Диссертация (1090147), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Изотопические сверхрешетки в силу болеесовершенной структуры обеспечат частоту модуляции свыше 100ГГц [52].Самые маленькие энергетические щели можно создать с помощьюизотопических сверхрешеток, у которых величина щели ∆ составляет сотыедоли мэВ . Поэтому оптические модуляторы на изотопических сверхрешеткахбудут работать при минимально возможной напряженности электрическогополя, которое прямо пропорционально ∆ , и не требовать специальныхтемпературных режимов.Оптический модулятор с эффектом электропоглощенияИзвестно,чтовнешнееэлектрическоеполеизменяетширинузапрещенной зоны, уменьшая энергию края поглощения.
Таким образом, для162фотонов с энергией чуть ниже края поглощения полупроводник является«прозрачным» в отсутствии внешнего поля. При этом на выходе оптическогомодулятора появляется импульс, соответствующий логической единице. Приналожении напряжения структура сверхрешетки становится непрозрачной,поглощает фотоны, которые повышают энергию электронов, переходящих всостояние экситонов.
В этом случае на выходе модулятора нет оптическогоимпульса, что соответствует логическому нулю.В объемных материалах эффект электропоглощения проявляется слабо.В квантовых структурах пространственная локализация носителей зарядаприводит к новым и более сильным эффектам электропоглощения, чтопозволяет на основе МКЯ из арсенида галлия строить оптическиемодуляторы [10].Верхняя граница частоты модуляции определяется механизмомвыделения носителей из ям (вероятностью и временем туннелирования из ям,котороеимеетпорядокнесколькихпикосекунд).Вероятностьтуннелирования выше у СВР по сравнению с МКЯ за счет меньшей шириныбарьера, а следовательно, время вывода носителей заряда уменьшается,частота модуляции повышается.
При этом для работы модулятора нетребуется больших значений напряженности электрического поля. В случаеизотопических сверхрешеток, где высота потенциального барьера ниже, чему СВР из разных полупроводников (композитных или легированных),глубина проникновения носителей заряда в барьеры и соседние ямы будетеще больше. Кроме того, экситонный эффект значительно сильнеепроявляетсявсобственныхполупроводниках(характерныхдляизотопических сверхрешеток), чем в легированных.
Чем эффективнеепроцесс поглощения фотонов электронами и переход их в экситонноесостояние, тем выше скорость оптической модуляции. Поэтому скоростьоптических модуляторов на ИСВР должна повыситься.Глубину проникновения носителей заряда можно оценить по формуле,описывающей волновую функцию электрона вне потенциальной ямы [10].163Известно, что волновая функция - это экспонента с коэффициентом убыванияk , рассчитываемым по следующей формуле:k=2mе (V − E ),2(5.6)где mе - эффективная масса электрона; - постоянная Планка;V - высота потенциального барьера;E - энергия электрона.Глубинапроникновенияинтегрированияэкспонентыэлектроноввбарьер(волновойфункции)ямыLбудетпослеобратнопропорциональна коэффициенту k .
Отсюда, чем меньше k , тем больше L .Навеличинуkвлияютэффективнаямассаэлектронаивысотапотенциального барьера.Значения эффективной массы и высоты потенциального барьераменьше для ИСВР по сравнению с СВР или МКЯ из разных материалов. Этосвязано с уменьшением каналов рассеяния электронов в изотопическичистых веществах и меньшей разницей в ширине запрещенных зон ямы ибарьера.Чемменьшекоэффициентk,тембольшевероятностьтуннелирования, глубина проникновения электрона и меньше времявыведения носителей заряда из модулятора.
На это время влияет иподвижность электронов. Для оптического модулятора на МКЯ из арсенидагаллия время выведения электронов составляет несколько пикосекунд, чтосоответствует максимальной частоте модуляции 100ГГц. Можно ожидать,что очищение материала арсенида галлия от тяжелых изотопов галлияповысит частоту модуляции вдвое. Это предположение основывается на томфакте, что очистка естественного кремния от тяжелых изотопов повысилаподвижность электронов в два раза [52]. Учитывая, что подвижностьэлектронов в Gaвыше, чем уSi ,галлий может оказаться болеечувствительным к изменениям числа каналов рассеяния.164Оптический модулятор с эффектом электропреломленияВ модуляторах с эффектом электропреломления используют фотоны сэнергией ниже края экситонного поглощения.
В этом случае напряжениевлияет на коэффициент преломления среды и меняет фазу падающего света.В симметричных квантовых ямах зависимость коэффициента преломления отнапряжения электрического поля является квадратичной (напоминает эффектКерра в объемных полупроводниках) В основе принципа работы модуляторалежит модель интерферометра Маха-Цендера (МЦМ) на сегнетоэлектриках.Известно, что особенностью сегнетоэлектриков является гистерезис (рис.5.2)[85]зависимостидиэлектрическойпроницаемости(коэффициентапреломления) от приложенного напряжения.Рисунок 5.2.
Зависимость поляризованности сегнетоэлектрика P отнапряжения внешнего электрического поля ε [85]Отскоростивозвращенияматериалависходноесостояние(инерционности), которая характеризуется крутизной петли гистерезиса(величиной коорцитивной силы), зависит быстродействие оптическогомодулятора. Использование модели сверхрешетки позволит добиться болеезаметного изменения коэффициента преломления по сравнению с обычнымиполупроводниками (примерно на два порядка),уменьшить длину165волноводовввидемногослойныхструктур(МЦМ)иповыситьбыстродействие модулятора.Таким образом, скорость модуляции определяется инерционностьюматериала, которая зависит, главным образом, от электронной поляризации(величины дипольного моментаp ),возникающей из-за наведенногоэлектрического момента у атома вещества и смещения орбиталей электроновпод действием электрического поля.
Значение модуля p можно оценить последующей формуле:p = q ⋅l ,где q - заряд электрона;l - плечо дипольного момента.В объемных материалах (ниобат лития) плечо имеет порядокпостоянной кристаллической решетки. В квантовых ямах величина плечаравна ширине ямы. Отношение плеч определяет степень изменениякоэффициента преломления и увеличения скорости модуляции. Известно,что в модуляторах с квантовыми ямами значения коэффициента преломленияна два порядка выше, чем в объемных материалах [10]. Отсюда, чем большеплечо, тем меньше инерционность материала, тем выше максимальнаячастота модуляции. В сверхрешетках плечом в зависимости от приложенногонапряжения может быть как один, так и несколько периодов СВР (период –сумма ширины ямы и ширины барьера).
В изотопических сверхрешетках, гдеглубина проникновения электронов в соседние ямы еще больше, чем в СВР,плечо может возрасти в несколько раз. Если принять, что величинапотенциального барьера в ИСВР на порядок меньше, чем в СВР, то значениекоэффициента убывания k (5.6) уменьшится примерно в10 . В такое жечисло раз увеличится глубина проникновения L и соответственно плечодипольного момента. Увеличение плечаlприведет к повышениюэффективности модуляторов на ИСВР, которые смогут работать с оченьбольшой скоростью. Таким образом, изотопические сверхрешетки в силу166более совершенной структуры обеспечат еще большую частоту модуляции(значительно выше 100ГГц) [52].5.5 Повышение пропускной способности ВОСП с применениеммодифицированных наноструктурАнализ формулы Шеннона для пропускной способности оптическоговолокна (2.15), позволяет сделать следующий вывод:с помощьюиспользования нового наноматериала на базе изотопических сверхрешетокможно добиться значительного увеличения С для волоконно-оптическойсвязи.Современныефотоприемники,приемо-передающиеоптическиемодуляторы)сверхрешетках из разных полупроводников.параграфах 5.1-5.4, свидетельствуетоустройстваВОСП(лазеры,реализованынаАнализ, представленный втом, что материал на базеизотопических сверхрешеток должен обладать большей эффективностью.Так, применение нового материала обеспечит:а) для полупроводниковых лазеров уменьшение полосы излучения в 2раза, что позволит сократить межканальный интервал, организоватьдополнительные волновые каналы в системе волнового уплотнения ВОСП иповысить спектральную эффективность (см.
формулу (5.12) при неизменнойдлительности элементарного импульса τ );б) для фотоприемников увеличение динамического диапазона за счетувеличения в четыре раза чувствительности и соответственно снижения вчетыре раза мощности шумов;в) для оптических модуляторов повышение скорости модуляции в двараза по сравнению со сверхрешетками из разных полупроводников [87].Как уже отмечалось выше, пространственное разделение каналовявляется важным параметром [9] в технологии плотного волновогоуплотнения.
Влияющие факторы на частотный разнос следующие: 1) типыоптических усилителей и соответственно величина нелинейных искажений167коэффициента усиления; 2) скорость передачи сигналов (чем выше скорость,тем большую полосу частот имеет оптический сигнал). С уменьшениемчастотного разноса сетка частот используется эффективнее, но возрастаетвлияниеэффектачетырехволновогосмешения,ограничивающегомаксимальную длину регенерационного участка. Кроме того, с уменьшениемразноса усиливаются требования к перестраивающимся лазерам, чтоповышает стоимость и требования к производству.Следует отметить, что увеличение скорости передачи сигналов за счетповышения частоты модуляции влечет за собой расширение требуемойполосы частот для каждого волнового канала и соответственно возможноесокращение числа волновых каналов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
