Основы оптоэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

38

Реферат

на тему "Основы оптоэлектроники"

Содержание

• Введение
• 1. Гетеропереход. Физические основы
• 2. Применение гетеропереходов. Излучатели
• 2.1 Инжекционный лазер
• 2.2 Особенности инжекционных лазеров
• 2.2 Светодиоды
• 2.3 Искусственные квантовые ящики
• 3. Приемники
• 3.1 Фотодиод
• 3.2 Фототранзисторы
• 4. Интегральная оптика для оптической связи
• 4.1 Принцип работы устройств
• 4.2 Используемые материалы
• Заключение
• Литература

Введение

Оптоэлектроника - это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно- технологические концепции современной электроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.

Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещенной зоны.

1. Гетеропереход. Физические основы

Если n- и p-область перехода изготовлены из различных полупроводников, то такой переход называется гетеропереходом. Отличие от обычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводники взаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют "квазигомопереходами". Таким образом, плавные переходы между n-ZnSe и p-ZnTe или между p-GaAs и n-GaР являютcя квазигомопереходами.

Одной из причин обращения к гетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция, заключающаяся в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превысить их равновесное значение в эмиттерной области (см. рис. 1). Это означает, что стремление получить g = 1 в широком интервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примеси в эмиттерной и базовой областях - у разработчика оптоэлектронных приборов появляется лишняя "степень свободы".

Это свойство гетеропереходов легко понять из рассмотрения рис. 2. Когда прямое смещение выравнивает валентную зону, дырки ижектируются в n-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьер E = Еg1 - Еg2 (см. рис. 2).

Очевидно, что в этом случае излучательная рекомбинация будет происходить в узкозонной области. Так, в гетеропереходах GaAs - GaSb полоса инжекционной люминесценции находится при энергии 0,7 эВ , что равно ширине запрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базы гетероструктуры различны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой "окно" для более длинноволнового излучения, генерируемого (или поглощаемого) узкозонной базой. Кроме того, различие в значениях Еg ведет и к различию показателей преломления n, что порождает волноводный эффект, т.е. концентрацию оптической энергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя.

гетеропереход излучатель оптика фотодиод

На практике гетеропереходам присущи недостатки, связанные с границей раздела: уровень Ферми оказывается фиксированным на границе из-за поверхностных состояний. Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычно имеет место барьер типа Шоттки, как показано на рис. 3. Поскольку барьер Шоттки обладает выпрямляющим действием, его присутствие становится очевидным при рассмотрении n-n-гетеропереходов - т.е. переходов между двумя различными полупроводниками n-типа.

Особый интерес представляют гетеропереходы между CdS и каким-либо более широкозонным полупроводником p-типа. Кристаллы CdS всегда имеют n-тип проводимости, и р-n-переходы в этом материале до сих пор не изготовлены, несмотря на более чем двухдесятилетние усилия многих исследовательских групп. Соединение CdS обладает широкой прямой запрещенной зоной (Еgd = 2,5 эВ) и может излучать зелено-голубой свет.

Были предприняты попытки изготовить гетеропереходы между CdS и SiC. SiC - широкозонный полупроводник, которому, по желанию, с помощью соответствующего легирования можно придать n- или p-тип проводимости. В зависимости от модификации ширина запрещенной зоны SiC варьируется от 2,7 до 3,3 эВ. Модификация определяет характер периодичности в расположении атомных связей. CdS n-типа был выращен на SiC р-типа, с тем, чтобы дырки при прямом смещении могли инжектироваться в CdS и создавать видимое излучение. Было обнаружено, что спектр излучения сдвигается с током и цвет люминесценции плавно меняется от красного до зеленого. Соединение Cu2S , которое имеет p-тип проводимости, также обладает запрещенной зоной, более широкой чем CdS. Гетеропереходы, изготовленные напылением Cu2S на CdS, имеют красную инжекционную люминесценцию, интенсивность которой линейно менялась с током. Этот процесс, по-видимому, связан, с рекомбинацией через глубокие центры.

2. Применение гетеропереходов. Излучатели

2.1 Инжекционный лазер

Инжекционнный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин "лазерный диод"), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.

Разновидности инжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера. Обследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводнике p-n-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок по закону exp(-х/L). Границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области W и Wопт, не определенны и меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся, в конечном счете, в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных полупроводниках. Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностями, которых являются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводный эффект, возможность суперинжекции.

В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике (рис. 4, a); преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.

Поистине классической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами (рис. 4, б): именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой области накачки W иметь толщину волновода Wопт, оптимальную с точки зрения модовых соотношений. В пятислойных GaAlAs - структурах удается получать Jпор=102 A/см2 и Рвых = 0,1 Вт. Отметим, что технологические соображения требуют создания ряда переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры значительно сложнее, чем физические модели.

2.2 Особенности инжекционных лазеров

Инжекционные лазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике.

Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения - к 1 мкм² (объем активной области может достигать 10^-12 см³). Это возможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd = 10³ ... 10⁴ см^-1).

Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.

Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом прямозонного полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима.

Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность.

Совместимость с основным элементом микроэлектроники - транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.

Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие:

невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;

относительно малая генерируемая мощность (некоторые оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности);

существенность таких негативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации.

2.3 Светодиоды

Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:

межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона);

рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках.

Как и в случае лазеров, наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородных полупроводников. Переходя к гетероструктурам, отметим, что введение в них дополнительного переходного слоя с плавно изменяющимся значением Еg, обусловлено технологическими задачами: благодаря постепенному изменению состава меньше сказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных. Укажем также, что p-области представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоев характеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом и концентрацией легирующей примеси. Структуры рис. 5 представляют собой ОГС и ДГС. Если в ДГС широкозонные "обкладки" активной области сделать достаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложку можно удалить (стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся вправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла вновь направятся к левой поверхности и при попадании в апертурный угол выйдут наружу. Процесс отражения от границ вглубь кристалла может повторяться многократно до тех пор, пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности. При этом нежелательного поглощения излучения в широкозонных областях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов.

2.4 Искусственные квантовые ящики

Искусственные квантовые ящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработке излучателей. По мере уменьшения толщин активных зон лазеров и светодиодов становятся существенными квантовые размерные эффекты, т.е. явления, в которых малые геометрические размеры рассматриваемых областей обязывают учитывать квантовую природу свободных носителей заряда. Если толщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до WdlБ (длина волны де Бройля), то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобно двухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут быть указаны лишь две координаты электрона (y и z на рис. 6, б), тогда как по координате x он "размазан" по всей толщине W. Такая сверхтонкая ДГС представляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерный электронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку (рис. 6, в). В общем случае отдельные ямы в сверхрешетке не обязательно должны быть одинаковыми по глубине и ширине, как это представлено на рис. 6, г. Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путем последовательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава. Например, схема рис. 6, в, г реализована в одном из приборов при молекулярно-лучевой эпитаксии чередующихся слоев арсенид-фосфида галлия с большим и меньшим содержанием мышьяка; при этом число слоев 100...200, а ширина запрещенной зоны скачкообразно изменяется от Еg1 = 1,4 до Еg2 = 1,9 эВ и обратно.

Размерное квантование порождает два основных физических эффекта:

изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состояний для электронов (1 на рис. 6, г); тем самым принципиально может быть сформирована зонная структура любого вида;

изменение кинетики электронов, проявляющееся в их пробеге между гетерограницами без соударений (и без потерь энергии) с примесными атомами, - таково свойство волны де Бройля, распространяющейся в среде с периодически изменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как в чистом полупроводнике.

Технологическая особенность сверхрешеток состоит в том, что вследствие малости толщин соседних слоев становится существенным выравнивающее действие механических напряжений: практически сверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, имеет одно общее усредненное значение кристаллографической постоянной. Можно предположить, что для излучателей это обстоятельство окажется более важным, чем физические факторы.

Из физических и технологических особенностей сверхрешеток вытекает ряд важных для создания излучателей следствий, часть которых уже получила экспериментальное подтверждение: это получение более высоких, чем ранее, коэффициентов усиления волны в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонатора лазера или снижение порогового тока; достижение высокой подвижности в сильно легированном материале и на этой основе повышение быстродействия как самих излучателей, так и схем электронного обрамления; возможность "перевода" непрямозонных полупроводников в прямозонные, получение прямозонных структур с любой шириной запрещенной зоны, а также лазеров (и светодиодов) с перестраиваемой длиной волны, продвижение в сине-зеленую и УФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурным рассогласованием; неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшем исследовании сверхрешеток.

Таким образом, развитие физики и становление техники приборов с искусственными квантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачку в области излучателей и в оптоэлектронике в целом.

3. Приемники

3.1 Фотодиод

Фотодиод - фотоприемник, являющий собой полупроводниковый диод, сконструированный и оптимизированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптическое излучение. Практически для этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла. Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т.п.

Гетерофотодиоды (рис. 7) представляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностей оптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяются прежде всего две области: "широкозонное окно" и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением. Процессы в активной области - поглощение излучения, накопление (собирание) генерируемых носителей заряда - в значительной степени протекают так же, как и в кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: для полного поглощения излучения с l ~ 1,06 мкм толщина i-области должна составлять около 3ОО мкм, а рабочее напряжение - сотни вольт. Таким образом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых р-i-n-диодов в длинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается. Свобода выбора материала обусловливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например, Uxx = 0,8 ... 1,1 В у GaAlAs-структур), высокого значения КПД преобразования (до 100 %), меньших, чем у кремния, темновых токов и шумов, расширения температурного диапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации. Важнейшим достоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики. Несомненно полезным может оказаться то, что они могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем и микросхемой, т. е. открывается возможность создания универсальных монолитных оптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однако имеющиеся технологические трудности постепенно преодолеваются. Основные материалы гетерофотодиодов - GaAlAs для l ~ 0,85 мкм и InGaAsP, InGaAs для l = 1,3 ... 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причем благодаря малой толщине активной области рабочее напряжение может составлять десятки вольт. Препятствием на пути их развития является то обстоятельство, что практически для всех соединений А3В5 коэффициенты размножения электронов и дырок приблизительно одинаковы и это ведет к повышенному уровню шумов. Исключение составляет GaSb, однако этот материал пока все еще характеризуется очень низким качеством. Поэтому широкое развитие лавинных гетерофотодиодов маловероятно, их альтернативой являются интегрированные структуры, в которых на одном кристалле полупроводника A3B5 объединены гетерофотодиод и МДП-транзистор. Быстродействие таких структур может быть менее 0,1 нс при внутреннем усилении около 10². Создание гетеро-ЛФД представляется возможным благодаря развитию техники сверхрешеток. Анализ показывает, что в сверхрешетке можно доводить отношение a+/a- до 20 и более.

3.2 Фототранзисторы

Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями. Они изготавливаются практически только на кремнии.

Гетерофототранзисторы (рис. 8) основаны на принципе действия обычного биполярного фототранзистора, но в них используются и все достоинства гетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной - через толстый коллекторный слой - засветкой); тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих просачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в нем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне). Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущей транзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборы станут "соперниками" ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающим напряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы и другими достоинствами, присущими транзисторам.

4. Интегральная оптика для оптической связи

Интегральная оптика появилась позже волоконной, ее можно по праву считать младшей сестрой в семье оптических волноводов. Как результат, очень многие направления в развитии интегральной оптики были как бы "эхом" развития подобных систем в оптике волоконной. Как старшая сестра, волоконная оптика сумела быстрее дойти до взрослого состояния и была удачно "сосватана" быстро развивающейся лазерной промышленности. Но интегральная оптика тоже заметно повзрослела и сейчас все чаще приходит на помощь родственнице в деле создания современных систем оптической связи. Пока именно в этой отрасли уникальные достоинства интегральной оптики, а именно: возможность миниатюризации, интеграции и выполнения целого ряда функций оптической обработки сигналов, нашли наибольшее применение с точки зрения промышленной реализации.

Рынок систем спектрального уплотнения сигналов является одним из наиболее перспективных. Согласно исследованию, проведенному фирмой ElectroniCast Corp., San Mateo (Калифорния), его емкость к концу века составит 4,17 млрд. долларов. Учитывая, что в 1996 году оборот этого рынка составил около 100 млн. долларов, мы получаем среднегодовой прирост в размере 110%. Между 2000 и 2005 годом этот рост будет более умеренным и должен составить 24% в год, достигнув к 2005 году 12,1 млрд. долларов.

Таким образом, для устройств интегральной оптики, призванных решать телекоммуникационные задачи, сложилась весьма благоприятная ситуация. После окончания "холодной войны" и, как следствие, уменьшения заказов для военных нужд, в оптической промышленности вообще и в оптоэлектронике в частности образовались избыточные ресурсы в виде высококвалифицированных кадров, технологий и перспективных разработок. Если в России, где произошли аналогичные процессы, все эти ресурсы в основном пошли в утиль, то на Западе (в первую очередь это относится к США, где доля милитаризации оптических исследований была особенно высока) многие фирмы переключили область своей активности на более перспективные рынки, в том числе на разработку систем для оптической связи. Как результат - большое количество участников рынка устройств интегральной оптики для ВОЛС, что в перспективе обещает высокое качество изделий при достаточно разумных ценах.

4.1 Принцип работы устройств

Существуют три основных (если говорить о коммерчески доступных продуктах) способа спектрального уплотнения сигналов:

1) с помощью интерференционных фильтров;

2) брэгговских решеток на волокне;

3) фазосогласованных волноводов на решетках.

У всех методов есть свои плюсы и достоинства, но мы остановимся на фазососогласованных волноводных решетках, поскольку только их и можно считать чисто интегрально-оптическими элементами.

Начнем с общего принципа работы таких устройств. В его основе лежит уникальное свойство оптического волновода - тот факт, что в волноводе каждая длина волны распространяется по своей собственной траектории. Поэтому путем подбора соответствующих условий можно развести значительное число длин волн. На рис. 9 приведена схема фазосогласованной волноводной решетки или фазара (PHASed ARrayed waveguide grating). Сигнал с одного из входных волокон попадает на фокусирующую решетку, которая разводит сигнал по канальным волноводам. Каждый волновод отделен от другого на одну и ту же постоянную длину DL, что дает одинаковый фазовый сдвиг для всей системы. Наличие фазового сдвига приводит к смещению хода луча и определяет длину волны, на которой будет распространяться данный конкретный пучок. Благодаря этому фазовому сдвигу, каждая световая волна попадает в "свой" волновод. А постоянство фазового сдвига для всей системы приводит к тому, что соответствующие каналы (а как уже было отмечено, каждому каналу соответствует своя длина волны) разнесены на одинаковую длину волны. Это дает массу преимуществ, например, по номеру канала можно, зная начальную длину волны и постоянную изменения фазового набега (который и определяет длину волны), определить длину волны любого конкретного канала. Пропускная способность подобной системы определяется числом каналов. Решеточная маска работает здесь как спектральный элемент и позволяет "вырезать" конкретную длину волны. В настоящее время эта система уже выпускается в промышленных масштабах, и недавно (октябрь 1997 г.) было сообщено о создании образца с переключением каналов 64х64. На рис. 10 показана уже конкретная схема устройства, используемого в реальных структурах. Вся схема расположена на кремниевой структуре, что облегчает ее возможную интеграцию с электронными элементами. Как видно из рис. 11, все 32 мультиплексируемых в схеме канала достаточно хорошо отделяются друг от друга (конечно же при условии достаточно низких потерь). Как видно из этого же рисунка, на уровне 25 дБ и ниже возникают боковые лепестки ("размывание" пиков), что может привести к невозможности однозначной идентификации данной длины волны. Реально достигнутые потери для данной структуры составляли от 3,5 до 5,9 дБ, что является очень хорошим значением для устройств интегральной оптики.

Следующим шагом в развитии систем интегральной оптики стало создание оптических add/drop multiplexer (ADM). Уникальной особенностью данной архитектуры является тот факт, что она позволяет получить доступ к любому (!) из каналов данной коммуникационной системы. Это очень важно с практической точки зрения, поскольку позволяет повысить скорость и точность доставки информации по каждому конкретному адресу. Вряд ли кого-нибудь обрадовала бы перспектива узнать, что его письмо попадает к нему с точностью до лестничной клетки или, скажем, с точностью до подъезда.

На рис. 12 представлена схема 16-канального ADM, разработанного фирмой NTT. Устройство состоит из 4 фазаров (каждый на 16 волноводных каналов) с совершенно одинаковыми параметрами используемых решеток и системы термооптических (ТО) переключателей. Спектральный диапазон данной системы 3300 ГГц (26,4 нм), что соответствует рабочей полосе оптических усилителей. 16 одинаково разделенных сигналов с длинами волн ₁, ₂, ... ₁₆ вводятся через основной порт, а затем каждый вводится в ТО-переключатель и проходит через модулятор Маха-Цендера (который представляет собой основной элемент ТО-переключателя), прежде чем достигнуть выходного порта. Положение "off" переключателя соответствует случаю, когда сигнал из левого (правого) входного порта попадает в правый (левый) выходной порт. Положение "on" соответствует случаю, когда сигнал из левого (правого) попадает в левый (правый) выходной порт. При положении переключателя "off", демультиплексированный сигнал с помощью фазара 1 (2) пересекает плечо и снова мультиплексируется фазаром 3 (4). С другой стороны, в положении переключателя "on", свет с помощью фазара 1 (2) проходит через плечо интерферометра и мультиплексируется фазаром 4 (3). Кроме того, сигнал на любой определенной длине волны может быть извлечен из основного выходного порта и направлен в дроп-порт путем соответствующей установки переключателей. А сигнал, попавший в дроп-порт, может быть добавлен в число сигналов, попадающих на основной выходной порт. Например, если переключатели 2, 4, 6, 7, 9, 12, 13 и 15 находятся в положении "on", то это означает, что выбранные длины волн ₂, ₄, ₆, ₇, ₉, ₁₂, ₁₃ и ₁₅ будут извлечены из основного выходного порта и направлены в дроп-порт. Следует отметить пониженное энергопотребление данного устройства, что делает его более экономичным.

Рассмотренные устройства предназначены для использования в магистральных системах оптической связи, но системы спектрального уплотнения могут быть успешно использованы и в локальных сетях, в том числе системах "волокно в каждый дом". На рис. 13 приведена схема одного из таких устройств, разработанного NTT, - оптического приемно-передающего устройства на 1,3/1,55 мкм, а также его фотография. Данный трансивер обладает следующими преимуществами:

планарной платформой структуры,

безлинзовым соединением конвертора лазерного излучения и интегральных фотодиодов,

упрощенным оптическим соединением.

Устройство способно обеспечить одновременную передачу со скоростью 50 Мбит/с как цифрового, так и видеосигнала, и это отнюдь не предел. Следующим шагом в развитии подобных структур является уменьшение стоимости такого приемо-передающего устройства, стандартизация его функций, характеристик, устройств согласования и т. д., то есть того, без чего невозможно широкое промышленное производство.

Еще одним новым подходом в создании интегрально-оптических систем является развитие элементов на солитонных системах. Кроме того, есть достаточно остроумные разработки по системам не только пространственной, но и временной обработки сигналов для задач спектральной обработки сигналов. В основе этих подходов лежит использование временной модуляции оптических сигналов как обычными модуляторами на ячейках Керра, так и методами нелинейной оптики. Но на данный момент системы временной модуляции и солитонные системы пока что в достаточной степени экзотика для интегральной оптики - разработки в данной области еще не вышли за пределы лабораторий.

4.2 Используемые материалы

Вопрос о материалах имеет исключительно важное значение, поскольку речь идет, как уже говорилось выше, о промышленном использовании, и здесь роль правильного выбора резко возрастает. Отметим, что рассмотренные выше фазары (как и другие элементы интегральной оптики) создаются на основе самых различных материалов - кремния, ниобата лития, стекла и даже полупроводниковых материалов. Любой из них имеет свои преимущества и недостатки.

Было бы заманчиво использовать для задач интегральной оптики кремний - материал, сыгравший столь выдающуюся роль в микроэлектронике. Преимущества такого подхода очевидны, в первую очередь потому, что свойства кремния изучены очень хорошо (кремний - химический элемент, на изучение которого человечество истратило больше всего денег за всю историю своего существования). К сожалению, его оптические свойства оказались таковы, что для задач интегральной оптики он оказался не столь удобным материалом. В первую очередь, это связано с тем, что показатель преломления кремния сильно отличается от показателя преломления оптического волокна, что создает большие трудности для интеграции. Аналогичные проблемы существуют для ниобата лития - уникального кристалла, обладающего великолепными акустическими и электрооптическими свойствами, что крайне важно для систем обработки сигналов.

С точки зрения совместимости по показателю преломления, стекло является идеальным материалом. Оно обладает еще одним важным преимуществом по сравнению с любым кристаллом (в том числе с ниобатом лития), а именно возможностью широкой модификации его состава и, как следствие, свойств. Стеклу можно придать активные свойства, сделать его нелинейным материалом и т. д., но за все надо платить. Приобретая новые свойства, стекло теряет старые: меняется показатель преломления, ухудшаются технологические возможности изготовления (при помощи ионного обмена в том числе).

Очень перспективными представляются полупроводниковые материалы. Широкие возможности выбора позволяют создавать на их основе высокочастотные приемники и усилители излучения, а также системы спектрального уплотнения сигналов на основе периодических волноводных структур. Но есть проблема именно для задач массового производства: материалы, используемые для этих задач, достаточно дороги, что вкупе с достаточно сложной технологией изготовления является преградой для широкого использования. С точки зрения стоимости, наиболее подходящий кандидат здесь - также оптическое стекло.

Существует еще целый ряд важных задач, которые необходимо решить для развертывания массового производства, включая создание надежных, мощных и недорогих источников лазерного излучения на 1,3/1,55 мкм, снижение стоимости интегрально-оптических детекторов, а также поиск путей удешевления устройств внешней модуляции сигнала. Все это очень интересно, но, как говаривал Козьма Прутков, "нельзя объять необъятного", и при рассмотрении любой задачи следует в какой-то момент ставить точку. Оптоволоконные трансиверы привлекают внимание ряда фирм, среди которых можно назвать NTT, Siemens, Hewlett Packard, Sun Microsystems, Lightwave Technologies, - список можно продолжить. Повышенный интерес к этому классу устройств объясняется их способностью значительно уменьшить расходы по реализации оптоволоконной сети. Применение временного или спектрального уплотнения позволяет использовать единственное волокно и для приема, и для передачи данных, - напомним, что традиционные оптоволоконные сети, как правило, используют для приема и передачи данных отдельные световоды. Как результат, значительно снижаются затраты и на само волокно, и на пассивные элементы сети. А современные интегральные технологии позволяют скрыть всю достаточно сложную начинку от потребителя и, при массовом производстве, значительно уменьшить стоимость активных сетевых элементов.

Пропускная способность отдельных моделей трансиверов (по крайней мере, лабораторных образцов) уже сейчас достигает нескольких гигабит в секунду, другие едва дотягивают до 50 мегабит. Одни модели ориентированы на использование одномодового, другие - многомодового волокна. Но все вместе они способны сделать оптоволокно настолько же (или даже более) распространенной и обыденной вещью, как витая пара и коаксиальный кабель.

Заключение

Итак, как вы уже успели убедиться, применение гетеропереходов в оптоэлектронике помогает разрешить многие проблемы. Так, в частности, найдено решение задачи создания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализовать на гомогенных структурах. Прозрачность широкозонного эмиттера для рекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчает задачу констуирования излучательных приборов. Также гетероструктуры способствуют всё большей интеграции оптоэлектронных устройств. Реализация сверхрешеток позволит создавать элементную базу с произвольными зонными диаграммами, т.е. гетероструктуры являются перспективным направлением исследования. Технологические трудности изготовления гетеропереходов, как нам кажется, явление временное и в недалеком будущем преодолимое. Применительно к нашей специальности (физика и техника оптической связи) гетероструктуры являются хорошим подспорьем в конструировании систем волоконно-оптической связи. Инжекционные лазеры, например, с их способностью генерировать пучок света, (являющийся переносчиком информации в волоконно-оптических линиях связи) с наперед заданным направлением распространения - решение проблемы миниатюризации основных элементов систем волоконно-оптической связи.

Конечно, существуют еще много неразрешенных проблем, но, как нам кажется, будущее оптоэлектроники неразрывно связано с гетероструктурами.

Появление интегральной оптики использующейся для передачи цифровых данных по оптическому волокну позволило миниатюризировать устройства и увеличить скорость передачи цифровых данных.

Литература

1. Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника. - Мн.: Высш. шк., 1987.

2. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках. - М.: Высш. шк., 1990.

3. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. - М.: Мир, 1998.

4. Основы оптоэлектроники / Под редакцией К.М. Галанта. - М.: Мир, 1988.

5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с исп. - М.: Высш. шк., 1991.

6. http://www.computerra.ru/offline.

7. http://www.bookham.co.uk/index.html.

Размещено на Allbest.ru