1、第四章第四章 信息材料信息材料及器件及器件 第一节第一节 前言前言 第二节第二节 光导纤维光导纤维 第三节第三节 信息存储材料信息存储材料 2022-1-23第一节第一节 前言前言 一、信息材料的基本概念一、信息材料的基本概念 现代信息技术是现代信息技术是 以微电子学和光电子学为以微电子学和光电子学为基础基础； 以计算机与通信技术为以计算机与通信技术为核心核心； 对各种信息进行收集、存储、处理、对各种信息进行收集、存储、处理、传递和显示的传递和显示的高技术群高技术群。2022-1-23对各种信对各种信息的收集、息的收集、存储、处存储、处理、传递理、传递和显示和显示信息收集信息收集功能器件功能器
2、件信息存储信息存储功能器件功能器件信息处理信息处理功能器件功能器件信息传输信息传输功能器件功能器件信息显示信息显示功能器件功能器件每种器件都是以信息材每种器件都是以信息材料为主构成的。料为主构成的。2022-1-23 具有信息收集功能的器件主要有具有信息收集功能的器件主要有: 传感器和探测器传感器和探测器 如如对温度变化有传感作用的器件：对温度变化有传感作用的器件： 热敏电阻热敏电阻PTC、NTC 热敏材料热敏材料 对光有传感作用的器件有：对光有传感作用的器件有： 光敏电阻、光敏二极管、光电探测器、红外光敏电阻、光敏二极管、光电探测器、红外探测器等探测器等光敏电阻材料、半导体光电探测器光敏电阻
3、材料、半导体光电探测器材料材料 对气体种类和含量有传感作用的器件：对气体种类和含量有传感作用的器件： 气敏传感器气敏传感器n型或型或p型金属氧化物半导体型金属氧化物半导体气敏材料气敏材料 对湿度变化有传感作用的器件：对湿度变化有传感作用的器件： 湿敏传感器湿敏传感器湿敏陶瓷湿敏陶瓷2022-1-23 具有信息存储功能的器件主要是一些存具有信息存储功能的器件主要是一些存储器。储器。 例如固定只读存储器（例如固定只读存储器（ROM） 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM） 磁带磁带 各种磁盘各种磁盘 光盘光盘 相应这些存储器有对应的信息存储材料。相应这些存储器有对应的信息存储材料。 202
4、2-1-23 具有信息处理功能的器件分为具有信息处理功能的器件分为 微电子信息处理器件微电子信息处理器件 光信息处理器件光信息处理器件 各种晶体管各种晶体管 各种调制器各种调制器 二极管二极管 振荡器振荡器 集成电路集成电路 放大器放大器 用于制作这些器件的材料有：硅、锗等半导用于制作这些器件的材料有：硅、锗等半导体材料、体材料、GaAs系列、系列、InP系列等等系列等等 。2022-1-23 具有信息传输功能的器件主要是指：具有信息传输功能的器件主要是指：光通信、微波通信、移动电话通信等的器件。光通信、微波通信、移动电话通信等的器件。光纤通信系统光纤通信系统 微波通信微波通信 移动通信移动通
5、信光纤光缆光纤光缆 手持式终端手持式终端 手机手机 光纤连接器光纤连接器 卫星定位系统卫星定位系统 用户身份识用户身份识光纤分路器光纤分路器 有源阵天线有源阵天线 别模块别模块SIM卡卡 用于这些器件的材料有：各种光纤材料、半导体激光器用于这些器件的材料有：各种光纤材料、半导体激光器材料、微波铁氧体材料、微波介质陶瓷等等。材料、微波铁氧体材料、微波介质陶瓷等等。 2022-1-23 具有信息显示功能的器件主要是：具有信息显示功能的器件主要是：阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、电致发光显示、真空荧光显示等各种平电致发光显示、真空荧光显示等各种平板显示器。板显
6、示器。 其材料有：其材料有： 用于液晶显示的非晶硅、多晶硅用于液晶显示的非晶硅、多晶硅 用于等离子体显示的红、绿、蓝三用于等离子体显示的红、绿、蓝三基色荧光粉基色荧光粉 用于电致发光显示的掺用于电致发光显示的掺Cu、Al、Mn的的ZnS基质发光粉等等。基质发光粉等等。 2022-1-23二、信息材料的发展历程二、信息材料的发展历程 信息材料的发展信息材料的发展历程也就是微电子技历程也就是微电子技术和光电子技术的发术和光电子技术的发展历程。展历程。硅硅半导体半导体晶体管晶体管硅硅集成电集成电路技术路技术微电子技术微电子技术2022-1-23 20世纪初世纪初 硅被用于无线电通信器件之一的矿硅被用
7、于无线电通信器件之一的矿石检波器。石检波器。 20世纪世纪2030年代年代 量子力学理论和量子力学理论和pn结概念的提出以结概念的提出以及高纯硅材料的研制成功促进了硅材料及高纯硅材料的研制成功促进了硅材料的发展。的发展。 1941年年 锗的载流子迁移率高，被成功用于锗的载流子迁移率高，被成功用于制作二极管。制作二极管。2022-1-23 1947年年 贝尔实验室研制成功全世界第一个锗点接贝尔实验室研制成功全世界第一个锗点接触式三极管，把锗材料的研究推向了新的高潮。触式三极管，把锗材料的研究推向了新的高潮。 1950年年 第一颗锗单晶拉制成功，推动了锗生产技第一颗锗单晶拉制成功，推动了锗生产技术
8、的飞跃发展。术的飞跃发展。 1952年年 第一颗硅单晶拉制成功，由于硅技术的突第一颗硅单晶拉制成功，由于硅技术的突破晚于锗，因此这一时期仍以锗的研究为主。破晚于锗，因此这一时期仍以锗的研究为主。 这时，英国的达默率先提出了集成电路的这时，英国的达默率先提出了集成电路的概念，目的是把大量晶体管、电阻、电容等电概念，目的是把大量晶体管、电阻、电容等电子元件小型化、微型化并构成尽可能小的电路。子元件小型化、微型化并构成尽可能小的电路。 2022-1-23 1958年年 美国得克萨斯仪器公司终于实现了美国得克萨斯仪器公司终于实现了达默的设想，用锗材料制成了世界上第达默的设想，用锗材料制成了世界上第一块
9、集成电路。一块集成电路。 1959年年 美国仙童公司采用平面工艺和美国仙童公司采用平面工艺和pn结结隔离技术，制成了第一块硅集成电路。隔离技术，制成了第一块硅集成电路。其平面工艺为后来大规模集成电路发展其平面工艺为后来大规模集成电路发展奠定了基础。奠定了基础。2022-1-23 由于集成电路平面工艺的出现，导致硅材料和锗材由于集成电路平面工艺的出现，导致硅材料和锗材料在半导体技术中的地位发生了逆转。料在半导体技术中的地位发生了逆转。 主要因为硅材主要因为硅材料除了料除了载流子迁移率比锗稍差载流子迁移率比锗稍差之外，之外，许多性能都优于许多性能都优于锗锗。 硅的禁带宽度比锗高，故硅的工作温度高，
10、更硅的禁带宽度比锗高，故硅的工作温度高，更适于功率器件的制作；适于功率器件的制作； 硅在高温下能氧化成二氧化硅薄膜，其薄膜兼硅在高温下能氧化成二氧化硅薄膜，其薄膜兼有杂质扩散掩膜、绝缘膜和保护膜三重功能，故硅很有杂质扩散掩膜、绝缘膜和保护膜三重功能，故硅很适合集成电路平面工艺；适合集成电路平面工艺； 硅的受主和施主的扩散系数几乎相同，可为集硅的受主和施主的扩散系数几乎相同，可为集成电路的工艺制作提供更大的自由度。成电路的工艺制作提供更大的自由度。 硅的这些优点使其至今在集成电路中仍然占有最硅的这些优点使其至今在集成电路中仍然占有最重要的地位。重要的地位。 2022-1-23 1998年年 IB
11、M公司用公司用SOI材料（称为绝缘层材料（称为绝缘层上的硅材料，为新一代的硅材料）研制上的硅材料，为新一代的硅材料）研制成功计算机用的高速、低功耗中央处理成功计算机用的高速、低功耗中央处理器芯片，这一成功，说明器芯片，这一成功，说明SOI技术可以用技术可以用来取代传统硅集成电路技术。来取代传统硅集成电路技术。 SOI材料的主要优点是：材料的主要优点是： 寄生电容小、功耗低、集成度和电寄生电容小、功耗低、集成度和电路速度高、抗辐照和耐高温性能好。路速度高、抗辐照和耐高温性能好。 SOI技术被国际公认为是技术被国际公认为是21世纪的微世纪的微电子技术。电子技术。2022-1-23 2000年年 I
12、BM已决定在已决定在0.18m 以下线宽的集以下线宽的集成电路生产线中全部采用成电路生产线中全部采用SOI材料。材料。 英特尔、摩托罗拉、德州仪器、三英特尔、摩托罗拉、德州仪器、三菱等集成电路巨头纷纷投巨资开发菱等集成电路巨头纷纷投巨资开发SOI材材料和相关的集成电路产品。料和相关的集成电路产品。2022-1-23光电子技术的发展光电子技术的发展 光电子光电子技术技术半导体激光器技术半导体激光器技术光纤通信技术光纤通信技术光存储技术光存储技术光显示技术光显示技术光电探测技术光电探测技术光信息处理技术光信息处理技术光电子集成回路技术光电子集成回路技术2022-1-23 激光是光通信、光存储、光显
13、示和激光是光通信、光存储、光显示和光电子集成回路的光电子集成回路的光源和信息载体光源和信息载体。 半导体激光材料是光电子技术的主半导体激光材料是光电子技术的主导产品。导产品。 作为激光器的半导体材料很多，但作为激光器的半导体材料很多，但最主要可分为最主要可分为GaAs和和InP两个系列。两个系列。 1962年年 第一个第一个GaAs半导体激光器问世，但半导体激光器问世，但效率低，且只能在低温工作，不能使用。效率低，且只能在低温工作，不能使用。 2022-1-23 1963年年 有人提出了异质结结构激光器的概有人提出了异质结结构激光器的概念。念。 1969年年 出现了第一个出现了第一个GaAs/
14、AlGaAs异质结异质结激光器，激光器， 可在室温工作，工作电流已达可在室温工作，工作电流已达到较低的水平。到较低的水平。 20世纪世纪80年代末年代末 研制成功了无研制成功了无Al的的InGaAsP材料的材料的半导体激光器半导体激光器。 2022-1-23 早期半导体激光器的研发主要针对早期半导体激光器的研发主要针对光通信方面的应用。光通信方面的应用。 如适用于如适用于1.3m波长和波长和1.55m波长的波长的激光器材料：激光器材料：InGaAs、 InGaAsP、AlGaInAs等。等。 20世纪世纪8090年代年代 以光盘为代表的光存储技术及产业以光盘为代表的光存储技术及产业发展迅猛，第
15、一代发展迅猛，第一代CD系列光盘使用系列光盘使用780830nm 的红外激光光源，的红外激光光源，GaAs/AlGaAs和和GaAs/ InGaAsP半导体半导体材料满足这一要求。材料满足这一要求。2022-1-23 由于对光盘存储密度的要求越来越由于对光盘存储密度的要求越来越高，发展出了高，发展出了DVD光盘。光盘。 红光波段红光波段（650nm）激光器用于目）激光器用于目前的前的DVD光盘，对应材料为光盘，对应材料为InGaAlP。 蓝光波段（蓝光波段（405nm）激光器用于高激光器用于高密度密度DVD光盘，即蓝光盘（光盘，即蓝光盘（BD），对应），对应材料为材料为InGaN。2022-1
16、-23 在半导体异质结材料的开发过程中，在半导体异质结材料的开发过程中，为了为了降低域值电流、获得大功率的激光降低域值电流、获得大功率的激光输出和提高光束质量输出和提高光束质量，半导体激光器后，半导体激光器后来都采用了量子阱结构。来都采用了量子阱结构。 量子阱结构：厚度仅为量子阱结构：厚度仅为110nm的异的异质结结构。质结结构。 在量子阱结构的基础上，人们又采在量子阱结构的基础上，人们又采用了用了应变量子阱结构应变量子阱结构，通过控制外延层，通过控制外延层的厚度，解决了材料开发过程中出现的的厚度，解决了材料开发过程中出现的晶格失配问题。晶格失配问题。 2022-1-23 因此，半导体激光材料
17、经历了同质因此，半导体激光材料经历了同质结构、异质结构、量子阱结构材料和应结构、异质结构、量子阱结构材料和应变量子阱结构材料的发展历程。变量子阱结构材料的发展历程。 人们用这些材料制成了蓝光、红光、人们用这些材料制成了蓝光、红光、近红外波段和近红外波段和23m中红外波段的各种中红外波段的各种半导体激光器。半导体激光器。2022-1-232022-1-23气体激光器气体激光器 介质是气体的激光器，此种激光器通过放电得到激介质是气体的激光器，此种激光器通过放电得到激发。发。 氦氖激光器：氦氖激光器：最重要的红光放射源（最重要的红光放射源（632.8 632.8 nmnm）。）。 二氧化碳激光器：二
18、氧化碳激光器：波长约波长约10.6 10.6 mm（红外线），（红外线），重要的工业激光。重要的工业激光。 一氧化碳激光器：一氧化碳激光器：波长约波长约6-8 6-8 mm（红外线），（红外线），只在冷却的条件下工作。只在冷却的条件下工作。 氮气激光器：氮气激光器：337.1 nm (337.1 nm (紫外线紫外线) )。 氩离子激光器氩离子激光器: :具有多个波长，具有多个波长，457.9 nm (8%)457.9 nm (8%)丶丶476.5 nm (12%)476.5 nm (12%)丶丶488.0 nm (20%)488.0 nm (20%)丶丶496.5 nm 496.5 nm (
19、12%)(12%)丶丶501.7 nm (5%)501.7 nm (5%)丶丶514.5 nm (43%)514.5 nm (43%)（由蓝光（由蓝光到绿光）。到绿光）。 氦镉激光器：氦镉激光器：最重要的蓝光（最重要的蓝光（442nm442nm）和近紫）和近紫外激光源（外激光源（325nm325nm）。）。 固体激光器固体激光器 介质是固体的激光器，此种工作物质通过灯丶半导体激光器介质是固体的激光器，此种工作物质通过灯丶半导体激光器阵列丶其他激光器光照泵浦得到激发。阵列丶其他激光器光照泵浦得到激发。 红宝石激光器：红宝石激光器：世界上第一台激光器，世界上第一台激光器，1960年年7月月7日，日
20、，美国美国青年科学家青年科学家梅曼梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，这台激光器就是宣布世界上第一台激光器诞生，这台激光器就是红宝石激光器。红宝石激光器。 如如Cr:Al2O3激光器工作波长：激光器工作波长：6943 。Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）：最常用的固体激光器，工作（掺钕钇铝石榴石）：最常用的固体激光器，工作波长一般为波长一般为1064nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。输出其他波长的激光。 Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）：低功率应用最广泛的固体激光器（掺钕钒酸钇）：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为，工作波长一
21、般为1064nm，可以通过，可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频非线性晶体倍频後产生後产生532nm绿光的激光器。绿光的激光器。 Yb:YAG（掺镱钇铝石榴石）：适用於高功率输出，这种材（掺镱钇铝石榴石）：适用於高功率输出，这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。 钛蓝宝石激光器：钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（具有较宽的波长调节范围（670nm1200nm）2022-1-23三、信息材料的应用范围三、信息材料的应用范围 广义上讲，所有应用信息技术的领域，都广义上讲，所有应用信息技术的领域，都是信息材料的应用范围。它分为军用和民用。
22、是信息材料的应用范围。它分为军用和民用。 军用军用：侦察、监视、夜视、电子对抗、武侦察、监视、夜视、电子对抗、武器精确制导、飞机和导弹的惯性导航、火炮控器精确制导、飞机和导弹的惯性导航、火炮控制、军事通信、模拟训练等制、军事通信、模拟训练等； 民用民用：通信、广播、办公室自动化、工业通信、广播、办公室自动化、工业生产自动化、医学诊断和治疗、遥感测绘、音生产自动化、医学诊断和治疗、遥感测绘、音像娱乐、科学研究等。像娱乐、科学研究等。2022-1-23第二节第二节 光导纤维及光器件光导纤维及光器件一、光导纤维（光纤）的发展历一、光导纤维（光纤）的发展历史史 20世纪世纪60年代中期年代中期，高锟等
23、人，高锟等人提出了关于降低石英光纤损耗的提出了关于降低石英光纤损耗的设想，并预测光纤通讯的未来。设想，并预测光纤通讯的未来。从理论上推测出石英光纤的损耗从理论上推测出石英光纤的损耗可以降低到可以降低到20dB/km。 1969年年，日本首先研制出第，日本首先研制出第一根通信用光纤，但损耗超过一根通信用光纤，但损耗超过100dB/km。 2022-1-23 1970年，年，美国康宁公司采用所谓粉末法美国康宁公司采用所谓粉末法制出了损耗为制出了损耗为20dB/km和和4dB/km的光纤的光纤，从而极大地引起了各国学者的重视。，从而极大地引起了各国学者的重视。 1974年年美国贝尔研究所采用化学气相
24、沉积美国贝尔研究所采用化学气相沉积法（法（MCVDMCVD）制得了）制得了0.2dB/km (1.55m) 的的光纤，该值接近石英光纤的理论损耗值光纤，该值接近石英光纤的理论损耗值0.18dB/km(1.55m)。2022-1-23 1977年年，武汉邮电科学研究院研制出公里，武汉邮电科学研究院研制出公里级低损耗的石英光纤，级低损耗的石英光纤，850nm850nm波长衰耗为波长衰耗为20dB/km20dB/km，达到了较好的衰减水平，并成，达到了较好的衰减水平，并成功进行国内首次彩色电视信号传送试验。功进行国内首次彩色电视信号传送试验。2022-1-23 与之同时与之同时，日本茨城电气通信研究
25、，日本茨城电气通信研究所采用轴向气相沉积法所采用轴向气相沉积法“VAD”法制造光法制造光纤预制棒，使光纤通信趋向实用化。这纤预制棒，使光纤通信趋向实用化。这一技术从开发到实用前后不到一技术从开发到实用前后不到10年，发年，发展相当迅速。展相当迅速。 目前光纤通信已成为信息高速公路的目前光纤通信已成为信息高速公路的重要组成部分。重要组成部分。2022-1-23 图图4-1. 早期和目前商品化石英光纤的损早期和目前商品化石英光纤的损耗谱示意图耗谱示意图2022-1-23 由图可见，位于由图可见，位于1.38um处的处的OH-离离子吸收峰将石英光纤的低损耗区域分割子吸收峰将石英光纤的低损耗区域分割成
26、成1.31um波段和波段和1.55um波段两个窗口。波段两个窗口。目前的光纤制作工艺已经完全消除水分目前的光纤制作工艺已经完全消除水分所带来的所带来的OH-离子吸收峰，使光纤在离子吸收峰，使光纤在1.281.70um的广阔区域内均具有接近的广阔区域内均具有接近Rayleigh散射极限的极低传输损耗。散射极限的极低传输损耗。2022-1-23二、光纤通信系统的发展历史二、光纤通信系统的发展历史1、早期的、早期的850nm光纤通信系统光纤通信系统 在在20世纪世纪70年代中期，由于光纤制作年代中期，由于光纤制作工艺技术的限制，当时制得的光纤最低工艺技术的限制，当时制得的光纤最低损耗约为损耗约为4d
27、B/km，位于，位于850nm处。其通处。其通信系统构成为：信系统构成为： GaAlAs/GaAs半导体激光器半导体激光器光纤光纤Si光电探测器光电探测器 系统的传输损耗小于系统的传输损耗小于100dB/km，中，中继距离为继距离为10km。2022-1-232、1.31um光纤通信系统光纤通信系统 20世纪世纪80年代，光纤制作技术的进步年代，光纤制作技术的进步显著降低了显著降低了OH-离子浓度，出现了两个离子浓度，出现了两个极低损耗窗口：极低损耗窗口： 1.31um-0.35dB/km 1.55um-0.2dB/km第二代光纤通信构成：第二代光纤通信构成：InGaAsP/InP激光器激光器
28、光纤光纤Si光电探测器光电探测器特点：中继距离为特点：中继距离为50km，传输速率为：，传输速率为：1.7Gb/s。2022-1-233、1.55um光纤通信系统光纤通信系统 特点：最低损耗，约特点：最低损耗，约0.2dB/km。 无中继传输距离可达无中继传输距离可达80100km 一般采用掺铒光纤放大器（一般采用掺铒光纤放大器（EDFA）提升功率。提升功率。2022-1-234、网络全光化、网络全光化 最终用户需求：最终用户需求： 廉价而优质的各种语音、视频和数廉价而优质的各种语音、视频和数据通信业务。据通信业务。 两大障碍：两大障碍： A、“电子瓶颈电子瓶颈”问题问题 网络节点技术是基于电
29、的数字处理技网络节点技术是基于电的数字处理技术。因此整个网络的性能受到电子设备术。因此整个网络的性能受到电子设备处理速度的制约。处理速度的制约。 2022-1-23 B、用户与中心局或远程终端间的网、用户与中心局或远程终端间的网络连接（接入网），所谓络连接（接入网），所谓“最后一公里最后一公里”问题问题 目前向最终用户提供宽带业务的用目前向最终用户提供宽带业务的用户线主要采用双绞线和同轴线等带宽极户线主要采用双绞线和同轴线等带宽极其有限的电接入技术，无法实现与光纤其有限的电接入技术，无法实现与光纤传输网相适应的宽带接入。传输网相适应的宽带接入。 因此必须降低最终用户的光纤终端因此必须降低最终用
30、户的光纤终端设备的价格，才能真正实现光纤到户（设备的价格，才能真正实现光纤到户（fiber to the home,HTTH）和光纤到办公）和光纤到办公桌（桌（fiber to the desk, HTTD）。 2022-1-23电缆通信与光纤通信比较电缆通信与光纤通信比较 电缆通信：电缆通信：声音声音 变成电信号，通过变成电信号，通过铜导线铜导线把电信号传输到对方。把电信号传输到对方。 光导纤维（简称光纤）通信：光导纤维（简称光纤）通信：记录着声记录着声音的电信号音的电信号 变成光信号，然后通过变成光信号，然后通过玻玻璃纤维璃纤维把光信号传输到对方，最后又把把光信号传输到对方，最后又把光信号
31、光信号 转变成电信号。转变成电信号。 2022-1-23 光纤通信具有电缆通信无法比拟的优点光纤通信具有电缆通信无法比拟的优点 （1）损耗低，频带宽，）损耗低，频带宽，容量大。容量大。 （2）不受电磁场干扰，保密性能优良。）不受电磁场干扰，保密性能优良。 （3）重量轻，体积小。）重量轻，体积小。 （4）节省铜资源等优点。）节省铜资源等优点。 2022-1-23三、光纤构成及分类三、光纤构成及分类 光纤一般分三部分构光纤一般分三部分构成：成：芯部、包层、保芯部、包层、保护层。护层。 图图4-2 光纤的构成光纤的构成2022-1-23 各部分材料：各部分材料： 芯部：芯部：用来导光。非晶态的用来导
32、光。非晶态的SiO2、掺杂、掺杂 GeO2、P2O5等。等。 包层：包层：保证光全反射只发生在芯内。一保证光全反射只发生在芯内。一 般由高硅玻璃构成，其折射率要般由高硅玻璃构成，其折射率要 与芯部匹配，减少光的散射损与芯部匹配，减少光的散射损 失。失。 保护层：保护层：保护光纤不受外界作用和吸收保护光纤不受外界作用和吸收 诱发微变的剪切应力。由尼龙诱发微变的剪切应力。由尼龙 材料作成。材料作成。2022-1-23 光纤的分类光纤的分类 按芯部按芯部折射率变化折射率变化来分类：突变来分类：突变（阶跃）型光纤、渐变（梯度）型光纤。（阶跃）型光纤、渐变（梯度）型光纤。 按光在光纤中按光在光纤中传播的
33、模式传播的模式分类：单分类：单模光纤、多模梯度型光纤、多模阶跃型模光纤、多模梯度型光纤、多模阶跃型光纤。光纤。多模阶跃型光纤多模阶跃型光纤多模梯度型光纤多模梯度型光纤 单模光纤单模光纤图图4-3 光光纤纤的的种种类类2022-1-231、梯度型多模光纤、梯度型多模光纤 包括包括Ala、Alb、Alc和和Ald类型。类型。 它们可用多组分玻璃或掺杂石英玻璃制得。它们可用多组分玻璃或掺杂石英玻璃制得。 特点：特点： A、制备选用的材料纯度比大多数阶跃型多模光纤制备选用的材料纯度比大多数阶跃型多模光纤材料纯度高得多材料纯度高得多，以保证，以保证降低光纤衰减。降低光纤衰减。 B、由于折射率呈梯度分布和
34、更低的衰减，所以梯由于折射率呈梯度分布和更低的衰减，所以梯度型多模光纤的性能比阶跃型多模光纤性能要好度型多模光纤的性能比阶跃型多模光纤性能要好得多。得多。 C、一般在直径（包括缓冲护套）相同的情况下，一般在直径（包括缓冲护套）相同的情况下，梯度型多模光纤的芯径大大小于阶跃型多模光纤梯度型多模光纤的芯径大大小于阶跃型多模光纤，这就赋予梯度型多模光纤更好的抗弯曲性能。，这就赋予梯度型多模光纤更好的抗弯曲性能。2022-1-23表表4-1 四种梯度型多模光纤的主要性能四种梯度型多模光纤的主要性能2022-1-23A1aA1bA1cA1d2、阶跃型多模光纤、阶跃型多模光纤 包括包括A2、A3和和A4三
35、类九个品种。三类九个品种。 特点：特点： A、具有大的纤芯和大的数值孔径，所以它们具有大的纤芯和大的数值孔径，所以它们 可更为有效地与非相干光源，例如发光二极管可更为有效地与非相干光源，例如发光二极管(LED)耦合。耦合。 B、链路接续可通过价格低廉的注塑型连接器链路接续可通过价格低廉的注塑型连接器，从而降低整个网络建设费用。，从而降低整个网络建设费用。可能的主要应可能的主要应用是在光纤到户（用是在光纤到户（FTTH）和光纤到办公室（）和光纤到办公室（FTTD）技术中作为光纤用户线使用）技术中作为光纤用户线使用。2022-1-233、单模光纤、单模光纤 特点：特点： A、包层直径要比芯径大十多
36、倍，以避包层直径要比芯径大十多倍，以避免光损耗。免光损耗。 B、衰减小、频带宽、容量大、成本低衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世界得到极为广泛通信传输媒介，在全世界得到极为广泛的应用。的应用。2022-1-23单模光纤的主要类型和主要规范单模光纤的主要类型和主要规范 ITU-T关于单模光纤的产品规范有关于单模光纤的产品规范有G.652，G.653，G.654，G.655等建议文等建议文件。件。 G.652：光纤结构简单，技术成熟，是目：光纤结构简单，技术成熟，是目 前实际使用量最多的单模光纤。前实际使用量最多的
37、单模光纤。 零色散波长位于零色散波长位于1310nm，在，在 1550nm处有色散。处有色散。2022-1-23 G.653：又称色散位移光纤，在又称色散位移光纤，在1550nm波段具有零色散值，其目的是使光纤的波段具有零色散值，其目的是使光纤的最低损耗和最小色散同时出现在最低损耗和最小色散同时出现在1550nm波段，充分利用该窗口的低损耗特性。波段，充分利用该窗口的低损耗特性。 G.654：为了获得超低损耗而设计的纯石为了获得超低损耗而设计的纯石英芯和掺氟包层下陷型光纤。英芯和掺氟包层下陷型光纤。 G.655：又称非零色散位移光纤。：又称非零色散位移光纤。综合考综合考虑光纤损耗、虑光纤损耗、
38、EDFA工作波段、色散特性工作波段、色散特性和非线性效应。和非线性效应。2022-1-23图图4-4 单模光纤折射率剖面的主要类型单模光纤折射率剖面的主要类型2022-1-234、特种光纤、特种光纤A、稀土掺杂光纤、稀土掺杂光纤 在石英玻璃中掺杂在石英玻璃中掺杂Er3+、Nd3+离子离子可以分可以分别产生别产生1.55um和和1.3um波段的荧光辐射，对应波段的荧光辐射，对应于石英光纤的两个重要低损耗通信窗口。采用于石英光纤的两个重要低损耗通信窗口。采用泵浦方式可使掺杂泵浦方式可使掺杂Er3+、Nd3+离子离子的石英光纤的石英光纤受激辐射，从而对两个通信波段的光信号进行受激辐射，从而对两个通信
39、波段的光信号进行相干功率放大。因此该光纤对光纤通信技术具相干功率放大。因此该光纤对光纤通信技术具有极端的重要性。有极端的重要性。2022-1-23B、光子晶体光纤、光子晶体光纤 光子晶体：指折射率在空间呈波长级周期性光子晶体：指折射率在空间呈波长级周期性分布的光学介质结构。由于光在周期性折射率结分布的光学介质结构。由于光在周期性折射率结构中的行为类似于电子在普通晶体内周期势场中构中的行为类似于电子在普通晶体内周期势场中的运动，因此称为光子晶体。的运动，因此称为光子晶体。 特性：特性： （1）反常色散）反常色散折射率随波长增加而增大。折射率随波长增加而增大。 （2）光子禁带）光子禁带某一频率范围
40、的光无法在光某一频率范围的光无法在光子晶体中传输。子晶体中传输。 2022-1-23光子晶体光纤：光子晶体光纤：指折射率分布在除光纤轴心外的指折射率分布在除光纤轴心外的 光纤横截面上呈亚波长级二维周光纤横截面上呈亚波长级二维周 期性或准周期性分布的光纤结构。期性或准周期性分布的光纤结构。 为了获得较大的折射率对比度，目前的光子为了获得较大的折射率对比度，目前的光子晶体光纤主要由石英光纤横截面上周期排列的空晶体光纤主要由石英光纤横截面上周期排列的空气孔组成。如图气孔组成。如图4-5。2022-1-23C、塑料光纤、塑料光纤 指用聚合物或有机玻璃等材料制成指用聚合物或有机玻璃等材料制成的光纤。的光
41、纤。 常用材料有：聚甲基丙烯酸甲酯（常用材料有：聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、聚碳酸酯、聚苯乙烯和氟有机玻璃）、聚碳酸酯、聚苯乙烯和氟塑料等。塑料等。 特点：特点： 重量轻、柔韧性好、抗绕曲、易于重量轻、柔韧性好、抗绕曲、易于接续、低材料色散、廉价。接续、低材料色散、廉价。2022-1-23 塑料光纤在近红外至可见光波段具有塑料光纤在近红外至可见光波段具有最低损耗，传输损耗达最低损耗，传输损耗达91000dB/km。 表表4-2 塑料光纤的主要类型和标准塑料光纤的主要类型和标准2022-1-23 四、光导原理四、光导原理 光导纤维的波导构造是由光导纤维的波导构造是由折射率高的芯和折射率高的芯和
42、折射率低的包层折射率低的包层组成的。组成的。 芯的作用：芯的作用：是将入射端的光线传输到接受是将入射端的光线传输到接受端。端。 芯和包层的交界面芯和包层的交界面是折射率差的界面，该是折射率差的界面，该界面不使光线透过，构成光壁，以保证芯的导界面不使光线透过，构成光壁，以保证芯的导光。光。 要使光线在芯部正常导光，就必须使入射要使光线在芯部正常导光，就必须使入射光线在芯和包层的界面（光壁）上产生全反射，光线在芯和包层的界面（光壁）上产生全反射，其原理如图其原理如图4-3中的中的A所示。所示。 2022-1-23图图4-5 光纤接受与传输光线原理图光纤接受与传输光线原理图 A-发生全反射发生全反射
43、 B-发生光的散射发生光的散射2022-1-23 发生全反射的条件：发生全反射的条件： n1sin1= n2sin212当当2为为90度时，度时，折射线将沿着界面折射线将沿着界面传播。此时传播。此时1为为发生全反射的入射发生全反射的入射角；当入射角大于角；当入射角大于1时，只有全反时，只有全反射。射。 n1n22022-1-23 五、光纤的损耗五、光纤的损耗 光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通讯中最重要的问题。讯中最重要的问题。 下图形象地表示一脉冲光信号在光纤中传下图形象地表示一脉冲光信号在光纤中传播的能量损耗。播的能量损耗。图图4-4 光的能量损失光的
44、能量损失2022-1-23光纤的损耗可概括如下：光纤的损耗可概括如下： 光纤总损耗光纤总损耗材料本征损耗材料本征损耗材料非本征损材料非本征损耗耗本征吸收损耗本征吸收损耗本征散射损耗本征散射损耗紫外吸收（电子跃迁）紫外吸收（电子跃迁）红外吸收（分子振动）红外吸收（分子振动）瑞利散射瑞利散射拉曼散射拉曼散射杂质吸收杂质吸收结构缺陷散射结构缺陷散射过渡金属过渡金属OH 基（水）基（水）折射率分布不匀折射率分布不匀芯芯-包层界面不平整包层界面不平整气泡、结晶、弯曲等气泡、结晶、弯曲等2022-1-23 从以上可看出从以上可看出,一旦确定了材料一旦确定了材料,材料材料的本征损耗就无法改变。人们只有在非的
45、本征损耗就无法改变。人们只有在非本征损耗的降低上做出努力。本征损耗的降低上做出努力。 光纤的损耗以光纤的损耗以dB/km为单位表示：为单位表示： 1dB/km= -10 （1/L） lglg（I/II/I0 0） 如果损耗是如果损耗是2 dB/km,则光传输则光传输1km后后约有约有60%的光保留下来。的光保留下来。 如果损耗是如果损耗是0.5 0.5 dB/km,则光传输则光传输1km后约有后约有90%的光保留下来。的光保留下来。2022-1-23 光纤中杂质的吸收：光纤中杂质的吸收：主要是主要是Fe、Co、Ni等等过渡金属杂质离子在可见和近红外区有强的吸过渡金属杂质离子在可见和近红外区有强
46、的吸收收,这要在原料的纯化过程中通过除去过渡金属这要在原料的纯化过程中通过除去过渡金属杂质离子而加以解决。杂质离子而加以解决。 而结构缺陷则是在工艺上应小心注意的。而结构缺陷则是在工艺上应小心注意的。 在目前的技术范围内在目前的技术范围内,与波长四次方成反比与波长四次方成反比的的瑞利散射和瑞利散射和OH基的吸收基的吸收是损耗的主要原因。是损耗的主要原因。OH基在基在2.73m有一大的基本吸收峰有一大的基本吸收峰,其高次谐其高次谐波在波在0.94m、1.24m和和1.38m处也产生吸收。处也产生吸收。 瑞利散射：瑞利散射：因为玻璃是非晶态，原子排列因为玻璃是非晶态，原子排列是混乱的，单位体积原子
47、数并不固定。这种结是混乱的，单位体积原子数并不固定。这种结构的电子与传播的光子相互作用，常常引起光构的电子与传播的光子相互作用，常常引起光传播的延迟，并离开光纤，造成能量损失。传播的延迟，并离开光纤，造成能量损失。2022-1-23 图图4-64-6为长波瑞利散射极限和损耗与波长的关系。为长波瑞利散射极限和损耗与波长的关系。 损耗最低处为损耗最低处为1.55m。尽量避免使用接近。尽量避免使用接近1.38m的的光源。超过光源。超过1.6m后，石英玻璃本身与光子作用很后，石英玻璃本身与光子作用很强，成为能量吸收者。因此，必须研究新的材料系强，成为能量吸收者。因此，必须研究新的材料系统。如氟化物光纤
48、。统。如氟化物光纤。2022-1-23 六、光纤的制造六、光纤的制造 石英光纤的组成石英光纤的组成: 以以SiO2为主为主,为使光纤的折射率分布为使光纤的折射率分布不同不同,需要加入改变折射率的材料。需要加入改变折射率的材料。 在石英玻璃中作为调节折射率的物在石英玻璃中作为调节折射率的物质有质有GeO2、P2O5、B2O3、含、含F化合物化合物等。等。使折射率使折射率增大增大使折射率使折射率减小减小2022-1-23光纤制备方法光纤制备方法 目前国目前国际上已研究际上已研究开发出的光开发出的光纤制备方法纤制备方法有两大类技有两大类技术十多种具术十多种具体的工艺方体的工艺方法：法：2022-1-
49、23光光纤纤制制备备气相沉积技术气相沉积技术非气相沉积技术非气相沉积技术外部化学气相沉积法（外部化学气相沉积法（OVD）轴向化学气相沉积法（轴向化学气相沉积法（VAD）改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（MCVD）等离子化学气相沉积法（等离子化学气相沉积法（PCVD）等离子改良的化学气相沉积法（等离子改良的化学气相沉积法（PMCVD）轴向和横向等离子化学气相沉积法（轴向和横向等离子化学气相沉积法（ALPD）界面凝胶法（界面凝胶法（BSG）熔融法（熔融法（DM）玻璃分相法（玻璃分相法（PSG）溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（SOL-GEL）机械挤压成型法（机械挤压成型法（MSP）1、气相技术、
50、气相技术 气相反应沉积法是目前普遍采用的光纤制气相反应沉积法是目前普遍采用的光纤制备工艺。备工艺。 原理：原理： 将液体的将液体的SiCl4和其它卤化物转变为气体，和其它卤化物转变为气体，在一定条件下进行化学反应生成掺杂的高纯石在一定条件下进行化学反应生成掺杂的高纯石英玻璃。英玻璃。 液态的卤化物纯度极高，当用高纯氧为液态的卤化物纯度极高，当用高纯氧为载气，将卤化物气体带入反应区（增加了一个载气，将卤化物气体带入反应区（增加了一个“蒸馏蒸馏”过程），从而进一步提纯反应物达到过程），从而进一步提纯反应物达到严格控制过渡金属离子的目的。严格控制过渡金属离子的目的。 2022-1-232、气相技术工
