Er-
B
Fiber Raman amplifier (FRA)
WDM
EDFA
16 8 14 12 6 10 8 4 6 4 2 2 0 91400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640
1400 14201440 1460148015001520 15401560158016001620
芯径小 ⇒ 光学非线性增强
Wavelength, µm
♦ 非线性啁啾光纤光栅
λ1
问题 : 调谐范围小
λ2 λ3
信息光电子技术的新突破
光学非线性限制
折射率调制 －自相位调制 (SPM)：谱展宽 → 色散代价 ： －交叉相位调制 (SPM)： 谱展宽 → 色散代价 ： － 四波混频 (FWM)：相干干扰 → 串扰 / 功率耗散 ：
热 摄 光 光 雪 敏 像 电 电 崩 电 管 晶 管 型 体 光 光 阻 管 电 电 倍 二 热 电 增 极 电 荷 管 管 偶 耦 合 放 器 电 件 堆
显 示 器 件
电 子 束 器 件 电 致 发 光 器 件 液 晶 器 件
发 光 二 极 管
气 体 激 光 器
固 体 激 光 器
半 导 体 激 光 器
信息光电子技术的新突破
损耗限制
Loss ( dB / km ) 1.0 0.8 0.4 0.2 0.1 25 THz
WDM Channels
10.00 dBm
...
1.2 1.3 1.4 1.5 λ(µ λ µ m)
1.6
1.7
20 18 16 14 12
Y Axis Title
20 10 18
Er-doped fiber amplifier (EDFA )
光电子学的未来
光通信新技术
相干光通信 光孤子通信 量子通信
光电子学的未来
单模光纤 光载波 激光器 调制器 光匹配器
解调
中频放 大、滤波
光电 检测器 本振 激光器
光匹配器
基带放 大、滤波
再生
相干光通信系统框图
光电子学的未来
光孤子通信
在光纤的反常色散区， 在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应相互 作用，可产生一种非常引人注目的现象－光学孤子。 作用，可产生一种非常引人注目的现象－光学孤子。孤 子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形， 子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形， 特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。 特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。
P ( mW )
I th
光子晶体特性
限制的“微腔” 2. PBG 限制的“微腔”作用
－ 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ) 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应 效应） － 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应）
应用：－ 实现接近零阈值的激光辐射 应用：－ － 实现对量子态（量子比特）的操作 实现对量子态（量子比特）
光通信发展历史的见证光电功能材 Nhomakorabea进展1970s： ：
光电子技术的突破
异质结半导体材料（ 室温工作） 异质结半导体材料（LD 室温工作） 石英光导纤维（损耗 < 1dB/km〕 石英光导纤维（ 〕 光纤通信奠定基石
1980s： ： 1990s： ：
量子阱半导体材料（ 激光器） 量子阱半导体材料（QW激光器） 激光器 光电器件更新换代 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器） 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器） 光通信技术的革命
λ1λ2λ3λ4 Circulator Fiber grating λ1λ2 λ4 Fiber grating Circulator λ1λ2λ3λ 4
Input
λ3
Isolator
Output
λ3
Drop
Add
问题： 问题：光纤光栅不可调
信息光电子技术的新突破
微电机械(MEMS) OADM 微电机械
光电子学的未来
面向新世纪信息科学与技术的新挑战
“Photonics Nanostructures” Nanostructures”
光子晶体进展
( Photonic Crystals)
介观光学物理的新突破
光学系统分区
( 系统线度 a, 特征波长 λ ≈ 1 µm ：判据 X ≈ a / λ ) 宏观系统 ( a ≈1cm, X >> 1) 线度足够大： 线度足够大：光子 ⇒ “点” 几何光学
信息光电子技术的新突破
光网络动态调控
WDM/Point-to-Point Transport
Fixed WDM/Multipoint Network
Optical XC and WADM Reconfigured WDM/Multipoint Network
信息光电子技术的新突破
光纤光栅型OADM 光纤光栅型
光 全光型器件 电 子 集 成 光 器 光 控 件 存 储 制 器 器 件 件 光 隔 离 器 光 频 变 换 器 光 双 稳 器 件 光 控 制 器 光 开 关 光 偏 转 器
光探测器件
光源器件
光 无 源 器 件 偏 滤 光 热 振 波 波 释 器 器 导 电 器 光 分 光 件 栅 光 纤 器 全 连 息 透 接 元 镜 器 件 棱 耦 镜 合 器
热 电 型 器 件
光 电 导 型 器 件 本 征 型 光 电 二 极 管 光 电 导 器 件 非 晶 半 导 体 光 电 池
光 电 池 型 器 件 单 Se 晶 光 PN 电 结 池 光 电 池 照 明 器 件 放 电 管 荧 光 管
等 离 子 体 器 件
非 相 干 光 源 染 料 激 光 器
相 干 光 源
光子晶体特性
1.光子带隙( )限制作用 1.光子带隙( PBG )限制作用 光子带隙
－ 禁止频率落在带隙内的光传播－带阻滤波器 禁止频率落在带隙内的光传播－ － 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射
应用：－ 高效率无发光二极管、太阳能电池 应用：－ 高效率无发光二极管、 高效率无背瓣微波天线 － 高效率无背瓣微波天线
期待新一代光电功能材料的突破 !！!
光子晶体
概念－ 概念－光子能带 光子晶体特性
光子晶体（PC） 光子晶体（PC）
光子能带
结构参量: 结构参量 孔径 －d 周期 －Λ 芯径 －ρ
Diamond
一维
二维
ρ
三维
d
Λ
Defect state
介电常数周期分布的介质形成光子能带， 介电常数周期分布的介质形成光子能带，禁止 带隙 (PBG) 频率的光传播 缺陷能级在包层带隙中， 缺陷能级在包层带隙中，缺陷态的光受带隙限制 纤芯)的二维光子晶体 光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯 的二维光子晶体 纤芯
光电子学的未来
单光子作为信息载体 — 单量子态不可克隆定理 量子信道的引入 — 不确定性原理
光电子学的未来
偏振分束器的作用 – 光波
格兰棱镜
45°偏振 °
//
⊥
光电子学的未来
偏振分束器的作用 – 光子
格兰棱镜 45°偏振 °
⊥
光电子学的未来
偏振分束器的作用 – 光子
格兰棱镜
45°偏振 °
//
∆+＝ 2.5％ 2.5 ∆− = 0.35% ∆− = 0.35% ∆+＝ 2.5％ ∆− = 0.35%
Dispersion, ps/ nm·nm
10 5 0 -5
SMF
-10 -15 1.1
DCF-a
DCF-b
问题: 问题: ∆n 大 ⇒ 传输损耗增大
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
(a) Schematic of the structure (b) without the PC (c) with the PC.
the background material ( big circle) the photonic crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.
光子晶体特性
4.线缺陷的 4.线缺陷的PBG限制导波作用 线缺陷的 限制导波作用
－ 无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗 全内反射机制(无辐射模) 可折弯成90 应用：－ 解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 应用 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。 单模波导芯径可粗可细， － 单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强 应用：－ 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 应用 （四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关） 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性〕 － 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性〕 应用：－ 实现超高速、超长距离光通信 应用
线度不够大： 线度不够大：光子 ⇒ “点” Maxwell 介观系统 ( a ≈1-100µm, X ≈ 1) 线度不够小：系统 ⇒ “点” 电磁场理论 µ 线度不够小： 0.1(a ≈0.1-1µm, X ≤ 1) ) 光子晶体 线度 ≤ 光波长 量子电动力学 0.1-100nm, (a ≈0.1-100nm X<< 1) ) 纳光子学 微观系统 线度足够小： 线度足够小：原子或分子 ⇒ “点” Einstein ( a ≈1nm, X << 1) 量子力学
信息光电子技术的新突破
1. 光通信网络
DWDM 传输：损耗 传输： 色散/斜率 偏振模色散) 色散 斜率( 偏振模色散 斜率 光学非线性 DWDM 控制：复用 解复用 控制：复用/解复用 (MUX/DMUX) 分插/复接 分插 复接(Add/Drop) 复接 交叉互联 (OXC)