光子学与信息时代第一讲.ppt

武汉理工大学理学院 胡昌奎 光子学与信息时代 WuhanUniversityofTechnology 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 19世纪是机械时代 20世纪是电子时代 21世纪是光子时代 第一讲时代的呼唤 光子学的诞生与发展 第二讲光子学器件的物理基础 第三讲光子学器件 第四讲光纤传感在信息灵敏获取中的应用 第五讲光子学技术在信息传输中的应用 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 第七讲光子学技术在高速信息处理中的应用 第八讲光子学技术在信息存储与显示中的应用 第九讲光子学技术在生物工程与医学中的应用 第十讲光子学技术在军事上的应用 光子学技术 信息化时代的支持技术 参考书 1 光子学技术 信息时代的支撑技术 王启明等清华大学出版社 2 Optoelectronicsandphotonics principlesandpractices S O Kasap 第一讲时代的呼唤 光子学的诞生与发展 光子学技术 信息化时代的支持技术 一 光子学与电子学的渊源 信息载体 电子 electron 光子 photon 电子学 光子学 光子学与电子学一起扮演着信息化社会两大关键支柱的重要角色 电子学的发展 俄国人波波夫 A A Bobov 于1895发明无线电报 1876年美国人贝尔 Bell 发明了有线电话 意大利人马可尼 Marconi 于1901年发明无线电报 人们便开始认识到电子或电磁波科被用来作为一种携带信息的载体 通过导线传输或在自由空间中传播 实际远距离人们相互之间的通信联络 18世纪的以能量转换为服务对象 电气学和电工技术 电子学或电子技术的时代 信息服务为对象 电子学或电子技术使研究利用电子或电磁波为信息载体 而在回路中传输 控制 运作以实现信息的获取 传输 处理 存储 显示等功能的一门科学技术 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 它已经普及到千家万户 并形成了规模化产业 在发达国家中它的产值甚至超过了汽车 钢铁产业 而跃居为先进国家的支柱产业之一 人们常把广播 通信喻为现代社会的神经网络 而电子计算机则在文明时代中起着中枢大脑的作用 真空管电子学 固体电子学 微电子学 固体电子学与微电子学的诞生将电子技术和信息技术推进到一个空前未有的新高度 真空电子管 晶体管 半导体集成电路 电子流及电磁波的产生方法及其器件装置的研究是发展电子学的首要任务 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 目标为了实现提高荷载信息的容量和加快处理信息的速度 在电子技术中信息的载入过程是先借助压 电效应或光 电效应将声音 图像和文字等初始信息转变为相应的电流或者电压变化函数 再用它来调制电子载体或电磁波载体的某个参数后发送出去 又利用其逆过程在终端将调制信息还原为初始信息 于是人们就能听到声音 看到图像 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 电子计算机中的这些逻辑码是按照串行的排序在一个含有大量逻辑门阵列的半导体芯片中传递与处理的 门与门之间信息码的传递同样是利用电子流在内部互连通道传输来实现的 它也存在一定的时间延迟 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 现在对超大信息量计算技术的发展是采用并行处理的方法 即利用软件的功能将输入的信息分解成许多信息元包 分别给众多的子处理器同时运算 再把运算结果返回主机综合处理 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 以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现代化信息科技发展中的必然选择 二 光子学 研究光信息载体的科学 以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现代信息科技发展中的必然选择 用光信号来实现通信联络 烽火台 舰艇上的旗语等 光量子 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 信息科学家则从与电子学类比的应用角度认为 光子学是研究光子作为信息和能量载体所赋予的固有特性 运动行为及其应用的一门科学技术 固体光子学则是研究光子载体在固体煤质中的产生 运动 受控 操作及其信息功能体现的一门科学与技术 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 广播 通信 计算机等信息功能服务外 它还包括了物理信息的获取 如通过光发射 光吸收 光散射等 与应用 化学信息的获取 如通过化学反应过程中的微光发射谱等 与应用 生命信息的获取 如通过生理过程中的微光发射谱 和医学信息的获取 如对摄入人体内药物治疗过程中的微光吸收谱的检测 与利用 光子与电子在物理属性与特征上有许多本质的差别 电子是带负电性的 它受外电场的作用形成电流 电子载体在固体回路中的传输即表现为电流在回路中的流动 它受到回路电学延迟 反映RC阻容延迟 效应的限制 它的传输速度比较慢 一般大于纳秒 而光子是不荷电的中性体 光子载体的传输不受外场的影响 不存在贿赂电学延迟效应 始终以光速 为固体介质的折射率 在固体回路中传播 延迟时间只与传输光程有关 对10 100um的光程 一般光子器件的尺寸 延迟时间可小于皮秒 因此光子信息贿赂的运行速度至少比电子信息回路快1000倍 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 现在的光通信 还只是利用光脉冲作为信息载体来实现的 光脉冲的最高重复频率约为100GHz G 离光波的本征宽度尚有2 倍的差距 可见 光波作为载体 对提高传输容量蕴含有巨大的潜力 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 正在发展的量子态通信 则是利用光子的量子态作为信息的载体 量子态编码具有不可破译的特有功能 同时 有望提高速度 增大传输能力和容量 利用光子的量子态可以实现远距离的传输 因此正在孕育着一门新的光量子信息科学诞生 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 1962年美国国际通用机器公司 IBM 和无线电公司 RCA 的拉榭 G J Lasher 和霍尔 R N Hall 发明了半导体激光器 这种激光器能够直接用电注入来激励 易于实现调制 响应速度快 效率高 寿命长 尤其是易于集成 它与微电子学的可比性更为接近 因而成为了固体光子学发展的基础 三 光学学引人注目的成就 800 900nm向1 3um和1 5um的长波区拓展 这个波长区正是石英光纤的零色散和低损耗窗口激光器的工作寿命则由早期一闪即逝发展到能连续工作105h以上 甚至达到106h 1 半导体激光器semiconductorlaser 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 红光 670nm 黄光 570nm 绿光 550nm 直到蓝光 450nm 的半导体激光器已先后研制成功 连续工作寿命都在104h以上 并已达到商品化的规模生产水平 紫光 330nm 直到紫外光半导体激光器也将会在氮化物基的材料上得到实现 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 由于采用了大功率半导体激光器作为光纤放大器的泵浦光源 才使光纤放大器的研究得到突破性进展 光纤放大器的成用与应用已使光通信线路中完全摒弃了早期基于光 电 光转换的昂贵的中继增强器 并实现了实时 宽带 在线的全光放大功能 为密集波分复用超大容量传输技术的发展奠定了基础 同时降低了通信系统的造价 无疑它又是光通信技术发展史中的一次革命性飞跃 以半导体激光器作为泵浦光源的光纤激光器也已研制成功 它意味着全光纤集成光子功能回路及信息服务系统的实现提上了日程 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 2 光通信器件 IntensityModulator PhaseModulator ModulatorDriver SemiconductorOpticalAmplifiers SOA Photoswitch HighSpeedDetector 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 固体光子学 尤其是半导体光子学和光纤光子学都能够满足集成化的要求 人们根据系统功能的不同需要 将若干或众多的光子器件制作在同一基片上 通过光波导的内部互连组成一个整体的光子功能回路 以突破分立器件的功能局限 这就是当前正在迅速发展着的一门高新技术 集成光子学 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 离开电的操作 光子器件的功能也难以充分体现 因此未来的可实用的光子集成系统必须辅之以相应的微电子回路 这就是集成光电子系统 然而在这样的系统中光子集成回路占有核心部件的关键地位 宽带综合业务光纤接入网拓扑结构 4 光通信 融合包括有线 光纤或HFC 无线等不同接入类型 不同业务规模的各种接入网所形成的一个灵活 大容量的综合网 其中全光通信网 AON 是主体 不久的将来 全光网中的传输和交换容量均达到Tbit s量级 将比现有传输速率提高1000倍以上 密集波分复用 DWDM 为基础光核心网 2 5 10Gbit s 40Gbit s 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 6 光存储 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 太比特位元的超大容量信息存储是当前光子存储技术的发展目标 体全息存储技术是可选择的一类途径 它如同书本一样可以在光折变晶体中一页页的在介质体内将信息记录下来 太比特的容量相当于可存入1000部10万字书本的文字信息 就像一个袖珍式的图书馆 7 信息 在信息获取和读出显示领域 光子技术更是充分的显示出它不可替代的地位 信息的充分获取与载入是未来国家信息基础设施中的重要组成部分 反映社会和物质运动状态的信息 可以通过声 图 文和数据的表达而反映出来 物质的运动状态通常伴随有光场 电磁场 声场 热场和应力场等的出现 它们的存在可以使某种材料器件的物理 化学特性产生一定的变化 通过对这种变化的量测就能察觉物质的存在及其运动状态 这种器件即称为传感器 许多以光学 光电和光化学效应为基础的获取信息的手段已为人们广泛应用 例如卫星上的红外遥感 红外焦平面雷达 CCD摄像 计算机用的光笔 光学测温仪 星光夜视仪等等 这些技术都已相当成熟 并广泛投入使用 未来信息化社会对获取信息的实时性和多功能性将提出更高的要求 以光纤为基质的传感器正得到迅速发展 各种辐射场的出现都能够对光纤的特征参量 如折射率 产生微小的变化 这种微小的变化都对在光纤中传输的光波的相位 偏振态或是导波光的漏泄损耗有明显的影响 从而可利用光的干涉效应或损耗特性感知与获取客观存在的信息 8 光纤传感 光纤传感器 OTDRs 这是一种全光传感技术 它既不受周围电磁场的干扰 又不会因偶发电火花的出现导致引发性安全事故 所以 光纤传感技术是一种实时安全 可靠的多功能传感技术 在许多工程设施中得到广泛应用 例如航天飞行器喷口温度的监测 发电站和高压变压器中温升的监测 飞行器定位的光纤陀螺的应用 核试验时各种环境参数的远距离监测等 光纤光栅的成功发展使这种光学传感器的尺寸有几个量级的缩小 而灵敏度和感测精度却大为提高 人们期望把这种小巧的传感器埋入大楼的墙壁里或安装在桥梁上 可以实时监测诸如水坝和桥梁等大型设施的安全状态 如温度 负荷 应力等 人们称它为新一代智能化建筑材料 9 半导体发光器件 半导体发光二极管已发展到规模化产业的阶段 它的波长范围已覆盖红 黄 绿 蓝 紫可见光区的全部 具备了全色显示的条件 由于它的功耗低 亮度高 如达10000mcd cd为发光强度的单位符号 更适于户外中远距离的大屏幕显示 光子学的发展正为人们呈现出了一幅幅五