Стенограмма (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 6

При сохранении тенденции темпов роста к 2025 году пропускная способность может достигнуть значений петабит в секунду, а размеры функциональных элементов оптоэлектронных устройств будут составлять величину менее 1нм ~слайд 13). Достижение такой динамики роста пропускной способности ~слайд 14) путем уменьшения размеров элементов менее 1нм связано с развитием фундаментальных исследований и разработок в качественно новых областях полупроводниковой электроники, например, связанных с получением и применением полупроводникового графена в данных целях.

В настоящее время наиболее перспективным представляется предлагаемое и развиваемое в работе направление совершенствования внутренней структуры функциональной среды, а именно, создание модифицированных наноструктур с использованием изотопического эффекта. Новые функциональные среды обеспечат более высокое быстродействие оптоэлектронных устройств и повышение пропускной способности волоконно-оптических систем, что определяет актуальность работы. Во второй главе (слайд 15) проведен сравнительный анализ направлений и эффективности повышения пропускной способности волоконно-оптических систем передачи информации с применением наноструктур и методов информационных технологий уплотнения оптического волокна по времени н длине волны (соответственно технологии ТОМ и %ОМ).

Для этого был осуществлен анализ путей повышения пропускной способности волоконно-оптических систем 1слайд 16). Были рассмотрены три направления повышения пропускной способности: первое — это увеличение скорости передачи сигналов за счет уменьшения размеров элементов н создания новых функциональных материалов с помощью нанотехнологий, второе — это увеличение числа волновых каналов за счет совершенствования конструкции оптического волокна, способов его изготовления и третье - это повышение числа бит информации на один импульс за счет увеличения отношения мощностЕй сигнал /шум с помощью информационных технологий, В результате анализа построены графики зависимости пропускной способности от специально введенных коэффициентов 1слайд 17), учитывающих влияние применения информационных технологий в виде различных форматов кодирования, модуляции, уплотнения оптического волокна (коэффициенты гамма) н нового функционального материала (модифицированных наноструктур) (коэффициенты бэтта).

Как видно из графиков, наибольшее влияние на пропускную способность имеют технические характеристики функционального материала. Сравнительный анализ путей повышения пропускной способности ВОСП показал (слайд 13), что информационные технологии обработки и передачи сигналов позволяют эффективно оптимизировать параметры ВОСП (например, длину усилительного и регенерационного участков, число волновых каналов, выходной уровень сигнала).

Новый функциональный материал оптоэлектронных устройств в виде модифицированных наноструктур позволяет существенно повысить технический уровень ВОСП (увеличить пропускную способность, скорость передачи информации, уменьшить коэффициент ошибок, нелинейные искажения). Следует отметить, что использование методов информационных и нанотехнологий не исключают друг друга. Третья глава (слайд 19) посвящена исследованию и разработке перспективных физико-технологических методов формирования модифицированных наноструктур с использованием тепловых нейтронов, реализующих изотопических эффект. Проведен сравнительный анализ различных методов формирования наноструктур (множественных квантовых ям, сверхрешеток, квантовых проволок, квантовых точек) с позиций применимости для изготовления модифицированных наноструктур (слайд 20).

Среди рассмотренных технологий различные методы эпитаксии (химическое осаждение из газовой формы, молекулярно-лучевая), нанолитографии (' оптической, электроннолучевой и с использованием сканирующих зондов) Известно, что наноструктура как функциональная среда обладает большей эффективностью по сравнению с объемным материалом за счет эффекта локализации носителей заряда (слайд 21). Традиционно наноструктура — это сочетание слоев из разных полупроводников нанометровых размеров с разной шириной запрещенной зоны, образующей гетеропереходы.

В работе предлагается исполыювать в качестве функционального материала более перспективные, модифицированные наноструктуры, например, в виде изотопической сверхрешетки (многослойной структуры) из разных изотопов одного и того же химического элемента, например, кремния. Для создания изотопических наноструктур предлагается использовать нейтронное трансмутационное легирование, в основе которой лежит реакция поглощения тепловых нейтронов.

Технические показатели технологии облучения определяются с помощью зависимости сечения поглощения нейтронов ядрами мишени от энергии тепловых нейтронов. В диссертации предложены способы изготовления изотоп ических наноструктур (квантовых ям, проволок, точек), подтвержденные патентами, с помощью метода нейтронного трансмутационного легирования. Рассчитаны основные технические параметры, схемы облучения, а также результаты в виде изменений оптоэлектронных характеристик за счет изотопического замещения более легких изотопов более тяжелыми на примере кремния. Уровень технологической сложности при изготовлении квантовых структур с разной степенью локализации представлен на 22 слайде.

Для производства изотопических наноструктур эффективно использование устройств ампульного типа, применяемых для легирования кремния с помощью потока тепловых нейтронов. Параметры облученных слоев заготовки из кремния (изменения коэффициента преломления и глубины поглощения нейтронов) можно определить с помощью полученных расчетных кривых, представленных на 23 слайде.

Таким образом, исследования физико-технологических принципов и технических решений создания изотопических многослойных наноструктур показали, что с помощью тепловых нейтронов обеспечивается формирование более плотных слоев нано метровых размеров с требуемыми оптоэлектронными характеристиками ~коэффициентом преломления„ шириной запрещенной зоны и пр.), необходимыми для создания оптоэлектронных устройств нового поколения. Высокий технический уровень новой функциональной среды, прежде всего, точность изготовления геометрических размеров структуры материала будет обеспечен длиной волны тепловых нейтронов ~в 0,2нм), и следовательно, минимально возможными дифракциониыми искажениями, а также достаточно высокой разрешающей способностью по энергии источников нейтронов.

Четвертая глава ~слайд 25) посвящена исследованиям с применением методов физико-математического моделирования влияния параметров формируемых функциональных сред (изотопических сверхрешеток) на эксплуатационные характеристики создаваемых оптоэлектронных изделий. В диссертационной работе приведены различные способы расчета параметров сверхрешеток в зависимости от количества и размеров слоев, а также от метода решения волнового уравнения.

Рассмотрена физико-математическая модель (слайд 26) в виде многослойной структуры, отражающей свойства сверхрешетки с разным количеством слоев. В зависимости от размеров слоев сверхрешетки для моделирования волнового процесса применялось или уравнение Максвелла, или уравнение Шредингера. Если ширина слоя измерялась в микронах„то использовалось уравнение Максвелла для электрической составляющей электромагнитного поля. Если ширина слоя измерялась в нанометрах, то для моделирования волновых функций носителей заряда исполыювалось уравнение Шредингера для наноструктур. В четвертой главе также разработана методика оценки влияния качества изготовления сверхрешеток на характеристики и эффективность оптоэлектронных устройств.

Результаты физико-математического моделирования волнового уравнения для определения оптических мод и коэффициента отражения в многослойных изотопических структурах с разным количеством слоев и коэффициентами преломления показаны на 27 слайде. Представленные рисунки характеризуют способность изотопических структур реализовать механизм отражений Брэгга и возможность создавать на их основе оптические фильтры, коммутаторы, разветвители, волновые мультиплексоры и другие устройства ВОСП с высокими эксплуатационными показателями за счет более совершенной внутренней структуры функциональной среды.

Результаты физико-математического моделирования низкоразмерных сверхрешеток с использованием уравнения Шредингера для определения зависимости энергии квантования электронов в наноструктурах на сверхрешетках из арсенида галлия и изотопов кремния от ширины слоев показаны на 28 слайде. Главный вывод моделирования — изотопические сверхрешетки так же, как и композитные обладают эффектом расщепления энергетических зон.