1光电信息技术概论.pptx

《1光电信息技术概论.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1光电信息技术概论.pptx（74页珍藏版）》请在文件跳动上搜索。

1、光电信息工程导论光电信息工程导论Introduction to Optoelectronic Information Engineering梁忠诚梁忠诚 （18951896123）2/7/20231课程名称：课程名称：光电信息工程导论光电信息工程导论l光电信息工程：光电子信息技术与应用课课程程性性质质：光光电电信信息息工工程程导导论论是是光光电电信信息息工工程本科专业的一门重要必修课程。程本科专业的一门重要必修课程。学学习习目目的的：初初步步认认识识光光电电信信息息技技术术的的基基本本内内容容和和应应用用，为为今今后后进进一一步步深深入入学学习习相相关关课课程程奠奠定定基基础础。了了解解专专业

2、业总总体体目目标标，包包括括专专业业背背景景、专专业业范围，为未来的就业选择和职业定位提供参考。范围，为未来的就业选择和职业定位提供参考。学时学分：学时学分：16 16学时，学时，1 1学分学分成绩评定：考查（成绩评定：考查（70%70%），作业（），作业（30%30%）。）。课程简介2/7/20232教材与参考书：教材与参考书：南邮编南邮编 光信息科学与技术导论，光信息科学与技术导论，2008郑光昭郑光昭 光信息科学与技术应用光信息科学与技术应用电子工业出版社，电子工业出版社，20062006 朱京平朱京平 光电子技术基础，科学出版社，光电子技术基础，科学出版社，2003江月松江月松 光电信

3、息技术基础，北京航天航空大学出版光电信息技术基础，北京航天航空大学出版 社，社，2005.2/7/20233光电信息工程导论目录光电信息工程导论目录第一章光电信息技术概论第二章激光技术第三章光信息传输技术第四章光信息采集技术第五章光信息显示技术第六章光信息处理技术第七章光通信系统第八章光存储系统2/7/20234第一章 光电信息技术概论1.1基本概念1.2主要特点1.3主要应用1.4发展趋势1.5专业介绍2/7/20235 l 信息技术信息技术 （先导和核心）（先导和核心）l 新材料技术新材料技术 （基础）（基础）l 新能源技术新能源技术 （支柱）（支柱）l 生物技术生物技术 （微观领域的拓展

4、）（微观领域的拓展）l 空间技术空间技术 （宏观领域的拓展）（宏观领域的拓展）l 海洋开发技术海洋开发技术1.1 光电信息技术基本概念一、六大高技术群体一、六大高技术群体2/7/20236二、信息传递模型二、信息传递模型l信息系统分析要点信息系统分析要点 信源、信宿（起点、终点）信源、信宿（起点、终点）载体（电子，光子，声子）载体（电子，光子，声子）变换（载体，形式，时空）变换（载体，形式，时空）信道（传输介质种类，特点）信道（传输介质种类，特点）噪声（来源，特点）噪声（来源，特点）系统（电子，光子，声子，混合）系统（电子，光子，声子，混合）l光电子技术研究对象是光电混合系统光电子技术研究对象

5、是光电混合系统2/7/20237信息系统举例信息系统举例l图书阅读：是一个将信息从书本通过光子载体传递到人脑的过程信源书本；信宿大脑；变换载体变换；信道大气光学通道；还原视觉、识别；噪声影响正确识别的因素（光线暗、视力差）信息载体变换过程：书本光子大脑。主动系统：使用人工光源；被动系统：使用自然光源l光纤通信：是一个将信息通过光纤进行异地传递的过程信源磁盘；变换编码，调制；信道光纤；噪声：衰减、色散；还原探测、解码；信宿磁盘。信息载体变换过程：磁盘电子光子电子磁盘2/7/20238信息传递的时空形式与变换l信息的空间传递：从此地到彼地，如光纤通信l信息的时间传递：从此时到彼时，如光盘存储l信息

6、传递过程中的时空信息相互变换电视的传输：将空间信息转化为时间信息再进行传输；电影的音轨：将时间信息转化为空间信息再进行传递。2/7/20239l电子信息技术：电子信息技术研究作为信息载体的电子行为及其应用的科学。电子信息技术主要研究电子信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。三、电子信息、光电子信息、光子信息技术三、电子信息、光电子信息、光子信息技术l光电子信息技术：是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合信息技术，涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。l光子信息技术：也可称光电子信息技术，它是研究作为信息和载体的光子行为

7、及其应用的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、探测和控制的科学技术。2/7/202310四、电子信息技术与光子信息技术分类四、电子信息技术与光子信息技术分类电子信息技术（广义）电子信息技术（广义）光电子信息技术光电子信息技术=光子信息技术（广义）光子信息技术（广义）电子信息技术电子信息技术（电子作为信息的载体）（电子作为信息的载体）光电子信息技术光电子信息技术（光电相互作用与转换）（光电相互作用与转换）光子信息技术光子信息技术（光子作为信息的载体）（光子作为信息的载体）产产生生电源技术，电磁辐射激光技术，电光源技术，光伏技术传输传输波导技

8、术，无线电、微波技术光纤光缆，光无源器，空间光通信变换变换电子电路，编码解码电光调制，光电传感空间光调制探探测测电子传感光电探测（红外、可见，紫外），光电成像（扫描、阵列）光谱技术，光波导传感存存储储半导体存储、磁存储光存储（光盘、光全息）显显示示CRT,LCD,PDP光全息处处理理数字电路，电子计算机图像处理，模式识别空间滤波、光互连、光计算，自适应光学集成集成微电子技术，电路系统光电子集成（MOEMS），微纳加工（光刻技术）微光学器件，集成光路功能类别2/7/202311光电子技术也可以认为光电子技术也可以认为是光波段的电子技术是光波段的电子技术 光电信息技术是电子信息技术发展的一个重要阶

9、段，是对光波段的开拓和利用。人类对光的认识早于电，但对光的控制与利用却落后于电。光不仅是支持生命的重要能量来源，也是生活中的重要信息来源。2/7/202312五、光子学与电子学五、光子学与电子学l众所周知，电子与光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子，对它们的研究分别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与光子除了具有能够承载信息的共性外，它们还有各自的个性。正是这些个性才决定了电子学与光子学分属不同的学科。2/7/202313电子与光子特征比较电子与光子特征比较2/7/202314光子学与电子学的发展模式对比l电学电子学电子回路电子集成电子系统电子工程电子产业l光学光子学光子回路光子集

10、成光子系统光子工程光子产业2/7/202315光子学与电子学的结合模式光子学与电子学的结合模式光子学与电子学的结合模式光子学与电子学的结合模式(a)全电子(EE)过程：光(O)的参与只起辅助作用(如提供能源等)，如由太阳能电池供电的各种电子设备。(b)全光子(PP)过程：电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(c)、(d)光电结合的光电子过程：其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。(a)与(b)分属电子学与光子学的研究范畴。而(c)和(d)分属光电子学和电光学领域。2/7/202316

11、光子学与电子学相互促进光子学与电子学相互促进l20世纪是电子时代，世纪是电子时代，21世纪将迎来一个光子世纪将迎来一个光子与电子交相辉映的全新时代。与电子交相辉映的全新时代。l信息技术信息技术 依托成熟的电子技术，与其他高科依托成熟的电子技术，与其他高科技交叉渗透，成为高技术的先导和核心。技交叉渗透，成为高技术的先导和核心。l光电子信息技术光电子信息技术 是信息技术的研究与应用前是信息技术的研究与应用前沿，是影响沿，是影响21世纪发展进程的主要高技术。世纪发展进程的主要高技术。电信光信2/7/202317光子的优异特性光子的优异特性（1）极高的信息容量和效率（2）极快的响应能力（3)极高的分辨

12、本领（4）极强的互连能力与并行能力（5）极大的存储能力 1.2 光子信息技术主要特点光子信息技术最根本的特征是短波高频。2/7/202318（1）极高的信息容量和效率l作为信息载体，光与电相比信息容量要大出几个量级。光波（10nm,1mm，波长范围5个数量级）与微波（1mm,1m，波长范围3个数量级），前者可承载信息的容量比后者高出34个量级。l一个载子可承载的信息量为信息效率。光子状态远比电子状态丰富，如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等，光子的信息效率远远高出电子。例如，在光子学中，如使用所谓光的压缩态、光子数态等作光子源，量子噪声有可能减小到极小值，光子的信息效率也将成量级地提高，

13、这时，一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。2/7/202319（2）极快的响应能力l在信息领域，信息载体的响应能力是至关重要的，它是决定信息速率与容量的主要因素。l在电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s(109 bit/s)量级。l由于光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。现在实验室的光子脉冲宽度水平已达到23个飞秒(fs,10-15s)量级。即相当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个Gb，甚至几个、几十个T

14、b(1012bit/s)。2/7/202320（3)极高的分辨本领1.角度分辨率：=/(2L)电磁波波长，L 天线口径脉冲雷达：=5cm,L=1.5m,=0.0174 rad激光雷达：=10.6m,L=10.6m,=10-4rad2.距离分辨率：R=c /2c光速，脉冲宽度雷达测距仪：=1s,R=150m激光测距仪：=100ps,R=1.5cm2/7/202321（4）极强的互连能力与并行能力l电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。在电子技术中，两根导线如果交连，就会形成短路。所以，在电路中为了实现互连，就只能像搭“

15、立交桥”那样，将其运行路线彼此隔离，显然这就使互连受限，成为限制电子信息速率与容量的一个主要因素。另外，在电子技术中，电子信号也只能是串行提取、传输和处理的，对于两维以上的信号，如图象信号等，则只好依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理。这是另一个限制电子信息速率和容量的主要因素。l光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性。例如，在第六代计算机神经网络计算机中，具有足够大的网络规模，需要超大规模的群并行性处理。对于一阶网络，规模为N时，其完全互连数则为N2。例如N=104，互连数则为108。计算机的等效运算速

16、率与互连通量成正比，因此，在这种情况下，速率可达1010bit/s，这差不多是目前计算机的最高水平。2/7/202322（5）极大的存储能力l不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多，因此，可以说，光子具有极大的存储能力。一个存储器的容量极限是由单位信息量(bit)所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，这个量为其波长 量级，因此，三维存储容量为(1/)3量级。如果使用可见光(500nm)，光子的存储能力则可达到1012bitcm3量级。l三维存储除容量大外，另外一个显著特点是并行存取，即信息写入和读出都是“逐页”进行的，并能与运算器并行连接，由此速度很快。加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读取准确，又不产生干扰，具有保密性。这样一些优点，都是电子无法与之相媲美的。此外，由于光在时间与空间上的特性，可形成反演共轭波，在自适应控制等信息处理领域有独到应用；还由于光子的自旋为h，导致出现偏振、双折射效应等，并因此而产生一系列新的应用。2/7/202323信息社会的信息社会的3T目标目标l信息传输速率：1Tb/sl信息存储容量：1