光电子学(第四章5)汇总课件

1、 湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲2016 年 3 月物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience 光电子学 第四章 光辐射在介质波导中的传播 第十一讲 问题一：材料n随自由载流子浓度而原因 衬底 薄层 不含自由载流子材料，单位体积含Nfc自由载流子材料实部： 波导： n1不含载流子材料n 问题二：异质结模dm与同质结同模dm比较 同质结对称平板波导 异质结非对称平板波导 异质结模dm比同质结同模dm小得多。 问题三：半导体波导中主要损耗 波导每层吸收光，自由载流子吸收光损耗；吸收系数： 波导转折处或弯曲段。导波模弯曲波导传

2、播，沿波导层上下面传播场经不同传播距离或不同传播v，模向消逝波耦合。 光刻不完善波导断口，波导互联端面填n匹配硅胶。导波模很好准直端面与端面小间隔两波导间耦合，功率损。间隙功率： 光辐射在介质波导中的传播（第十一讲） 44-7 光纤损耗与色散 4-6 光纤中电磁波模式理论 4-4 矩形介质波导基本概念 4-3 平板波导的电磁理论 4-2 介质平板光波导的射线分析方法 4-1 光在介质分界面上的反射与折射 4-8 光波导装置与应用 4-5 光纤中的射线分析 （上、中、下） 思路： 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概

3、念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用先：高锟-光纤之父成就、简历、荣誉 然：光纤通信发展历程、优点和应用后：光纤组成、分类、比较 第十一讲要点 光纤发展历程 高锟-光纤之父成就与生平 光纤组成、分类、比较 1 3 2 光纤通信独特优点使通信史革命性变革 2009：英华裔高锟，美威拉德博伊尔和乔治史密斯，“光在纤维中传输已用于光学通信方面”突破成就；2010：英曼彻斯特大学安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，“研究二维材料石墨烯的开创性实验”。石墨烯塑造低功率电子元件，晶体管。铜线和半导体电脑芯片75%能耗。 2011：美约翰巴赫恰勒，天体物理学

4、成就，与美布鲁克黑文国家实验室小雷蒙德戴维斯，证明太阳中微子理论正确。哈勃望远镜创立人之一。 高锟-光纤之父2012：法沙吉阿罗什与美大卫温兰德。“突破性试验方法使测量和操纵单量子系统成为可能”。神秘量子世界不再“与世隔绝”。 高锟-光纤之父2013：比利时弗朗索瓦恩格勒特和英彼得希格斯描述粒子物理学标准模型，预测基本粒子- 希格斯玻色子，被欧洲核子研究中心大型强子对撞机实验发现。 2014：日赤崎勇，天野弘和中村修二发明节能环保高效蓝光发光二极管（LED）。蓝LED，白光多种新产生方式。LED灯到来，更耐用更经济照明方式。 高锟-光纤之父2015：日本Takaaki Kajita和加拿大Ar

5、thur B. McDonald。发现中微子振荡，表明中微子具有质量。” 所有的科学家都应该固执, 都要觉得自己是对的, 否则不会成功. 高锟 高锟从瑞典国王卡尔十六世古斯塔夫手中接过诺贝尔物理学奖证书 我是真正的炎黄子孙 高锟-光纤之父 20091006瑞典皇家科学院首都斯德哥尔摩新闻发布会，诺贝尔物理学奖授予英华裔高锟及美威拉德博伊尔和乔治史密斯。 家人陪领诺贝尔奖 三位诺贝尔物理奖获得者 高锟-光纤之父健康因，高锟演讲词夫人黄美芸代读 与妻子黄美芸起舞 导 言 早 期 关键发现 该文件 说服世界 对世界的影响 结 论 5500多字： 高锟-光纤之父香港中文大学前校长高锟1996年“高锟星

6、”命名典礼 原香港中文大学校长“光纤之父”高锟6日获诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院，获奖因“光在纤维中传输已用于光学通信方面”突破成就。 高锟1966“光通讯”理论，比头发丝细光纤代替庞大千百万条铜线，传容量无限信息，外笑“痴人说梦”，90年代利用，造就今天互联网发展，誉“光纤之父”。 高锟-光纤之父所获成就： （1）1966高锟“光频率介质纤维表面波导”论文提光导纤维在通信应用原理，长程及高信息量光通信需绝缘性纤维结构和材料特性。 解决玻璃纯度和成分，用玻璃制光学纤维，高效传输信息。 有人称匪夷所思，也有大加褒扬。争论中设想变现实：石英玻璃制光纤应用广泛，掀起光纤通信革命。第一光纤系统198

7、1问世，“光纤之父”美誉传世界。 （2）开发实现光纤通讯需辅助子系统 单模纤维构造，强度和耐久性，纤维连接器和耦合器及扩散均衡性等研究，成果使信号无放大条件，每秒亿兆位元传送至距离以万米为单位成功关键。 高锟曾被嘲笑为神经有病 高锟-光纤之父纯度极高玻璃为媒介传送光波作为通信用基础理论提出玻璃制成衰减20dB/km光纤实现光通讯 光频率介质纤维表面波导 （英国）电机工程师协会会议录 高锟-光纤之父1966海外，物理学华人多。有时参加国际物理会议1/3华人。 现实验室科研华人主要力量，博士生、博士后很多华人。 高锟继李政道，杨振宁，丁肇中，李远哲，朱棣文，崔琦及钱永健后，第八位获诺贝尔科学奖华裔

8、科学家。 美国公民，同时英国国籍。 高锟-光纤之父1933出生上海，曾住法租界。父亲律师； 1948迁香港。中学香港圣若瑟书院。未毕业去英国留学； 1957和1965伦敦大学分别获电机工程学士和博士学位； 1957进ITT（国际电话电报集团）公司旗下英国子公司“标准电话与电缆有限公司”（Standard Telephonesand Cables Ltd.）工程师； 1960进ITT设英国欧洲中央研究机构-标准电信实验有限公司，服务十年，职位研究科学家升至研究经理。这时期，为光纤通讯领域先驱； 高锟简历： 高锟-光纤之父1966发表“光频率介质纤维表面波导”论文，提出光导纤维在通信应用原理，描述

9、长程及高信息量光通信需绝缘性纤维结构和材料特性； 新构想提出，没人相信理论包括专家们，认为绝不可行； 六十年代，最好导体，光波在其中传输 20m，能量剩原1%，何谈“通讯”。高锟没因专家话放弃，埋首研究理论，曾亲自向当时美国通讯界权威贝尔实验室推销想法； 高锟愿意出售专利权，贝尔实验室不看好； 高锟简历： 高锟-光纤之父1970美纽约州康奈尔大学附近玻璃制造公司-康宁公司赏识他理论，成功制出第一条光纤； 1974光纤大量投产； 1981首个真正光纤传讯系统面世。高锟提出光纤，高纯度玻璃纤维制成，光进入其中，像进入一周围全镜子管线，全反射，再也跑不掉，从另端出来； 光纤低损，宽频，小尺，轻重优点

10、，高锟发明有效解决信息长距离传输，极大提高效率并降低成本，给通讯带来一场革命。 高锟埋头研究光导纤维技术 高锟简历： 可见：许多实验成功来自理论预言！ 高锟-光纤之父互联网，电子邮件出现及现代信息技术高速发展归功光纤发明。 诺贝尔奖评委会描述： “光流动在细小如线玻璃丝中，它携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本，音乐，图片和视频因此能在瞬间传遍全球。” 高锟对全球电信与信息技术发展重大贡献，当之无愧“光纤之父”。 光纤在医学应用，胃镜等内窥镜让医生看见患者体内； 光纤系统在工业应用，各类生产制造和机械加工大显身手。 高锟简历： 高锟-光纤之父ITT十年后，高锟香港中文大学任职四年； 197

11、4返ITT。光纤前生产阶段。位于美弗吉尼亚州劳诺克光电产品部任主任科学家，后升工程主任； 1982，卓越研究与管理才能被ITT任命首位“ITT执行科学家”，康尼迪克州先进技术中心工作； 1985德国SEL研究中心工作。任耶鲁大学特朗布尔学院兼职教授及研究员； 1986，任合作研究主任； 1987-1996，任香港中文大学校长。任香港高科桥集团有限公司主席兼行政总裁，开发电信与信息； 高锟简历： 高锟-光纤之父1990，获美国国家工程学院院士； 199606中国科学院第二批外籍院士。同年，中国科学院紫金山天文台将19811203发现国际编号“三四六三”小行星命名“高锟星”； 英国皇家工程科学院院

12、士； 英国皇家艺术学会会员和 瑞典皇家工程科学院外籍院士， 台湾中央研究院院士。 高锟简历： 高锟-光纤之父曾获多国际学术奖， 1998发明光纤光学获IEE奖； 1999美国家工程院“查理斯塔克德雷珀奖”。被誉“工程界诺贝尔”奖项，美工程界杰出成就最高荣誉； 诺贝尔奖委员会将2009物理学奖授予他，获奖金1/2，500万瑞典克朗（1瑞典克朗换1.1269元人民币，合563.45万人民币），另两位美科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯平分余下500万瑞典克朗奖金。 高锟捐赠部分诺贝尔奖金 光纤通信发明家高锟1998在英接受IEE授予奖章 高锟获奖： 高锟-光纤之父1976美硅酸盐学会摩尼奖 1977美

13、富兰克林研究所史特活柏兰亭奖章 1978英兰克信托基金会兰克奖 1978美电机及电子工程师学会摩理斯H利柏曼纪念奖 1979瑞典艾力松基金会LM艾力松国际奖 1980美武装部队通讯及电子学会金章奖 1985美电机及电子工程师学会亚历山大格林姆贝尔奖章 1985美马可尼基金会马可尼国际科学家奖 1985香港中文大学荣誉理学博士 1985意大利热那亚市哥伦布奖章 1987日本通讯及计算机促进基金会通讯及计算机奖 1989英电机工程师学会法拉第奖章 1989美物理学会新材料国际奖 高锟所获荣誉： 高锟-光纤之父1990英塞萨斯大学荣誉理学博士 1990美国家工程院院士 1991日本创价大学荣誉博士

14、1992英格拉兹高大学荣誉工程学博士 1992光学工程国际协会（SPIE）“协会金章奖” 1992台湾中央研究院院士 1993英帝国司令勋章 1994英达勒姆大学荣誉理学博士 1995世界工程组织协会杰出工程成就金章 1995澳洲格理斐思大学第一服务荣誉博士 1996十二届日本国际赏 1999美国家工程院“查理斯塔克德雷珀奖” 2009诺贝尔物理奖 高锟所获荣誉： 高锟-光纤之父纤芯core：n高，传送光； 包层coating：n低，与纤芯一起形成全反射条件； 保护套jacket：强度大，承受大冲击，保护光纤。 高锟1966发表“光通讯”基础理论，提出以比头发丝细光纤代替体积庞大千百万条铜线，

15、传送容量几近无限信息。 高锟-光纤之父纤芯 包层 保护套 玻璃光纤多分支光束 HCS石英光纤 光纤按材料分类： 玻璃光纤：纤芯与包层玻璃，损耗小，传距长，成本高； 胶套硅光纤：纤芯玻璃，包层塑料，特性同玻璃光纤，成本低； 塑料光纤：芯与包层塑料，损耗大，传距短，价低。家电音响 短距图像传输。 塑料光纤多芯传光缆高锟-光纤之父光纤通信 超高速 大容量 长距离 网络化 一根光纤同时传输一百多路信号，特殊技术同时传1022路 单路v不断， 达10，20，40Gb/s用OTDM技术达640Gb/s 各种通信技术快速发展使上千甚至上万km 长距离传输为可能 全光网为目前光通信 领域最热门话题之一 时分复

16、用（OTDM）技术实现超高速传输有效技术 Gb 109个字节 关键光纤！ 高锟-光纤之父容许频带很宽，传输容量很大； 传输损耗小，中继距离长且误码率很小； 抗电磁干扰性好，保密性强，使用安全； 材料资源丰富，节约金属材料利于资源合理使用； 量轻，体积小，敷设方便。 缺点： 组件昂贵，光纤质地脆，机械强度低，连接难，分路，耦合不便，弯曲半径不宜太小。 缺点技术可克服，不影响光纤通信实用。 光纤通信技术特点： 高锟-光纤之父光纤通信发展历程： 探索时期光通信： 原始光通信：中国古代“烽火台”报警，欧洲旗语传信息； 1880美贝尔（Bell）发明光波作载波传话音“光电话”。贝尔光电话现代光通信雏型；

17、 1960美梅曼（Maiman）发明第一台红宝石激光器，给光通信带来新希望。激光器发明和应用，使沉睡80年光通信进新阶段。 该时期，美麻省理工学院He-Ne和CO2激光器大气激光通信试验。没找到稳定可靠和低损传输介质，光通信研究低潮。 高锟-光纤之父1966英籍华裔学者高锟（C. K. Kao）和霍克哈姆（C. A. Hockham）传输介质新概念论文，指出用光纤（Optical Fiber）信息传输可能和技术途径，奠定现代光通信光纤通信基础。 高锟首次提出玻璃纤维衰减率20dB/km，光纤通信可成功。 接着，指出： 高纯石英玻璃是制造可用于实现光通信光纤首选材料 发现“溶凝石英”玻璃提炼，提

18、炼出“无杂质”玻璃。 指明通过“原材料提纯制造适合长距离通信使用低损耗光纤”发展方向 光纤通信发展历程： 高锟-光纤之父1972，康宁公司高纯石英多模光纤损耗到4dB/km； 1973，Bell实验室光纤损耗到2.5dB/km； 1974，到1.1dB/km； 以后10年， 1.55m光纤损耗： 1979，0.20dB/km； 1984，0.157dB/km; 1986，0.154dB/km，近光纤最低损耗理论极限； 1976，日本电报电话(NTT)光纤损耗0.47dB/km(1.2m)； 1970，光纤研制取得重大突破： 1970，康宁公司最先生产出衰减率1000dB/km 1970，突破，

19、损耗到20dB/km（1m 区） 1979，损耗0.2dB/km （1.55m） 低损耗光纤问世致光波技术领域革命，开创光纤通信时代。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 光纤工作在光频介质波导，形状圆柱形，光波约束在内部，引导光沿与轴平行方向前进。 光纤光导纤维，细小，柔韧能传输光信号介质，光缆由多条光纤组成。 与双绞线和同轴电缆比： 光缆适应网络对长距离传输大

20、容量信息要求，计算机网络发挥作用。 光纤高度透明玻璃丝，纯石英经复杂工艺拉制成。 光纤中心部分（芯Core）同心圆状包裹层（包层Clad）涂覆层。 特点：ncorenclad光在芯和包层界面反复全反射，光纤中传递。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 室内外单膜多膜2芯-24 芯光纤光缆 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）塑料光纤 室外光纤24681012单模 多模 光

21、导纤维（Optical fiber）光纤，用光在玻璃或塑料纤维全反射原理达成光传导工具。 光在光纤传导损耗比电在电线传导损耗低得多，作长距信息传递。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 光纤三部分组成： 1. 里面纤芯，n1 2. 纤芯外n2（n1）介质包层，保护纤芯： (1) 光纤机械强度； (2) 避免纤芯接触污染物质，纤芯表面过大不连续（界面两边n差过大）引

22、起散射损耗； 3. 包层外有层弹性耐磨塑料材料，进一步光纤强度，机械上隔离或缓和几何形状微小不均匀，畸变或邻近表面粗糙度对光纤影响，避免产生随机微弯引起散射损耗。 纤芯 包层 保护套 芯 包层 树脂被覆层 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 光纤分类： 由n分布（芯区n径向分布）； 阶跃型（SIF）：芯n均匀分布； 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上

23、光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 2. 渐变型（梯度，多模） （GIF）；芯n轴最大， 沿横截面径向变小， 连续变化，梯度光纤； 此外，其他n分布； 环形光纤； W型光纤（双包层）； 三角分布散位移光纤（DSF G.653）； 非零色散位移光纤（NZ-DSF G.655）。 几种光纤n分布 纤芯芯n均匀分布纤芯n轴线最大，沿横截面径向变小，连续变化梯度 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射

24、线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 按传光原理分：1. 反射型光纤； 2. 折射型光纤。 阶跃光纤，光沿直线传播，芯与包层界面全反射变方向，阶跃型光纤另一称呼； n连续变光线不断变方向，也是渐变型光纤，运动轨迹曲线； 按传输模式分: 1. 多模光纤2. 单模光纤 允许多模式(几十至几百个)在光纤传播, 芯50-100m; 只允许一个模式存在, 芯小, 5-10m; 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导

25、射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 按材料分：1. 石英光纤2. 塑料光纤最广泛，可是阶跃，也可是梯度型； 与石英光纤属同类材料（硅酸盐）还有多组分玻璃光纤； 包括全塑料（芯与包层）光纤及芯是石英，包层是塑料光纤； 除以上，有：液芯光纤 氟化物光纤 锆钡镧铝钠光纤 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、概 论 二、阶跃型光纤的射线分析 三、渐变型光纤的射线分析 按照损耗程度区分：1. 高损耗 2. 中损耗 3. 低损耗 长距离传播信号，要求光纤损耗尽可能小，低损耗光纤（0.15dB/km）主要选择，传距几到100km以上； 中及高损耗适用短距（几十m到1km左右）信号传输； 还有新型光纤，如：有源光纤（激光光纤及发光