Курс лекций Фотоника из

181

рах информация представляется в виде ограниченного числа цифр, например 1 или 0. Такой способ представления информации называется цифровым.

В том случае, когда речь идет об аналоговых оптических компьютерах, часто термин «аналоговый» употребляется в двух смыслах. Во-первых, он означает непрерывную величину, характеризующую каждую точку в окружающем пространстве (например, интенсивность света). Другими словами, какую бы точку в пространстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке изменяется непрерывно.

Во-вторых, термин «аналоговый» означает, что объектом являются все точки непрерывных координат, а не дискретное (точечное) представление всей информации в окружающем пространстве, как это делается при обработке изображений в современных компьютерах. Если информация, являющаяся объектом обработки, медленно изменяется в пространстве, то обработку можно осуществлять в дискретных координатах; однако если взять способ одновременной обработки по всем точкам, не прибегая к подобной дискретизации, то степень пространственного изменения информации не будет играть роли. Можно сказать, что в этом смысле свет вполне соответствует термину «аналоговый».

Обсудим основные методы аналоговых вычислений, производимых в аналоговых оптических компьютерах, с использованием основных законов оптики. Прежде всего, обратимся к рис. 9.3, поясняющему, как с помощью светового луча можно выполнять хорошо знакомые всем нам операции сложения и умножения.

На рис. 9.3 а, б показано, как несколько световых лучей собираются в одной точке. В данном случае собираются три луча: А, В и С, и если измерить интенсивность света в этой точке, то легко догадаться, что полученное значение представляет собой сумму интенсивностей лучей А, В и С. Если воспользоваться линзой, то можно облегчить фокусировку лучей, т.е. еще более упростить выполнение операции сложения.

182

Рис.9.3. Основные аналоговые оптические операции: а — сложение; б —

сложение с помощью линзы; в — умножение на основе эффекта

пропускания света; г — умножение на основе эффекта отражения света.

Следует отметить, что такие простейшие операции сложения возможны лишь при использовании частичнокогерентных световых пучков, сложение когерентных происходит с учетом фазовых характеристик - поскольку складываются не интенсивности, а амплитуды падающих волн. Однако в этом случае возможно управление результатом сложения и выполнять вычисления, более сложные и с более высокой точностью.

Теперь рассмотрим операции умножения и деления. Такие операции возможны с использованием оптических элементов с управляемой прозрачностью Т (отношением интенсивности выходного светового луча I к интенсивности входного I/), например, с использованием свойств жидких кристаллов, либо с управляемым коэффициентом отражения R, на основе свойств полупроводников. И в этом случае, так же как и при сложении, при использовании когерентного лазерного луча умножаются амплитуды, а не интенсивности.

Основными операциями аналогового оптического компьютера являются только две операции - сложение и умножение, однако одни лишь эти операции не позволяют выполнять сложных вычислений. Как уже упоминалось ранее, отличительным свойством света является способность его равномерного распространения во всех направлениях. Благодаря этой особен-

183

ности появляется возможность параллельной (одновременной) обработки больших объемов информации, и в этом смысле применение оптического компьютера имеет большое значение, однако для этого недостаточно использовать лишь свойство прямолинейного распространения света. Необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление (рефракция) и дифракция, лежащими в основе работы линз и дифракционных элементов (решеток, голограмм).

Рассмотрим свойства линз, которые играют центральную роль в аналоговых оптических компьютерах. Тонкая линза представляет собой простейший оптический прибор с двумя сферическими поверхностями. Как показано на рис. 9.4, если перед линзой, например с левой стороны (входная плоскость), поместить некоторый предмет, то с противоположной стороны мы получим перевернутое и уменьшенное изображение того же предмета. Аналоговая операция инвертирования и масштабирования произведена со скоростью света - попробуйте провести такую же операцию с данным оптическим изображением (имеющем размер 6x12 см, обладающем 60000x120000 элементами разрешения, что соответствует минимально 7,2 Гб используя программу, например Adobe Photoshop).

Рис.9.4. Операция инвертирования и масштабирования, выполняемая линзой

при построении изображения.

Если входная и выходная плоскости оптической системы совпадают с передней и задней фокальной плоскостями сферической линзы и на вход такой системы поступает оптический сигнал U1(x1,y1), то на выходе появляется сигнал, связанный со входным сигналом следующим соотношением:

184

(9.1)

Таким образом, выходной сигнал рассматриваемой простейшей оптической системы с точностью до постоянного множителя совпадает с фурье-образом входного сигнала. Следует отметить, что фурье-образ входного оптического сигнала существует в виде физически реального пространственного распределения комплексных амплитуд света. Благодаря этому когерентные оптические системы могут быть эффективно использованы для решения широкого круга задач, связанных с получением, преобразованием и обработкой фурье-спектров, корреляцион-

преобразование транспаранта, содержащего изображения полос А В С D с различным периодом (пространственной частотой) и ориентацией (рис.9.5).

Рис. 9.5. Оптическая система, осуществляющая двумерное Фурье-преобразование.

Отметим следующие свойства устройства:

каждой пространственной частоте изображений в Фурьеплоскости (частотной плоскости) соответствует две точки (действительная и мнимая), например для А это точки а и а/ (вертикальные полосы – точки по горизонтали) или для В это точки b и b' (полосы под углом 45° - точки по диагонали, перпендикулярной направлению полос);

185

чем выше пространственная частота (меньше расстояние между полосами), тем на большем расстоянии от центра располагаются точки (сравни А и С);

расположение полос в частотной области отражает ориентацию полос, но не место этих полос в плоскости изображения.

Поскольку фурье-образы двухмерных оптических сигналов реализуются в виде реальных физических сигналов с помощью простейшей оптической системы, над ними можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. Оптическая система обработки информации методами пространственной фильтрации (рис. 9.6) состоит из следующих компонентов: источника света S, двух последовательно расположенных простейших систем преобразования Фурье, устройства ввода информации, пространственного операционного фильтра и детектора выходных сигналов. Устройство ввода информации, операционный фильтр и детектор выходных сигналов располагаются соответственно во входной (x1,y1), спектральной (хн,ун) и выходной (х0 ,у0) плоскостях системы. Плоскости имеют одинаковые масштабы.

Рис. 9.6 Линза Л2 осуществляет преобразование Фурье

сигнала, созданного транспарантом, поэтому в спектральной плоскости системы непосредственно перед операционным фильтром распределение комплексных амплитуд света пропорционально фурье-образу входного сигнала, т.е.

186

(9.2)

Амплитудный коэффициент пропускания операционного фильтра

(9.3)

Функция Н соответствует математической операции, которую необходимо выполнить над входным сигналом, ее называют передаточной функцией фильтра. В результате пространственной фильтрации получается сигнал, описываемый распределением комплексных амплитуд:

(9.4)

Отфильтрованный сигнал подвергается повторному преобразованию Фурье с помощью линзы Лз. В результате в выходной плоскости системы свет будет иметь распределение:

(9.5)

Направления координатных осей в выходной плоскости системы выбраны противоположно направлениям осей координат во входной плоскости для того, чтобы учесть инверсию, которая получается в результате двух последовательных преобразований Фурье и выражается соотношением

. Соотношение (9.5) можно записать в виде свертки:

187

(9.6)

где) - обратное преобразование Фурье передаточной функции фильтра.

Таким образом, оптическая система, представленная на рис. 9.6, способна выполнять линейные интегральные преобразования типа свертки, описываемые уравнением (9.6). В частном случае, когда Н = 1, искомая система превращается в систему, создающую изображение входного сигнала. Так как входной сигнал оптической системы является финитным, ее фурье-образ имеет неограниченную протяженность. Поэтому ошибка в выходном сигнале оптической системы, обусловленная потерей части фурье-образа, соответствующей высоким пространственным частотам, неизбежна. Сейчас была рассмотрена оптическая система аналогового процессора, предназначенного для параллельной обработки двумерных сигналов. На практике часто приходится иметь дело с одномерными сигналами. Оптическая система когерентного аналогового процессора, способного параллельно обрабатывать множество одномерных сигналов, представлена на рис. 9.7. Такой процессор называют астигматическим.

Рис. 9.7. Когерентный аналоговый астигматический процессор, реализующий произвольное матричное преобразование входного вектора-строки в выходной вектор-столбец.

188

Здесь LEDлинейка светоизлучающих диодов. Они расположены на фокальной линии цилиндрической линзы L1. T- оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания T(i,j). Строки матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 - цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного линейного фотоприемника D. Нетрудно видеть, что входной X и выходной Y вектора связаны линейным преобразованием

В качестве другого примера практического использования аналоговых оптических компьютеров рассмотрим операционные устройства, выполняющие операции со множеством числовых данных.

Объектом операций, или данными, будем считать вектор, состоящий из n чисел, и двумерную матрицу размерностью n х n. На рис. 9.8 показан пример структуры базового оптического арифметического устройства, выполняющего умножение вектора и матрицы при n = 3.

Рис. 9.8. Принцип действия оптического операционного устройства, выполняющего умножение вектора на матрицу.

Слева показаны три источника света, расположенные горизонтально. В центре расположена маска, имеющая форму решетки размером 3x3, а справа — вертикально три оптических датчика. Кроме того, создадим оптическую систему таким образом, чтобы свет, излучаемый одним из источников, например X1

189

распространялся веерообразно по вертикали, как показано на

рисунке, и падал только на часть маски (в данной схеме оптическая система не показана). Свет от соседнего с X1 источника Х2 распространяется также вертикально веерообразно и падает на соседние участки маски

и до других участков не доходит. Интенсивность света, прошедшего через маску, определяется произведением интенсивности входного луча на коэффициент пропускания аи данной маски.

Далее, свет, прошедший через маску, фокусируется с помощью другой оптической системы (также не показанной на рисунке), но только по горизонтали. Световые лучи, прошедшие

через элементы в верхней части маски, достигают только самого верхнего оптического датчика у\. Аналогично световые лучи, прошедшие через второй ряд ячеек

маски достигают только датчика у2. В конечном итоге интенсивность света в i-ш оптическом датчике будет определяться суммой трех произведений Gjf, и Xj (см. формулу, приведенную на рис. 9.8), которая по определению представляет собой произведение вектора х на матрицу а.

Разумеется, число элементов п вектора и матрицы не обязательно может равняться трех, оно может быть любым. Возможность параллельной (одновременной) обработки множества данных можно назвать классической отличительной чертой аналогового оптического компьютера. Этот принцип впервые был предложен в 1975 г. в Станфордском университете (США) и лег в основу многих оптических информационных устройств, разработанных впоследствии, в частности в основу первого коммерческого цифрового оптического компьютера Enlight256, представленного компанией "Lenslet" в октябре 2003 г.

190

Лекция 15 Кремниевые оптические элементы Кремниевые оптические модуляторы

Кремниевый лазер непрерывного действия на эффекте Рамана

Гибридный кремниевый лазер

Кремниевые оптические элементы.

В научно-исследовательской работе корпорации Intel одним из главных направлений является кремниевая фотоника. Очередным прорывом компании в этой области стало создание первого в мире гибридного кремниевого лазера с электрической накачкой.

Теперь фактически открыт путь для создания оптических усилителей, лазеров и преобразователей длины волны света с использованием хорошо отработанной технологии производства кремниевых микросхем. Постепенно «силиконизация» фотоники становится реальностью и в будущем даст возможность создавать недорогие высокопроизводительные оптические цепи, позволяющие осуществлять обмен данными как внутри, так и снаружи ПК.

Оптические системы связи имеют определенные преимущества по сравнению с традиционными кабельными системами, главным из которых является их огромная пропускная способность. К примеру, используемые сегодня оптические волокна в системах связи могут одновременно передавать до 128 различных потоков данных. Теоретический предел скорости передачи данных по оптоволокну оценивается в 100 трлн бит в секунду. Для того чтобы представить эту громадную цифру, приведем простое сравнение: такой пропускной способности вполне достаточно, чтобы обеспечить передачу телефонных переговоров одновременно всех жителей планеты. Поэтому вполне понятно, что оптические системы связи привлекают к себе пристальное внимание всех научно-исследовательских лабораторий.

191

Для передачи информации с использованием светового излучения необходимо иметь несколько обязательных компонентов: источники излучения (лазеры), модуляторы световых волн, посредством которых в световую волну закладывается информация, детекторы и оптоволокно для передачи данных.

С помощью нескольких лазеров, излучающих волны различной длины, и модуляторов можно посредством одного оптоволокна передавать одновременно множество потоков данных. На приемной стороне для обработки информации используются оптический демультиплексор, выделяющий из пришедшего сигнала несущие с различной длиной волны, и оптические детекторы, позволяющие преобразовать оптические сигналы в электрические. Структурная схема оптической системы связи показана на рис. 24.12.

Рис. 24.12. Структурная схема оптической системы связи Исследования в области оптических систем связи и оптических цепей начались еще в 1970-х годах — тогда оптические цепи представлялись как некий оптический процессор или

192

супероптический чип, в котором воедино интегрировались и передающее устройство, и модулятор, и усилитель, и детектор, и все необходимые электронные компоненты. Однако практической реализации этой идеи мешало то обстоятельство, что компоненты оптических цепей изготавливались из разных материалов, поэтому интегрировать в единую платформу (чип) на основе кремния все необходимые компоненты было невозможно. Несмотря на триумф кремния в области электроники, его применение в оптике казалось весьма сомнительным.

Изучение возможности использования кремния для оптических цепей ведется на протяжении уже многих лет — со второй половины 1980-х годов. Однако особого прогресса за это время достигнуто не было. По сравнению с другими материалами попытки применения кремния для построения оптических цепей не приносили ожидаемых результатов.

Дело в том, что из-за особенностей структуры запрещенной зоны кристаллической решетки кремния рекомбинация зарядов в нем приводит в основном к тепловыделению, а не к излучению фотонов, что не позволяет применять его для создания полупроводниковых лазеров, являющихся источниками когерентного излучения. В то же время в таких полупроводниках, как арсенид галлия или фосфид индия, энергия рекомбинации высвобождается главным образом в виде инфракрасных фотонов, следовательно, эти материалы могут служить источниками фотонов и использоваться для создания лазеров.

Другая причина, препятствующая применению кремния в качестве материала для создания оптических цепей, заключается в том, что кремний не обладает линейным электрооптическим эффектом Поккельса, на основе которого построены традиционные быстрые оптические модуляторы. Эффект Поккельса заключается в изменении коэффициента преломления света в кристалле под воздействием приложенного электрического поля. Именно за счет этого эффекта можно осуществлять модуляцию света, поскольку изменение коэффициента преломления вещества соответствующим образом приводит к изменению фазы проходящего излучения.

193

Эффект Поккельса проявляется только у пьезоэлектриков и за счет малой инертности теоретически позволяет осуществлять модуляцию света вплоть до частоты 10 ТГц. Кроме того, вследствие линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики.

Другие оптические модуляторы основаны на таких эффектах, как электропоглощение (electro-absorption) или электропреломление (electro-refrection) света под воздействием приложенного электрического поля, однако и эти эффекты в кремнии выражены слабо.

Модуляция света в кремнии может быть получена на основе термоэффекта. То есть при изменении температуры кремния меняются его коэффициент преломления и коэффициент поглощения света. Тем не менее из-за наличия гистерезиса такие модуляторы довольно инертны и не позволяют получать скорость модуляции выше нескольких килогерц.

Другой способ модуляции излучения на основе кремниевых модуляторов основан на эффекте поглощения света на свободных носителях (дырках или электронах). Этот способ модуляции также не позволяет получить высоких скоростей, поскольку связан с физическим движением зарядов внутри кремниевого модулятора, что само по себе является инертным процессом. В то же время стоит отметить, что кремниевые модуляторы на основе описанного эффекта теоретически могут поддерживать скорость модуляции вплоть до 1 ГГц, однако на практике пока реализованы модуляторы лишь со скоростью до 20 МГц.

При всех сложностях использования кремния в качестве материала для оптических цепей в последнее время в этом направлении наметились существенные сдвиги. Как выясни-

лось, легирование кремния эрбием (Er) изменяет структуру запрещенной зоны таким образом, что рекомбинация зарядов сопровождается излучением фотонов, то есть появляется возможность использовать кремний для получения полу-

проводниковых лазеров. Первый коммерческий лазер на основе легированного кремния был создан компанией ST Micro- elect-ronics. Перспективным также является применение полу-

194

проводниковых перестраиваемых лазеров, продемонстрированных компанией Intel еще в 2002 году. Такие лазеры использу-

ют в качестве резонатора интерферометр Фабри-Перо и излучают на нескольких частотах (многомодовый режим). Для выделения монохроматического излучения служат специальные внешние фильтры на основе дифракционных решеток (дисперсионные фильтры) — рис. 24.13.

Рис. 24.13. Перестраиваемые лазеры с фильтрами на основе дисперсионных решеток

Получаемая система лазера с внешним дисперсионным резонатором позволяет перестраивать длину волны излучения. Традиционно для получения требуемой длины волны используется прецизионная настройка фильтров относительно резонатора.

Вкорпорации Intel смогли создать перестраиваемый лазер, в котором вообще отсутствуют подвижные части. Он состоит из недорогого многомодового лазера с решеткой, внедренной внутрь волновода. Изменяя температуру решетки, можно настраиваться на определенную длину волны, то есть осуществлять переключение между отдельными модами лазера.

Кремниевые оптические модуляторы.

Вфеврале 2004 года компания Intel сделала очередной прорыв в области кремниевой фотоники, продемонстрировав первый в мире кремниевый оптический фазовый модулятор на частоте 1 ГГц.

Этот модулятор основан на эффекте рассеивания света на свободных носителях заряда и по своей структуре во многом напоминает CMOS-транзистор на основе технологии SOI (кремний на изоляторе). Структура оптического фазового модулятора показана на рис. 24.14.

195

Рис. 24.14. Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора

На подложке кристаллического кремния со слоем изолятора (диоксида кремния) располагается слой кристаллического кремния n-типа. Далее следует слой диоксида кремния, в центре которого располагается слой поликристаллического кремния p- типа, который выполняет функцию волновода. Этот слой отделен от кристаллического кремния n-типа тончайшим слоем изолятора (диэлектрик затвора), толщина которого составляет всего 120 ангстрем. Для того чтобы минимизировать рассеивание света за счет контакта с металлом, металлические контакты отделены от слоя оксида кремния тонким слоем поликристаллического кремния с обеих сторон от волновода.

Когда к управляющему электроду прилагается положительное напряжение, по обеим сторонам диэлектрика затвора индуцируется заряд, причем со стороны волновода (поликристаллический кремний p-типа) это дырки, а со стороны кремния n-типа — свободные электроны.

В присутствии свободных зарядов в кремнии изменяется коэффициент преломления кремния. Изменение коэффициента преломления вызывает, в свою очередь, фазовый сдвиг проходящей световой волны.

Рассмотренный выше модулятор позволяет производить именно фазовую модуляцию опорного сигнала. Для того чтобы превратить фазовую модуляцию в амплитудную (сигнал, модулированный по фазе, трудно детектировать в отсутствие опорного сигнала), в оптическом модуляторе дополнительно используется интерферометр Маха-Зендера (MZI), имеющий два плеча,

196

в каждом из которых интегрирован фазовый оптический моду-

лятор (рис. 24.15).

Рис. 24.15. Структурная схема оптического модулятора Применение фазовых оптических модуляторов в обоих плечах интерферометра позволяет обеспечить равенство опти-

ческих длин плеч интерферометров.

Опорная световая волна, распространяющаяся по оптоволокну, разделяется с помощью Y-разветвителя на две когерентные волны, каждая из которых распространяется по одному из плеч интерферометра. Если в точке соединения плечей интерферометра обе волны синфазны, то в результате сложения этих волн получится та же волна (потерями в данном случае пренебрегаем), что и до интерферометра (конструктивная интерференция). Если же волны складываются в противофазе (деструктивная интерференция), то результирующий сигнал будет иметь нулевую амплитуду.

Такой подход позволяет осуществлять амплитудную модуляцию несущего сигнала — прикладывая напряжение к одному из фазовых модуляторов, фазу волны в одном из плеч интерферометра меняют на φ или не меняют вовсе, обеспечивая тем самым условие для деструктивной или конструктивной интерференции. Таким образом, прикладывая напряжение к фазовому модулятору с частотой ν, можно осуществлять амплитудную модуляцию сигнала с той же самой частотой ν.

Как уже отмечалось, кремниевый оптический модулятор компании Intel, продемонстрированный в феврале 2004 года, был способен модулировать излучение на скорости 1 ГГц. Впо-

197

следствии, в апреле 2005 года, компания Intel продемонстрировала модулятор, функционирующий уже на частоте 10 ГГц.

Кремниевый лазер непрерывного действия на эффекте Рамана.

В феврале 2005 года компания Intel объявила об очередном технологическом прорыве — создании кремниевого лазера непрерывного действия на эффекте Рамана.

Эффект Рамана используется уже достаточно давно и находит широкое применение для создания усилителей света и лазеров на основе оптического волокна.

Принцип действия подобных устройств заключается в следующем. Лазерное излучение (излучение накачки) с длиной волны заводится в оптическое волокно (рис. 24.16). В оптическом волокне фотоны поглощаются атомами кристаллической решетки, которые в результате начинают «раскачиваться» (образуются колебательные фононы), а кроме того, образуются фотоны с меньшей энергией. То есть поглощение каждого фотона с длиной волны λ=1,55мм приводит к образованию фонона и фотона с длиной волны λ=1,63мм.

Рис. 24.16. Принцип действия усилителя света за счет эффекта Рамана

Теперь представим, что существует также модулированное излучение, которое заводится в то же самое волокно, что и излучение накачки, и приводит к индуцированному излучению фотонов. В результате излучение накачки в таком волокне постепенно преобразуется в сигнальное, модулированное, усиленное излучение, то есть достигается эффект оптического усиле-

ния (рис. 24.17).

198

Рис. 24.17. Использование эффекта Рамана для усиления модулированного излучения в оптическом волокне

Проблема, однако, заключается в том, что для подобного преобразования пучка накачки в сигнальное излучение и соответственно усиления сигнального излучения требуется, чтобы и сигнальное излучение, и излучение накачки прошли по оптоволокну несколько километров. Безусловно, схемы усиления на основе многокилометрового оптоволокна нельзя назвать простыми и дешевыми, вследствие чего применение их существенно ограничено.

В отличие от стекла, которое составляет основу оптоволокна, эффект Рамана в кремнии выражен в 10 тыс. раз сильнее, и для достижения того же результата, что и в оптоволокне, достаточно, чтобы излучение накачки и сигнальное излучение распространялись вместе всего на расстояние в несколько сантиметров. Таким образом, использование эффекта Рамана в кремнии позволяет создавать миниатюрные и дешевые усилители света или оптические лазеры.

Процесс создания кремниевого оптического усилителя, или лазера на эффекте Рамана, начинается с создания оптического кремниевого волновода. Этот технологический процесс ничем не отличается от процесса создания традиционных CMOS-микросхем с применением кремниевых подложек, что, конечно же, является огромным преимуществом, поскольку значительно удешевляет сам процесс производства.

199

Излучение, заводимое в такой кремниевый волновод, проходит всего несколько сантиметров, после чего (вследствие эффекта Рамана) полностью преобразуется в сигнальное излучение с большей длиной волны.

Входе экспериментов выяснилось, что мощность излучения накачки целесообразно увеличивать только до определенного предела, поскольку дальнейшее увеличение мощности приводит не к усилению сигнального излучения, а, наоборот, к его ослаблению. Причиной этого эффекта является так называемое двухфотонное поглощение, смысл которого заключается в следующем. Кремний — оптически прозрачное вещество для инфракрасного излучения, поскольку энергия фотонов инфракрасного излучения меньше ширины запрещенной зоны кремния и ее не хватает для перевода атомов кремния в возбужденное состояние с высвобождением электрона. Однако если плотность фотонов велика, то может возникнуть ситуация, когда одновременно два фотона сталкиваются с атомом кремния. В этом случае их суммарной энергии достаточно для перевода атома с высвобождением электрона, то есть атом переходит в возбужденное состояние с поглощением одновременно двух фотонов. Такой процесс называется двухфотонным поглощением.

Свободные электроны, образующиеся в результате двухфотонного поглощения, в свою очередь, поглощают как излучение накачки, так и сигнальное излучение, что приводит к сильному ослаблению эффекта оптического усиления. Соответственно чем выше мощность излучения накачки, тем сильнее проявляется эффект двухфотонного поглощения и поглощения излучения на свободных электронах. Негативное последствие двухфотонного поглощения света длительное время не позволяло создать кремниевый лазер непрерывного действия.

Вкремниевом лазере, созданном в лаборатории Intel, впервые удалось избежать эффекта двухфотонного поглощения излучения, точнее не самого явления двухфотонного поглощения, а его негативного последствия — поглощения излучения на образующихся свободных электронах. Кремниевый лазер представляет собой так называемую PIN-структуру (P-type — Intrinsic — N-type) (рис. 24.18). В такой структуре кремниевый волновод встраивается внутрь полупроводниковой структуры с

200

P- и N-областью. Такая структура подобна схеме планарного транзистора со стоком и истоком, а вместо затвора интегрируется кремниевый волновод. Сам кремниевый волновод образуется как прямоугольная в поперечном сечении область кремния (коэффициент преломления 3,6), окруженная оболочкой из оксида кремния (коэффициент преломления 1,5). Благодаря такой разнице в коэффициентах преломления кристаллического кремния и оксида кремния удается сформировать оптический волновод и избежать потерь излучения за счет поперченного распространения.

Рис. 24.18. PIN-cтруктура кремниевого лазера непрерывного действия

Используя такую волновую структуру и лазер накачки мощностью в доли ватта, удается создать излучение в волноводе с плотностью порядка 25 MВт/см2, что даже больше плотности излучения, которую можно получить с помощью мощных полупроводниковых лазеров. Рамановское усиление при такой плотности излучения не слишком велико (порядка нескольких децибел на сантиметр), однако этой плотности вполне достаточно для реализации лазера.

Для того чтобы устранить негативное последствие поглощения излучения на свободных электронах, образующихся в волноводе в результате двухфотонного поглощения, кремниевый волновод размещается между двумя затворами. Если между этими затворами создать разность потенциалов, то под воздействием электрического поля свободные электроны и дырки бу-