光电子材料信息材料.pptx

（二）（二）2.2.8集成电路发展面临的问题集成电路发展面临的问题1 1、基本限制、基本限制 如热力学限制。由于热扰动的影响，对数字逻辑系统，开关能量至少应满足 ES4kT=1.6510-20J。当沟道长度为 0.1m时，开关能量约为 510-18J。在亚微米范围，从热力学的角度暂时不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，显然原子尺寸是最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。2 2、器件与工艺限制、器件与工艺限制 3 3、材料限制、材料限制 硅材料较低的迁移率将是影响 IC发展的一个重要障碍。4 4、其他限制、其他限制 包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散热限制、内部寄生耦合限制等。2.3.1衬底材料衬底材料锗（锗（Ge）是最早用于集成电路的衬底材料。是最早用于集成电路的衬底材料。Ge的优点：的优点：载流子迁移率比硅高；载流子迁移率比硅高；在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和压降、较高的开关速度和较好的低温性能。压降、较高的开关速度和较好的低温性能。Ge的缺点：的缺点：最高工作温度只有最高工作温度只有85，GeGe器件热稳定性不如硅；器件热稳定性不如硅；GeGe无法形成优质的氧化膜；无法形成优质的氧化膜；GeGe中施主杂质的扩散中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自远比受主杂质快，工艺制作自由度小。由度小。Ge禁带宽度禁带宽度0.72eVSi禁带宽度禁带宽度1.1eV硅（硅（Si）是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。硅的优点：硅的优点：Si器件的最高工作温度可达器件的最高工作温度可达200；高温下可氧化生成二氧化硅薄膜；高温下可氧化生成二氧化硅薄膜；受主和施主杂质扩散系数几乎相同；受主和施主杂质扩散系数几乎相同；Si在地壳中的储量非常丰富，在地壳中的储量非常丰富，Si原料是半导体原料中原料是半导体原料中最便宜的。最便宜的。硅材料发展趋势：硅材料发展趋势：晶片直径越来越大晶片直径越来越大缺陷密度越来越小缺陷密度越来越小表面平整度越来越好表面平整度越来越好绝缘层上硅绝缘层上硅SOI（silicononinsulator,SOI）是一种）是一种新型的硅芯片材料。新型的硅芯片材料。SOI结构：结构：绝缘层绝缘层/硅硅硅硅/绝缘层绝缘层/硅硅优点：优点：减少了寄生电容，提高了运行速度减少了寄生电容，提高了运行速度（提高（提高20203535）具有更低的功耗具有更低的功耗（降低（降低35357070）消除了闩锁效应消除了闩锁效应 抑制了衬底的脉冲电流干扰抑制了衬底的脉冲电流干扰 与现有硅工艺兼容，减少了与现有硅工艺兼容，减少了13132020工序工序绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术注氧隔离技术（注氧隔离技术（SeparationbyImplantedOxygen，SIMOX）此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过1300高温退高温退火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后续超高温退火。续超高温退火。键合再减薄的键合再减薄的BESOI技术技术（BondandEtchback）通过硅和二氧化硅键合通过硅和二氧化硅键合(Bond)技术，两个圆片能够紧密键技术，两个圆片能够紧密键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直到所要求的厚度。到所要求的厚度。2.3.2栅结构材料栅结构材料包括栅绝缘介质和栅电极材料。包括栅绝缘介质和栅电极材料。栅绝缘介质栅绝缘介质：缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性好、与好、与Si有良好的界面特性、界面态密度低。有良好的界面特性、界面态密度低。二氧化硅二氧化硅氮氧化硅氮氧化硅高高k材料材料可有效防止硼离子扩散、高介电常数、可有效防止硼离子扩散、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化击穿特性低漏电流密度、高抗老化击穿特性增加介质层物理厚度、减小隧穿电流增加介质层物理厚度、减小隧穿电流如：如：Ta2O5、TiO2、（、（Sr，Ba）TiO3等等栅电极材料栅电极材料：串联电阻小，寄生效应小。串联电阻小，寄生效应小。Al多晶硅多晶硅Polycide/Salicide不能满足高温处理的要求不能满足高温处理的要求电阻率高电阻率高多晶硅多晶硅/金属硅化物（金属硅化物（TiSi2、WSi2）2.3.3互连材料互连材料用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起来，称为互连。来，称为互连。工艺（减法工艺）：首先去除接触孔处的工艺（减法工艺）：首先去除接触孔处的SiO2层以暴露硅，层以暴露硅，然后用然后用PVD（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互连。连。互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料。传互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料。传统的导电材料用铝和铝合金，绝缘材料用二氧化硅。统的导电材料用铝和铝合金，绝缘材料用二氧化硅。然而，目前多层互连技术已成为然而，目前多层互连技术已成为VLSI和甚大规模集成电路和甚大规模集成电路（ULSI）制备工艺的重要组成部分。当前）制备工艺的重要组成部分。当前0.18m高性能高性能ULSI（例如（例如CPU）已具有多达）已具有多达7层的铜互连线。因此，寻层的铜互连线。因此，寻求较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材求较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材料已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。料已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。Cu优点：优点：（1）铜的电阻率为）铜的电阻率为1.7/cm，铝的电阻率为铝的电阻率为3.1/cm；（2）铜连线的寄生电容比铝连线小；）铜连线的寄生电容比铝连线小；（3）铜连线的电阻小，铜连线）铜连线的电阻小，铜连线IC功耗比铝连线功耗比铝连线IC功耗低；功耗低；（4）铜的耐电迁移性能远比铝好，有利于）铜的耐电迁移性能远比铝好，有利于IC可靠性的提高；可靠性的提高；（5）铜连线）铜连线IC制造成本低。比铝连线制造成本低。比铝连线IC工艺减少了约工艺减少了约20%30%的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序；的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序；（6）铜连线有更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。）铜连线有更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。铜连线的布线层数目比铝铜连线的布线层数目比铝连连a线线少。少。因此因此Cu是一种比较理想的互连材料。是一种比较理想的互连材料。问题问题Cu污染问题污染问题形成铜硅化物形成铜硅化物布线问题布线问题解决办法解决办法双镶嵌技术双镶嵌技术低k介质层间绝缘材料 低k介质指介电常数较低的材料，多层互连中用它来取代传统的SiO2作为层间绝缘。它可在不降低布线密度的条件下，有效地减小互连电容值，使芯片工作速度加快、功耗降低。目前最有前途和有可能应用的低k介质是：新型的掺碳氧化物，它可提高芯片内信号传输速度并降低功耗，该氧化物通过简单的双层堆叠来设置，易于制作；多孔Si低k绝缘介质；黑金刚石，一种无机和有机的混合物；超薄氟化氮化物，它加上由有机层构成的隔离薄膜，使得铜扩散减少一个数量级或更多，从而增强多层互连芯片工作的可靠性。2.3.4钝化层材料钝化层材料钝化是在不影响集成电路性能的情况下，在芯片表面覆钝化是在不影响集成电路性能的情况下，在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，减少外界环境对集成电路的影响，盖一层绝缘介质薄膜，减少外界环境对集成电路的影响，使集成电路可以长期安全有效地工作。使集成电路可以长期安全有效地工作。双极型集成电路双极型集成电路SiO2材料材料MOS集成电路集成电路PSG（磷硅玻璃）（磷硅玻璃）/SiO2双层结构双层结构优：阻挡优：阻挡Na污染，污染，缺：腐蚀金属引线缺：腐蚀金属引线Si3N4材料材料优：解决污染和水气问题，优：解决污染和水气问题，缺：应力大缺：应力大SiOxNy复合材料复合材料优：致密性好，应力小优：致密性好，应力小06-4月-24122.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数正常分布和粒子数正常分布和粒子数正常分布和粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转(三三三三)通常处于低能级的电子数较处于高能级的通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。电子数要多，粒子数正常分布。玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布：若若 E2 E 1，则两能，则两能级上的原子数目之比级上的原子数目之比 06-4月-2413 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;但要产生激光必须使原但要产生激光必须使原子激发，且子激发，且 N2 N1,称粒子数反转。称粒子数反转。06-4月-2414根据上面的分析，产生激光有三个主要元素：根据上面的分析，产生激光有三个主要元素：（1 1）激活介质能经受激发射而使入射光）激活介质能经受激发射而使入射光 强放大；强放大；（2 2）能使激活介质产生粒子数反转的泵）能使激活介质产生粒子数反转的泵 浦装置；浦装置；（3 3）放置激活介质的谐振腔，产生和维持）放置激活介质的谐振腔，产生和维持光振荡，从而实现光放大并实施发射频率光振荡，从而实现光放大并实施发射频率 的选择。的选择。06-4月-2415固体激光器基本结构1.1.激光工作物激光工作物质质2.2.泵浦源泵浦源3.3.谐振腔谐振腔4.4.聚光腔聚光腔5.5.冷却与滤光冷却与滤光06-4月-2416固体激光器泵浦系统固体激光器泵浦系统固体激光工作物质中的粒子数反转分布都是固体激光工作物质中的粒子数反转分布都是由光泵激励来实现的。泵浦系统包括泵浦光由光泵激励来实现的。泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔两大部分，泵浦光源必须具有较源和聚光腔两大部分，泵浦光源必须具有较高的辐射功率密度和效率，并且与工作物质高的辐射功率密度和效率，并且与工作物质的吸收带相匹配。聚光腔又称泵浦腔，其作的吸收带相匹配。聚光腔又称泵浦腔，其作用是将泵浦光源的辐射能量传输到激光工作用是将泵浦光源的辐射能量传输到激光工作物质上去。物质上去。06-4月-2417固体激光器的构型固体激光器的构型典型光泵浦固体激光典型光泵浦固体激光器的工作物质都采用器的工作物质都采用圆柱形状。为改善输圆柱形状。为改善输出激光特性和适应特出激光特性和适应特殊场合要求，还有一殊场合要求，还有一些特殊构型，如板条些特殊构型，如板条状激光器、盘片状激状激光器、盘片状激光器和光纤激光器等。光器和光纤激光器等。06-4月-2418固体能带理论固体能带理论固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽的能带，能带由相距很小的精细能级组成。电裂为宽的能带，能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的分布形式决定了固体材料的导电性能，子在能带中的分布形式决定了固体材料的导电性能，由此分为导体、半导体和绝缘体三种。由此分为导体、半导体和绝缘体三种。1、禁带宽度、禁带宽度2、费米能级、费米能级指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。表示。指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。或绝对零度时电子占据的最高能态的能量，用符号或绝对零度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。表示。半导体费米能级：本征（纯）半导体的费密能级位于禁带中心半导体费米能级：本征（纯）半导体的费密能级位于禁带中心 2024/4/6 周六19（四（四）传感器）传感器与传感材料与传感材料定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2024/4/6 周六202024/4/6 周六212024/4/6 周六22热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V2024/4/6 周六233)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。2024/4/6 周六24半导体热敏电阻材料半导体热敏电阻材料PTC材料材料 BaTiO3基热敏材料：用于家用电器的温度传感器、限流器等。V2O3基热敏材料：常温电阻率极小，用于大电流领域的过流保护。NTC材料材料 低温：AB2O4尖晶石型氧化物半导体陶瓷 常温：AB2O4尖晶石型的含锰氧化物 高温：AO2萤石型、AB2O4尖晶石型、ABO3钙钛矿型和刚玉型。CTR材料材料：指在一定温度发生半导体-金属间相变从而呈现负电阻突变特性的一类材料。以VO2为基的半导体材料，广泛应用于火灾报警和温度的报警、控制和测量场合。线性热敏电阻材料线性热敏电阻材料：指CdO-Sb2O3-WO3系列呈线性电阻温度特性的陶瓷。2024/4/6 周六25电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）特点）特点以电荷作为信号。以电荷作为信号。CCD的基本功能的基本功能电荷存储和电荷转移。电荷存储和电荷转移。CCD工作过程工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。测的过程。CCD的基本结构包括：信号输入结构、转移电极结构、的基本结构包括：信号输入结构、转移电极结构、转移沟道结构、信号输出结构、信号检测结构。构成转移沟道结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容。电容。CCD的MOS结构2024/4/6 周六26D 巨磁电阻存储材料巨磁电阻存储材料巨磁电阻效应（巨磁电阻效应（Giant magnetoresistance，GMR）指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。材料薄层交替叠合而成。通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。而通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。而在磁性多在磁性多层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向有关。有关。自旋磁矩与磁化方向相同的导电电子常比自旋相反的电子更自旋磁矩与磁化方向相同的导电电子常比自旋相反的电子更容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质，容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质，导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。利用这种效应，可制成计算机高密度磁头提高磁盘面记录密利用这种效应，可制成计算机高密度磁头提高磁盘面记录密度。度。第五章第五章vFlash ROM工作原理：工作原理：写入写入：在控制栅上加足够高的：在控制栅上加足够高的正电压正电压Vpp，在漏极上施加比，在漏极上施加比Vpp稍低的电压，源极接地。稍低的电压，源极接地。源区的电子在沟道电场作用下源区的电子在沟道电场作用下向漏区运动，一些热电子越过向漏区运动，一些热电子越过氧化层进入浮置栅。氧化层进入浮置栅。擦除：擦除：利用隧道效应实现的，利用隧道效应实现的，源极正电压，控制栅接负电压，源极正电压，控制栅接负电压，漏极浮空，浮置栅电子穿过氧漏极浮空，浮置栅电子穿过氧化层进入源区。化层进入源区。第五章第五章2024/4/6 周六28一、磁存储材料一、磁存储材料1.1 磁存储原理磁存储原理磁化曲线和磁滞回线磁化曲线和磁滞回线磁存储密度磁存储密度D与磁存储材与磁存储材料的关系：料的关系：其中，h为磁性薄膜的厚度，Hc为矫顽力，Mr为剩余磁化强度，m为与磁滞回线的磁形度有关的因子。第五章第五章2024/4/6 周六291.2 磁存储系统磁存储系统磁存储系统组成：磁存储系统组成：磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和伺服机械（传送介质装置）。伺服机械（传送介质装置）。磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、重放磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、重放磁头和消磁磁头三种。磁头和消磁磁头三种。记录磁头记录磁头：将输入的记录信号电流转变为磁头缝隙处的记录磁化：将输入的记录信号电流转变为磁头缝隙处的记录磁化场，并感应磁存储介质产生相应变化。场，并感应磁存储介质产生相应变化。重放磁头重放磁头：当磁头经过磁介质时，磁存储介质的磁化区域会在磁：当磁头经过磁介质时，磁存储介质的磁化区域会在磁头导线上产生相应的电流，即把已记录信号的存储介质磁层表露头导线上产生相应的电流，即把已记录信号的存储介质磁层表露磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。消磁磁头消磁磁头：将信息从磁存储介质上抹去，使磁层从磁化状态返回：将信息从磁存储介质上抹去，使磁层从磁化状态返回到退磁状态。到退磁状态。第五章第五章2024/4/6 周六301.2 磁存储材料磁存储材料铁磁性物质分为：铁磁性物质分为：软磁性材料软磁性材料 矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、易退磁矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、易退磁 用于用于磁头磁芯材料磁头磁芯材料，包括软铁磁性合金材料和软铁磁，包括软铁磁性合金材料和软铁磁性铁氧体材料。性铁氧体材料。硬磁性材料硬磁性材料 矫顽力高、磁导率低、磁滞特性显著矫顽力高、磁导率低、磁滞特性显著 用于用于磁记录介质磁记录介质材料，包括材料，包括磁带、硬磁盘、软磁盘、磁带、硬磁盘、软磁盘、磁卡片等，可以为磁粉（颗粒）涂布型介质或者连续薄膜磁卡片等，可以为磁粉（颗粒）涂布型介质或者连续薄膜型介质。型介质。第五章第五章2024/4/6 周六31CD-ROM制作过程分为制作过程分为数据准备、阳母盘制作、金属压模盘数据准备、阳母盘制作、金属压模盘制作和光盘制作制作和光盘制作四个阶段。四个阶段。数据准备数据准备：通过收集、整理、编辑、调制等步骤将欲存储的：通过收集、整理、编辑、调制等步骤将欲存储的信息转换成二进制数字信号；信息转换成二进制数字信号；阳母盘制作阳母盘制作：在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制：在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制过的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，在母盘上形过的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，在母盘上形成凹坑成凹坑pit和平台和平台land结构。结构。金属压模盘制作金属压模盘制作：在阳母盘上沉积较厚的金属层，然后将金：在阳母盘上沉积较厚的金属层，然后将金属层与母盘分离，形成金属的阴母盘，称为属层与母盘分离，形成金属的阴母盘，称为压模盘压模盘。光盘制作光盘制作：将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法：将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法将压模上的凹陷和凸起以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面。将压模上的凹陷和凸起以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面。待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为反射层，再待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为反射层，再在反射层上加保护层，形成在反射层上加保护层，形成CD-ROM光盘。光盘。第五章第五章2024/4/6 周六32读盘原理读盘原理光盘上存储的各种类型的信息（音乐（光盘上存储的各种类型的信息（音乐（Audio）、数）、数据（据（Data）视频（）视频（Video）等），都经过数字化处理变成）等），都经过数字化处理变成“0”与与“1”，其所对应的就是光盘上的，其所对应的就是光盘上的Pits（凹点）和（凹点）和Lands（平面）。当激光照射到盘片上时，如果是照在（平面）。当激光照射到盘片上时，如果是照在Lands上，那么就会有上，那么就会有70到到80激光被反射回；如果照激光被反射回；如果照在在Pits上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读光盘驱动器就可以解读0或或1的数字编码了。的数字编码了。第五章第五章2024/4/6 周六33重写型光盘重写型光盘用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型的产品有两种：的产品有两种：MO 磁光盘磁光盘 写入数据：热磁效应写入数据：热磁效应 当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，外加磁场作当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字“0”和和“1”。读出数据：磁光克尔效应读出数据：磁光克尔效应 当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据“1”或或“0”。擦除擦除 利用激光束扫描光盘信道，同时施加与磁光盘初始磁场方向相同的磁场，利用激光束扫描光盘信道，同时施加与磁光盘初始磁场方向相同的磁场，使各记录单元的磁化方向复原。使各记录单元的磁化方向复原。第五章第五章PC 相变盘相变盘 利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入写入 激光束对记录点加热再快速冷却后，从而呈现为非晶态。激光束对记录点加热再快速冷却后，从而呈现为非晶态。读出读出 用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出根据反射光强弱的变化即可检测出“1”或或“0”。擦除擦除 利用激光束使光盘某点温度升高到低于材料的熔点而高于利用激光束使光盘某点温度升高到低于材料的熔点而高于非晶态的转变温度，使产生重结晶而恢复成多晶结构。非晶态的转变温度，使产生重结晶而恢复成多晶结构。无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。都是可逆变化，因此是可重写的。第五章第五章5.5.传输原理传输原理光纤中光波的传输原理光纤中光波的传输原理-全反射全反射原理原理n2当当n1n21c时时发生全反射发生全反射c：临界角：临界角入射光反射光折射光折射率n1折射率n1 n21第六章第六章n1n2空气ABMAX只要满足全内反射条件连续改变入只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光线都能在光纤纤芯内射角的任何光线都能在光纤纤芯内传输。传输。第六章第六章6.6.光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤特性有光学特性，传输特性，机械特光纤特性有光学特性，传输特性，机械特性，温度特性等，其中传输特性有两个性，温度特性等，其中传输特性有两个损耗特性损耗特性 损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离色散特性色散特性 色散则限制系统的传输容量和传输距色散则限制系统的传输容量和传输距色散则限制系统的传输容量和传输距色散则限制系统的传输容量和传输距离离离离 信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变的主要原因是光纤中存在的主要原因是光纤中存在色色色色散散散散第六章第六章色散的种类色散的种类 模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散材料色散材料色散材料色散材料色散 波导色散波导色散波导色散波导色散 极化色散极化色散极化色散极化色散模式色散模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。的展宽，从而出现色散现象。单模光纤中只传输基模单模光纤中只传输基模（HE 11模模），），单模光单模光纤中不存在纤中不存在模式色散。模式色散。第六章第六章MCVD工艺流程工艺流程第一步：送料第一步：送料用用超超纯纯氧氧气气作作为为载载体体，将将SiCl4等等原原料料和和GeCl4等等掺掺杂杂试剂送入旋转的石英反应管。试剂送入旋转的石英反应管。第二步：高温氧化生成粉尘状氧化物第二步：高温氧化生成粉尘状氧化物用用高高温温氢氢氧氧火火焰焰加加热热石石英英反反应应管管外外壁壁，管管内内的的原原料料和和掺掺杂杂剂剂在在高高温温下下发发生生氧氧化化还还原原反反应应，形形成成粉粉末末状状氧氧化化物物，分别形成包层和芯层材料。分别形成包层和芯层材料。第三步：往复运动氢氧焰加热第三步：往复运动氢氧焰加热反反应应后后的的粉粉末末状状氧氧化化物物经经过过往往复复移移动动的的氢氢氧氧焰焰加加热热，形形成成透透明明的的掺掺杂杂玻玻璃璃；火火焰焰移移动动一一次次，就就沉沉积积一一层层厚厚度度约约为为810m的的玻玻璃璃层层，没没反反应应完完的的材材料料从从反反应应管管尾尾端端排排出。出。第六章第六章第二与第三步是交叉进行。第二与第三步是交叉进行。先在反应管内壁沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化先在反应管内壁沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化物粉末变成透明的掺杂玻璃（物粉末变成透明的掺杂玻璃（SiO2-B2O3），即形成包层玻），即形成包层玻璃。璃。后在包层玻璃上沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化后在包层玻璃上沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化物粉末变成透明的掺杂玻璃（物粉末变成透明的掺杂玻璃（SiO2-GeO3），即在包层上形），即在包层上形成芯层玻璃。成芯层玻璃。第四步，停料并高温软化第四步，停料并高温软化经过数小时的沉积后，石英反应管已沉积了相当厚度的玻璃经过数小时的沉积后，石英反应管已沉积了相当厚度的玻璃层，初步形成玻璃棒体，只是中心还留下一个小孔。这时停层，初步形成玻璃棒体，只是中心还留下一个小孔。这时停止供料，然后，提高火焰温度到止供料，然后，提高火焰温度到1800摄氏度左右加热石英摄氏度左右加热石英管外壁，导致反应管在高温下软化收缩，使中心孔封闭，形管外壁，导致反应管在高温下软化收缩，使中心孔封闭，形成实心棒，即光纤预制棒。成实心棒，即光纤预制棒。第六章第六章本征吸收来自石英玻璃中本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸电子跃迁和分子振动产生的吸收收。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域的本征损失很小。但是，一的本征损失很小。但是，一些外来的元素产生了重要的些外来的元素产生了重要的杂质吸收。除金属杂质外，杂质吸收。除金属杂质外，OH-离子是另一个极重要的离子是另一个极重要的杂质杂质。为了降低。为了降低O-H基的吸收损耗，基的吸收损耗，原材料的脱水技术原材料的脱水技术十分重要。十分重要。实验证明，在纯熔融石英中，要想得到4dB/km(0.85m)的损耗，杂质的质量比应是：要想得到0.5dB/km以下的损耗，OH-的质量比要降低到百分之几ppm。ppm(part per million)的定义：百万分之一。8.1.2石英光纤的损耗特性石英光纤的损耗特性第六章第六章8.1.2石英光纤的色散特性石英光纤的色散特性现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模光纤中无多模色散，主要是材料色散和波导光纤中无多模色散，主要是材料色散和波导色散。色散。单模光纤的总色散：单模光纤的总色散：1-15第六章第六章4.4.结构参数结构参数4.1光纤尺寸光纤尺寸125105012562.5125第六章第六章4.2数值孔径数值孔径NA（Numeric Aperture）表征光纤集光能力的一个参数。表征光纤集光能力的一个参数。接收锥接收锥1-1第六章第六章4.3相对折射率差相对折射率差表征纤芯和包层之间折射率差值的一表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响光纤的性能。个参数，其大小直接影响光纤的性能。表达式：表达式：通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，在在0.0010.01之间取值（之间取值（1的情况称为弱波的情况称为弱波导）。导）。1-2第六章第六章4.5归一化频率归一化频率V表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特征参数征参数表达式：表达式：1-60为光波波长V2.405时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤第六章第六章4.6截止波长截止波长c c截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可判断光纤中是否单模传输。判断光纤中是否单模传输。与与Vc=2.405相对应的波长相对应的波长c c定义为定义为光纤的截止波长光纤的截止波长。1-7单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这样才能保证满足光纤的单模传输条件。样才能保证满足光纤的单模传输条件。第六章第六章材料色散用材料色散用 表示表示 为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值功率一半时所对应的波长范围功率一半时所对应的波长范围L为光纤传播的长度为光纤传播的长度Dm（）为材料色散系数为材料色散系数例如：一光纤材料色散系数为例如：一光纤材料色散系数为3.5ps/(nmkm)，光谱的，光谱的谱线宽度为谱线宽度为4nm，在光纤上传输，在光纤上传输1km，则材料色散为，则材料色散为1-8第六章第六章波导色散波导色散由于由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做象叫做波导色散波导色散。第六章第六章波导色散系数用波导色散系数用 表示表示波导色散又称结构色散，因为波导色散又称结构色散，因为V和和b都是光纤结构参数的都是光纤结构参数的函数函数纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。1-9第六章第六章极化色散极化色散极化色散又称偏振模色散（极化色散又称偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简称简称PMD）单模光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模单模光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场场HE11x和和HE11y所组成。所组成。这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相同的传播常数，不存在时延差同的传播常数，不存在时延差模式简并。模式简并。第六章第六章若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使HE11x和和HE11y两种模式的传播常数不同，两种模式的传播常数不同，这种现象称为这种现象称为模式双折射模式双折射。由于双折射，两模式由于双折射，两模式存在时延差，从而会在光纤的输出端存在时延差，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。产生偏振色散。对长度为对长度为L的光纤，两个模式的时延差为的光纤，两个模式的时延差为nx和和ny分别为分别为x和和y方向的折射率方向的折射率1-10第六章第六章瑞利散射瑞利散射瑞瑞利利散散射射是是光光纤纤材材料料的的本本征征损损耗耗。它它是是由由材材料料不不均均匀匀性性所所引引起起的的。这这些些不不均均匀匀，象象在在均均匀匀材材料料中中加加了了许许多多小小颗颗粒粒，尺尺寸寸很很小小，远远小小于于波波长长。当当光光波通过时，有些光子就会受到它的散射。波通过时，有些光子就会受到它的散射。鉴鉴于于目目前前的的光光纤纤制制造造工工艺艺，瑞瑞利利散散射射损损耗耗是是无无法法避免的。避免的。但但是是，由由于于瑞瑞利利散散射射损损耗耗的的大大小小与与光光波波长长的的4次次方方成成反反比比，所所以以光光纤纤工工作作在在长长波波长长区区时时，瑞瑞利利散散射损耗的影响可以大大减小。射损耗的影响可以大大减小。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收。第六章第六章载频为载频为31014Hz，约为电视通信所用超高频的，约为电视通信所用超高频的100000倍，倍，从而使从而使信息载带容量或带宽激增信息载带容量或带宽激增；传输损耗很小传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在理论上，光纤属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送可以传送107路电视或路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大金属同轴电缆大5个数量级。个数量级。2.2.优点优点第六章第六章光纤是绝缘体光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。因此生杂散电场的影响。因此不受干扰不受干扰，基本上能防，基本上能防范电子间谍。范电子间谍。尺寸小、重量轻尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径芯光缆直径约约10mm，而标准同轴电缆为，而标准同轴电缆为47mm。这样可以。这