В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003

Вид материала

Содержание

4.2. Световолоконные линии и сети
4.2.2. Полупроводниковые излучатели света
4.2.3. Полупроводниковые приемники света
4.2.4. Гигагерцевая оптоэлектроника

Подобный материал:

1 ... 9 10 11 12 13 14 15 16 ... 24

4.2. Световолоконные линии и сети

4.2.1. Световолокно и структура световолоконной линии

Свет имеет самую высокую скорость распространения из всех известных носителей информации. Мы часто видим вспышку молнии, и лишь через некоторое время до нас доходит звук грозового разряда. Ток в проводах распространяется намного быстрее звука, но и заметно медленнее, чем свет. Поэтому в последние годы широко применяются световолоконные линии связи.

Отдельное световолкно такой линии представляет собой пруток из стекла с коэффициентом преломления n₁ в центре и плавным переходом к оболочке, имеющей коэффициент преломления n₂ - см. рис. 4.1. Воздушная среда имеет коэффициент преломления n₀. Для подачи светового луча в световолокно и вывода его используются специальные оптические разъемы. Они похожи на электрические разъемы, но сложнее их и дороже.

Рис. 4.1. Конструкция волокна современного световолоконного кабеля

Если пустить вовнутрь трубки световой луч под малым углом _a, то он будет испытывать многократные внутренние отражения от стенок трубки и будет передаваться от начала трубки к ее концу. Если коэффициент преломления n внутри волокна меняется плавно, то и отражения будут носить плавный характер - как на рис. 4.1.

Поразительно, но в стекловолокне свет может передаваться на многие километры без сильных потерь, и при этом его можно модулировать с частотами примерно до 10 ГГц. Таким образом, через световолокно можно передавать гигантские объемы информации со скоростью, близкой к скорости света. При этом потери энергии света гораздо меньше потерь электрической энергии в проводных линиях связи.

Структура простейшей световолоконной сети следующая (e_вх(t) и e_вых(t) - временные зависимости напряжения входного и выходного сигналов):

e_вх(t)  излучающий диод  световолокно  фотодиод  e_вых(t).

Каждое преобразование ведет к потере энергии сигнала. Но это оправдывается возможностью передачи по световолокну огромных объемов информации. Кроме того такие потери информации компенсируются применением электронных усилителей, например после фотодиода. Нередко линии строятся с применением промежуточных ретрансляторов, которые имеют описанную структуру и дополняются усилителями.

4.2.2. Полупроводниковые излучатели света

В качестве излучателя света используются p-n переходы, конструктивно оформленные как двухэлектродные приборы - диоды из арсенида галлия или другого подходящего полупроводника. Если пропускать через такой диод ток, то происходит накопление электронов в области n (не путайте с показателем преломления n). Часть электронов преодолевает так называемый потенциальный барьер между областями n и p, что при их рекомбинации с дырками и порождает излучение света. Спектр света оказывается довольно широким и лежит в инфракрасной области. Такой свет довольно сильно поглощается световолоконным кабелем.

Чтобы свет мало поглощался оптическим кабелем, он должен быть близким к монохромному, т.е. иметь узкий спектр. В качестве источников такого света применяются полупроводниковые лазеры. Это те же диоды, но специальной конструкции (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Конструкция полупроводникового лазерного диода: 1 – полированные торцевые поверхности; 2 – p-область; 3 – n-область; 4 – электрические проводники; 5 – молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 6 – область p-n перехода

Отличительной чертой лазерного диода является наличие резонатора, образованного торцами p-n-перехода. Резонатор усиливает оптическое излучение и делает его спектр намного (в тысячи раз) более узким. В результате излучение диода становится почти монохромным.

Однако такая конструкция лазерного диода сложна. Да и область, в которой электроны переходят с верхнего энергетического уровня на нижний, получается нечеткой. Гораздо лучше ситуация обстоит в специальных структурах из разнотипного полупроводника. Они называются гетероструктурами. В их создание огромный вклад внес наш академик Жорес Алферов, получивший за это Нобелевскую премию. Структура гетеролазерного диода показана на рис. 5. Здесь активный слой p-GaAs ограничен двумя широкозонными областями
p-GaAlAs и n-GaAlAs.

Р

ис. 4.3. Лазерный диод с гетероструктурой и двойной гетероструктурой (ДГС)

Применение двойной гетероструктуры позволило уменьшить пороговый ток лазерного излучения (до 1000 А/см²), увеличить к.п.д. лазерного диода и обеспечить создание диодов с непрерывной генерацией света (лазерные диоды рис. 5. обычно обеспечивают только импульсное издучение). Лазерное излучение диодов ДГС легко модулировать, просто изменяя ток через диод.

4.2.3. Полупроводниковые приемники света

Простейшим приемником света является опять-таки
p-n-переход. Попадая в него, частицы света - фотоны - выбивают электроны из материала p-n-перехода. Возникающие при этом электронно-дырочные пары вызывают появление в p-n-переходе фототока. Диоды, используемые в такой роли, называют фотодиодами. Есть и фототранзисторы, усиливающие фототок в десятки и сотни раз.

Однако эти приборы довольно инерционны. Существуют диоды специальной конструкции (например, на основе гетеро-переходов или использовании явления лавинного умножения носителей приэлектроическом пробое - лавинные фотодиоды). Такие диоды способны воспринимать модулированный световой поток при частотах модуляции до десятков гигагерц. Сигнал фотодиодов усиливается широкополосными усилителями.

4.2.4. Гигагерцевая оптоэлектроника

Многоканальные световолоконные кабели ныне проложены между континентами, странами и городами. Они вместе с узлами (крупными компьютерными центрами) образуют распределенные сети национального и регионального значения и входят в состав глобальной сети Интернета. В последнее время более дешевые световолоконные кабели подводятся и к обычным жилым домам, что открывает возможности получения услуг скоростного Интернета.

Уже давно ведутся исследования в области оптоэлектроники. Несомненен прогресс в создании световолоконных кабелей, передающих на дальние расстояния световые сигналы с частотами до 10 ГГц и выше. Но только с появлением СБИС и новейших микроэлектронных технологий появились возможности создания оптико-электронных интегральных микросхем, работающих с такими частотами.

Предел пропускной способности световолоконных линий связи теоретически составляет десятки Тбит/c. Однако реальная пропускная способность таких линий была на 4-5 порядков ниже и достигает 10 Гбит/с. Intel удалось создать транзисторы и СБИС терагерцевого диапазона (см. Главу 1) и разработать специальную технологию упаковки информации во много информационных каналов, передаваемых по одному световолокну.

Эта технология названа DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное мультимлексирование по длине волны). На большие расстояния удается передавать несколько каналов с пропускной способностью каждого 10 Гбит/c. Ожидается повышение ее до 40 Гбит/c с перспективой передачи по одному волокну триллиона бит в секунду. Это превосходит весь мировой трафик Интернета в настоящее время.