Специальный лабораторный практикум по наноэлектронике

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский педагогический государственный университет»

А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова

СПЕЦИАЛЬНЫЙ 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
ПО НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

МПГУ
Москва • 2018

УДК 63(076.5)
ББК 30.3-5
 
К672

Рецензенты:
Васильева Ирина Александровна, профессор, доктор физ.-мат. наук, 
Институт физики, технологий и информационных систем, МПГУ
Кулагин Владимир Петрович, профессор, доктор технических 
наук, Московский институт электроники и математики 
им. А. Н. Тихонова, НИУ «Высшая школа экономики»

 
Корнеев, Александр Александрович.
К672  
Специальный лабораторный практикум по наноэлектронике : учебное пособие / А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова. – Москва : МПГУ, 2018. – 88 с. : ил.
 
 
ISBN 978-5-4263-0681-3
 
 
Специальный лабораторный практикум по наноэлектронике 
ориентирован на выполнение лабораторных работ на современном 
исследовательском оборудовании, которые носят учебно-исследовательский характер, способствуют формированию у студентов методических подходов в научно-инновационных исследованиях и инженерно-технологической деятельности и являются базой для изучения 
дисциплин по выбору, а также для подготовки к выполнению магистерской диссертации. Описание каждой лабораторной работы содержит краткий теоретический материал и контрольные вопросы.
 
 
Учебное пособие предназначено для студентов Института физики, 
технологий и информационных систем МПГУ, обучающихся по направлению 03.04.02 Физика, по магистерской программе «Физика 
и технология наноструктур и наноматериалов».

УДК 63(076.5)
ББК 30.3-5

ISBN 978-5-4263-0681-3 
© МПГУ, 2018
 
© А. А. Корнеев, А. В. Семенов, 
 
 
Г. М. Чулкова, текст, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ОПТИКО-ВОЛОКОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Содержание работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. 
ОСНОВЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА ЦЕПЕЙ . . . . . . . . . . . . . . .18
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Содержание работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АНТЕНН 
С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА HFSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Содержание работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Порядок выполнения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Задание  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ 
ПАРАМЕТРОВ НАНОСТРУКТУР С ВОЛНОВОДАМИ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 
COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Содержание работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИЗМЕРЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ 
СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ 
НАНОСТРУКТУР ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ  . . . . . . . .73
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Ход работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Задания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 
ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, 
КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И УРОВНЯ 
ТЕМНОВОГО СЧЕТА СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ 
ОДНОФОТОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
Описание экспериментальной установки  . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Измерение квантовой эффективности SSPD  . . . . . . . . . . . . . . . .84
Измерение и обработка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Вопросы для защиты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ОПТИКО-ВОЛОКОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы: измерение коэффициентов ослабления 
оптического волокна и калибровка оптико-волоконных 
устройств.
Приборы и принадлежности: лазеры с длиной волны 1320 
и 1550 нм, оптические волокна SMF-28(FC/APC), волоконный 
измеритель оптической мощности (Ophir), волоконные коннекторы, катушка оптического волокна длиной 25 км.

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатов А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: Учебное пособие. – СПб.: Лань, 2011.

ВВЕДЕНИЕ

Оптические волокна
Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, 
выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.
Показатель преломления материала сердцевины n1 = √ε1, 
а оболочки – n2 = √ε2, где ε1 и ε2 – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала μ обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n0 равен единице.
Типичный волоконный световод представляет собой 
длинную нить диаметром от 100 до 1000 мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической 
сердцевины, окруженной одной или несколькими обо

А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова. СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

лочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, 
а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого 
световода). Эту функцию называют профилем показателя 
преломления (ППП).

Рис. 1.1. Виды лучей в волоконном световоде

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому, 
как будет показано ниже, необходимо, чтобы n1>n2. Разность 
показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» обычно составляет 1–0,1%. Угол падения, при котором 
наблюдается такой эффект, называется предельным углом 
полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, 
которые превышают предельный, будет иметь место только 
отражение, оно положено в основу передачи оптического излучения по световоду (рис. 1.1).
В зависимости от величины угла θ, который образует 
с осью лучи, выходящие из точечного источника, могут существовать лучи, которые выходят в оболочку (луч 2 на рис. 1.1).
Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически 
более плотной среде (в сердцевине) 1, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеи

Лабораторная работа № 1. Измерение характеристик оптико-волоконных элементов

вается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Волноводные моды
Световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы «сердцевина – оболочка», 
накладываются сами на себя и образуют направляемые волны 
(моды). Для облегчения восприятия под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой распространяется свет. 

Рис. 1.2. Ход лучей и профиль коэффициента преломления 
ступенчатого многомодового (А), градиентного многомодового (Б) 
и ступенчатого одномодового (В) волокна 

Волокно, в котором распространяется несколько мод, 
называется многомодовым (ММ). В ММ-волокне диаметр 

А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова. СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

сердцевины больше длины волны (dc>>λ). Волокно, в котором распространяется одна мода, называется одномодовым (ОМ). В ОМ-волокне диаметр сердцевины соизмерим 
с длиной волны (dc≈λ). По существующему международному 
стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки волокна должен быть равен 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO2) с n2 = 1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO2 или P2O5. 
Для промышленно выпускаемых световодов ОМ-волокно 
имеет диаметр сердцевины 7–10 мкм, а ММ-волокно – 50–
65,5 мкм. Существует три основных типа волокон: ступенчатое ММ (А), градиентное ММ (Б) и ступенчатое ОМ волокно (В) (рис. 1.2). 
Типы колебаний – моды – определяются решениями системы уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла дают набор из n, m решений, т.е. различных типов волн (появляются 
целые индексы n для каждого целого m). 
Индекс n характеризует азимутальные (угловые) свойства 
волн (число полных изменений поля по окружности), а m – 
радиальные (число полных изменений поля по диаметру).
Оптические потери в волоконном световоде
Оптические потери α оценивают с помощью следующего 
соотношения 1.1. Если на входе линии длиной L мощность 
сигнала равна Р0 , на выходе Р1, потери α на единицу длины 
световода определяются как:

 

 
(1.1)

α имеет размерность дБ/км и прямо пропорционален коэффициенту поглощения среды aБ (закон Бугера)
 

Основные причины потерь в оптических волокнах:
• Рэлеевское рассеяние – оно примерно одинаковое 
в прямом и обратном направлении, линейная поляризация рассеянного излучения и сильная зависимость мощности рассеянного излучения от длины волны ~1/4 . Его 

Лабораторная работа № 1. Измерение характеристик оптико-волоконных элементов

вклад наибольший в коротковолновой части. Рассеяние 
Ми на крупных неоднородностях отличается вытянутой 
в направлении распространения падающего света диаграммой направленности и слабой спектральной зависимостью мощности рассеяния. Потери на поглощение обусловлены тремя механизмами – собственным поглощением, поглощением на примесях и на дефектах решетки.
• Поглощение на колебательных степенях свободы 
в молекулах кварца.
• Дефекты оптоволокна: трещины, пузырьки и т.п. приводят к потерям. Изгиб приводит к нарушению условия 
полного внутреннего отражения.

Рис. 1.3. Спектр потерь в кварцевом волокне 

Практически все механизмы потерь имеют спектральную 
зависимость (рис. 1.3). Рэлеевское рассеяние характеризуется зависимостью интенсивности рассеянного излучения, 
пропорционального 1/4. Примесь, которая часто встречается в кварцевом волокне и вызывает резонансное фундаментальное поглощение на длинах волн 1,24 и 1,38 мкм, это 
гидроксильные группы ОН-. В состав волоконно-оптической 

А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова. СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

линии для ее нормального функционирования входят разнообразные оптические пассивные устройства: ввода и вывода 
оптического сигнала, соединители, ослабители, изоляторы, 
поляризационные контроллеры, разветвители (ответвители, 
мультиплексоры, демультиплексоры) и фильтры. 
Общими для всех этих устройств являются следующие параметры:
Согласование. При идеальном согласовании с нагрузкой отраженная волна отсутствует, т.е.
 
|Еотр| = 0 
(1.2)
Обеспечение согласования в линиях передачи является одной из наиболее распространенных и важных задач. Рассогласование приводит к дополнительным потерям и искажениям 
сигнала. Последнее иллюстрируется на рис. 1.4. В результате 
повторного отражения на выходе оптического устройства, 
показанного в виде прямоугольника, суммарный сигнал EΣ 
не повторяет исходный прямоугольный сигнал. На рис. 1.4, б 
видно, что в данном случае импульс уширяется.

Рис. 1.4. Искажение импульса из-за повторного отражения:
а – ход лучей в несогласованном оптическом устройстве; 
б – временные диаграммы 

Лабораторная работа № 1. Измерение характеристик оптико-волоконных элементов

Вносимое затухание αВ, дБ определяется логарифмом отношения мощностей на входе и выходе оптического устройства:

 
 
(1.3)

Вносимое затухание обусловлено поглощением, рассеянием и отражением оптических волн. Рабочим диапазоном 
называют диапазон длин волн λmax–λmin или диапазон частот 
fmax–fmin, в котором основные параметры устройств не выходят 
за пределы, заданные техническими условиями.
Допустимым уровнем мощности Pдоп считают тот уровень 
мощности, при котором либо основные параметры не выходят за пределы, заданные техническими условиями, либо 
не происходят необратимые явления. Другие параметры 
для конкретных устройств определяются исходя из их функционального назначения. 

Устройства ввода и вывода
Устройства ввода и вывода должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников света 
в световод и из световода в фотоприемник. Разъемные оптические соединители (коннекторы) обеспечивают высокоточное сближение торцов и совпадение оптических осей 
соединяемых оптических волокон. Оптические потери в лучших образцах разъемных коннекторов составляют примерно 
1–2 дБ.
Оптические разветвители представляют собой многополюсные устройства, вообще говоря, с несколькими входами 
и выходами, назначение которых – обеспечить требуемое 
распределение оптической мощности между подводимыми 
оптическими волноводами. Основными параметрами разветвителей являются оптические потери, переходное затухание между встречными направлениями передачи сигналов, 
уровень обратного рассеяния, уровень искажений поляризации и модового состава распространяющегося излучения. 
Оптические разветвители изготавливаются как с использованием технологий сварки оптоволокна, так и с применением различных микрооптических элементов.

А. А. Корнеев, А. В. Семенов, Г. М. Чулкова. СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Аттенюаторы
Малогабаритные прецизионные перестраиваемые оптические аттенюаторы предназначены для внесения регулируемого затухания в волоконно-оптические системы, оценки 
качества волоконно-оптических систем связи, проведения 
контрольно-измерительных работ при монтаже и ремонте 
оптических линий связи, а также для калибровки измерителей мощности.
Принцип действия аттенюатора основан на ослаблении 
оптического сигнала с помощью нейтрального светофильтра 
переменной толщины, вводимого в сформированный с помощью линз параллельный оптический пучок. Положение 
светофильтра в пучке и вносимое ослабление регулируются 
шаговым микроэлектродвигателем, управляемым кнопками 
на передней панели аттенюатора. На индикаторе прибора 
в цифровом виде отображается полное вносимое ослабление, 
включая собственные потери. Внешний вид прибора показан 
на рис. 1.5, блок-схема изображена на рис. 1.6.

Децибел
• 
1 dB = 10logP2/P1 мощность; 
• 
1 dB = 20logU2/U1 напряжение 

P2/P1 
1,26 
10 
100 
103 
104 
105 
106

U2/U1 
1,12 
3,16 
10 
31,6 
100 
316 
103

dB 
1 
10 
20 
30 
40 
50 
60

Рис. 1.5. Внешний вид аттенюатора