7.3. Волоконно-оптические линии связи

В технике проводной передачи электрических сигналов (как во внешних цепях, так и при создании межсоединений внутри электронных структур) дос­тигнуты впечатляющие успехи. Однако, есть все основания полагать, что здесь будущее принадлежит волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).

Волоконные световоды стали известными уже в начале 60-х годов и на­ходили ограниченное применение в технике и медицине. Принцип действия этих светопроводов основан на явлении полного многократного отражения све­товых лучей, распространяющихся внутри стержня с отражающими стенками даже в том случае, когда этот стержень изогнут. Главным недостатком светово-локонных проводников являлся высокий коэффициент ослабления света, кото­рый к 1970 году американской фирме Сопп§ С1аз8 на стекле с содержанием ме­таллических примесей менее 10 ~⁸ % удалось довести до 30 дБ/км. Проникнове­ние ВОЛС в технику кабельной связи и в полупроводниковую электронику на­чалось, когда ослабление сигнала достигло 1 4- 5 дБ/км.

ВОЛСу присущ ряд преимуществ, выводящих их на передовые позиции в технике связи:

• широкая полоса частот пропускания сигнала;

• малые потери, невосприимчивость к электромагнитным помехам и за­ щищённость от перехвата информации;

• неограниченная пропускная способность сетей связи.

Оптические волокна почти не дают искажений сигнала (около МО¹¹) и сулят громадную экономию при передаче информации на большие расстояния. По мере их совершенствования скорость передачи данных по одиночному ка­налу увеличивалась ежегодно почти вдвое. При стандартной скорости передачи данных 2,4 Гбит/с (8ВН/8ОЖТ) в ближайшее время будут достигнуты скоро­сти 3,2 Гбит/с, что эквивалентно 0,5 млн речевых каналов в одном волокне. На основе одиночных световодов формируются многожильные оптические кабели. Предполагается, что в ближайшее 15 лет оптические коммутаторы, повторите­ли, усилители и кабели заменят полностью электрические компоненты.

В настоящее время выпускаются оптические кабели для систем связи в виде одномодового кварцевого волокна повышенной гибкости, симплексных или дуплексных кабелей, ступенчатых кварцево-кварцевых и кварцево-полимерных световодов; созданы волоконно-дифракционные решётки для ста-

билизации параметров полупроводниковых лазеров; одномодовое оптическое волокно, может работать как оптический квантовый усилитель.

Следует, однако, иметь в виду, что источником сигнала в ВОЛС может быть только современный лазер, генерирующий импульсы света длительностью менее 1 не.

Комбинация лазеров с ВОЛС в микропроцессорах может привести к по­явлению суперкомпьютеров уже в недалёком будущем.

К сожалению, лазер пока ещё не может выполнять функции усилителя света и используется только в варианте излучателя с перестраиваемой длиной волны.

7.4. Развитие инжекционных полупроводниковых лазеров и расширение областей их применения

Всё возрастающая роль квантовых генераторов в технике общеизвестна. Особое значение в последние годы приобретают инжекционные полупроводни­ковые лазеры, применение которых в волоконно-оптических средствах теле­коммуникаций и системах оптической памяти знаменует начало новой эры оп-тоэлектронных ИС и дальней связи. С достижениями в этой области однознач­но связано увеличение скорости передачи информационных сигналов и уплот­нение каналов.

В мире наблюдается устойчивая тенденция к росту доли доходов от про­даж полупроводниковых лазеров для телекоммуникаций и мощных энергоуста­новок, а также в сфере выпуска дорогостоящих электронных изделий высокой степени интеграции, содержащих лазеры. В 1998 году доля лазеров для средств телекоммуникаций составляла 64,2%, доля лазеров для систем оптической па­мяти - 23%, мощных лазеров - 5,8%, остальное - лазеры для световых указок, шоу-бизнеса, считывателей штрих-кодов и проч.

В 2000 году общий рынок этих изделий составил свыше 3 млрд долл.

Лазеры для средств телекоммуникации имеют две основных области применения: передатчики на основе лазеров с длиной волны 1,31 и 1,55 мкм и высокой частотой модуляции и оптические квантовые усилители на основе оп­тических волокон, легированных эрбием (лантаном, неодимом, празеодимом), в которых используются лазеры накачки с длиной волны 0,98 и 1,48 мкм, рабо­тающие в непрерывном режиме. В 1998 году доля стоимости лазеров накачки составляла 16,3% от общей стоимости телекоммуникационных лазеров.

Лазерный усилитель для оптоэлектронных микросхем является столь же важным элементом, как и усилитель электрических сигналов в обычных полу­проводниковых ИМС.

Типичная схема оптоэлектронного усилителя на основе легированных эр­бием оптических волокон (ЕРОА - егошт-сюреа¹ ЯЬег атрНйег) представлен на рис. 7.1.

В большинстве случаев сигнал в виде световой волны возбуждается в оп­товолокне полупроводниковыми лазерами, которые непосредственно модули­руются сигнальным током. Однако эти системы приближаются к своему теоре-

87

тическому пределу по скорости, определяемому возможностями дальнейшего повышения частоты модуляции. Поэтому начаты исследования в направлении создания монолитных полупроводниковых лазеров с синхронизацией мод пере­крывающимися импульсами, работающих в непрерывном режиме и способных генерировать последовательность импульсов с частотой более 350 ГГц. Лазеры такого типа могут быть построены на основе так называемого солитонного ме­ханизма передачи импульсов по оптическому волокну. Солитоны в физике, биофизике и, в частности, в нелинейной теории колебаний рассматриваются как самозахваченный импульс (уединённая волна), способный сохранять свою форму и величину при перемещении через определённую среду. Иногда его на­зывают "одиночной волной Рассела" в честь Джона Скотта Рассела, шотланд­ского кораблестроителя и инженера, который обнаружил это явление в 1834 го­ду. Пресловутые волны цунами, являющиеся следствием подземных изверже­ний вулканов и землятресений, представляют собой не что иное, как солитоны. Академику А.С. Давыдову удалось построить солитонную теорию и модель ра­боты мышц живого организма.

Рис. 7.1. Схема ВОЛС с оптическим лазерным усилителем типа ЕРОА

В 1973 г. Акира Хасегава (фирма Ве11 ЬаЬога1опез) показал, что импульсы фотонов могут существовать в оптических волноводах в виде солитонов Рассе­ла и предложил метод передачи сигналов, основанный на солитонах. Для пере­дачи солитонов по оптоволокну необходима энергетическая подпитка, которая обеспечивается специальным лазером накачки.

88

Вход сигнала

| Лазер накачки

Управляющая ; электроника

Источник питания

Выход сигнала

; Фотоприёмник

Волокно,легированное эрбием

К настоящему времени в Ве11 ЬаЬогаШпев создана сверхбыстродействую­щая волоконно-оптическая локальная сеть, в которой используются солитоны и чисто оптические логические вентили. Такая сеть способна передавать инфор­мацию со скоростью 100 Гбит/с, что в более чем в 1000 раз превышает быстро­действие существующих электронных систем.

Второй важнейший путь повышения информационной ёмкости оптоэлек-тронных систем - создание лазеров непрерывного излучения с перестраиваемой длиной волны. Наиболее интенсивно в этом направлении исследования ведутся в Корнеллском университете (Итака, штат Нью-Йорк). И хотя в настоящее вре­мя источника с длиной волны излучения 1,3 мкм пока нет, на основе сапфира, легированного титаном, уже создан твердотельный лазер, который работает в диапазоне 0,7 ч- 1,1 мкм. Использование в качестве усиливающей среды фор­стерита показало, что можно создать лазер с перестраиваемой длиной волны в пределах от 1,2 до 1,32 мкм при непрерывно излучаемой мощности почти 2 Вт, что уже очень близко к желаемому пределу. Форстерит представляет собой ши­роко распространённый в природе минерал (оливин), состоящий из магния, кремния и кислорода с различными металлическими примесями. В лазерах ис­пользуют тонкие плёнки монокристаллического форстерита, выращенные на подложке полупроводникового соединения, что позволяет создать интегриро­ванные оптоэлектронные схемы. На головке стандартной булавки может раз­меститься свыше 10000 таких микролазеров.

Применение редкоземельных усилителей, о которых уже упоминалось, обещает стать ещё одной перспективной технологией в системах оптической связи. Они усиливают сигнал в широком диапазоне длин волн независимо от модуляции сигнала. Международный телекоммуникационный союз (ГГО -Ъйегпайопа! Те1есотгпитса1юп 1Моп) стандартизировал 43 длины волны в диапазоне от 1,530 до 1,565 мкм, разделённые интервалом 0,8 нм, что соответ­ствует разности несущих оптических частот 100 ГГц. Эти усилители представ­ляют собой отрезки легированного оптоволокна, вращиваемые в основной ка­бель с интервалами, превышающими 300 км (рис. 7.1.). В условиях интенсив­ной лазерной накачки это позволяет усиливать оптический сигнал почти в 10³ раз без промежуточного преобразования его в электрический. Увеличение ко­личества каналов излучений с разными длинами волн, передаваемых по одному оптическому волокну, сопряжено с возрастанием мощности накачки лазеров и увеличением их числа. В настоящее время уже используют до восьми лазеров накачки, мощность излучения которых достигает 150 мВт.

Лазеры для систем оптической памяти - это вторая по объёму область применения инжекционных лазеров. В этом секторе используют лазеры более традиционных конструкций (в частности, арсенид-галлиевые). Они применяют­ся для считывающих оптических устройств типов СО и СВ-К.ОМ (длина волны 0,78 мкм, мощность 5 мВт), записывающих и считывающих устройств типов СВ-К. и СВ-ЮМ (длина волны 0,78 мкм, мощность 30 мВт), считывающих уст­ройств типов ВУВ и ОУВ-К.ОМ (длина волны 0,68 мкм, мощность 5 мВт), маг­нитооптических дисков (длина волны 0,68 мкм, мощность 40 мВт). Большая доля названных применений (до 75%) приходится на устройства типа СВ-КОМ.

89

К числу мощных лазеров относят инжекционные лазеры с мощностью из­лучения более 1 Вт в диапазоне длин волн 0,75 -г- 0,98 мкм. Здесь ведущее по­ложение на рынке продаж занимают лазеры для обработки материалов, на вто­ром месте - издательская техника нового поколения, третье место уверенно за­воевывают лазеры для медицины.

7.5. Светодиоды. Состояние и перспективы развития

Наряду с полупроводниковыми лазерами и в отличие от них, существует широкий и перспективный класс излучательных приборов, имеющих диодную структуру, в которых излучение носит не вынужденный, а спонтанный харак­тер.

Светоизлучающим диодом называют полупроводниковый двухэлектрод-ный прибор со структурой гомо- или гетероперехода, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию некоге­рентного оптического излучения за счёт электролюминесценции рекомбинаци-онного характера при инжекции неравновесных носителей заряда через этот переход.

Это излучение, как правило, охватывает диапазон длин волн 0,4 - 3,0 мкм.

Светодиоды подразделяют на две основные категории:

1. ИК-светодиоды, излучающие в ближней инфракрасной области спектра и предназначенные для применения в оптоэлектронике, в системах сигнализа­ ции, контроля и измерения, в качестве сенсоров и датчиков, в оптических сис­ темах связи и проч.

2. Светоизлучающие диоды или светодиоды видимого диапазона спектра (СИД или в английской транскрипции ЬЕО - Н§Ы:-етщт§ сИойев), которые ис­ пользуются преимущественно как индикаторы для отображения информации.

О масштабах производства и применения СИД можно судить хотя бы по 1995 году, когда их было произведено уже около 35 млрд штук.

Основными параметрами светодиодов являются их эффективность и спектральная характеристика излучения.

Эффективность светодиода г] по существу является его кпд и определяет­ся зависимостью

(7.3)

где пу_та)С - энергия фотона, соответствующая максимуму излучения; т|кв -внешний квантовый выход электролюминесценции; И - внешнее напряжение.

В свою очередь, квантовый выход определяется произведением

(7.4)

Лкв =Лвн '

где г)вн - внутренний квантовый выход люминесценции, зависящий от типа легирования и структуры полупроводника; т^ - коэффициент инжекции; % - коэффициент вывода света, определяющий оптическую эффективность выво­да излучения наружу за пределы активной области светодиода.

К спектральным характеристикам излучения относится диапазон длин волн излучения света и его яркости.

По диапазону длин волн излучения светодиоды подразделяют на не­сколько категорий: ИК-светодиоды (излучающие в инфракрасной области), "красные" СИД (излучающие в красной области видимого спектра), ЗСИД, ЖСИД, ОСИД (излучающие в зелёной, жёлтой и оранжевой областях спектра, соответственно), ГСИД, ССИД, ФСИД (излучающие в голубой, синей и фиоле­товой областях спектра, соответственно).

Основным материалом для ИК-светодиодов и "красных" СИД был и оста­ётся арсенид галлия, а также твёрдые растворы типа Са1._хА1_хА8.

Изготовление ЗСИД, ЖСИД и ОСИД осуществляется на основе фосфида галлия и твёрдых растворов типа ОаА11__хР_х. Определённые перспективы откры­вает применение четверных твёрдых растворов 1пР-ОаР-А1Р, а также соедине­ний ОаК, Са|„_хАШ и Са_х1п_ЬхК.

В качестве базового материала для ГСИД, ССИД и ФСИД до недавнего времени рассматривался карбид кремния. Однако в связи с достижениями в об­ласти МОС-гидридной, жидкофазной и молекулярной эпитаксии стала возмож­ной разработка для этих целей высокоэффективных плёночных структур на ос­нове СаК и систем типа ОаМ-1п1._хОахН-А1_хОа1._хК.

Требования, предъявляемые к показателям качества полупроводниковых материалов для светодиодов, превышают уровень, установленный для других приборов. Прежде всего, необходимо ограничить содержание всех видов де­фектов структуры в активных областях, где происходит излучательная реком­бинация. Главным является условие соблюдения превышения скорости излуча-тельной рекомбинации над скоростью безызлучательной, что предопределяет выбор для светодиодов упомянутых прямозонных полупроводников.

Для увеличения эффективности светодиодов необходимо увеличивать ко­эффициент вывода излучения т)₀. Это достигается применением целого ряда конструктивных и технологических мер:

1. Обычная планарная конструкция р-п-перехода не позволяет получить т]₀ больше 1,5%. Переход от плоской геометрии прибора к использованию чи­ пов с сферическими и эллипсоидальными элементами способствует увеличе­ нию г)₀ до 10 - 30%, однако при этом одновременно сильно усложняется техно­ логия изготовления приборов и повышается их себестоимость. Типичные раз­ меры излучающего кристалла близки к 0,3x0,3x0,2 мм³.

2. Повышению г|о благоприятствует заливка структуры оптически про­ зрачным компаундом с большим показателем преломления и запрессовка в специальную пластмассовую линзу, окрашиваемую подходящим красителем для улучшения контрастности излучения.

90

91

3. Излучающий чип может быть также помещён в фокусе прозрачной эпоксидной линзы и закреплён в миниатюрном отражателе, собирающем свет, выходящий с его боковых и задней граней.

К настоящему времени промышленно освоены преимущественно "крас-ц*>^к СИД и диоды ИК-диапазона, стоимость одного милливатта световой энер­гии которых удалось свести к вполне приемлемой величине - 0,01 долл. Эф­фективность этого класса приборов почти достигла своего предела при сроке службы сотни тысяч часов непрерывной работы. Для СИД сине-голубой облас­ти спектра стоимость световой энергии существенно (почти на два порядка) выше. Тем не менее, ведутся интенсивные поиски новых, более дешёвых тех­нологий изготовления этого вида СИД, так как в этой области спектра световая чувствительность глаза максимальна.

В связи с резким скачком, достигнутым в производстве высокоэффектив­ных и дешёвых СИД, они стали теснить лампы накаливания и люминесцентные лампы в их традиционных областях применения, поскольку позволяют почти в десять раз снизить потребление энергии при одновременном увеличении на­дёжности. Подсчитано, что при переоснащении только общественных зданий полупроводниковыми источниками света в таких странах, как Россия или Гер­мания, можно получить экономию в сотни миллионов киловатт-часов электро­энергии в год. Уже повсеместно осуществляется переход на светофоры, исполь­зующие светодиоды.

Вторым важнейшим направлением расширения областей применения светоизлучающих диодов является создание высокоэффективных полноцвет­ных дисплеев, табло и информационных экранов. Например, в Южной Корее уясе функционирует цветной экран размером 10x15 м², хорошо видимый с большого расстояния в любую погоду.