| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2001 m. Nr. 3 turinys

· Storage area network
· Europos technologinei pramonei reikia daugiau vadovų
· Rambus "užsirovė" ne ant to žmogaus
· Inovacijos – raktas į klestėjimą
· Bluetooth – nuo idėjos iki užbaigto gaminio
· ISDN nurašyti dar per anksti

Internetas
· Airija randa savo vietą tinklo žemėlapyje
· Žinutės

Elektronika
· Kaip pagaminti hiperkompiuterį
· Oscilografas tampa informacijos centru
· Joks akumuliatorius neprilygs mūsų kuro elementams, tvirtina naujai įsikūrusi Izraelio firma
· Žinutės
· Karo padangė
· Feroelektrinės atmintinės

DAN Communications
· Fiksuotoji bevielė kreiptis
· Ceragon Networks plačiajuostės bevielio ryšio įrangos šeima FibeAir

Istorija
· Maiklas Faradėjus ir švyturiai
· Pasirašyta, užantspauduota ir išsiųsta

Mobilusis ryšys
· Žinutės
· Bevieliai duomenų tinklai 5 GHz dažnių juostoje
· Pigiau, paprasčiau ir patogiau
· Kaip pakilti aukštyn
· WLAN technologijų ypatumai
· Naujosios antenos padarys 3G tinklą ekonomiškesnį. Ateityje jis galės pakeisti stacionariuosius tinklus

Optinis ryšys
· Spartūs fotodetektoriai
· Žinutės
· Rašalinių spausdintuvų technologijos taikymas mikrooptikos prietaisų gamyboje
· Skylėtosios skaidulos

Spartūs fotodetektoriai

   Didėjant duomenų perdavimo optinėmis ryšio linijomis spartai, inžinieriams reikalingi vis spartesni fotodetektoriai - ir jie jų sulaukė.

   Besistengiant padidinti duomenų apdorojimo kompiuteriuose spartą, duomenų perdavimas tarp procesorių ir atminties įrenginių arba kitų procesorių vis labiau ribotas. Tradiciškai šioje vietoje naudojamos elektrinės jungtys dideliuose dažniuose veikia prastai, todėl pramonė vis dažniau pradeda naudoti optines jungtis. Tam yra keletas priežasčių: optinės jungtys yra plačiajuostiškesnės, jų skerspjūviai mažesni ir joms nebaisi elektromagnetinė sąveika. Didėjant plačiajuosčių optinių jungčių paklausai, labai reikalingi imtuvo pusėje jungiami detektoriai, galintys susidoroti su gigabitais ar netgi dešimtimis gigabitų per sekundę perduodamais duomenų srautais.

   Daugiausia problemų čia kyla tuomet, kai reikia labai spartų detektorių integruoti viename luste su jo signalo apdorojimui būtina elektronika. Viena vertus, tipiški ultraspartūs detektoriai nelabai suderinami su silicio papildomos metalo, oksido ir puslaidininkio technologijos (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor) grandynais. Kita vertus, patys CMOS technologija pagaminti detektoriai dažniausiai būna nepakankamai spartūs, nes dėl fotonų sugerties atsiradę krūviai sukuriami giliai medžiagoje, todėl reikia laiko jiems nukeliauti iki krūvio surinkimo taškų. Norint išpręsti šiuos klausimus, gamintojai turi arba pakeisti sparčiuosius detektorius ir juos labiau pritaikyti prie CMOS grandynų, arba pasistengti pagaminti spartesnius CMOS detektorius. Šiuo metu mokslininkai aktyviai dirba abejomis kryptimis.

Didelės spartos elementai

   Labiausiai paplitęs didelės spartos fotodetektorius - tai griūtinis fotodiodas (GFD), kuriame derinamas detektavimas ir sustiprintas pradinis signalas. GFD, kaip ir kiekvienas fotodiodas, turi p-n sandūrą dviejų skirtingo tipo puslaidininkių riboje, kuri leidžia srovei tekėti tik viena kryptimi. Fotodioduose yra sluoksnis silicio, kuris legiruotas atomais, turinčiais vienu valentiniu elektronu mažiau negu neutralūs (p-tipo puslaidininkis), o virš jo yra sluoksnis, legiruotas atomais, turinčiais po papildomą valentinį elektroną (n-tipo puslaidininkis). Krūviams migruojant atsiranda nuskurdintasis sluoksnis, kurio elektrinis laukas būna nukreiptas link p-srities, todėl srovė teka tiktai viena kryptimi.

   Prijungus prie diodo užtvarinės krypties elektros įtampą ir nesant apšvietimo, egzistuoja tik termiškai generuotų elektronų sukurta srovė. Apšvietus diodą atsiranda elektronų ir skylių poros, dėl to yra generuojama srovė. Tradiciniuose fotodioduose tai ir yra visi procesai. GPD pridėtoji įtampa didesnė, todėl elektronai pakankamai įgreitinami ir gali jonizuoti puslaidininkio atomus ir sukurti naujus laisvuosius elektronus. Tie elektronai irgi greitinami ir pramušimo procesuose sukuria dar daugiau elektronų ir skylių porų. Daugelio tokių lavinų sukurtos srovės susilieja į vieną srautą, kurį galima išmatuoti išoriniame grandyne.

   Kadangi šviesolaidiniam ryšiui reikalinga trumpa atsako trukmė, čia dažniausiai naudojami GPD su labai siaura sandūra, o krūvininkų dauginimasis vyksta tolimajame prietaiso gale, kitame nei šviesos šaltinis jo pusėje. Didesniąją prietaiso storio dalį sudaro mažai legiruotas silicis arba germanis, kur elektrinis laukas labai silpnas. Šioje srityje sugerti fotonai sukuria elektronus, kurie po to kelias pikosekundes dreifuoja dauginimosi srities link. Kadangi pačioje dauginimosi srityje tesugeriama nedaug fotonų, prietaiso stiprinimas nekinta keičiantis šviesos intensyvumui. Visi elektronai, pasiekę p-n sandūrą, taip pat vienodai greitinami ir lygiai taip pat dalyvauja jonizacijos procesuose. Tokie prietaisai pasižymi didele sparta ir mažais triukšmais (žr. 1 pav.).

1 pav. Griūtiniame fotodiode elektronai įgauna tokį greitį, kad jie gali jonizuoti puslaidininkio atomus ir sukurti naujus laisvus elektronus. Tam reikalingi stiprūs p-n sandūroje sukuriami elektriniai laukai ir didelės diodo maitinimo įtampos. Šiuo atveju yra svarbu, kad didelė įtampa nesukeltų paviršinio fotodiodo pramušimo. Nuo jo griūtiniuose fotodioduose saugo specialus apsauginis žiedas.

   Priklausomai nuo pirminės medžiagos, GFD gali perkloti platų spektro diapazoną. Silicio GFD gerai veikia tarp 400 ir 1100 nm, germanio - tarp 800 ir 1550 nm, o InGaAs tarp 900 ir 1700 nm. Tose spektro srityse, kurioms jautrios visos šios medžiagos, prietaisai iš InGaAs yra mažiausio triukšmo ir geriausios dažninės charakteristikos, tačiau daugiausiai kainuoja. Germanio variantas visais požiūriais yra tarpinis. Skaiduliniams optiniams taikymams dažniausiai naudojamas InGaAs.

Detektorių ir grandynų integravimas

   Integruojant optinės elektronikos ir elektronikos prietaisus svarbiausia yra įveikti juos sudarančių medžiagų tarpusavio nesuderinamumą. Silicis infraraudonojoje spektro srityje, naudojamoje skaiduliniame optiniame ryšyje, yra skaidrus, todėl daugelis detektorių gaminami iš GaAs, InGaAs, InP ar jiems giminingų medžiagų. Tačiau elektronika remiasi siliciu; tik ši medžiaga leidžia pasinaudoti milžiniška pramonės technologijos baze mažiausia kaina.

   Dviejų medžiagų rūšių yra keletas nesuderinamų skirtumų. Viena vertus, yra skirtingos jų gardelės konstantos, todėl, neįvedant daugybės defektų, vienos medžiagos sluoksnius yra sudėtinga užauginti ant kitos medžiagos pagrindo. Fotodetektoriuose taip pat reikalingos labai švarios sugeriamojo sluoksnio medžiagos, o daugeliui tranzistorių geriau tinka sluoksniai, kurie legiruojami šimtus kartų stipriau, negu leistina fotodetektorių sugerties sluoksniuose. Ir dar, paprastai fotodetektoriai auginami ant n-tipo padėklų, o kontaktai daromi darinio viršuje ir apačioje, tuo tarpu tranzistorių dariniai auginami ant pusiau izoliuojamų padėklų, kurių viršuje sukuriami elektrodai.

   Paprasčiausias ir seniausiai naudojamas medžiagų nesuderinamumo įveikimo būdas - tai "flip-chip" (apverstojo lusto) sujungimas, t. y. du prietaisai sujungiami nugaromis tame pačiame luste lituojant juos indžiu ar kitu lydmetaliu. Toks surinkimo būdas yra gana tvirtas ir nereikalingas didesnis abiejų prietaisų modifikavimas. Tokius procesus galima naudoti ir surenkant sparčius prietaisus.

2 pav. Arizonos universiteto (JAV) grupė panaudojo flip-chip metodą surenkant matricą iš 32 × 32 InGaAs/InP fotodiodų, prijungtą prie silicio pirminio stiprintuvo grandyno.

   Pavyzdžiui, Arizonos universitete (JAV) flip-chip metodu surenkama daugelis lygiagrečių optinių jungčių, leidžiančių pasiekti daug terabitų per sekundę perdavimo spartas. Vienu atveju 32 × 32 InGaAs/InP matrica fotodiodais tokiu būdu buvo prijungta prie silicio pirminio stiprintuvo grandyno (žr. 2 pav.). Šios konstrukcijos reikėjo suskaičiuoti optimalius aktyviosios sugerties srities storius. Kuo storesnė ši sritis, tuo mažesnė yra jos elektrinė talpa, o dėl to padidėja ir prietaiso elektrinių dažnių juosta, ir jo sparta. Tačiau optinės dažnių juostos pločio požiūriu storesnėje srityje krūvininkai pernešami lėčiau, todėl lėtėja ir atsako trukmė. Mokslininkai nustatė, kad optimalus storis yra 400 nm. Esant tokiam storiui kiekvieno diodo dažnių juostos plotis yra 10 GHz, o visa nedidelė matrica gali apdoroti 10 THz signalus.

Spartesnės CMOS

   Alternatyvus nesuderinamos detektoriaus medžiagos sujungimo su silicio grandynais kelias - tai gaminamų iš silicio CMOS pačių detektorių spartos didinimas. Tradiciniame CMOS detektoriuje krūvininkai būna per 15 mm nuo paviršiaus; šis gylis atitinka bangos ilgio spinduliuotės sugerties 860 nm ilgį silicyje. Netoli nuo paviršiaus atsiradę krūvininkai detektuojami akimirksniu, bet jei atsiranda giliau, padėkle lėtai difunduoja, kol po kelių mikrosekundžių pasiekia p-n sandūrą. Dėl to impulsai išskysta, nes srovė lėtai auga ir lėtai krinta net ir pasibaigus šviesos impulsui.

   Bet ši problema yra išsprendžiama. Briuselio universiteto (Belgija) mokslininkų grupė sukūrė erdvišką moduliuotą šviesos detektorių, kuriame žemųjų dažnių stiprinimas eliminuojamas, o aukštųjų dažnių stiprinimas išlieka. Detektorių sudaro stačiakampių p-n sandūrų eilutė, kurioje kas antra p-n sandūra pridengta šviesai nepralaidžia medžiaga (žr. 3 pav.). Uždengtieji detektoriai kartu sudaro atidėtąjį detektorių. Neuždengtieji sudaro betarpiškąjį detektorių.

3 pav. Atsako trukmės sumažinimui erdviškai moduliuotame CMOS fotodetektoriuje esti stačiakampių p-n sandūrų eilutė, kurioje kas antra p-n sandūra pridengiama šviesai nepralaidžia medžiaga.

   Kai prietaisas apšviečiamas šviesos impulsu, neuždengtieji detektoriai iš karto užregistruoja negiliai sužadintųjų krūvininkų signalą, o difunduojantys krūvininkai iš giluminių sluoksnių vienodai registruojami ir uždengtaisiais, ir neuždengtaisiais detektoriais. Atimant atidėtojo detektoriaus atsaką iš betarpiškojo detektoriaus atsako, galima eliminuoti lėtųjų, giliai sugeneruotų krūvininkų įtaką. Panaudodami šį būdą Briuselio mokslininkai 1 mm dydžio luste pagamino 20 Gb/s spartos 100 kanalų matricą.

   Iki šiol daug problemų kelia ta aplinkybė, jog skaidulinėje optikoje naudojama infraraudonoji spinduliuotė į silicį įsiskverbia per daug giliai, o krūvininkai sukuriami per toli nuo kolektoriaus. Vienoje iš svarstomų koncepcijų siūloma suploninti detektoriaus sluoksnius, šitaip greičio labui aukojant prietaiso jautrį, - šiuo atveju visi krūvininkai būtų surenkami labai greitai. Bet iki šiol šią koncepciją vystantys Teksaso universiteto (JAV) mokslininkai negali pasigirti didele sėkme.


El. p.: info@elektronika.lt