авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ...»

-- [ Страница 4 ] --

Кроме этого, следствием такого «параллелизма» записи является «параллелизм» считывания, поскольку каждая из голограмм одновременно воспроизводит все записанные в ней данные. Это позволяет существенно увеличить не только скорость записи, но и считывания информации с оптического голографического диска. Поэтому, голографические системы памяти могут быть легко интегрированы для взаимодействия с оптическими компьютерами, где реализуется принцип параллельности обработки информации. Параллельный доступ ко всей информации, хранящейся в голографическом запоминающем устройстве делает возможным извлечение полезной информации за время одного периода обращения, то есть существенно уменьшается время считывания.

§4.3. Оптические дисковые системы записи и хранения информации Основными преимуществами оптических методов записи и хранения информации являются:

- Высокая плотность записи информации (5109 бит/см2 и более);

- Высокое быстродействие и помехозащищенность информационных систем.

- Отсутствие непосредственного контакта между носителем и системой записи/считывания.

История развития оптических дисков насчитывает уже несколько десятилетий, начиная с первых лазерных дисков отражательного типа, разработанных ещё в 1969 году до DVD и Blue-Ray дисков наших дней.

LD диски Непосредственными предшественниками оптических дисков являются грампластинки, запись звука на которые осуществлялась в результате формирования на поверхности углублений, величина и последовательность которых при воспроизведении преобразовывались в звук. Скорость вращения музыкальных виниловых грампластинок была 33,3 или 45 оборотов в минуту. С целью увеличения плотности записи музыкальных дисков, а также для реализации записи видео, предпринимались многочисленные попытки использования оптических систем записи и воспроизведения. В 1969 году компания Philips разработала видеодиск, работающий в режиме отражения, что имело большие преимущества по сравнению с видеодисками, работающими на пропускание. Совместно с MCA (Music Corporation of America) Philips впервые продемонстрировали видео в 1972 году, а в 1978 году лазерные диски (Laserdisc, LD) появились в продаже (знаменитый фильм Стивена Спилберга «Челюсти»), спустя лишь два года после появления VHS видеомагнитофона и за четыре года до CD, которые основаны на технологии лазерных дисков. LD диски широко использовались для записи и воспроизведения фильмов. Для воспроизведения LD дисков рядом компаний, таких как, например, Philips и Pioneer Electronics, производились видеоплееры. Первые модели плееров для LD дисков выпускались с He-Ne лазером, а затем стали использовать полупроводниковые ИК лазерные диоды. LD диск имел диаметр 30 см (см.

рис.3) и состоял из двух металлизированных пластиковых дисков склеенных между собой. Первоначально LD диски имели запись видео и звука в аналоговом формате, однако, позднее были разработаны LD диски с аналоговым видео и цифровым звуком. Выпуск LD дисков прекратился в 2000 году в США и в 2001 году в Японии.

Рис.3 Сравнение размеров LD диска (А) и DVD диска (Б) CD-ROM диски CD-ROM диски (аббревиатура слов "Compact Disc read-only memory") были разработаны и представлены в 1982 году компаниями Philips и Sony и введены как стандарт записи и хранения данных с года. Хотя изначально CD-ROM диски предназначались для цифровой оптической звукозаписи, в дальнейшем этот формат был расширен для хранения любых данных, записанных в двоичном коде и стал широко использоваться для распространения компьютерных программ, компьютерных игр и мультимедийных приложений. CD-ROM диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм на который наносится тонкий слой отражающей поверхности алюминия. Наиболее распространенные размеры CD-ROM дисков составляют 120 мм в диаметре (вес 16 г), а также существует формат Mini CD с диаметром мм и некоторые другие форматы, отличающиеся по форме и диаметру (см.

рис.4).

Данные хранятся на диске в виде набора микроскопических углублений или «пит» ("pit"). Во время считывания информации когерентный лазерный луч направляется на отражающую поверхность оптического диска и, так как глубина ямки на диске составляет от одной шестой до одной четверти части длины волны лазерного излучения, то при отражении света в этом месте фаза отраженного излучения сдвигается, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала, полученного в результате интерференции отраженного и падающего лучей. При считывании информации на вращающемся диске последовательность изменений интенсивности отраженного света преобразуется в двоичные данные. Далее информация попадает в процессор цифровых данных, который совместно с процессором системного управления осуществляет коррекцию ошибок.

Рис.4 Сечение CD-ROM диска (согласно стандарту ECMA-130, European Computer Manufacturers Association ) Поверхность CD-ROM диска разбита на сектора, один сектор содержит 2352 байт (1 байт соответствует 8 битам) и состоит из 98-ми «фреймов»

размером 24 байта. Воспроизведение CD-ROM осуществляется с помощью так называемого CD-ROM драйвера (CD-ROM driver), то есть устройства чтения (или привода) CD-ROM диска. Излучение лазерного диода фокусируется со стороны прозрачной подложки. CD-ROM привод может быть подключен к компьютеру через IDE (ATA), SCSI, S - ATA, Firewire или USB интерфейс. Практически все современные приводы CD-ROM могут воспроизводить аудио и видео диски, а также другие стандарты при условии наличия программного обеспечения.

Время воспроизведения составляет 74 минуты, или 4440 секунд, таким образом, общий объем CD-ROM диска равен 682 Мбайт. Скорость чтения CD-ROM дисков, принятая за единицу (1х) соответствует скорости воспроизведения аудио данных (153,6 кбайт/с). Увеличение скорости вращения диска позволяет увеличить скорость считывания информации.

Так, при увеличении скорости вращения CD-ROM диска до 4000 об/мин (что соответствует скорости 8х) скорость чтения увеличивается до 1, Мбайт/с. Как правило, увеличение скорости до 12х и выше, приводит к возникновению нежелательных вибраций и проблем с отводом тепла. Тем не менее, в 2004 г. скорость вращения CD-ROM дисков достигла значения 52x или 10350 об/мин, что соответствует 7,8 Mбайт/с, хотя это значение и достигается только при чтении информации на внешних частях диска, где линейная скорость выше, чем в центральных областях.

Дальнейшее увеличение скорости вращения дисков проблематично, ввиду достижения пределов механической прочности поликарбоната из которого они изготавливаются.

Коррекция ошибок В настоящее время наиболее распространенным методом обнаружения и коррекции ошибок считывания информации с оптического диска является код Рида-Соломона, требующий добавления двух проверочных символов в расчете на одну исправляемую ошибку. Код Рида - Соломона преобразует часть битов в блоках таким образом, чтобы ошибки до некоторого предельного их числа в каждом блоке можно было обнаружить и исправить. Это приводит к уменьшению (примерно на 15%) объема памяти диска, доступной для записи. Коды Рида-Соломона относятся к классу циклических кодов. Кодирование и декодирование, обнаруживающее и исправляющее ошибки - это вычислительные процедуры, которые для циклических кодов удобно выполнять как действия с многочленами и которые допускают относительно простую схемотехническую реализацию на базе регистров с обратными связями.

Таблица 1. Объём хранения и время воспроизведения CD-ROM различного типа Макс. объём Макс. объём Кол-во Время данных музыки Тип секторов (мин) (Mбайт) (Mбайт) 333000 681,984 783,216 650 MB 360000 737,280 846,720 700 MB 405000 829,440 952,560 800 MB 445500 912,384 1047,816 900 MB CD-ROM диски получили большую популярность и на них практически сразу же обратили внимание создатели персональных компьютеров (ПК).

В конце 80-х годов первые CD-ROM начали встраиваться в ПК, а с середины 90-х наличие CD-ROM стало стандартом для ПК.

Тиражирование CD-ROM дисков производится штамповкой, в результате которой диск-копия в точности повторяет структуру диска-оригинала.

CD-R и CD-RW диски Дальнейшее развитие технологий привело к появлению CD-R (Compact Disc-Recordable) в 1988 и CD-RW (Compact Disc-ReWritable) оптических дисков в 1997 году.

CD-R диски имеют возможность однократной записи информации и последующего многократного считывания. Формат этих дисков такой же, что и у CD-ROM, то есть 650 и 700 MB памяти при аналогичном диаметре диска (120 мм). Во время изготовления CD-R на диске из поликарбоната наносятся специальные канавки для направления лазерного луча во время стадии записи и считывания информации. Далее диск покрывают тонким слоем специального органического красителя, а затем тонким слоем серебра, серебряного сплава или золота. Окончательно, сверху наносят фотополимер и полимеризуют его под действием УФ-излучения.

В качестве светочувствительных красителей используют в основном три следующих вещества: цианин, фталоцианин и азо-красители. Наименьшей устойчивостью к воздействию прямых солнечных лучей обладают диски в состав которых входит цианин, а наибольшей – диски с азо-красителями, которые выдерживают 3-4 недельное экспонирование солнечными лучами.

Во время записи происходит поглощение лазерного излучения молекулами красителя, что приводит к их нагреву и изменению отражающей способности слоя в области экспонирования. При считывании используется то же лазерное излучение, что и при записи, но гораздо меньшей мощности (для того, чтобы не произвести изменения в слое) и, как и в случае с CD-ROM, изменения отраженного от диска сигнала считываются и декодируются в соответствии с заданным алгоритмом.

Скорость записи на CD-R достигла к 2004 году значений 52х. К сожалению, время хранения информации на CD-R дисках часто не соответствует заявленному производителями и иногда не превышает года.

CD-RW содержит в своем составе записывающий слой, в котором под воздействием ИК-лазера происходит нагрев до температуры плавления (4000 С) и переход вещества из одного фазового состояния (кристаллическое) в другое (аморфное). Результатом изменения фазового состояния также является изменение отражательной способности слоя в тех местах диска, где произошел фазовый переход и, таким образом, реализуется запись информации. Для стирания информации лазерным лучом снова нагревают поверхность диска до более низкой температуры с целью отжига аморфной составляющей и перевода её обратно в кристаллическое состояние. В качестве записывающего слоя чаще всего используют сплав AgInSbTe. CD-RW диски, как правило, производятся в наиболее распространенных форматах, таких, как 650 и 700 МB.

Теоретически диски допускают цикл CD-RW 1000-кратный записи/стирания, однако, на практике, эта цифра значительно ниже.

Продолжительность хранения записанной информации на CD-RW дисках несколько меньше (25 лет), чем на CD-R (более 30 лет), что связано с некоторой декристаллизацией слоя во времени.

DVD диски Несмотря но то, что CD диск остается стандартом де-факто для звукозаписи, дальнейшее развитие систем оптической записи и воспроизведения информации привело к появлению систем DVD-ROM с многослойной структурой записи информации на диск и емкостью носителя 7...10 Гбайт, поэтому в настоящее время для мультимедийных записей и оптического хранения данных в основном используются DVD диски.

DVD диск (изначально аббревиатура от "Digital Video Disk", затем от "Digital Versatile Disc") стал непосредственным преемником CD дисков.

Имея такие же геометрические размеры, что и CD, DVD диски имеют объем памяти более, чем в 6 раз больше (см. таблицу 2). Область применения DVD дисков – это, в основном, запись фильмов, программных продуктов и архивных данных. Производство DVD дисков было развернуто в 1996 году, опять-таки первоначально для видео и аудио записи.

По аналогии с CD дисками DVD диски подразделяются на DVD-ROM, на которых данные могут быть только считаны, но не записаны, DVD-R диски могут быть записаны один раз (также имеют обозначение DVD ROM) и DVD-RW диски, которые могут быть перезаписаны многократно.

Емкость однослойных DVD дисков достигает 4,7 ГБ, а для двуслойных DVD она равняется 8,5 ГБ. Диаметр пятна при записи/считывании DVD дисков уменьшен с 2,11 мкм до 1,32 мкм по сравнению с CD дисками.

Шкала скорости записи DVD дисков отличается от таковой для CD дисков, поэтому скорости с обозначением 1х соответствует значение 1350 кБ/с. В настоящее время существуют модели приводов, обеспечивающие скорость до 18х-20х.

Таблица 2 Технические параметры CD и DVD дисков Тип оптического CD DVD диска Емкость 0,65 ГБ 4,7 ГБ (на 1 слой) Длина волны 780 нм 650 нм излучения Числовая апертура 0,45 0, Плотность дорожек 630 на мм 1340 на мм Минимальная 0,83-0,97 мкм 0,4 мкм длина «пита»

Плотность записи 60 МБ на см2 430 МБ на см (доступная) Скорость 1,47 МБ/с 11,08 МБ/с считывания Как видно из Таблицы 1, увеличение плотности записи на DVD дисках достигается не только за счет уменьшения длины волны лазерного излучения, но также увеличением числовой апертуры оптической схемы записи/считывания.

HD DVD и Blu-Ray диски Дальнейшее развитие технологий создания дисков и оптических систем записи/считывания информации привело к появлению следующего поколения DVD дисков формата HD DVD («High Definition Digital Versatile Disc), принятые международным сообществом в 2003 году.

Емкость HD DVD дисков достигает 51 ГБ. Первые записывающие HD DVD формат приводы для компьютеров появились в 2006 году, а плееры начали выпускать Японии с 2007 года.

Конкурирующий с HD DVD дисками формат Blu-Ray (или BD диски) впервые был разработан компанией Sony в 2006 году и получил свое название благодаря использованию сине-фиолетового (blue-violet) лазера с длиной волны 405 нм (см. рис.5). Один слой BD диска может хранить до 25 ГБ информации, а для двухслойного диска емкость достигает 50 ГБ, что почти 6 раз больше, чем для двойного слоя на DVD (8,5 ГБ). В таблице 3 для сравнения приведены различные параметры дисков форматов HD DVD и Blu-Ray.

Несмотря на жесткую конкуренцию форматов, в 2006 году появились первые приводы для компьютеров, которые способны использовать оба формата, а в 2007 году гибридные плееры (см. рис.6).

Рис.5 Геометрия и плотность записи на CD, DVD и Blu-Ray дисках Рис.6 Первый гибридный плеер LG BH100 компании LG для воспроизведения форматов Blu-Ray и HD DVD (2007 г.) Таблица 3. Сравнительные параметры дисков DVD, HD DVD и Blu-Ray.

Blu-Ray HD DVD DVD Формат диска 405 Длина волны лазера, нм 0,85 0,65 0, Числовая апертура 25 ГБ 15 ГБ 4,7 ГБ Емкость однослойный 50 ГБ 30 ГБ 8,5 ГБ диска двухслойный ГБ - 51 трехслойный (на 1 (только стороне), ROM) 53,95 36,55 11, Скорость Данные 48,0 30,24 10, считывани Аудио+Видео я, 40,0 29,4 9, Видео Мбит/с Поддержка видео, 19201080, 19201080, разрешение HDTV HDTV CD-MO диски Магнито-оптические или CD-MO диски были впервые представлены в 1988 году. Записывающий слой из магнитооптического материала предусматривает не только многократное считывание, но и запись информации. Принцип записи/считывания CD-MO основан на эффекте Керра, поэтому привод сконструирован таким образом, чтобы иметь возможность не только нагревать записывающий слой до точки Кюри, но также иметь возможность изменять ориентацию магнитных доменов в слое. Существуют диски размером 130мм и 90мм. В 1992 году компания Sony представила первые мини-диски (MiniDisc), основанные на магнито оптической технологии записи/считывания, а в 2004 новый формат Hi-MD емкостью 1 ГБ.

Поскольку считывание информации с CD-MO диска осуществляется по признаку изменения поляризации отраженного лазерного луча от поверхности диска, CD-MO приводы оказались несовместимы с широко распространенными CD-R/RW приводами. Кроме этого, стоимость таких устройств заметно выше, поэтому, в настоящее время они не получили достаточно широкого распространения.

§4.4. Голографические системы записи информации Потенциальные возможности голографических оптических систем очень велики, так как теоретический предел для объемной записи голограмм оценивается примерно в 1 Тбит/см2 (1012 бит/см2 ). Для реализации такой записи требуются объемные голографические среды, а также возможность мультиплексирования, то есть многократной записи различных голограмм в одно и то же место. Благодаря высокой спектральной и угловой селективности голографического метода записи, такое мультиплексирование можно осуществить двумя способами:

изменением угла наклона опорной волны или изменением длины волны лазерного излучения (соответственно, угловое и спектральное кодирование информации).

Важнейшей особенностью регистрирующего материала для записи голограмм является свойство обратимости, благодаря которому можно многократно перезаписывать информацию на голографическом диске. К числу обратимых регистрирующих материалов относятся магнитооптические пленки, термопластические и фотохромные материалы, электрооптические кристаллы, халькогенидные стеклообразные полупроводники и др. Особый интерес представляют материалы с объемными изменениями оптических свойств показателя преломления, которые позволяют осуществить трехмерное хранение информации в виде матрицы наложенных объемных голограмм с высокой дифракционной эффективностью. К таким материалам относятся электрооптические кристаллы и, в частности, ниобат лития.

Первые голографические диски формата HVD (Holographic Versatile Disk) были разработаны компанией Maxell и позволяют записывать до 3, ТБ информации на светочувствительном полимерном слое. Для считывания информации с голографического HVD диска используются два лазера на разных длинах волн, зеленый – для считывания данных, записанных на голограмме, а красный – для контроля и управления сервоприводом диска. Скорость считывания информации достигает МБ/с. Предполагается начать выпуск HVD дисков с емкостью до 300 ГБ и скоростью считывания 20 МБ/с.

Существуют и альтернативные голографические системы записи и хранения информации, например, компании InPhase. Голографические диски компании InPhase (Tapestry диск) несколько больше, чем DVD диски по размеру (130 мм в диаметре) и толщине (3,5 мм). Емкость голографического диска компании InPhase составляет 300 ГБ, хотя в дальнейшем предполагается увеличение ёмкости до 1,6 ТБ. Внешний вид разработанного InPhase голографического устройства записи/считывания и голографического диска представлены на рис.7. На рис.8 изображены принципиальные оптические схемы записи (рис.8А) и считывания (рис.8Б) информации голографическим методом. Данные кодируются в двоичном коде и отображаются на модуляторе света, который просвечивается лазерным лучом. Прошедший через модулятор лазерный луч далее фокусируется на голографический регистрирующий материал.

Одновременно, в эту же точку фокусируется излучение опорной волны того же лазера. Таким образом, происходит запись голограммы. Для повторной записи на это же место, опорный пучок изменяет свой угол падения за счет наклона зеркала. Производители рассчитывают на высокую стабильность хранения данных (более 50 лет) при многократном считывании (более 20 млн.).

Рис.7 Голографическое устройство записи и считывания компании InPhase Technologies и голографический Tapestry диск (справа).

Рис.8 Схема записи (А) и считывания (Б) информации по технологии голографической записи компании InPhase Technologies.

§4.5. Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации В настоящее время плотность побитовой записи на оптические диски практически достигла своего теоретического предела, связанного с фундаментальными свойствами дифракции света.

Для формирования матрицы сигналов, предназначенной для голографической записи по методу Фурье голографии, используют пространственные модуляторы света (SLM- модуляторы, см. рис.8А). В настоящее время такие модуляторы построены на основе ЖК (жидкокристаллических) систем либо системы микрозеркал. Разрешение таких модуляторов достигает 12801024 пикселей, что соответствует 1,3106 бит информации. Частота смены изображения достигает 1000 раз в секунду. Таким образом, при записи голографическим методом возможно уже в настоящее время достигнуть скорости записи порядка Гбит/с при условии наличия соответствующих регистрирующих материалов и лазеров с достаточной мощностью излучения.

При считывании информации излучение лазера фокусируют в область голограммы и восстановленная объектная волна попадает на устройство детектирования, в качестве которого можно использовать CCD или CMOS матрицы (см. рис.8 Б). Считывание можно осуществлять как импульсным, так и непрерывным лазерным излучением, однако в последнем случае для обеспечения достаточной скорости считывания (1000 в секунду) длительность его воздействия должна быть не более миллисекунды, что приводит к необходимости использовать достаточно мощные лазеры (1 Вт). Как и в случае записи скорость считывания для матрицы размером 1,3106 бит составит около 1 Гбита/с.

Таким образом, голографический метод записи открывает возможность создания оптических дисковых устройств, которые по основным характеристикам (плотность записи, скорость считывания, помехозащищенность и др.) существенно превосходят оптические системы с побитовой записью информации.

Список литературы 1. С.А. Ахманов, С.Ю Никитин. Физическая оптика – М.: Изд-во МГУ;


Наука, 2004. –654 с.

2. Оптоинформатика. ч.1,2. Уч.-метод. пособие под ред. В.Г. Беспалова, О.В. Андреевой, СПб., Изд. ИТМО, 2003.

3. Проблемы когерентной и нелинейной оптики. Сборники под. ред.

И.П. Гурова, С.А. Козлова, СПб., Изд. ИТМО, 2000, 2002, 2004, 2006.

4. О. Ермаков. Прикладная оптоэлектроника, М., Техносфера, 2004 г.

5. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. пер. с франц. Издательство:

Техносфера 2004 г. — 591 стр.

6. А.Л. Микаэлян. Оптические методы в информатике: Запись, обработка и передача информации. – М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1990.- с.

7. Moore G.E. Progress in digital integrated electronics //IEEE IEDM Tech.

Dig., 1975, P. 11-13.

8. Meindl J.D. Low power microelectronics: retrospect and prospect //Proc.

IEEE, 1995, V. 83, P. 619-635.

9. McAulay A.D. Optical Computer Architectures: the Application of Optical Concepts to Next Generation Computers, John Wiley & Sons, New York, NY (1991).

10. Carts Y.A. Optical computing nears reality //Laser Focus World, 1990, V.

26, P. 53-54.

11. Guilfoyle P.S., Rudokas R.S., Stone R.V., Roos E.V. Digital optical computer II: performance specifications //Optical Computing Technical Digest, 1991, P. 203-206.

12. О. Звелто. Принципы лазеров. М., Мир, 1990 г.

13. Н.В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. М., Наука, 1983 г.

14. А. Ярив. Введение в оптическую электронику. Высшая школа, 1983 г.

15. W. Koechner. Solid-state laser engineering. Springer-Verlag, 1999.

16. В.И. Дудкин, Л.Н. Пахомов. Квантовая электроника. Приборы и их применение. М., Техносфера, 2006 г.

17. М. Шур. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. М., Мир, 1992 г.

18. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. М., Мир, 1984 г.

19. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. М., СЭ, 1998 г.

Приложения Параметры и свойства оптических материалов Для управления оптическими сигналами используется изменение оптических свойств среды, в которой распространяется этот сигнал. В данном разделе приведены основные параметры, характеризующие оптические свойства среды.

Диэлектрическая проницаемость () характеризует реакцию среды на воздействие электрической компоненты электромагнитной волны:

D = E здесь D – вектор электрического смещения в среде;

Е – вектор электрического поля. При наличии в среде поглощения, диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной:

= ’ + i·’’ Связь между действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости описывается соотношениями Крамерса-Кронига:

здесь – круговая частота излучения.

( ) ( ) ( ) = 1 + ( ) = 1 d, d Оптические свойства анизотропных сред описываются тензором диэлектрической проницаемости.

Магнитная проницаемость (µ) характеризует реакцию среды на воздействие магнитной компоненты электромагнитной волны:

В = µН здесь В – магнитная индукция;

Н – вектор магнитного поля.

характеризует скорость Показатель преломления (n) распространения электромагнитной волны в среде:

n = c/v здесь с – скорость электромагнитной волны в вакууме;

v – скорость электромагнитной волны в среде.

Коэффициент поглощения () определяет потери излучения в среде за счет поглощения:

I = I0·exp(-·d) здесь I0 – интенсивность падающего излучения;

I – интенсивность излучения, прошедшего через слой среды, толщиной d.

Оптические свойства поглощающих сред удобно описывать с помощью комплексного показателя преломления (n*):

n* = n - i·k.

Параметр k также называется коэффициентом поглощения и связан с следующим выражением:

= 4k/ здесь – длина волны излучения.

Связь диэлектрической проницаемости среды с показателем преломления и коэффициентом поглощения задается следующим выражением:

= n2 – k2 + i·2nk.

При наличии в среде рассеивающих центров происходит уменьшение интенсивности прошедшего излучения за счет светорассеяния. Для описания таких сред вводится коэффициент экстинкции (*), характеризующий потери излучения как за счет поглощения, так и за счет рассеяния:


* = + ·N здесь – сечение рассеяния излучения на рассеивающем центре;

N – концентрация рассеивающих центров в среде.

Оптические свойства многих сред зависят от интенсивности излучения, то есть обладают нелинейно-оптическими свойствами.

Нелинейно-оптические свойства описываются с помощью (j) восприимчивости среды ( ):

P = (1)·E + (2)·E2 + (3)·E3 + … здесь P – вектор поляризации среды.

Линейная восприимчивость среды (1) связана с диэлектрической проницаемостью соотношением:

= 1 + 4·(1) Восприимчивости с j 1 называются нелинейным восприимчивостями среды.

Для описания нелинейно-оптических свойств среды используются также нелинейный показатель преломления (n) и нелинейный коэффициент поглощения (k), зависящие от интенсивности излучения I. Оптические характеристики среды, в этом случае, описываются следующим образом:

n = n0 + n(I), k = k0 + k(I), здесь n0 и k0 - линейный показатель преломления и линейный коэффициент поглощения соответственно. Величины n(I) и k(I) могут быть как положительными, так и отрицательными.

Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках.

Данный эффект обусловлен искривлением энергетических зон монокристаллического полупроводника в присутствии внешнего электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля, фотон с энергией hEg (Eg – ширина запрещенной зоны полупроводника) может поглотиться электроном валентной зоны, что приведет к переходу этого электрона в зону проводимости и образованию электронно-дырочной пары. Такой процесс приводит к появлению фундаментальной полосы поглощения на спектре поглощения полупроводника. Искривление энергетических зон полупроводника в присутствии электрического поля приводит к тому, что возникает возможность межзонных переходов при поглощении фотонов с энергией hEg (рис.1). Этот эффект связан с процессом туннелирования возбужденного электрона между состояниями Рис.1 Межзонные оптические переходы в полупроводнике в отсутствие (Е=0) и при наличии (Е0) внешнего электрического поля.

валентной зоны и зоны проводимости через треугольный потенциальный барьер, возникающий при наклоне энергетических зон в присутствии электрического поля. Высота этого треугольного потенциального барьера Е (см. рис.1) равна:

Е = e·E·x = Eg + 2k2/2m – h здесь e – заряд электрона;

Е – напряженность приложенного электрического поля;

k – волновой вектор электрона;

m – приведенная масса электронно-дырочной пары.

Для прямых межзонных переходов при энергии фотона hEg зависимость коэффициента поглощения K от напряженности электрического поля задается следующим приближенным выражением:

4 2m (E h )3 Ah e E g K= exp 8 2m (E g h ) 3h e E На рис.2 показан спектр поглощения полупроводника вблизи края фундаментальной полосы поглощения в отсутствие и при наличии электрического поля. Из рисунка видно, что для фиксированной энергии фотона h0 (h0Eg) увеличение электрического поля приводит к увеличению поглощения.

Рис.2. Эффект Франца-Келдыша в полупроводнике.

Таким образом, электрооптический эффект Франца-Келдыша приводит к амплитудной модуляции излучения. Данный эффект является практически безынерционным, что позволяет использовать его в быстродействующих оптических переключателях. Времена переключения оптического сигнала в таких устройствах определяются, в основном, быстродействием управляющей электроники и могут составлять 10-10 с.

Для обеспечения сильной модуляции оптического сигнала напряженность электрического поля в полупроводнике должна достигать 105 В/см.

Однако, в планарных волноводах, благодаря их малой толщине, управляющее напряжение может составлять всего 5-10 В. Основным недостатком оптических переключателей на основе эффекта Франца Келдыша является узкая спектральная область их функционирования – вблизи края фундаментальной полосы поглощения полупроводникового материала.

Квантово-размерный эффект Штарка.

В полупроводниковых наноструктурах наблюдается еще один электрооптический эффект, сопровождающийся увеличением коэффициента поглощения - квантово-размерный эффект Штарка.

Квантово-размерные эффекты возникают при размерах кристалла полупроводника не превышающих боровского радиуса экситона:

здесь µ – масса экситона;

– диэлектрическая проницаемость;

n = 1, 2, 3… n 2 h r= µ e Для большинства полупроводников величина боровского радиуса экситона лежит в интервале 1-10 нм. При таких размерах полупроводниковых кристаллов в них возникает дополнительное расщепление энергетических уровней, увеличение ширины запрещенной зоны, а также «голубой»

спектральный сдвиг экситонных полос поглощения. Данные эффекты широко используются в оптических устройствах на основе полупроводниковых наноструктур с квантовыми ямами. Двумерная квантовая яма представляет собой слой монокристаллического полупроводника, с толщиной, не превышающей боровский радиус экситона, с двух сторон окруженный полупроводниковыми слоями с большей шириной запрещенной зоны. В энергетическом смысле такая структура является потенциальной ямой для электронов, находящихся в центральном слое. При малой толщине центрального слоя движение электронов в такой потенциальной яме становится квантованным в направлении перпендикулярном слою, а разрешенные энергетические уровни, соответствующие движению в этом направлении – дискретными.

Рис.3. Изменение эффективной ширины запрещенной зоны квантовой ямы под действием внешнего электрического поля. На рисунке также показаны волновые функции электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне) для двух значений энергии.

Внешнее электрическое поле, приложенное перпендикулярно такому слою, приводит к смещению энергетических уровней в квантовой яме (рис.6.8), что соответствует уменьшению эффективной ширины запрещенной зоны (квантово-размерный эффект Штарка).

Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от напряженности электрического поля задается выражением:

29 e 2 L4 m E g (E ) = E g (0 ) 5 6 E 3 h здесь Eg(0) – ширина запрещенной зоны при отсутствии электрического поля (Е=0), L – ширина квантовой ямы, m – масса экситона.

Уменьшение ширины запрещенной зоны проявляется в сдвиге полосы поглощения квантовой ямы (рис.6.9) и увеличении коэффициента поглощения для фотонов с энергией h0Eg(0).

Таким образом, квантово-размерный эффект Штарка в полупроводниковых квантовых ямах позволяет осуществлять амплитудную модуляцию излучения. Данный эффект, как и эффект Франца-Келдыша, является безынерционным, поэтому он может использоваться в быстродействующих оптических переключателях с временами переключения до 10-10 с. Высокая крутизна края полосы поглощения квантовой ямы позволяет получить высокий коэффициент модуляции излучения при малых управляющих напряжения. При изготовлении переключателя в виде планарного волновода, управляющее напряжение может составлять единицы вольт.

Достоинством электрооптического эффекта в квантовых ямах, по сравнению с эффектом Франца-Келдыша, является возможность варьирования рабочей спектральной области в широких пределах, путем Рис.4. Спектральный сдвиг полосы поглощения квантовой ямы при квантово-размерном эффекте Штарка.

изменения ширины квантовой ямы. Наиболее часто полупроводниковые структуры с квантовыми ямами изготавливаются на основе эпитаксиальных слоев GaAs и тройных соединений типа GaAlxAs, GaInxAs, а также на основе ZnSe и тройных соединений ZnSxSe. Изменение стехиометрии соединений позволяет изменять глубину квантовой ямы.

В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на годы. Реализация инновационной 2007– образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.

КАФЕДРА ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.,

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.