Transcript 6、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
原材料的制备及提纯

非气相沉积技术




直接熔融法
界面凝胶法
浇铸法
挤出法
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   (n1  n2 ) / n1  0.01
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


波导效应散射损耗


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
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


模式色散


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。
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
用过渡金属离子（如Cr 3）激活的三能级激光晶体，如 Cr 3 : Al2O3 (红宝石晶体)

氧化物激光晶体



氟化物激光晶体



3
用稀土离子（如
Nd
）激活的四能级体系
复合石榴石激光晶体

激光玻璃（钕玻璃）



色心激光晶体，如 LiF、KCl 等

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
激光基质玻璃系列
主 要 特 点
(1)硅酸盐系
光学质量好，物化性能较稳定，制备工艺成熟等。应用于
高能高功率输出激光器。
(2)磷酸盐系
受激发射截面大，非线性折射率低，热光系数小等优点，
但制备工艺较难，光均匀性不好。
(3)硼酸盐与硼硅酸盐系
吸收系数和量子发射效率高，阈值能量低，但寿命短，主
要用于重复高频激光器。
(4)氟磷酸盐与氟化物系
非线性折射率很低，并保持较高的受激发截面积和较好的
热光性能，但制造困难且抗激光破坏能力不强。
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
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。


过渡族金属激活离子 在这类金属离子中，3d壳层的电子
三价稀土激活离子
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

二价稀土激活离子
Sm2+、Er2+、Tm2+、Dy2+和Eu2+等

锕系激活离子
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。
工作物质
吸收峰值波长/nm
激光波长/μm
范围
中心值
Nd3+:YAG
805~809
809
Nd3+:YLF
795~805
Nd3+:YVO
800~820
较平坦
1.34
Nd3+:YALO3
800~820
810
1.34
1.064, 0.946
1.053
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
  0 称为P型液晶，它具有正的介电各向异性
  0 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
2
2
E
cos 
 Ex   y 
2


2
E
E

sin

合成光场矢端方程为


x y
 
ab
 a   b 
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
E02
2
2
Ex  E y  2 Ex E y cos  
sin 2 
2
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
图6.13 线偏振光在扭曲向列
液晶中的传播
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。
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。
图6.22 GH型液晶显示器件原理图
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。
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