第六章光电子材料与器件

第六章光电子材料与器件

6.1 概述 • 光电子材料是指应用于光电子技术领域，具有光学和光电功能光电子材料特性的材料的总称。 • 19世纪70年代到1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科。 • 1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器－－红宝石激光器，引起连锁反应。 • 20世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、CCD问世，导致光信息技术蓬勃发展。 • 20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。 • 21世纪是信息化的世纪，信息与信息交换的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示提出了严峻的挑战。

6.2 光纤 • 光导纤维经历了四个重要阶段 • 短波多模光纤时代 , 45Mbits/s • 长波长多模光纤时代 ,传输速率有很大提高 • 长波长单模光纤时代 , 600Mbits/s • 高速光传输时代 , 10~40Gbits/s 以上 • 光导纤维除了用于通信之外，还在电子光学、光学仪器、医疗器件、传感器等诸多方面获得应用 • 主要介绍光纤的结构、种类、制备工艺及应用

6.2 光纤 • 1 光纤的结构光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体。一般可以分为三部分：纤芯、包层和涂覆层。纤芯是由高透明度的材料制成的，一般为玻璃，位于光纤中心部分，其折射率较高；包层位于纤芯外面，其折射率略低于纤芯；最外面的是涂覆层。在涂覆层往往还加有塑料外套。图6.1 光纤结构示意图

6.2 光纤 • 2 光纤的种类

6.2 光纤 • 2 光纤的种类 • 按照折射率分布阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率分布均匀，而且具有恒定值n1，而包层折射率则为小于n1的常数n2。二者的区别仅在于，后者的芯径和折射率差都比前者小。梯度型光纤的纤芯折射率是随着半径的增大而逐渐减小，而包层的折射率分布则是均匀的。图6.3 光纤的种类及折射率分布

6.2 光纤 • 2 光纤的种类 • 按照材料分 • 1) 石英玻璃光纤 • 2) 多组分玻璃光纤 • 3) 塑料光纤 • 4) 红外光纤

6.2 光纤 • 3 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 • 气相沉积技术 • 非气相沉积技术 • 直接熔融法 • 界面凝胶法 • 浇铸法 • 挤出法原材料的制备及提纯预制棒的制备拉丝

6.2 光纤 • 4 光纤的应用 • 传输光纤图6.5 光纤中的子午线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。光纤通信用的多模光纤，相对折射率差

6.2 光纤 • 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：传输损耗要低，光纤色散要小。 • 传输损耗特性

6.2 光纤 • 传输损耗特性图6.7 光纤的总损耗谱

6.2 光纤 • 传输损耗特性 • 瑞利散射损耗 • 由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起 • 波导效应散射损耗 • 由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗 • 非线性效应散射损耗 • 主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功率激励下才表现出来

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。

6.2 光纤 • 4 光纤的应用 • 传感光纤光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会受到外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用做敏感元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的基本原理。分为传感型与传光型两大型

6.2 光纤 • 4 光纤的应用 • 与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点 • (1) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，安全可靠 • (2) 重量轻，体积小，外形可变 • (3) 灵敏度高 • (4) 对被测介质影响小，测量对象广泛 • (5)便于复用、便于成网 • (6) 成本低廉

6.3 激光器及材料 • 1 固体激光器的工作原理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图6.8 固体激光器的基本结构

6.3 激光器及材料 • 1 固体激光器的工作原理 • 激光器由工作物质（基质和激活离子）、激发源（泵浦）和共振腔组成。 • 工作物质就是指借组外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统——激光材料。 • 激光器材料包括固体（晶体、玻璃）、气体（原子、分子、离子）、液体和半导体。 • 激活离子主要有过渡金属离子、稀土离子、色心三类。

6.3 激光器及材料 • 1 固体激光器的工作原理

6.3 激光器及材料 • 2 固体激光器基质材料 • 基质材料 • 荧光辐射强、量子效率高、荧光寿命和受激发射截面适当 • 优良的静态光学均匀性 • 热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照和化学稳定性好 • 易于加工，能制备大尺寸光学均匀的制品 • 主要分为晶体和玻璃两类 • 玻璃：大尺寸，光学质量好，但受激发射截面小，激发阈值高，热导率小造成光学畸变 • 晶体：热导率、窄线宽等优于玻璃，但很难获得高的光学质量和掺杂均匀性

6.3 激光器及材料 • 2 固体激光器基质材料 • 激光基质晶体 • 氧化物 • 红宝石晶体 • 钕-钇铝石榴石（Nd：YAG） • 磷酸盐和硅酸盐 • 钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐 • 掺铬铝酸铍（Cr：BeAl2O4） • 氟化物

6.3 激光器及材料 • 2 固体激光器基质材料 • 激光玻璃

6.3 激光器及材料 • 2 固体激光器基质材料 • 固体基质材料的基本要求 • 材料具有强的荧光辐射、高的量子效率、适当的荧光寿命和受激发射截面。这是获得较小光泵阈值能量和尽可能大的激光能量输出的需要。 • 材料应具有优良的静态光学均匀性。 • 要求激光材料的热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照稳定性和化学稳定性要好，以使激光器工作稳定可靠。 • 激光材料还应易于制备加工，能制很大尺寸光学均匀的样品。

6.3 激光器及材料 • 3 固体激光器的激活离子 • 过渡族金属激活离子 • 三价稀土激活离子 • 二价稀土激活离子 • 锕系激活离子激光器的输出波长主要取决于激活离子内部的能级结构，但也随基质晶体、掺杂浓度和工作温度的不同而有所变化。在这类金属离子中，3d壳层的电子由于没有外层电子的屏蔽，而直接受基质晶体晶格场和外界场的影响。 15种镧系元素，以及钪（Sc）和钇（Y），都是4能级系统 Sm2+、Er2+、Tm2+、Dy2+和Eu2+等目前只有U3+有所应用

6.3 激光器及材料 • 4 几种常见的固体激光器 • 红宝石激光器 A12O3:Cr3+ 激发波长0.6943μm 图6.10 红宝石中Cr3+能级图

6.3 激光器及材料 • 4 几种常见的固体激光器 • Nd3+:YAG激光器 YAG是迄今使用最为广泛的激光晶体理想的四能级激光器，室温下有3条荧光谱线，以1.0641μm最强 1.06μm (4F3/2→4I11/2) 63% 1.319μm (4F3/2→4I13/3) 12% 0.946μm (4F3/2→4I9/2) 24% 图6.11 Nd3+:YAG能级图

6.3 激光器及材料 • 4 几种常见的固体激光器 • 半导体激光泵浦的固体激光器半导体激光二极管(LD)或二极管阵列(LDA)泵浦固体激光器(缩写为DPL或LDPSSL)，是让LD(或LDA)的输出激光作为泵浦源。目前LD巳成功地泵浦了Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Nd3+:YVO、Nd3+:YALO3和钕玻璃。

6.4 液晶显示材料与器件 • 液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

6.4 液晶显示材料与器件 • 1 液晶材料的物理性质 • 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 • 于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。

6.4 液晶显示材料与器件 • 1 液晶材料的物理性质 • 液晶的介电各相异性 • 液晶的电导各向异性 • 液晶的粘度 • 液晶的光电效应 • 液晶的光电效应是指液晶在外电场作用下的分子的排列状态发生变化，从而引起液晶的光学性质也随之变化的一种光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制，同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光学性质。液晶显示器件就是利用液晶的这一特性设计的。

6.4 液晶显示材料与器件 • 液晶的光电效应 • 1)电场中液晶分子的取向定义介电各向异性当电场与指向矢平行时的液晶介电常数当电场与指向矢垂直时的液晶介电常数称为P型液晶，它具有正的介电各向异性称为N型液晶，它具有负的介电各向异性目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。

6.4 液晶显示材料与器件 • 液晶的光电效应 • 2)线偏振光在向列液晶中的传播合成光场矢端方程为当θ=0（或π/2时），Ey=0（或Ex=0）。即偏振光的振动方向和状态没有改变，仍以线偏振光和原方向前进。当θ=π/4时随着光线沿z方向前进，偏振光相继成为椭圆、园和线偏振光。同时改变了线偏振光的方向。图6.12 线偏振光在向列液晶中的传播

6.4 液晶显示材料与器件 • 液晶的光电效应 • 3)线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播液晶分子在两片坡璃之间呈90°扭曲当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子铀的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出；当以其他方向的线偏振光人射时，则根据平行分量和垂直分量的值相差δ的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。图6.13 线偏振光在扭曲向列液晶中的传播

6.4 液晶显示材料与器件 • 2 液晶的分类及结构特点 • 液晶的分类 • 按分子量大小，可分为低分子液晶与高分子液晶。 • 按形成条件和组成，可分为热致液晶和溶致液晶。 • 热致液晶由温度引起，并且在一定温度范围内存在，一般是单一组分或均匀混合物。在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶。一般用于显示。 • 溶致液晶是由浓度引起的，在一定浓度范围内存在，一船是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的混合物。 • 从分子排列有序性来分，可分为向列相、近晶相、胆甾相。

6.4 液晶显示材料与器件 • 2 液晶的分类及结构特点 • 液晶的结构特点 • 1)向列相液晶 • 2) 近晶相液晶 • 3)胆甾相液晶

6.4 液晶显示材料与器件 • 2 液晶的分类及结构特点 • 形成液晶的条件 • 1)液晶分子的几何形状应是各向异性的，分子的长径比(L/D)必须大于4。 • 2)液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性。因而常在分子的中央部分引进双键或叁键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构或使分子保持反式构型，以获得线状结构。 • 3)分子末端含有极性或可极化的基团。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件常用液晶显示器件的分类

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件 • 扭曲向列（TN）型液晶显示器件 TN型液晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件。常见的手表、数字仪表、电子钟及大部分计算器所用的液晶显示器件都是TN型器件。 TN型液晶显示是液晶显示器件中最基本的，而之后其他种类的液晶显示器件是在TN型的基础进行改良的。图6.16 典型TN液晶显示器件结构示意图

6.4 液晶显示材料与器件 • 扭曲向列（TN）型液晶显示器件 • 1）工作原理当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。图6.17 典型TN液晶显示器件显示原理

6.4 液晶显示材料与器件 • 扭曲向列（TN）型液晶显示器件 • 2）TN-LCD的电光效应图6.18 TN-LCD的电光特性图6.19 TN-LCD的响应速度

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件 • 超扭曲向列(STN)液晶显示器件 STN模式的液晶显示器基本和TN模式是一样的，只不过盒中液晶分子排列不是沿着90º扭曲排列，而是180º~360º扭曲排列。单纯的TN型液晶显示器本身只有明暗两种变化，而STN型液晶则以淡绿色和橘色为主。但如果在传统单色STN型液晶显示器中加上一彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、监三原色，就可以显示出色彩了。图6.20 STN型液晶显示器件原理图

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件 • 薄膜晶体管(TFT)型液晶显示器件由于TN型和STN型液晶的显示原理所限，如果它的显示部分越做越大，那么中心部分的电极反应时间可能就会比较长。但是对于像笔记本电脑这种需要大屏幕液晶显示器的设备来说，液晶反应时间太慢就会严重影响显示效果，因此，TFT型液晶技术引起了人们的注意。 TFT型液晶显示技术采用了“主动式短阵”的方式来驱动。方法是利用薄膜技术所做成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动地”控制任意一个显示点的亮与暗。 TFT型液晶显示器件为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件 • 动态散射(DS)型液晶显示器件 DS-LCD是唯一电流型液晶显示器件，而且是最早的实用化的液晶显示器件。 DS型液晶显示器件由两片带透明导电电极图形的玻璃基板构成一个液晶盒为主体结构的，只不过液晶盒中的液晶材料中掺入一定比例的离子型有机电解质材料。在不通电的情况下，液晶盒呈透明状．而通过一定频率交流电时，会随着电压的升高，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴”。电压继续提高，最终会使液晶层内形成紊流和搅动。这种紊流、搅动使液晶层对光产生清冽的光散射作用，即为动态散射。图6.21 DS-LCD型结构

6.4 液晶显示材料与器件 • 3 常用液晶显示器件 • 宾主(GH)型液晶显示器件基本原理是在液晶层中掺进一定量的二色性染料。由于二色性染料（如蒽昆类染料）在分子的长轴方向和短轴方向对光的吸收不一样，平时二色性染料混在液晶中，会“宾随主变”的与液晶分子呈同向有序排列，观察者看到的是吸光较多的短轴方向，因而色彩较重。若此时施加一定的电压，液晶分子变为沿电场方向呈垂直排列的状态，此时，观察者看到的是吸光较少的长轴方向，因而色彩很淡，浓淡对比，形成显示。图6.22 GH型液晶显示器件原理图

6.4 液晶显示材料与器件 • 4 显示技术的发展趋势 • 有机发光二极管（OLED）显示器已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的主要方向。 OLED 特点： (l) 工作电压低 (2) 亮度高 (3) 全色彩化 (4) 制作工艺简单图6.23 OLED的基本结构

第六章 光电子材料与器件