шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

При изготовлении квантовых точек необходимо иметь в виду, что электронный газ должен быть заперт в области, размеры которой меньше дебройлевской длины волны электрона. В противном случае внутри такой «нульмерной» структуры квантово-размерные эффекты будут слабы и она, вообще говоря, не будет являться квантовой точкой. Минимальный размер точки, которого можно достичь методом разрезания пленки ионным пучком, обычно составляет десятки нанометров. В настоящее время применяют более совершенные способы, позволяющие получать полупроводниковые квантовые точки размерами менее нанометра.

Пожалуй, самым эффективным методом выращивания квантовых точек является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Эта методика позволяет выращивать тонкие полупроводниковые слои толщиной в один атом! Кстати говоря, гетероструктуры выращивают с помощью МЛЭ. Вообще, МЛЭ является основным методом изготовления полупроводниковых приборов современной микроэлектроники (см. главу V).

Когда выше речь шла о гетероструктурах, мы подчеркивали, что для их изготовления необходимо подобрать материалы, у которых совпадают параметры кристаллической решетки. Однако это условия является обязательным только для идеального, т.е. бездефектного срастания полупроводниковых слоев. Но в принципе можно выращивать чередующиеся слои и с различными значениями постоянной решетки. В качестве примера можно привести осаждение InAs (параметр решетки примерно равен 0.606 нм) на подложке GaAs (0.565 нм). В процессе роста на границе срастания двух разнотипных слоев возникают упругие деформации (механические напряжения), обусловленные несоответствием решеток. Наличие деформации определяет повышенные значения энергии, которую система, естественно, стремится понизить. При маленькой толщине слоя арсенида индия (в несколько атомных слоев) ничего особенного не происходит: выращиваемая поверхность остается плоской (смачивающий слой на рис. II.36). Но как только слой InAs становится чуть толще, начинается образование трехмерных островков-пирамидок (рис. II.36), в которых основание сильно деформировано, но по мере удаления от подложки к вершине пирамидки деформация уменьшается. Возникающие островки представляют собой квантовые точки, а процесс их образования называют самоорганизацией. Действительно, пирамидальные островки-точки растут как бы сами по себе, причем стремление к минимуму энергии приводит к тому, что все пирамидки даже имеют примерно одинаковые размеры. Рост пирамид происходит до полного снятия упругого напряжения на их вершинах.

Рис. II.36. Образование квантовых точек InAs в результате трансформации плоских слоев это го полупроводника (пунктир), выращиваемых на подложке GaAs с отличающимися параметрами решетки.

Структуры с квантовыми точками перспективны для создания новых полупроводниковых лазеров. Электрон в квантовой точке, как и в настоящем атоме, может переходить с одного дискретного уровня на другой с излучением фотона. Если сформировать структуру с множеством одинаковых квантовых точек и создать необходимые условия для согласованных электронных переходов, то возникнет лазерное излучение. В отличие от лазеров на квантовых ямах, где отдельные энергетические уровни являются на самом деле подзонами конечной «ширины» , в квантовых точках существуют именно дискретные уровни, как в атоме. Это ведет к улучшению характеристик лазерного излучения, в частности к сужению оптического спектра. Стоит отметить, что по ряду характеристик лазеры на квантовых точках приближаются к газовым лазерам.

В последнее время устройства с активными средами на основе квантовых точек находят коммерческое применение в медицине (лазерные скальпели, оптическая когерентная томография), технологии (проекционные устройства, лазерные телевизоры), спектроскопии и телекоммуникации.

61

На пути в эру нанотехнологий…

Одноэлектронный транзистор

Позвольте немного отвлечься от темы и коротко рассказать еще об одном применении квантовых точек. Представим, что у нас есть сферический нанокристалл (квантовая точка) CdSe, который мы поместили между двумя электродами так, как это показано на рис. II.37. Если приложить между золотыми электродами напряжение, то ток, в общем случае, течь не будет. Действительно, предположим, что квантовая точка достаточно мала (около 10 нм), так что в ней может «поместиться» всего несколько электронов. Если внести в нанокристалл один электрон, то потенциал квантовой точки изменится примерно на 0.1 В. Этого вполне достаточно, чтобы препятствовать движению остальных электронов – квантовая не пропускает ток. Такое явление называют кулоновской блокадой. Впервые о возможности создания одноэлектронных транзисторов на основе кулоновской блокады сообщили в 1986 г. российские учѐные К. К. Лихарев и Д. В. Аверин.

Рис. II.37. Одноэлектронный транзистор.

Прибор, изображенный на рис. II.37, изготовляется на кремниевой подложке; на нее можно подавать напряжение , которое изменяет положение энергетических уровней в нанокристалле. Электроды отделены от кремниевой подложки непроводящим слоем оксида кремния. Если при-

ложить между электродами небольшое (несколько милливольт) напряжение		, то при определен-
ном напряжении	электрон с золотого электрода сможет попасть в нанокристалл и, пройдя
сквозь него, «перебраться» на второй электрод. При изменении напряжения		ток прекращается.

Это объясняется тем, что когда энергия электрона совпадает с энергией разрешенного уровня в квантовой точке, то он «проходит» в нанокристалл, а оттуда на второй электрод. При этом наблюдается всплеск тока, составляющий 10-12 А. Если же энергия электрона отлична от разрешенной в данной квантовой точке, то она «не пропускает» его. Вольтамперная характеристика одноэлектронного транзистора напоминает частокол, пики которого соответствуют всплескам тока при совпадении энергий электрона и какого-нибудь разрешенного уровня. Каждый пик соответствует протеканию одного электрона. Таким образом, данный прибор позволяет манипулировать отдельными электронами (отсюда и название).

Следует отметить, что описанный одноэлектронный транзистор может работать только при очень низких температурах. В 1996 году российские ученые впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный транзистор, работающий при комнатной температуре. Сегодня уже существуют разработки одноэлектронной нанопамяти, также работающей при 25˚C.

Применение лазеров

Ну, вот мы и познакомились с основными видами лазеров, которые находят сегодня широчайшее применение в жизни человека. Естественно, назвать все отрасли промышленности, науки, техники, медицины и т.п., в которых используются лазеры, является практически непосильной задачей. Поэтому мы ограничимся лишь некоторыми примерами, которые ярко демонстрируют, что уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс и привели к совершенно новым научным и техническим решениям.

Надо также сказать, что буквально на глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики.

62

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, в системах измерения скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи, в хранении информации на оптических запоминающих устройствах. Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размерная обработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике. Направленность лазерного излучения, его малая расходимость применяются для целенаведения, в локации, в том числе и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в системах связи через космос и подводной связи. Лазеры успешно используются в медицине: в хирургии (например, хирургии глаза, разрушение камней в почках и т.д.) и терапии различных заболеваний. Большинство из перечисленных выше областей применения лазеров представляет собой самостоятельные и обширные разделы науки или техники и требует, естественно, отдельного рассмотрения.

Лазеры применяются также в различных методиках синтеза материалов (в том числе и наноматериалов). Так, широко используемым сегодня методом выращивания тонкопленочных структур является импульсное лазерное напыление (см. главу V). Лазеры можно использовать для синтеза углеродных нанотрубок, нанокластеров и др.

На этом мы с Вами заканчиваем знакомство с лазерами. Как Вы сами понимаете, были затронуты лишь самые необходимые вводные вопросы. Однако мы надеемся, что материал, приведенный выше, обеспечит Вам минимальную базу, требующуюся для дальнейшего ознакомления с квантовой электроникой, которая продвигается вперед удивительно быстрыми темпами.

В заключение надо сказать, что основными тенденциями развития лазеров является достижение сверхмощностей, а также расширение диапазона длин волн лазерного излучения. Вторая задача сейчас наиболее успешно решается с помощью лазеров на квантовых точках. И пусть широкое применение и эффективность лазеров уже достигли размаха, граничащего с фантастикой, все же дальнейшее развитие квантовой электроники и разработка новых лазеров не прекратится. Так что будьте готовы к новым свершениям!

63

На пути в эру нанотехнологий…

III. ОПТОВОЛОКОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Новый век информации

Возможно, многие не поверят тому, что современный деловой человек за один день получает больше информации, чем крестьянин XVII века за всю жизнь! Но, думаю, все согласятся, что без телевидения, интернета, телефонной связи и т.п. сегодняшняя жизнь была бы просто невозможна. Наступившую эру по праву называют веком информации. Полезная информация сейчас ценится на вес золота, а обладание ею уже давно позволяет многим заработать свой кусок хлеба.

Характерной чертой эры информации является бурное развитие коммуникаций. А все возрастающие требования к надежной и быстрой передачи информации, заставляют искать новые технологии передачи данных взамен традиционных, основанных на медном кабеле. Эти технологии – волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – не так давно стали легкодоступными, ввиду новых разработок в области полупроводниковых лазеров и оптических волокон (ОВ).

Основными достоинствами ОВ являются большая скорость передачи информации по сравнению с медным кабелем, невосприимчивость к электромагнитному излучению, защищенность от несанкционированного доступа, большой срок службы, надежность и т.д. Все это приводит к неоспоримому преимуществу ВОЛС, поэтому в ближайшем будущем можно ожидать, что ВОЛС заменят все магистральные линии передачи информации. Однако нет необходимости вносить свою «лепту» в этот процесс, сдавая еще функционирующие медные кабеля в пункты приема цветных металлов. Это преследуется по закону.

Итак, давайте, для начала, познакомимся с волоконными световодами.

Устройство волоконных световодов

Оптическое волокно

Оптическое волокно представляет собой тонкую нить круглого сечения из прозрачного (для света) материала (стекла, пластика). ОВ состоит из двух слоев (рис. III.1): сердечника и опти-

ческой оболочки. Показатели преломления сердечника				и оболочки		разные, причем		.
Надо сказать, что разница показателей преломления сердечника					и оболочки		невелика – по-
рядка			%.
	Оболочка и сердечник могут быть изготовлены из одного материала (например, из стекла);

изменение показателя преломления при этом достигается подбором специальных добавок, легируемых определенным образом в сердечник и оболочку. Вокруг оптической оболочки в целях предохранения от внешних воздействий, которые влияют на оптические свойства оптоволокна (влага, царапины, микротрещины), наносят защитный слой какого-нибудь полимера (заштрихован на рисунке).

Рис. III.1. Строение оптического во локна и распространение светового луча в волно во де.

Соотношение между диаметром сердечника и оболочки может быть разным. При указании значений диаметров используют запись, в которой после численного значения диаметра сердечника через « / » указывается значение диаметра оболочки. Наиболее распространенными

соотношениями диаметров являются: ; ; ; . Здесь размеры указаны в мкм.

64

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Что такое апертура и моды оптоволокна?

Давайте подробнее поговорим о рис. III.1. Пусть на плоскую торцевую поверхность сердечника направлен луч света под углом к нормали. Часть световой энергии отразится от торцевой поверхности, а преломленная волна пройдет в сердечник под углом преломления .

При изменении угла изменяется угол преломления и, соответственно, угол падения луча на поверхность раздела сердечника с оптической оболочкой . Поскольку , то при достаточно больших углах (малых ) будет наблюдаться явление полного внутреннего отражения. Критический угол падения , при котором еще наступает явление полного внутреннего отражения, зависит от соотношения показателей преломления и .

Рис. III.2. Оптические воло кна с различными профилями показателя преломления .

Синус критического значения угла падения		называется числовой апертурой волновода
(Numerical Aperture) и обозначается	. Другими словами,		показывает значение синуса допус-

тимого угла, входя под которым, свет еще будет испытывать полное внутреннее отражение. Сам этот угол называется просто апертурой.

Итак, при вводе света внутрь волокна под углом , меньшим критического, свет будет испытывать полное внутренне отражение и двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Сам сердечник, поэтому, еще называют волноводом. Лучи, при движении пересекающие ось волновода, называются меридиональными. Часть лучей, называемых косыми, будут двигаться по спиралеобразной траектории, не пересекая ось волокна (мы их рассматривать не будем).

Для того чтобы волны при распространении в волноводе не гасили друг друга, кроме полного внутреннего отражения должно выполняться еще одно условие. Между двумя последовательными отражениями от поверхности раздела сердечника и оптической оболочки волна должна

проходить путь, кратный целому числу длин волн . Это же условие можно сформулировать ина-

че: фазовые сдвиги, накапливающиеся после двух отражений (на одном зигзаге) должны быть кратными . Это условие еще называют условием согласования фаз. Его выполнение приводит к важному результату: для данной длины волны и толщины сердечника возможен лишь ограниченный набор значений угла падения волны на границу раздела: . Т.е. лучи, входящие в оптоволокно под произвольными углами, будут, в общем случае, гасить друг друга. Распространяться же по волокну будут только те лучи, которые вошли в него под «правильным» углом. Будем называть такие лучи модами. Таким образом, в волноводном слое световая энергия переносится дискретными модами, каждой из которых соответствует угол .

65

На пути в эру нанотехнологий…

Каким бывает оптоволокно?

Другим характерным параметром оптоволокна является распределение показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения ОВ – так называемый профиль показателя преломления (рис. III.2). Различают оптические волокна со ступенчатым профилем, когда сердечник и оптическая оболочка имеют разный показатель преломления, и с градиентным профилем, когда показатель преломления плавно уменьшается от центра к краям, причем это уменьшение происходит по параболическому закону. Иногда используют и более сложные профили показателя преломления.

В зависимости от профиля и от диаметра сердечника различают многомодовые и одномодовые волокна. Количество мод, которое может распространяться в сердечнике, зависит также от числовой апертуры и длины волны вводимого излучения. Если сделать сердечник достаточно тонким, то по нему сможет распространяться только одна мода.

Потери в волокне

Надо сказать, что до 1970 года вопрос о практическом применении оптоволокна вообще не рассматривался из-за огромных потерь световой энергии в стекле. Вы, может, решите, что обычное оконное стекло абсолютно прозрачно (деревья, птичек, вроде бы, видно), т.е. потери не так уж и велики. Однако если Вы посмотрите сквозь стопку таких стекол толщиной хотя бы с метр, то Вы практически ничего не увидите. Теперь представьте, что нам нужно «по стеклу» передать информацию на десятки километров. Справитесь с такой задачей не так-то просто.

Говоря о потерях, подразумевают потери оптической мощности (попросту говоря, затухание), которые являются результатом поглощения света материалом световода, рассеяния в местах микро- и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Потери оптической мощности

определяют так называемым коэффициентом затухания , который можно определить из уже знакомого нам соотношения

где – мощность, поглощаемая на длине , – величина введенной мощности. Затухание принято измерять в дБ/км1. Так, для современных типов одномодового оптоволокна величина коэффициента затухания при длине волны 1.3 мкм лежит в области 0.1 дБ/км.

Поглощение света в основном вызвано различными примесями в кварцевом стекле, поэтому всегда стремятся изготовить световоды с минимальным содержанием ненужных примесей. Тем не менее, нельзя полностью избавиться от поглощения света на «нужных» примесях, добавляемых в стекло для создания требуемого профиля показателя преломления (см. ниже). Существенной

проблемой является также поглощение на гидроксильных ионах , что было показано английским ученым Чарльзом Као. Решение здесь очевидное – дегидратация материала (уменьшение со-

держания воды), уменьшающая число гидроксильных ионов .

Рассеяние света в оптоволокне вызвано присутствием в стекле микроскопических неоднородностей и изменением величины плотности самого материала (кварца). Неоднородности неизбежно появляются в процессе изготовления оптоволокна. Неоднородностями можно считать и микроизгибы, которые являются небольшими изменениями профиля границы сердечника и оболочки.

Биографическая ремарка

Чарльз Као

Чарльз Као родился 4 ноября 1933 года в Шанхае в семье доктора юридических наук Гао Цзюньсяна. Он и его младший брат У родились после того, как от болезни умерли первые два ребенка в семье. Удрученные тяжелой потерей, родители окружили мальчиков безмерной заботой: дети даже не ходили в начальную школу, находясь на домашнем обучении. В десять лет Чарльз, наконец, пошел в международную школу в Шанхае.

1 С помощью децибел (дБ) характеризуют не только потери, но и усиление. На примере оптово локна

эту величину можно определить так. Пусть в воло кно входит излучение, интенсивность которого				. Интен-
сивность выхо дного излучения обозначим через		. Десятичный логарифм отношения	к	называется
белом (Б). Соответственно, децибел э то		.

66

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

В 1948 году семья Као перебирается сначала Тайбэй – столицу Тайваня, а затем в Гонконг, где Чарльз поступает в колледж Св. Джозефа. В 1953 году после окончания колледжа Као поступает в Вулвичский Политехнический университет в Лондоне (нынешний Гринвичский универс и- тет), где он получил степень бакалавра по специальности инженера-электрика.

Обучение на доктора философии (кандидата наук) он продолжает в Имперском колледже Лондона, однако оплачивать обучение его отцу становится все тяжелее, и Чарльз параллельно устраивается на работу инженером в исследовательский центр компании Standard Telephones and Cables (STC) в Харлоу. В 1965 году он благополучно заканчивает обучение в колледже.

В 1960 году появляются первые лазеры. Сразу после изобретения источников когерентного оптического излучения стали проводиться многочисленные эксперименты по передаче информ а- ции через открытую атмосферу. Но очень скоро все попытки показали, что атмосфера – далеко не идеальная передающая среда. Она рассеивает и поглощает свет, в особенности, когда идет дождь или снег. Тогда возникла идея передавать информацию через волоконные световоды.

Однако и эта попытка не увенчалась успехом: световоды имели огромные оптические потери. Ни о каких длинных линиях связи не могло быть и речи. Перспектива использовать оптич е- ское излучение для передачи огромных массивов информации в отсутствие необходимой среды оказалась под вопросом.

Как раз в это время Као начал заниматься исследованием стекол. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхам, будучи сотрудниками STC, опубликовали статью, в которой доказали возможность передачи информации по стеклянному волокну на большие расстояния. Они показали, что оптические волокна могут быть использованы как среда передачи в том случае, если затухание в них не будет превышать 20 дБ/км. В первых волокнах уровень затухания достигал 1000 дБ/км; Као и Хокхам пришли к выводу, что такой высокий уровень потерь связан с присутствием в стекле примесей. Другими словами, был указан путь создания пригодных для телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.

Многие исследователи, ободренные таким прогнозом, стали интенсивно работать в этом направлении. Прошло всего несколько лет, и фирма Corning Glass реализовала световоды из сте к- ла с потерями меньше 20 дБ/км.

Началось бурное развитие волоконно-оптической связи. Сегодня все континенты земли связаны между собой подводными ВОЛС, которые передают информацию с огромной скоростью, порядка 1 Терабита в секунду. Не будет большим преувеличением сказать, что интернет, изменивший мир, стал возможным только благодаря оптическим волноводам, успешное развитие которых – заслуга Ч. Као.

В 2009 году Чарльз Као получил за свою работу Нобелевскую премию. Еще раз подчеркнем, что главная заслуга ученого состоит в том, что он доказал возможность передачи информации на большие расстояния через оптические волокна. На первых порах в эту идею мало кто верил, но личная роль учѐного в процессе инженерной и коммерческой реализации проекта в корне изменила индустрию телекоммуникаций.

Было ли открытие Као счастливым провидением или все-таки стало плодом упорного труда? Без сомнения – второе. Вот, что он сам говорит на этот счет: «Идея передачи света через стекло очень стара. Она была реализована на коротких расстояниях через стеклянный провод в хирургии, для развлечений и декораций, но использовать ее на больших дистанциях в целях телефонии было невозможно. Свет, проходящий через стеклянный стержень, полностью затухал уже на расстоянии в несколько футов. Попытки многих исследовательских лабораторий найти способ передачи света на более длинные расстояния заканчивались неудачей… Я долго пытался найти причину, по которой свет не может пройти сквозь стекло… Во мне постоянно сидела мысль: как увеличить полосу пропускания?.. Но идеи не всегда приходят внезапно; наоборот, они рождаются после упорных экспериментов, проб и ошибок и требуют больших интеллектуальных затрат и времени».

Дисперсия

Потери являются не единственной проблемой, с которой приходится бороться при попытке передать информацию посредством ОВ. Другой важной проблемой в использовании оптоволокон-

67

На пути в эру нанотехнологий…

ных световодов является дисперсия1. В волокне различают несколько видов дисперсии. Назовем два основных:

материальная дисперсия, которая есть всегда, и которая обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны излучения;

межмодовая дисперсия, которая является результатом разной скорости распространения мод в многомодовом волокне; этот вид дисперсии характерен для многомодовых волокон.

Труднее всего бороться с материальной дисперсией, т.к. она обязательно существует в любом материале. Однако оказалось, что в кварце можно минимизировать влияние дисперсии, если использовать излучение с длинами волн около 1.2 и 1.3 мкм. Поэтому усилия разработчиков направлены на улучшение характеристик лазерных источников, а также фотоприемников именно в этом диапазоне длин волн. Следует иметь в виду, что материальная дисперсия в значительно меньшей степени влияет на «размытие» сигнала (см. ниже), нежели межмодовая дисперсия, поэтому ее можно практически не принимать во внимание в многомодовых волокнах.

О межмодовой дисперсии давайте поговорим чуть подробнее. При вводе луча в оптическое волокно, моды, апертура которых мала, будут распространяться по волноводу в основном прямо, практически не испытывая отражений (режим малого числа отражений на рис. III.2). Остальные моды будут испытывать многочисленные отражения, причем мода будет отражаться тем чаще, чем большая апертура ей соответствует. Таким образом, разные моды будут проходить в волокне разные расстояния, и тем большие, чем большая апертура соответствует данной моде. Все это приводит к тому, что разные моды будут разное время распространяться от начала волокна до его конца. Т.е., если импульс света при входе в ОВ имел ярко выраженный фронт и срез сигнала (слева на рис. III.2), то на выходе получаем «размытый» сигнал. Это размывание сигнала как раз и обусловлено межмодовой дисперсией.

Достаточно успешно бороться с межмодовой дисперсией позволяет использование градиентных волокон. Здесь те моды, которые испытывают частые отражения, большую часть своего пути проходят в той части волновода, в которой показатель преломления меньше, чем в самом центре сердечника. Моды, которым соответствует маленькая апертура, наоборот распространяются в той области сердечника, где показатель преломления самый высокий. Известно, что электромагнитная волна распространяется тем быстрее в веществе, чем меньше его показатель преломления2. Таким образом, моды с малыми апертурами проходят сравнительно малый путь, но распространяются медленнее, чем моды, испытывающие частые отражения. Поэтому к концу волновода разные моды приходят примерно одновременно. Полностью избавиться от межмодовой дисперсии позволяют одномодовые волокна, в которых, диаметр сердечника настолько мал, что в нем может распространяться только одна мода, соответствующая данной длине волны.

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем используют для передачи информации на небольшие расстояния – например, в пределах здания какой-либо организации. С помощью градиентных волокон можно передавать информацию значительно дальше – на расстояние в несколько километров, скажем, в пределах города. Для передачи информации на многие сотни километров (магистральные линии связи) используют исключительно одномодовые волокна.

Оптоволоконные усилители

В современных волокнах через км ОВ тракта происходит ослабление сигнала на дБ. Поэтому сигнал требуется восстанавливать. Сегодня для этого используют специальные усилители, которые устанавливают на определенном расстоянии друг от друга. Эти усилители представляют собой волоконные световоды, легированные эрбием Er (рис. III.3). Эрбиевые усилители имеют следующие важные свойства:

подходящий диапазон усиления – эрбиевый усилитель работает на длинах волн, при которых поглощение в оптоволокне минимально; возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн;

1Дисперсией, вообще говоря, называется зависимость показателя преломления о т длины во лны (частоты ) света. Часто дисперсию определяют как зависимость скоро сти распространения световой волны в веществе от ее часто ты. По сути, э ти определения равнозначны.

2Быстрее всего свет распространяется в вакууме, показатель преломления которого равен единице .

68

Табл. 1

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

непосредственное усиление оптических сигналов без их преобразования в электрические сигналы и обратно (как делалось раньше); низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему передачи.

Рис. III.3. Схема устройства оптоволоконного усилителя .

Эрбиевый усилитель, по сути, является не чем иным, как оптоволоконным лазером. Активной средой такого лазера является легированное эрбием стекло, изготовленное в виде обыкновенного оптического волокна. Лазер работает по трехуровневой схеме (см. главу I); оптическая накачка осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из полос поглощения для иона Er3+. Источниками накачки являются полупроводниковые лазеры.

Входной сигнал, проходя через легированное эрбием волокно, индуцирует квантовые переходы, в процессе которых излучаются фотоны, идентичные тем, что вызвали этот переход (вспоминайте предыдущую главу). В результате, несущий информацию сигнал как бы сам себя усиливает.

Необходимыми элементами оптических усилителей являются так называемые оптические изоляторы – устройства, пропускающие свет только в одном направлении. Оптические изоляторы ставят на входе и на выходе усилителя, для того чтобы предотвратить проникновения в усилитель паразитных сигналов.

Изготовление оптоволокна

Существует много технологий изготовления оптоволокна. Для производства ОВ с очень маленькими потерями часто применяется двухступенчатая технология. Первый этап – производство заготовок из сверхчистого стекла, а второй – вытяжка волокна из этой

заготовки. Заготовка представляет собой стеклянный стержень с заданным профилем показателя преломления. Самым распространенным методом изготовления заготовок является метод химического осаждения. Этот метод заключается в осаждении смеси SiCl4 и O2 в виде пара на

	Композиция	Структура	Показатель
			преломления
	SiCl4, O2	SiO2	n0
	GeCl4, O2	GeO2	n > n0
	BCl3, O2	B2O3	n < n0

внутренней чистой поверхности кварцевой трубки. Кварцевую трубку предварительно разогревают, а в газообразную смесь добавляют GeCl4 и BCl3. Реагируя с кислородом, эта смесь дает структуры SiO2, GeO2 и B2O3. Регулируя концентрацию GeCl4 и BCl3, можно контролировать получение того или иного профиля показателя преломления. В табл. 1 сравниваются показатели преломления трех основных осаждаемых из пара структур. Так, на начальном этапе роста заготовки, который соответствующем росту оболочки, повышена концентрация BCl3. При росте сердцевины увеличена концентрация GeCl4. Кроме того в газообразную смесь вводят H2 для уменьшения действия ядовитых паров хлора (H2+Cl2→2HCl).

69

На пути в эру нанотехнологий…

Рис. III.4. Изго товление оптово локна

Когда заготовка готова, начинают вытяжку оптоволокна (см. рис. III.4). Мы не будем вдаваться подробности различных методик вытяжки волокна и подачи заготовки, скажем лишь, что для того чтобы волокно получилось однородным, необходимо контролировать скорость подачи заготовки и скорость намотки (скорость вытяжки) оптоволокна. При вытяжке посредством специального прибора контролируют диаметр волокна. Если происходит отклонение от заданного значения диаметра, то можно скорректировать это значение путем изменения скорости подачи (для заготовки) или вытяжки (для волокна) или и того и другого вместе.

Оптоволокно в зондовой микроскопии

Одним из самых успешных применений оптоволокна в экспериментальных методах исследования является его использование в ближнепольной оптической микроскопии (БОМ) для изготовления зондов [12]. Зонды в БОМ изготавливаются следующим образом (рис. III.5). Очищенный от защитного слоя конец оптоволокна погружают в смесь HF, NH4F и H2O, которая является травителем для стекла. Сверху наливают жидкость с меньшей плотностью, например, толуол, для того чтобы получить после травления заостренный кончик. Затем это острие покрывается тонким

слоем металла. Сформированное таким образом отверстие имеет размеры менее нм. С помощью таких зондов в современных БОМ получают оптическое изображение поверхности с разре-

шением порядка нм. БОМ является важным инструментом нанотехнологий, который позволяет напрямую «увидеть» многие нанообъекты. Вот такое незаменимое оптоволокно!

Рис. III.5. Изго товление зондов для БОМ [12].

70