Диссертация (1090147), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Так, исследования модуляционнойхарактеристикиинтегралаоптическогоперекрытиямодуляторапоказали,чтоМаха-Цендеразаметноесухудшениепомощьюкачества(межсимвольные искажения) проявляется при изменениях коэффициентапреломления ∆n ≥ 0,001 (рис. 4.11) [108].1442 .1083 .1084 .1085 .1086 .1087 .1088 .1089 .108l( n1)1 .1071 .1061 .1051 .1041 .1030.01Рисунок 4.11. Зависимость интеграла перекрытия от ∆nКачественные характеристики технологий изготовления особенноактуальныдля многослойных структур типа фотонно-кристаллическоговолокна. Геометрические соотношения между размерами элементов сложнойструктуры ФКВ определяют оптические свойства волокна (затухание,преломление, дисперсионные искажения света).
Используя результатыматематического моделирования оптических мод планарного ФКВ, можно спомощью интеграла перекрытия рассчитать потери света в оптическомфильтре (ОФ) на основе ФКВ за счет флуктуаций ширины слоев ∆ρ исоответствующих изменений его полосы ∆f[103].
Оптические потерисигнала за счет сдвига полосы относительно центральной длины волны,построенные на рис. 4.12 с помощью разработанных компьютерныхпрограмм Mathcad (см. приложения 4.1а, 4.3,4.4), свидетельствуют о высокихтребованиях к качеству технологий изготовления ФКВ. Так, заметные потериоптического сигнала будут иметь место даже при ∆ρ = 10 −9 м . Следовательно,точность изготовления (отклонение от номинального значения ширины слоя)многослойной планарной структуры с размерами слоев не более 100нмдолжна измеряться в нанометрах.
Такие структуры используются вполупроводниковых лазерах, приемниках, оптических фильтрах, оптическихусилителях.145Рисунок 4.12. Зависимость интеграла перекрытия оптических полос ∆f ( ∆ρ )Особенно актуальны вопросы качества для технологий изготовлениянаноструктур.
Это связано с возможностями нанотехнологий и размераминаноструктур.Максимальнаяточностьсовременныхтехнологийвпромышленном производстве не превышает 10нм, что соизмеримо сразмерами низкоразмерных структур, используемых в современных ВОСП.Размеры ширины ямы и барьера квантовых ям влияют на оптоэлектронныехарактеристики материала. Существуют оптимальные размеры наноструктур,зависящиеотисходноговещества,иобеспечивающие,например,наибольшую энергию связи и максимальное время «жизни» экситонов.Незначительные отклонения от оптимальной ширины, которая для арсенидагаллия составляет 3нм , приводит к резкому изменению энергии связи (рис.5.1).
Параметры наноструктур определяют также ширину мини-зон и щелейв сверхрешетках. От перечисленных выше параметров зависят качественныехарактеристики полупроводниковых лазеров (ширину полосы излучения),фотоприемников(чувствительность),(быстродействие). Характероптическихмодуляторовзависимостей энергии связи от шириныквантовой ямы для арсенида галлия показывает, что точность изготовленияквантовых структур должна быть менее 1нм (рис.5.1) .4.6 Выводы по главе1. Наиболее перспективным направлением создания новых материалов146является проектирование наноструктур из собственных изотопов исходныххимических элементов. Изотопы одного и того же химического элементаимеют одинаковые кристаллические решетки, что не вызывает механическихнапряжений и дополнительных дефектов в них.
Оптические потери такжеминимальны из-за особенностей электрон-фононных взаимодействий.2.Разработаннаяметодикапроектированияизотопическихсверхрешеток с применением программно-вычислительного комплексафизико-математического моделирования позволила показать возможностьрасщепления энергетических уровней и получения узких мини-щелей(десятые доли мэВ ) в наноструктуре.3.
Сравнительный анализ свойств и параметров сверхрешеток изтрадиционных полупроводников (арсенид галлия) и из изотопов кремния сприменениемструктурфизико-математическогопоказал,чтомоделированияфизико-техническиемногослойныххарактеристики(шириназапрещенной мини-зоны, коэффициент поглощения света, время жизниносителейзарядаит.д.)определяютсущественныепреимуществаизотопических сверхрешеток:а) для создания новой энергосберегающей оптоэлектронной техники;б) для базовых элементов ВОСП (более узкополосные лазеры, болеечувствительныефотоприемники,болеевысокоскоростныеоптическиемодуляторы), в том числе за счет значительного уменьшения числа дефектовкристаллической решетки, и соответственно, оптических потерь.4.
Исследование влияния качества изготовления материала наоптические характеристики оптоэлектронных устройств показал, что длякаждого классамногослойных структур существуют свои предельныезначения погрешностей ∆ρ изготовления, которые находятся в пределах от10 −8 до 10 −10 ( м ), что существенно для управления техническим уровнем икачеством конечного продукта – базовых элементов ВОСП.1475 ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВАБАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОСП НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯМОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУР5.1 Влияние базовых элементов ВОСП на повышение скорости передачиинформацииПовышение пропускной способности ВОСП, необходимое в связи спостоянным увеличением объемов информации, передаваемых с помощьюВОСП, является важнейшей задачей разработчиков современных системпередачи[12,13].производительностьЕслидоисточниковэрыволоконно-оптическойсигналовпревосходиласвязипропускнуюспособность каналов связи, то с внедрением оптической связи возможностиоптическоговолокназначительнопревышаютпроизводительностьпередающих устройств.
Так, максимальная ширина полосы частот для ОВсоставляет величину 20-30 ТГц (в зависимости от окна прозрачности).Поэтомуограничивающимфакторомдлянаращиванияпропускнойспособности волоконно-оптической системы передачи информации являютсямаксимальная скорость передачи цифровых сигналов, обеспечиваемаяприемо-передающейаппаратурой(оптическимимодулями).Отсюда,пропускная способность оптической связи зависит от совершенства лазеров,фотоприемников, оптических модуляторов.
Решение этой задачи толькопутем дальнейшего наращивания скорости передачи цифровых сигналовимеет свои ограничения, обусловленные отсутствием соответствующейэлементной базы [12,13]. Кроме того, повышение скорости (уменьшениедлительности элементарного импульса) усиливает влияние дисперсионныхискажений в оптическом волокне при увеличении дальности связи. Врезультатепроисходитуширениеимпульсов,котороеприводиткмежсимвольным помехам и ухудшению качества. Поэтому рост пропускнойспособности за счет скорости передачи сигналов достигается ценой148снижения дальности связи (при равном коэффициенте ошибок). Поэтомуповысить пропускную способность можно за счет новых техническихрешений и элементной базы. В настоящее время задача увеличенияпропускной сопособности решается с помощью волнового уплотнения [9].Для повышения эффективности волнового уплотнения в последнеевремя наметилась тенденция уменьшения частотного интервала междуспектральными каналами до 50ГГц и менее (25ГГц и даже 12,5ГГц).
Такиечастотные интервалы для сверхплотного волнового уплотнения (DWDM) ужеутверждены МСЭ-Т (Рек. G.694.1) [9]. Однако уменьшение защитногоинтервала повышает риск появления перекрестных помех между волновымиканалами за счет нестабильности оптической несущей f н и спектральнойширины линии излучения лазера ∆f ( ∆λ ). Так, например, для системыDWDM и скорости передачи 10ГГц (STM-64) нестабильность частоты испектральной ширины линий не должны превышать соответственно ± 5 ГГц и± 0,04нм . Такие жесткие условия накладывают повышенные требования ккачествуисточниковизлучения(полупроводниковыхлазеров).Отстабильности излучения лазеров зависит число волновых каналов ВОСП(спектральнаяэффективностьхарактеристик лазераШеннона(2.1)системыоптическойсвязи).Кромена пропускную способность согласно формулевлияютхарактеристикифотоприемника,например,чувствительность и уровень теплового тока, которые определяют отношениемощностей сигнала и шума на входе приемника (динамический диапазон), атакжескорость модуляцииоптическихмодуляторов, которая равнаканальной скорости технологии WDM.
Отсюда, для повышения пропускнойспособностиВОСПнеобходимосовершенствоватьэлементнуюбазуоптоэлектроники [105-108,110]. Самым эффективным способом достиженияэтой цели является переход на низкоразмерные структуры, а именно,изотопические сверхрешетки, которые, как отмечено в параграфе 6.5,обладают преимуществами перед другой элементной базой.1495.2 Повышение технического уровня и качества полупроводниковыхлазеров с применением модифицированных наноструктурПовышение эффективности лазеров позволит увеличить пропускнуюспособностьи спектральную эффективность ВОСП.
Как известно,пропускная способность оптического волокна C как составной части ВОСПопределяется произведением ширины полосы пропускания на динамическийдиапазон. Из формулы (2.1) для максимального объема информации можнополучить приближенную формулу C :С≅гдеτ-1τND ,длительность(5.1)элементарногоимпульса,определяющаяканальную скорость;N - число волновых каналов (равное числу частотных каналов K f ),1N = Fов /( ( ∆f ) ;τ(1 / τ ) N - полоса частот оптического волокна (окна «прозрачности»);D - динамический диапазон (число бит информации, приходящеесяна один элементарный импульс).Спектральная эффективность ВОСП γ равна:γ =FОВ,f1(5.2)где Fов - полоса частот оптического волокна («окна прозрачности»),численно равная максимальной канальной скорости передачи сигналовВОСП;f 1 - частотный разнос между несущими оптических сигналов.Основное влияние на увеличение числа волновых каналов и параметр γоказывают следующие характеристики лазера: флуктуации оптическойнесущей df и ширины излучения ∆f .
Флуктуации величины оптической150несущей и спектральной ширины линий излучения ∆f связаны с известнойнеопределенностью Гейзенберга энергетических уровней полупроводника( Е 2 − Е1 ) = ∆Е ,гдеиндексыотносятся1,2соответственнокдвумвозбужденным состояниям электрона [98]. Из условия Бора, согласнокоторому после перехода электрона в основное состояние излучается фотон сэнергией:∆Е = hν(5.3),где h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с - постоянная Планка,ν - частота фотона,выводится ширина полосы ∆f одной линии в спектре излучения лазера:∆f = (1 / 2π )(1 / τ1+1 / τ 2 )(5.4),где τ 1 - время жизни экситона на нижнем лазерном уровне;τ 2 - время жизни экситона на верхнем лазерном уровне.Более точная форма уширения линии излученияF ( f ) описываетсяследующей формулой [98]:F( f ) =(∆f / 2) 2.( f − f н ) 2 ( (∆f | / 2) 2(5.5)В зависимости от материала соотношения между τ 1 и τ 2 меняются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
