1、集成光電子器件第1頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四1 李 培 麗Email：仙林校區教師公寓3棟4單元208第2頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四2第一章 光纖通信與光電子器件1.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第3頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四31.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第一章 光纖通信

2、與光電子器件第4頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四41.1.1 光通信的發展光通信的定義：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光電話是現代光通信的雛型第5頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四5第6頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四6 1960年，美國人梅曼發明紅寶石激光器，獲得高強的、 頻率和相位都穩定的相干光激光。 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

3、條件的影響沒有進展。 （現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： 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； 信道：以大氣作為傳輸介質，損耗非常大，同時自然界的氣象條件千變萬化，對光信號的干擾很大。第7頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四7 1966年，英籍華裔學者高錕發表論文，認為只要設法降低 光纖中的雜質，可以使光纖損耗降為20dB/km。 實際上，人們早就利用光纖了。利用光波導的原理，人們制造了胃鏡，可以觀測1米左右的距離。 在60年代，最好的光纖損耗也在1000dB/km以上。 10dB/km 1/

4、10； 20dB/km 1/100； 1000dB/km ？由1000dB/km 20dB/km，高錕的論文非同尋常！ 他指明通過“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”這一發展方向第8頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四8光纖之父高錕1998年在英國接受IEE授予的獎章第9頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四9 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4 dB/km； 1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖

5、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0.47 dB/km(波長1.2m)； 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 dB/km； 1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。 第10頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四10光纖損耗譜特性第11頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四11 1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后，研制成功室溫下連續振蕩

6、的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發展奠定了基礎； 1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時； 1976年，日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器； 1977 年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時； 1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為1.55 m的連續振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術進步，使 1970 年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。第12頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四121980： 8

7、50nm多模光纖通信系統1983： 1310nm單模光纖通信系統1991： 1550nm單模光纖通信系統1995： 采用光放大器和波分復用(WDM)技術的第四代 光纖通信系統全光網：是指信號只是在進出網絡時才進行電/光和光/ 電的變換， 而在網絡中傳輸和交換的過程中始 終以光的形式存在。 2. 光纖通信第13頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四13第一章 光纖通信與光電子器件1.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第14頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25

8、分，星期四14光纖通信的優點：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：7.5億路第15頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四152. 色散小3. 損耗小4. 無中繼距離長 5. 資源豐富 光纖的主要成分是SiO2，資源十分豐富。 電纜的主要成分是Cu、Al等有色金屬，資源有限。6. 防干擾性能好 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。 第16頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四16第一章 光纖通信與光電子器件

9、1.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第17頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四17光電子器件的發展推動了光纖通信的進步 激光器的發明 低損耗光纖的研制成功 光放大器的實用WDM技術光纖通信的進步又促進了光電子器件的發展 WDM技術：是實現高速、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的 技術。 光分/插復用器(OADM) 光交叉連接器(OXC)第18頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四18光纖損耗譜特性第19頁

10、，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四19 波分復用WDM和摻鉺光纖放大器EDFA被認為是光纖通信的代表性技術，下面是WDM+EDFA示意圖 第20頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四20 全光網：是指信號只是在進出網絡時才進行電/光和光/電 的變換， 而在網絡中傳輸和交換的過程中始終 以光的形式存在。 在全光網中，需要全光的器件來實現各種功能，如： 全光波長轉換器 光碼型轉換器 光邏輯門 光再生 等等第21頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四21第一章 光纖通信與光電子器件1.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的

11、優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第22頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四22半導體光源 發光二極管（LED）： 輸出非相關光，譜寬寬、輸出功率小、調制速率低。 適用短距離、低速系統。 激光二極管(LD): 輸出相干光，譜寬窄、輸出功率大、調制速率高。 適用長距離、高速系統。第23頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四23光調制器在外調制方式中采用，可避免對光源直接調制產生線性啁啾的限制。調制器一般用電光效應或聲光效應使折射率改變，或用磁光效應使光的透過率變化實現光調制。包括幅度調制器、相位調制器和偏振

12、調制器。光調制器第24頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四24光纖（纜）是光纖通信系統中光波傳輸的媒體。第25頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四25光放大器包括光纖放大器和半導體光放大器（SOA），是一種對信號光放大的一種光器件。摻鉺光纖放大器第26頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四26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，實現把光信號轉換為電信號的功能。光電二極管第27頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四27光連接器是光纖與光纖之間的連接器件，主要用于光纖線路與光發射機輸出或光接收機輸入之間

13、，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。光連接器第28頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四28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。光耦合器第29頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四29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。光隔離器第30頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四30光環行器光環行器是多端口的隔離器。主要用于光分插復用器。典型的環行器一般有三或四個端口。光環行器第31頁，共43頁，2022年，

14、5月20日，1點25分，星期四31231234(a) 三端口(b) 四端口1三端口和四端口的環行器第32頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四32光衰減器光衰減器主要用于光纖通信系統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。光衰減器第33頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四33光波分復用器/解復用器將不同光源波長的信號結合在一起經一根傳輸光纖輸出的器件稱為合波器。經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。第34頁，共43頁，2

15、022年，5月20日，1點25分，星期四34光開關光開關用于切換光路，實現光交換，提高光網絡的靈活性和有效性。分機械光開關和非機械光開關光開關第35頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四35全光波長轉換器 全光波長轉換器實現把信息從一個波長上轉換到另一個波長上，可以避免網絡阻塞，提高網絡的有效性。 全光波長轉換器基本上都是利用某種光學介質的高速非線性效應來實現的，如交叉增益調制效應、交叉相位調制效應、四波混頻效應、交叉偏振調制效應等。第36頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四36光碼型轉換器 在通信中，有NRZ、RZ、DPSK、FSK、PolSK等碼型，對

16、每一種碼型來說，都有自己的優點和不可避免的缺點，它們適用于不同的網絡范圍和工作速率。 光碼型轉換器基本上也都是利用某種光學介質的高速非線性效應來實現的。 碼型轉換器可以實現不同碼型之間的轉換，提高光網絡的有效性和靈活性。 第37頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四37光邏輯門 全光邏輯器件可以實現光的各種邏輯功能。 全光邏輯器件也基本上都是利用某種光學介質的高速非線性效應來實現的。 光邏輯器件可應用到信頭處理、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點功能上，是超快全光信號處理技術中的一個關鍵組成部分。 第38頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四38第一章 光纖通信與光電子器件1.1 光纖通信 1.1.1 光通信的發展 1.1.2 光通信的優點1.2 光纖通信用光電子器件 1.2.1 光電子器件 1.2.2 光電子器件的發展第39頁，共43頁，2022年，5月20日，1點25分，星期四39光電器件的