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1、1,第一讲 概述,光子学概述全光网络光器件分类,2,一、光子学,21世纪是信息时代信息发展趋势各国政府对发展光子产业定位迈向光子学和光子技术时代光子与光子学技术发展前景,3,21世纪是信息时代（2）,信息发展的特征：以多媒体化和数字化。信息量：2 kB/A4文件;40 kB/A4黑白照片;5 MB/A4彩色照片;一分钟的VHS（Video Home System）质量的全活动图像约为10 MB;放一分钟的广播级的FMV(Full Motion Video)就约为40 MB。,4,21世纪是信息时代（3）,21世纪进入 3T 时代：太位的超高容量信息(Tb，即1012 bits)；每秒太位的超高
2、速信息流(Tbs)；高频响应(THz)。,5,信息技术的发展趋势（2）,目前信息技术的主要支撑技术：电子技术，特别是微电子学技术；发展中的光电子学：信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成，已应用在光电信息处理、光通信、光存储和光电显示技术；光子学技术正在倔起：美国认为“光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和潜力”，“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。,6,各国政府对发展光子产业定位（1）,美国商务部指出：“90年代，全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光子产业方面取得主 动权，谁就将在21世纪的尖端科技的较 量中夺魁”。在德国，政
3、府已确定光子学 是本世纪初“对保持德国在国际技术市场 上的先进地位至关重要的关键技术之一”。在日本有评论认为21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业”。,7,各国政府对发展光子产业定位（2）,我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大珩等四位专家倡导的“863计划”之后，在此基础上开始了“973计划”，这两个高科技计划的重点是光电子产业。据国家统计资料显示，21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业”。,8,迈向光子学和光子技术时代,人类创造的现代科技发展图,
4、光子学欣欣向荣，与电子学比翼双飞；,9,光子技术破门而出,电子作为信息和能量的载体对20世纪文明社 会的发展作出了巨大的、奠基性的贡献，然而电子(或微波、无线电波)技术受到电荷性、带宽、互扰等 固有物理特性的限制，已很难满足“3T”的需求由 于光子或光波不存在传输瓶颈效应，带宽比电磁波 大103倍，响应速度比电子快3个数量级，有高度并 行处理的能力和高度的抗扰性因此，光子代替电子 或微波作为信息和能量的载体是现代信息化社会的 必然选择，光子技术将成为21世纪信息化社会的另 一主要支柱,10,电子学与光学(电子与光子)比较（1）,电子学，在20世纪中大展鸿图：雷达微波通信卫星通信的出现：半导体微
5、电子学、大规模集成电路技术、电子计算机的发明：光纤通信的出现，它与电子计算机结合，使人类进入了信息社会光学，在21世纪中前景灿烂：光波波长范围由x射线紫外可见光、直到红外等波段；光波波长短频率高总带宽宽，因而分辨力高光的速度快，因而处理速度快：光由于其并行性，串音小、不受干扰以及能在空间互连光波波段(例如红外)抗干扰性好，具有高度隐蔽性,11,电子学与光学(电子与光子)比较（2）,光子学与电子学相互依赖、相互渗透，许多概念理论和原理是相互借鉴的在信息社会中，电子(学)和光子(学)比翼双飞光学，明天更辉煌写在北京理工大学光电工程系建系50周年，周立伟，2003.,12,光学与光子学的未来,如果把
6、光比作大海，无边无际，我们对光和光子的认识和知识仅仅是“沧海一角”而已人类社会的进展期待光学和光子学、光学(光子学)不应是配角昨天的光学成就非凡，今天的光学 欣欣向荣，明天的光学将更加辉煌,13,光子学,目前对光子学的研究内容、范围及对其理解还没有统一的认识，但以光子为信息载体，研究包括光与物质(光子与光子、光子与电子)的相互作用及能量转换等问题是学科的基本内容，研究内容和范围可与电子学作类比关于光子学与光电子学二者之间的关系和联系，国际光学界的人士认为：“光子学是物理学的两大分支电子学与光学的融合，这种融合的初期产物是光电子学，而其发展的更高级形式则是光子学”光子学(photonics)涵盖
7、了光电子学，已逐步取代photoelectronics和optoelectronics(中文都译为光电子学)，也取代了70年代常用的电光学(electro-optics)名词这种认识的原因主要是从本质上说光子是起主导作用的,14,光子学与光子技术优越性,优点是：响应速度快。光开关器件的响应速度的理论值可达fs量级，而目前电子器件及其系统的响应时间最快达到ns量级，前者比后者几乎高出6个数量级以上 传输容量大 光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，一路微波通道可传送一路彩色电视或1 000多路数字电话信号，一根光纤则可同时传送1千多万甚至1亿路电话 存储密度高 利用光的相干性，三维全息技术可以
8、把1 000部10万字的书籍存储在不到1 cm3的介质中，书桌上的图书馆不再是遥远的梦想 处理速度快 由于光的频率高，故可高速传递信息，而且利用多重波长，信息二维并列传送等，可同时并行处理二维信息，易于三维并行互连及并行处理，特别有利于图像信息的处理与传输 微型化、集戊化 由于光波波长短，光子信息系统的几何尺寸大大缩小,15,光子与光子学技术发展前景（1）,光学与光子学：孕育着新的突破 半导体量子阱(线，点)光电子器件和光纤器件仍将是进一步发展信息光电子技术的基础，但以光子晶体和有机高分子材料为基础的光电子器件可能引发光电子技术的又一次革命光子技术进 入微电子芯片中，摆脱电子回路的“瓶颈”极限
9、，协同电子在芯片内、外高速安全地传递高速逻辑运算的 信息，从而使电子计算机的运算速度成万倍地提高。,16,光子与光子学技术发展前景（2）,科学研究方面：量子光学与信息科学的交叉正在形成光量子信息科学。以光子作为信息载体的量子通信能够提供其安全性由物理定律所确保的，不可破译、不可窃听的量子密码体系以20世纪的伟大科学成就量子理论和信息科学的结合为标志的这场革命可能使诸如量子计算机、量子通信、量子密码、量子信息编码与译码、量子信息网络等令人耳目一新的概念转变为全新技术。光孤子的形成与传输以及未来全光通信网中的光子交换器件等。,17,光子学主要学科领域,1、光子理论 主要研究光子的本性、光子态、光孤
10、子、光压缩态、腔量子电动力学、激光理论、量子光学等，为分析处理光子学中的各类问题提供理论基础。2、信息光子学 研究光子信息处理和存储，光纤光子学，光波导，光通讯，光纤放大器，波分复用技术和器件，光开关以及光计算等,18,光子学主要学科领域（2）,3、瞬态光子学 研究超快脉冲的产生，超快非线性光学，超快光脉冲与物质的相互作用，超快诊断技术等4、固态光子学 主要研究光子与物质相互作用5、生物医学光子学 主要研究光子与生物体的相互作用，生物系统的超微弱光子辐射，生物体特性的光子学探测和诊断，如OCT成像以及光子医疗等6、集成光学与微结构光子学 主要研究超晶格量子阱的特性，光子微腔，量子尺寸效应，介质
11、光栅，周期极化与准相位匹配，光电集成，开拓超小型化光子器件,19,光子学主要学科领域（3）,7、光子源 研究新型可调谐激光器，激光的全固化和小型化发展蓝绿光半导体激光器及LED器件等8、非线性光子学 研究光与物质的非线性相互作用，光频变换，光波耦合，光学孤子，光混沌，光学材料的非线性特性的测量及应用9、光子探测器 研究高灵敏的光探测器，快速响应的光探测器，CCD成像器件等,20,光子学主要学科领域（4）,10、光显示 研究液晶显示器，有机电致发光器件及等离子体显示器等11、光子学材料 光子学材料包括激光工作物质，非线性光学材料，光电转换材料，光存储材料，光子显示材料，光传输材料如光纤光波导，半
12、导体超晶格量子阱材料，光子学微结构与光子晶体材料这些材料的种类繁多，包括无机有机半导体，铁电体，生物等这些光学材料是光子学和光子技术发展的基础，也是光子器件的基础,21,光子学主要学科领域（5）,12、太阳能利用 太阳热能利用如太阳能热水器和取暖技术及装置、太阳能光伏器件的制备和使用。,22,光子产业的分类和内容,有些科学家预言：光子技术将引进一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击”也有人认为21世纪是光子时代”光子学技术在各个领域的泛应用，促进了光子器件和整机产品市场发展，从而形成了光子产业面对光子产业的美好发展前景和竞争，国内若干个城市和地区也看准了光子产业
13、这个市场，抓住机遇，投入大量的人力和财力，建设光电子产业基地“光谷”过去，美国的“硅谷”在电子技术和产业的发展中取得令人瞩目的成就，人们希望借鉴“硅谷”这一模式发展光子产业武汉上海长春广州深圳等地相继建立了“光谷”或光电子产业园区,23,光子产业的光子技术基础（1）,现在光子技术的主要领域为:1、光子产生、控制技术激光器件,光调制,光放大,光开关,光耦合,滤波,锁相,光互联等2、光子传输技术光纤的制备与应用,波分复用器件,光纤传感,有源与无源光波导技术等3、光信息处理技术光计算,光互联,光加密与识别,激光测距,光制导等,24,光子产业的光子技术基础（2）,4、光子存储技术高密度光存储技术,三维
14、光存储5、光子探测与分析技术光电探测技术,遥感技术,光谱分析与计量技术6、光子显示技术三维全息显示,液晶显示、场致发光与发光二极管等,25,另外一种分类,能量光电子:工业激光设备,激光材料处理,激光医疗设备,激光元器件,激光测量仪器消费光电子:光存储,光传感,光显示,数码相机,新型光源信息光电子:光纤光缆,光通信器件与光集成,光通信系统设备,IP网络及设备,移动通信系统及设备军事光电子:,26,军事光电子,光电子技术广泛用于侦察、识别、预警、反隐形、跟 踪、制导、火控、导航、模拟训练、信息处理、光电子对抗等。军事光电子技术主要包括激光、红外光、可见光 三个技术领域。用于激光制导，制导精度高、抗
15、干扰能力强、操作简便；用于激光通信，信息容量大、通信距离远、传输损耗低、保密性强；用于激光测距，测距快速、准确、无盲区；用于激光侦察，可识别伪装目标。制成各种激光武器。用于保障非合作目标识别和战术目标自动识别的热像仪用于演示灵巧武器保障战术目标自动识别功能的双波段光电引导头和超高速武器红外引导头。在激光雷达技术方面，正在研制以识别直升机为目标的激光振动传感器、化学战剂遥感用的红外激光雷达、有效识别真 假侵入目标的激光雷达等。,27,光子产业的分类,28,光通信产业,包括：1、各种规格的光纤和光缆，包括各种掺杂光纤、特殊结构光纤（保偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光纤、大孔径光纤等）、光子晶体光纤
16、和塑料光纤；2、各种有源器件（激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、接收模块等）和无源器件（耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环形器、连接器、光互联、光分叉复用、光波分复用以及包含这些功能的各种集成光子器件等；3、各种光通信测试仪器（功率计、波长计、光纤光谱分析仪、宽带放大器、反射信号测试仪、信号发生器、通信信号分析仪等）与光纤加工设备（光纤拉制机、光纤熔接机、光纤熔融拉锥机、光纤刻蚀机、光纤抛磨机）4、光通信系统（时分复用、波分复用）和光网络系统（远程网、城域网、接入网）,29,光信息产业,1、光电子元件（发光器件，感光器件，CMOS图像传感器、光纤光栅传感器、和太阳能电池。2、光显示器，
17、薄膜晶体管-液晶显示器，发光二极管显示器、等离子体平板显示器、场致发射显示器，数字微透镜或光纤阵列显示器，各种投射设备。3、光信息输入/输出设备，包括激光照排系统、激光复印机、激光打印机、传真机、图像扫描仪，条码扫描器和数码相机4、光存储器件,光盘和激光全息存贮设备等5、照明，包括装饰照明、城市和旅游景点、商业娱乐、交通指示灯照明。半导体照明在发展中。,30,传统光学产业,光学主视仪器、光学相关仪器、光谱仪器、以及光学材料产业、光学零部件加工产业、光学精密抛磨加工设备、镀膜设备、微小光学元件加工设备,31,激光器和激光应用产业,如固体、气体、化学、等离子体等激光器制造业，半导体激光阵列、光纤激
18、光器和玻璃激光器等激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺,32,国内现状,2000国内情况产值规模估计100亿美元排名前五名的城市：深圳293亿元，上海210亿元，武汉187亿元，广州120亿元，长春70亿元2004年国内达到280亿美元,33,全球各类光子产品趋势,世界光电子产业中，光存储、光显示和光电子的应用日渐活跃，半导体发光二极管在全色显示和手机背光照明灯产品中大量应用。专家预测光伏发电将在21世纪前半期成为重要的能源之一。世界光伏产业以每年30%以上的增长率保持高速发展。现在，白光
19、LED的发光效率还不足以取代传统荧光灯照明，专家预测在2015年前后，半导体照明的跨越式发展即将来临。2000年以前，CRT显像管技术在显示器市场上一直占有主导位置，但从2002年开始平板显示器的市场份额开始超过CRT显像管，2005年平板显示器和CRT显像管的市场份额分别为694亿美元和99亿美元，预计2010年，两者的市场份额将分别是1132亿美元和27亿美元，差距进一步拉大。,34,未来发展,呈现4C+E，向Computer,Consumer,Communication,Car,Energy领域延伸目前主要是光电子产业（第一类光子产业），全光子产业（第二类光子产业）的产品为数不多，很多还
20、在实验室阶段（如全光开关).我们相信，伴随全光通讯和光计算机，这些产品将会逐渐取得主导地位。,35,全球首次实现硅光子数据连接 速度达每秒500亿比特,据美国物理学家组织网7月28日（北京时间）报道，美国英特尔公司宣布其在全世界首次实现硅光子数据连接，数据传输速度高达每秒500亿比特（50Gbps），目前，他们正朝着实现每秒1万亿比特（1Tbps）的目标迈进。英特尔公司首席技术官、实验室主任贾斯廷拉特勒表示，此项成果是该公司在硅光学通信领域取得的里程碑式的进展。结果证实，在未来的电脑中，光束可代替电子来传输数据，研究人员可用超细超轻的光纤替代铜线，让计算机在更长的距离传输更多的数据，从根本上改
21、变未来电脑的设计模式，以及未来数据中心的构建方式。,36,乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海！愿各位光学专业的各学子在未来光子产业中大显身手，成为时代的弄潮儿！,37,二、全光网络概念,所谓全光网络，是指网络中直到用户端节点之间的信号通路仍保持着光的形式，即端到端的链路中间没有光电传换。三网合一,38,通信系统简介,39,频率 Hz,通信波段划分及相应传输媒介,40,通信网络的发展阶段,第一阶段：全电网络第二阶段：电光网络：光纤取代电缆；第三阶段：全光网络：,41,光纤通信系统的发展,光纤通信系统的发展,42,实用光纤标准,G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光
22、纤，第一代SMF，在波长1.31 m处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55 m色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55 m损耗最小的SMF，1.31 m处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。,43,全光网络的特点,1、全光网通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式具有透明性的优点。透明性是指网络中的信息在从源地 址到目的地址的过程中，不受任何干扰。由于全光网中信号的传输全在光域中进行，信号速率、格式等仅受限于
23、接收端和发射端，因此全光网对信号是透明的。2、全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。3、全光网络具备可扩展性，即新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。网络可同时扩展用户、容量、种类。4、全光网还具备可重构性，可以根据通信容量的需求，实现恢复、建立、拆除除光波长连接，即动态地改变网络结构，可为突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。5、由于全光网比现有的网络多了一个光网络层，而光网络层中的许多光波器件是无源器件，因而可靠性高，而维护费用降低。,44,全光网络结构,45,全光网络的主要技术,光多址技术全光交换光插/分复用光交叉连
24、接波长变换信道争夺解决技术数据信号的同步技术前端识别技术全光信息再生技术网络管理和控制技术,46,全光网络的关键光器件,光源光纤放大器波分复用器/解复用器光开关和光开关阵列光交叉连接器全光波长变换器,47,全光网络计划进程,48,光通信地图,49,三、光无源器件功能和分类,光器件主要应用光器件的分类,50,光器件主要应用,51,光器件：光通信网络的基础,52,多波长光源DWDM光调制器光隔离器光耦合器光波长转换,光放大DWDM光色散补偿光隔离器光环行器,光波长转换OADMDWDM光隔离器光环行器光开关,可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光调制解调,光器件在光网络中的应用,53,光器件与电器件的类
25、比,54,光器件的分类,光电变换器件光开关器件光调制器件光放大器件光色散补偿器件光网络器件,55,光调制器件,幅度调制机械调制电光调制直接调制电吸收光调制(EA)相位调制偏振调制,56,光色散补偿器件,色散控制色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤大有效截面单模光纤色散平坦单模光纤色散补偿色散补偿光纤模块半导体光放大器(SOA)色散补偿光纤光栅色散补偿色散管理,57,光网络器件,光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜）光连接器与光耦合器光隔离器与光环行器光滤波与光波分复用器件光起偏器与偏振控制器光波长转换与光波长路由器件光调制解调器（Modem）光衰减器与光延时器件光开关与光交叉连接器件微光电机械芯
26、片,58,光有源和无源器件,按是否需要外加能源驱动工作分：光有源器件光无源器件,光电子器件类型（通信）,有源,无源,59,光有源器件,定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光开关/路由器,60,光无源器件,定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,61,光无源器件分类,1、光无源器件的功能连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关,复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓存、存储逻辑处理,62,2、按功能分类,光连接器件光耦合器件光隔离器件光开关器件光滤波器件光复用器件光调制器件光编码器件,光交换器件光存储器件光逻辑器件,63,3、按结构类型分,光纤器件光纤光栅器件平面波导器件微光机械器件集成器件,
