光纤通信中的光电子器件?
余重秀 郑文潇 沈月平
(北京邮电大学 电子工程学院 北京 100876)
摘要：本文介绍了光纤、激光器及光放大器等光电子器件在光通信的产生、发展
中的关键作用，分析了现代光纤通信系统中的各种有源、无源光电子器件，并论
述了21世纪全光网发展所需的几种典型光电子或光子器件。
关键词：光电子器件、光纤通信、全光通信网
Optoelectronic Devices in Optical Fiber Communication
YU Chongxiu, ZHENG Wenxiao , SHEN Yueping
Abstract: The optical fiber, the laser, the optical amplifier and so on, which are the
key devices for the generation and development of the optical fiber communication,
are introduced in the paper. Their important role in the modern communication system is analyzed. Some typical optoelectronic devices which are necessary in all-optical networks of 21 century are discussed in deital.
Keywords: optoelectronic device, optical fiber communication,
all-optical communication network
1.光通信的产生、发展离不开光电子器件
我们知道人类曾用火烟信号、信号灯、信号旗传递信息，这些方式不是真正的光通信，而属信号传输的稳定性。光传输介质，从而开辟在世界范围内展开微电子技术和器件的应用和发展，已经形成了五代光纤通信系统，其中四代已进入实用阶段。feed Bragg）激光于目视光通信。1880年A.G.Bell 发明了“光话”。他通过大气用日光传输声音200m 之远，这在19世纪八十年代称得上是一件了不起的事情，但由于日光的强度、可靠性及大气的损耗等问题使这种“光话” 未能得以实用。而当时的电报电话等通信手段发展很快，到二十世纪初期形成了全球范围的电话通信网。光通信的研究由于找不到合适的光源和传输介质曾一度处于沉寂。直到二十世纪六十年代，高强度、高相干性的连续波固态激光器——红宝石激光器诞生了，由此引起世界性的激光通信研究热潮。1962年又产生了半导体激光器（LD: Laser diode），它体积小、效率高、工作稳定，很适合于作为通信光源。当时的激光通信仍以大气作为传输介质，大气的散射损耗、气候、环境严重影响了1966年华裔科学家高锟博士在他的论文中首次提出以光导纤维作为了光通信的新纪元。针对如何提高光纤的传输性能，如何用于光纤通信，了广泛的研究。四年之后，美国Corning 公司研制出世界上第一根低损耗的石英光纤，从而找到了适合光通信的传输介质，这在光通信发展史上是一个划时代事件。光通信研究从此转向光纤通信研究，揭开了光纤通信发展的新篇章。
从二十世纪七十年代开始至今，光纤通信的研究和发展经历了三十多年。借助光电子、1970年发明分布反馈布拉格（DFB: Distributed back 器，它具有动态单纵模振荡、窄线宽、波长稳定性好等优点，有助于提高光信号的码速率。在第一代光纤通信系统中，使用的光源就是在室温下连续工作的GaAlAs 半导体激光器，以低损耗短波长λ＝0.85μm 窗口的多模光纤作为传输介质，半导体硅材料的PIN 光电二极管和雪崩二极管（APD:
?本文的研究工作得到国家863项目的资助
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Avalanche photodiodes）作为光电探测器。美国Bell 实验室于1976年在Atlanta 开通了
第一率而第三代光单模光纤，它的损耗和色散均比多模光纤低得多，并且可调谐单纵模激光器也被研制出来，m 的单模光纤，它具有很低的损耗（为制了色散位移光纤和非零色散位移光纤，1993年又发明并开发了大有效面积光纤、True Wave 用技术，光调制器、光开关进行光信号的高速调率达到了Tb/s 数量级。第五代光纤通信指超长距离、超大容量的光孤1988年人们就涉足第一个光孤子实验研究，最近十多年来，在孤子传输损耗长距离传输及 ampl r）信的多方面发展，它引起了光纤通信革命性的变革。
2.光条4.5Mb/s 的光纤通信系统试验。1977年在Chicago 进行的44.7Mb/s 码速率现场实验是第一代光纤通信的标志。之后，对光纤的进一步研究，发现了它的第二个、第三个低损耗窗口分别是波长λ＝1.3μm 和1.5μm，这样又开展了对应波长的InGaAsP 材料激光光源和光电探测器的研究。八十年代初第二代光纤通信系统利用了1.3μ的多模光纤，其传输距离和码分别被限制在几十km 和几十Mb/s 的水平上，纤通信系统利用1.3μm 的在八十年代中期实现了长中继距离、Gb/s 码率的光纤通信。第四代光纤通信利用的传输介质是1.55μ0.2dB/km）但有较大的色散。相继又研光纤，这样使得强度调制/直接探测的光纤通信系统无中继距离达到几十至上百公里，光传输速率达到40Gb/s 的实验室研究水平。经人工改性产生了多量子阱激光器及应变量子阱激光器，它们具有更窄的线宽、更高的调制频率及更高的量子效率，是高速光纤通信中的理想光源。另外器件技术的发展，产生了一些新型的光电子器件，它们推动了光纤通信的新技术研究。如分路/合路器的应用产生了多路信号复制及光交换，光时延器完成光信号的缓存或编码，光滤波器、光偏振控制开关等实现不同的处理功能，形成了空分、时分、波/频分、码分等光纤通信系统，从而进一步扩大了通信容量和传输距离，目前单路时分复用的数字速率达到了40Gb/s，而波分复用/密集波分复用（WDM/DWDM: Wavelength division multiplexing/Dense wavelength division multiplexing）的速子通信。早在及其放大、色散补偿等方面也有了长足的进展。正在研究的孤子通信＋WDM 将光孤子无畸变、WDM 的多路信道复用扩大通信容量这两方面的优势结合起来，使之将成为真正有竞争力的第五代光纤通信。
1989年英国南安普顿大学发明了掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-doped fiber ifie ，这是光纤通信发展史上又一个重要的里程碑。它改变了以往光纤通信系统的光－电－光中继方式，而是直接放大光信号，实现全光中继。EDFA 的宽带宽放大特性非常适用于WDM 系统的多通道同时光中继放大，有利于扩大系统容量。1996年EDFA 的实用使得第四代光纤通信系统取得了重要进展：单波长码率5Gb/s、20个波长复用、总比特率100 Gb/s、传输距离9100km 的波分复用系统获得了成功的实验研究；在长距离的海缆传输系统，利用这种EDFA 延伸了传输距离、降低了建设成本， 1997年环绕地球的27300km （包括横跨海底）的光纤通信网将亚洲、欧洲一些国家连接起来了；EDFA 在光孤子通信中用来补偿线路损耗，以维持光纤非线性和色散之间的平衡，保持孤子脉冲形状不变；另外EDFA 还将在光纤到楼、光纤到路边、光纤到户（FTTH: Fiber To The Home）中发挥作用。因此EDFA 推动了光纤通以上我们回顾了光纤、激光器、EDFA 等光电子器件对光纤通信发展所产生的影响，可以说没有光纤作为实用的传输介质，就没有光通信转向光纤通信的发展阶段；没有激光器、光纤和相关的光电子器件及技术的更新换代，就没有宽带宽、大容量、长距离光纤通信系统的产生和发展；EDFA 带来了光纤通信的新面貌，解决了多通道的光中继放大，解决了光孤子的能量损耗等，从而支撑着更大容量、更高速率、更长距离的光纤通信。因此，光通信的产生、发展离不开光电子器件，有了光电子、微电子技术和器件的创新，才能有光纤通信的创新发展。
纤通信中的光电子器件
一种波分复用＋EDFA 数字通信系统的基本结构如图一所示，它由光信号的发送、 177
传输、中继、接收几部分组成，每部分又由不同的光电子或电子器件构成，它们分别完成不同的功能。其中电发射端机将话音、图像等模拟信号转换成数字信号，并进行信号取样、量化，完成脉码调制（PCM: Pulse-code modulation ）。光发射端机包括了线路编由各发射端机发出的不同信号λ1λ2…λn 经耦合1 EDFA 数字通信系统方框图
通信系统中，激光器、光放大器（EDFA）及光探测器属于有源器件；而耦合器、键器件。 码器、光源及其调制电路和控制电路。器耦合到同一根光纤中传输。通常在光纤主干网中采用G .652单模光纤，为解决色散补偿问题制造并应用了G .655光纤。EDFA 光中继器（图中仅画出一个作为代表）完成所有信号的中继、放大。耦合器将来自主干网光纤的合波信号分别送到光波分/复用器中，然后经解复用送至各光接收端机中。光接收端机由光电探测器（PD: Photo detection ）、前置放大器、主放大器、自动增益控制（AGC: Automatic gain control ）电路、均衡滤波器、时钟恢复电路、判决器、译码器等组成，并完成光电变换、放大均衡、再生等功能。PD （PIN or APD ）实现信号的光－电转换，选择不同的结构和偏置电路可形成不同的前置放大器。AGC 对主放信号（或对PD 的雪崩增益）进行控制，通过均衡滤波处理，使信号在判决时不出现码间干扰。判决器和时钟恢复电路共同完成信号再生。
图波分复用＋在这个光纤波分复用器、以及未画出的光连接器、调制器、滤波器、波长转换器、隔离器、环形器、色散补偿器等属于无源器件，这两类器件是构成光纤通信系统的基础。其中无源器件涉及的技术和制造方法丰富，且应用广泛，它们在光纤通信中的地位越来越重要。例如波分复用器因不同的机制和制造技术而产生了光栅型、介质膜滤波型、阵列波导光栅（AWG: Arrayed waveguide grating）型等结构，不同的结构导致其性能指标（如插入损耗、隔离度等）有所差异。不断地改进、提高器件的性能指标带来了光纤通信的不断进步，需要有更加先进、新型的有源、无源光器件和光子器件来创造未来光纤通信的新面貌。
3. 21世纪全光通信网（AON）中的几种关键器件
全球通信业务量的飞速增长促使着光纤通信容量和速率的大幅度提高，然而传统通信器件的“电子瓶颈”影响了通信容量和速率的提高。为解决这个问题，人们开始研究“全光网”（All Optical Network ），让信息或数据在光域中从源节点传输到目的节点，避免在所经过的各节点上进行光/电－电/光转换和处理。AON 对信号的传输速率、数据格式及调制方式具有透明性、光波长层上的重构性和在网络控制、管理上的可操作性，从而可以扩展网络结构，进一步提高传输码率等。因此，世界各发达国家在90年代中期就开展了以WDM 技术为基础的AON 研究，著名的有美国的MONET 网、NTON 网、WEST 网，欧洲的OPEN 网、PHOTON 网、METON 网，法国的Alcatel 网，日本的光路网。我国在WDM 光通信网研究上已取得了很大的进展，并正在积极建设中国高速信息示范网（CAINONET ）。因此，WDM AON 将成为21世纪通信技术发展的核心。而组成AON 的各种新型光电子器件、光子器件及其制造技术尚处于探索、研发之中。下面，我们仅讨论直接影响AON 实用化的几种关 178
3.1 全波（All Wave ）光纤
光纤是光纤通信网中不可缺少的无源器件，它的巨大带宽（25THz ）引起人们的极大兴趣， 2.5dB/km 降到了、长距离、高质量地传输位于大的色散(18~20已开发的三个低损耗窗口为波长λ＝0.85μm 、1.31μm 和1.55μm ，损耗从0.2dB/km 以下，其长波长的损耗特性优于短波长。为了大容量信息，不但要求光纤低损耗，还要它具有低色散。初期人们设计常规单模光纤的零色散1μm ，而在1.55μm 处有较km ps/nm ?)），其1.3。将零色散点移至1.54nm 处，产生了色散位移光纤（DSF: Dispersion shifted fiber 色散值在1.525～1.565nm 范围为-统时，光纤的非线性、四波混频引起零可以克服这个问题，这样又产生了非零色散光（NZDF: Non Zero Dispersion Fiber ）。为适应更长距离、更大容量的WDM 系统需要，研制一种大有效面积（达72μm 2）光纤，它可承受较大的光功率且有效地克服非线性。但这光纤的色散斜率较大，经进一步研究，产生了色散平坦（斜率较小）的True Wave 光纤，是目前宽带WDM 系统最理想的传输介质。
为充分利用光纤的带宽潜力，人们利用现代超纯光纤制造技术正在研究光纤低损耗的第
、第五个窗口，即λ＝1.625μm 和1.400μm 。将光纤的这几个窗口连成一片，就形成了宽为1.28～1.65nm 的全波光纤，利用它在如此之宽的波长范围内，可获得更大的通信容。21世纪AON 更加宽阔的信息高速公路建设将大量地应用它，所以我们有必要大力地开这种全波光纤。
光放大器
光放大器包括半导体光放大器（SOA: Semiconductor optical amplifer ）、各种掺杂的光纤EDFA 、掺镨光纤放大器PDFA: Praseodymium-doped fiber amplifier 、NDFA 等）
SOA 由于采用了应变量子阱结构，其输出功率、小信号增益、增益的偏振灵敏度、噪能均有大幅度的提高，而且通过改变半导体材料（InGaAsP ）的组分可以在00~1600nm 的一个特定波长范围内获得信号增益，这些优点使其适用于光纤接入网、FTTH SOA 的交叉相位调制（XPS: Cross-phase modulation ）和交叉增益调制（XGM: n modulation ）及其四波混频（FWM: Four wave mixing ）可实现波长转换，它是AON 实现波长路由、波长开关的关键器件；SOA 的FWM 还适用于超长距离光纤传输系统的利用SOA 的非线性可实现光的再生、放大和整形，与非线性光纤环镜（NLOM: nlinear optical loop mirror ）结合还可实现光时钟提取、解复用器和光开关等功能；另外便于与其它半导体光电子器件集成，构成大容量光器件阵列等。因此，SOA 类似于晶AON 之中。
EDFA 作为光功率放大、光中继放大、光前置放大等已经在波/频分长距离光纤通信系高速用户网以及海底光缆中发挥着很大作用。它工作在1550nm 窗口的增益带宽达30～nm ，可以同时放大多个波长信号，且与信号的比特率无关。这个特性使EDFA 成为DWDM 1997年美国Bell 实验室研制了超带宽EDFA ，其带宽达84.3nm ，它C 段（中心波长1536.6～1560.2nm 段）和L 段（长波长1569.4～1601.4nm 段）容纳0、40路光通路，两段共100路，从而更加大了DWDM 的通信容量。AON 必将大量地采EDFA ，并要求EDFA 进一步提高增益及平坦性、增加带宽、降低噪声指数等，这些要求EDFA 的努力方向。
另外，PDFA 是掺镨光纤放大器，它工作在1.31波段，主要用作为泵浦源。掺铝（Al ）A 工作在1550nm 波段，它可加大增益带宽、提高增益平坦度，掺钇（y ）EDFA 工作在2～，但是这种光纤和EDFA 一起用于WDM 系3km ps/nm ?信道间相互干扰。光纤色散小但不为纤出种它四带量发3.2 放大器（如及非线性（受激喇曼和受激布里渊散射等）光纤放大器。声指数等性13等领域中；Cross-gai 中色散补偿；No SOA 体管在电子系统中的地位，具有多方面、重要的作用，它必将广泛地应用于统、40系统的关键器件之一。分别在6用正是我们今后研发EDF 179
792nm 波长，主要用于高功好的增益平坦度，氟化物EDFA 具有极好的增益平坦度N 极具吸引力，也是值得我们进一步研发的。
3.3 OADM/OXC
在波分复用AON /分复用器（OADM: Optical Add 信息的功能，因此它也是关阵列＋合波器，偏振分束器＋声光调谐滤波器＋偏振分束器等。了另一种核心器件——交叉连结器信号进行处理，也无需进行光/电/光转换，具有信道交换、波长转换、虚波长路由、功率均衡等功能。OXC 结构分成两类：一类基于空间交换（光开关矩阵＋波分复用/解复用器空间光开关矩阵＋可调谐滤波器，分送耦合器or 平行波长开关＋波长变换器）；另一类基于波长交换（阵列波导光栅复用器（AWGM ）＋波长变换器，可调光器、光栅耦合器、件的成功研发。衡量及上容量、阻塞性、链路模块性、波长模块性、广播发送能力等方面，它可实现网络的动态重构、自愈恢要花大力3.4 OEIC 光电子集成回路（将光电子和电子元件单片集成在同一衬底上的集成回路， d circuit 速度快的过程，所以它们一直是光纤通信领域中的研究热点。已经研制了长、短波长的/发机和40 Gb/s ，它们的大容量地发展，必然IC/PIC 更加高速、多功能和高度集成化。今后的OEIC 发射机不但包括激光光源及其驱动电路，还要集成光调制器、光波分复用器等。具有低阈值和量子增益结构的、DBR 分路/合路器，耦合器等。金属－半导体－金属光电探测器（MSM －PD: 性能优异的OEIC 和PIC ，它们将为AON 的应用和发展产生深远的影响。
率激光泵浦源，可提供大功率输出及很。…… 这些光纤放大器的特性对AO 中，为了将若干路信息从全光网中取下或加上，研制了一种光插/Drop Mutiplexer ），它无需进行光/电/光转换就能实现上下路AON 中的关键器件之一。现已研究的OADM 结构有：分波器＋光开光耦合器＋滤波器阵列＋合波器，光开关＋波导光栅路由器＋光开关以及为完成网络中信道之间的交换与连结还形成（OXC: Optical cross-connection ），它是在光域中对WDM 目前已研究的or ＋波长变换器，谐滤波器＋波长变换器）。
在OADM 及OXC 中还包括MZI （Mach －Zehnder 干涉）和MMI （多介质膜干涉）分光环形器等新型光器件，OADM 、OXC 在很大程度上依赖于新型光器OADM 的主要参数有插入损耗、隔离度、上/下路时延，它的良好性能/下路的灵活性使其在AON 中将有着更大的应用范围。而OXC 的主要性能包括节点复及扩展、升级，有利于AON 的业务量升级、高度灵活性和生存性。所以我们需气发展OADM 和OXC 。
/PIC
OEIC: Optoelectronic Integrated Circuit ）是利用光电子、微电子技术光子回路（PIC: Photonics integrate ）是利用量子阱技术开发的光子集成回路，它们具有体积小、功率小、信息容量大、、可靠性高等优点，而且不象分立元件那样还需要焊接、引线、对准、组装等复杂OEIC 光收PIC 发射机。目前OEIC 发射机的速率达到10Gb/s ，接收机的响应速率达到宽带达到30～40GHz 。21世纪AON 通信超高速、宽带宽、超要求OE /DFB 激光器及量子阱LD 是光发射机的理想光源，低电流的垂直腔面发射机激光器（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emission Laser ）可提供超高速、大增益、高量子效率，具有低互阻、高跨导和低噪声的双异质结晶体管（HBT ）和高电子迁移率晶体管（HEMT: High electri mo ）替代目前的各种场效应管（FET: Field Effect Tube ），将使OEIC 光发射的性能得到极大提高。OEIC 接收机同样地从集成光电探测器和晶体管放大器电路扩展到集成光波导、光开关、光Metal-Semiconductor-Metal ）具有超高速、高响应度、低暗电流、易于与光纤或波导对准耦合等特点，它用于OEIC 接收机可进一步提高性能。OEIC 及PIC 的性能在很大程度上取决于所用的材料及制作工艺技术。GaAs 、InP 及Si 材料具有很好的光电特性，利用Ⅲ－Ⅴ族材料、硅材料和先进的晶体生长技术、亚微米级微加工技术将制作出集多种功能于一身的、 180
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论文题目：光纤通信技术发展历史 姓名：谢新云 学号：0932002231 专业班级：通信技术（2） 院系：电子通信工程学院 指导老师：彭霞 完成时间：2011年10月22日
概论 目前，在实际运用中相当有前途的一种通信技术之一，即光纤通信技术已成为现代化通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一，光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻的、广泛的改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。 自上世纪光纤通信技术在全球问世以来，整个的信息通讯领域发生了本质的、革命性的变革，光纤通信技术以光波作为信息传输的载体，以光纤硬件作为信息传输媒介，因为信息传输频带比较宽，所以它的主要特点是:通信达到了高速率和大容量，且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信领域专业人士青睐，发展也异常迅猛。 光纤通信不仅可以应用在通信的主干线路中，也可以在电力通信控制系统中发挥作用，进行工业监测、控制，现在在军事上也被广泛应用，基于各领域对信息量的需求不断增长，光纤通信技术的应用发展趋势也备受关注。一条完整的光纤链路除受光纤本身质量影响外，还取决于光纤链路现场的施工工艺和环境。 本文针对光纤通信技术的发展及趋势展开研究，分别介绍了光纤通信技术的发展历史和现状，以及光纤通信技术的发展趋势，对一些先进的光纤通信技术进行了介绍。 关键字：光纤通信技术，发展历史，现状，发展趋势
目录 概论 (1) 目录 (2) 第一章光纤通信技术的形成 (3) 1.1早期的光通信 (3) 1.2 现在光纤通信技术的形成 (3) 1.2.1 光纤通信器件的发展 (3) 1.2.2 光纤 (5) 第二章光纤通信技术的现状 (8) 2.1 光纤光缆 (8) 2.2 光电子器件 (8) 2.3光纤通信系统 (14) 第三章我国光纤通信技术的发展 (15) 参考文献 (16)
第4章第3节作业 1、图示光接收机的噪声及其分布，并说明各自噪声的概念。 答： ⊿量子噪声 量子噪声(或散弹噪声)来自单位时间内到达光检测器上信号光子数的随机性，因此它与信号电平有关。在采用APD作光检测器时，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声，它随倍增增益而增加。 ⊿暗电流噪声 当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动亦会产生一些电子—空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流Id，暗电流也要产生散粒噪声。 ⊿漏电流噪声 光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压，也会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。 ⊿热噪声 热噪声是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用
引起的一种随机脉动。 一个电阻中的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动。在光接收机中，前端负载电阻中产生的这种电流波动将叠加到光检测器产生的光电流中。 ⊿ 放大器噪声 前端的前置放大器要增加噪声，而且其影响远远超过后级元器件产生的噪声。 2、写出PIN 光接收机与APD 光接收机的信噪比表达式，分析在何种条件下何种光接收机信噪比占优势。 解：（1）PIN 信噪比与噪声的关系 ()2 42p PIN n e P d e L I S R kTF B e I I B R =++2 2 0042n e e L R P kTF B eR PB R =+ 散粒噪声限制下： 2 22 000222P PIN P e e e R P I S R eI B eR PB R P eB == = （SNR 随入射功率线性增加，且只与量子效率、光子能量和接收机带宽有关） 热噪声限制下： 2 2 220044L PIN n e n e L R P R P R S R kTF B kTF B R == （显示SNR 随入射功率平方倍变化，增加负载电阻可以提高信噪比） （2）APD 信噪比与噪声的关系
《光电子器件与技术》课程教学大纲 Photoelectron Apparatus and Techniques 课程代码：26105420 课程性质：专业方向理论课（选修） 适用专业：电子信息科学与技术 开课学期：6 总学时数：32 总学分数：2.0 修订年月：2006年6月 执 笔：张学习 一、课程的性质和目的 本课程为电子信息科学与技术专业的专业方向选修课，是以应用为主的工程技术基础类课程。其任务是掌握光电子器件的基本原理以及一些典型的光电子器件的工作方式，使学生系统地掌握光电子器件与技术的基本原理和基础知识，培养学生使用和分析光电子器件的能力。 二、课程教学内容及学时分配 （一）光控器件的基础 1、光电器件的物理基础； 2、激光信号调制的理论基础； 3、波导器件的理论基础和波导器件传光的基本理论。 （二）电、磁光控器件 1、空间光调制器； 2、电光调制器； 3、磁光调制器和调制器件。 （三）典型的声光控制器件 1、声光器件的控制作用； 2、声光控制器件的类型与参数； 3、声光器件的应用。 （四）无源光波导控制器件 1、波导开关器件； 2、几何光学波导器件； 3、无源光波导调制器。 （五）半导体激光器件 1、半导体激光器的特性与分类； 2、典型的半导体激光器和半导体激光器目前的发展方向与途径。 （六） 固体激光器 1、固体激光器的基本结构、关键技术； 2、新型固体激光器的应用。 本章知识点为：固体激光器的基本结构，DPSSL的特性与关键技术。 （七） 高能激光器 1、高能激光器的特性； 2、高能化学激光器和自由电子激光器。 （八） 高速光电探测器件 1、光电二极管、分离探测器的应用； 2、多元探测器及其应用和发展。 （九） 电荷耦合固体成像器件 1、CCD电荷耦合器件的工作基本原理； 2、CCD器件的特性与应用。 总学时：32，其中：理论学时32。具体分配参见下表： 序号 课 程 内 容 理论学时
《光电材料与器件》实验指导书 何宁编 桂林电子科技大学信息与通信学院 2008年12月
实验一光电池及LED光源特性测试 一．实验目的 1 理解光电池的光电转换机理及主要特性参数。 2 理解LED光源的电光转换机理、驱动方式及主要特性参数。 3 掌握两种器件的应用及参数的测试方法。 二．实验内容 1 测量光电池的开路电压、短路电流和伏安特性。 2 测量LED光源的驱动特性及电光转换效率。 三．实验原理 光电池是由一个面积较大的PN结构成，它是一种直接将光能转换成电能的光电器件，这种器件是利用光生伏特效应，当光线照射到P-N结上时，就会在P-N结两端出现电动势（P区为正；N区为负），若负载接入PN结两端，光电池就有功率输出。光电池对不同的波长的光反映的灵敏度是不同的，按制作材料不同可分为硅光电池和硒光电池，光谱特性如图1所示。 图1 光谱特性图2 光电特性 图1中硅光电池的光谱响应范围是波长4000?——12000?，在波长为8000?时达到峰值，而硒光电池的峰值出现在5000 ?左右，波长的范围是3800——7500?，1埃=0.1nm。 图2中硅光电池的开路电压与光照是一种非线性关系，当光照强度在200勒克斯时就趋向饱和。而短路电流在很大的范围内与光照成线型关系，因此使用光电池作为测量元件使用时，应该把它当成电流源的形式来研究，因为短路电流与光强是线性的，处理起来比较方便，而不要当成电压源使用。需要说明的是这里说的短路电流与开路电压与平时意义上不同，它是指外负载电阻相对与内阻非常小时候的电流值，以及外负载很大时的端电压。实验时外负载电阻<15Ω时，就认为是短路电流，而>5.0K时，就认为是开路电压。经实验证明外负载越小线性度越好。 不同颜色的光有不同的波长，因此光电池的光照频率也不同，光电池的频率特性是指输出电流随调制光的频率变化的关系，图3分别表示硅光电池与硒光电池的频率响应曲线，可见硅光电池有较好的频率特性，而硒光电池则较差。太阳能辐射能量主要集中在1.3-32um的波长范围，表面温度近6000K的太阳能辐射出的能量95%以上的部分分布在波长小于2um的光谱范围。而对于温度为几百K的物体其辐
习题三 1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。 解：波长为1m λμ=的光子能量为 834 206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J m λ---?===???=? 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为 346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为2 0.14/I W cm =。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。 解：光子数为 348 4441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---????=?=?=?=?? 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。 解：粒子数为 348 2161 6.6310310 3.98100.510 c I Ihc n hf λ---????====?? 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？ 答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。 5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？ 答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。 6．什么是激光器的阈值条件？ 答：阈值增益为 12 11ln 2th G L r r α=+ 其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2） 7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？ 证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ?=-?，于是得到2 E hc λλ?=-?，可见当E ?一定时，λ?与2λ成 正比。 8．试画出APD 雪崩二极管结构示意图，并指出高场区及耗尽层的范围。 解：先把一种高阻的P 型材料作为外延层，沉积在P +材料上（P +是P 型重掺杂），然后在高阻区进行P 型扩散或电离掺杂（叫π层），最后一层是一个N +（N +是N 型重掺杂）层。
主要光电子器件介绍 【内容摘要】 光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，本文从几种常见的光电子器件的介绍来展示光纤通信技术的发展。 【关键词】 光纤通信光电子器件 【正文】 光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。 将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分，本文主要介绍几种常见的光电子器件。 1、光有源器件 1)光检测器 常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。 光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。 由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。因此，光电检测器的噪声要求很小。 另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。 2)光放大器 光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。 早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。80年代后期，掺稀土元素的光纤放大器脱颖而出，并很快达到实用水平，应用于越洋的长途光通信系统中。 目前能用于光纤通信的光放大器主要是半导体激光放大器和掺稀土金属光纤放大器，特别是掺饵光纤放大器（EDFA）倍受青睐。1985年英国南安普顿大学首次研制成掺饵光纤，1989年以后掺饵光纤放大器的研究工作不断取得重大
红色：重点、绿色：了解 第1章 1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。 对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm 2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3 目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。 各部件功能： 电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理； 光发送设备：实现电/光转换； 光接收机：实现光/电转换； 光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。 3、光纤通信的特点：（可参照P1、2） 优点：（1），传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。 （3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。 （4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。 缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。 4、适用光纤：P11 G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。 G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难 以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm 处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两种传输体制。
第三章 光通信信道 专业通信103班 代高凯 201027209 3-2.什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？ 答：光纤按照折射率的分布分类，可分为阶跃光纤和渐变光纤。 (1).阶跃光纤是指在纤芯和包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，折射率分布的表达式为 ?????≤<≤=2 1)2()1()1()(a r a n a r n n r ，， 阶跃光纤是早起光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤取代，但是它用来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。 (2).渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐减小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2 ?????≤<≤?-=212 1211)()(21a r a n a r a r n n r ，， 式中，n1为光纤轴心处的折射率；n2包层区域的折射率；a1为纤芯半径；121n n n -= ?称为相对折射率差。 3-4.什么是单模光纤？什么是多模光纤？ 答：光纤按照传播的模式分类，可分为多模光纤和单模光纤。 (1).当光纤的几何尺寸（主要是纤径直径d1）远远大于光波波长（约1μm ）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。计算多模光纤中除传播模式数量的经典公式为4/2V N =，其中V 为归一化频率。模式色散会使许多多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布，其纤芯直径d1大约为50μm 。 (2)根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与波长相比拟时，如芯径d1在5~10μm 范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤，由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信，但是必须满足 归一化频率4048.221 ≤=NA a V λπ
石墨烯在光电子器件中的应用 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。 关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体; 1、前言 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。 目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。 2、石墨烯的基本性质 石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。 在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。 在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。 石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。 3、基于石墨烯的光调制器 3.1 直波导结构石墨烯光调制器 光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在
3.在未加偏置电压的条件下，由于截流子的扩散运动，p 区和n 区之间的pn 结附近会形成没有电子和空穴分布的耗尽区。在pn 结附近，由于没有电子和空穴，无法通过电子-空穴对的复合产生光辐射。加上正向偏置电压，驱动电流通过器件时，p 区空穴向n 区扩散，在pn 结附近形成电子和空穴同时存在的区域。电子和空穴在该区通过辐射复合，并辐射能量约为Eg 的光子，复合掉的电子和空穴由外电路产生的电流补充。 5要满足以下条件a 满足粒子数反转条件，即半导体材料的导带与价带的准费米能级之差不小于禁带宽度即B.满足阈值条件，半导体由于粒子数产生的增益需要能够补偿工作物质的吸收、散射造成的损耗，以及谐振腔两个反射面上的透射、衍射等原因产生的损耗。即 第二章课后习题 1、工作物质、谐振腔、泵浦源 2、粒子数反转分布 5a.激光介质选择b.泵浦方式选择c 、冷却方式选择d 、腔结构的选择e 、模式的选择f 、整体结构的选择 第三章课后习题 10.要求：对正向入射光的插入损耗值越小越好，对反向反射光的隔离度值越大越好。原理：这种光隔离器是由起偏器与检偏器以及旋转在它们之间的法拉第旋转器组成。起偏器将输入光起偏在一定方向，当偏振光通过法拉第旋转器后其偏振方向将被旋转45度。检偏器偏振方向正好与起偏器成45度，因而由法拉第旋转器出射的光很容易通过它。当反射光回到隔离器时，首先经过起偏器的光是偏振方向与之一至的部分，随后这些这些光的偏振方向又被法拉第旋转器旋转45度，而且与入射光偏振方向的旋转在同一方向上，因而经过法拉第旋转器后的光其偏振方向与起偏器成90度，这样，反射光就被起偏器所隔离，而不能返回到入射光一端。 15.优点：A 、采用光纤耦合方向，其耦合效率高；纤芯走私小，使其易于达到高功率密度，这使得激光器具有低的阈值和高的转换效率。B 、可采用单模工作方式，输出光束质量高、线宽窄。C 、可具有高的比表面，因而散热好，只需简单风冷即可连续工作。D 、具有较多的可调参数，从而可获得宽的调谐范围和多种波长的选择。E 、光纤柔性好，从而使光辉器使用方便、灵巧。 由作为光增益介质的掺杂光纤、光学谐振腔、抽运光源及将抽运光耦合输入的光纤耦合器等组成。 原理:当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现粒子数反转。反转后的粒子以辐射跃迁形式从高能级转移到基态。 g v c E F F 211ln 21R R L g g i th
一、光开关的概念及作用、性能参数与分类 1.光开关的概念及作用 一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。 目前主要是：光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。1，将某一光纤通道的光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器） 多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。 网络监视功能：使用简单的13N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。 光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过13N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。 光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。 2.光开关的性能参数 光开关的特性参数主要有插入损耗、消光比、开关时间、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰等。 插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少。 回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。 隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。 消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。 3.光开关的分类 驱动方式可分为：机械式光开关、非机械式光开关。 原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。 交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。 二、机械式光开关 这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。下面介绍几种机械式光开关。 1.移动光纤式光开关 移动光纤式光开关结构简单、重复性好、插入损耗低。移动式光纤的输入或输出端口中，一段光纤固定，而另一端光纤式活动的。通过移动活动光纤，使之与固定光纤中的不同端口相耦合，从而实现光路切换。如图1所示
第一章基本理论 1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么答：当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。 2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响答：在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离；光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。 3、光纤中有哪几种色散解释其含义。答：（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。（3）波导色散：统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。 5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响答：光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。 6、单模光纤有哪几类答：单模光纤分为四类：非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。 12、光缆由哪几部分组成答：加强件、缆芯、外护层。 *、光纤优点：巨大带宽（200THz）、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。*、光纤损耗：光纤对光波产生的衰减作用。 引起光纤损耗的因素：本征损耗、制造损耗、附加损耗。 *、光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。 引起光纤色散的因素：光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。 色散种类：模式色散（同波长不同模式）、材料色散（折射率）、波导色散（同模式，相位常数）。 *、单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。
1．光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输煤 质将信息从一处传至另一处的通信方式。 2．光纤为光导纤维的简称，它的典型结构是多层同轴圆柱体，由纤芯、涂覆层和包层组成，其中光信号主要在纤芯传输，其中涂覆层起保护光纤的作用。 3. 按照光纤中传输的模式划分，光纤分为单模光纤和多模光纤， 其中单模光纤损耗小，色散低，适用于长距离、大容量系统。 4.光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长是0.85um 、 1.31um 、1.55um 。最低损耗窗口的中心波长是在 1.55um 。 5．光纤的色散特性是光纤线路的一个重要参数，它由模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散构成。多模光纤的色散比单模光纤大。多模光纤的 6.光纤的损耗特性是光纤线路的一个重要参数，它由吸收损耗、散射损耗、 连接损耗、弯曲损耗和耦合损耗构成。工程上，光纤衰减的单位是db/km 。7．光与物质相互作用的三种物理形式是受激辐射、自发辐射、受激吸收。光电检测器的最主要过程是受激吸收。产生激光的最主要过程是受激辐射。 8．光源微分量子效率越高，P-I曲线斜率越大；脉冲驱动电流幅度越大，光功率越大。 9. 光发射机的两个主要指标是平均发送光功率、消光比。为保证光发射机的正 常工作，ATC 电路用来调节工作温度，APC 电路用来调节输出的光功率。 10. 光接收机的特性综合反映了整个光纤通信系统的性能，数字光接收机主要的性能指标是动态范围、灵敏度。反映光接收机接收弱信号能力的指标是__灵敏度_；反映光接收 机对收到的光功率大小变化适应能力的指标是_动态范围___。 11.STM-1帧结构由270 列和9 行字节组成，STM-16帧结构由270x16 列和 9 行字节组成一帧中传送信号的顺序是从从左到右、由上到下进行。 12.STM-1帧结构分为3个区域，分别是段开销区域、管理单元指针区域、 信息净负荷区域，用于传送各种业务信息的是信息净负荷区域，帧定位字节位
附件4 “光电子与微电子器件及集成”重点专项 2019年度项目申报指南 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《2006—2020年国家信息化发展战略》提出的任务，国家重点研发计划启动实施“光电子与微电子器件及集成”重点专项（以下简称“本重点专项”）。根据本重点专项实施方案的部署，现提出2019年度项目申报指南。 本重点专项的总体目标是：发展信息传输、处理与感知的光电子与微电子集成芯片、器件与模块技术，构建全链条光电子与微电子器件研发体系，推动信息领域中的核心芯片与器件研发取得重大突破，支撑通信网络、高性能计算、物联网等应用领域的快速发展，满足国家发展战略需求。 本重点专项按照硅基光子集成技术、混合光子集成技术、微波光子集成技术、集成电路与系统芯片、集成电路设计方法学和器件工艺技术6个创新链（技术方向），共部署49个重点研究任务。专项实施周期为5年（2018—2022年）。 2019年度项目申报指南在核心光电子芯片、光电子芯片共性支撑技术、集成电路与系统芯片、集成电路设计方法学和器件工 —1—
艺技术5个技术方向启动19个研究任务，拟安排国拨总经费概算6.75亿元。凡企业牵头的项目须自筹配套经费，配套经费总额与专项经费总额比例不低于1：1。 各研究任务要求以项目为单元整体组织申报，项目须覆盖所申报指南方向二级标题（例如：1.1）下的所有研究内容并实现对应的研究目标。除特殊说明外，拟支持项目数均为1~2项。指南任务方向“1.核心光电子芯片”和“2.光电子芯片共性支撑技术”所属任务的项目实施周期不超过3年；指南任务方向“3.集成电路与系统芯片”、“4.集成电路设计方法学”和“5.器件与工艺技术”所属任务的项目实施周期为4年。基础研究类项目，下设课题数不超过4个，参研单位总数不超过6个；共性关键技术类和应用示范类项目，下设课题数不超过5个，参与单位总数不超过10个。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。 指南中“拟支持项目数为1~2项”是指：在同一研究方向下，当出现申报项目评审结果前两位评分评价相近、技术路线明显不同的情况时，可同时支持这2个项目。2个项目将采取分两个阶段支持的方式。建立动态调整机制，第一阶段完成后将对2个项目执行情况进行评估，根据评估结果确定后续支持方式。 1.核心光电子芯片 1.1多层交叉结构的光子集成芯片（基础研究类） 研究内容：聚焦基于硅基多维度交叉结构的光子集成芯片，—2—
第3章 习题及答案 一．填空 1．对于二能级原子系统，要实现光信号的放大，原子的能级分布必须满足高能级粒子数大于低能级粒子数，即粒子数反转分布条件。 2．一个电路振荡器，必须包括放大部分、振荡回路和反馈系统。而激光振荡器也必须具备完成以上功能的部件，故它也包括三个部分：能够产生激光的 工作物质 ，能够使工作物质处于粒子数反转分布的 ，能够完成频率选择及反馈作用的 。 答案：工作物质，泵浦源，光学谐振腔 3．半导体光放大器的粒子数反转可通过对PN 节加 偏压来实现。PN 结加上这种偏压后，空间电荷区变窄，于是N 区的电子向P 区扩散，P 区的空穴向N 区扩散，使得P 区和N 区的少数载流子增加。当偏压足够大时，增加的少数载流子会引起粒子数反转。 答案：正向。 4．对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，表明振荡产生了激光，把这个电流值叫 ，用th I 表示。当th I I <时，激光器发出的是 ，因此光谱很宽，宽 度常达到几百埃；当th I I >时，激光器发出的是 ，光谱突然变得很窄，谱线中心强度急剧增加， 表面发出的是激光。 答案：阈值电流，荧光，激光。 5．影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角越大，耦合效率越 ；数值孔径越大，耦合效率越 。 答案：低，高。 6．激光和光纤的耦合方式有直接耦合和透镜耦合。当发光面积大于纤芯截面积时，用 ；当发光面积小于纤芯截面积时，用 。 答案：透镜耦合，直接耦合。（课本上有误） 7．半导体激光器其光学谐振腔的谐振条件或驻波条件是 。 答案：2g L q λ=（或2nL q λ=）。 8．判断单模激光器的一个重要参数是 ，即最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。 答案：边模抑制比。 二．判断题 1．电子服从费米能级分布，即在热平衡条件下，占据能级低的概率大，占据能级高的概率小。 （ ） 正确 2．自发辐射的光子方向是随机的，发出非相干光，且不需要外来光场的激励。 （ ） 正确 3．LED 与单模光纤的耦合效率低于LD 与单模光纤的耦合效率，边发光比面发光LED 耦合效率低。 （ ） 错误，边LED 比面LED 耦合效率高 4．光检测器要产生光电流，入射光波长必须大于截止波长，所以长波长检测器能用于短波长检测。 （ ） 错误。应该小于。 5．设计工作于1.55 μm 的光检测器同样能用作1.3 μm 的光检测器，且在长波长灵敏些。 （ ） 正确。因为在一定波长工作的光检测器能工作于更短的波长。 三．选择题 1．对于半导体激光器的结构，下列说法错误的是（ ） A ．F-P 激光器是多模，DF B 和DBR 激光器是单模激光器
异质结在光电子器件中的应用 在实际的光电子器件中，往往包含一个或多个异质结。这是因为异质结是由具有不同的电学性质和光学性质的半导体组成的，还可以通过适当的晶体生长技术控制异质结势垒的性状，因此异质结在扩大光电子器件的使用范围，提高光电子器件性能，控制某些特殊用途的器件等方面起到了突出的作用。在光纤通信、光信息处理等方面的具体应用如下： 1异质结光电二极管 光电二极管是利用光生伏打效应工作的器件，工作时要加上反向偏压，光照使结的空间电荷区和扩散区内产生大量的非平和载流子，这些非平衡载流子被内建电场和反向偏压电场漂移，就会形成很大的光电流。其工作特性曲线如下图所示： 图2.1 光电二极管的工作特性曲线 光电二极管往往作为光电探测器使用，此时希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转化率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的入射窗口，利用此窗口效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。图2.2（a）画的是由宽带隙E g1和窄带隙E g2两种半导体组成的异质结，在入射光子能量满足E g1>hv> E g2的条件下，入射光就能透过半导体1而被半导体2吸收。显然，透过谱与吸收谱的曲线重叠部分是该光电探测器的工作波段范围。图2.2（b）是同质结光电探测器响应的情况，
显然同质结的工作波段范围是很窄的。 光子能量/ev 12 E =E 入射光光子能量/ev 12E >E 入射光 （a ）（b ） 图2.2 异质结光带二极管和同质结光电二极管的光谱特性 2异质结光电晶体管 图2.3分别是InP/InGaAs 异质结光电晶体管的典型结构图和能带图。发射区由宽禁带的n 型InP 材料做成，基区和收集区由窄禁带的InGaAs 材料做成。光电晶体管工作时一般采用基区浮置的方式，以减少引线分布电容。在集电极和发射极之间加电压，使发射极对基区正向偏置，而集电极对基区反向偏置。入射光子流照在宽带发射区上，当光的波长合适时发射区基本是透明的，光在窄带区中靠近宽带一侧被吸收而产生电子-空穴对。电子被发射结的自建电场所吸引从基区向发射区漂移，而空穴将流向基区。如果光在宽带区中也部分吸收的话，电子和空穴的流动方向也是这样的。因为基区是浮置的，电子和空穴这样的流动将促使发射极的电位更负，而基区的电位更正。这相当于发射结的p-n 正向偏置更加强。也就是说，光的吸收和光生载流子的流动等效于在光电晶体管的发射结上加了一个正向的信号。从而是发射区向基区注入更多的电子。这些电子以扩散的方式通过基区到达基区和集电区的边界，被方向偏置的集电极收集成为集电极电流，从而完成放大的目的。所以，光电晶体管不但能用于检测光信号，还能将光信号转换成的电信号放大。
《光电子材料与器件》题库 选择题: 1. 如下图所示的两个原子轨道沿z轴方向接近时，形成的分子轨道类型为( A ) (A) *σ(B) σ(C) π(D) *π 2. 基于分子的对称性考虑，属于下列点群的分子中不可能具有偶极矩的为（C）（A）C n（B）C n v（C）C2h（D）C s 3. 随着温度的升高，光敏电阻的光谱特性曲线的变化规律为（B）。 （A）光谱响应的峰值将向长波方向移动 （B）光谱响应的峰值将向短波方向移动 （C）光生电流减弱 （D）光生电流增强 4. 利用某一CCD来读取图像信息时，图像积分后每个CCD像元积聚的信号在同一时刻先转移到遮光的并行读出CCD中，而后再转移输出。则该CCD的类型为（B ） （A）帧转移型CCD （B）线阵CCD （C）全帧转移型CCD （D）行间转移CCD 5. 对于白光LED器件，当LED基片发射蓝光时，其对应的荧光粉的发光颜色应该为（D） （A）绿光（B）紫光（C）红光（D）黄光 6. 在制造高效率太阳能电池所采取的技术和工艺中，下列不属于光学设计的为（C） （A）在电池表面铺上减反射膜; （B）表面制绒; （C）把金属电极镀到激光形成槽内; （D）增加电池的厚度以提高吸收 7. 电子在原子能级之间跃迁需满足光谱选择定则，下列有关跃迁允许的表述中，不正确的是（B ）： （A）总角量子数之差为1 （B）主量子数必须相同 （C）总自旋量子数不变
（D）内量子数之差不大于2 8. 物质吸收一定波长的光达到激发态之后，又跃迁回基态或低能态，发射出的荧光波长小于激发光波长，称为（B）。 （A）斯托克斯荧光（B）反斯托克斯荧光（C）共振荧光（D）热助线荧光9. 根据H2+分子轨道理论，决定H原子能否形成分子的主要因素为H原子轨道的（A ） （A）交换积分（B）库仑积分（C）重叠积分（D）置换积分 10. 下列轨道中，属于分子轨道的是（C） （A）非键轨道（B）s轨道（C）反键轨道（D）p 轨道 11. N2的化学性质非常稳定，其原因是由于分子中存在（D ） （A）强σ 键（B）两个π键（C）离域的π键（D）N N≡三键12. 测试得到某分子的光谱处于远红外范围，则该光谱反映的是分子的（B ）能级特性。 （A）振动（B）转动（C）电子运动（D）电声子耦合 13．下列的对称元素中，所对应的对称操作属于虚动作的是（C ） （A）C3 （B）E（C）σh（D）C6 14. 某晶体的特征对称元素为两个相互垂直的镜面，则其所处的晶系为（C）（A）四方晶系（B）立方晶系（C）正交晶系（D）单斜晶系 15. 砷化镓是III-V族化合物半导体，它的晶体结构是（D）。 （Ａ）NaCl 结构（B）纤锌矿结构（C）钙钛矿结构（D）闪锌矿结构16. 原子轨道经杂化形成分子轨道时，会发生等性杂化或非等性杂化。下列物质中化学键属于不等性杂化的是（B）。 （A）CH4（B）H2O （C）石墨烯（D）金刚石 17. 关于金属的特性，特鲁德模型不能成功解释的是（A ） （A）比热（B）欧姆定律（C）电子的弛豫时间（D）电子的平均自由程18. 下列有关半导体与绝缘体在能带上的说法中，正确的是（B ）。 （A）在绝缘体中，电子填满了所有的能带 （B）在0 K下，半导体中能带的填充情况与绝缘体是相同的 （C）半导体中禁带宽度比较大 （D）绝缘体的禁带宽度比较小 19. 在非本征半导体中，载流子（电子和空穴）的激发方式为（B）？ （A）电（B）热（C）磁（D）掺杂 20．在P型半导体材料中，杂质能级被称之为（C）。 （A）施主能级（B）深陷阱能级（C）受主能级（D）浅陷阱能级
第一章绪论 简答：光纤通信的发展方向 第二章光纤和光缆 填空 1.目前光纤通信的长波波长低损耗工作窗口是 1.31μm 和。 2.光纤中的传输信号由于受到光纤的和色散的影响，使得信号的幅度受到衰减，波形出现失真。 3.阶跃型单模光纤的截止波长λc=___________。 4.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0.85 μm,1.55 μm 和___________。 5.在阶跃型光纤中，归一化频率V的定义式为。 6.按照折射率分布规律，光纤可以分为、和单模光纤等。 7.光纤的色散主要有材料色散、、。 8.单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较，通常在 4μm～10μm 范围内。多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较，典型尺寸为50μm左右。 9．光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸；光学特性包括、数值孔径等；传输特性主要是及特性。 10.按射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有_________和
___________两类。 判断 1.光纤中要求纤芯的折射率应该小于包层的折射率。 2.当光纤参数确定后，只有工作波长小于截止波长时，光纤才能实现单模传输 3.光纤的数值孔径与入射光波长有关。 4.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是n1>>n2。 5.目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的。 6.光纤中光能量主要在纤芯内传输，包层为光的传输提供反射面和光隔离。 7.光纤单模传输时，应该保证归一化频率V大于归一化截止频率V c。 8.光纤中传输的模式数由归一化频率决定，当归一化频率确定后，光纤中所传输的模式数和模式分布也就确定了。（）9.．单模光纤中存在模间色散，多模光纤中不存在模间色散。（） 10.．在单模光纤传输中，实际传输信号的频谱宽度取决于两个因素，一是半导体激光器发射的光的固有频谱宽度，二是电信号调制造成的频谱展宽。（） 11．改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现零色散。（）