|
| |
|
Слаботочка Книги общем случае длин волн выходного и входного потоков (XstXi) обусловлено возможными нелинейными преобразованиями в среде. Переход из одного состояния в другое нередко носит гисте-резисный характер. Анализ передаточных характеристик устройства показывает, что оно может использоваться в качестве элемента памяти {nf)M характеристике вида, приведенного на рис. 7.14,6), ключа (при любом виде характеристик на рис. 7.14,6, е), усилителя (на линейном участке характеристики рис. 7.14,е). Проводя аналогию с обычным транзистором, укажем, что световые потоки /ь h, h подобна .-электрическим токам эмиттера, базы и коллектора соответственио. Заметим, что на рис. 7Л4,а показан общий случай; чаще всего потоки /j и /2 совпадают (по направлению и длине волны), т. е. h = представляет собой приращение в.ходного потока. Типовой способ реализации оптической бистабильности - возбуждение когерентным потоком резонатора Фабри - Перо с помещенной в него средой, показатель преломления которой зависит от интенсивности света, например по закону п = по + у1и где у - константа. При достижении условий резонанса mki/2 = nL (L - длина резонатора; т-целое число) структура становится прозрачной. К возникновению бистабильности ведет и заполнение резонатора веществом с меняющимся коэффициентом поглощения, например, по закону х = Хо[1+/1 0] где -хо и /о - константы, не зависящие от /ь исследуются и другие нелинейные эффекты. Наиболее перспективными материалами для оптических транзисторов являются полупроводники: у многих -из них (InSb, GaAAs, Ge, ZnS, ZnSe, CdSe, CdS и др.) обнаружены нелинейности одного из рассмотренных видов и, кроме того, они удобны для изготовления интeгpaльнo-oптичecки: структур. Оптические транзисторы как основа универсальных цифровых процессоров характеризуются сочетанием ряда уникальных свойств, таких как функционирование на основе оптических эффектов без электронных преобразований и обусловленное этим отсутствие паразитных реактивностей, связей, наводок; сверхвысокое (до lO~ с) быстродействие; возможность реализации многоуровневой логики; избирательность воздействия на каждый из поступающих в устройство световых лучей, которые в отличие от электрических сигналов не смешиваются; возможность многоканальной параллельной обработки информации и реализации принципиально новых функций (например, различная обработка одного и того же сигнала, расщепленного на входе). Интегральная оптика дает удобные технологические средства для эффективной приборной реализации оптической бистаби,- юности: это малое поперечное сечение оптических волноводов, а также возможность последовательного выращивания большого числа полупроводниковых слоев. Важнейшим для интегральной оптики явилось открытие оптической бистабильности в многослойных квантово-размеркых структурах. По существу такая структура представляет собой сверхре- шетку, состоящую из большого числа (до нескольких тысяч) чередующихся сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны (обычно GaAs и GaAlAs). Сверху и снизу к структуре подводятся электрические контакты, к которым прикладывается обычное для полупроводниковых диодов напряжение смещения. Оказывается, такие структуры обладают собственным электрооптическим эффектом. В темповом состоянии в слоях с меньшей шириной запрещенной зоны концентрируются электроны и дырки, причем существование квантовых (потенциальных) ям удерживает эти носители в связанном, экситонном состоянии. При воздействии внешнего лазерного излучения экситоны начинают распадаться, образующиеся электроны и дырки уменьшают проводимость этих слоев, что приводит к перераспределению внешнего напряжения между слоями. В результате меняются оптические свойства слоев с большей шириной запрещенной зоны. Описанный процесс носит регенеративный характер (благодаря внутренней положительной обратной связи), вследствие чего и возникает оптическая бистабильность. Описанное устройство характеризуется «вертикальной интеграцией», выходящее из структуры излучение пригодно для запуска последующего устройства, расположенного вслед за первым. Разработаны также многослойные квантово-размерные структуры, в которых бистабильность возникает при распространении оптической волны вдоль слоев. Малые геометрические размеры структур позволяют иметь пороги переключения на уровне десятков пико-ватт. Основные концепции. Перспективы развития современной интегральной оптики следует рассматривать в аспекте сопоставления принципиальных достоинств и недостатков данного направления и оценок его предельных возможностей. Поскольку часто одно и то же свойство ИО-элемента может проявляться и как достоинство, и как недостаток в зависимости от решаемой задачи, будем говорить об особенностях интегральной оптики в сопоставлении с «объемной» оптикой, с одной стороны, и с «кремниевой» микроэлектроникой- с другой. Первая важнейшая особенность заключается в планарности, плоскостности ИО-элементов, использовании при их изготовлении хорошо разработанных технологических процессов традиционной микроэлектроники, таких как ионные имплантация и травление, диффузия, фотолитография и др. Отсюда компактность, надежность, технологичность, низкая стоимость, принципиально достижимые для ИО-устройств. Правда, до настоящего времени не удалось найти единый материал, на основе которого было бы возможно изготовить ИО-схему (как на кремнии в микроэлектронике), поэтому большинство созданных устройств гибридны. Нахождение единого материала, а им может быть только полупроводник, является важнейшей задачей, стоящей перед интегральной оптикой. Лишь пассивные ИО-схемы (наборы волноводов с коммутационны- ми элеммтами) могут выполняться по монолитной технологии и обладать\1еречисленными достоинствами. Вторая\особенность интегральной оптики состоит в том, что носителем информации является когерентная световая волна, а не поток электрХ)нов (как в электронных схемах) и не «шумовой» поток фотонов (как в некогерентной оптоэлектронике). Отсюда следуют такие важные достоинства, как сверхвысокая емкость ИО-каналов передачи информации, помехозащищенность, электрическая развязка. Исключительно важна совместимость ИО-устройств с системами, оперирующими оптическими информационными сигналами: ВОЛС, оптоэлектронными датчиками, оптическими ЗУ. Но это же обстоятельство - использование когерентных волн - делает ИО-устройства чувствительными к малейшим технологическим несовершенствам: нанометровым шероховатостям границ, кон-центрационнььм неоднородностям, разной толщине волноводов и др. Отсюда появление пространственных шумов, обусловленных частичным рассеянием каналируемой волны и фазовыми флуктуациямн, вызываемыми всеми видами оптических неоднородно-стей. Это приводит к снижению разрешающей способности приборов, возникновению паразитных связей между элементами, уменьшению динамического диапазона, расширению полосы частотно-избирательных структур, нарушению фазового синхронизма интерферирующих волн. Даже простые манипуляции с когерентной волной, такие как распространение по криволинейному волноводу, отражение с помощью дифракционной решетки, перекачка из одного канала в другой, требуют фрагментов очень большой протяженности (до (10... 10)Яв), что приводит к малой поверхностной плотности размещения элементов, низкой степени интеграции (вряд ли удастся превысить 10... 10 элементов на подложке). По аналогии с традиционной микроэлектроникой ИО-схемы можно отнести к «миллиэлектронике». Плотность размещения компонентов в лучшем случае приближается к той, которая была в интегральных микросхемах низкой степени интеграции начала 1960-х гг. Высокая чувствительность параметров распространяющейся волны к любым нарушениям идеальности структуры проявляется и как достоинство при создании ИО-датчиков. Третья особенность интегральной оптики - малое поперечное сечение волновода, соизмеримое с площадью сечения элементарного «монолуча», ограничиваемой дифракционным пределом (около Поэтому в ИО-устройствах можно получить сверхвысокую плотность оптической мощности (до 10* Вт/см) при малой мощности применяемых лазеров и тем самым использовать разнообразные нелинейно-оптические эффекты (как, например, в оптическом транзисторе). Разная скорость распространения различных волноводных мод и межмодовое взаимодействие позволяют в ИО-устройствах реализовать такие эффекты, которые обычно свойственны лишь анизотропным средам (например, двулучепре-ломлеиие). 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 [78] 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |