光子学的诞生于发展第一讲电子教案.ppt

武汉理工大学理学院光子学技术－信息化时代的支持技术光子学技术－信息化时代的支持技术第六讲光子学技术在高密度传输网中的应用参考书：第一讲
时代的呼唤
－光子学的诞生与发展一、光子学与电子学的渊源电子学的发展18世纪的以能量转换为服务对象经历了20世纪整整一个世纪的发展，电子学的成就已渗透到科学技术各个领域和社会生活各个方面，最具有代表性的就是无线电广播、通信和电子计算机的发明与应用。真空管电子学电子学有两个主流发展方向：
a.载波频谱的开拓
b.响应速度的提高现代半导体电子器件技术的发展，已能获得皮秒（ps）宽度的超窄电脉冲，因而有可能将使单个码的载入时间缩短到皮秒量级，于是电子计算机的运行速度就可能达到每秒一万亿次。由通道的电学参数、电阻、电容、电感所确定的，其极限值大约为纳秒（ns）量级，它比逻辑门的开关时间（即信息码载入时间）大1000倍，这便限制了电子计算机运行速度的提高。目前单机运算速度难以超过每秒10亿（109）次。电子载体在互连通道上的时延效应所造成的，人们形象地称它为瓶颈效应。突破瓶颈效应的限制，需要在信息载体上进行一场革命，至少是在逻辑门之间的互连过程中摒弃电子载体，采用一种不荷电的新载体，那么，光子就是理想的候选者。二、光子学—研究光信息载体的科学物理学家说，光子学是研究光子的产生和运动特性、光子与物质的相互作用及其应用的一门新兴科学。以信息应用为内容的光子学，人们又称之为信息光子学。
信息光子学是一门涉及领域面很宽的交叉学科光子与电子在物理属性与特征上有许多本质的差别从本质上来说，光波也是一种电磁波，但是光波的频率比目前使用的毫米波的频率至少大1000倍以上，本征带宽可达到200THz（T=1012），若按现在数字通信的非压缩码制式考虑，每路信息占用带宽8kb,则理想的光载波通信可同时容纳信道数高达240亿路。正由于光子是不荷电的载体，光子再传输中自身不产生电磁波辐射，也不受外界电磁场的影响，因此，以光子作为载体的信息系统不会产生电学的互相串扰，同时具有很强的抗干扰荷抗窃听的能力，有很高的安全性。类同于电子学的发展，光子学发展的首要任务也是研究如何获得谱线单纯，频率稳定，高亮度相干光源的途径及其器件装置。可以认为，20世纪60年代激光器的发明是光子学发展的里程碑。激光产生于具有光增益特性的有源介质对光的放大。三、光学学引人注目的成就光盘存储的需求牵引，推动了半导体激光器往可见光区的短波长方向发展大功率激光器问世也对有源光纤光子器件的发展做出关键性的贡献。有源和无源光子器件，如光电调制器、光放大器、光开关、选频滤波器、波长变换器、偏振控制器、分路合路器、路由控制器等。目前这些光子器件业已发展成熟，并在光子回路及工程系统中得到成功的应用。SemiconductorOpticalAmplifiers(SOA)3.集成光子学微电子学的强大生命力在于它能够实现集成化，集成化使它的处理功能和运行速度得到很大提高，功耗大幅度降低，尺寸极大缩小，芯片的成品率和可靠性极大改善，从而使芯片和系统的性能价格比日新月异的不断得到优化。光子的产生起源于电能的激励，光子在半导体中的运行与功能操作是基于各种电光效应，如克尔（Kerr）效应、普克尔（Pockel）效应、斯塔克（Stark）效应、弗朗茨—克尔迪茜（Franz-Keldysh）效应、非线性光学效应以及偏置电场的收集效应等。宽带综合业务光纤接入网拓扑结构光通信是光子学应用中最巨大的成就，可见波段的光波具有高达200THz的带宽（比无线电波大1000倍以上），又能波长复用，它所能载入的信息容量将无与伦比。一个单信道传输容量为100Gb/s的光纤通信线路能容纳1200万门数字电话，意味着北京和上海的每个居民几乎能够在一根光纤上同时通话目前国外工程铺设的光通信系统，其单信道传输容量已达10Gb/s，正向100Gb/s的容量发展。我国也已研究成功单路2.4Gb/s容量的系统技术。迄今全世界铺设的光缆线路已达亿公里以上，现在则是致力于全球联网。我国光纤通信线路已达近百万公里，遍及包括拉萨在内的全国各大城市，并通过太平洋国际海底光缆同亚洲和世界各国相连接。光盘信息存储已显示出它的超大容量存储能力，并正在逐步替代磁盘，CD声盘和VCD视盘几乎已经家喻户晓，成为多媒体信息网络中不可缺少的组成部分。650nm和630nm半导体红光激光器的成功发展为光盘存储容量的扩充提供了新的机会。采用双层结构的光盘，单面存储容量已可达2.5GB位元，足以用数字制式录下一部电影的全部信息，如采用正在发展的350nm波长氮化物紫外激光器，则可望使存储容量再提高10倍。人们称此为数字式视频光盘（DVD）。它也可以作为计算机的存储器使用，可见DVD光盘的发展为宽带数字化多媒体服务网的发展奠定了关键基础。太比特位元的超大