shù)：是實現(xiàn)高速、大容量光纖通信的有效方法 定義：定義：是是讓多波長的光信號在同一根光纖上進行傳輸?shù)淖尪嗖ㄩL的光信號在同一根光纖上進行傳輸?shù)?技術(shù)。技術(shù)。 光分光分/插復(fù)用器插復(fù)用器(OADM) 光交叉連接器光交叉連接器(OXC) 光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性 全光網(wǎng)：全光網(wǎng)： 在全光網(wǎng)中，需要全光的器件來實現(xiàn)各種功能，如：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)換器全光波長轉(zhuǎn)換器 光碼型轉(zhuǎn)換器光碼型轉(zhuǎn)換器 光邏輯門光邏輯門

12、光再生光再生 等等等等 第一章第一章 光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件 1.1 光纖通信光纖通信 1.1.1 光通信的發(fā)展光通信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點光通信的優(yōu)點 1.2 光纖通信用光電子器件光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件光電子器件 1.2.2 光電子器件的發(fā)展光電子器件的發(fā)展 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源 u 發(fā)光二極管（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。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)。適用短距離、低速系統(tǒng)。 u 激光二極管激光二極管(LD): 輸出相干光，譜寬窄、輸出功率大、調(diào)制速率高。輸

13、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)。適用長距離、高速系統(tǒng)。 光調(diào)制器光調(diào)制器 在在外調(diào)制方式外調(diào)制方式中采用，可避中采用，可避 免對光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性免對光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性 啁啾的限制。調(diào)制器一般用啁啾的限制。調(diào)制器一般用 電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)使折射電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)使折射 率改變，或用磁光效應(yīng)使光率改變，或用磁光效應(yīng)使光 的透過率變化實現(xiàn)光調(diào)制。的透過率變化實現(xiàn)光調(diào)制。 包括包括幅度調(diào)制器幅度調(diào)制器、相位調(diào)制相位調(diào)制 器器和和偏振調(diào)制器。偏振調(diào)制器。 光調(diào)制器光調(diào)制器 光纖（纜）光纖（纜） 是光纖通信系統(tǒng)中光波傳輸?shù)拿襟w。是光纖通信系統(tǒng)中光波傳輸?shù)拿襟w。 光放

14、大器光放大器 包括包括光纖放大器光纖放大器和和半導(dǎo)半導(dǎo) 體光放大器體光放大器（SOA），）， 是一種對信號光放大的是一種對信號光放大的 一種光器件。一種光器件。 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 光檢測器光檢測器 在光纖通信中，所用的在光纖通信中，所用的 光電檢測器是光電檢測器是光電二極光電二極 管型的，管型的，實現(xiàn)把光信號實現(xiàn)把光信號 轉(zhuǎn)換為電信號的功能。轉(zhuǎn)換為電信號的功能。 光電二極管光電二極管 光連接器光連接器 是光纖與光纖之間的連接器件，是光纖與光纖之間的連接器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸 出或光接收機輸入之間，或光纖出或光接收機輸入之間，或光纖 線路與其

15、他光無源器件之間的連線路與其他光無源器件之間的連 接。接。 光連接器光連接器 光耦合器光耦合器 光耦合器的功能是把一個光耦合器的功能是把一個 輸入光信號分配給多個輸輸入光信號分配給多個輸 出，或把多個輸入的光信出，或把多個輸入的光信 號組合成一個輸出。號組合成一個輸出。 光耦合器光耦合器 光隔離器光隔離器 是一種非互易性器件，只是一種非互易性器件，只 允許光波往一個方向傳輸，允許光波往一個方向傳輸， 阻止光波往其他方向尤其阻止光波往其他方向尤其 是反方向傳輸。一般用在是反方向傳輸。一般用在 激光器或光放大器后。激光器或光放大器后。 光隔離器光隔離器 光環(huán)行器光環(huán)行器 光環(huán)行器光環(huán)行器是多端口的

16、隔是多端口的隔 離器。主要用于光分插復(fù)用離器。主要用于光分插復(fù)用 器。典型的環(huán)行器一般有三器。典型的環(huán)行器一般有三 或四個端口?；蛩膫€端口。 光環(huán)行器光環(huán)行器 2 3 1 2 3 4 (a) 三端口(b) 四端口 1 三端口和四端口的環(huán)行器三端口和四端口的環(huán)行器 光衰減器光衰減器 光衰減器主要用于光纖通信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系統(tǒng)的特性測試和其他測試 中，是對光功率有一定衰減中，是對光功率有一定衰減 量的器件。根據(jù)衰減量是否量的器件。根據(jù)衰減量是否 變化，可以分為變化，可以分為固定固定衰減器衰減器 和和可變可變衰減器。衰減器。 光衰減器光衰減器 光波分復(fù)用器光波分復(fù)

17、用器/解復(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。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。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，又可以作有時同一器件既可作分波器，又可以作 合波器。合波器。 光開關(guān)光開關(guān) 光開關(guān)光開關(guān)用于切換光用于切換光 路，實現(xiàn)光交換，提高路，實現(xiàn)光交換，提高 光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和有效光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和有效 性。性。 分機械光開關(guān)和非機械分機械光開關(guān)和非機械 光開關(guān)光開關(guān) 光開關(guān)光開關(guān)

18、全光波長轉(zhuǎn)換器全光波長轉(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。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)、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。四波混頻效應(yīng)、交叉偏振調(diào)制效應(yīng)等。 光碼型轉(zhuǎn)換器光碼型轉(zhuǎn)換器 在通信中，有在通信中，有NRZ、RZ、DPSK、FSK、PolSK等碼型，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。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。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)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。的有效性和靈活性。 光邏輯門光邏輯門 全光邏輯器件可以實現(xiàn)光的各種邏輯功能。全光邏輯器件可以實現(xiàn)光的各種邏輯功能。 全光