Диссертация (1090147), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Поэтому надо оценить, сможет лисокращение полосы излученияи организация за счет этого∆fдополнительных волновых каналов компенсировать (с точки зрения влиянияна С) одновременное расширение частотных полос за счет увеличенияскоростипередачиисоответственноекорректированиевсторонууменьшения числа N . Для этого необходимо сравнить два значенияпропускной способности: C1 ,C 2 . В этих примерах сравниваются двеэлементные базы ВОСП: 1)лазеры, фотоприемникии оптическиемодуляторы на сверхрешетках из разных полупроводников; 2) лазеры,фотоприемники и модуляторы на изотопических сверхрешетках.
С учетомотмеченных выше преимуществ ИСВР и формулы (5.1), в котором число1волновых каналов определяется, как N = Fов /( ( ∆f ) , определим отношениеτС 2 / С1 .В общем виде запишем согласно формуле Шеннона выражения дляC1 ,C 2 и С 2 / С1 :C1 =1Fовτ 1 + ∆fτD;(5.7)168C2 =(С 2 / С1 ) = 2FовD1 ;f∆2τ+τ22(5.8)D1(1 / τ ) ( ∆f.⋅D (2 / τ ) ( ∆f / 2(5.9)После преобразований получим:(C 2 / C1 ) = 43D1(1 −).4 ( ∆fτDПри этом сомножитель в формуле (5.8) ( 2 / τ ) означает повышениеканальной скорости передачи в два раза по сравнению с модуляторами насверхрешетках из разных полупроводников, слагаемое в знаменателеформулы (5.8) ( ∆f / 2 ) относится к уменьшению ширины полосы излучениялазера и снижению межканального интервала.Для нахождения выигрыша рассматривались ВОСП с канальнымискоростями от 0,156ГГц до 40ГГц и частотными разносами ∆f = 5 ГГц,10 ГГц.Выигрыш по динамическому диапазону определялся следующимобразом:ρ 1 = ( D 1| / D) = ρg ρ 4 ρ ,где ρ =Pc.PшДля ρ = 10 , получим ( D 1| / D) = g 40 = 1,6 .Для ρ = 2 отношение динамических диапазонов равно оg 2 4 ⋅ 2 = 3 .Как видно из формулы (5.9) величина выигрыша пропускнойспособности ВОСП за счет использования изотопических сверхрешетокзависитотконкретныхзначенийканальнойскорости,ширинымежканального интервала, а также динамического диапазона.
Чем меньше ρ169и канальная скорость V = (1 / τ ) , тем больше выигрыш по пропускнойспособности. Повышение канальной скорости снижает число волновыхканалов и спектральную эффективность. С увеличением частотного разносамежду каналами ∆f выигрыш повышается. Однако чем выше скорость, темвлияние частотного разноса на выигрыш снижается. Все большую роль вэтом случае играет отношение динамических диапазонов (параметр ρ 1 ).Поэтому для высокоскоростных ВОСП особое внимание следует уделятьэффективности фотоприемников.Результаты расчета по формуле (5.9) для канальных скоростей STM − 4 ,STM − 16 , ρ = 2 ,10 представлены в табл. 5.1.Таблица 5.1Расчет выигрыша по пропускной способности ВОСП за счет использованияизотопических сверхрешетокV ( Гбит / с)С 2 / С1С 2 / С1С 2 / С1ρ = 1,6; ∆f = 5 ГГцС 2 / С1ρ = 1,6; ∆f = 10 ГГц0,156255,876,121111,470,6254,85,44910,22,53,2467,5102,132,5644,8401,751,883,283,531Каквидноиз1таблицы,величинаρ 1 = 3; ∆f = 5 ГГц ρ 1 = 3; ∆f = 10 ГГцвыигрышапопропускнойспособности ВОСП за счет использования изотопических сверхрешетокможет составить 11,47 раза.Таким образом, совершенствование приемо-передающих устройствВОСПнабазеизотопическихсверхрешетокпозволяетповысить170эффективность волоконно-оптических систем передачи информации напорядок по сравнению со сверхрешетками из разных полупроводников.5.6 Выводы по главе1.
Предложена методика оценки повышения эффективности ВОСП засчетиспользованияоптоэлектронныхустройствновогопоколения(полупроводниковых лазеров, фотоприемников, оптических модуляторов) набаземодифицированныхнаноструктур(ИСВР)итехнологииихизготовления с применением тепловых нейтронов.2.Количественнаяхарактеристикоценкаоптоэлектронныхповышенияуровняустройствпритехническихиспользованииизотопических сверхрешеток дает:а) для лазеров - уменьшение в 2 раза ширины спектра излучения, и какследствие, уменьшение хроматической дисперсии и увеличение длинырегенерационного участка;б) для фотоприемников - утроение динамического диапазона,уменьшение в 4 раза мощности теплового тока и соответственно увеличениев такое же число раз чувствительности;в) для оптических модуляторов - увеличение канальной скорости в 2 раза.3.
Важнейший эксплуатационный параметр волоконно-оптическийсистемы передачи информации (пропускная способность) при использованиимодифицированных наноструктур повышается на порядок и выше.1716ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕОСНОВЫПРОИЗВОДСТВАМОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУР И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ ВУСТРОЙСТВАХ ВОСП6.1 Функциональные среды базовых элементов ВОСП и технологии ихизготовленияКачественныехарактеристикитехнологийизготовлениябазовыхэлементов ВОСП зависят от типа функциональной среды оптоэлектронныхустройств.Функциональные среды базовых элементов приемо-передающей аппаратуры ВОСП можно классифицировать по следующимпризнакам: внутренней структуре и размерам отдельных элементов.
Так,можно выделить следующие типы (рис.6.1.):1) оптическое волокно ОВ;2) фотонно-кристаллическое волокно ФКВ;3) низкоразмерные структуры НРС.Базовые элементы волоконно-оптических систем передачи информацииОптическое волокноФотонно-кристаллическоеволокнонаноструктурыНаправляющие системыНаправляющие системыОптоэлектроникаMUX/DMUXMUX/DMUXMUX/DMUXОптические модуляторыОптические модуляторыОптические модуляторыОптические фильтрыОптические фильтрыОптические фильтрыОптическиекоммутаторыОптические модулиОптические усилителиРазветвителиОптические усилителиКвантовые процессорыРисунок 6.1.
Классификация функциональных сред базовых элементовВОСП и области их применения172Оптическое волокноОптическое волокно представляет собой трехслойную структуру:сердцевину, окруженную оболочкой. Оптическое волокно может бытьпланарным, когда сердцевина и оболочка в поперечном сечении представляетсобой прямоугольник, или с круглым сечением. В качестве материалавыбирают, как правило, соединения кремния или ниобата лития.
Размерысердцевины соизмеримы с длиной волны света и составляют от несколькихмикрон до десятков микрон. Основное применение оптическое волокноимеет как направляющая линия (оптический кабель) ВОСП. Специальныетипыволокнамультиплексоров,используютсяоптическихвкачествефильтров,оптическихвоптическихмодуляторов,усилителях,коммутаторах, разветвителях и т.д. Точность изготовления геометрическихразмеров (предельное отклонение от номинального значения) составляетменее 0,1 мкм [58-63].Фотонно-кристаллическое волокноФотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) представляет собой новыйтип оптических волноводов, имеет сложную внутреннюю структуру,аналогичную рис.
6.2, делится на три класса: одномерное, двухмерное,трехмерное.Уникальные свойства ФКВ объясняются особой структурой оболочки ввиде фотонно-кристаллической решетки, имеющей размеры на порядокменьше, чем у оптического волокна. Основными достоинствами ФКВявляются возможности обеспечения:1)одномодового режима для всех длин волн используемогодиапазона;2)изменений в широких пределах площади пятна основной моды;3)постоянного значения коэффициента дисперсии.173Основное применение ФКВ имеет в лазерах, оптических фильтрах,мультиплексорах, оптических усилителях и т.д. Для применения ФКВ вкачественаправляющихлинийтребуетсяоченьвысокаяточностьизготовления, измеряемая в сотых долях микрона.
Такую точность могутобеспечить только нанотехнологии. В качестве исходного материалаиспользуют соединения кремния.Низкоразмерные структурыНаибольшую перспективу имеет элементная база на низкоразмерныхструктурах [64-70], позволяющая значительно повысить скорость передачиинформации.Точность изготовления таких структур в зависимости отразмеров должна составлять от 10нм до 1нм.Низкоразмерные структуры относятся к наноструктурам или объектам,размерыкоторыххотябыводномнаправлениисоответствуютнанометровому диапазону (меньше 100нм) [11, 67-80]. Оптоэлектронныехарактеристикитакихструктурописываютсяспомощьютеориимезоскопической физики. В таких структурах отчетливо проявляютсяволновые свойства электронов из-за того, что геометрические размеры ихсоизмеримы с длиной волны де Бройля носителей заряда.
Поведениеэлектронов в этом случае сильно зависит от конкретной геометрии структуры(размеров, формы, количества и структуры слоев). При этом изменяютсяфизические свойства материала, которые определяются законами квантовоймеханики.Отсюдапроисходитидругоеназваниемезоскопическихтвердотельных объектов, а именно, квантовые структуры.Основнымихарактеристиками электронов в таких структурах являются длина волны деБройля, средний свободный пробег электрона, диффузионная длина, длинаэкранирования, длина локализации [1].
В зависимости от того, сколькоразмеров в объекте соизмеримы с длиной свободного пробега электрона(среднее расстояние, проходимое электроном между двумя столкновениямис препятствиями в кристалле) все наноструктуры делятся на квантовые ямы,174проволоки, точки (рис. 6.2). Они состоят из разных полупроводниковыхматериалов, сопряжения которых, называемые гетеропереходами, образуютпотенциальные барьеры. Квантовые структуры наиболее эффективны вкачестве элементной базы для лазеров, фотодетекторов, ячеек памяти,квантовых процессоров. Эффективность их значительно повышается сувеличением числа координат пространственного ограничения носителейзаряда.Рисунок 6.2.
Примеры квантовых структурНа рис.6.3изображены графики, иллюстрирующие эффективностьлазеров в зависимости от размеров элементной базы за счет уменьшениявероятности рассеяния экситонов на фононах. На рис.6.4 приведеносравнение плотности порогового тока для получения лазерной генерацииприменительно к различным низкоразмерным структурам. Как видно изрисунка, ее минимальное значение составляет порог генерации в квантовойточке.175Рисунок 6.3. Иллюстрация эффективности квантовых структур [10]Рисунок 6.4. Значение порогового тока лазерной генерации [10]Дляфотодетекторовпространственноеограничениеповышаетквантовую эффективность и снижает тепловой ток (освободившиеся за счет176фононовэлектроныоказываютсявквантовыхямахнижеуровняпроводимости). Эффективность оптоэлектронных устройств (коэффициентусиления лазеров, чувствительность фотодетекторов) зависит от энергиисвязи экситонов.
Эта величина в значительной степени определяетсяширинойквантовойямы[10].Поэтомуточностьизготовлениянизкоразмерных структур сильно влияет на характеристики элементной базылазеров,фотоприемников,модуляторов,оптическихфильтров,мультиплексоров, оптических коммутаторов, оптических устройств дляхранения информации.Преимущества низкоразмерных структурПреимуществанизкоразмерныхструктурпосравнениюсмакроскопическими объектами обусловлены эффектом квантования энергииносителей заряда.Известно, что многие физические характеристики(оптическое поглощение, перенос зарядов и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
