南洋理工CE

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引入-光纤的故事从激光到光纤1960 年激光的发明，重新点燃了人们对光通信的研究热情。激光的两大特性让它成为理想的通信光源： 相干性好：激光的光波频率、相位高度统一，能承载高频调制的信号。 方向性强：激光光束发散度极低，理论上可用于远距离传输。 早期的研究集中在自由空间光通信，但大气中的衰减、散射和天气干扰（如雨雾）严重限制了传输距离，只能用于几百米的短距离场景，比如电视中心的基带信号传输或楼宇间的数据链路。 激光的发明直接推动了对低损耗传输介质的研究，最终催生了光纤通信技术。科学家们的核心目标是制造出一种 “光波导”，让光信号在其中可以低损耗、长距离传输，从而突破自由空间通信的局限。 为什么要使用光纤 长距离传输（Long Distance Transmission）:光纤的传输损耗远低于铜缆（通常每公里仅 0.2 dB 左右，而铜缆每公里损耗可达数十 dB）。 超大信息容量（Large Information Capacity）：光纤拥有远超铜缆的带宽，单根光纤的传输速率可达Tbit/s 级别，而铜缆通常只能达到 Gbit/s 级别。这是光纤的主要优势 体积小、重量轻（Smal ...

引入 半导体发光光纤中使用半导体器件作为光源和接收器。不是所有半导体都能做光源，这里有一个最关键的门槛 ——只有直接带隙半导体构成的 PN 结，才能作为光源。它的原因将在后面详细解释。 LED的原理：当一个PN结正向偏置下，电子和空穴会通过辐射（发射光子）和非辐射（发热）的方式重新结合。这就是LED的基本工作原理。这种现象叫做电致发光（Electroluminescence）。这个复合主要发生在PN 结附近—— 因为正向偏置时，电子和空穴都往结区跑，在这里相遇最多；当然，少数载流子会扩散到结的两边，所以复合也可能发生在更宽的区域，但核心还是结区。 激光：激光是在 LED 的基础上，加了一个谐振腔（coherent）。这个谐振腔会把产生的光子来回反射，刺激更多的电子空穴发生 “受激辐射”。受激辐射出来的光子和入射光子完全一样，同频、同相、同方向。这样一来，光就会被不断放大，最后输出的是相干、方向性极强、光谱极窄的激光。 光通信中的半导体材料半导体材料分几大类： IV 族：比如硅（Si）、锗（Ge），我们最熟悉的半导体材料； III-V 族：比如砷化镓（GaAs）、铟镓砷磷（InGaAs ...

引入：信号的衰减光纤最核心的两个传输特性是： 衰减（Attenuation / Loss）：光信号在传输中功率逐渐减弱的现象。 带宽（Bandwidth）：光纤能在单位时间内传输的最大信息量，由 色散（Dispersion） 限制。 衰减的单位衰减用 分贝（decibel, dB） 来描述，用来比较输入功率 $P_i$和输出功率$P_o$。 \text{Loss (dB)} = -10\log_{10}\left(\frac{P_o}{P_i}\right) = 10\log_{10}\left(\frac{P_i}{P_o}\right)工程中常用**每公里衰减 α 来描述光纤损耗特性： \alpha L = -10\log_{10}\left(\frac{P_o}{P_i}\right) $\alpha$：单位长度衰减（dB/km） L：光纤长度（km） 总衰减 = 单位长度衰减 × 长度，方便快速计算不同距离下的功率损耗。 色散色散的成因与类型色散（Dispersion） 本质是：光脉冲里的不同成分，在光纤里跑的速度不一样，导致到达接收端的时间有早有晚，最终让脉冲变宽、 ...

光放大器引入：光放大器的作用光放大器是光网络中实现前置放大、在线放大、功率放大的核心有源器件，先展示了光放大器的四种典型应用拓扑（a-d）。 (a) 在线放大器（In-line AMP）：串联在光纤链路中间，补偿光纤的传输损耗，让信号能长距离传输； (b) 前置放大器(Preamp)：放在接收端（RX）前，放大微弱的接收信号，提升接收端的信噪比和检测灵敏度； (c) 功率放大器（助推放大器）(Power/Booster AMP)：放在发射端（TX）后，提升发射信号的功率，支撑长光纤链路的传输； (d) 局域网助推放大器(LAN Booster AMP)：配合星形耦合器，为局域网多站点的分光链路补充功率，保证各站点信号强度。 原则上来说，任何激光器只要移除它的增强镜片（通过输入端进行受激放大），都可以作为放大器。 半导体光放大器（Semiconductor optical amplifier SOA）SOA 本质是去掉谐振腔反射镜的激光器，是基于半导体材料的光放大器，典型工作波长 $0.85μm~1.6μm$（由半导体材料决定）。 如何工作：激光器的核心是受激辐射，去掉反射镜后，光 ...

引入我们为什么选择光通信呢？光的主要优势在于它的速度，即每秒 30 万公里。它传播得非常快。有发射器，有接收器，要将光从一段传输到另一端，就需要一个可以束缚光的通道，即，光纤。 要使用光纤束缚光，就需要制造全反射。实现全内反射的前提条件是，纤芯的折射率应大于包层的折射率（$n_1>n_2$）。 对于任何的通信系统，最重要的三个组件，是发射器、接收器，中间是光纤。因此，接下来的Part2将会讨论这三个部分： 发射器：讨论LED和激光 接收器：PIN 和其他类型的接收器，及 光纤：光纤类型与传输放大器等 光网络拓补总览 核心光网络 Core optical network：国家与国家、城市与城市之间的超大容量光纤链路，例如从新加坡到旧金山。节点间距离：1000-10000 km 城域光网络 Metro optical network：这一层是承上启下的 “中间层”，覆盖一个城市、一个城市群或者一个省份。接入网里所有用户的流量，都会先汇总到城域网里；同时城域网也会把从核心网过来的流量，分发到各个接入网点。节点间距离：< 1000 km 接入光网络 Access optical ...

引入近年来，通信速率持续上涨，现在有进一步增加数据的需求。 现有的光学方案需要较大的空间，较高的功率。我们传输的数据越多，功耗就越高。这也是目前 AI 技术的现状。甚至在新加坡，政府也开始考虑建设核反应堆。为了支持这种电力需求。 光子集成可以大幅较空间和功耗，还能带来更高带宽，可批量制造等特性。光子集成代表所有的光器件都可以被集成在一块小芯片上，唯一没有改变的部分是光纤。 光子学电子学（Electronics）是研究电荷流（电子）在各种材料和器件（如半导体、电阻、电感、电容、纳米结构等）中运动的学科。 光子学（Photonics）是关于产生/控制/检测光以及其他形式辐射能的技术，其量子单位是光子（photon）。（在物理学中，量子是参与相互作用的任何物理实体的最小单位。这个词来自拉丁语“quantus”，意思是“多少”。）这门科学包括光的发射、传输、偏转、放大和检测。光子学的重要性通常源于光学和电子学之间强大的相互作用。 光子技术可以： 通信 (Communications) → 光纤通信，光无线链路 计算 (Computing) → 芯片间光互连，片上光互连 能源 (Energy) ...