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(wèn)題

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

ES>4kT=1.65×10-20J。當(dāng)溝道長(zhǎng)度為0.1

m時(shí)，開(kāi)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(cè)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(kāi)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(wú)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(zhǎng)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(shì)：晶片直徑越來(lái)越大缺陷密度越來(lái)越小表面平整度越來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程分三步來(lái)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(guò)退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合力度；第三步是通過(guò)研磨、拋光及腐蝕來(lái)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(lái)，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小；（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(hào)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(wèn)題

Cu污染問(wèn)題形成銅硅化物布線問(wèn)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(lái)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(hào)傳輸速度并降低功耗，該氧化物通過(guò)簡(jiǎn)單的雙層堆疊來(lái)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(wú)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(jí)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(duì)集成電路的影響，使集成電路可以長(zhǎng)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(wèn)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(jí)的電子數(shù)較處于高能級(jí)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(jí)上的原子數(shù)目之比01-7月-2313

數(shù)量級(jí)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(lái)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(chǎng)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(jí)分裂為寬的能帶，能帶由相距很小的精細(xì)能級(jí)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(jí)指導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差，通常用符號(hào)Eg表示。指絕對(duì)零度時(shí)全滿電子態(tài)與全空電子態(tài)的能量分界面?；蚪^對(duì)零度時(shí)電子占據(jù)的最高能態(tài)的能量，用符號(hào)EF表示。半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)：本征（純）半導(dǎo)體的費(fèi)密能級(jí)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(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2023/7/1202023/7/1212023/7/122熱電偶測(cè)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(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。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(shì)。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(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(cè)量場(chǎng)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(hào)。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過(guò)程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程。

CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：信號(hào)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(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)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(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)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(wú)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(chǎng)作用下向漏區(qū)運(yùn)動(dòng)，一些熱電子越過(guò)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(guò)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(hào)電流轉(zhuǎn)變?yōu)榇蓬^縫隙處的記錄磁化場(chǎng)，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(guò)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(hào)的存儲(chǔ)介質(zhì)磁層表露磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為線圈兩端的電壓，經(jīng)電路放大和處理，獲得信號(hào)。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(guò)程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、陽(yáng)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(guò)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(hào)；陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(lè)（Audio）、數(shù)據(jù)（Data）視頻（Video）等），都經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理變成“0”與“1”，其所對(duì)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(wú)法反射回激光。根據(jù)反射和無(wú)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)方向相同的磁場(chǎng)，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(lái)記錄信息。

寫入激光束對(duì)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(lái)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(cè)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(wú)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(hào)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)自石英玻璃中電子躍遷和分子振動(dòng)產(chǎn)生的吸收。對(duì)于高純度、均勻的石英玻璃，在可見(jiàn)和紅外區(qū)域的本征損失很小。但是，一些外來(lái)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(wàn)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(wú)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)λc截止波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λc定義為光纖的截止波長(zhǎng)。1-7單模傳輸時(shí)，光纖的工作波長(zhǎng)應(yīng)大于截止波長(zhǎng)，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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍L為光纖傳播的長(zhǎng)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(zhǎng)有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長(zhǎng)度隨光波波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，進(jìn)入包層中的光強(qiáng)比例就越大，這部分光走過(guò)的距離就越長(zhǎng)。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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)HE11x和HE11y所組成。這兩種模式在理想的圓柱形對(duì)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(jiǎn)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(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)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(zhǎng)。當(dāng)光波通過(guò)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(wú)法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(lái)，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(méi)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(jí)。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(chǎng)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(wèn)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(guò)小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問(wèn)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(lái)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：?jiǎn)文９饫w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：?jiǎn)纹窆饫w：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?gòu)牧硪粋€(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)庀录訅海瑥姆磻?yīng)器通過(guò)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(guò)夾具固定預(yù)制棒，經(jīng)過(guò)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(guò)200km。利用散射損耗與波長(zhǎng)四次冪成反比的關(guān)系，制造出適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光纖【其特點(diǎn)是可透過(guò)近紅外（1～5μm）或中紅外（～10μm）】，使損耗進(jìn)一步降低，就能延長(zhǎng)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(guó)家已著眼于2~30μm的新的傳輸波段，對(duì)鹵化物、硫?qū)倩锖椭亟饘傺趸锏燃t外光纖做了大量開(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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)：?jiǎn)畏肿舆^(guò)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(guò)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(guò)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)：?jiǎn)畏肿舆^(guò)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(chǎng)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(chǎng)，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(guò)一個(gè)成為亞穩(wěn)態(tài)的中間過(guò)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(duì)帶異號(hào)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