光电信息技术概论ppt课件.ppt
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1、2022/12/14,1,光电信息技术Introduction to Optoelectronic Information Engineering,刘清 (13951833789),2022/12/14,2,第0章 光电信息技术概论,0.1 基本概念0.2 主要特点0.3 主要应用0.4 发展趋势,2022/12/14,3,信息技术 (先导和核心) 新材料技术 (基础) 新能源技术 (支柱) 生物技术 (微观领域的拓展) 空间技术 (宏观领域的拓展) 海洋开发技术,0.1 光电信息技术基本概念,一、六大高技术群体,2022/12/14,4,二、信息传递模型,信息系统分析要点 信源、信宿(起点、
2、终点)载体(电子,光子,声子)变换(载体,形式,时空)信道(传输介质种类,特点) 噪声(来源,特点)系统(电子,光子,声子,混合)光电子技术研究对象是光电混合系统,2022/12/14,5,信息系统举例,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,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
3、过程:磁盘电子光子电子磁盘,2022/12/14,6,信息传递的时空形式与变换,信息的空间传递:从此地到彼地,如光纤通信信息的时间传递:从此时到彼时,如光盘存储信息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。,2022/12/14,7,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,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
4、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。,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。,2022/12/14,8,四、电子信息技术与光子信息技术分类,功能,类别,2022/12/14,9,光电子技术也可以认为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。,2022/1
5、2/14,10,五、光子学与电子学,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。,2022/12/14,11,电子与光子特征比较,2022/12/14,12,光子学与电子学的发展模式对比,电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 电子工程电子产业光学 光子学 光子回路 光子集成 光子系统 光子工程 光子产业,2022/12/14,13,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(
6、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。,2022/12/14,14,光子学与电子学相互促进,20世纪是电子时代,21世纪将迎来一个光子与电子交相辉映的全新时代。信息技术 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。光电子信息
7、技术 是信息技术的研究与应用前沿,是影响21世纪发展进程的主要高技术。,电信 光信,2022/12/14,15,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) 极高的分辨本领(4) 极强的互连能力与并行能力(5) 极大的存储能力,0.2 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。,2022/12/14,16,(1) 极高的信息容量和效率,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。一个载子可承载的信息量为信息效率。光
8、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,这时,一个光子甚至具有承载成千上万个比特信息的能力。,2022/12/14,17,(2) 极快的响应能力,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。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。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
9、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Tb( 1012bit /s) 。,2022/12/14,18,(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, =10-4rad,2.距离分辨率: R = c /2c 光速, 脉冲宽度雷达测距仪: =1 s, R=150m激光测距仪
10、: =100 ps, R=1.5cm,2022/12/14,19,(4) 极强的互连能力与并行能力,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“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。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
11、,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。,2022/12/14,20,(5) 极大的存储能力,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
12、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。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。,2022/12/14,21,信息社会的3T目标,信息传输速率:1Tb/s 信息存储容量:1T
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