Фотоника и оптоинформатика
.pdfP = ε0 (χ1E + χ2 EE + χ2 EEE + ...) , |
(7.11) |
где ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, χj (j = 1, 2, ...) – восприимчивость j-го порядка. Главный вклад в P вносит линейная восприимчивость χ1, она определяет показатель преломления n. С восприимчивостью второго порядка χ2 связаны такие эффекты, как генерация второй гармоники и генерация суммарной частоты. Однако эта восприимчивость ненулевая только для сред, в которых на молекулярном уровне отсутствует симметрия инверсии. Поскольку в кварцевых стеклах молекула SiO2 обладает центром симметрии, χ2 = 0. Поэтому в оптических световодах не могут иметь место эффекты второго порядка. Тем не менее, слабые нелинейные эффекты второго порядка могут возникать из-за примесей внутри сердцевины.
Если на ранней стадии развития волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) единственными проблемами являлись погонные оптические потери и волоконно-оптическая дисперсия, то сейчас на первое место стали выходить проблемы, связанные с нелинейными эффектами, особенно остро проявляющимися при передаче высокоскоростной цифровой информации.
В современной технике ВОЛС известно несколько механизмов нелинейности, возникающей в оптоволокне. Наибольший вклад в искажение передаваемой информации вносит изменение показателя преломления материала световода в зависимости от оптической мощности пропускаемого сигнала (рис. 7.5).
Зависимость показателя преломления от интенсивности приводит к множеству нелинейных эффектов. Два наиболее широко изученных нелинейных эффекта: фазовая самомодуляция
и фазовая кросс-модуляция.
Фазовая самомодуляция обусловлена самонаведенным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при распространении в волоконном световоде.
131
Рис. 7.5. Зависимость показателя преломления кварца отоптической мощности излучения
Фазовая кросс-модуляция обусловлена нелинейным набегом фазы оптического поля, который наведен другим полем на другой длине волны, распространяющимся совместно.
Другой класс нелинейных эффектов вызван вынужденным неупругим рассеянием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. В эту категорию попадают два важных нелинейных эффекта; оба они связаны с возникновением колебательных мод кварца. Это эффекты вынужденно-
го комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденного рассеяния Мандельштама– Бриллюэна (ВРМБ).
Явление ВКР светабылооткрыто и объясненов 1962–1963 годах. Оно послужило толчком к изучению вынужденного рассеяния других видов. При пропускании через кристалл (сапфира или кварца) мощного лазерного излучения в кристалле возбуждалась акустическая волна и одновременно генерировалось оптическое излучение. И акустический, и рассеянный оптический лучи испускались в строго определенных направлениях и возникали только при условии, когда мощность лазера превышала определенное пороговое значение.
Таким образом, оптический сигнал рассеивается и смещается в область более длинных волн. Если при ВРМБ спектр стимулированного излучения узкий (десятки МГц) и смещен в длин-
132
новолновую сторону на ~10 ГГц, то при ВКР спектр стимулированного излучения широкий (~7 ТГц) смещен в длинноволновую сторону на величину порядка ~10 ТГц. При схожести ВРМБ и ВКР основное различие между этими эффектами состоит в том, что в ВКР принимают участие оптические фононы (кванты колебаний атомов кристаллической решетки), тогда как в ВРМБ – акустические.
В ВОЛС при достижении входной мощности, равной порогу ВРМБ, может начаться интенсивное рассеяние света в обратном направлении, приводящее к деградации качества связи. Поэтому уровень передаваемой мощности всегда должен быть меньше этого порога.
Из-за нелинейных оптических эффектов возникают фундаментальные ограничения по скорости передачи информации. Практическим пределом следует считать скорость в 10 Тбит/с. Для увеличения скоростей информационных потоков более рациональным является увеличение числа оптических жил в волоконном кабеле.
7.5. Оптические солитоны
Для большинства оптических материалов в видимом диапазоне показатель преломления n растет с частотой. Это явление называется нормальной дисперсией (от лат. dispergo – рассеиваю) показателя преломления. Вблизи полос поглощения света наблюдается уменьшение n с частотой – аномальная дисперсия. Явление дисперсии в видимом диапазоне объясняется реакцией внешних валентных электронов. На частоте поглощения света они начинают осциллировать в резонансном режиме, как показано на рис. 7.6, и по мере дальнейшего увеличения частоты перестают давать отклик. После достижения резонанса n снова начинает возрастать и одновременно возникают потери интенсивности света, вызванные его поглощением.
133
Рис. 7.6. Явление резонанса
В области аномальной дисперсии особенно ярко проявляются нелинейные свойства оптических световодов. Здесь могут существовать солитоны, образования, обусловленные совместным действием дисперсионных и нелинейных эффектов. Термин «солитон» (от англ. solitary wave – уединённая волна) относится к специальному типу волновых пакетов, которые могут распространяться на значительные расстояния без искажения своей формы и сохраняются при столкновениях друг с другом; во многом они ведут себя подобно частице.
Теория солитонов тесно связана с явлением модуляционной неустойчивости, которая в волоконной оптике наблюдается в области аномальной дисперсии (вблизи полосы поглощения вещества, где наблюдается локальное уменьшение показателя преломления с частотой). Совместное действие дисперсии групповых скоростей и нелинейных эффектов в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет возникновение оптических солитонов.
Для волокна с положительной дисперсией ее влияние сводится к расширению спектра и расплыванию импульса со временем. Отрицательная же дисперсия среды оказывает нестандартное влияние: световой импульс сначала несколько расширяется, затем стабилизируется, а сам спектр импульса сужается. Особый интерес к солитонам обусловлен тем, что это единственный случай стационарной волны, основная энергия которой заключена
134
вконечной области пространства. При взаимодействии друг с другом они не разрушаются и не рассеиваются.
Оптические солитоны нашли применение по крайней мере
втрех областях:
–при создании солитонных лазеров;
–при создании солитонных линий связи.
–в оптических устройствах цифровой обработки информации.
Основная идея солитонных лазеров – использование волоконного световода для осуществления синхронной подачи части энергии обратно в резонатор лазера, работающего в режиме синхронизации мод. Световод изменяет форму импульса, формируя солитон. После нескольких циклов формируется стационарное состояние, в котором импульсы являются солитонами световода. Длительностью импульса можно управлять, изменяя длину световода. При этом длительность может быть гораздо меньше, чем в случае одного лазера без световода (~50 фс).
Впоследнее время с использованием многосолитонных импульсов в световоде получены очень короткие импульсы, до 6 фс.
Самая простая схема солитонной линии связи предложена
в1983 году Хасегавой (рис. 7.7). В ней реализована архитектура линейной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с усилителями. Усиление организовано так, что на концах каждого сегмента установлены направленные ответвители, через которые в линию связи (световод) в обоих направлениях вводится непрерывное излучение
накачки от лазера, работающего на длине волны 1460 нм. В схеме может быть использовано одномодовое волокно – как обычное, так и со сдвигом дисперсии, с эффективной площадью сердцевины 25 мкм2, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составили 40–50 км, а общая длина линии – 600 км. С помощью таких усилителей была достигнута скорость 160 Гбит/с. Преимущество солитонных систем перед обычными методами оптической передачи – возможность повы-
135
Рис. 7.7. Схема солитонной линии связи
шения скорости передачи и увеличения длины регенерационного участка.
Последние исследования показывают возможность эффективного использования солитонов в оптических устройствах обработки цифровой информации. Волоконные интерферометры позволяет переключить солитонный сигнал. С помощью таких переключателейреализуютсялогическиефункции«И», «ИЛИ», «НЕ».
Нелинейные эффекты широко используются в самых различных областях современной оптической техники: в высокоточных оптических датчиках, биосенсорах, кремниевой фотонике, интерферометрии, ВОЛС и др. Это направление науки
итехники быстро развивается и предъявляет серьезные требования к уровню подготовки специалистов, работающих в данных областях. В связи с разработкой мощных оптических излучателей и высококачественных оптических сред области практического применения нелинейной оптики непрерывно расширяются, при этом величина пороговой мощности, при которой наблюдаются эффекты нелинейности, имеет тенденцию к снижению. Нелинейная оптика, в том числе нелинейная волоконная оптика, лежит в основе действия как современных, так и перспективных устройств оптических систем передачи
иобработки информации.
136
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое нелинейная оптика? Перечислите оптические эффекты, вызванные оптической нелинейностью.
2.Перечислите типы поляризуемости среды. Какими механизмами они вызваны?
3.Электрооптический эффект Керра. Каким видом поляризации он вызван?
4.Физическая сущность пьезоэлектрического эффекта и электрооптическогоэффектаПоккельса.
5.Физическое содержание эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама– Бриллюэна.
6.Объясните эффект самофокусировки света.
7.Объясните нелинейные эффекты фазовой самомодуляции, фазовой кросс-модуляции, вынужденного комбинационного рассеяния и вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна в волоконных световодах.
8.Объясните принцип возникновения оптических потерь при аномальной дисперсии в оптическом волокне.
9.Что такое солитон, в чем преимущества солитонных линий передачи информации?
137
ЧАСТЬ 3. ФИЗИЧЕСКИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОТОНИКИ
8.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ СТРУКТУРЫ
8.1.Роль полупроводниковых структур
воптоэлектронике
Воснове действия элементов оптоэлектроники лежат универсальные схемные свойства полупроводниковых структур. Зна-
чимость универсальных схемных свойств полупроводниковых структур для массовой технологии интегральных микросхем была осознана специалистами далеко не сразу. За изобретение транзистора Нобелевская премия была присуждена У. Шокли в 1956 году, т.е. через 7 лет после разработки, а за открытие, исследование
ииспользование в микро- и оптоэлектронике основополагающих свойств полупроводниковых структур– через десятки лет (Ж.И. Алферов, Дж. Килби, Г. Кремер, Нобелевская премия 2000 г.).
Изобретения универсальных конструкционных элементов появляются довольно редко, но всегда оказываются весьма ценными, так как определяют длительный технический прогресс
всоответствующей области. В механических устройствах универсальными конструкционными элементами оказались, например, стержень и колесо, до сих пор позволяющие создавать все более и более совершенные механические системы и изделия. Природа также преуспела в создании необозримого разнообразия живых систем, «используя» универсальный конструкционный элемент – клетку. Нет никаких сомнений в том, что переход к нанооптоэлектронике не ограничится разработкой лишь лабораторных образцов, если будут найдены универсальные конструкционные элементы, комбинацией которых удастся создавать наноприборы различного назначения, используя либо группо-
138
вую технологию, либо процессы самосборки. Для нанотехнологии по принципу «снизу вверх» такими универсальными конструктивными элементами являются атомы.
Полупроводниковая структура представляет собой некую границу раздела, в которой присутствует полупроводниковый материал. Сюда относятся граница раздела между областями с дырочной и электронной проводимостью внутри полупроводникового кристалла (р– п-переход), граница раздела между слоями полупроводника с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереход) и др.
Электронно-дырочные переходы – основа элементной базы интегральных микросхем, а гетеропереходы – основа оптоэлектронных приборов различного назначения. Многие нанострукту-
ры созданы при разработке все более миниатюрных структур рассмотренного выше типа. С уменьшением размера структур были выявлены новые полезные для оптоэлектроники физические (в основном квантовомеханические) эффекты. Обычно их называют размерными.
8.2. Твердотельные гетероструктуры. Полупроводниковый гетеропереход
Интерес к твердотельным гетероструктурам обусловлен тем, что они являются основой практически всех современных приборов и устройств электроники, фотоники и оптоинформатики. Гетероструктуры широко применяются в повседневной жизни, достаточно вспомнить бытовую технику, аудио- и видеосистемы, мобильные телефоны и компьютеры, а также в большинстве областей человеческой деятельности, начиная от производства и кончая медициной и образованием. Уровнем проникновения гетероструктур в жизнь человека определяется ее качество. В связи с этим первостепенное значение приобретают технологии создания гетероструктур различного типа, их развитие и совершенствование.
139
Впереводе с греческого heteros – другой или иной. В русском языке гетеро соответствует слову разный.
Гетеропереход представляет собой контакт между двумя различными веществами либо между веществом и вакуумом. Гетероструктура – объект, обладающий по крайней мере одним гетеропереходом.
Вфизике полупроводников термин гетероструктура обозначает выращенный на подложке слоистый пирог из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Это определение сужает область применимо-
сти термина гетероструктура, так как относится только к слоистым полупроводниковым материалам.
Полупроводниковым гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например p-Ge – n-GaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n-перехода заключается в том, что в обычных p-n- переходах используется один и тот же вид полупроводника, например p-Si – n-Si. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная решетки.
Электронно-дырочным переходом или р– п-переходом назы-
вается граница раздела между полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.
Положения энергетических уровней Ферми, которые в полупроводниках заняты электронами при Т = 0, в электронном ( EFn ) и дырочном ( EFp ) кристаллах не одинаковы ( EFn ≠ EFp ).
Термодинамическое равновесие между приведенными в контакт кристаллами наступает в результате выравнивания энергий Ферми ( EFn = EFp ). Это выравнивание сопровождается перетека-
нием «электронной жидкости» из кристалла, где уровень Ферми выше, в кристалл, где он ниже. В результате указанных процессов контакт кристаллов р- и n-типа приводит в области образо-
140