Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 3

Процесс увеличения скоростипередачи сигналов и повышения производительности микропроцессоровпроисходит постоянно. Это осуществляется, прежде всего, с помощьюсовершенствования технологии производства. Об этом свидетельствуютоткрытые в 1965г Г. Муром эмпирические законы экспоненциальноговозрастания числа транзисторов на одном кристалле и повышения расходовна внедрение новых технологий производства (рис.1.1а). Несмотря на то, чтопараметры «законов Мура» периодически корректируются, сделанные с17помощью них прогнозы становятся на определенном этапе руководящимипринципами развития электронной промышленности. Поэтому эмпирическиезаконы Мура считают своеобразным «хронометром полупроводниковойтехнологии».

Сделанные уточнения характера изменения кривой возрастаниячисла транзисторов на одном кристалле (рис.1.1б) позволяют выделить двапериода или цикла развития микроэлектроники разной продолжительности.Каждый из них состоит из временных отрезков роста и спада увеличениябыстродействия элементной базы [8]. Если первый цикл длился примерно с1971г по 1999г, то начавшийся в 2000г второй будет значительно короче изакончится к середине этого десятилетия. Следующим должен стать периодреволюционных перемен в области обработки и передачи информации.Реализация этого прогноза зависит от внедрений научных открытий вобласти новых материалов, успехов наноинженерии и нанотехнологий,размеров финансовых вложений.Рисунок 1.1а. Эмпирические законы Мура [33]Используя модифицированный закон Мура, можно сделать прогнозроста пропускной способности ВОСП.Так, значение пропускной способности C ( y ) , где y - временной отрезокпрогнозирования, можно оценить по следующей эмпирической формуле [8]:yyyC ( y) = Co 2 ,(1)18где C o - пропускная способность в нулевой год, взятый за началоотсчета,yy - срок в годах, за который пропускная способность возрастаетвдвое.Рис.1.1б.

Первый закон Мура в логарифмическом масштабе [8]Развитие современных телекоммуникационных систем определяетсямногими факторами. Такими факторами являются научные достижения вобласти информационных и нанотехнологий, а также спрос на рынкетелекоммуникационных услуг. Довольно длительный период временигосподствовало положение, при котором потребность в увеличениипропускнойспособностиопережалавозможности,предоставляемыесредствами связи.

Такая ситуация была стимулом развития сетей передачиинформации.Однакосначаланынешнеготысячелетиянаметилсяопределенный спад спроса и рынок переориентировался на предоставлениеболее широкополосных услуг связи. Акцент научных поисков сместился наспособы повышения скорости передачи информации по ВОСП. Теперь19главное не число организованных каналов связи N , а скорость передачиинформации υ в канале. Потребность в таких высокоскоростных системахувеличивается с течением времени.

Это связано с необходимостью передачив цифровом виде широкополосных сигналов видеоизображения высокойчеткости, например для трансляции с высоким качеством оперныхспектаклей ведущих театров мира, организация телевизионных каналов вформате 3D. Таким образом, потребности в дальнейшем увеличениискоростипередачиинформациииповышениибыстродействиямикропроцессоров сохранятся и в будущем.1.3 Перспективы повышения пропускной способности ВОСПВисторииразвитияволоконно-оптическихсистемпередачиинформации можно отметить следующие этапы, связанные с определеннымивехами в совершенствовании элементной базы волоконно-оптической связи.Началом эры волоконно-оптической связи можно считать внедрение в 1973году военно-морскими силами США первой волоконно-оптической линии наборту корабля Little Rock [9].Так, успехи микроэлектроники и волоконной оптики в конце 70-х годовспособствовали осуществлению серийного выпускаполупроводниковыхлазеров и фотоприемников для одномодовых оптических волокон скоэффициентом потерь 0,2 дБ/км в «окне прозрачности» на длине волны1550нм.

Такой технологический прорыв сделал возможным строительствомагистральных ВОСП протяженностью более 1000км при скорости передачиинформации 155 Мбит/с. Совершенствование технологии производстваоптического волокна и аппаратуры ВОСП, а такжеспособов передачицифрового сигнала позволило в конце 80-х годов перейти на болеесовершенный формат сигнала STM-1.Эта технология SDH с жесткойсинхронизацией на всех уровнях цифровой сети увеличила на несколько20порядков пропускную способность оптического волокна, значительноповысила дальность и качество связи. По цифровым сетям ВОСП сталипередаватьнетолькотелефонныесообщения,ноисигналывидеоизображения, электронной почты и др.Ростколичествапредложенийпривелкэкспоненциальномуувеличению числа пользователей сетей волоконно-оптической связи.Потребовалось дальнейшее повышение пропускной способности оптическихканалов (ОВ) и дальности связи.Из-за расширения масштабов ВОСП иобъединения сетей передачи данных с телефонными возникла необходимостьусиления эффективности и гибкости управления сетями связи.

Этомуспособствовало внедрение новой информационной технологии асинхроннойпередачи АТМ. Теперь любые виды сообщений сначала представляются ввиде пакетов фиксированной длины, разделенной на две части: 5байт заголовок и 53 байта – информация, а затем асинхронно объединяются вединый цифровой поток. Передаваемый пакет аналогичен соединительнойлинии в телефонной сети (виртуальный канал). Технология АТМ разработанакак единая транспортная система для новых поколений широкополосныхцифровых сетей интегрального обслуживания. Создание таких сетей опятьпоставило перед разработчиками задачу повышения пропускной способностиоптических линий.Решить ее повышением скорости передачи информации свышедостигнутойвеличинысоответствующейв40Гбит/сэлементнойбазы.(STM-256)Требуютсяуженельзябезвысокочастотныетранзисторы, лазерные диоды и фотодетекторы, изготовление которыхсопряжено со сложными технологическими процессами, пока еще невнедренными в массовое производство.

Кроме проблем с технологиейизготовления электронных и оптоэлектронных приборов, значительноеуменьшение длительности импульса при временном уплотнении волокнаTDM усилит влияние дисперсионных характеристик ОВ. Это есть уширениеоптического сигнала с ростом расстояния, приводящее к межсимвольным21искажениям,дляустранениякоторыхтребуютсяспециальныекорректирующие меры.

Поэтому еще в 90-е годы начались интенсивныенаучные работы по внедрению технологии волнового уплотнения WDM,которая со временем трансформировалась в плотное DWDM и сверхплотноеUDWDM волновые уплотнения. Такие ВОСП удовлетворят потребности нетолько сегодняшнего дня, но и будут иметь ресурсный запас на ближайшиенесколько лет. Это означает, что достигнутая пропускная способностьволоконно-оптических линий приближается к потенциальным возможностямоптического волокна. Чтобы полностью реализовать ресурс ОВ, нужноиспользоватьрезультатынаучногопрорывавобластинаноиоптоэлектроники, а также волоконной техники, который произошел впоследние годы. Высокоэффективные электронные и оптоэлектронныеустройства теперь изготавливают на основе квантовых структур, болеесовершенное оптическое волокно – на основе искусственно формируемыхфотонных кристаллов [9].

Полученные в настоящее время высокочастотныеэлектронные приборы и фотонно-кристаллическое волокно с улучшеннымидисперсионными характеристиками дают возможность информационнымтехнологиям продолжить развитие в направлении временного уплотненияTDM.В свою очередь, создание лазерных диодов на квантовых точкахоткрывают новые перспективы для волнового уплотнения WDM.

Однако,достигнутоезначениерабочейчастотыв1ТГцдлясовременныхтранзисторов, работающих на эффекте резонансного туннелирования внизкоразмерных структурах, в настоящее время является предельной длянаращивания скорости передачи цифровой информации. Это связано нетолько с размерами таких устройств, но и с трудностями производства впромышленных масштабах, обусловленными сложностями технологическогопроцесса и высокими требованиями к качеству изделий.Дальнейшееувеличение скорости передачи информации зависит от результатов поискановых материалов и технологий производства элементной базы электроники22и оптоэлектроники.

Такие же проблемы возникают и при реализацииоптических модемов ВОСП.Самые быстродейственные оптические модуляторы Маха-Цендера,применяемые в настоящее время, имеют граничную частоту 40ГГц [2].Ограничения по частоте модуляции связаны с оптическими свойствамиматериала и качеством изготовления элементов модулятора. Специальныеоптические модуляторы на квантовых ямах из арсенида галлия позволяютреализовать непосредственную оптическую модуляцию светового излученияс рабочей частотой до 100ГГц и выше [10]. При этом используется эффектэкситонного поглощения под действием внешнего электрического поля.Однако, достигнутая при этом частота оптической модуляции пока ещедалека от потенциальных возможностей ОВ.Чтобы преодолеть существующие ограничения по скорости со стороныэлектронного и оптоэлектронного оборудования, предложен принципиальноновый алгоритм передающей аппаратуры ВОСП, который объединил двеоперации: временное уплотнение и оптическую модуляцию (рис.1.2 ) [9].Рисунок 1.2.