Особенности оптической электроники
Современная оптическая и квантовая электроника определяют новые возможности как электроники, так и оптики, но не пересматривают их фундаментальные положения. Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона с использованием хорошо развитых методов радиофизики, радиотехники и электроники определяется рядом принципиальных обстоятельств.
1. Частота электромагнитных колебаний (несущая частота v0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне (рис. В.1). Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1015...1013 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот ∆ v ≈ 5 МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ =1 м v0 = 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении ∆v/v0 это число возрастает в миллионы раз.
2. Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет размеры порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И, наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.
Рис. В.1. Шкала электромагнитных волн
3. Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет её функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять "оптический монтаж", исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то, по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.
4. Применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой - возможностью достижения высокой плотности записи (~108 бит/см2) в оптических запоминающих устройствах.
Оптическая связь
Связь - передача информации из одного пункта в другой. Обычно информация передаётся при помощи высокочастотных электромагнитных колебаний (сигналов несущей частоты), которые модулируются низкочастотными информационными сигналами, поступающими на приёмное устройство, где происходит демодуляция и выделение информационного низкочастотного сигнала.
Как правило, в качестве несущей используется частота радиодиапазона 104 - 108 Гц или СВЧ-диапазона 109 - 1012 Гц. Информация передаётся либо через атмосферу (радио-, телесвязь), либо по кабелям (телефон, кабельное телевидение).
Оптической связью человечество пользуется довольно давно: для связи применялись костры на возвышенностях, отражающие зеркала. И сегодня на флоте применяются сигнальные огни (обмен информацией между судами). Пытались излучение пропустить по отполированной внутри металлической трубе, но при этом теряется много света.
Интерес к оптической связи возродился в 60-х годах 20-го столетия. Толчком послужило изобретение лазера, да и радиодиапазон оказался полностью освоенным. При передаче информации необходимо, чтобы частота модуляции была бы в 10.....100 раз меньше несущей частоты. Частоты модуляции занимают некоторую полосу частот, и ширина её тем больше, чем больше объём передаваемой информации. Для передачи речи достаточна полоса от 10 до 1000 Гц, для передачи музыкальных программ - от 10 до 10000 Гц. Это означает, что для передачи музыки несущая частота должна быть ≥ 105 Гц. Для передачи одного телевизионного канала требуется полоса частот около 107 Гц, а несущая частота - ≥ 108 Гц. Даже в СВЧ-диапазоне можно передавать лишь около 100 телепрограмм.
Частота же видимого излучения около 1015 Гц. Если это будет несущая частота, то можно передать значительно большее количество информации. По оптическому каналу связи теоретически возможна одновременно передача 1013 телефонных разговоров или 108 телевизионных программ. Полезная информация, поданная в виде низкочастотных электрических сигналов от микрофона, модулирует излучение источника света. Затем приёмником информация преобразуется в электрический сигнал, усиливается, демодулируется, и полезный сигнал поступает, например, на телефон. Обычно информационные каналы уплотняются, мультиплексируются: несколько телефонных разговоров передаются по одному кабелю, например, со сдвигом по времени. При оптической связи применяют источники излучения с разными длинами волн, при этом используются приёмники излучения также на разные длины волн. В оптических линиях связи можно использовать передачу во встречных направлениях.
Занятие 9
Основы волоконной оптики
В 50-х годах 20-го столетия возникло новое направление в науке - волоконная оптика, наука о распространении оптического излучения по волоконным световодам. Свет распространялся по специальному оптическому жгуту, изготовленному из стеклянных волокон. В то время пропускание световода в видимой области спектра составляло 30-70 % на длине один метр. В стекле имеется много примесей, снижающих его прозрачность. В 70-х годах 20-го столетия произошло второе рождение волоконной оптики, когда появились волоконные световоды на основе кварцевого стекла с оптическими потерями 1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Пропускание составляло ~ 50% при длине волновода в несколько километров.
В волоконных световодах потери световой волны, затухание сигнала, выражается в белах (Б) и децибелах (дБ) на единицу длины (названа в честь А.Белла):
Бел - единица логарифмического уровня энергетической величины р2 (мощность, интенсивность звука или электромагнитной энергии) относительно начального уровня р1 одноименной величины. Если к = 1, то измерения ведутся в Б, если же к = 10, то - в дБ. Потери в оптическом волокне мало зависят от частоты, затухание незначительное даже на частотах вплоть до 10ГГц. На рис. 33 представлено ослабление сигнала в зависимости от частоты модуляции для оптоволокна и двухпроводного медного кабеля.
Ток через металлический кабель течет согласно закону Ома, для переменного тока наблюдается скин-эффект (ток идет по поверхности проводника), с ростом частоты модуляции ослабление сигнала происходит почти по экспоненте.
Что же собой представляет волоконный световод? Это длинная гибкая нить, сердцевина которой состоит из высокопрозрачного диэлектрика с показателем преломления n1 Сердцевина окружена оболочкой с показателем преломления n2 < n1 Характер распространения оптического излучения по волоконному световоду зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Так, например, число типов колебаний (мод), которые могут распространяться по световоду для заданной длины волны излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины 2а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки Δn = n1 - n2.
Уменьшая произведение этих величин, можно добиться распространения по световоду лишь одной моды. В этом случае волоконный световод называется одномодовым. Имеется много типов структур световодов, однако наибольшее распространение получило три типа: многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления; многомодовые с градиентным профилем показателя преломления; одномодовые. В одномодовых световодах обычно 2а ≈ 5 -10 мкм (для ближнего ИК-диапазона), в многомодовых- от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Разность An для многомодовых световодов составляет ~ 1-2%, для одномодовых - несколько десятых долей процента. Полный диаметр световодов составляет ~ 102 -103 мкм.
Распространение света по волоконному световоду обусловлено полным внутренним отражением света на границе сердцевина-оболочка. Когда были учтены волновые свойства света, было обнаружено, что из континуума световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения от границы направляющей структуры только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовывать направляемые волны структуры. Кроме полного внутреннего отражения, эти лучи должны удовлетворять ещё условию, которое заключается в том, что после двух последовательных переотражений от стенок соответствующие лучам волны должны быть в фазе и таким образом интерферировать при наложении друг на друга. Только когда волны удовлетворяют такому фазовому условию, они будут подчиняться структуре и формировать самосогласованное распределение поля направленных волн (мод). Если это условие не выполняется, волны интерферируют так, что гасят сами себя и исчезают. Квантование волн в дискретный ряд направляемых мод было обнаружено только тогда, когда были решены уравнения Максвелла для некоторых частных видов направляющих структур. Лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом < Q испытывают полное внутреннее отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода . При этом угол падения луча на торец световода составляет n1Q. Меридиальные лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом >Q, частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку. Синус угла Q называют числовой апертурой волоконного световода. Для устранения волн, бегущих по оболочке, световод снабжают второй поглощающей оболочкой. Она вызывает быстрое затухание паразитных волн. Полную картину распространения света по волоконному волноводу даёт волновая теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод. Каждая мода представляет собой колебание, которое характеризуется определённой пространственной структурой электрического и магнитного полей и соответствующей постоянной распространения, т. е. фазовой скоростью.
Распространение света по световоду сопровождается такими оптическими явлениями, как затухание оптического сигнала, уширение коротких импульсов света, различные нелинейные процессы. Затухание оптического сигнала в волоконном световоде, где кварцевые стёкла имеют максимальную прозрачность, определяется как фундаментальными механизмами поглощения и рассеяния света в стёклах, так и поглощением примесями и дефектами структуры.
К фундаментальным механизмам оптических потерь в кварцевых стёклах относятся: поглощение, обусловленное электронными переходами; ИК-поглощение, обусловленное колебаниями решётки, которое начинает играть существенную роль лишь на λ > 1.8 мкм; релеевское рассеяние света на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших λ. Таким образом, наибольшей прозрачностью волоконный световод на основе кварцевого стекла обладает в области 0.8 -1.8 мкм.
Уширение оптических импульсов при распространении по волоконному световоду приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информационную полосу пропускания световода. Наибольший вклад в уширение импульсов в многомодовых системах вносит межмодовая дисперсия - различная групповая скорость распространения различных мод. Различие групповых скоростей мод можно значительно снизить, обеспечив плавное изменение показателя преломления по закону, близкому к параболическому, с максимумом на оси световода.
Волоконные световоды в области λ ~ 1.3 мкм позволяют передавать сигналы с полосой пропускания ~ 100 ГГц при потерях < 1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к электромагнитным помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает сэкономить дефицитные
цветные металлы. Немалую роль играет полное отсутствие излучения из световода во внешнюю среду, что исключает возможность перехвата информации. Волоконные системы применяются в телефонных сетях, кабельном телевидении, бортовой связи, вычислительной технике, системах контроля и управления технологическими процессами.
Волоконно-оптическая линия связи состоит из трёх основных модулей:
· - передающего - модулятор, источник излучения (светодиод, лазер);
· - приёмного - р- i-n-диод и система обработки сигнала;
· - транслирующего - элементы ввода излучения, само волокно, элемент связи с фотоприёмником.
Для передачи света на большие расстояния используются оптические кабели. При их изготовлении отдельные волокна покрываются тонкими полимерными плёнками, затем собираются в жгут, который покрывается оболочкой. Снаружи на кабель наносится оплётка, защищающая его от механических повреждений. Для ввода излучения в световод используются линзы. Вместо обычных линз применяются так называемые градиентные линзы (граданы), в которых фокусное расстояние уменьшается не за счёт геометрии, а за счёт использования материалов с плавно изменяющимся показателем преломления. Градиентные стержневые линзы используются для создания мультиплексоров и демультиплексоров.
Наиболее впечатляющим достижением явился ввод в 1988 г. трансатлантической волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) между США и Европой длиной 7 000 км. Эта линия обеспечивает возможность вести одновременно 40 000 телефонных разговоров. Ведутся работы по сооружению тихоокеанской ВОЛС от Японии до Гавайских островов длиной 12000 км. Через нашу страну прокладывается ВОЛС от границы с Эстонией до Тихого океана и далее в Японию. Она замкнёт кольцо ВОЛС вокруг Земного шара. При передаче информации на большие расстояния в волноводной линии устанавливаются ретрансляторы, состоящие из пары фотоприёмник с усилителем -лазер. Есть сообщение, что в Японии имеется ВОЛС длиной 300 км без ретранслятора, но при гетеродинном приёме излучения.
Из других применений световодов в первую очередь необходимо упомянуть о волоконно-оптических гироскопах - оптического измерителя угловых скоростей (эффект Саньяка). Широкая область применения световодов -датчики физических величин, основанные на изменении свойств световода при воздействии температуры, давления, магнитного поля. Волоконно-оптические изделия широко применяются для переноса изображения. Для этого множество световодов собираются в гибкий жгут, концы которого спекаются в монолит и подвергаются оптической обработке. Такие жгуты используются в эндоскопах для медицины.
Оптический световод в полупроводниковой структуре позволил многократно повысить мощность полупроводниковых лазеров. Ж. И. Алфёровым в начале 70-х была предложена и реализована такая идея. Для этого активный слой арсенида галлия в объёме кристалла помещается между двумя слоями с меньшим показателем преломления. Такая структура получила название двойной гетероструктуры.
В настоящее время предпринимаются усилия по созданию волоконных световодов для более далёкой ИК-области спектра. Изучаются волокна на основе халькогенидных стекол.
Занятие 10