Содержание к диссертации
Введение
1 Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) на новых физико технологических 14
1.1 Состояние вопроса и актуальность темы 14
1.2 Актуальные направления повышения технического уровня и качества базовых элементов ВОСП 15
1.3 Перспективы повышения пропускной способности ВОСП 19
1.4 Значение нанотехнологий в повышении технического уровня и качества оптоэлектронных устройств 31
1.5 Физические и технологические пределы повышения скорости передачи информации по ВОСП 33
1.6 Проблемы создания базовых элементов для устройств обработки и передачи квантовой информации 36
1.7 Физико-математическое моделирование модифицированных наноструктур на основе изотопической наноинженерии 43
1.8 Выводы по главе 50
2 Исследование возможностей повышения пропускной способности восп с помощью нано- и информационных технологий 51
2.1 Влияние информационных технологий уплотнения оптического волокна на пропускную способность ВОСП 51
2.2 Сравнительная характеристика информационных технологий TDM и WDM 57
2.3 Оценка повышения пропускной способности ВОСП с помощью нано- и информационных технологий 67
2.4 Выводы по главе 71
Исследование перспективных физико-технологических принципов и методов формирования модифицированных наноструктур 73
3.1 Сравнительная характеристика качественных показателей различных видов нанотехнологий 73
3.2 Изотопический эффект и создание на его основе изотопических наноструктур (ИНС) 80
3.3 Физико-технологические основы изотопической нанотехнологий 96
3.4 Основные принципы и методы формирования модифицированных наноструктур на основе тепловых нейтронов 100
3.5 Выводы по главе 109
4 Исследование характеристик изотопических сверхрешеток на основе физико-математического моделирования 111
4.1 Особенности и методы проектирования сверхрешеток 111
4.2 Физико-математическая модель сверхрешетки на примере многослойного волновода 124
4.3 Физико-математическая модель низкоразмерной сверхрешетки с бесконечным числом слоев 130
4.4 Сравнительная характеристика расчетных моделей исследования сверхрешеток 132
4.5 Оценка влияния качественных характеристик изготовления функциональных сред оптоэлектронных устройств на эффективность их работы 142
4.6 Выводы по главе 145
5 Повышение технического уровня и качества базовых элементов восп на основе применения модифицированных наноструктур 147
5.1 Влияние базовых элементов ВОСП на повышение скорости передачи информации 147
5.2 Повышение технического уровня и качества полупроводниковых лазеров с применением модифицированных наноструктур 149
5.3 Повышение технического уровня и качества фотоприемников с применением модифицированных наноструктур 158
5.4 Повышение технического уровня и качества оптических модуляторов с применением модифицированных наноструктур 160
5.5 Повышение пропускной способности ВОСП с применением модифицированных наноструктур 166
5.6 Выводы по главе 170
6 Физико-технологические основы производства модифицированных наноструктур и применение их в устройствах ВОСП 171
6.1 Функциональные среды базовых элементов ВОСП и технологии их изготовления 171
6.2 Физико-технологические основы получения изотопического графена 180
6.3 Физико-технологические основы производства кристаллических наноструктур из кремния 188
6.4 Особенности производства модифицированных наноструктур из кремния для ВОСП 201
6.5 Разработка и внедрение методов комплексного анализа качества наноструктур на основных этапах жизненного цикла ИНС 210
6.6 Выводы по главе 218
Заключение 220
Список литературы
- Перспективы повышения пропускной способности ВОСП
- Сравнительная характеристика информационных технологий TDM и WDM
- Изотопический эффект и создание на его основе изотопических наноструктур (ИНС)
- Физико-математическая модель низкоразмерной сверхрешетки с бесконечным числом слоев
Перспективы повышения пропускной способности ВОСП
В настоящее время внедрение нанотехнологий наряду с информационными технологиями является необходимым условием научно-технического прогресса, перевода экономики на ресурсосберегающие производства, усиление национальной безопасности. Главным фактором развития современной экономики - создание новых производственно-технологических процессов, способных выпускать качественную продукцию для всех сфер жизни человека. Наиболее важным видом жизнедеятельности является передача информации с помощью телекоммуникационных систем.
Одной из главных задач в области передачи информации является создание широкополосной сети интегрального обслуживания. Такая сеть должна предоставлять высококачественные разнообразные услуги связи (телефония, телевидение, передача данных) при оптимальном использовании ресурсов линий связи и минимальных затратах средств. По рекомендациям Международного телекоммуникационного союза (ITU) основой для такой сети в глобальном масштабе будет волоконно-оптическая система передачи (ВОСП). Понятие ВОСП включает в себя приемо-передающую аппаратуру и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), состоящие из оптического кабеля, оптических усилителей и регенерационных устройств.
Одной из самых важных эксплуатационных характеристик ВОСП является пропускная способность С (бит/с), оцениваемая количеством информации, передаваемой в единицу времени. Для цифровых систем передачи пропускная способность определяется ресурсами оптического волокна (ОВ) и базовых элементов, которые зависят от уровня развития информационных и нанотехнологий. Под информационными технологиями в широком смысле в настоящее время подразумеваются не только компьютерные, но и сетевые, интернет-технологии, а также самые разнообразные телекоммуникационные технологии обработки и передачи информации, касающиеся методов информационного сжатия сигналов, кодирования и модуляции. Под нанотехнологией понимается совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты с размерами менее ЮОнм [1]. Можно сказать, что информационные и нанотехнологии - это две половины одного целого процесса оптимизации методов передачи информации, которая не осуществима без повышения качества аппаратуры. Так, научные открытия в одних областях, например, физики или химии и совершенствование на их основе технологий изготовления приборов электроники создают импульс для движения вперед информационных технологий. В свою очередь, научные достижения в области, например, информационного сжатия сигналов или технологий уплотнения оптического волокна являются стимулом для развития нанотехнологии.
Известно, что ресурсы оптического волокна по частотному диапазону и скорости передачи цифровых сигналов огромны и достигают в зависимости от длины оптической несущей нескольких десятков терагерц [2-7]. Достичь такой скорости в настоящее время невозможно из-за отсутствия элементной базы для высокоскоростных цифровых кодеков и модемов, которые должны поддерживать соответствующую тактовую частоту и частоту модуляции. Поэтому для реализации потенциальных возможностей ОВ необходимо развивать технологии изготовления устройств обработки и передачи сигналов, а также промышленное производство аппаратуры ВОСП.
Современные телекоммуникационные системы предназначены для организации цифровых информационных сетей передачи данных, голоса, видеоизображений. Наиболее перспективными являются волоконно-оптические системы передачи. Это объясняется огромными ресурсами пропускной способности оптического волокна и возможностями волоконно-оптической связи по дальности и качеству передачи информации. Так, использование оптических волноводов имеет много преимуществ перед другими линиями связи:
Скорость передачи сигналов и пропускная способность оптических волноводов определяются возможностями ВОСП, а именно: быстродействием базовых элементов приемопередающей аппаратуры, форматом оптической модуляции, способом уплотнения ОВ. Скорость прохождения сообщений по информационным сетям зависит не только от пропускной способности волоконно-оптических систем, но и от узлов сети, соединяющих отдельные участки ВОЛС между собой. Поэтому на скорость передачи по сетям влияют и быстродействие оптоэлектронных устройств, и электронных, а именно, микропроцессоров, управляющих информационными потоками (коммутацией в узлах сети), а также кодирующих и декодирующих устройств и т.д. Процесс увеличения скорости передачи сигналов и повышения производительности микропроцессоров происходит постоянно. Это осуществляется, прежде всего, с помощью совершенствования технологии производства. Об этом свидетельствуют открытые в 1965г Г. Муром эмпирические законы экспоненциального возрастания числа транзисторов на одном кристалле и повышения расходов на внедрение новых технологий производства (рис. 1.1а). Несмотря на то, что параметры «законов Мура» периодически корректируются, сделанные с помощью них прогнозы становятся на определенном этапе руководящими принципами развития электронной промышленности. Поэтому эмпирические законы Мура считают своеобразным «хронометром полупроводниковой технологии». Сделанные уточнения характера изменения кривой возрастания числа транзисторов на одном кристалле (рис. 1.16) позволяют выделить два периода или цикла развития микроэлектроники разной продолжительности. Каждый из них состоит из временных отрезков роста и спада увеличения быстродействия элементной базы [8]. Если первый цикл длился примерно с 1971 г по 1999г, то начавшийся в 2000г второй будет значительно короче и закончится к середине этого десятилетия. Следующим должен стать период революционных перемен в области обработки и передачи информации. Реализация этого прогноза зависит от внедрений научных открытий в области новых материалов, успехов наноинженерии и нанотехнологий, размеров финансовых вложений.
Сравнительная характеристика информационных технологий TDM и WDM
Пути повышения быстродействия элементной базы В настоящее время по всему миру развернулась настоящая научная гонка по созданию квантовых вычислительных устройств (компьютеров) и систем передачи (квантовой телепортации и квантовой оптической связи) [25-45]. Следует отметить, что квантовую телепортацию и квантовую оптическую связь можно условно считать аналогами беспроводных и волоконно-оптических систем передачи классической информации.
Наиболее актуальной научной темой в настоящее время является поиск способов реализации квантового процессора. Это объясняется тем, что он по быстродействию не соизмеримо выше, чем самый скоростной современный процессор [12,13,16]. Какими же преимуществами обладают квантовые вычисления, можно объяснить на следующем примере. Несмотря на успехи вычислительной техники сегодняшнего дня, которая способна развивать производительность более ю12 операций в секунду, требуются еще большие мощности. Так, для отыскания простых сомножителей 300-значного числа необходимо сделать 5-ю24 шагов в секунду. При производительности современной вычислительной техники на это потребуется 150 тысяч лет. Для сравнения следует отметить, что квантовый компьютер должен будет сделать 5 ю10 шагов и затратить на все операции меньше секунды [25-33].
Для обмена квантовой информацией большое значение имеет квантовая телепортация. Это удивительный процесс передачи квантовой информации на любые расстояния, который может оказать огромное влияние на алгоритмы управления различными объектами, передачи секретных кодов, квантовых вычислений и т.д.
Телепортация - это исчезновение объекта в одном месте и появление его в другом, пространственно удаленном от первого. Ключевую роль в квантовой телепортации играют фотонные пары, находящиеся в так называемом сцепленном состоянии. Сцепленные фотонные пары обладают парадоксальными свойствами, описанными в 1964году Дж. Беллом [25-31]. Так, измерение состояния одной частицы (фотона), мгновенно влияет на состояние другой, которая может быть удалена на произвольное расстояние от первой. Такие сцепленные состояния можно получить на основе спонтанного параметрического распада в кристаллах с квадратичной нелинейностью. Таким образом, с помощью фотонных пар реализуется квантовый канал связи. Уже в конце 20 века удалось осуществить квантовую телепортацию с помощью поляризационных сцепленных фотонов на расстояние более 10 км [29]. В наше время успешные опыты по квантовой телепортации проводятся учеными разных стран (Швецария, Австралия, Япония и т.д.).
Не менее важна реализация идеи передачи на большие расстояния квантовых состояний (например, отдельных фотонов света определенной поляризации) с помощью волоконно-оптической связи. Такой способ передачи необходим для осуществления идей квантовой криптографии. Задача криптографии состоит в обеспечении секретности передачи информации между двумя объектами. Для этого используется секретный код, который должен быть известен объектам. Согласно К. Шеннону абсолютно секретная передача может быть тогда, когда код представляет из себя большую последовательность «истинно случайных чисел» и используется только один раз [25-41]. На практике реализация такой системы, когда каждый раз при посылке сообщения, нужно создавать и передавать новую последовательность чисел (код), наталкивается на серьезные трудности. Изменить ситуацию может передача квантовых состояний, которая позволяет на приемной стороне обнаружить факт попытки «перехвата» секретного кода. Так, любое проникновение в систему передачи квантовой информации сопровождается воздействием на квантовый объект, который необратимо изменяет свое состояние. Это фиксируется на приемной стороне с помощью специального алгоритма «сравнения уровня ошибок» после измерения состояния квантового объекта. В конце 90-х годов учеными была успешно проведена операция передачи квантового кода по дну Женевского озера по стандартному оптическому волокну на расстояние 67 км [29].
Таким образом, развитие квантовых устройств обработки и передачи информации является приоритетной задачей уже сегодняшнего дня [33-45]. Решить ее можно с помощью создания соответствующей элементной базы, которая позволила бы хранить, обрабатывать и передавать состояния квантовых объектов. Для этого нужно уметь манипулировать отдельными молекулами и атомами, развивать различные направления молекулярной электроники и наноинженерии, создавать новые производственно-технологические процессы.
Для кодирования квантовой информации нужно использовать различные квантовые объекты и их возможные состояния. Квантовые объекты возбуждаются в изолированных структурах, которые образуют квантовую систему. В качестве кодирующего признака квантового объекта можно использовать направление поляризации (фотона, фонона, экситона, ядра атома) или направление спина (электрона, экситона, ядра атома). Во всех этих примерах важно время, в течение которого сохраняется квантовое состояние, например, горизонтальное или вертикальное направление поляризации фотона или экситона. Это время, называемое временем когерентности тк, отводится для осуществления вычислительных операций, передачи по квантовым каналам или запоминания квантовой информации. Величина тк в зависимости от квантового объекта может значительно отличаться, например, для спина ядра атома тк = (10"2 -П08)с, для спина электрона тк = Ю"3с [38].
Квантовые состояния очень чувствительны к внешним возмущениям. Поэтому необходимо найти или создать такую квантовую систему, которая была бы максимально изолирована от окружающей среды.
Наиболее перспективными квантовыми объектами с точки зрения управления и сохранения их когерентности являются экситоны в низкоразмерных (квантовых) структурах (НРС) [38]. Экситон - это связанное состояние электрона и дырки, возникающее в результате поглощения фотона, и которое не обладает электрическим зарядом. Возбуждение экситонов значительно облегчается в НРС и возможно даже при комнатной температуре, так как локализация в ограниченной области усиливает эффекты перекрытия волновых функций электронов и дырок. У таких экситонов боровской радиус г больше геометрических размеров квантовой структуры [35]. Основными параметрами таких микрочастиц, влияющими на время когерентности, являются энергия экситона Еэкс, энергия связи экситона Есв, величина боровского радиуса г. Известно, что характеристики квантовых объектов значительно зависят от физических свойств материала [46]. Это можно показать на примере характеристик экситонов в кремнии и германии. Так, в предположении, что приведенная масса экситона составляет 0,1 массы свободного электрона, имеем для кремния Еэкс= 1,088эЛ , г=Ъ,\2нм, ЕС=Е3- Еэкс = \2мэВ (где Е3=\,ъв - ширина запрещенной зоны); для германия аналогичные параметры равны соответственно Е3 =0,746 эВ , Еэкс =0,741 эВ , Ес = 5мэВ, г= 8 нм [38]. Следует отметить, что размеры НРС сильно влияют на локализацию экситонов (энергию связи и величину тк). Поэтому при изготовлении наноструктур для возбуждения квантовых объектов требуется высокая точность (менее одного нанометра). Такую технологию производства элементной базы для квантовых устройств еще предстоит создать.
Изотопический эффект и создание на его основе изотопических наноструктур (ИНС)
Поэтому в трехмерном пространстве решетки приходится учитывать и поперечные, и продольные моды как оптические, так и акустические. Максимальные частоты колебательных мод зависят от жесткости связей между атомами и их массы и ограничены расстоянием между атомами, минимальные частоты - размерами кристалла [85]. Кроме описанных выше стоячих волн, в решетке возникают бегущие волны, когда локализованная область колеблющихся атомов, называемая фононом, перемещается по кристаллу. Энергия фононов квантуется. Для описания колебаний кристаллической решетки используют модель гармонического квантового осциллятора с общей массой колеблющихся атомов, с помощью которой рассчитывается энергия квантования колебаний. При переходе квантового осциллятора из одного состояния в другое (например, при поглощении фотона) энергия может меняться только на величину E = hco. При этом колеблющейся системой испускается квазичастица (фонон). Отсюда, энергию колебания решетки можно рассматривать как сумму энергии нулевой колебательной моды и п фононов. Фонон, так же как и фотон, являются бозонами (спин равен нулю). Фононы могут взаимодействовать между собой и с другими частицами (электронами). Электрон-фононное взаимодействие влияет на характеристики оптических приборов (шумы фотодетектора, эффективность лазеров, быстродействие транзисторов и других оптоэлектронных устройств). Причинами возникновения фононов могут быть (кроме колебательных движений кристаллической решетки) процессы поглощения и рассеяния фотонов на ионах решетки, механические напряжения кристаллической решетки, движение свободных носителей заряда, колебания температуры окружающей среды и т.д. Коэффициенты поглощения и рассеяния зависят от изотопического состава кристалла, что удалось доказать с помощью колебательной спектроскопии [84]. Она основывается на том, что частота колебательных мод решетки находится в инфракрасном диапазоне (ИК), который соответствует энергетическим щелям многих полупроводников. Это позволяет исследовать кристаллы с помощью фотонов. Энергия фотона вызывает переход мод в кристаллической решетке между двумя колебательными уровнями с образованием фонона. Затем происходит переизлучение другого фотона, энергия которого равна разности энергий: поглощенного фотона и фононной оптической моды (стоксовские линии в спектре рассеяния). Принято подразделять колебательную спектроскопию на ИК-спектроскопию и рамановскую спектроскопию. В первом случае колебательные моды возникают за счет изменения электрического дипольного момента, во втором случае - вследствие изменения поляризации падающего света. Оптические фононы (рассеяния рамановского происхождения) и акустические фононы (более низкочастотные, называемые бриллюэновскими) относятся к неупругому рассеянию света ионами решетки, в отличие от рэллеевского рассеяния, которое происходит без изменения частоты. В результате облучения образца светом с широким диапазоном частот измеряют изменения интенсивности отражения для тех частот, на которых материал кристалла поглощает энергию. Разница энергий характеризует особенности кристаллической решетки (образование колебательных мод) и оптические потери в полупроводнике (рис. 3.3).
Из рис.3.3 видно, как положение центра полос рассеяния, обратно пропорциональное корню квадратному из приведенной массы элементарной ячейки, зависит от изотопического состава кристалла. Этот факт свидетельствует о том, что на оптические потери в кристаллах существенно влияет изотопический состав. Наличие такой связи подтверждается и на рис.3.4, где представлен спектр комбинационного рассеяния света первого порядка кристаллов алмаза с разной концентрацией изотопов [32].
Как уже отмечалось выше (рис.3.4), максимум и ширина полосы рассеяния первого порядка в изотопически смешанных кристаллах алмаза зависят нелинейно от концентрации изотопов. Аналогичная структура спектров первого порядка рассеяния света и ее зависимость от изотопического состава наблюдалась также в элементарных Si,a-Sn и составных полупроводниках CuCl,GaN. Эти сведения позволяют сделать вывод о том, что выбирая полупроводниковый материал можно с помощью очистки от тяжелых изотопов добиться уменьшения помех (тепловых шумов) для работы оптоэлектронных приборов, а также энергетических потерь за счет поглощения и рассеяния света в кристаллической решетке.
Другим важным объектом исследования и проектирования изотопических наноструктур является распределение энергетических зон электронов (дырок) в кристаллической решетке. В этом случае поведение электронов можно представить с помощью модели прямоугольной ямы, потенциальная энергия которой периодически меняется у дна ямы [85]. Такая модель позволяет рассчитать эффект расщепления энергетических зон и образования «щелей» (рис. 1.5). Эта модель твердого тела, предложенная в 1931 г и названная моделью Кронига-Пенни, хорошо описывает поведение свободных носителей в квантовых ямах и широко используется для моделирования многослойных структур, например, сверхрешеток. Для этого вначале составляется система уравнений для волновых функций электронов внутри ямы и за ее пределами на основании уравнения Шредингера (см. глава 4).
Эта система решается с учетом условия непрерывности волновых функций и их производных. В результате получается дисперсионное уравнение, которое позволяет найти волновые функции (рис.3.8) в квантовых ямах (рис.3.9) и построить зависимости энергии от ширины ямы или барьера (рис. 1.5).
Физико-математическая модель низкоразмерной сверхрешетки с бесконечным числом слоев
Оптические модуляторы - важнейшая часть передающей аппаратуры ВОСП. Они определяют канальную скорость и пропускную способность системы передачи информации, является самым «узким местом» в наращивании скорости передачи сигналов [12,13,54,103-107].
Как отмечалось выше, канальная скорость ВОСП ограничивается максимальной скоростью модуляции оптической несущей. Поэтому совершенствование элементной базы оптических модуляторов - одна из главных задач для повышения пропускной способности ВОСП. Решением этой задачи является создание нового материала на базе сверхрешеток (ИСВР) и организация производства ИСВР.
Оптические модуляторы на сверхрешетках используются для непосредственной модуляции светового излучения. В этом случае электрооптические эффекты проявляются значительно сильнее, чем в обычных полупроводниковых материалах (ниобат лития), например, наиболее распространенных модуляторах Маха-Цендера (МЦМ), работающих со скоростью модуляции 40ГТц.
В основе работы оптических модуляторов на сверхрешетках или множественных квантовых ямах (МКЯ) лежат два физических явления: поглощение и преломление света. Они связаны с тем, что при наложении внешнего электрического поля наблюдаются значительные оптические изменения спектра поглощения. Отсюда, все модуляторы на множественных квантовых ямах делятся на модуляторы с электропоглощением и модуляторы с изменением коэффициента преломления. Оба модулятора работают с использованием квантово-размерного эффекта Штарка [10]. Этот эффект обусловлен усилением взаимодействия между квантовыми ямами в условиях внешнего электрического поля и проявляется в виде сдвига энергетических уровней носителей заряда.
Модуляторы описанного типа могут работать с очень большой скоростью. При высоких приложенных напряжениях частота модуляции может достигать 100 ГГц [10]. Изотопические сверхрешетки в силу более совершенной структуры обеспечат частоту модуляции свыше ЮОГГц [52]. Самые маленькие энергетические щели можно создать с помощью изотопических сверхрешеток, у которых величина щели А составляет сотые доли мэВ. Поэтому оптические модуляторы на изотопических сверхрешетках будут работать при минимально возможной напряженности электрического поля, которое прямо пропорционально А, и не требовать специальных температурных режимов. Оптический модулятор с эффектом электропоглощения
Известно, что внешнее электрическое поле изменяет ширину запрещенной зоны, уменьшая энергию края поглощения. Таким образом, для фотонов с энергией чуть ниже края поглощения полупроводник является «прозрачным» в отсутствии внешнего поля. При этом на выходе оптического модулятора появляется импульс, соответствующий логической единице. При наложении напряжения структура сверхрешетки становится непрозрачной, поглощает фотоны, которые повышают энергию электронов, переходящих в состояние экситонов. В этом случае на выходе модулятора нет оптического импульса, что соответствует логическому нулю.
В объемных материалах эффект электропоглощения проявляется слабо. В квантовых структурах пространственная локализация носителей заряда приводит к новым и более сильным эффектам электропоглощения, что позволяет на основе МКЯ из арсенида галлия строить оптические модуляторы [10].
Верхняя граница частоты модуляции определяется механизмом выделения носителей из ям (вероятностью и временем туннелирования из ям, которое имеет порядок нескольких пикосекунд). Вероятность туннелирования выше у СВР по сравнению с МКЯ за счет меньшей ширины барьера, а следовательно, время вывода носителей заряда уменьшается, частота модуляции повышается. При этом для работы модулятора не требуется больших значений напряженности электрического поля. В случае изотопических сверхрешеток, где высота потенциального барьера ниже, чем у СВР из разных полупроводников (композитных или легированных), глубина проникновения носителей заряда в барьеры и соседние ямы будет еще больше. Кроме того, экситонный эффект значительно сильнее проявляется в собственных полупроводниках (характерных для изотопических сверхрешеток), чем в легированных. Чем эффективнее процесс поглощения фотонов электронами и переход их в экситонное состояние, тем выше скорость оптической модуляции. Поэтому скорость оптических модуляторов на ИСВР должна повыситься.
Глубина проникновения электронов в барьер ямы L после интегрирования экспоненты (волновой функции) будет обратно пропорциональна коэффициенту к. Отсюда, чем меньше к, тем больше L. На величину к влияют эффективная масса электрона и высота потенциального барьера.
Значения эффективной массы и высоты потенциального барьера меньше для ИСВР по сравнению с СВР или МКЯ из разных материалов. Это связано с уменьшением каналов рассеяния электронов в изотопически чистых веществах и меньшей разницей в ширине запрещенных зон ямы и барьера. Чем меньше коэффициент к, тем больше вероятность туннелирования, глубина проникновения электрона и меньше время выведения носителей заряда из модулятора. На это время влияет и подвижность электронов. Для оптического модулятора на МКЯ из арсенида галлия время выведения электронов составляет несколько пикосекунд, что соответствует максимальной частоте модуляции ЮОГТц. Можно ожидать, что очищение материала арсенида галлия от тяжелых изотопов галлия повысит частоту модуляции вдвое. Это предположение основывается на том факте, что очистка естественного кремния от тяжелых изотопов повысила подвижность электронов в два раза [52]. Учитывая, что подвижность электронов в Ga выше, чем у Si, галлий может оказаться более чувствительным к изменениям числа каналов рассеяния.
В модуляторах с эффектом электропреломления используют фотоны с энергией ниже края экситонного поглощения. В этом случае напряжение влияет на коэффициент преломления среды и меняет фазу падающего света. В симметричных квантовых ямах зависимость коэффициента преломления от напряжения электрического поля является квадратичной (напоминает эффект Керра в объемных полупроводниках) В основе принципа работы модулятора лежит модель интерферометра Маха-Цендера (МЦМ) на сегнетоэлектриках. Известно, что особенностью сегнетоэлектриков является гистерезис (рис.5.2) [85] зависимости диэлектрической проницаемости (коэффициента преломления) от приложенного напряжения.