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现代电子与通信技术导论论文1光，电子学的新助力姓名：崔一凡 学号：1000010343北京大学信息科学技术学院，北京 100871电子邮件：yifancui92@摘要：电子与通信技术导论课中有四堂以上涉及光的内容，这很自然的使我产生了一个疑问：光能在电子领域得以应用的基础是什么？本文研究了光在通信与集成领域的应用基础，说明了光在这些领域应用的可行性，以及光为这些领域的研究开辟的全新的方向光成了现代电子科学的新助力1. 光纤通信光纤通信首先给光纤通信的介质——光导纤维一个简短的介绍：光导纤维是一种透明的玻璃 纤维丝，直径只有 1~100μm 左右它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套 的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出 这样的传输过程，一般人看来应该也是可以做到的科学家们需要做的就是减少传 输过程的损耗，尽量降低成本但在实现通信之前，我们还需要解决两个问题，就是如 何让光射入光纤，如何让这些光携带我们所需要的信息这两个问题都由激光器解决了可以传输信息的光必须是相干光，这也正是激光的特性激光器的发明使人们有能 力驾驭尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放 大相干的红外线、可见光线和紫外线（以致 X 射线和 γ 射线）的能力。

为了满足产生激光的必不可少的条件，粒子数反转和增益大过损耗，普通激光器都 有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个必不可少的部分 激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数翻转，也即使 处于激发态的粒子数超过处于基态的粒子数，创造条件激励方式有光学激励、电激励、 化学激励和核能激励等 工作介质具有亚稳态能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大其中，受激 辐射理论是有爱因斯坦于 1916 年提出的这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一 个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子， 同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射这种辐射输出的光获得了放大，而且是 相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同 激光器的常见组成部分还有谐振腔谐振腔可使腔内的光子有一致的率频率、相位 和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性而且，它可以很好地缩短工作物 质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模） ，所以一般激光 器都具有谐振腔现代电子与通信技术导论论文2经过这一系列装置就产生了很好的相干光，而且大大提高了传输信息量。

一条用激 光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于 2 万根铜线所携带的信息量 为了进一步提高光通信的传输效率可以采用光复用技术所谓光复用，是在光域上 进行时分复用、频分复用和波分复用，而不是在无线电波段进行复用 另外还有可用来做成大容量、长距离的干线网的相干光通信技术它具有灵敏度高、 选择性好的优点如利用其灵敏度高的优点在 1.55um 窗口组成传输速率为 622Mb/s，中 继距离为 150km 的数字传输网如果再利用选择性好的优点，采用波分复用技术，把相 邻信道间隔取为 10GHz，折合 0.08nm，以 32 个信道为一组，需要 2.5nm，留 2.5nm 的保 护带，共需 5nm 宽在 1.31umh 和 1.55um 两个窗口的总带宽为 200nm，可容纳 40 组， 总容量可达 800Gb/s1） 毫无疑问光纤通信已经成了现代通信的重要组成部分现在，光纤通信的速度还在 不断提升2. 集成光电子学集成光电子学这是一个令我这种外行眼前一亮的领域，集成光学无疑会大大扩展光学的适用范围而由于一方面集成光路的集成度远远小于集成电路的集成度，且集成光路需要电路的支 持；另一方面集成电路到大约 2020 年会达到物理、技术、经济上的极限，集成电路的继 续发展需要光学的支持，这样就催生了集成光电子学。

随着纳米科学与技术的发展，更 大规模的集成：微纳光电子集成，成为可能这样就产生了新兴学科——微纳光电子集 成它是集成光电子学的进一步发展将光路集成，需要有产生，传导光的材料及器件微纳光电子集成研究的基本器件 有：三维和二维光子晶体及器件，高性能微光源/探测器阵列器件，微型有源/无源器件 等排在第一位的就是光子晶体及器件 初次接触光子晶体器件的概念，对它的第一印象是神奇光子晶体是人为构成的具 有光子能隙的介电周期结构材料其周期与波长相近由于光子能隙的存在频率落在 光子能隙中的波是禁止传播的而在光子晶体中人为引入缺陷，会出现缺陷态这种缺 陷态会解除对被禁波段中某一频率的抑制利用这种人为引入的缺陷态来控制光波在微 纳米大小的空间内进行有效传播的器件就叫作光子晶体器件2） 在我们心里已经根深蒂固的观点是光必须在介质中传播，而像普通的气体，液体介 质很显然无法应用到微纳集成中去，知道了光子晶体器件，才有一种恍然大悟的感觉， 原来光是这样集成的接下来接触到的概念是硅基微纳光电子集成可以想象，如果在单片硅基光电子系 统上可以实现光源，光导，光载波注入及光探测，不仅集成度将会大大提高，而且直接 解决了耦合的问题，成本也会大大降低。

这样的系统无疑具有巨大的优越性科学家们 正在朝这个方向努力，也不断有成果问世 例如在光源方面：硅基材料掺铒是重要的甚至主流的研究方向，锗光源也是能够尽 快取得突破的途径之一，一旦锗激光器得以实现，硅基光电子学必定会进入一个高速发 展期3） 在光探测方面：武汉光电国家实验室硅基光电子学与微系统研究小组提出一种级联 双谐振腔结构，以便有效地调节有源腔端镜的反射谱该结构利用级联双腔的综合效应， 使得量子效应大大高出普通结构并同时实现了超窄谱带响应，这对 DWDM 探测系统减小串现代电子与通信技术导论论文3扰有很大作用，在光纤通信 DWDM 系统中有很大的应用前景4） 总结：近年来，由于光通信系统需要进一步降低成本，同时在计算机内部需要解决 光互连替代电互联来消除数据传输速率瓶颈，硅基光电子器件的研究呈现出微纳化和集 成化的发展趋势一方面，随着新型微纳结构及其特殊效应的研究，更多的新器件将涌 现出来另一方面，这些新型硅基微纳光电子器件的制作工艺与标准 CMOS 工艺兼容，在 未来高性能、高可靠性、低成本的光通信和高速计算机系统中具有广阔的应用前景4）3. 结语不论是在通信领域还是在集成电路领域，光的加入都给这些领域注入了新的活力， 使行业获得了迅猛发展或为解决行业中瓶颈问题开辟了新的可行的道路。

毫无疑问，这 样的光电结合的领域是 21 世纪的研究热点，一定还会有更多的新器件，新设备被人们创 造，应用 光是名副其实的电子学的新助力参考文献：参考文献： （1）百度百科，光导纤维 （2）集成光电子学，周治平《现代电子与通信技术导论》讲义 （3）周治平，《硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势》 （4）周治平，《硅基集成光电子器件的新进展》。