Энергетические характеристики.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Энергетические характеристики.
Рубрика (тематическая категория)	Образование

План

Лекция 13

1. Свойства пленок алюминия

2. Методы получения металлических пленок

3. Создание омических контактов к ИС

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

Высокая проводимость (r < 10 –6 Ом×см);

Хорошая адгезия как к Si, так и к SiO 2 ;

Способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

Отсутствие вредных интерметаллических соединœений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

Технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

Устойчивость к электродиффузии в металле;

Металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединœения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

Свойства пленок алюминия

Конкретные свойства пленок алюминия зависят от целого ряда условий, таких как чистота испаряемого материала, давление в вакуумной системе, скорость напыления, температура подложки и др.
Размещено на реф.рф
Пленки, нанесенные на аморфную поверхность SiO 2 термически окисленных пластин кремния, являются поликристаллическими с некоторой тенденцией к определœенной ориентации кристаллитов. После напыления пленки имеют зеркально-гладкую поверхность.

Удельное сопротивление напыленной пленки алюминия толщиной 1 мкм составляет около 3×10 –6 Ом×см, ᴛ.ᴇ. всœего на 10 - 20 % больше, чем объёмное удельное сопротивление чистого алюминия. Широкое использование пленок алюминия для металлизации в интегральных схемах обусловлено: высокой электропроводностью, близкой к электропроводности объёмного алюминия; легкостью испарения в вакууме и чистотой испаряемой пленки.

Алюминий имеет относительно низкую температуру испарения, и в связи с этим вероятность загрязнения напыленной пленки примесями из вакуумной камеры и испарителя должна быть небольшой по сравнению с металлами, имеющими более высокую температуру испарения.

Хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС. Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Контактные площадки на пластинœе кремния всœегда покрыты слоем естественного окисла SiO 2 . Алюминий реагирует с SiO 2 , поскольку может образовывать окислы с большой отрицательной свободной энергией. В результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт. Скорости этой реакции и диффузии кремния в алюминий очень высоки, так что для получения низкоомного контакта достаточно прогреть образец при температуре 550 °С в течение всœего лишь нескольких минут.

Алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры. Низкая температура подложки при его напылении (120 - 160 °С) и отжиге (~200 °С) позволяет получить пленки с низкими механическими напряжениями вследствие малой разницы ТКР при уменьшении температуры до комнатной. Алюминий устойчив к окисляющему воздействию атмосферы, легко обрабатывается методами фотолитографии для получения крайне важно й конфигурации контактов и межсоединœений в ИМС, причем в таких травителях, которые не действуют на кремний или SiO 2 .

Алюминий образует прочные контакты при креплении золотой или алюминиевой проволоки к его пленке методами термокомпрессии. Его можно использовать в схемах, устойчивых к воздействию радиации.

При этом наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

Мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

Появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

Возможность короткого замыкания через диэлектрическую пленку в системах с несколькими уровнями металлизации из-за образования выступов при электродиффузии или низкотемпературной рекристаллизации пленок;

Возникновение коррозии вследствие гальванического эффекта при одновременном использовании других металлов;

Взаимодействие с SiO 2 при низких температурах (начиная от комнатной и выше), что может приводить к нестабильности, особенно в МДП интегральных схемах;

Способность образовывать хрупкие соединœения с золотом, что может снижать электропроводность и приводить к отказам в случае термокомпрессионного крепления выводов.

Защита алюминиевой пленки от механических повреждений практически осуществляется нанесением поверх металла диэлектрического слоя. Такое покрытие служит одновременно для предохранения близко расположенных токонесущих полосок от коррозии, электролитической или химической, и от закорачивания проводящих полосок какими-либо посторонними частицами.

При травлении окон в диэлектрике (обычно SiO 2) скорость травления диэлектрика должна быть значительно большей, чем скорость травления алюминия, иначе можно повредить алюминиевую пленку вследствие существования в ИС локальных положительных потенциалов. Важно заметить, что для систем, содержащих слои золота͵ эта проблема не возникает. В случае подсоединœения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессионной сварки возможно образование интерметаллических соединœений, что приводит к уменьшению надежности аппаратуры. При этом при относительно низких температурах и умеренных нагрузках такой метод соединœения оказывается вполне надежным. Проблему образования интерметаллических соединœений на границе золото - алюминий полностью решает использование ультразвуковой сварки золотых проводников с пленкой алюминия. Для исключения взаимодействия золотой проволоки с алюминием при одновременном сохранении преимуществ контакта алюминия с кремнием часто между золотом и алюминием наносят дополнительную металлическую пленку, к примеру молибденовую или танталовую.

Электродиффузия в пленках алюминия

Электродиффузия - это явление переноса вещества в металлах при высоких плотностях тока. В пленках алюминия, применяющихся для металлизации ИМС, электродиффузия приводит к разрыву алюминиевого проводника вследствие образования пустот (пор) из-за скопления вакансий в алюминии.

В сплошном металлическом проводнике на термически возбужденный ион металла в узле решетки действуют две силы: одна направлена навстречу электронному потоку при приложении к проводнику электрического поля, другая действует по направлению электронного потока и появляется за счёт обмена импульсами между электронами проводимости и возбужденными ионами металла при столкновениях ("электронный ветер").

Вследствие экранирующего влияния электронов сила, с которой электрическое поле действует на ион, весьма невелика, в связи с этим преобладающей является сила "электронного ветра". В результате этого возбужденные ионы металла, приходящие в вакансию в направлении потока электрона, имеют более высокую вероятность заполнения вакансии, чем окружающие ее близлежащие ионы. Следовательно, ионы металла перемещаются к положительно заряженному концу проводника, а вакансии - к отрицательному. Вакансии скапливаются на отрицательном полюсе (коагулируют) в виде пустот, тогда как ионы на положительных концах образуют кристаллы, усы и холмики. Большое количество пустот приводит к разрыву электрической цепи в пленках алюминия. Поверхностные царапины на металлических проводниках ведут себя как вакансии, причем наблюдается их движение по поверхности проводника в направлении отрицательно заряженного конца. По этой причине скорость переноса вещества зависит от структуры пленок алюминия.

В мелкозернистых пленках алюминия, полученных осаждением в вакууме на холодные подложки, преобладают диффузия по границам зерен и поверхностная диффузия. Вследствие этого энергия активации в таких пленках низка и составляет 0,48 эВ (энергия активации при самодиффузии в объёмном алюминии равна 1,4 эВ). В хорошо упорядоченных крупнозернистых пленках, осажденных на горячие подложки, энергия активации определяется в основном поверхностной диффузией и составляет 0,84 эВ. Это связано с уменьшением границ зерен и соответственно с высоким коэффициентом самодиффузии. В случае если крупнозернистую пленку покрыть слоем кварцевого стекла, то поверхностная диффузия уменьшается, а энергия активации увеличивается до 1,2 эВ, ᴛ.ᴇ. приближается к значению для объёмного алюминия. При температуре 275 °С и выше объёмная диффузия преобладает над диффузией по границам зерен и поверхностной диффузией, в связи с этим влияние структуры несущественно. При этом при температуре ниже 275 °С долговечность ИМС можно повысить на несколько порядков путем применения хорошо упорядоченных крупнозернистых пленок, особенно, в случае если они покрыты пленкой стекла.

Методы получения металлических пленок

Общие требования к тонким токопроводящим пленкам - равномерность толщины пленки, однородность ее структуры, надежное сцепление (адгезия) с подложкой и другими материалами, с которыми она контактирует.

Основными методами осаждения тонких пленок являются: вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом; ионно-плазменное распыление; осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций; восстановление в атмосфере водорода и термохимическое разложение. Выбор того или иного метода зависит от природы осаждаемого материала, материала подложки, структуры (аморфная, поликристаллическая, монокристаллическая) и толщины пленки.

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счёт высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, крайне важно сть охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O 2 , N 2 и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в данном случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10 –2 - 10 –1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако данный метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

Сегодня наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

В методе магнетронного распыления используются скрещенные магнитное и электрическое поля, повышающие эффективность ионизации рабочего газа и, следовательно, плотность плазмы.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную систему, в которой распыляемый материал является катодом. Наиболее часто используются две основные электродные системы: с кольцевым (коническим) катодом, называемым S-пушкой (рис.5.1,а), и планарная (рис.5.1,б). Во всœех случаях линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода. При этом создается плотная плазма низкого давления, локализованная над нужным участком поверхности катода, с которой и производится распыление. Скорость распыления при использовании конического магнетрона пропорциональна косинусу угла между направлением пучка распыляемого материала и нормалью к подложке. Для увеличения производительности этого метода может использоваться планетарная система расположения подложек относительно источника распыляемого материала. В планарном магнетроне пластины помещаются на плоскости перед магнетроном, причем источник может иметь изменяющиеся размеры, так что возможно значительное увеличение производительности устройства.

Использование магнетронного распыления позволяет проводить нанесение металла с высокой скоростью. При этом напряжение магнетронных источников обычно ниже, чем электронно-лучевых устройств, следовательно, они генерируют меньшее проникающее излучение. Скорость осаждения может регулироваться расстоянием между источником и подложкой и достигать 1 мкм/мин при осаждении алюминия или его сплавов.

Установки магнетронного типа обычно оснащены микропроцессорными системами управления, которые действуют по заданным программам. Системы управления позволяют проводить корректировку программ, перепрограммирование, изменение параметров процесса, а также соединять конкретную установку с большими управляющими комплексами. Регулируются основные параметры технологического процесса: временные характеристики операций откачки камеры, напуска рабочего газа, нагрева подложек, ионной очистки поверхности подложек, процесса распыления; а также мощность магнетрона; скорость движения карусели с подложками. Загрузка и выгрузка пластин могут осуществляться как оператором, так и (в некоторых устройствах) автоматически. Причем заданные и текущие значения параметров в процессе распыления могут контролироваться с помощью экрана дисплея.

Хотя магнетронные системы испарения металлов значительно сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем вакуумно-термические, в условиях современного производства они являются наиболее совершенными, обеспечивающими необходимые качества и производительность при нанесении металлических тонких пленок.

Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к какой-либо ее области.

Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединœения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всœего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Стоит сказать, что для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

Быть невыпрямляющими, ᴛ.ᴇ. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

Обладать линœейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

Иметь минимальное сопротивление, в т.ч. в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединœен к незначительной по площади части контакта;

Обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

Не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

Обеспечивать проведение фотолитографии;

Глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Важно заметить, что для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением крайне важно, чтобы электрохимические потенциалы металла j мет и кремния j S i удовлетворяли условиям: j мет < j S i для S i n-типа; и j мет > j S i для Si p-типа. При этом такие контакты, как правило, обладают нелинœейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, к примеру, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n + -типа. Между n – - и n + -областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток базовых носителœей. За счёт этого обеспечивается линœейность характеристики контакта. Линœейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением r k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A * = 4pem * k 2 /h 3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; m * - эффективная масса носителœей заряда; h - постоянная Планка); j В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в данном случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10 17 см –3 , r k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер.
Размещено на реф.рф
В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

,

где e S - диэлектрическая постоянная кремния; N D - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 10 19 см –3 r k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения j В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение

где A = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.

При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением r n , общее сопротивление контакта R можно подсчитать по формуле

где a - ширина контакта; b - его длина;

Следует отметить, что сопротивление контакта в большой степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.

Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (к примеру, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта͵ но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инœертность металла, но способность восстанавливать окисные пленки на кремнии). Удовлетворить всœе требования, применяя любой металл, практически невозможно.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что данный материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающим на частотах до 1 ГГц, не чересчур мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность к восстановлению окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условие совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой - барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

Для контактного слоя бывают использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линœейного расширения. Применение меди не всœегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и p-типов; имеет высокую объёмную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линœейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наноситься из металлоорганических соединœений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (к примеру с натрием).

Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt 5 Si 2 , чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. При этом металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.

Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.

Для проводящего слоя бывают выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, в связи с этим их используют редко.

Прекрасным разделительным слоем является платина: достаточно пленки толщиной 45 нм, чтобы предотвратить взаимодействие между слоями, к примеру, титана и алюминия. Без разделительного слоя выбрать устойчивую биметаллическую систему трудно.

Одной из причин нестабильности многослойных систем является взаимная диффузия атомов металлов. Диффузией объясняются реакции образования твердых растворов, к примеру в системе хром - золото (при этом наблюдается рост сопротивления на порядок), или интерметаллических соединœений, как в большинстве систем с алюминием.

Нестабильность должна быть также из-за рекристаллизации (к примеру, в системе алюминий - хром), окисления или явления упорядочения решетки в пределах ближнего порядка, характерного для систем с хромом и титаном. Особенно важно проявление взаимодействия в практических условиях нанесения и вжигания слоев, а также при эксплуатации прибора.

1. Использование силицидов металлов

2. Многослойная разводка. Основные проблемы.

С увеличением степени интеграции и уменьшением размеров элементов интегральных схем стало невозможным решить с помощью только металлических пленок проблемы создания контактов и межсоединœений к сверхтонким структурам (эмиттерные и базовые контакты в биполярных транзисторах, контакты и выводы в МДП-транзисторах). Широко используются сейчас, наряду с алюминием и тугоплавкими металлами (Mo, W), силициды тугоплавких металлов TiSi 2 , TaSi 2 , WSi 2 , MoSi 2 , а также их сочетания с легированным поликристаллическим кремнием. Особенно привлекателœен TiSi 2 , обладающий наименьшим удельным сопротивлением.

Силициды металлов бывают получены либо при осаждении металла на кремний с последующим отжигом, либо при одновременном распылении (сораспылении) кремния и тугоплавкого металла, к примеру с использованием магнетронного распыления.

При напылении металла и последующем его вжигании в кремний образующиеся силициды могут иметь три модификации: Me 2 Si с температурой образования примерно 200 °С, MeSi (моносилицид) с температурой образования 400 - 500 °С и MeSi 2 (дисилицид) с наибольшей (более 600 °С) температурой образования. Не всœе силициды металлов имеют всœе три модификации, так, Pd, Pt образуют два первых соединœения, а Ti и Ta только два последних. Две первые модификации силицидов металлов растут по параболическому закону: квадрат толщины пленки x 2 пропорционален времени вжигания t. В этом случае атомы металла диффундируют в кремний по междоузлиям, что приводит к ослаблению ковалентной связи в полупроводнике в случае большой концентрации металлических атомов. Ослабление ковалентных связей можно рассматривать как переход к связям, подобным металлическим. Одновременно идет и диффузия кремния в металл, но она гораздо слабее. При малой растворимости тугоплавких металлов в кремнии для образования растворов замещения крайне важно создать большую концентрацию вакансий в кремнии. Поскольку энергия образования вакансии достаточно велика, то при низких температурах (менее 400 - 500 °С) это маловероятно.

При более высокой температуре (выше 600 °С) отрыв атома кремния может происходить на его поверхности на границе с металлом в энергетически слабых точках, к примеру на ступеньках, за счёт увеличения энергии атомов под влиянием тепловых колебаний. Рост силицида ограничивается поступлением атомов кремния, скоростью разрыва связей Si - Si, ᴛ.ᴇ. реакцией с металлом на границе раздела. По этой причине рост силицида идет по линœейному закону: x пропорциональна t, и в диффузионном потоке преобладают атомы кремния.

Рост силицидов на поликристаллическом кремнии происходит аналогично росту на монокристалле.

В присутствии кислорода или паров воды скорость роста силицида уменьшается. Многие тугоплавкие металлы образуют как силициды, так и окислы (Ti, Ta, V). При нанесении металла на окисел кремния они образуют сильные адгезионные связи, взаимодействуя с окислом кремния улучшают адгезию Me - SiO 2 . При высокой температуре в результате этого взаимодействия образуется силицид металла, температура его образования на 100 - 200 °С выше, чем для реакции с кремнием. Причем на окисле кремния растут силициды, обогащенные металлом (к примеру Ti 5 Si 3 , а не TiSi 2).

Силициды, полученные сораспылением, имеют более регулярный состав, однако их удельное сопротивление должна быть выше, чем у полученных вжиганием в кремний. Возможно, это связано с большим размером кристаллитов у последнего и, следовательно, с большей подвижностью носителœей заряда.

Применение силицидов металлов в качестве материалов омических контактов к тонким (менее 0,1 мкм) слоям кремния - одно из важных направлений современной технологии ИМС. Особенно перспективно использование для этих целœей TiSi 2 . Помимо наименьшего удельного сопротивления силицид титана при взаимодействии с кислородом и окислом кремния образует окисел титана TiO 2 , который является полупроводником с шириной запрещенной зоны около 2 эВ. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, окисел титана не препятствует протеканию тока в контакте и незначительно увеличивает его сопротивление.

В современных интегральных схемах (СБИС и УБИС) необходима многоуровневая металлизация. При изготовлении систем с многоуровневой металлизацией между слоями металла наносится пленка диэлектрика.

К многослойным системам предъявляются дополнительные требования. Осаждаемый диэлектрик (обычно SiO 2) должен обладать хорошей адгезией к напыленной перед ним металлической пленке, силициду металла и поликристаллическому кремнию. Нанесенная пленка диэлектрика должна полностью покрывать пленку и образовавшиеся после фотолитографии ступеньки. Контакт между первым и вторым слоями металла или других материалов должен быть низкоомным.

При использовании многослойной разводки в интегральных схемах нельзя применять в качестве проводящего слоя только алюминий, так как за счёт взаимодействия с диэлектрическими слоями, между которыми он наносится, проводимость пленки будет со временем уменьшаться, могут появиться отдельные непроводящие участки или разрывы в металлизации. Вследствие этого при многослойной разводке используется обычно и многослойная металлизация. В качестве первого слоя, как указывалось ранее, бывают выбраны платина, титан, молибден и их силициды. Задача этого слоя - обеспечить омический контакт к Si, хорошую адгезию к кремнию и окислу. Второй слой - проводящий - создается напылением золота͵ алюминия, серебра. Для изоляции от нанесенных поверх металла диэлектрических слоев наносится третий слой - изолирующий. В качестве металла третьего слоя могут использоваться платина, хром, титан, тантал, молибден или ванадий.

Многослойная металлизация применяется также для схем, имеющих поверхность с сильно выраженным рельефом, так как алюминиевые пленки на неровностях поверхности могут иметь обрывы из-за электродиффузии и возникающих в пленках напряжений.

Литература к лекциям 13-14.

1.М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелœева. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 397с.

Дополнительная литература

Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров.М.: Радио и связь, 1987.

2. Броудай И., Мерей Д. Физические основы микротехнологии. - М.: Мир, 1985.

4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие для прибостроит. спец. вузов / М.; Высш. шк., 1986 ᴦ.

5. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропрорцессоров и микросборок: Учебник для вузов / М.: Радио и связь, 1989 г

Основными характеристиками вещественного сигнала являются: его мощность P(t) и энергия Э .

P(t) = S 2 (t) – определяется как квадрат мгновенного значения S(t).

В случае если S(t) – напряжение или ток, то P(t) есть мгновенная мощность, выделяемая на сопротивлении в 1 Ом.

Энергия сигнала на интервале времени (t 1 ;t 2)

определяется как интеграл от мгновенной мощности:

(8.1)

Отношение

(8.2)

Имеет смысл средней на интервале (t 1 ;t 2) мощности сигнала.

Энергетические характеристики. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Энергетические характеристики." 2017, 2018.

В нашу жизнь уже вошло и стало привычным слово “биополе”. Но все вкладывают разный смысл в это понятие. Есть “умельцы”, которые говорят, что они могут измерить, определить биополе у человека. Самое любопытное, что измеряют, и определяют, играя на невежестве измеряемых и определяемых, причём, неплохо зарабатывая на этом.

Как мы уже договорились ранее, энергии (силы) Высших Миров (ВМ) можно определять, исследовать только с помощью сверхспособностей человека и никак иначе. То, что определяют умельцы с помощью приборов или приспособлений типа рамок, маятников - это всё относится к Физическому миру, к плотному миру.

Вот моё определение биополя - это “сумма” энергетических тел. С помощью техники и рамок можно определить с большой натяжкой только переходящую часть и только эфирного тела, это доли процента, а основную часть, более 99 процентов, с помощью средств Физического Мира определять, исследовать абсолютно НЕЛЬЗЯ, это просто НЕВОЗМОЖНО. А уж тем более, как можно судить о биополе по долям процента?

Только много практикующие люди, обладающие сверхспособностями, хорошо развитые в природном направлении, могут с высокой достоверностью определять, исследовать биополе человека, животных, растений, минералов, Земли и так далее.

Лично я - не сторонник исследований только биополя (конечно, как суммы энергетических тел), чтобы определить биоэнергетическую “мощь” человека. Считаю, что для полного определения биоэнергетического состояния человека нужно исследовать КАЖДОЕ энергетическое тело (все шесть), связь между ними. Может случиться, что каждое тело само по себе мощное, а связь между ними недостаточная для их комплексной, а она важна, работы.

Особенно необходимо проверить качественное состояние трёх магистральных каналов - Ида, Пингала, Сушумна. Затем необходимо исследовать и 7 основных чакр. Вот только после этого с довольно высокой степенью достоверности можно дать оценку биоэнергетического состояния человека.

Всё остальное будет давать очень неполную картину, часто с очень серьёзной дезинформацией. Тому у меня много примеров.

Сформулируем некоторые требования к подобным специалистам, умеющим проводить биоэнергетические исследования. Самое главное - у этих людей должны быть природные высокоразвитые сверхспособности. Основные требования:

Иметь от рождения явно выраженные сверхспособности;

Постоянно их развивать, иметь постоянную практику;

Должны соблюдаться все законы Природы, Космоса, Мироздания, которые уже известны (на определённом уровне) человечеству;

Не иметь в своём организме чёрной энергии;

Постоянно и осознанно идти духовным путём развития, путём ВЫСШЕЙ духовности;

Знать о своей специализации сверхспособностей, иметь практический опыт.

Для начала хватит и этих требований, в вообще-то их очень много. Вот таким людям можно доверять исследование вашего биоэнергетического состояния. Всё остальное - от лукавого.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СТОЛБ (или поток) космической энергии, входящий в голову (в Сахасрару) человека - это очень важная характеристика. Это наша энерго - информационная связь с Мирозданием. В зависимости от уровня развития человека, его устремлённости к развитию этот столб имеет определённые характеристики. А именно:

Плотность,

Цвет (или цвета),

Количество информационных каналов,

Наличие и вид конструкций на нём.

Есть ещё ряд характеристик. Исследовать этот столб могут только ясновидящие высокого уровня, с большой практикой.

Самые лучшие цвета - белый, золотистый, голубой, всевозможные (а это встречается чаще всего) сочетания из них.

Очень страшно, когда столб чёрный, то есть этот человек связан с Чёрными Силами, с Хаосом, является сотрудником Чёрных Сил вольно или невольно. Образование чёрного столба происходит постепенно, незаметно, по мере накопления человеком чёрной энергии, наличия в его организме чёрных сущностей. Этот чёрный столб, конечно, разрушает человека и, обратите внимание, начиная с головы, то есть с мозга, нарушает нормальное его функционирование, коренным образом меняя образ мышления.

Чёрный столб формируется не сразу, не быстро. Когда рождается ребёнок, он имеет светлый столб (“чистая душа ребёнка”), хотя неразумные родители уже могут внести свою чёрную лепту в энергетический комплекс ребёнка. Я уже говорил об этом выше. И заработает закон “Подобное - к подобному”. А дальше уже легко домыслить.

Количество и качество информационных каналов зависит от устремлённости человека, его духовного развития, совершенства его сверхсознания - надсознания. Если провести некую аналогию, то этот столб - как бы своеобразная антенна в действии. Как много конструкций антенн, примерно так много как и конструкций столбов. Но автором - конструктором своего энергетического столба является сам человек. Естественно, что пополнение человека энергией зависит от состояния энергетических каналов и энергетических центров (чакр).

Всевозможные конструкции на энергетическом столбе - это результат конкретных действий человека на пути выполнения своей миссии, например, духовного целительства, просветительства и создания энерго - силовых программ.

Насчёт остальных характеристик вы и сами поймёте, чем шире и плотнее этот столб, тем лучше.

Ещё одной характеристикой человека является АУРА. Нужно определиться с этим понятием. Само слово АУРА имеет несколько значений. При определении характеристик человека под аурой я понимаю энергию мышления, мыслительных процессов сознания и подсознания. Аура в моём понимании ассоциируется с Ореолом. Аура образуется вокруг головы.

А всё остальное - это энергетические тела, как бы их сумма. Аура, как мыслительная, ментальная энергия, имеет три вида.

Аура ПЕРВАЯ - это сиюминутные мысли, скоротечные, неустойчивые, подчас очень кратковременные, как правило, не имеющие принципиального характера. Эту ауру можно увидеть физическим зрением, имеющим широкий диапазон, глядя прямо на человека, вокруг его головы, желательно на сером фоне. Диагностика по этой ауре носит весьма приблизительный характер, часто ошибочный.

Аура ВТОРАЯ - это уже энергия более длительных мыслительных процессов, продолжающихся недели, месяцы, годы. Например, эта аура является результатом мыслительных процессов во время учёбы, при работе над решением различных проблем, над открытиями, изобретениями, при осмыслении своего физического или иных состояний. Эта аура отражает некоторые черты характера человека, его серьёзные заболевания, особенно хронические. По этой ауре уже можно проводить диагностику с более высокой достоверностью, чем по первой ауре. Вторую ауру могут “читать” только ясновидящие высокого уровня, смотреть на исследуемого физическим зрением совершенно не обязательно.

Аура ТРЕТЬЯ - это энергетическая характеристика очень длительного времени, формирующаяся годы, десятилетия, показывает общий уровень развития человека. Диагностика по третьей ауре является самой полной и максимально достоверной, уровень достоверности по этой ауре будет определяться уровнем ясновидения диагноста. Третью ауру могут полностью ”прочитать” ясновидящие с высочайшим уровнем развития. В настоящее время на Земле таких не более... 10!

К характеристикам человека можно отнести и его ”специализацию” сверхспособностей:

Ясновидение, которое делится на: астральное, ментальное, причинное, психического тела и, самое высшее, духовное ясновидение;

Яснослышание, которое делится на такие же разновидности - уровни;

Сверхобоняние, сверхосязание, сверхвкус, сверхинтуиция.

Конечно, есть ещё целый ряд энергетических характеристик человека, но для общего и принципиального представления перечисленных выше характеристик достаточно, а так же для того, чтобы сделать выводы, как мы ещё мало знаем о себе.

А великая мудрость гласит: “Познай себя, и ты познаешь мир!”, а не наоборот!

План

Лекция 13

1. Свойства пленок алюминия

2. Методы получения металлических пленок

3. Создание омических контактов к ИС

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

Высокая проводимость (r < 10 –6 Ом×см);

Хорошая адгезия как к Si, так и к SiO 2 ;

Способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

Отсутствие вредных интерметаллических соединений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

Технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

Устойчивость к электродиффузии в металле;

Металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

Свойства пленок алюминия

Конкретные свойства пленок алюминия зависят от целого ряда условий, таких как чистота испаряемого материала, давление в вакуумной системе, скорость напыления, температура подложки и др. Пленки, нанесенные на аморфную поверхность SiO 2 термически окисленных пластин кремния, являются поликристаллическими с некоторой тенденцией к определенной ориентации кристаллитов. После напыления пленки имеют зеркально-гладкую поверхность.

Удельное сопротивление напыленной пленки алюминия толщиной 1 мкм составляет около 3×10 –6 Ом×см, т.е. всего на 10 - 20 % больше, чем объемное удельное сопротивление чистого алюминия. Широкое использование пленок алюминия для металлизации в интегральных схемах обусловлено: высокой электропроводностью, близкой к электропроводности объемного алюминия; легкостью испарения в вакууме и чистотой испаряемой пленки.

Алюминий имеет относительно низкую температуру испарения, и поэтому вероятность загрязнения напыленной пленки примесями из вакуумной камеры и испарителя должна быть небольшой по сравнению с металлами, имеющими более высокую температуру испарения.

Хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС. Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Контактные площадки на пластине кремния всегда покрыты слоем естественного окисла SiO 2 . Алюминий реагирует с SiO 2 , поскольку может образовывать окислы с большой отрицательной свободной энергией.
В результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт. Скорости этой реакции и диффузии кремния в алюминий очень высоки, так что для получения низкоомного контакта достаточно прогреть образец при температуре 550 °С в течение всего лишь нескольких минут.

Алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры. Низкая температура подложки при его напылении (120 - 160 °С) и отжиге (~200 °С) позволяет получить пленки с низкими механическими напряжениями вследствие малой разницы ТКР при уменьшении температуры до комнатной. Алюминий устойчив к окисляющему воздействию атмосферы, легко обрабатывается методами фотолитографии для получения необходимой конфигурации контактов и межсоединений в ИМС, причем в таких травителях, которые не действуют на кремний или SiO 2 .

Алюминий образует прочные контакты при креплении золотой или алюминиевой проволоки к его пленке методами термокомпрессии. Его можно использовать в схемах, устойчивых к воздействию радиации.

Однако наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

Мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

Появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

Возможность короткого замыкания через диэлектрическую пленку в системах с несколькими уровнями металлизации из-за образования выступов при электродиффузии или низкотемпературной рекристаллизации пленок;

Возникновение коррозии вследствие гальванического эффекта при одновременном использовании других металлов;

Взаимодействие с SiO 2 при низких температурах (начиная от комнатной и выше), что может приводить к нестабильности, особенно в МДП интегральных схемах;

Способность образовывать хрупкие соединения с золотом, что может снижать электропроводность и приводить к отказам в случае термокомпрессионного крепления выводов.

Защита алюминиевой пленки от механических повреждений практически осуществляется нанесением поверх металла диэлектрического слоя. Такое покрытие служит одновременно для предохранения близко расположенных токонесущих полосок от коррозии, электролитической или химической, и от закорачивания проводящих полосок какими-либо посторонними частицами.

При травлении окон в диэлектрике (обычно SiO 2) скорость травления диэлектрика должна быть значительно большей, чем скорость травления алюминия, иначе можно повредить алюминиевую пленку вследствие существования в ИС локальных положительных потенциалов. Для систем, содержащих слои золота, эта проблема не возникает. В случае подсоединения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессионной сварки возможно образование интерметаллических соединений, что приводит к уменьшению надежности аппаратуры. Однако при относительно низких температурах и умеренных нагрузках такой метод соединения оказывается вполне надежным. Проблему образования интерметаллических соединений на границе золото - алюминий полностью решает использование ультразвуковой сварки золотых проводников с пленкой алюминия. Для исключения взаимодействия золотой проволоки с алюминием при одновременном сохранении преимуществ контакта алюминия с кремнием часто между золотом и алюминием наносят дополнительную металлическую пленку, например молибденовую или танталовую.

Электродиффузия в пленках алюминия

Электродиффузия - это явление переноса вещества в металлах при высоких плотностях тока. В пленках алюминия, применяющихся для металлизации ИМС, электродиффузия приводит к разрыву алюминиевого проводника вследствие образования пустот (пор) из-за скопления вакансий в алюминии.

В сплошном металлическом проводнике на термически возбужденный ион металла в узле решетки действуют две силы: одна направлена навстречу электронному потоку при приложении к проводнику электрического поля, другая действует по направлению электронного потока и появляется за счет обмена импульсами между электронами проводимости и возбужденными ионами металла при столкновениях ("электронный ветер").

Вследствие экранирующего влияния электронов сила, с которой электрическое поле действует на ион, весьма невелика, поэтому преобладающей является сила "электронного ветра". В результате этого возбужденные ионы металла, приходящие в вакансию в направлении потока электрона, имеют более высокую вероятность заполнения вакансии, чем окружающие ее близлежащие ионы. Следовательно, ионы металла перемещаются к положительно заряженному концу проводника, а вакансии - к отрицательному. Вакансии скапливаются на отрицательном полюсе (коагулируют) в виде пустот, тогда как ионы на положительных концах образуют кристаллы, усы и холмики. Большое количество пустот приводит к разрыву электрической цепи в пленках алюминия. Поверхностные царапины на металлических проводниках ведут себя как вакансии, причем наблюдается их движение по поверхности проводника в направлении отрицательно заряженного конца. Поэтому скорость переноса вещества зависит от структуры пленок алюминия.

В мелкозернистых пленках алюминия, полученных осаждением в вакууме на холодные подложки, преобладают диффузия по границам зерен и поверхностная диффузия. Вследствие этого энергия активации в таких пленках низка и составляет 0,48 эВ (энергия активации при самодиффузии в объемном алюминии равна 1,4 эВ). В хорошо упорядоченных крупнозернистых пленках, осажденных на горячие подложки, энергия активации определяется в основном поверхностной диффузией и составляет 0,84 эВ. Это связано с уменьшением границ зерен и соответственно с высоким коэффициентом самодиффузии. Если крупнозернистую пленку покрыть слоем кварцевого стекла, то поверхностная диффузия уменьшается, а энергия активации увеличивается до 1,2 эВ, т.е. приближается к значению для объемного алюминия. При температуре 275 °С и выше объемная диффузия преобладает над диффузией по границам зерен и поверхностной диффузией, поэтому влияние структуры несущественно. Однако при температуре ниже 275 °С долговечность ИМС можно повысить на несколько порядков путем применения хорошо упорядоченных крупнозернистых пленок, особенно, если они покрыты пленкой стекла.

Методы получения металлических пленок

Общие требования к тонким токопроводящим пленкам - равномерность толщины пленки, однородность ее структуры, надежное сцепление (адгезия) с подложкой и другими материалами, с которыми она контактирует.

Основными методами осаждения тонких пленок являются: вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом; ионно-плазменное распыление; осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций; восстановление в атмосфере водорода и термохимическое разложение. Выбор того или иного метода зависит от природы осаждаемого материала, материала подложки, структуры (аморфная, поликристаллическая, монокристаллическая) и толщины пленки.

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счет высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, необходимость охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O 2 , N 2 и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в этом случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10 –2 - 10 –1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако этот метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

В настоящее время наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

В методе магнетронного распыления используются скрещенные магнитное и электрическое поля, повышающие эффективность ионизации рабочего газа и, следовательно, плотность плазмы.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную систему, в которой распыляемый материал является катодом. Наиболее часто используются две основные электродные системы: с кольцевым (коническим) катодом, называемым S-пушкой (рис.5.1,а), и планарная (рис.5.1,б). Во всех случаях линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода. При этом создается плотная плазма низкого давления, локализованная над нужным участком поверхности катода, с которой и производится распыление. Скорость распыления при использовании конического магнетрона пропорциональна косинусу угла между направлением пучка распыляемого материала и нормалью к подложке. Для увеличения производительности этого метода может использоваться планетарная система расположения подложек относительно источника распыляемого материала. В планарном магнетроне пластины помещаются на плоскости перед магнетроном, причем источник может иметь изменяющиеся размеры, так что возможно значительное увеличение производительности устройства.

Использование магнетронного распыления позволяет проводить нанесение металла с высокой скоростью. При этом напряжение магнетронных источников обычно ниже, чем электронно-лучевых устройств, следовательно, они генерируют меньшее проникающее излучение. Скорость осаждения может регулироваться расстоянием между источником и подложкой и достигать 1 мкм/мин при осаждении алюминия или его сплавов.

Установки магнетронного типа обычно оснащены микропроцессорными системами управления, которые действуют по заданным программам. Системы управления позволяют проводить корректировку программ, перепрограммирование, изменение параметров процесса, а также соединять конкретную установку с большими управляющими комплексами. Регулируются основные параметры технологического процесса: временные характеристики операций откачки камеры, напуска рабочего газа, нагрева подложек, ионной очистки поверхности подложек, процесса распыления; а также мощность магнетрона; скорость движения карусели с подложками. Загрузка и выгрузка пластин могут осуществляться как оператором, так и (в некоторых устройствах) автоматически. Причем заданные и текущие значения параметров в процессе распыления могут контролироваться с помощью экрана дисплея.

Хотя магнетронные системы испарения металлов значительно сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем вакуумно-термические, в условиях современного производства они являются наиболее совершенными, обеспечивающими необходимые качества и производительность при нанесении металлических тонких пленок.

Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

Быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

Обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

Иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

Обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

Не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

Обеспечивать проведение фотолитографии;

Глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла j мет и кремния j S i удовлетворяли условиям: j мет < j S i для S i n-типа; и j мет > j S i для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n + -типа. Между n – - и
n + -областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением r k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A * = 4pem * k 2 /h 3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана; m * - эффективная масса носителей заряда;
h - постоянная Планка); j В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10 17 см –3 , r k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

,

где e S - диэлектрическая постоянная кремния; N D - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 10 19 см –3 r k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения j В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

“Энергетические характеристики электростанций и агрегатов

Энергетические характеристики используются для оценки режимов в технических и экономических задачах

Универсальная энергетическая характеристика

• В таком виде могут представляться характеристики котлов, турбин, генераторов, трансформаторов, двигателей..
• Характеристика может быть преобразована к другому виду показателей:
• абсолютных,
• относительных,
• диффренциальных.

Удельные показатели

• Применяются два вида относительных показатели:
• · удельный расход первичного ресурса (подведенной мощности) на полезную мощность
• руд = Рподв/ Рпол,
• ·удельный расход полезной мощности на подведенную мощность. Это кпд
•  =Рпол /Рподв.
• · Из дифференциальных широко применяется показатель приращения подведенной мощности к приращению полезной рдиф = ΔРподв/ ΔРпол.

Вид и взаимосвязи различных характеристик

Расходные характеристики электростанций в абсолютных показателях

• Основные абсолютные показатели: полезная мощность Р, подведенная мощность Рподв. Подведенная мощность прямо пропорциональна расходу энергоресурса: топлива В, воды Q, пара D, теплоты QТЭС. Для ГЭС при постоянном напоре Н подведенная мощность
• N=9,81 HQ,
• Полезная мощность
• N=9,81 HQ ,
• Для ТЭС подведенная мощность, МВт, пропорциональна расходу условного топлива:
• Pптэс=8,14B

Характеристики в относительных показателях

• Рабочие характеристики- характеристики КПД.
• Удельные характеристики,.
• bуд=B(гут)/P,
• qуд=Q(куб.м/с)/P
• Отметим, что точка минимума удельного расхода энергоресурса соответствует точке максимума КПД
• Дифференциальные характеристики
• Эти характеристики называют еще характеристиками относительных приростов.
• Это приращение энергоресурса на приращение мощности

Энергетические характеристики в руб

• В настоящее время при коммерческих отношениях на рынке и при оптимизации режима станций внутри самой системы необходимо использовать затраты на топливо. Это требует учета цен на топливо различных станций. Для этого осуществляется пересчет ординат энергетических характеристик. Форма характеристик при этом сохраняется. Показатели характеристик будут иметь вид:
• · расход натурального топлива пересчитывается в издержки на топливо - Ив = цВ, руб (ц, руб/тонну натурального топлива),
• · удельные расходы топлива пересчитываются в удельные издержки на топливо - Вц/P , руб/МВтч,
• · относительные приросты ΔВц/ΔР, руб МВт.

Характеристики ТЭС

• Имеются характеристики котлов, турбин, блоков, станции
• Электрическая мощность – Рген=Рподв- ΔРкотл-ΔР турб- ΔР ген
• КПД – η агр= ηген ηтур ηкотл
• Удельный расход топлива – bудагр=bудкотлbудтурбbудген;
• Относительный прирост - bудагр=bкотлbтурбbген

Вид характеристик агрегатов ТЭС

• Котел
• а-расходная
• в-дифференциалная
• Турбина
• расходная,
• дифференциальная
• Генератор

Расходная характеристика блока и станции

Схематичная характеристика ТЭЦ

• Диаграмма режимов представляет совокупность характеристик расхода пара или тепла турбоагрегатом при различных отборах пара на производственные и теплофикационные нужды.
• Нижняя кривая соответствует уловию, когда отбор пара нет. Это конденсационный режим. При увеличении отбора характеристика турбины перемещается параллельно самой себе.

Вид диаграммы режимов турбоагрегата с производственным и теплофикационным отбором пара

Характеристики ГЭС

• Расходная
• Дифференциальная
• Натурные дифференциальные

Характеристики гидроагрегатов обычно представляются изолиниями для постоянных напоров. На расходной характеристике даются изолинии Q (Р) для Н = const, на дифференциальной - изолинии q Натурные характеристики гидроагрегатов часто имеют более сложную форму

Характеристики других станций

• Максимальное значение к. п. д. ГТУ соответствует номинальной мощности и равно примерно 30%. Удельные расходы ГТУ значительно превосходят средние значения показателей современных КЭС. Экономичность работы ГТУ существенно ухудшается при снижении ее нагрузки и при увеличении температуры наружного воздуха. Например, для ГТУ – 100 – 750 -2 при номинальной мощности, удельный расход равен 430 г/Квтч, что в 1,25 раза выше, чем на КЭС, а при снижении мощности до 30% номинальной величина повышается до 720 г/ Квтч.

Агрегаты АЭС на тепловых нейтронах в небольших пределах могут регулировать нагрузку. Однако при этом резко снижается их надежность, и в настоящее время они в основном предназначены для базовой зоны графика нагрузки.

Способы получения характеристик

• Паспортные характеристики. Даются заводом изготовителем.Их погрешности достигают 10%
• Натурные характеристики. Получаются в результате специального эксперимента в натуре. Погрешности до 5 %
• Характеристики, получаемые в АСУ ТП Требуется непрерывное измерение многих параметров. Погрешности примерно 2%.

Характеристики, получаемые в АСУ ТП

• Для ГЭС нет надежных способов измерения расхода воды.
• Для ТЭС расход топлива определяется косвенно по ем параметрам, которые можно замерить.
• Схема получения характеристики
• -Измеряют непрерывно 5-7значимых параметров.
• -Подбирают аппроксимирующую функцию.
• -Параметры функции непрерывно уточняются по новым замерам.

Пример построения характеристики энергоблока в АСУ ТП

• Из 200 измеряетмых параметров выбирают 7.
• Информация вводится в ЭВМ каждые 15с.Проверяется достоверность измерений.
• Данные осредняются за 15 мин.
• По известной аппроксимирующей функции рассчитывается расход топлива
• Уточняется характеристика

Статистические характеристики

• Строятся по данным учета ТЭП
• Для расчетов используются те характеристики, которые имеются на станции
• Статистические характеристики учитывают изменение режима во времени

Заключение

• Характеристики агрегатов являются важнейшей исходной информацией
• В режимных задачах используются характеристики различного вида.
• В настоящее время еще не решен полностью вопрос получения качественных характеристик.
• Наиболее достоверные характеристики получают в АСУ ТП.
• Приходится использовать паспортные или экспериментальные характеристики. Их погрешности составляют 5 –10%.
• Многие режимные параметры приобрели свойства товара и на цены влияют погрешности характеристик.

11. Измерение параметров и исследование характеристик источников излучения. Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах

11. Измерение параметров и исследование характеристик источников излучения

11.1. Параметры и характеристики источников излучения

Источники оптического излучения относятся к базовым элементам ВОЛП. Применение тех или других источников изучения в ВОЛП обуславливается их надёжностью, технологической интеграцией с другими компонентами, микроминиатюризацией, реализацией одномодового режима генерации в широком диапазоне рабочих мощностей, высоким быстродействием. Наилучшим образом этим условиям соответствует полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды (СИД) и инжекционные лазеры (ИЛ). Они и представляют собой основной вид излучателей в волоконно-оптической связи. Широкий спектр задач, решаемых в ВОЛП, и постоянное совершенствование источников излучения привели к созданию большого числа разновидностей этих источников, различающихся конкретной структурой и используемыми материалами.

Параметры и характеристики источников излучения делятся на пространственно - временные и энергетические. Эти группы охватываю практически все параметры и характеристики. Однако с точки зрения методов и техники измерений такой подход к классификации ни технически, ни методически не оправдан. Поэтому, полностью придерживаясь стандартизованных терминов и определений, объединим в дальнейшим изложении измеряемые величины, параметры и характеристики источников излучения в следующие группы:

1. Энергетическая группа . Основной физической величиной, чаще всего подлежащей является мощность изучения Р. Все остальные параметры и характеристики этой группы функционально связаны с мощностью, аргументами в этих функциональных зависимостях является время t, длинна волны λ, пространственные координаты сечения пучка x, y, z (x, y- координаты в поперечном сечении, z – расстояние до центра сечения от входной грани источника излучения). Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить, в свою очередь, две подгруппы параметров, определяемых через измеряемую мощность излучения:

• временная : энергия Е; энергия импульса Еи; средняя мощность Рср; максимальная мощность импульса Ри мак; длительность tи и частота повторения Fиимпульсов;
• пространственная : плотность энергии (мощности) WЕ(WР);относительное распределение плотности энергии (мощности) в сечении пучка, диаметр пучка d, расходимость Өр; энергетическая расходимость ӨЕР.

2. Спектральная группа. Основной физической величиной в этой группе является спектральная мощность плотности источника излучения (СПМ). В группу входят следующие параметры: частота излучения ν, длинна волны λ, ширина огибающей спектра излучения∆λ.

3. Корреляционная группа . Основные параметрами этой группы является когерентность и поляризация излучения.

В таблице 11.1 приведены основные параметры и характеристики источников излучения, контролируемые при выпуске их из производства и при эксплуатации.

Таблица 11.1. Основные параметры и характеристики источников излучения.

Параметр	Определение	Обозначение
Энергетические параметры и характеристики
	Энергия переносимая лазерным лучом
Мощность	Энергия переносимая лазерным лучом в единицу времени
Интенсивность	Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания
Спектральная плотность энергии (мощности)
Средняя мощность импульса
Максимальная мощность импульса
Пространственно - энергетические параметры и характеристики
Диаграмма направленности	Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения
Диаметр пучка	Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности лазерного излучения
Расходимость	Плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению
Энергетическая расходимость	Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения
Относительное распределение плотности энергии (мощности)	Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)
Временные параметры
Частота повторения импульсов	Отношение числа импульсов лазерного излучения ко времени
Длительность импульса
Спектральные параметры и характеристики
Длинна волны	Середина длинны волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения
	Средняя частота спектра лазерного излучения в пределах интервала частот линии спонтанного излучения
Ширина спектральной линии	Расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующие половине интенсивности линии в максиуме
Степень монохроматичности	Отношение ширины огибающей спектра лазерного излучения к усреднённой по спектру по спектру частоте или длине волны лазерного излучения в данный момент времени	δν/ν, δλ/λ
Параметры когерентности
Степень пространственно временной когерентности	Модуль комплексной степени пространственно – временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный где: 0≤│γ 12 (τ)│≤1; Г 12 (τ) – функция взаимной когерентности; Г 11 (0), Г 22 (0) – функция взаимной

когерентности; для точек пространства с радиусами–векторами r 1 и r 2 соответственно при τ=0

│γ 12 (τ)│

Степень пространственной когерентности

Модуль комплексной степени пространственной когерентности для фиксированного момента времени, равный

где: Г 12 (0) функция постоянной когерентности

Степень временной когерентности

Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный

где: Г 11 (τ) – функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом –вектором r 1

│γ 11 (τ)│

Время когерентности

Минимальное запаздывание, для которого степень временной когерентности принимает значение, равное нулю

Длинна когерентности

Произведение времени когерентности на скорость электро - магнитного излучения в вакууме

Параметры поляризации

Плоская поляризация

Плоскость, проходящая через направление распространение линейно – поляризованного лазерного излучения и направление его электрического вектора

Эллиптичность поляризованного лазерного излучения

Отношение малой полу оси эллипса, по которому поляризовано лазерное излучение к его большой полуоси

Степень поляризации

Отношение интенсивности поляризованной составляющей лазерного излучения к полной его интенсивности

11.2. Измерение энергетических параметров источников излучения

Энергетические параметры источников излучения составляют важную группу в системе параметров. В большинстве случаев именно они определяют целесообразность и эффективность использования источников излучения в системах передачи различного назначения. У непрерывных источников излучения энергетическим параметром, который нормируется при выпуске из производства, является мощность Р. У источников, работающих в режиме модуляции добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуют значением W и и дополнительно значением максимальной Р и мах или средней Р и ср. мощности импульса. Импульсно-периодические источники излучения характеризуют значением средней мощности Р ср, со временим усреднения, значительно превышающим период следования импульсов.

Все методы измерения энергетических параметров сводятся к преобразованию энергии излучения в другой вид энергии, удобный для последующей регистрации. Широко распространены методы, основанные на преобразовании оптической энергии в тепловую (тепловой метод) и в энергию электрического тока (фотоэлектрический и пироэлектрический методы).

Методы измерения средней мощности энергии источников, а также основные сведения о методах, средствах и погрешностях измерения приведены в главе 3 настоящего учебного пособия.

В настоящее время распространены два основных метода измерений максимальной мощности импульса излучения источников излучения. В первом используется аттестованный по абсолютной чувствительности фото-преобразователь (или СИ на его основе) и определяются непосредственно мощность падающего на него излучения измерением амплитуды входного сигнала. Второй метод позволяет косвенно определить мощность излучения. При этом для однократных импульсов одновременно измеряется полная энергия импульса и временные параметры формы (обычно осциллографированием). Определение максимальной мощности периодических импульсов излучения косвенным методом по измеренным значениям средней мощности импульсов, их временных параметров и частоты повторения.

В случае применения первого метода используется следующая схема. Излучение источника излучения через оптическую систему попадает на фотоприемник, выходной сигнал которого измеряется импульсным вольтметром или осциллографом. Оптическая система, включающая аттенюатор, интегратор и другие элементы необходимые для согласования динамических диапазонов и геометрических параметров используемого фотоприемника и излучаемого излучения. При использовании данного метода необходимо знать абсолютное значение выходного сигнала фото-преобразователя, его коэффициент преобразования (чувствительность), ослабление аттенюатора. Тогда измеряемая мощность Р(t) определяется по формуле

Р(t)=(А/S)U(t-∆),[Вт], (11.2.1)

где: U(t) – выходное напряжение, В;

S – абсолютная чувствительность фото-преобразователя для данной длинны волны излучения, В/Вт;

А – коэффициент ослабления используемой оптической системы, включающей аттенюатор и другие элементы на данной длине волны;

∆ - задержка сигнала во времени.

При косвенном методе измерения максимальной мощности используется раздельное определение формы (обычно осциллографированием сигнала от линейного малоинерционного фотопреобразователя) и энергии импульса. Если отклонение угла на экране осциллографа y=αP(t), где α – постоянный коэффициент, определяемый чувствительностями используемых фотоприёмника и осциллографа, то площадь, занимаемая осциллограммой,

, (11.2.2)

где: t – время интегрирования превышающее длительность импульса;

Е – энергия импульса

Отсюда можно получить выражение для зависимости мощности во времени

(11.2.3)

Таким образом, осциллографирование формы импульса и измерение его энергии позволяет определить абсолютное значение мощности в любой момент времени, в том числе и максимальное значение. При этом операцию определение площади, занимаемой осциллограммой, можно произвести с помощью дополнительной интегрирующей цепочки выходного сигнала фотоприёмника. Тогда по измеренным одновременно относительным величинам максимального значения сигнала до и после интегрирования можно рассчитать максимальную мощность.

Для импульсной последовательности при наличии хорошей воспроизводимости временных параметров излучения можно косвенным методом определить максимальную мощность:

Р мах =/τ иf (11.2.4)

где: Р ср – средняя мощность импульсов излучения;

τ и – длительность импульса по уровню 0,5 от максимального значения;

f – частота повторения импульсов;

γ – поправка коэффициента формы, связанная с аппроксимацией реального импульса прямоугольным с амплитудой и длительностью, равными реальному. Длительность импульса излучения и поправку коэффициента формы определяют с помощью контрольного быстродействующего фотоприёмника.

11.3. Измерение пространственно-энергетических параметров источников излучения

К пространственно энергетическим можно отнести следующие параметры и характеристики лазерного излучения.

Диаграмма направленности лазерного излучения, т. е. угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. Диаграмма направленности является наиболее полной пространственно-энергетической характеристикой лазеров, однако в связи непостоянством углового распределения вблизи излучающей апертуры, этой характеристикой обычно пользуются для описания лазерного пучка в дальней зоне лазерного излучения. За одну из границ дальней зоны принимают значение, превышающие d 2 /λ, где d – диаметр излучающей апертуры, λ – длинна волны лазерного излучения; другая граница лежит в бесконечности. У лазеров при выпуске из производства обычно нормируется расходимость пучка. Расходимость лазерного излучения Ө р, Ө s – это плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности, определяемому по отношению к его максимальному значению. Чаще всего значение уровня принимают равным 0,5 е -1 , е -2 (е – основание натурального логарифма). Строго говоря приведенное выше определение однозначно характеризует излучение только одномодового лазера. Тем не менее всегда можно измерить пространственное распределение интенсивности излучения в некоторых поперечных сечениях пучка лазерного излучения, из которого могут быть получены такие количественные характеристики, как расходимость пучков или диаметр пучка в данном сечении.

В некоторых случаях наиболее удобной характеристикой является энергетическая расходимость лазерного излучения (Ө w,p ; Ө w,s), т. е. плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения.

Пучок лазерного излучения также характеризует значение диаметра пучка, т. е. диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности.

Известно несколько способов визуализации изображения распределения интенсивности импульсного излучения:

• методы фотографирования;

• методы оптоэлектронного преобразования;

• дифракционные методы.

Перечисленные способы визуализации изображения обладают общим недостатком – малым пространственным расширением по интенсивности и невозможностью получения информации об абсолютном распределении интенсивности.

В последнее время получили развитие абсолютные методы измерения распределения плотности мощности или энергии лазерного излучения. Для измерения плотности мощности и энергии излучения используют высокочувствительные абсолютные измерительные преобразователи в комплекте с калиброванной выходной диафрагмой малого диаметра. Распределение интенсивности излучения измеряют способом последовательного измерения плотности в различных фиксированных точках сечения пучка.

Для повышения оперативности таких измерений используют электромеханические сканирующие системы или матрицы требуемых размеров, набранные из измерительных преобразователей, обеспечивающих необходимое разрешение по сечению пучка.

Известен, например, автоматизированный измеритель распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка излучения импульсных лазеров ИРЭ-100. Он содержит квадратную матрицу из ста калориметрических измерительных преобразователей, каждый из которых снабжен вторичным измерительным преобразователем на интегральных микро схемах, обеспечивающих коэффициент усиления 4,5·10 3 и пиковое детектирование импульсных сигналов при собственном уровни шумов около 1 мкВ в полосе частот 0,003 – 1 Гц. Опрос запоминающих конденсаторов производится электромеханическим коммутатором. В качестве аналого-цифрового преобразователя применяется цифровой вольтметр. Продолжительность регистрации значений символов по всем ста каналам посредствам цифропечатающего устройства составляет около 1 мин.

Для измерения расходимости излучения чаще всего применяют следующие методы:

• метод сечений;

• метод регистрации диаграммы направленности;

• метод фокального пятна.

Наиболее простым является метод двух сечений (рис 11.1 а). если в дальней зоне измерить диаметры пучков d 1 d в дух поперечных сечениях, отстоящих одно от другого на расстоянии L то расходимость пучка можно определить из соотношения tgӨ=(d 1 -d)/2L. При малой расходимости и большом расстоянии L эта формула упрощается до вида Ө=d/2L.

Регистрацыя диаграммы направленности пзволяет получить наиболее полную инщормацию о пространственном распределении лазерного излучения (рис.11.1 б). Для измерения диаграммы направленности можно использовать фотодиод или ФЭУ(Ф), расположенный в дальней зоне, фотокатод которых закрыт диафрагмой с отверстиями малого диаметра. Перемещая фотодиод по дуге окружности радиусом R, регистрируют угловое распределение интенсивности излучения. Зная диаграмму направленности, можно расчитать энергитическую и угловую расходимость излучения.

11.4. Измерение временных параметров импульсов

Как и в радиотехнике, основными параметрами, характеризующими форму оптических импульсов, является длительность импульсов, а также длительность фронта и среза. Длительность импульса – это время, в течении которого мгновенная мощность источника излучения превышает значение, соответствующее уровню 0,5. Стандарт допускает здание и другого уровня отчета длительности, например, на уровне 0,9. В ряде случаев применения источников излучения оказывается удобным использовать понятие энергетической длительности импульса оптического излучения, под которым понимают длительность прямоугольного импульса с той же энергией W или максимальной мощностью Р мах, что и у измеряемого импульса.

Длительность фронта и среза импульса источника излучения определяется как интервал времени, в течении которого мгновенная мощность источника излучения изменяется в пределах уровней 0,1÷0,9 от максимального значения.

В соответствии с приведенными выше определениями измерению подлежит форма φ(t) импульса лазерного излучения, определяемая из соотношения

Φ(t)=p(t)/P max (11.11.1)

где: р(t) – мгновенное значение формы импульса;

Р max – её максимальное значение, выраженное в абсолютных единицах.

Таким образом, определение формы оптического импульса заключается в регистрации процесса изменения мощности импульса, выраженной в относительных (нормированных) единицах, во времени. Практически во многих случаях эта процедура сводится к экспериментальному определению временной зависимости относительных значений мощности импульса и последующей аппроксимации подходящей функцией.

Так, например, форма импульса твердотельного лазера достаточно хорошо аппроксимируется в наносекундном диапазоне длительностей колоколообразной функцией

φ(t)=0,5(1 – cos ω t) (11.11.2)

и в пикосекундном диапазоне – функцией

φ(t)=(e -αt - e βt)1(t) (11.11.3)

где α и β – показатели степени, характеризующие крутизну среза и фронта экспоненциального импульса.

Результат измерений может быть представлен как в аналоговой (аналитической, графической, и др.), так и в дискретной (в виде последовательности выборок, кодовых групп, таблицы и др.) форме, но должен обеспечить с заданной степенью точности определение мгновенного относительного значения сигнала в любой момент времени. Такая выходная измерительная информация, полностью характеризующая и определяющая импульсный оптический процесс во времени, в ряде практических случаев (в зависимости от конкретного применения того или иного СИ) является избыточной. Достаточным является представление выходной информации в виде отдельных характеристик или параметров.

Аналогично используемым в радиотехнике, оптические импульсы характеризуются следующими основными энергетическими и временными параметрами: энергия импульса Е и (Дж); максимальная мощность импульса Р и мах (Вт); средняя мощность импульса Р и ср (Вт); длительность импульса τ и (с); длительность фронта импульса τ ф (с); длительность среза импульса τ ср (с).

Кроме того, для характеристики форм оптического импульса могут использоваться, также аналогично используемым в радиотехнике, дополнительные параметры, такие как выброс на плоской вершине δ в (%) и спад плоской вершины δ сп (%). Амплитудно-временные соотношения, определяющее перечисленные выше параметры оптического импульса приведены на рисунке 11.2.

В практике измерений определение рассмотренных выше параметров оптического импульса в большинстве случаев предусматривает регистрацию тем или иным способом формы измеряемого импульса. Как известно, наиболее универсальным по возможности технической реализации является способ, основанный на преобразовании оптического измеряемого оптического сигнала в электрический сигнал и дальнейшей его обработки с помощью известных радиотехнических средств. Этот способ позволяет регистрировать и измерять либо всю совокупность значений мощности (в относительных или абсолютных единицах), либо отдельные значения параметров оптического импульса.

При этом одним из важнейших условий, определяющих точность измерений, является требование минимальных искажений формы измеряемого сигнала. Отсюда вытекает требование использования ПИП в пределах линейного участка линейной характеристики их преобразования, т.е. преобразователей, работающих в линейном режиме, когда с заданной степенью точности соблюдается условие φ(t)=Kр(t), где φ(t) – выходной сигнал преобразователя; р(t) – входное оптическое воздействие; К – постоянный коэффициент преобразования ПИП. При несоблюдении данного условия при обработки результатов измерений требуется вводить дополнительную коррекцию, что значительно усложняет этот процесс.

Всё многообразие установок, приборов, аппаратурных комплексов, выпускаемых серийно или комплектуемых из отдельно имеющихся узлов, устройств и т. п., предназначенных для измерения отдельных параметров оптических импульсов или определения их формы в целом, с трудом поддается классификации или обобщению в силу отсутствия единых критериев перехода как к структуре подобных СИ, так и к назначению входящих в них узлов. Ниже сделана попытка классифицировать такие СИ, основанная на рассмотрении последних в качестве СИ формы оптических импульсов – источников наиболее полной информации об импульсном лазерном излучении как о физическом прочесе.

Определение отдельных параметров импульса может рассматриваться как использовании части полного объема измерительной информации, приводящее обычно к упрощению рассматриваемой общей структуре СИ.

В общем случае СИ (измеритель) формы оптических импульсов (ИФОИ) как средство получения измерительной информации может быть функционально представлено в виде измерительной системы (рисунок 11.3), состоящей из ряда ниже перечисленных устройств.

Входное устройство предназначено для преобразования оптического сигнала р(t) в форму, удобную для дальнейшей обработки.

Регистрирующие устройство (РУ) предназначено для записи промежуточной информации, поступающей от входного устройства, и её воспроизведения для дальнейшей обработки. РУ может рассматриваться как запоминающее устройство (ЗУ), время записи и воспроизведения которого определяется принципами действия и типом как самого РУ, так и всей измерительной системы в целом.

Устройство преобразования предназначено для преобразования записанной в РУ информации при её считывании в форму, определяемую необходимостью и методами дальнейшей обработки.

Устройство обработки и выдачи информации предназначено для обработки и выдачи информации, поступающих от предыдущих устройств, в соответствии с конкретным назначением измерительной системы и для представления выходной измерительной информации в форме, удобной для её восприятия или использования. При физической реализации рассмотренной измерительной системы функции отдельных её устройств могут быть совмещены в одном и том же узле или приборе или частично выполняется оператором.

ИФОИ в соответствии со структурной схемой рис.11.3 можно следующим образом квалифицировать по методу соответствующих преобразований.

1. По методу преобразования во входном устройстве:

• преобразование изменения мощности во времени р(t) в изменение мощности (интенсивности) в пространстве вдоль одной из координат р(х), т. е. преобразование оптического сигнала в оптический. Возможны два типа такого преобразования: с оптико-механической развёрткой (скоростные фотокамеры) с электронно-оптической разверткой (фотоэлектронные регистраторы – ФЭР и др.).

• преобразование изменение мощности оптического сигнала во времени р(t) в электрический сигнал u(t). Такое преобразование может осуществляться с помощью фотоэлектронных, малоинерционных тепловых и других фотоприемников и устройств.

2. По методу регистрации:

• непосредственная регистрация мощности излучения на фотоплёнку, характерна для систем, использующих во входных устройствах преобразование р(t) в p(x);

• регистрация мощности излучения р(t) на матричных фотоприёмниках или передающих телевизионных трубках;

• осциллографическая регистрация, характерная для систем, использующих во входном устройстве, преобразование р(t) в u(t).

• стробоскопическая регистрация.

3. По методу обработки промежуточной информации в устройстве преобразования:

• фотометрирование негатива, характерное для систем с входным преобразованием р(t) в р(х);

• регистрация на фотоплёнку изображения с экрана осциллографа (осциллограмма);

• масштабно-временное преобразование при использовании электронно-лучевых осциллографических трубок с памятью, матричных фотоприемников или передающих телевизионных трубок;

• аналоговое или цифровое преобразование при использовании стробоскопических регистраторов.

4. По методу обработки и формы представления выходной измерительной информации:

• ручное или автоматическое построение диаграммы, соответствующей φ(t), или представление негатива калиброванной осциллограммы;

• преобразование последовательности значений φ(t i) в цифровой код и его запись в ЗУ (на перфоленте, магнитофоне, магнитном барабане, регистрах памяти и т. п.), что позволяет многократно воспроизводить полученную измерительную информацию;

• ручное или автоматическое составление таблицы последовательных значений φ(t i);

• предоставление возможности визуального наблюдения сигнала u(t) на экране осциллографа и измерение его характеристик и параметров с использованием шкал и калибрационных меток на экране или индикация этих параметров на табло.

Как указывалось выше, форма оптического импульса обладает большой информативностью, что позволяет при дальнейшей обработки выходной информации ИФОИ получать не только параметры, но и характеристики, разносторонне определяющие весь физический процесс. Получение таких характеристик неразрывно связанно с математической обработкой выходной информации ИФОИ, что накладывает определённые требования на форму её представления. Измерительные системы визуального отсчёта или с аналоговым документированным выходом не позволяет непосредственно проводить математическую обработку информации. Возможность непосредственной стыковки с различными вычислительными устройствами, а также совместной работы с другими системами в составе современных измерительных комплексов обеспечивают лишь ИФОИ с дискретным представлением выходной измерительной информации. Такие системы, естественно, являются значительно более сложными и дорогостоящими. Однако такое усложнение измерительной аппаратуры приводит к упрощению процедуры измерений, их автоматизации, увеличению быстродействия системы и в большинстве случаев к повышению точности измерений.

11.5. Измерение спектральных характеристик

Измерение спектральных характеристик является одной из основных видов измерений в волоконно-оптических системах передачи включает анализ оптического спектра, измерение длинны волны и ширины спектральной характеристики. Анализ оптического спектра представляет собой измерение оптической мощности в зависимости от длинны волны и в связи с развивающимися технологиями WDM – уплотнения становится одним из важнейших видов измерений в высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи. Необходимость анализа оптического спектра вызвана также возникающей в волокне и определяемой ширенной спектра источника излучения хроматической дисперсией, которая проявляется в увеличении длительности передаваемого импульса по мере его распространения по оптическому волокну, что ограничивает ширину полосы пропускания высокоскоростных линий передач.

На рисунке 11.4 представлена обобщённая схема анализатора оптического спектра, согласно которой входной сигнал в виде исследуемого оптического излучения поступает через оптическую систему на фотоприёмник, а затем после аналого-цифрового преобразования – на систему управления оптической системы, обработки данных и отображения результатов анализа.

Функция систем управления, обработки данных и отображения результатов анализ, как правило, выполняет компьютер, причём алгоритмы управления и обработки определяются оптической системой анализатора спектра.

11.5.1. Анализаторы оптического спектра на основе оптического фильтра

В общем случае принцип действия анализаторов оптического спектра на основе перестраиваемых по длине волны оптических фильтров заключается в пространственном разделении входного излучения на спектральные составляющие, преобразуемые затем посредствам фотодиода в электрический ток, пропорциональный мощности соответствующей длинны волны. Последний с помощью управляемого током усилителя напряжения преобразуется в аналоговое напряжение, а затем после аналого-цифрового преобразования – в цифровую форму. Вся последующая обработка сигнала выполняется в цифровом виде с отображением значений мощности по вертикальной оси со скоростью развертки [кн. Иванова].

Анализаторы оптического спектра на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП). Он представляет собой два плоских зеркала, обращённых друг к другу отражающими слоями и установленных параллельно между собой на определённом расстоянии (рисунок 11.5). Сами пластины делают слегка клиновидными, чтобы устранить вредное влияние излучения, отраженного внешними поверхностями пластин.

При падении на него оптического излучения возникает множество отраженных лучей, которые интерферируют друг с другом. На выходе ИФП образуется интерференционная картина с характерными максимумами и минимумами интенсивности. Максимумы пропускания такой системы определяются выражением:

2dn cos q =q l , (11.5.1)

где d - длина ИФП; n - показатель преломления среды между зеркалами (в дальнейшем принимаем n = 1 ); q - угол падения излучения на ИФП; q - целое число (порядок интерференции или число длин волн излучения, уложившихся по длине ИФП); l - длина волны излучения.

Интерференционная картина ИФП, представляющая распределение интенсивности излучения в плоскости регистрации, может быть как пространственной, так и временной. В первом случае эта система интерференционных колец равного наклона (для каждого кольца q - const). Во втором случае - регистрируемое фотоприемником излучение, пропущенное ИФП при изменении его длины во времени (рисунок 11.6).

При фотоэлектрической регистрации лазерное излучение перед входом в ИФП коллимируется (q стремится к нулю), так что на выходе наблюдается лишь так называемый "нулевой" порядок интерференции (центральное пятно). Интерференционные кольца высоких порядковых номеров (1,2,3…) при этом не наблюдаются.

Распределение интенсивности пропущенного монохроматического излучения (аппаратная функция интерферометра) определяется по формуле Эйри:

, (11.5.2)

где I 0 - интенсивность падающего излучения; t - коэффициент отражения зеркал; d =4 p d/ l - разность фаз между соседними интерферирующими лучами. Полуширина аппаратной функции, характеризующая разрешение ИФП,

. (11.5.3)

Одной из важнейших характеристик ИФП является область дисперсии или интервал длин волн, соответствующий расстоянию между соседними максимумами пропускания,

. (11.5.4)

Область дисперсии характеризует максимальную ширину спектра лазера, которую можно анализировать без искажений, вызванных переналожением интерференционных порядков. Для малых углов падения

. (11.5.5)

Разрешающая способность интерферометра.

. (11.5.6)

Допустим, что излучение состоит всего из двух монохроматических компонент. Будем считать, что различие в их длинах волн постепенно возрастает, и если они сильно не отличаются по интенсивности, то наличие этих двух компонент в контуре в конце концов будет замечено, так как в интерференционной картине появятся две смещенные друг относительно друга системы максимумов. в таком случае говорят, что компоненты разрешены интерферометром.

При использовании интерферометра Фабри – Перо измеряемая длина волны

(11.5.7)

где l э – эталонная длина волны;

m x и m э – целые числа интерференционных порядков, определяемые расчетным путем;

Е э и Е х – дробные числа интерференционных порядков, найденные из расшифровки интерференционных картин;

n э и n x – показатели преломления среды в интерферометре, разные для эталонной и измеряемой длин волн.

Под порядком интерференции понимают число

(11.5.7)

где n B – показатель преломления воздуха между пластинами;

D – расстояние между отраженными поверхностями;

q - угол отражения;

j - сдвиг фазы.

Для каждой линии дробные части интерференционных порядков находят путем измерения диаметров колец с номерами p и q, Dр и Dq по формуле:

(11.5.8)

Для получения данных об абсолютном значении частоты источника излучения обычно используют длину волны излучения λ и, пользуются соотношением:

где с – скорость света, определяют частоту излучения n.

Прямые измерения частоты требуют счета периодов электромагнитных колебаний за данный период времени. Современные электронно-счетные частотомеры позволяют измерять частоту до 5 ×10 8 Гц, используя калибровку от опорного кварцевого генератора. Для измерения более высоких частот необходима техника гетеродинирования, основанная на смешении частот двух генераторов, одна из которых известна, и на измерении частоты, генерируемой в результате смешения разности частот.

В принципиальной основе измерения частоты лазерного излучения лежит следующее уравнение:

n х = ln э ± n б , (11.5.10)

где n х –неизвестная частота; n э – эталонная частота;

n б – измеряемая частота сигнала биений;

l – целые числа, номера гармоник.

Из соотношения (11.5.10) видно, что для измерения частоты n х необходимо выполнение по крайней мере двух условий: частота эталонного генератора должна быть достаточно стабильной; необходимы устройства, позволяющие точно воспроизводить величину l , то есть осуществлять процесс умножения частоты. При этом номер гармоники l обычно определяется путем нахождения приближенной частоты из измерений длины волны.

Общая схема синтеза частот может быть выражена соотношением:

n с = mn 1 ± nn 2 ± ln н ± f , (11.5.11)

где n с – синтезируемая частота, n 1 и n 2 – неизвестные частоты более низкочастотных генераторов; f – разностная частота; m, n, l – целые числа.

Анализаторы спектра на основе дифракционной решетки .

Наиболее часто в волоконной оптике применяются анализаторы оптического спектра (OSA) с дифракционными решетками в качестве перестраиваемого оптического фильтра.

Совокупность элементов оптической системы (входное отверстие, дифракционная решетка, выходное отверстие) в этом случае служит для разделения входного оптического излучения на различные спектральные составляющие и носит название монохроматора, монохроматор с фотодиодом, служащий для последующей фиксации спектра, называют, спектрометром. Учитывая функциональную нагрузку монохроматора, его можно представить как настраиваемый оптический фильтр, представляющий оптическую систему OSA.

В монохроматоре дифракционная решетка (зеркало с регулярно расположенными гофрированными линиями на поверхности) выводит дифрагированный свет под углом, определяемый длиной волны, что аналогично радуге, которую образует видимый свет при прохождении через призму. В инфракрасном излучении, используемом в телекоммуникациях, применение призм неэффективно, так как дисперсия, или изменение показателя преломления стекла от длины волны, в диапазоне 1-2 мкм длин волн очень мала. Поэтому в OSA применяются дифракционные решетки, которые обеспечивают лучшее разделение света по длинам волн или, что то же, лучшую разрешаю способность.

Дифракционная решетка состоит из последовательно расположенных через равные промежутки параллельных щелей (в случае передающей решетки) или зеркала (в случае принимающей решетки), интервалы между которыми определяются рабочими длинами волн вследствии того, что ее линии оказывают влияние на отраженные лучи только в том случае, когда луч света с определенной длиной волны проходит через апертуру соответствующей нерегулярности. Поэтому угол решетки зависит от длины волны, на которую настраивается OSA, а апертуры входа и выхода, как и размер луча на дифракционной решетке, определяют ширину спектра оптического фильтра, выходной сигнал которого поступает на фотодиод и затем на электронную схему обработки результатов измерений.

Как было отмечено выше, дифракционная решетка осуществляет отражение под углом, пропорциональным длине волны, что позволяет настроить OSA на определенную длину волны входного излучения путем изменения угла, под которым свет падает на поверхность решетки.

Когда свет попадает на отражательные линии решетки, каждая неоднородность преломляет свет под углом, соответствующий определенной длине волны, создавая не синхронизированные друг с другом преломленные волны малой амплитуды, которые вносят вклад в параллельный фронт сформированной волны. При этом эффективность преломленного луча по отношению к мощности, поступающей на ее поверхность, определяется профилем каждой линии решетки.

Уравнение, отражающее работу дифракционной решетки в общем случае имеет вид:

где l- длина волны света в воздухе для большинства OSA; d - расстояние между линиями решетки, a и b- соответственно, угол входного и выходного излучения; m - целое число определяющее порядок спектральной составляющей.

В OSA часто используют специальную ориентацию дифракционной решетки, которая определяется условием Литроу. В этом случае излучение измеряемой длины волны отражается от дифракционной решетки в направлении, противоположном падающему лучу, а уравнение решетки имеет вид:

(11.5.13)

В результате преломления плоская волна формируется под одним углом, в связи с чем имеет место интерференция между лучами смежных канавок решетки, а расхождение лучей наблюдается в малом диапазоне углов, имеющих максимальное значение равное:

(11.5.14)

где Db min – угол расхождения преломленного луча монохроматического света, а N-количество освещенных линий решетки.

Последнее выражение отражает фундаментальное ограничение ширины полосы пропускания фильтра, основанного на дифракционной решетке, и следовательно, определяет разрешающую способность OSA, которая ограничивается соотношением диаметра освещенной области решетки и длины волны оптического излучения

и измеряется в радиан/м.

Очевидно, что дисперсия дифракционной решетки изменяется с длиной волны, что также приводит к снижению разрешения монохроматора, поэтому некоторые OSA имеют специальные устройства, корректирующие влияние этого эффекта.

11.5.2. Автокорреляционные анализаторы оптического спектра

Принцип действия автокорреляционных анализаторов оптического спектра основан на преобразовании Фурье автокорреляционной функции входного оптического сигнала. Они строятся на основе интерферометра Майкельсона, включающего два оптических канала фиксированной и варьируемой длины, которые в общем случае выполнены на светоделителе и двух зеркалах, одно из которых неподвижно, а другое может перемещаться по ходу светового луча (рисунок 11.6). при прохождении световых лучей по этим каналам на выходе интерферометра формируется сигнал, имеющий место в результате взаимодействия части входного сигнала с задержанной на некоторое время другой частью этого же сигнала. В связи с этим результирующий сигнал является функцией автокорреляции входного излучения и называется интерферограммой, которая впоследствии подвергается преобразованию Фурье с целью определения спектра мощности входного сигнала.

Благодаря такому построению анализаторы спектра, основанные на интерферометрах Майкельсона, в отличие от других интерферометров позволяют осуществлять прямые измерения когерентной длины волны. Например, если точно измерить период полученной интерферограммы и затем сравнить его с образцовой длиной волны, длина волны неизвестного сигнала может быть определена с высокой точностью. Возможность точного измерения длины волны отличает этот прибор от других приборов аналогичного назначения.

При реализации данного принципа в общем случае излучение лазера коллимируют, а затем посредством полупрозрачного зеркала расщепляют на два луча, которые с помощью зеркал направляют таким образом, чтобы они проходили различные расстояния, после чего их вновь объединяют и подают на фотоприемник. Для того, чтобы отразить лучи обратно к полупрозрачному зеркалу, обычно используют плоские зеркала, выполненные на гранях куба (рисунок 11.7), что позволяет исключить отражения сигнала обратно к лазерному диоду. Из-за разности пройденного лучами пути электрические поля, воздействующие на фотодиод, будут сдвинуты на некоторое время t.

В дополнение к измерению длины когерентности и дисперсии в многомодовом ОВ интерферометр Майкельсона позволяет также измерять спектральную плотность мощности излучения. Для этого, как было отмечено выше, интерферограмма подвергается преобразованию Фурье.

Так как для идентификации длины волны в этом случае не используется фильтр с настраиваемой полосой пропускания, такие анализаторы не могут применяться в тех областях, где необходима фильтрация входного сигнала. Кроме этого, вследствие дробового шума, который всегда присутствует в оптическом приемнике при больших входных сигналах, данный тип анализатора имеет меньший динамический диапазон по сравнению с OSA на дифракционной решетке.

В общем случае данный вид измерений представляет собой совокупность измерений электрических и оптических сигналов, поэтому, не останавливаясь на всесторонне рассмотренных в литературе электрических измерениях, в настоящем параграфе будут рассмотрены особенности измерений оптических характеристик, подразумевая, что для измерения параметров электрических сигналов используются стандартные процедуры и приборы.

А. Измерение характеристик модуляции полупроводникового лазера. Как известно, частотная характеристика модуляции лазера зависит от значения постоянного тока смещения, возрастание которого обычно приводит к увеличению полосы частот, что связано со смещением характеристики релаксационных колебаний, определяющих естественную глубину модуляции частоты лазера. Наличие релаксационных колебаний, в свою очередь, создает дополнительную модуляцию интенсивности излучения лазера. Поэтому измерение модуляционной характеристики лазеров, используемых в телекоммуникациях, представляет собой очень важную задачу. Для проведения данных измерений с высокой точностью вначале (рисунок. 11.8) необходимо выполнить предварительную калибровку, исключив тем самым влияние модуляции в измерительной системе, задав начальную и конечную частоты диапазона, количество точек измерения, время измерения и уровень мощности источника [кн. Иванов].

В процессе калибровки определяются частотная и фазовая характеристики модуляции измерительной схемы, с тем, чтобы впоследствии использовать эту информацию в совокупности с данными внутренней калибровки анализатора. Параметры источника и приемника световой волны предопределяются во время заводской калибровки и вводятся в память анализатора. По окончании калибровки тестируемый лазер включается между интерфейсами электрической и оптической схем измерений, замещая калиброванный источник световой волны. При этом путем изменения смещения лазера можно повести ряд измерений, определив оптимальное значение, при котором достигается максимальная глубина частотной модуляции.

Б. Измерение модуляционной характеристики внешнего модулятора . Модуляционная характеристика внешнего модулятора в общем случае зависит от напряжения смещения и определяется следующими четырьмя параметрами:

• вносимыми потерями, которые равны потерям в точке максимума функции передачи;

• разностью минимального и максимального уровней модулирующего сигнала;

• отношением максимального и минимального уровней оптического сигнала;

• номинальным напряжением смещения, при котором имеет место равенство положительной и отрицательной полуволн оптического сигнала.

При этих условиях можно принять, что модуляционная характеристика для небольших отклонений от номинальной рабочей точки модулятора изменяется линейно. Тогда для синусоидального сигнала с выраженной в радианах частотой w интенсивность излучения I (t) будет определяться известным выражением.

(11.6.1)

где I 0 – максимальная интенсивность света;

E(w) – зависящая от частоты эффективность модуляции;

V p -разность минимального и максимального уровней модулирующего сигнала.

При этом рабочая точка модуляционной характеристики, естественно, может быть отрегулирована путем изменения напряжения смещения V в.

Модуляционная характеристика внешних модуляторов интенсивности оптического излучения может быть определена с использованием анализатора компонентов световой волны таким же образом. Как и при использовании лазерных источников. Это еще один класс электронно-фотонных измерений, где источником является генератор электрического сигнала качающейся частоты, а измерение полосы частот модуляции внешних модуляторов интенсивности оптического излучения осуществляется при помощи анализатора компонентов световой волны по рассмотренной выше схеме измерения модуляции лазера. Однако между этими измерениями есть существенная разница, обусловленная тем, что модулятор представляет собой трехпортовое устройство, в котором коэффициент преобразования зависит от уровня входной оптической мощности, то есть эффективность преобразования модулятора является функцией уровней электрического и оптического входных сигналов.

Чтобы определить коэффициент преобразования модулятора в Вт / А, анализатор компонентов световой волны должен устанавливать зависимость модулированной мощности от входного тока модуляции, а так как с увеличением входной оптической мощности выходная модулированная оптическая мощность также возрастает, анализатор световой волны будет измерять очевидное увеличение чувствительности. Это означает, что измерение чувствительности модулятора действительно только для определенной входной оптической мощности, существовавшей в момент проведения измерения, в то время как частотная характеристика модуляции модулятора обычно действительна в широком диапазоне значений входной оптической мощности.

11.7. Измерение шумов оптического излучения

Одной из основных разновидностей шумов, часто встречающихся при оптических измерениях, являются шумы оптического излучения, которые существуют в оптическом сигнале до его обнаружения. Для количественной оценки совместно с таким показателем, как отношение сигнала/шум (SNR), часто пользуются понятием относительная интенсивность шума (RIN), которая определяется как [Иванов]

(11.7.1)

где (DР 0) 2 – среднеквадратическое значение отклонения интенсивности спектральной плотности оптического сигнала, а Р 0 – средняя оптическая мощность. Из данного выражения следует, что на практике необходимо добиваться минимизации значения RIN, которое может быть использовано для определения максимально достижимого SNR в системе передачи световой волны, где основным источником шума является интенсивность шума лазера. Следующее выражение показывает теоретическое соотношение между значениями сигнал/шум и RIN [Иванов]

(11.7.2)

где m – глубина оптической модуляции;

В – полоса частот шума.

Анализ приведенных выше уравнений показывает, что в достаточно большом рабочем диапазоне RIN полупроводникового лазера уменьшается с увеличением его мощности и традиционно измеряется с помощью анализатора электрического сигнала, подключенного к фотодиоду через усилитель. Результат измерения анализатором спектра в этом случае эквивалентен усиленному электрическому показателю (DР 0) 2 в выражении, определяющем RIN. При этом одновременно должны осуществляться контроль уровня постоянного фототока, произведение квадрата которого на 50 Ом и усиление усилителя дает электрический эквивалент (Р 0) 2 . Здесь предполагается, что входной импеданс усилителя и анализатора спектра равен 50 Ом. Этот метод позволяет измерить как среднюю мощность оптического сигнала, так и обнаружение отклонения интенсивности шума. Кроме этого, анализатор оптического спектра может измерять уровни обнаруженного дробового и теплового шума, а также компенсировать их влияние с тем, чтобы иметь возможность измерять RIN ниже ограничения, вызванного дробовым шумом. Вычитание теплового и дробового шума из RIN обеспечивает увеличение диапазона измерения, как правило, приблизительно на 16 дБ.

Другим способам описания и сравнения шумов оптического излучения является выражение их в виде отношения мощности шума в 1Гц полосе частот, нормализованной относительно постоянной мощности сигнала. Такое описание полезно вследствие того, что это значение становится независимым от любого ослабления или абсолютной мощности, достигающей фотодиода. Данная частичная мощность шума в полосе частот часть называется относительным шумом оптического излучения и определяется следующим образом :

(11.7.3)

где < D i 2 > - усредненная по времени мощность шумов оптического излучения в полосе частот 1 Гц;

I 0 – средняя интенсивность излучения.

Так как RIN’ является нормализованным параметром, данное выражение действительно и если параметры D i и I 0 относятся к оптической интенсивности излучения обнаруженного фототока или даже входного напряжения приемника. На практике RIN’ можно определить с помощью анализатора электрического спектра, измеряющего усредненную по времени мощность шума фототока < D i 2 > и амперметра, контролирующего среднее значение постоянного тока фотодиода I 0 . Влияние, оказывается тепловым и дробным шумами, следует вычесть из измеренной мощности шума для получения более точного значения действительных шумов оптического излучения входного оптического сигнала.

Процедура измерений интенсивности шума обычно включает настройку анализатора сигнала световой волны установкой начальной и конечной частот диапазона измерения, разрешающей способности в полосе частот, полосы видеочастот, эталонного уровня и маркера шума. Здесь следует отметить, что для наблюдения полного спектра шумов лазера необходима установка как можно более широкого диапазона частот измерения, в то время как разрешающая способность должна быть настроена на значение, составляющее приблизительно одну сотую интервала, с тем чтобы в процессе измерения иметь достаточно высокую скорость развертки. Видеополоса частот, которая выполняет ту же функцию, что и усреднение спектрограммы, настраивается на значение, достаточно низкое для поддержания разумного времени развертки.

Значительное воздействие на уровень шумов лазера могут оказывать отражения от коннекторов или сращиваний. Очевидно, что с увеличением уровня шумов, вызванных обратными отражениями, будут наблюдаться соответствующие изменения спектра излучения. Поэтому, используя маркеры для разделения частот между пиками шумов Df , можно определить расстояние D между отражениями с использование следующего выражения:

где с – скорость света в вакууме, 3 × 10 8 м/с;

n – показатель преломления стекла, равный » 1.5.

Так, объемный оптический резонатор, сформированный между коннектором, создающим отражение, и зеркалом задней грани лазера, может усилить шум лазерного диода. Интерференция между прямой переданной волной и отраженной волной в лазерном резонаторе смещает усиление лазера, создавая синусоидальную вариацию шумового спектра, которая зависит от длины резонансного канала. При этом отраженная мощность нарушает динамическое равновесие процесса генерации и обычно увеличивает амплитуду интенсивности шума, особенно на частоте релаксационных колебаний. Также она может вызвать колебания шумового спектра с частотой, обратно пропорциональной полному времени прохождения светового луча от лазера до отражения. Чтобы избежать этого увеличения шума часто используются изоляторы. В результате экспериментальных исследований было показано, что для устранения этого эффекта изоляция должна составлять от 30 до 60 дБ и более.