集成光電子器件lpl第一章

1、集成光電子器件lpl第一章2 李李 培培 麗麗Tel：Email：仙林校區(qū)教師公寓仙林校區(qū)教師公寓3棟棟42083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(diǎn)光通信的優(yōu)點(diǎn)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41.1 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(diǎn)光通信的優(yōu)點(diǎn)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

2、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51.1.1 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(jìn)行信息的傳輸方式。以光波作為載波進(jìn)行信息的傳輸方式。 探索時(shí)期的光通信探索時(shí)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(hào)彈、紅綠燈烽火、信號(hào)彈、紅綠燈 1880年年Bell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“光光 ”，傳輸距離傳輸距離213米。米。 Bell光光 是現(xiàn)代光通信的雛型是現(xiàn)代光通信的雛型67 1960年，美國(guó)人梅曼發(fā)明紅寶石激光器，獲得高強(qiáng)的、年，美國(guó)人梅曼發(fā)明紅寶石激光器，獲得高強(qiáng)的、

3、 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(wèn)題，這引起了新一輪的光通信研究熱潮解決了光源問(wèn)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(méi)有進(jìn)展。激光大氣通信。但由于自然氣象條件的影響沒(méi)有進(jìn)展。 （現(xiàn)在無(wú)線光通信又成了研究熱點(diǎn)）（現(xiàn)在無(wú)線光通信又成了研究熱點(diǎn)）BellBell光光 并沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用，有兩方面的制約因素：并沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用，有兩方面的制約因素： 光源：以自然光作為載波，它的頻率和相位雜亂光源：以自然光作為載波，它的頻率和相位雜亂無(wú)章，不能用于大容量的通信；無(wú)章，不能用于大容量的通信； 信道：以大氣作為傳輸介質(zhì)，損耗非常大，同時(shí)

4、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。自然界的氣象條件千變?nèi)f化，對(duì)光信號(hào)的干擾很大。8 19661966年年，英籍華裔學(xué)者高錕發(fā)表論文，認(rèn)為只要設(shè)法降低英籍華裔學(xué)者高錕發(fā)表論文，認(rèn)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(shí)際上，人們?cè)缇屠霉饫w了。利用光波導(dǎo)的原理，人們實(shí)際上，人們?cè)缇屠霉饫w了。利用光波導(dǎo)的原理，人們制造了胃鏡，可以觀測(cè)制造了胃鏡，可以觀測(cè)1 1米左右的距離。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/km10

5、00dB/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/km 20dB/km1000dB/km 20dB/km，高錕的論文非同尋常！，高錕的論文非同尋常！ 他指明通過(guò)他指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)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9光纖之父高錕光纖之父高錕1998年在英國(guó)接受年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)?0u 1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/

6、km的石英u 光纖，把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)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(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到；u 1974 年降低到；u 1976 年，日本電報(bào) (NTT)公司將光纖損耗降低到u dB/km(波長(zhǎng)1.2m)；u 在以后的 10 年中，波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗：u 1979 年是0.20 dB/km；u 1984年是0.157 dB/km；u 1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。 11光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性12u 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)

7、和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，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(dá)到7000小時(shí)；u 1976年，日本電報(bào) 公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器；u 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)；u 1979年美國(guó)電報(bào) (AT&T)公司和日本電報(bào) 公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)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(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程

8、碑。成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。13 1980： 850nm多模光纖通信系統(tǒng)多模光纖通信系統(tǒng) 1983： 1310nm單模光纖通信系統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng) 1991： 1550nm單模光纖通信系統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng) 1995： 采用光放大器和波分復(fù)用采用光放大器和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的第四代技術(shù)的第四代 光纖通信系統(tǒng)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/光和光光和光/ 電的變換，電的變換， 而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過(guò)程中始而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過(guò)程中始 終以光的形式存在。終以光的形式存在。 2. 光纖通信光纖通信14第一章第一章 光纖通

9、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(diǎn)光通信的優(yōu)點(diǎn)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15光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：1. 容量大容量大 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(wàn)倍！光傳輸信息，理論上通信容量比微波大一萬(wàn)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(wàn)路萬(wàn)路電話：電話：7.57.5億路億路162.

10、 色散小色散小3. 損耗小損耗小4. 無(wú)中繼距離長(zhǎng)無(wú)中繼距離長(zhǎng) 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(qiáng)電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾，光纖不受強(qiáng)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(qiáng)，保密性好?？闺姶琶}沖能力也很強(qiáng)，保密性好。 17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(diǎn)光通信的優(yōu)點(diǎn)1.2

11、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18光電子器件的發(fā)展推動(dòng)了光纖通信的進(jìn)步光電子器件的發(fā)展推動(dòng)了光纖通信的進(jìn)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(shí)用光放大器的實(shí)用WDM技術(shù)技術(shù)光纖通信的進(jìn)步又促進(jìn)了光電子器件的發(fā)展光纖通信的進(jìn)步又促進(jìn)了光電子器件的發(fā)展u WDM技術(shù)：是實(shí)現(xiàn)高速、大容量光纖通信的有效方法技術(shù)：是實(shí)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(zhǎng)的光信號(hào)在同一根光纖上進(jìn)行傳輸?shù)淖尪嗖ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)在同一根光纖上進(jìn)行傳輸?shù)?技術(shù)。技術(shù)。 光

12、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)19光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性20 波分復(fù)用波分復(fù)用WDM和摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖放大器EDFA被認(rèn)為是光纖通信的代表被認(rèn)為是光纖通信的代表性技術(shù)，下面是性技術(shù)，下面是WDM+EDFA示意圖示意圖 21 全光網(wǎng)：全光網(wǎng)： 在全光網(wǎng)中，需要全光的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，如：在全光網(wǎng)中，需要全光的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，如： 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器全光波長(zhǎng)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 光再生光再生 等等等等22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

13、信的發(fā)展 1.1.2 光通信的優(yōu)點(diǎn)光通信的優(yōu)點(diǎn)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23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。輸出相干光，譜寬窄、輸出功率大、調(diào)制速率高。 適用長(zhǎng)距離、高速系統(tǒng)。適用長(zhǎng)距離、高速系統(tǒng)。24光調(diào)制器光調(diào)制器在外調(diào)制方式中采用，可避在外調(diào)

14、制方式中采用，可避免對(duì)光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性免對(duì)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(guò)率變化實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。的透過(guò)率變化實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。包括幅度調(diào)制器、相位調(diào)制包括幅度調(diào)制器、相位調(diào)制器和偏振調(diào)制器。器和偏振調(diào)制器。光調(diào)制器光調(diào)制器25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。26光放大器光放大器包括光纖放大器和半導(dǎo)包括光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器（體光放大器（SOA），），是一種對(duì)信號(hào)光放大的是一種對(duì)信號(hào)光放大的一種光器件。一種光器

15、件。摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器27光檢測(cè)器光檢測(cè)器在光纖通信中，所用的在光纖通信中，所用的光電檢測(cè)器是光電檢測(cè)器是光電二極光電二極管型的，管型的，實(shí)現(xiàn)把光信號(hào)實(shí)現(xiàn)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。光電二極管光電二極管28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(jī)輸主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連線路與其他光無(wú)源器件之間的連接。接。光連接器光連接器29光耦合器光耦合器光耦合器的功能是把一個(gè)光耦合器的功能是把一個(gè)輸入光信號(hào)分配給多個(gè)輸輸入光信號(hào)分配

16、給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。號(hào)組合成一個(gè)輸出。光耦合器光耦合器30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(gè)方向傳輸，允許光波往一個(gè)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31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(gè)端口?；蛩膫€(gè)端口。光環(huán)行器光環(huán)行器32231234(a) 三端口(b) 四端口

17、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33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(cè)試和其他測(cè)試系統(tǒng)的特性測(cè)試和其他測(cè)試中，是對(duì)光功率有一定衰減中，是對(duì)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，可以分為固定衰減器變化，可以分為固定衰減器和可變衰減器。和可變衰減器。光衰減器光衰減器34光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器將不同光源波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一將不同光源波長(zhǎng)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。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(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為個(gè)

18、別波長(zhǎng)分別輸出的器件稱分波器。為個(gè)別波長(zhǎng)分別輸出的器件稱分波器。有時(shí)同一器件既可作分波器，又可以作有時(shí)同一器件既可作分波器，又可以作合波器。合波器。35光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)用于切換光用于切換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，提高路，實(shí)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(jī)械光開(kāi)關(guān)和非機(jī)械分機(jī)械光開(kāi)關(guān)和非機(jī)械光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)36全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)把信息從一個(gè)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)把信息從一個(gè)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)上，可以避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，提高網(wǎng)絡(luò)的有效性。長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換器基本上都是利用某種

19、光學(xué)介質(zhì)的高速非線全光波長(zhǎng)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(lái)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)、性效應(yīng)來(lái)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。四波混頻效應(yīng)、交叉偏振調(diào)制效應(yīng)等。37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(duì)每一種碼型來(lái)說(shuō)，都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不可避免的缺點(diǎn)，它對(duì)每一種碼型來(lái)說(shuō)，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。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(lái)實(shí)現(xiàn)的。線性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 碼型轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)