现代电子材料与元器件_6资料.ppt

* 第六章 光电子材料与器件 微电子教学部 冯世娟 3506 6.2 光纤 4 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。 6.2 光纤 5 光纤的应用 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，光入射到光纤的芯子后，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 6.2 光纤 5 光纤的应用 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。 6.2 光纤 传输光纤 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Db/km。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。 6.2 光纤 传输损耗特性 材料固有吸收 紫外吸收损耗 ——0.8～1.6μm 的强烈吸收 红外吸收损耗 ——可忽略 原子缺陷吸收 对石英玻璃光纤来说——影响很小 杂质吸收 金属离子的吸收损耗 ——不显著 OH-的吸收损耗——2.73μm，对1.39μm、1.24μm和0.95μm 影响比较大 6.2 光纤 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（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。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。 6.2 光纤 传输光纤 光纤色散特性 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。 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。 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。 6.2 光纤 光纤色散特性 材料色散 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。 模式色散 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。 波导色散 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β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 6.2 光纤 光纤色散特性 光纤的总色散由上述三种色散之和决定。 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。 在单模光纤中，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。 光纤的色散特性还可以用光纤的带宽来表示。 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。 6.3 激光器及材料 1 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。 固体激光器的工作方式主要分为脉冲和连续(CW)两大类。 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。 6.3 激光器及材料 1 固体激光器的工作原理 亚稳态 基态 激发态 6.3 激光器及材料 1 固体激光器的工作原理 三能级系统原理 E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。 6.3 激光器及材料 1 固体激光器的工作原理 四能级系统原理 三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2 N1，实现粒子数反转。 四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1不是基态而是激发