光电子技术-光纤概论
《光纤通信概论》课件
本课程探讨光纤通信的定义、原理、应用领域、优势、挑战、发展历程、基 本元件、系统组成和未来趋势。
定义和原理
1 定义
2 原理
光纤通信是利用光信号在光纤中传输信息 的通信方式。
光在光纤中的传输是通过光纤芯与包层的 不断反射实现的。
3 优势
4 应用领域
传输量大、速度快、距离远、抗干扰能力 强、安全可靠。
光纤通信开始向更高速度、更大带宽、更小尺 寸、更低成本方向发展子力学原理实现通信，具有超高安全性。
2
光互联
采用光模块、光二极管、光收发器等新元器件实现多种设备之间的高速光纤传输。
3
光计算
将光信号作为信息处理和存储的媒介，实现高速计算。
优势和挑战
优势
• 传输速度快、带宽宽 • 信号传输距离远、抗干扰能力强 • 信号安全可靠、节省能源
挑战
• 光纤制造成本高 • 光纤连接技术成熟度有限 • 光纤传输信号需要光发射器和光接收器
等元器件，仍需进一步提升性能和小型 化。
结论
光纤通信是未来通信技术的发展方向，尽管仍然存在一些技术和经济方面 的挑战，但光纤通信的优势和潜力使其具有无限的发展前景。
将不同的光信号进行分离 或合并，实现多路光信号 传输。
光纤跳纤盒
用于连接和调整光纤线路 组合。
光纤通信的发展历程
1960s
研制光导纤维，形成基本技术。
1970s-1980s
核磁共振、聚变、半导体、通讯等领域开始使 用光导纤维。
1990s-2000s
全球互联网的广泛应用推动了光纤通信技术的 发展。
2010s- 至今
通讯、制造业、娱乐、医疗、国防等领域 均有广泛应用。
基本元件和系统组成
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光电⼦技术光电⼦技术题型:1，缩略词5分2，填空题5题共10分（基本概念、常识性）3，选择题10题共20分（综合性题⽬）4，简答题7题共35分（不要⼀句话解决）5，计算题+画框图（作图并说明原理）3题共30分考点：绪论1，光电探测器系统的组成：掌握主动探测系统以及被动探测系统的框图P2 举例-主动：光纤通信被动：红外夜视仪第⼀章光辐射源1.1辐射度学与光度学的基础知识1，光的能量公式P11（1-1）2，两套基本单位（辐射度量、光度量）辐射度量特点：与物理学中对电磁辐射量度的规定完全⼀致，适⽤于整个电磁波谱（当然也包括可见光）光度量特点：以⼈的视觉特性为基础⽽建⽴起来，只适⽤于可见光波段。
3，可见光范围：0.38~0.78um红外光范围：约从0.78um向长波⽅向延伸⾄1000um紫外光范围：约从0.38um向短波⽅向延伸到0.01um4，光度量和辐射度量之间的换算关系P15（1-13）坎[德拉]:发光强度的单位5，辐射度学和光度学中的两个基本定律①辐强度余弦定律②距离平⽅反⽐定律1.2半导体的基础知识1，吸收定律P22（1-29）2，本征吸收与⾮本征吸收的区别是什么？①杂质吸收光⼦的截⽌波长⼤于本征吸收的截⽌波长②本征吸收能同时产⽣电⼦-空⽳对；杂质吸收只能产⽣电⼦或空⽳。
1.3⿊体辐射1，什么是⿊体能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对⿊体－－简称⿊体。
2，研究⿊体辐射的意义⿊体是各种辐射体和物质吸收（发射）特性的⽐较基准。
1，⿊体模拟器2，近似⿊体，如太阳、地球、海⽔······ 3，⽤⿊体某些特性表征光源和辐射体。
3，⿊体辐射中的定律普朗克辐射定律：⿊体光谱辐出度与波长和温度的关系---随着温度的升⾼：1，⿊体的总辐出度迅速增加2，峰值波长向短波⽅向移动维恩位移定律：⿊体辐出度峰值对应的波长与⿊体的绝对温度的乘积为⼀定值P31（1-58）斯蒂芬-玻⽿兹曼定律：⿊体的全光谱辐出度与其温度的4次⽅成正⽐P31（1-59）1.4典型光辐射源1，⾊温如果热辐射光源发光的颜⾊与⿊体在某⼀温度下辐射光的颜⾊相同，则⿊体的这⼀温度称为该辐射源的⾊温。
光电子技术——光纤与光纤技术简介56页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
光电子技术——光纤与光纤技术简介
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
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光电子技术基础
光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。
光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。
光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。
通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。
显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。
能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。
生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。
微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。
智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。
绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。
跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。
具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。
热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。
具有高效、节能、长寿命等优点。
气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。
具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。
固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。
光电子技术概论
§1、问题的提出及概述
•什么是“光电子学”； •什么是“光电子技术”； •什么是“光电子技术基础”；
光电子技术
光通信
无线光通信
量子通信
宽带、高速、长距离（干线，点对点）
城域网
无线接入网
光传感
光纤传感
医疗诊断
生物信息
环境监测
安全监测
其它：光盘、存储、条形码、加工、武器……
波分复用光通信系统
Wavelength Division Multiplexing (WDM)Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
➢ 将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子 学所不可能产生的许多新功能。
➢
以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来
完成 ——光电子学，研究光子与束缚电子的
相互作用，是光子学的第一个阶段。
➢ 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是 继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明
➢ 计算机延伸了人的大脑 而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
光电子技术
ELECTRONIC TECNOLOGY
本书主要内容
绪论 第1章 光电系统中的常用光源 第2章 光辐射的调制 第3章 光辐射探测器 第4章 光电成像器件 第5章 光存储器 第6章 平板显示器件
绪论
➢ §1、问题的提出及概述 ➢ §2、光电子学与光电子技术简介 ➢ §3、 光电子信息产业的重要性 ➢ §4 、光电子技术的应用 ➢ §5 、本课程的主要内容 ➢ §6 、本课程学习方法、要求
信号
λ1
发射机
光放大器
λ1
功放
预放
λn 复用器
光通信：光波频率~ 1016Hz, 允许高频调制，
光纤讲义.ppt
光纤材料的变化关系
D=DM+DW
17ps/nm.k m@1550nm
零色散 波长
43
偏振模色散
▪ 在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂
直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使 这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏 振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏 振模色散(PMD) 。
36
光纤的色散
色散的基本概念 色散的种类及其产生原因
37
色散的基本概念
▪ 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于
不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
▪ 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离
和容量。
▪ 色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不
33
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处
于同一量级，由于衍射
效应，模场强度有相当
一部分处于包层中，不
易精确测出2a的精确值，
因而只有结构设计上的
意义，在应用中并无实
2w
际意义，实际应用中常
用模场直径2w，即光
斑尺寸表示，近似为：
2a
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
W a 0.69 1.1619V 3 2 2.879V 6
n1 n11 n12 n13 n2
14
光线理论
理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
(z) Asin
2 a1
Z
n 2 光在渐变光纤
以不同角度入
n1 射的光线族皆
光纤通信概论课件
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光纤放大技术
总结词
简化网络结构
详细描述
光纤放大技术简化了网络结构，减少了中继 站的数量，降低了网络的复杂性和成本。这 有助于提高网络的可靠性和可维护性，降低 运营和维护成本。
光纤放大技术
总结词
推动光网络发展
详细描述
光纤放大技术是推动光网络发展的重要支撑 技术之一。它促进了光网络的规模应用和发 展，使得光网络成为现代通信网络的主流技
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，会绕过障碍物或孔隙继续传播的现象。 衍射是光波的波动性的另一重要表现，它也是光学仪器和光通信中常用的技术手 段。
光的全反射
• 光的全反射：当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大 于某一临界角，光波将在界面上完全反射回光密介质，而不能 进入光疏介质的现象。全反射是光纤通信中的重要原理之一， 它使得光波能够在光纤中实现低损耗、长距离的传输。
光纤通信面临的挑战
技术成熟度
虽然光纤通信技术已经取得了长 足的进步，但在一些特殊环境和 应用场景中，技术成熟度仍需进
一步提高。
成本与投资
光纤通信系统的建设和维护成本较 高，需要大量的资金投入，同时也 需要探索更加有效的商业模式。
网络安全与隐私
随着光纤通信网络的普及，网络安 全和隐私保护问题也日益突出，需 要加强技术和管理措施，保障网络 的安全和用户的隐私。
军事领域
光纤通信在军事领域中具有保 密性好、抗电磁干扰等优点， 广泛应用于军事通信。
企业和校园网络
光纤通信也广泛应用于企业和 校园网络的建设，提供高速、 稳定的数据传输服务。
02
光纤通信系统组成
光源和光发送机
光源
光电子技术——光纤与光纤技术简介ppt课件
1999年
人均敷设光纤
4.5 米
人均敷设光纤
80 米
至 1999 年底
中国人均光纤拥有量 20 米 美国人均光纤拥有量300 米
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48
速率
100G 10G 1G
100M 10M
单信道传输速率向40G更高发展
Short Wave
DFB Long Wave
光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数所决 定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式 而不会改变模式的固有性质。
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7
1. 光 纤 简 介
•单模与多模光纤
单模光纤
精选PPT课件
阶跃型多模
8
1. 光 纤 简 介
•光纤几何尺寸
★ 芯径
单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
MQW External Mod.
WDM
W32 '98 W16 '97
W8
10G
FA-10G
'96
'92
'95 s-in
F-32M '78
‘80
F-100M '78
实验室设备
F-1.6G '85
F-400M '82
C-140M '81
C-565M '86
90M '80
45M '78
D-405M '83
G.652
G.655
精选PPT课件
多模
11
1. 光 纤 简 介
•光纤通信原理
光纤通信采用数字通信原理。
光电子技术简介
光电子技术简介光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，它利用光的性质传输、控制和处理信息。
随着信息技术的不断发展，光电子技术在通信、显示、数据存储等领域得到了广泛的应用，并且逐渐成为了推动科技进步的重要支撑。
一、光电子技术的基本原理1. 光的本质光是电磁波的一种，具有波粒二象性。
光电子技术利用光的波动和粒子性质，通过光的电离、散射、吸收等过程与电子相互作用。
2. 光电效应光电效应是光与物质发生相互作用时，电子从物质表面或内部被激发并释放出来的现象。
这种现象是光电子技术的基础，也是实现光电子器件的核心原理。
3. 光电子器件光电子器件是指利用光的电离、散射、吸收等效应，将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的器件。
常见的光电子器件包括光电二极管、光敏电阻、光电晶体管等。
二、光电子技术的应用领域1. 光通信光通信是利用光信号传输信息的通信方式。
相比传统的电信号传输方式，光通信具有传输速率高、带宽大、抗干扰性强等优势，被广泛应用于长距离传输和高速数据传输领域。
2. 光显示技术光显示技术主要包括液晶显示、有机发光二极管（OLED）显示等。
光显示技术通过控制光的强弱、颜色等来实现图像和文字的显示，广泛应用于电视、手机、平板电脑等消费电子产品中。
3. 光存储技术光存储技术利用光的非接触性、高密度存储等特点，实现数据的读写、存储和擦除。
光存储技术能够实现更大容量和更快速度的数据存储，被广泛应用于光盘、蓝光光碟等介质。
4. 光电子传感器光电子传感器利用光的散射、吸收等特性，将光信号转化为电信号，实现对环境的检测和测量。
常见的光电子传感器包括光电二极管、光电晶体管、光纤传感器等。
三、光电子技术发展趋势与挑战1. 高速与高频随着通信和数据传输需求的增加，光电子技术需要不断提高传输速率和工作频率，以满足高速、高频的需求。
2. 小型化与集成化光电子器件的小型化与集成化是发展的趋势。
研究人员正在努力将光电子器件集成在芯片上，实现更高的性能和更小的尺寸。
光电子技术在光纤通信中的应用
光电子技术在光纤通信中的应用随着科技的不断进步与发展，光电子技术作为一种新兴的技术手段，已经快速地被广泛地应用于光纤通信领域。
光电子技术可以将光信号与电信号进行转换，并进行去噪、放大、增强等一系列处理，以提高光纤通信质量和传输速率。
本文将会详细探讨光电子技术在光纤通信中的应用。
光电子技术介绍光电子技术是一种将光信号和电信号相互转换的技术。
通过将光信号转化为电信号或者将电信号转化为光信号实现信号传输，在光通信、光存储、图像处理、激光雷达、医疗仪器、工业制造、光电控制等领域均有广泛的应用。
尤其是在光纤通信领域，光电子技术发挥了极其重要的作用。
光电子技术在光纤通信中的应用1. 光纤传感器光纤传感器是一种通过测量光学信号的变化，来检测物理量、化学量等量值的传感器。
它利用了光信号传输特性中的可调制、弱耦合等特点，以及光纤的机械特性、光电探测技术等优点，具有高灵敏度、可靠性高、传输距离远、不受电磁干扰、对环境影响小等优点。
它能够被广泛地应用于通信、能源、医疗、环保等领域中，例如：在油井中应用光纤传感技术，能够实现实时监测天然气、原油内部的运动情况并提供可视化图像，提高生产效率与安全性。
2. 光放大器技术光放大器技术是指一种将光信号电子放大器将电信号转化为光信号后再放大的技术。
通过对光信号进行加强，在信号传输的过程中，可以有效地抵抗信号的衰减，提高信号品质，延长信号传输距离，对于光纤信号的传输质量和速率的提升具有非常重要的作用。
更进一步的，大部分通信公司都已经采用了光放大器技术，以提高信号质量和传输速率，这也使得光纤通信的应用得以实现更高速、更稳定，更安全的数据传输。
3. 光电路技术光电路技术是一种利用光电子设备实现功能的技术方法。
通俗来说，就是将传统的电子技术中使用的半导体器件替换成光电子器件实现相应的功能。
光电路技术应用于整个光通讯领域，是将光纤通信从电路网络向光学网络的转换。
总结随着信息技术的不断发展，光纤通信越来越成为人们进行数据传输的首选方式。
光电子技术期末知识点总结
光电子技术期末知识点总结一、光电子技术基础知识1. 光的本质光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以表现为波动，也可以表现为光子。
光的波动特性可以用来解释干涉、衍射等现象，而光的粒子特性可以用来解释光电效应等现象。
2. 光的传播光在真空中的传播速度等于光速，光在不同介质中传播时会发生折射和反射。
光的衍射、干涉等现象也表明光是一种波动。
3. 光的产生光的产生可以通过一些原子、分子等的激发和退激发过程，这些过程会导致光的辐射。
在实际应用中，常用的光源包括激光器、LED、半导体激光器等。
4. 光的检测光的检测可以通过光电二极管、光敏电阻、光电倍增管等光电探测器实现。
这些探测器可以将光信号转化为电信号，并输出到后续的电路中进行处理。
5. 光的调制光信号可以通过调制技术来进行信息传输。
在光通信中，常用的调制方式包括振幅调制、频率调制和相位调制等。
二、光电子器件1. 光纤光纤是一种用来传输光信号的导光材料，具有较低的损耗和较大的带宽。
光纤的制备工艺和材料选择对光纤的性能有着重要的影响。
2. 激光器激光器是产生激光的器件，它可以将电能转化为光能，并形成一束集中的光束。
激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等类型。
3. 光电子器件光电子器件包括光电二极管、光电倍增管、光电探测器等，在光通信、光测量、光探测等领域有着重要的应用。
4. 光电调制器件光电调制器件可以实现对光信号的调制，包括调制器、光电调制器、半导体光调制器等。
5. 光电子器件的集成在光电子器件集成电路中，可以将多种光电子器件集成到同一芯片上，实现多功能和高集成度的光电子系统。
三、光电子技术应用1. 光通信光通信是一种基于光波传输的通信方式，它具有大带宽、低损耗、抗干扰等优点，在长距离通信和高速数据传输中有着重要的应用。
2. 光存储光存储是通过利用激光或其它光源记录和读取信息的技术，包括光盘、DVD、蓝光光盘等媒体。
3. 光测量光测量是利用光进行各种参数的测量，包括光谱分析、光学显微镜、激光雷达等。
光电子技术-光纤
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
W a 0.69 1.1619 V
3 2
2.879 V
6
•三种主要类型光纤的比较
4.1.3 光纤的结构设计与制造
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
各种不同的结构、特性参数和折射率分布 的光纤，可分别用于不同的场合。 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射 率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来 实现。
第四章
光波导技术基础
光 纤
驱动电路 调制器 光源 光电二 极管 光纤 放大器 判决器
中继器 光纤
第四章 光波导技术基础
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
光纤的结构参数
(5)折射率分布n(r)
纤芯折射率分布通式为：
r nr n01 2 a
1 2
n0 为纤芯中心折射率，r取值范围为0≤r≤a，α为折射率分布系数。α取值不
同，折射率分布不同：
α ＝∞时，折射率为阶跃型分布。 α＝2时，折射率为平方律分布(渐变型分布的一种)。 α＝1时，折射率为三角型分布。
光纤的传输性能
光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传 输距离的增加，光纤不再是一个透明管道. 传输特性 损耗(dB/km)，直接影响中继距离； 色散(ps/nm.km)，将引起光脉冲展宽和 码间串扰 ，最终影响通信距离和容量； 非线性效应
为维持误码率不变，需提高接收功率，所需增加 相应的功率称为功率代价。（Power Penalty）
光电子技术与光纤通信应用
光电子技术与光纤通信应用一、光电子技术光电子技术是一门涉及光的物理、光电材料、光学仪器、电子技术等多个领域的交叉学科。
它的发展离不开电子技术在半导体器件、光通信、光存储等方面的迅速发展，也得益于光学技术在激光、光纤传输、光显示等领域的提升。
1. 半导体激光器半导体激光器是光电子技术的重要应用之一。
它利用半导体材料的特殊物理性质，将电能转换为光能，产生一种高亮度、高聚焦度、单色性好的光束，被广泛应用于通信领域、医疗器械、材料加工等多个领域。
其中，基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光纤通信具有结构简单、制造成本低、能量耗费低、输出波长高度稳定等特点。
2. 光电探测器光电探测器是指将光能或其他电磁辐射转化为电信号的仪器。
它的主要组成部分是光电转换元件和电路系统两部分。
在光通信领域，光电探测器主要用于将光信号转换为电信号，并通过电路传输到光发射器的驱动电路中，从而实现光通信系统的双向通信。
3. 光通信光通信是一种基于光纤传输技术的高速、宽带、长距离传输技术。
它是将光通信技术和电子技术相结合的产物，通过光纤传输大量数据，能够实现高速传输、低延迟、噪音抑制、高度稳定等特点。
光通信已成为数字信息传输、数字视频传输、数字音频传输等各种数据传输领域的重要手段，对信息时代的发展产生了积极的推动作用。
二、光纤通信应用光纤通信是光电子技术的重要应用领域之一，它利用光纤材料的传输特性，将光信号传输到各个角落。
以下是光纤通信的几个应用领域：1. 家庭宽带家庭宽带是指家庭用户通过有线或无线手段接入互联网或其他网络，实现高速宽带网络接入的服务。
在家庭宽带领域中，光纤通信技术可以承载高速数据传输，实现无限流量、高速稳定的上网体验。
2. 云计算云计算是一种将计算机程序和维护数据集中化处理的技术，将数据和应用程序存储在虚拟服务器中，用户只需使用互联网即可通过云服务访问所需资源和服务。
在云计算领域中，光纤通信技术可以承载大量数据的高速传输，保障云计算平台的高速、可靠、安全性。
光电子技术——光纤与光纤技术简介PPT56页
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
光电子技术——光纤与光纤技术简介
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
光电子技术
光电子技术简介光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，主要用于利用光的特性进行信息的传输和处理。
光电子技术在通信、传感、能源和显示等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍光电子技术的基本原理、应用和未来发展方向。
基本原理光电子技术是基于光与电子的相互作用原理而发展起来的。
光是一种电磁波，在介质中传播时会与电子发生相互作用，从而产生光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，物质中的电子会被激发，并产生电流。
基于光电效应，光电子技术利用光源、光电器件和电路等组成的系统来实现光信号的传输和转换。
应用领域光通信光通信是光电子技术最重要的应用领域之一。
光通信利用光纤作为信息传输媒介，具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点。
光通信系统由光源、光纤、光电器件和光电路等组成，能够实现高速、大容量的信息传输。
光传感光传感是利用光电子技术进行环境监测和数据采集的应用领域。
光传感器能够将环境中的光信号转化为电信号，并通过光电转换器转换为数字信号进行处理。
光传感技术被广泛应用于气体检测、温度测量、光谱分析等领域。
光能源光电子技术在能源领域的应用主要集中在太阳能领域。
太阳能光电转换器利用光电效应将太阳光转化为电能，并通过电路进行储存和利用。
光电能源具有清洁、可再生和无污染的优点，是未来能源发展的重要方向。
光显示光电子技术在显示技术中的应用也非常广泛。
光电显示器利用光电效应将电信号转化为光信号，从而实现图像和文字的显示。
光电显示器具有显示效果好、色彩鲜艳、能耗低等优点，是现代显示技术的主要发展方向。
未来发展方向随着科技的不断进步，光电子技术在未来将迎来更加广阔的发展空间。
以下是光电子技术的几个重要发展方向：光子集成芯片光子集成芯片是利用半导体工艺制造的微型光学器件，将光学和电子技术有机地集成在一起。
光子集成芯片能够实现高度集成、高速传输和低能耗等优点，对于提高光电子设备的性能和减小体积具有重要意义。
光纤通信的新技术随着传输速率的不断提高，光纤通信领域需要更加先进的技术来满足需求。
通信光电子器件基础知识
光隔离器与光环行器
2
均为非互易器件
1
3
三端口光环行器
1
3
4
四端口光环行器
光开关（Switches）
作用：实现光通道的通断和转换，是光网络中的关键器件，用 于光上下话路、交叉互联、保护倒换、网络监视等
开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的 开关时间要求不同。
应用 光路的交换及管理 (OADM、OXC) 保护开关 光包交换 外调制
I/O Fibers Imaging Lenses
优点：可实现超大 规模交叉连接
可利用IC工艺，批 量生产;
大规模交叉连接的 广阔市场前景将可 能使MOEMS光开 关阵列成为光开关
的主流
MEMS光开关阵列——Mirror
采用集成电路(IC)标准工 艺在Si衬底上制作出集成 的微反射镜阵列，反射镜 尺寸非常小，仅300微米
用于将一根光纤中输入的一组50GHz(或100GHz)信道间隔的光信号分成两组 100GHz(或200GHz)信道间隔的光信号(分波),分别从两根光纤中输出 为实现50GHz间隔的密集波分系统,同时避免器件技术的过分复杂和太高成本
Components and Modules in DWDM Networks
发展趋势： 集成化 全光纤化
4
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光器件
半导体光源(LD,LED) 半导体光探测器(PD:PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA)
最重要 的光电 子器件
光波长变换器
光调制器
光开关/路由器
5
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光器件
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1.55 m处) －－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。
光纤的基本知识（n1 n2）
n n 阶跃折射率光纤:
n 渐变折射率光纤:
1 为是常光数纤，半折径射r的率函仅数在，即1从、中2心分到界r＝面a上折发射生率突是变渐，
传输态。
光纤的结构参数
(5)折射率分布n(r)
纤芯折射率分布通式为：
1
nr
n01
2
r
2
a
n0 为纤芯中心折射率，r取值范围为0≤r≤a，α为折射率分布系数。α取值不
同，折射率分布不同：
α ＝∞时，折射率为阶跃型分布。 α＝2时，折射率为平方律分布(渐变型分布的一种)。 α＝1时，折射率为三角型分布。
n 变的
1
单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输，传输带宽10GHz
多模渐变型光纤: 芯径约50微米，光的传输轨迹近似为正弦型，传输带 宽从数百MHz 到数GHz；
多模阶跃型光纤: 芯径约62.5微米，光传输轨迹为“之”字形，传输带 宽10MHz到50MHz。
石英光纤: 损耗小、性能好，常用于通信
和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
第四章 光波导技术基础
4.1 光纤概述 4.2 光纤的损耗特性 4.3 光纤的色散特性及色散限制
4.1 光纤概述
60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约
T
1 B
BL
n2 n12
c 1Leabharlann 阶跃光纤-传输容量限制:
BL
n2 n12
c
对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)， =0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km
减小值，BL能提高很多。一般<0.01。
当=0.002时，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率 传输10km，适用于一些局域网。
塑料光纤损耗大、易于耦合、制作容易，用于短距离能量传导等, 未来 希望向光纤入户与局域网方向发展。
考虑到目前情况，本章主要介绍石英光纤。
光纤的结构参数
(1)直径: 纤芯直径2a、包层直径2b
细要求：1 成本，光纤直径应尽量小，
2 机械强度和柔韧性，石英光纤很脆，粗则易断；
粗要求：对接、耦合、损耗
第四章
光波导技术基础
光纤
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
第四章 光波导技术基础
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗
大?
n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角
1. 阶跃光纤
High-order Mode (Longer path)
core cladding
Axial Mode (shortest path) Low-order Mode (shorter path)
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
2. 渐变光纤
渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值 逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。
入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降低模间色散。
平衡要求：总粗小于150μｍ。
典型单模光纤芯径约10μｍ（多取9μｍ），包层直径
125μｍ
多模阶跃光纤芯径62.5μｍ，包层直径125μｍ
多模渐变型光纤芯径约50μｍ，包层直径125μｍ
光纤的结构参数
(2)数值孔径: N.A.
光纤可能接受外来入射光的最大受光角( max )的正弦与入射区折射率的乘积。
N.A. n12 n22 n1n1 n2 n1 2
(4)归一化频率(V)
表示在光纤中传播模式多少的参数，定义为
V
2a 0
N.A.
k0a
n12 n22
它与平板波导中的归一化频率定义一致。a和 N.A.越小，V越小，在光纤中的传播
模式越少。一般地，当 V 2.4时，只有基模能传播；而当V 2.4 时，为多模
全反射要求：
1
c
sin 1
n2 n1
n0 sin n1 sin 90 c n1 cosc n1
1
n2 n1
2
n12 n22
于是得 N.A. n0 sin max n12 n22
N.A.代表光纤接收入射光的能力，只有 max 的光锥内的光才可能在光纤中发
生全反射而向前传播。
对于波长 1.55 μm 处典型值 n1 1.46，n2 1.455，可算得 N.A. 0.12 。
光纤界面光传输情况
光纤的结构参数
(3)相对折射率Δ
相对折射率Δ定义为纤芯折射率同包层折射率的差与纤芯折射率之比：
n1 n2 n1
一般n1只略大于n2：单模光纤 0.3% ，多模光纤 1% ，于是
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
模间色散
1. 阶跃光纤
c
i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
T
n1 c
s
L
in
c
L
L c
n12 n2
-传输容量限制:
B--信号比特率
4.1.1 光纤的结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。
光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层
Clad)＋涂覆层
包层
树脂被覆层
芯
n n 特点： core> clad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
根据芯区折射率径向分布的不同，可分为： 不同的折射率分布，传输特性完全不同
1. 阶跃光纤
-数值孔径(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图，比例不符）
c
i
n0
n1 n2
n0 sini n1 cosc n1 sinc n2 sin 900 n2 cosc
1 n2 n1 2
NA
n0
sini
相对折射率差
n12 n22 2n12
n1 n2 n1
n12 n22
NA n1212