光電子材料信息材料課件

（二）2.2.8集成電路發(fā)展面臨的問題

1、基本限制如熱力學(xué)限制。由于熱擾動(dòng)的影響，對數(shù)字邏輯系統(tǒng)，開關(guān)能量至少應(yīng)滿足

ES>4kT=1.65×10-20J。當(dāng)溝道長度為0.1

m時(shí)，開關(guān)能量約為5×10-18J。在亞微米范圍，從熱力學(xué)的角度暫時(shí)不會(huì)遇到麻煩。又如加工尺度限制，顯然原子尺寸是最小可加工單位，但現(xiàn)在的最小加工單位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。

2、器件與工藝限制

3、材料限制硅材料較低的遷移率將是影響IC發(fā)展的一個(gè)重要障礙。

4、其他限制包括電路限制、測試限制、互連限制、管腳數(shù)量限制、散熱限制、內(nèi)部寄生耦合限制等。2.3.1襯底材料

鍺（Ge）是最早用于集成電路的襯底材料。Ge的優(yōu)點(diǎn)：載流子遷移率比硅高；在相同條件下，具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和較好的低溫性能。Ge的缺點(diǎn)：最高工作溫度只有85℃，Ge器件熱穩(wěn)定性不如硅；

Ge無法形成優(yōu)質(zhì)的氧化膜；

Ge中施主雜質(zhì)的擴(kuò)散遠(yuǎn)比受主雜質(zhì)快，工藝制作自由度小。Ge禁帶寬度0.72eVSi禁帶寬度1.1eV硅（Si）是今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)集成電路的襯底材料。硅的優(yōu)點(diǎn)：

Si器件的最高工作溫度可達(dá)200℃

；高溫下可氧化生成二氧化硅薄膜；受主和施主雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同；

Si在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富，Si原料是半導(dǎo)體原料中最便宜的。硅材料發(fā)展趨勢：晶片直徑越來越大缺陷密度越來越小表面平整度越來越好絕緣層上硅SOI（silicononinsulator,SOI）是一種新型的硅芯片材料。SOI結(jié)構(gòu)：

絕緣層/硅硅/絕緣層/硅優(yōu)點(diǎn)：減少了寄生電容，提高了運(yùn)行速度（提高20～35％）具有更低的功耗（降低35～70％）消除了閂鎖效應(yīng)抑制了襯底的脈沖電流干擾與現(xiàn)有硅工藝兼容，減少了13～20％工序絕緣層上硅SOI制備技術(shù)注氧隔離技術(shù)（SeparationbyImplantedOxygen，SIMOX）

此技術(shù)在普通圓片的層間注入氧離子經(jīng)超過1300℃高溫退火后形成隔離層。該方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：高溫離子注入和后續(xù)超高溫退火。鍵合再減薄的BESOI技術(shù)（BondandEtchback）通過硅和二氧化硅鍵合(Bond)技術(shù)，兩個(gè)圓片能夠緊密鍵合在一起，并且在中間形成二氧化硅層充當(dāng)絕緣層。這個(gè)過程分三步來完成。第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一非氧化圓片上鍵合；第二步是經(jīng)過退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合力度；第三步是通過研磨、拋光及腐蝕來減薄其中一個(gè)圓片直到所要求的厚度。2.3.2柵結(jié)構(gòu)材料

包括柵絕緣介質(zhì)和柵電極材料。柵絕緣介質(zhì)：缺陷少、漏電流小、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、與Si有良好的界面特性、界面態(tài)密度低。二氧化硅氮氧化硅高k材料可有效防止硼離子擴(kuò)散、高介電常數(shù)、低漏電流密度、高抗老化擊穿特性增加介質(zhì)層物理厚度、減小隧穿電流如：Ta2O5、TiO2、（Sr，Ba）TiO3等柵電極材料：串聯(lián)電阻小，寄生效應(yīng)小。Al多晶硅Polycide/Salicide不能滿足高溫處理的要求電阻率高多晶硅/金屬硅化物（TiSi2、WSi2）2.3.3互連材料

用平面工藝制作的單個(gè)器件必須用導(dǎo)線相互連接起來，稱為互連。工藝（減法工藝）：首先去除接觸孔處的SiO2層以暴露硅，然后用PVD（物理氣相沉積）在表面沉積一層金屬實(shí)現(xiàn)互連?；ミB材料包括金屬導(dǎo)電材料和相配套的絕緣介質(zhì)材料。傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料用鋁和鋁合金，絕緣材料用二氧化硅。然而，目前多層互連技術(shù)已成為VLSI和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）制備工藝的重要組成部分。當(dāng)前0.18μm高性能ULSI（例如CPU）已具有多達(dá)7

層的銅互連線。因此，尋求較低電阻率的金屬互連線材料和較低介電常數(shù)的絕緣材料已成為深亞微米和納米器件的一大研究方向。Cu優(yōu)點(diǎn)：（1）銅的電阻率為1.7μΩ/cm，鋁的電阻率為3.1μΩ/cm；（2）銅連線的寄生電容比鋁連線??；（3）銅連線的電阻小，銅連線IC功耗比鋁連線IC功耗低；（4）銅的耐電遷移性能遠(yuǎn)比鋁好，有利于IC可靠性的提高；（5）銅連線IC制造成本低。比鋁連線IC工藝減少了約20%～30%的工序，特別是省略了腐蝕鋁等難度較大的瓶頸工序；（6）銅連線有更小的時(shí)鐘和信號畸變，改善了片上功率分配。銅連線的布線層數(shù)目比鋁連a線少。因此Cu是一種比較理想的互連材料。問題

Cu污染問題形成銅硅化物布線問題解決辦法雙鑲嵌技術(shù)低k介質(zhì)層間絕緣材料

低k介質(zhì)指介電常數(shù)較低的材料，多層互連中用它來取代傳統(tǒng)的SiO2作為層間絕緣。它可在不降低布線密度的條件下，有效地減小互連電容值，使芯片工作速度加快、功耗降低。目前最有前途和有可能應(yīng)用的低

k介質(zhì)是：①新型的摻碳氧化物，它可提高芯片內(nèi)信號傳輸速度并降低功耗，該氧化物通過簡單的雙層堆疊來設(shè)置，易于制作；②多孔Si低k

絕緣介質(zhì)；③黑金剛石，一種無機(jī)和有機(jī)的混合物；④超薄氟化氮化物，它加上由有機(jī)層構(gòu)成的隔離薄膜，使得銅擴(kuò)散減少一個(gè)數(shù)量級或更多，從而增強(qiáng)多層互連芯片工作的可靠性。

2.3.4鈍化層材料

鈍化是在不影響集成電路性能的情況下，在芯片表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)薄膜，減少外界環(huán)境對集成電路的影響，使集成電路可以長期安全有效地工作。雙極型集成電路SiO2材料MOS集成電路

PSG（磷硅玻璃）/SiO2雙層結(jié)構(gòu)優(yōu)：阻擋Na＋污染，缺：腐蝕金屬引線

Si3N4材料優(yōu)：解決污染和水氣問題，缺：應(yīng)力大

SiOxNy復(fù)合材料優(yōu)：致密性好，應(yīng)力小01-7月-23122.2.2粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(三)

通常處于低能級的電子數(shù)較處于高能級的電子數(shù)要多，粒子數(shù)正常分布。玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：

若E2>E

1，則兩能級上的原子數(shù)目之比01-7月-2313

數(shù)量級估計(jì)：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā)，且N2>N1,稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。01-7月-2314根據(jù)上面的分析，產(chǎn)生激光有三個(gè)主要元素：（1）激活介質(zhì)能經(jīng)受激發(fā)射而使入射光強(qiáng)放大；（2）能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置；（3）放置激活介質(zhì)的諧振腔，產(chǎn)生和維持光振蕩，從而實(shí)現(xiàn)光放大并實(shí)施發(fā)射頻率的選擇。01-7月-2315固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)泵浦源諧振腔聚光腔冷卻與濾光01-7月-2316固體激光器泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布都是由光泵激勵(lì)來實(shí)現(xiàn)的。泵浦系統(tǒng)包括泵浦光源和聚光腔兩大部分，泵浦光源必須具有較高的輻射功率密度和效率，并且與工作物質(zhì)的吸收帶相匹配。聚光腔又稱泵浦腔，其作用是將泵浦光源的輻射能量傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|(zhì)上去。01-7月-2317固體激光器的構(gòu)型典型光泵浦固體激光器的工作物質(zhì)都采用圓柱形狀。為改善輸出激光特性和適應(yīng)特殊場合要求，還有一些特殊構(gòu)型，如板條狀激光器、盤片狀激光器和光纖激光器等。01-7月-2318固體能帶理論固體中由于大量原子緊密結(jié)合，使得單原子的能級分裂為寬的能帶，能帶由相距很小的精細(xì)能級組成。電子在能帶中的分布形式?jīng)Q定了固體材料的導(dǎo)電性能，由此分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三種。1、禁帶寬度2、費(fèi)米能級指導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差，通常用符號Eg表示。指絕對零度時(shí)全滿電子態(tài)與全空電子態(tài)的能量分界面。或絕對零度時(shí)電子占據(jù)的最高能態(tài)的能量，用符號EF表示。半導(dǎo)體費(fèi)米能級：本征（純）半導(dǎo)體的費(fèi)密能級位于禁帶中心2023/7/119（四

）傳感器與傳感材料定義：傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2023/7/1202023/7/1212023/7/122熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。TT02)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢。TT0V2023/7/1233)參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動(dòng)勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。2023/7/124半導(dǎo)體熱敏電阻材料PTC材料

BaTiO3基熱敏材料：用于家用電器的溫度傳感器、限流器等。

V2O3基熱敏材料：常溫電阻率極小，用于大電流領(lǐng)域的過流保護(hù)。NTC材料低溫：AB2O4尖晶石型氧化物半導(dǎo)體陶瓷常溫：AB2O4尖晶石型的含錳氧化物高溫：AO2螢石型、AB2O4尖晶石型、ABO3鈣鈦礦型和剛玉型。CTR材料：指在一定溫度發(fā)生半導(dǎo)體-金屬間相變從而呈現(xiàn)負(fù)電阻突變特性的一類材料。以VO2為基的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警和溫度的報(bào)警、控制和測量場合。

線性熱敏電阻材料：指CdO-Sb2O3-WO3系列呈線性電阻溫度特性的陶瓷。2023/7/125電荷耦合攝像器件

電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過程——信號電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程。

CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：信號輸入結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸出結(jié)構(gòu)、信號檢測結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。CCD的MOS結(jié)構(gòu)2023/7/126D巨磁電阻存儲(chǔ)材料巨磁電阻效應(yīng)（Giantmagnetoresistance，GMR）指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁電阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。通常情況下，金屬導(dǎo)電與電子的自旋方向無關(guān)。而在磁性多層膜中，導(dǎo)電電子傳導(dǎo)時(shí)遇到的阻礙與電子自旋的方向有關(guān)。自旋磁矩與磁化方向相同的導(dǎo)電電子常比自旋相反的電子更容易傳導(dǎo)，因而有更低的電阻，這種與自旋相關(guān)的導(dǎo)電性質(zhì)，導(dǎo)致了磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可制成計(jì)算機(jī)高密度磁頭提高磁盤面記錄密度。第五章FlashROM工作原理：

寫入：在控制柵上加足夠高的正電壓Vpp，在漏極上施加比Vpp稍低的電壓，源極接地。源區(qū)的電子在溝道電場作用下向漏區(qū)運(yùn)動(dòng)，一些熱電子越過氧化層進(jìn)入浮置柵。

擦除：利用隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，源極正電壓，控制柵接負(fù)電壓，漏極浮空，浮置柵電子穿過氧化層進(jìn)入源區(qū)。第五章2023/7/128一、磁存儲(chǔ)材料1.1磁存儲(chǔ)原理磁化曲線和磁滯回線磁存儲(chǔ)密度D與磁存儲(chǔ)材料的關(guān)系：其中，h為磁性薄膜的厚度，Hc為矯頑力，Mr為剩余磁化強(qiáng)度，m為與磁滯回線的磁形度有關(guān)的因子。第五章2023/7/1291.2磁存儲(chǔ)系統(tǒng)磁存儲(chǔ)系統(tǒng)組成：磁頭（換能器）、記錄介質(zhì)（存儲(chǔ)介質(zhì)）、匹配的電路和伺服機(jī)械（傳送介質(zhì)裝置）。磁頭是磁存儲(chǔ)的核心部件之一，按其功能可分為記錄磁頭、重放磁頭和消磁磁頭三種。記錄磁頭：將輸入的記錄信號電流轉(zhuǎn)變?yōu)榇蓬^縫隙處的記錄磁化場，并感應(yīng)磁存儲(chǔ)介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。重放磁頭：當(dāng)磁頭經(jīng)過磁介質(zhì)時(shí)，磁存儲(chǔ)介質(zhì)的磁化區(qū)域會(huì)在磁頭導(dǎo)線上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，即把已記錄信號的存儲(chǔ)介質(zhì)磁層表露磁場轉(zhuǎn)化為線圈兩端的電壓，經(jīng)電路放大和處理，獲得信號。消磁磁頭：將信息從磁存儲(chǔ)介質(zhì)上抹去，使磁層從磁化狀態(tài)返回到退磁狀態(tài)。第五章2023/7/1301.2磁存儲(chǔ)材料鐵磁性物質(zhì)分為：軟磁性材料

矯頑力低、磁導(dǎo)率高、磁滯損耗低、易磁化、易退磁

用于磁頭磁芯材料，包括軟鐵磁性合金材料和軟鐵磁性鐵氧體材料。硬磁性材料

矯頑力高、磁導(dǎo)率低、磁滯特性顯著用于磁記錄介質(zhì)材料，包括磁帶、硬磁盤、軟磁盤、磁卡片等，可以為磁粉（顆粒）涂布型介質(zhì)或者連續(xù)薄膜型介質(zhì)。第五章2023/7/131CD-ROM制作過程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、陽母盤制作、金屬壓模盤制作和光盤制作四個(gè)階段。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：通過收集、整理、編輯、調(diào)制等步驟將欲存儲(chǔ)的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；陽母盤制作：在玻璃母盤上均勻涂上一層光刻膠，利用調(diào)制過的激光照射后，用化學(xué)方法使曝光部分脫落，在母盤上形成凹坑pit和平臺(tái)land結(jié)構(gòu)。金屬壓模盤制作：在陽母盤上沉積較厚的金屬層，然后將金屬層與母盤分離，形成金屬的陰母盤，稱為壓模盤。光盤制作：將融化的聚碳酸酯注入模板，用壓模成型的方法將壓模上的凹陷和凸起以負(fù)像的方式復(fù)制到聚碳酸酯盤表面。待聚碳酸酯凝固后，在數(shù)據(jù)面上鍍覆金屬鋁作為反射層，再在反射層上加保護(hù)層，形成CD-ROM光盤。第五章2023/7/132讀盤原理

光盤上存儲(chǔ)的各種類型的信息（音樂（Audio）、數(shù)據(jù)（Data）視頻（Video）等），都經(jīng)過數(shù)字化處理變成“0”與“1”，其所對應(yīng)的就是光盤上的Pits（凹點(diǎn)）和Lands（平面）。當(dāng)激光照射到盤片上時(shí)，如果是照在Lands上，那么就會(huì)有70％到80％激光被反射回；如果照在Pits上，就無法反射回激光。根據(jù)反射和無反射的情況，光盤驅(qū)動(dòng)器就可以解讀"0"或"1"的數(shù)字編碼了。

第五章2023/7/133重寫型光盤用戶可對這類光盤進(jìn)行隨機(jī)寫入、擦除或重寫信息。典型的產(chǎn)品有兩種：MO磁光盤寫入數(shù)據(jù)：熱磁效應(yīng)

當(dāng)激光束將磁光介質(zhì)上的記錄點(diǎn)加熱到居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，外加磁場作用改變記錄點(diǎn)的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數(shù)字“0”和“1”。讀出數(shù)據(jù)：磁光克爾效應(yīng)

當(dāng)激光束照射到記錄點(diǎn)時(shí)，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會(huì)引起反射光的偏振面發(fā)生左旋或右旋，從而檢測出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。擦除

利用激光束掃描光盤信道，同時(shí)施加與磁光盤初始磁場方向相同的磁場，使各記錄單元的磁化方向復(fù)原。第五章PC相變盤利用相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)來記錄信息。

寫入激光束對記錄點(diǎn)加熱再快速冷卻后，從而呈現(xiàn)為非晶態(tài)。讀出用弱激光來掃描相變盤，晶態(tài)反射率高，非晶態(tài)反射率低，根據(jù)反射光強(qiáng)弱的變化即可檢測出“1”或“0”。擦除利用激光束使光盤某點(diǎn)溫度升高到低于材料的熔點(diǎn)而高于非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，使產(chǎn)生重結(jié)晶而恢復(fù)成多晶結(jié)構(gòu)。

無論是磁光盤還是相變盤，介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變都是可逆變化，因此是可重寫的。

第五章5.傳輸原理光纖中光波的傳輸原理-全反射原理n2當(dāng)n1>n2

θ1>θc時(shí)發(fā)生全反射θc：臨界角入射光反射光折射光折射率n1折射率n1>n2θ1第六章n1n2空氣ABθMAX只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂饩€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸。第六章6.光纖的傳輸特性光纖特性有光學(xué)特性，傳輸特性，機(jī)械特性，溫度特性等，其中傳輸特性有兩個(gè)損耗特性損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離色散特性色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離

信號畸變的主要原因是光纖中存在色散第六章色散的種類

模式色散又稱模間色散材料色散波導(dǎo)色散極化色散模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端的時(shí)間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。單模光纖中只傳輸基模（HE11模），單模光纖中不存在模式色散。第六章MCVD工藝流程第一步：送料用超純氧氣作為載體，將SiCl4等原料和GeCl4等摻雜試劑送入旋轉(zhuǎn)的石英反應(yīng)管。第二步：高溫氧化生成粉塵狀氧化物用高溫氫氧火焰加熱石英反應(yīng)管外壁，管內(nèi)的原料和摻雜劑在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成粉末狀氧化物，分別形成包層和芯層材料。第三步：往復(fù)運(yùn)動(dòng)氫氧焰加熱反應(yīng)后的粉末狀氧化物經(jīng)過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱，形成透明的摻雜玻璃；火焰移動(dòng)一次，就沉積一層厚度約為8~10μm的玻璃層，沒反應(yīng)完的材料從反應(yīng)管尾端排出。第六章第二與第三步是交叉進(jìn)行。

先在反應(yīng)管內(nèi)壁沉積、再通過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱使氧化物粉末變成透明的摻雜玻璃（SiO2-B2O3），即形成包層玻璃。

后在包層玻璃上沉積、再通過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱使氧化物粉末變成透明的摻雜玻璃（SiO2-GeO3），即在包層上形成芯層玻璃。

第四步，停料并高溫軟化

經(jīng)過數(shù)小時(shí)的沉積后，石英反應(yīng)管已沉積了相當(dāng)厚度的玻璃層，初步形成玻璃棒體，只是中心還留下一個(gè)小孔。這時(shí)停止供料，然后，提高火焰溫度到1800攝氏度左右加熱石英管外壁，導(dǎo)致反應(yīng)管在高溫下軟化收縮，使中心孔封閉，形成實(shí)心棒，即光纖預(yù)制棒。第六章本征吸收來自石英玻璃中電子躍遷和分子振動(dòng)產(chǎn)生的吸收。對于高純度、均勻的石英玻璃，在可見和紅外區(qū)域的本征損失很小。但是，一些外來的元素產(chǎn)生了重要的雜質(zhì)吸收。除金屬雜質(zhì)外，OH-離子是另一個(gè)極重要的雜質(zhì)。為了降低O-H基的吸收損耗，原材料的脫水技術(shù)十分重要。實(shí)驗(yàn)證明，在純?nèi)廴谑⒅?，要想得?dB/km(0.85μm)的損耗，雜質(zhì)的質(zhì)量比應(yīng)是：要想得到0.5dB/km以下的損耗，OH-的質(zhì)量比要降低到百分之幾ppm。ppm(partpermillion)的定義：百萬分之一。8.1.2石英光纖的損耗特性第六章8.1.2石英光纖的色散特性現(xiàn)代光通信基本上都使用單模光纖，而單模光纖中無多模色散，主要是材料色散和波導(dǎo)色散。單模光纖的總色散：1-15第六章4.結(jié)構(gòu)參數(shù)4.1光纖尺寸125105012562.5125第六章4.2數(shù)值孔徑NA（NumericAperture）表征光纖集光能力的一個(gè)參數(shù)。θ接收錐1-1第六章4.3相對折射率差Δ表征纖芯和包層之間折射率差值的一個(gè)參數(shù)，其大小直接影響光纖的性能。表達(dá)式：通常情況下，纖芯和包層相對折射率差很小，Δ在0.001~0.01之間取值（Δ?1的情況稱為弱波導(dǎo)）。1-2第六章4.5歸一化頻率V表征光纖中所能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目多少的一個(gè)特征參數(shù)表達(dá)式：1-6λ0為光波波長V≤2.405時(shí)，光纖中傳輸單一模式，稱為單模光纖第六章4.6截止波長λc截止波長是單模光纖所特有的一個(gè)參數(shù)，通常用它可判斷光纖中是否單模傳輸。與Vc=2.405相對應(yīng)的波長λc定義為光纖的截止波長。1-7單模傳輸時(shí)，光纖的工作波長應(yīng)大于截止波長，這樣才能保證滿足光纖的單模傳輸條件。第六章材料色散用表示為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值功率一半時(shí)所對應(yīng)的波長范圍L為光纖傳播的長度Dm（λ）為材料色散系數(shù)例如：一光纖材料色散系數(shù)為3.5ps/(nm·km)，光譜的譜線寬度為4nm，在光纖上傳輸1km，則材料色散為1-8第六章

波導(dǎo)色散

由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時(shí)，就可能有一部分光進(jìn)入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續(xù)傳輸。

進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。把有一定波譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。具體來說，入射光的波長越長，進(jìn)入包層中的光強(qiáng)比例就越大，這部分光走過的距離就越長。這種色散是由光纖中的光波導(dǎo)引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導(dǎo)色散。第六章波導(dǎo)色散系數(shù)用表示波導(dǎo)色散又稱結(jié)構(gòu)色散，因?yàn)閂和b都是光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)纖芯越小，相對折射率差越大，波導(dǎo)色散也越小。1-9第六章極化色散極化色散又稱偏振模色散（PolarizationModeDispersion,簡稱PMD）單模光纖的基模實(shí)際上是由兩個(gè)偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y所組成。這兩種模式在理想的圓柱形對稱結(jié)構(gòu)的光纖中，具有相同的傳播常數(shù)，不存在時(shí)延差——模式簡并。第六章若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應(yīng)力等，會(huì)使HE11x和HE11y兩種模式的傳播常數(shù)不同，這種現(xiàn)象稱為模式雙折射。由于雙折射，兩模式存在時(shí)延差，從而會(huì)在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。對長度為L的光纖，兩個(gè)模式的時(shí)延差為nx和ny分別為x和y方向的折射率1-10第六章瑞利散射瑞利散射是光纖材料的本征損耗。它是由材料不均勻性所引起的。這些不均勻，象在均勻材料中加了許多小顆粒，尺寸很小，遠(yuǎn)小于波長。當(dāng)光波通過時(shí)，有些光子就會(huì)受到它的散射。鑒于目前的光纖制造工藝，瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比，所以光纖工作在長波長區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。光纖材料的固有吸收叫做本征吸收。第六章●載頻為3×1014Hz，約為電視通信所用超高頻的100000倍，從而使信息載帶容量或帶寬激增；●傳輸損耗很小，每單位傳輸距離只需要極少的放大器或中繼站。與金屬導(dǎo)線比起來，高頻率下光纖損耗低得多，它可以傳輸幾十公里乃至上百公里不必增加中繼器，而金屬同軸電纜沒有中繼器只能傳輸幾公里。在理論上，光纖可以傳送107路電視或1010路電話，可以把一個(gè)特大圖書館儲(chǔ)藏的全部圖書信息在短時(shí)間內(nèi)全部傳送完畢，其容量比金屬同軸電纜大5個(gè)數(shù)量級。2.優(yōu)點(diǎn)第六章●光纖是絕緣體，不受鄰近其它系統(tǒng)和其它物體產(chǎn)生雜散電場的影響。因此不受干擾，基本上能防范電子間諜?！?/p>

尺寸小、重量輕，有利于鋪設(shè)和運(yùn)輸。光纖的芯徑僅為單管同軸電纜的百分之一。8芯光纜直徑約10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。這樣可以解決地下管網(wǎng)由于通信電纜太多而造成的擁擠問題?！窆饫w材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常豐富。第六章缺點(diǎn)質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù)分路,耦合不靈活光纖，光纜彎曲半徑不能過小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題第六章纖芯包層保護(hù)套3.光纖的結(jié)構(gòu)纖芯core：折射率較高，用來傳送光；包層coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護(hù)套jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。第六章7.光纖的分類（1）纖芯折射率分布：均勻（或階躍）折射率光纖非均勻（或漸變）折射率光纖（2）光纖傳播的模式數(shù)量：單模光纖多模光纖（3）傳輸光的偏振態(tài)：非保偏光纖：不能傳輸偏振光保偏光纖：單偏振光纖：只能傳輸一種偏振模式雙折射光纖：只能傳輸兩個(gè)正交偏振模式（4）光纖的材料：高純度熔石英光纖、多組分玻璃纖維、塑料光纖、紅外光纖、液芯光纖、晶體光纖等第六章塑料光纖的制造方法連續(xù)擠出法將單體、少量引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑連續(xù)加入反應(yīng)器中，在此聚合到一定轉(zhuǎn)化率，形成漿液。經(jīng)齒輪泵送入脫揮發(fā)分?jǐn)D出機(jī)間歇擠出法從單體瓶中將單體蒸入反應(yīng)器，再從另一個(gè)瓶中將引發(fā)劑或鏈轉(zhuǎn)移劑升華或蒸入反應(yīng)器，密封加熱到180℃進(jìn)行聚合。當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)100%時(shí)，溫度升高到200℃，熔融聚合物在干燥氮?dú)庀录訅?，從反?yīng)器通過噴嘴壓出，再用相似于連續(xù)擠壓法的包覆而得光纖，除去單體后經(jīng)機(jī)頭擠出芯材。第六章預(yù)制棒拉絲法預(yù)制棒由本體聚合法制得，通過夾具固定預(yù)制棒，經(jīng)過拉絲爐拉出裸絲，經(jīng)纖維徑度控制器進(jìn)入卷取鼓。外皮包覆既可在預(yù)制棒外敷，也可在拉絲時(shí)在線涂敷。特點(diǎn)是柔韌、加工方便、芯徑和數(shù)值孔徑大。

第六章紅外光纖

石英光纖在1.3至1.5μm的區(qū)域內(nèi)具有最低的損耗和色散，損耗已降低到0.15dB/km(1.55μm)，接近于0.1dB/km的理論極限。但其傳輸距離由于瑞利散射不會(huì)超過200km。利用散射損耗與波長四次冪成反比的關(guān)系，制造出適用于長波長的光纖【其特點(diǎn)是可透過近紅外（1～5μm）或中紅外（～10μm）】，使損耗進(jìn)一步降低，就能延長傳輸距離。

5000km傳輸距離如用0.83μm的光纖傳輸系統(tǒng)，需333個(gè)中繼站，而用1.5μm的系統(tǒng)有33個(gè)中繼站就夠了。各發(fā)達(dá)國家已著眼于2~30μm的新的傳輸波段，對鹵化物、硫?qū)倩锖椭亟饘傺趸锏燃t外光纖做了大量開創(chuàng)性工作。第六章1通信電纜材料A雙絞線材料B同軸電纜材料微波傳輸線材料同軸線：由內(nèi)而外依次為金屬導(dǎo)體芯線、絕緣層、金屬同軸管、護(hù)層。金屬導(dǎo)體芯線有黃銅、銅、鋁等，絕緣層和護(hù)層有聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等。平行雙線：用來傳輸?shù)皖l段的微波能量，不能用于通信。波導(dǎo)管：用金屬（如黃銅）制成空心導(dǎo)管，截面分為矩形和圓形。帶狀線和微帶線：滿足微波集成電路需求，主要利用高介電常數(shù)、低微波損耗的材料。第六章2023/7/167一、發(fā)光機(jī)理及發(fā)光特性1.發(fā)光機(jī)理根據(jù)發(fā)光機(jī)理的不同，發(fā)光過程可以分為兩類，即分立發(fā)光和復(fù)合發(fā)光。分立發(fā)光：發(fā)光中心受激發(fā)時(shí)并未離化，即激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個(gè)別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光。特點(diǎn)：單分子過程，并不伴隨著光電導(dǎo)，又稱“非光電導(dǎo)型”發(fā)光。分立發(fā)光又分為自發(fā)發(fā)光和受迫發(fā)光。第七章2023/7/168一、發(fā)光機(jī)理及發(fā)光特性1.發(fā)光機(jī)理根據(jù)發(fā)光機(jī)理的不同，發(fā)光過程可以分為兩類，即分立發(fā)光和復(fù)合發(fā)光。分立發(fā)光：發(fā)光中心受激發(fā)時(shí)并未離化，即激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個(gè)別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光。特點(diǎn)：單分子過程，并不伴隨著光電導(dǎo)，又稱“非光電導(dǎo)型”發(fā)光。分立發(fā)光又分為自發(fā)發(fā)光和受迫發(fā)光。第七章2023/7/169自發(fā)發(fā)光受迫發(fā)光自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子）在粒子內(nèi)部電場作用下從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)的發(fā)光。其粒子躍遷的幾率基本上決定于發(fā)射體內(nèi)的電場，而不受外界因素影響。受迫發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子）在外界因素的影響下的發(fā)光。其需要經(jīng)過一個(gè)成為亞穩(wěn)態(tài)的中間過程才能發(fā)光。第七章2023/7/170復(fù)合發(fā)光發(fā)光材料受激發(fā)時(shí)分離出一對帶異號電荷的粒子（一般為正離子或者空穴和電子），這兩種粒子復(fù)合時(shí)的發(fā)光。由于離化的帶電