История развития оптоэлектроники

Оптика является одной из древнейших наук. Освоение оп­тического излучения можно подразделить на два больших исторических этапа [4, 22].

Первый этап связан, в основном, с излучением, наблюдае­мым непосредственно глазом, свойств видимого света и соответствует развитию классической оптики.

Эволюция взглядов на природу света иллюстрирует диа­лектический характер познания. Великие мыслители древности считали, что световые лучи исходят из глаз (Платон). На основе учения о зрительных лучах, исходящих из глаз, Эвклид, Птоломей и другие создали теорию отражения света от плоских и сферических зеркал и положили начало гео­метрической оптике. Теории зрительных лучей в древности противопоставлялась еще более фантастическая теория Эпикура и Лукреция о «слепках» с предметов, летящих во всех направлениях и попадающих в глаз. Затем появилась кор­пускулярная концепция, или теория истечения, поддержи­ваемая вначале Декартом, а затем Ньютоном. Согласно этой теории, свет представляет собой совокупность мельчайших частиц – корпускул, движущихся вдоль определенной траектории – светового луча. Этой теорией наглядно и естественно объяснялись такие явления, как прямолиней­ность распространения света в однородных средах, отра­жение света от поверхности зеркал, преломление светового луча на границе двух сред, а также его искривление при распространении света в неоднородных средах. Одновре­менно X. Гюйгенсом была предложена интерпретация тех же явлений на основе понятий световой волны и волновой поверхности, согласно которой свет представляет собой волны, распространяющиеся в пространстве. Лучи света являются чисто абстрактным понятием и определяются как кривые, ортогональные волновым поверхностям.

Главным доводом Ньютона против волновой теории бы­ло отсутствие вещественной среды («эфира») в мировом про­странстве. Явления, связанные с периодичностью (кольца Ньютона), в корпускулярной теории объяснялись тем, что частицы вращаются. Пространство, пробегаемое такой час­тицей за один оборот, сопоставлялось с некой «длиной волны». Полярность (в современной терминологии поляри­зацию) Ньютон считал свойством только твердых частиц. Огибание, дифракцию он пытался истолковать «отталкивательным» и «притягательным» действием вещества на свето­вые корпускулы. Вслед за Ньютоном в XVIII в. большин­ство ученых стали склоняться к корпускулярной теории, и волновая теория, блестяще развитая Гюйгенсом, сохра­нила лишь немногих последователей.

Только на рубеже XVIII—XIX вв. англичанином То­масом Юнгом были начаты серьезные исследования интер­ференции и дифракции, а французом О. Френелем дано их полное теоретическое объяснение на основе волновой тео­рии Гюйгенса. Кроме того, Френель показал, что представ­ления о волновой природе не противоречат факту прямоли­нейности распространения света в однородной среде. Ка­чественной и количественной точностью своих предсказаний волновая теория в первой половине XIX в. победила теорию истечения. К концу XIX в. Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая световая волна является электромагнитным возму­щением особого рода. Опыты Г. Герца и А.С. Попова экс­периментально подтвердили это.

Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений Максвелла, явилась верши­ной первого «классического» этапа развития оптики и на­ших представлений о природе света.

Второй этап тесно связан с теми революционными пре­образованиями, которые претерпела физика в начале XX веке. Характерно, что именно изучение оптических спектров по­глощения и испускания привело к необходимости введения понятий о квантовых скачках и кванте действия h как ми­нимальном действии, которые ввел в 1900 г. М. Планк для объяснения спектра излучения черного тела. Впослед­ствии постоянная h, имеющая размерность «действия» [Дж×с], была названа постоянной Планка. В 1905 г. А. Эйн­штейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии Е = hn существуют в виде реальных час­тиц, названных им световыми квантами или фотонами. Та­ким образом, Эйнштейну удалось объяснить открытый ра­нее фотоэффект. Применив эти понятия к атому, Нильс Бор в 1913 г. объяснил простую связь частоты излучения n с разницей энергий между уровнями Е_n и Е_m

. (1.1)

Фундаментальную роль для последующего развития квантовой электроники сыграла работа А. Эйнштейна (1917 г.), в которой он на основании рассмотрения термоди­намического равновесия системы молекул ввел понятие об индуцированном излучении. На возможность использова­ния индуцированного излучения для наблюдения отрица­тельного поглощения (усиления) впервые указал в 1940 г. В. А. Фабрикант.

В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров разработали конкретный проект, а Ч. Таунс создал действующий мазер на пучке молекул аммиака. Это был первый прибор, рабо­тавший на квантовых принципах, в основе которого лежало явление усиления электромагнитных колебаний с помощью индуцированного излучения. За эти работы советским уче­ным Н.Г. Басову и А.М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а затем совместно с американским фи­зиком Ч. Таунсом - Нобелевская премия. Таким образом, 1954 г. может быть назван годом рождения квантовой элек­троники как самостоятельной науки.

Методы, развитые первоначально в радиодиапазоне (пер­вый аммиачный мазер работал на длине волны 1,25 см), затем были перенесены в оптический диапазон, и в 1960 г. был создан рубиновый лазер, а в 1961 г. – газовый лазер на смеси гелия и неона. Наука и техника впервые получи­ли в свое распоряжение когерентный источник световых волн. Это дало толчок развитию таких новых областей нау­ки, как нелинейная оптика, топография и др. Основопола­гающие работы по голографии были выполнены Д. Габором и Ю. Н. Денисюком.

Параллельно с развитием квантовой радиофизики и квантовой электроники быстрыми темпами развивалась фи­зика полупроводников и полупроводниковая электроника. Успехи в этих областях привели к созданию эффективных полупроводниковых фотоприемников и генераторов света, т. е. приборов, составляющих основу полупроводниковой оптоэлектроники. Главными вехами в развитии данной от­расли являются следующие. В 1873 г. В. Смит обнаружил в слоях селена фотопроводимость, т.е. изменение сопротив­ления под действием освещения, открыв тем самым внутрен­ний фотоэффект. Внешний фотоэффект был открыт в 1888 г. А.Г. Столетовым. В 1923 г. О.В. Лосев наблюдал свечение кристаллов карборунда (карбида кремния) под действием электрического тока и дал правильное объяснение этому явлению, которое легло в основу действия современных электролюминесцентных источников света. В 1960 г. в физи­ческом институте АН СССР в Москве был рассмотрен прин­цип работы полупроводникового инжекционного лазера, а в 1962 г. в физико-техническом институте АН СССР в Ле­нинграде было обнаружено эффективное рекомбинационное излучение и наблюдалось вынужденное излучение в крис­таллах арсенида галлия. Параллельно в физико-техничес­ком институте Ж. И. Алферовым с сотрудниками успешно проводились работы по получению гетеропереходов и соз­данию на их базе эффективных приемников и источников света. В 1968 – 1970 гг. ими были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, в том числе работающие в не­прерывном режиме при комнатной температуре. Важным моментом в развитии оптической электроники явилось по­лучение оптических волокон с низкими потерями (<1 дБ/км), что обеспечило возможность их применения в качестве эф­фективных оптических волноводов. Разработка эффектив­ных полупроводниковых лазеров, работающих в непрерыв­ном режиме, и создание оптических волокон с малыми поте­рями привели к рождению и быстрому развитию новой си­стемы передачи информации через волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) и созданию волоконно-оптичеческих систем передачи (ВОСП).

Рассматривая историю, можно выделить пять поколений ВОСП.

ВОСП первого поколения (1977-1980 гг.) использовали диапазон длины волн 0,8÷0,9 мкм и позволяли обрабатывать цифровые потоки со скоростью 45 Мбит/с.

ВОСП второго поколения (1980 – 1983 гг.) в качестве рабочей использовали длину волны 1,31 мкм, а скорость обработки цифровых потоков составляла 500 Мбит/с.

Системы передач третьего поколения (1983 – 1990 гг.) исследовали в качестве излучателей лазеры, у которых длина волны составляла 1,31 мкм и 1,55 мкм, а скорость обработки цифровых потоков составляла 2 Гбит/с.

С 1989 по 1994 годы активно проводились разработки ВОСП четвертого поколения. Они работали на длине волны 1,55 мкм, скорость обработки цифровых потоков составляла 10 Гбит/с. В состав ВОСП четвертого поколения входят волоконные оптические усилители.

С 1994 года создаются широкополосные ВОСП пятого поколения. Рабочие длины волн находятся в диапазоне 1,53 ÷ 1,61 мкм. Системы используют спектральное уплотнение и несколько источников света. Предусматривается объединение каналов со скоростями обработки цифровых потоков 10 Гбит/с. В многоканальных ВОСП пятого поколения достигается производительность 1 Tбит/с. Работы по повышению скорости передачи продолжаются.

Развитие ВОСП способствует ускорению внедрения всех технологий широкополосного доступа. Это иллюстрирует рис. 1.2.

В докладе на 29-ой Европейской конференции по оптической связи (ЕСОС 2003) Маурицио Дечина рассмотрел перспективы развития сетей связи и информационных услуг в ближайшем десятилетии. Во-первых, харак­терной чертой будут оставаться экспоненциальный рост как потребностей в информа­ции, так и технических возможностей их удовлетворения.

Последние три десятилетия наблюдается активное развитие магистральных цифровых сетей по технологии SDN (Synchronous Digital Hierarhy, синхронно цифровой иерархии) – технологии транспортных телекоммуникационных сетей, обеспечивающих скорости передачи информации от 155 Мбит/с до 10 ГБит/с. Последнее десятилетие характеризуется внедрением технологии WDM (Wavelength division multiplexing, мультиплексирование с разделением по длине волны т.е. используещей спектральное уплотнение каналов; достигнуты скорости до 3,2 Тбит/c.

Разработан и внедряется стандарт ОТН (Optical Transport Hierarchy – Оптическая трансформаторная иерархия) – стандарт гибких мультисервисных оптических сетей.

Разработаны и внедряются сети доступа PON (Passive optical network – пассивных оптических систем) скорости до 10 – 100 Гбит/c;

Ethernet (синоним стандарта IEEE 802.3) – сеть передачи данных со случайным методом доступа к среде с разрешением конфликтов (коллизий) CSMA/CD

G – Ethernet (Gigital Ethernet) – пакетной технологии передачи информации компьютерных сетей (скорости 1-10 Гбит/c, а также FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – распределенный волоконный интерфейс передачи данных в локальных сетях (скорость 100 Мбит/c)

Применяются также гибридные волокно – коаксиальные сети HFC (Hibrid Fiber Coax) и полностью оптические сети AON (All – Optical Networks)

Рис. 1.2. Развитие магистральных и городских радио и волоконно - оптических сетей

Свидетельством этого является соответ­ствующий рост ключевых технических пока­зателей, таких, как мощность процессоров, объем памяти, скорость обмена информа­цией, физические размеры и др. В то же время важным моментом будет перевод всех информационно-телекоммуникацион­ных услуг на использование интернет-про­токола, в том числе приложений реального времени (голос, видео).

На транспортном уровне глобальных и городских сетей связи вполне определен­но будут доминировать оптические (фотон­ные) технологии передачи информации, развитие же сетей доступа будет опреде­ляться конкуренцией оптических техноло­гий и различных беспроводных технологий, которые могут использоваться либо как дополнение, либо как альтернатива воло­конной оптике. К быстро развивающимся технологиям беспроводного доступа г-н Дечина отнес следующие: Wi-Fi, Ultra Wide Band, Ad Hoc Networks, Sensor networks, RFID и др.