《现代电子材料与元器件6.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代电子材料与元器件6.（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章光电子材料与器件光电工程学院微电子教研中心冯世娟fengsj26.1概述n光电子材料是指应用于光电子技术领域，具有光学和光电功能光电子材料特性的材料的总称。q19世纪70年代到1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科。q1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器红宝石激光器，引起连锁反应。q20世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、CCD问世，导致光信息技术蓬勃发展。q20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。q21世纪是信息化的世纪，信息与信息交换的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示提出了严峻的挑战。36.1概述光源传输转运探测显示非线
2、性光学效应：开关、调制、隔离、偏转、变频等光学功能器件46.2光纤n由于激光在大气中传播时，会受到雨、雪、灰尘和云雾等的吸收、散射而衰减。n因此，需要一种设备引导光束的传播，使光束的能量在横截面上受限，并使损耗最小，这种设备称为介质光波导。n光波导主要有三种：平板波导、矩形波导和光导纤维（光纤）。q光纤通信已经无可争辩的成为现代通信最重要的主力军，成为信息高度公路的基石，在现代信息社会发挥着越来越大的作用。q目前石英光纤在0.85m，1.3m，和1.55m波长时，衰减特性已接近理论上的极限值。56.2光纤n光导纤维经历了四个重要阶段q短波多模光纤时代，0.85um，最低损耗为2.5dBkm，传
3、输速率为45Mbitss；q长波长多模光纤时代，1.31um，传输速率有很大提高q长波长单模光纤时代，1.31um，最低损耗为0.27dBkm，传输速率为600Mbitss，无中继距离可以达到30km；q高速光传输时代，1.55um，最低损耗为0.16dBkm，传输速率达到1040Gbitss以上66.2光纤n光导纤维除了用于通信之外，还在电子光学、光学仪器、医疗器件、传感器等诸多方面获得应用q比如光纤内镜，胃镜q比如光纤耦合激光二极管便携式脑外伤检测仪q比如柔性激光手术刀n本节主要介绍光纤的结构与工作原理、种类、制备工艺及应用76.2光纤n1光纤的结构图6.1光纤结构示意图一般可以分为三部分
4、：纤芯、包层和涂覆层。纤芯是由高透明度的材料制成的，一般为玻璃，位于光纤中心部分，其折射率较高；包层位于纤芯外面，其折射率略低于纤芯；最外面的是涂覆层。在涂覆层往往还加有塑料外套。光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体。86.2光纤n2光纤的工作原理n光在均匀的介质中沿直线传播，但传播速度依介质不同而不同。n光密介质和光疏介质96.2光纤n2光纤的工作原理n光纤由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成。n光束就是借助纤芯和包层之间多次全反射，而沿光纤传输的。c106.2光纤n2光纤的工作原理c其中c称为孔径角，当光纤端口的入射角小于该角时，光在光纤内满足全反射条件，即光能在光纤内传输。11
5、6.2光纤n2光纤的工作原理q数值孔径是光纤可接收光辐射角度，表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，对连接损耗、弯曲损耗以及温度特定、带宽都有影响。qNA越大，光纤接收光的能力越强。q但NA太大，在光纤的模畸变越大，会影响光纤的带宽。q所以在光纤通信中，NA不能太大。n对于单模光纤，大约为0.30.6%；n对于多模光纤，大约为12%。126.2光纤n包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起到一定机械保护的作用。由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤，如果直接使用这种光纤，由于裸露在环境中，容易受到外界温度、压力、水汽等的侵蚀。n为了增强裸光纤的柔韧性、机械强度和老化特性，保护其
6、不受水汽的侵蚀和机械擦伤，在包层外面增加了涂覆层。q由于不同的导光要求，包层有的是单层，有的是多层。涂覆层一般分为一次涂覆层和二次涂覆层，二次涂覆层是在一次涂覆层的外面涂上热塑材料，又称套塑。光纤的套塑又分为紧套和松套两种。经过涂覆并经过检切合格的光纤称为缆芯。n2光纤的工作原理136.2光纤n3光纤的种类单模阶跃式光纤多模阶跃式光纤多模梯度式光纤146.2光纤n3光纤的种类q按照折射率分布图6.2光纤的种类及折射率分布阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率分布均匀，而且具有恒定值n1，而包层折射率则为小于n1的常数n2。二者的区别仅在于，后者的芯径和折射率差都比前者小。梯
7、度型光纤的纤芯折射率是随着半径的增大而逐渐减小，而包层的折射率分布则是均匀的。156.2光纤n3光纤的种类q按照材料分n1)石英玻璃光纤n2)多组分玻璃光纤n3)塑料光纤n4)红外光纤石英光纤的纤芯和包层都由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，应用最为广泛。多组分玻璃光纤的主要成分为SiO2，约占百分之几十，此外还有其它玻璃形成体及改性剂。其特点是熔点低，适于制作大芯径、大数值孔径光纤。因其损耗较大，通信上极少采用。但此类光纤易做到大的数值孔径，与光源或检测器的耦合效率高，可用于对损耗要求不太苛刻的传感器等领域。纤芯、包层均由高分子聚合物材料构成。优点是柔韧
8、、制造简单、芯径和数值孔径较易做大(可分别达到0.81.0mm和0.40.6mm)、耦合容易；缺点是损耗较大。因此适于短距离小容量通信系统应用。非硅基质的玻璃材料，加重金属氧化物玻璃等红外材料构成。光学损耗本约为石英玻璃的十分之一至千分之一，可实现几千甚至上万公里无中继通信。166.2光纤n4光纤的制备主要包括原料的制备与提纯、预制棒或晶锭的制作与拉丝拉丝即从制得的预制棒拉出一定直径细丝的过程，其中关键是要保持芯包比和折射率分布不变。通过改变光纤拉丝速度控制光纤外径。光纤在进行保护塑料涂覆前，应有足够的冷却时间，且涂覆应保证涂层和光纤的同心度。176.2光纤n4光纤的制备q气相沉积技术q非气相
9、沉积技术n直接熔融法n界面凝胶法n浇铸法n挤出法气相和非气相两大类别主要是根据预制棒的工艺差别划分的，即前者靠气相沉积技术制备预制棒，而后者则采用非气相沉积技术制作预制棒、晶锭或在熔融态下直接拉丝。沉积是在一个基靶表面上或在一根空心石英玻璃管内186.2光纤n5光纤的应用q传输光纤光纤由纤芯和包层构成，纤芯的折射率nl高于包层的折射率n2，光入射到光纤后，将在纤芯与包层之间形成全反射，最终沿光纤的轴向传播，如图6.5所示。图6.3光纤中的子午线196.2光纤n5光纤的应用q传输光纤传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：损耗低，色散小。但这个差值也不能太大，光纤通信用的多模光纤，相
10、对折射率差光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2的差值，决定了临界角的大小。差值越大，临界角越小，越容易实现全反射。206.2光纤q传输光纤n传输损耗特性光纤的损耗特性以每公里对信号的衰减来描述，单位为Dbkm。光纤损耗的大小，不仅标志着光纤制作技术的水平，而且也决定光纤通信中继距离的长短。216.2光纤n传输损耗特性q材料固有吸收n紫外吸收损耗0.81.6m的强烈吸收n红外吸收损耗9m强烈损耗，可忽略q原子缺陷吸收n选用石英玻璃光纤激励影响最小q杂质吸收n金属离子的吸收损耗杂质含量已经在10-8以下，不显著nOH-的吸收损耗2.73m、1.38um、0.95um对1.39m、1.24m和0.
11、95m影响比较大226.2光纤n传输损耗特性图6.4光纤的总损耗谱正是这些吸收峰之间的低损耗区域形成了光纤通信的三个低损耗窗口（0.85m，1.31m，1.55m）。氢氧根离子吸收损耗谱是光纤损耗谱曲线的主要组成部分。0.95um1.24um1.39um0.85um1.31um1.55um236.2光纤n传输损耗特性q瑞利散射损耗n由于光纤材料石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起q波导效应散射损耗n由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗q非线性效应散射损耗n主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功率激励下才表现出来246.2光纤n传输损耗特性q其他损耗n如纤芯直径大小
12、的变化引起的损耗；光纤弯曲以及光纤的对接引起的损耗等。光纤入射段吸收不均匀性弯曲连接射出段与元件耦合损耗吸收损耗散射损耗弯曲引起的辐射损耗连接损耗与元件耦合损耗256.2光纤q传输光纤n光纤色散特性q光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。q由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色散也成为一个重要参数。q脉冲展宽：当一个光脉冲通过光纤时，由于光的色散特性，在输出端光脉冲响应被拉长的现象。266.2光纤n光纤色散特性q材
13、料色散n由于折射率是随波长变化的，而光波都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。q模式色散n在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生的模式色散。q波导色散n波导色散是由光纤的几何结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数随光信号角频率变化而引起的，也称结构色散。一般情况下：模式色散材料色散波导色散276.2光纤n光纤色散特性q光纤的总色散由上述三种色散之和决定。n在多模光纤中，主要是模式色散和材料色散，当折射率分布完全是理想状态时，模式色散影响减弱，这时材料色散占主导地位。n在单模光纤中
14、，主要是材料色散和波导色散。由于没有模式色散，所以其带宽很宽。q光纤的色散特性还可以用光纤的带宽来表示。n如把一般光纤看成一段线性网络，带宽表示它的频域特性，时延差代表它的时域特性，利用付氏变换就可以求出光纤带宽和时延差的关系。286.2光纤n5光纤的应用q传感光纤光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会受到外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用做敏感元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的基本原理。分为传感型与传光型两大型296.2光纤n5光纤的应用q与传统的传感器相比，
15、光纤传感器的主要特点n(1)抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，安全可靠n(2)重量轻，体积小，外形可变n(3)灵敏度高n(4)对被测介质影响小，测量对象广泛n(5)便于复用、便于成网n(6)成本低廉306.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理图6.5固体激光器的基本结构固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。固体激光器的构成通常包括工作物质、谐振腔、泵浦光源这三个基本组成部分。316.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理使入射光得到放大，是核心供给工作物质能量光抽运激光束工作介质泵浦源只让与
16、反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。326.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定。336.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理亚稳态基态激发态346.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理q三能级系统原理nE1为为基态态，E2、E3为为激发态发态，中间间能级级E2为亚稳态为亚稳态。在泵泵浦作用下，基态态E1的粒子被抽运到激发态发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级级的寿命很短，粒子通过过碰撞很快地以无辐辐射跃跃迁的方式转转移到亚稳态亚稳态E2上。由于E2态态寿命长长，其上就累积积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现实现了亚稳态亚稳态E2与基态态E1间间的粒子数反转转分布。356.3激光器及材料n1固体激光器的工作原理q四能级系统原理n三能级级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全
