Интегрально-оптические и волоконно-оптические элементы, схемы и устройства для внутриобъектовых и межобъектовых систем связи, передачи и обработки информации

В начале 80-х годов в нашей стране в связи с резким повышением роли информационных технологий в научно-техническом прогрессе, назрела проблема качественного улучшения параметров аппаратуры внутриобъектовых и межобъекговых систем связи, передачи и обработки информации: увеличения скорости и объема обработки и передачиуменьшения вероятности ошибокснижения уровня перекрестных помех и электромагнитных наводокрасширения функциональных возможностей, а также эксплуатационных параметров.

— массы и габаритов. Особыми преимуществами для решения данной проблемы имеет использование оптического диапазона и применение оптических и квантово-элекгронных устройств на основе их комплексной интеграции и микроминиатюризации, т. е. переход на новейшую элементную базу, объединяющую волоконно-оптические и интегрально-оптические элементы, схемы, линии, устройства и даже системы.

В свою очередь, задача комплексной интеграции оптоэлектронных устройств требует коренного изменения принципов построения всей смежной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и систем на её основе.

Реализация такого перехода позволила качественно улучшить характеристики отечественных технических средств до уровня, не уступающего мировому.

Инициированные вначале задачами военно-промышленного комплекса, разработки теории многомодовой и одномодовой интегральной оптики (ИО), методов и принципов интегрально-оптических элементов, схем и устройств все больше начинают проникать в системы гражданского назначения, в частности, в системы внутриобъекговой связи, передачи и обработки информациив системы сбора, обработки и передачи данных с удаленных объектова также в вычислительную технику и системы управления. Внедрению методов интегральной оптики в военные и гражданские сферы способствовало также интенсивное развитие волоконных световодов (ВС) как оптической среды для передачи информации, носителем которой является оптическое излучение.

Процесс сближения методов и технических решений ИО и волоконной оптики (ВО) важен при реализации конверсионных программ и создании систем как двойного применения, так и чисто гражданских.

На современном этапе основными направлениями развития интегральной оптики являются:

— повышение степени функциональности интегрально-оптических схем (ИОС) и устройств на их основе;

— разработка схем, способных обрабатывать оптический двухмерный поток информации (оптическое изображение);

— разработка бистабильных интегральных оптических схем, реализующих функции оптического переключателя, оптической памяти, бинарной логики, оптического транзистора и др.;

— разработка ИОспециализированных процессоров (радиосигналов и др.), процессоров для специализированных вычислительных машин нового поколения;

— разработка интегрально-оптических и волоконно-оптических первичных преобразователей (датчиков) физических, химических и других внешних параметров;

— автоматизация процессов проектирования (на основе библиотек проектирования ИОэлементов) и процессов изготовления ИОС и интегральных опто-электронных схем (ИОЭС).

В начале 80-х годов теоретические исследования и разработка интегрально-оптических элементов и схем вступили в стадию практических реализаций в аппаратуру техники связи и обработки информации.

Приоритетность этих работ была настолько очевидной, что большей частью они оставались закрытыми как за рубежом, так и в СССР. Практические же аспекты всех этапов создания элементов и схем (включая разработку специального технологического и контрольно-измерительного оборудования) представляли собой тщательно охраняемые технологические «ноу-хау».

Вследствие этого, появлявшиеся в научной литературе многочисленные публикации позволяли судить лишь о прогрессе и об общих возможностях интегральной оптики, а также некоторых разрозненных результатах (как правило, промежуточных). Эти публикации не содержали информации, необходимой для создания комплексного решения, т. е. для инженерных расчетов параметров волноводов, различных функциональных ИО-элементов и сложных ИО-схем, а также разработки послойной топологии создания таких схем и их сопряжения. Не менее сложной была задача создания карт технологических процессов, а также разработки режимов и операций при изготовлении конкретного элемента или схемы и методов контроля их параметров.

Таким образом, развитие отечественной прикладной интегральной оптики было невозможно без создания современной научной и технологической базы, разработки специального технологического и контрольно-измерительного оборудования, а также без разработок методов инженерных расчетов конкретных элементов и схем, выполняющих заданные функции в аппаратуре.

Внедрения волоконной техники в системы связи и передачи информации определялись успехами в освоении передовых технологий волоконных световодов и кабелей. В результате этого стоимость изготовления световодов уже в в начале 80-х г. г. составляла около 15 долларов/км (при этом стоимость сырья только 0,25 долл/км), что приблизительно соответствовало стоимости высококачественных коаксиальных кабелей. Трудоемкость изготовления и прокладки волоконно-оптических кабелей оказалась ниже, чем металлических, поскольку затраты на транспортировку и обслуживание таких кабелей составили 25% от затрат при использовании обычных металлических.

По оценкам, стоимость строительства ВОСП, примерно в 1,5 раза меньше аналогичных кабельных линий связи.

Таким образом, ВОСП уже оказались экономичнее линий связи с коаксиальными кабелями. Кроме того, уже со скоростей передачи информации >50 кбит/с технические характеристики ВОСП превосходят параметры коаксиальных кабельных линий, а полоса пропускания достигает юЭ. ЛО^Гц.

Однако, несмотря на наличие такого канала передачи, существующие гибридные оптоэлекгронные устройства управления параметрами оптического (лазерного) излучения имеют ограничение по скорости передачи информации из-за наличия фундаментального предела, связанного с быстродействием электронных схем управления лазерными диодами: длительность импульса ти «10~п.10~12 с. Таким образом, пропускная способность систем передачи ограничена и не превышает величины 9тах^ 102. 103 Гбит/с.

ВОСП на основе ИОС (в первую очередь модуляторов, переключателей, коммутаторов, ответвителей, спектральных фильтров и др. устройств) обеспечивают прорыв в проблеме создания высокоинформативных систем передачи информации с «неограниченной» пропускной способностью ?6> >10', 1 где п — число ьх каналов передачи) и связанными с этим низкой стоимостью передачи единицы информации и повышенной её надежностью защиты от несанкционированного перехвата при передаче.

Настоящая работа была выполнена автором в период с 1978 по 1997 годы в Центральном НИИ «Волна» (ныне НПП «Волна) и в Московском государственном инсгатуте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), где автор занимался проблемой создания интегрально-оптических и волоконно-оптических элементов и схем для волоконно-оптических внутриобъектовых и межобъектовых систем связи, обработки и передачи информации (в том числе и для подвижных объектов), обеспечивающих существенное улучшение всех характеристик аппаратуры, а также разработкой самих систем.

Проводившиеся автором (с соавторами) предварительные исследования и разработки [1−4] показали, что квантово-электронные устройства управления параметрами лазерного излучения и оптической обработки информации: модуляторы, дефлекторы, спектроанализаторы и др. (электрооптические, акустооп-тические, магнитооптические и т. п.), несмотря на свои высокие параметры, обладали, тем не менее, существенными техническими и функциональными недостатками. Они представляя собой объемные структуры на основе кристаллов КДП, ДКДП, кварца, ниобата лития, танталата лития, барий-стронциевого ниобата и ряда других материалов. Габариты и масса этих устройств были значительными (несколько литров и килограммов), минимальные управляющие напряжения составляли несколько сотен, а иногда и тысяч вольт, они имели большую емкость электродов и большое энергопотребление. Как следствие этих свойств, устройства обладали недостаточным быстродействием. Некоторое его повышение достигалось с большим трудом ГЩ, причем оно практически приблизилось к своему верхнему пределу, свойственному объемным элементам (тк~1(Г9 с).

Кроме того, из-за необходимости, в большинстве случаев, использовать наиболее эффективные, с точки зрения электрического управления, срезы кристаллов, эти квантово-электронные устройства имели низкую температурную стабильность (из-за неравенства коэффициентов температурного расширения по кристаллографическим осям кристаллов в поперечном сечении).

Решение задач улучшения перечисленных и многих других характеристик, а также проблемы интеграции таких устройств в волоконно-оптические системы связи нового поколения для передачи информации на локальные и подвижные объекты, было получено автором вместе с соавторами путем создания на предприятии и впервые в отрасли (а по ряду позиций и впервые в СССР) комплексной научной, технической, технологической и экспериментальной базы для разработки и изготовления ИОи ВОсхем и устройств, а также аппаратуры внутриобъекговой и межобъектовой связи и передачи информации [5−10].

Одновременно, постановка и решение такой комплексной задачи и проблемы в целом потребовали от автора проведения анализа и разработки структурных схем ИО и ВО базовой системы и входящих в неё подсистем, а также, исходя из этого, определения состава и основных параметров интегрально-оптических системных блоков и выработки к ним технических требований [6].

Повышение скорости обработки информации оптическими устройствами, увеличение информативности каналов передачи (произведение количества информации на её скорость передачи), а также увеличение расстояний, на которую передается эта информация, связано с использованием одномодового режима работы всех устройств и линий, входящих в ВОСП. Кроме того, только в одномодовом режиме могла осуществляется эффективная реализация функций модуляции, переключения, направленного ответвления и т. п.

Вместе с тем, интегральная оптика, в отличие от микроэлектроники, обладает рядом специфических особенностей, которые затрудняли реализации поставленной задачи. К числу таких особенностей относятся:

1. Сочетание микронных размеров (1.3 мкм) ширины элементов и расстояния между их деталями (1.5 мкм) со значительными длинами самих элементов (до 45 000 мкм) и большими размерами подложек (10×20 мм, 15×30 мм, 20×50 мм и более). Размеры этих элементов на порядок превышают размеры подложек (кристаллов) электронных ИС.

2. Высокая точность изготовления элементов (0,05−0,2 мкм) и необходимость перехода к элементам с субмикронными размерами (одномодовые схемы на ниобате лития и полупроводниковых структурах).

3. Многослойность оптических элементов (для прохождения света по плоским волноводам требуется наличие трех слоев с п[<�пгп3<�п г У, обычные светодиоды или лазеры имеют не менее 5−6 слоев.

4. Более широкий круг материалов, используемых в качестве схемонесу-щих (стекло и полимеры — электрически пассивныекристаллы ниобата лития 1л№Оз, силенита висмута и др. — электрически активные сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и ферроэлектрикихалькогенидные стеклаполупроводниковые твердые растворы групп А2В6 и А3В5 и другие (см. и. Юл .3.).

Из всех перечисленных групп материалов, однако, только полупроводниковые структуры позволяют решить стратегическую задачу интегральной оптики — создавать монолитные оптические и оптоэлекгронные схемы на единой подложке и в едином технологическом цикле.

Из сказанного выше следовало, что при создании научной, технической и технологической базы (НТТБ) интегральной оптики, именно технологии полупроводниковых структур, как основной и наиболее перспективной, необходимо было уделять максимальное внимание.

И.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненная работа является обобщением многолетних прикладных научных исследований, в процессе которых автором впервые получен целый ряд приоритетных результатов: методов и технических решений важной проблемы создания научной, технической и технологической базы (НТТБ) по разработке и изготовлению принципиально новой комплексной компонентной базы на основе интегрально-оптических и волоконно-оптических устройств для волоконно-оптических систем передачи и обработки информации нового поколения. При этом найден компромисс в использовании существующих и вновь создаваемых устройств.

Основными задачами 1-го этапа цикла работ по решению всей проблемы были разработка и опытное (или полупромышленное) освоение базового комплекта многомодовых ИОЭ, простых ИОС и волоконно-оптических элементов для создания аппаратуры ВОСП первого поколения: с рабочей длиной волны Храб = 0,8.0,9 мкм, быстродействием до 100 Мбит/с, информационной емкостью канала до 0,5 ГГц/с «км.

Следующим этапом стала разработка и освоение одномодовых ИОЭ и ИОС, усложненных функциональных ИОС на полупроводниковых структурах, волоконно-оптических устройств и линий для многоканальных ВОСП второго поколения: со спектральным уплотнением каналов в диапазоне л^б =1,3 мкм, быстродействием до 500 Мбит/с, информационной емкостью каналов до 10 ГГц/с *км.

К 1985 году созданная НТТБ имела хороший задел для разработки и освоения аппаратуры перспективных ВОСП третьего поколения (Яраб =1,5. 1,65 мкм, быстродействием до 1.2 Гбит/с, информационной емкостью каналов 200.400 ГТц/с «км).

В работе были созданы научные основы полного цикла технических и технологических процессов по изготовлению ИОЭ и ИОС, что позволяет легко модернизировать НТТБ в случае необходимости, разработаны техническая и технологическая документации на изготовление в производстве ИОЭ, ИОС и ВОустройств достаточно широкой номенклатуры. Выашотаны рекомендации для применения их в ВОСП различного назначения и для других системных применений.

Фактически тем самым реачизована целевая программа развития на предприятии и в отрасли нового научно-технического направления — интегральной и волоконной оптики для ВОСП.

Совокупность полученных результатов позволила качественно улучшить параметры аппаратуры ВОСП для внутриобъектовых и межобъектовых систем связи и передачи информации, в частности, на несколько порядков увеличить скорость передачи информации, уменьшить вероятности ошибок (до значений 1(Г9 и ниже), снизить уровень перекрестных помех (до -60 дБ) и электромагнитных наводок, расширить функциональные возможности аппаратуры, снизить массу и габариты (в десятки раз) и т. д., т. е. значительно повысить эффективность создаваемой аппаратуры нового поколения.

Отметим, что в процессе работ никогда не ставилась задача разработки тех или иных отдельных элементов и схем с максимально возможными параметрами. Реализация таких проектов только бы сдерживала реализацию главной, описанной выше, задачи, и решения всей проблемы в целом.

Полученные на ранних этапах результаты легли в основу исследований и разработок для последующих работ по созданию систем передачи и обработки информации, а также работам в смежных научных направлениях, например, создании преобразователей (датчиков) физических величин, значительно расширяющих возможности систем. В настоящее время исследуется возможность их применения в системах передачи информации в ЗАО «РТИ-ВОСПИ» .

Наиболее значительными и широко используемыми результатами работ являются:

— метод создания научной, технической и технологической базы интегральной оптики (заключающийся: в анализе и выборе схемонесущих материаловвыборе и затем разработке технологических процессов изготовления ИО-элеменгов и схемразработке и освоении научно-обоснованных методов расчетов и проектирования топологических схемразработке комплекта базовых и функциональных ИО элементов и схем для аппаратуры ВОСПразработке контрольно-измерительного комплекса и некоторых других задачах);

— разработка новых принципов построения ВОСП для внутриобъектовых и межобъектовых систем связи и передачи информации с применением интегрально-оптических и волоконно-оптических элементов и устройств;

— разработка и освоение более 20 (не считая их модификаций и вариантов) базовых интегрально-оптических элементов и схем на основе стекла и ниобата лития;

— разработка и освоение 10 (не считая их модификаций и вариантов) функциональных интегрально-оптических схем со сложной топологией на основе полупроводниковых структур;

— разработка более 10 различных модификаций одномодовых и много-модовых волоконно-оптических разветвителей, изготавляемых по трем различным технологиям;

— разработка принципов классификации интегрально-оптических элементов и схем;

— разработка бортовой ВОСПИ с использованием модульного принципа конструирования аппаратуры;

— исследования и разработка ИОи ВОамплитудных и фазовых датчиков физических величини др.

Результаты разработок и исследований нашли применение в работах других предприятий и обеспечили повышение основных тактико-технических характеристик систем, аппаратуры и различных волоконно-оптических устройств, что подтверждено актами внедрения.

Накопленный опыт разработки и исследования ИОи ВОсхем и устройств был также использован автором в учебном процессе МИРЭА для студентов старших курсов радиотехнического факультета.

В целом^ редаение перечисленных проблемных задач на системном, техническом и элементном уровнях обеспечило выполнение поставленной цели исследований и общей проблемы создания интегрально-оптических и волоконно-оптических устройств, преобразователей физических величин для ВОСП и самих ВОСП. Это обеспечило получение в внутриобъектовых и межобъектовых системах связи и системах сбора и передачи информации различного назначения качественно более высоких показателей практически по всем параметрам, а также значительно расширило функциональные возможности средств ВОСП.

Кроме того, весь комплекс работ позволил нам приблизиться к реализации стратегической задачи создания многофункциональной ИОЭС для ВОСП, содержащей на единой подложке и передающую часть (с лазерами и устройствами модуляции, спектрального уплотнения, разветвления, коммутации и обработки сигнала) и приемную часть (с устройствами спектрального разуплотнения, разветвителями и т. п., и приемниками излучения), подключаемой к волоконно-оптическим каналам.

12. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ И ОТЧЕТАХ ПО НИР И ОКР.

1. Э. А. Засовин, А. Л. Микаэлян и др., «Быстродействующие широкополосные электрооптические элементы из ниобата лития для систем управления лазерным лучом», ж. «Квантовая электроника», т.5, № 12,1978.

2. Э. А. Засовин, М. М. Коблова, Б. С. Киселев, «Электроопггический модулятор», А.с. № 713 299, Бюлл. Открытий и изобретений, 5 окг. 1979 г.

3. Э. А. Засовин, А. Л. Микаэлян и др., «Способ управления электрооптическим элементом и устройство для его осуществления», A.c. № 756 988, Бюлл. Открытий и изобретений, 21 апр. 1980 г.

4. Э. А. Засовин, А. Л. Микаэлян и др., «Электрооптический дефлектор», A.c. № 764 500, Бюлл. Открытий и изобретений, 15 сент. 1980 г.

5. Э. А. Засовин и др., Научно-технические отчеты по НИР «Оптика», г. Москва, ЦНИИ Волна", 1981 -1983гг., Per. №У-83 660.

6. Э. А. Засовин и др. Научно-технический отчет по НИР «Оптима», Москва, ЦНИИ «Волна», 1984 г. Per. №У-97 348.

7. Э. А. Засовин и др., «Управляемые и пассивные интегрально-оптические устройства», Тезисы 4-ой Всесоюзной конференции «Световодные системы связи и передачи информации», Москва, 1984 г.

8. Э. А. Засовин, «Разработка интегрально-оптических элементов и схем», Семинар секции оптоэлеюроники и волоконно-оптических устройств РНТО РЭС им. АС. Попова, М., ИРЭ РАН, 1997 г.

9. Э. А. Засовин, «Разработка интегрально-оптических и волоконно-оптических элементов и схем», ж. «Радиотехника», 1998, Ш-, б. печАти .

10. Э. А. Засовин, А. К. Захаренко, Е. В. Кулаков, В. А. Сычугов, «Затраты энергии на передачу единицы информации и выбор оптимального спектрального диапазона и режима работы оптических систем связи», ж. «Техника связи», сер. «Внутриобъектовая связь», вып.2, -М., 1984 г.

11. Э. А. Засовин, «Разработка и исследования дискретных отклоняющих систем для ГЗУ», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, -М., МНИИП, 1976 г.

12. Э. А. Засовин, Н. К. Довченко, «Волноводная (интегральная) оптика. Классификация и определения», ж. «Квантовая электроника», т. 12, 1985 г., № 11, с. 2332−2336.

13. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий и др., «Разработка и создание волоконно-оптических многоканальных разветвителей интегральной оптики», На учно-технический отчет по НИР «Ветка», -М., МИРЭА, 1991 г.

14. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, H.H. Евтихиев, A.B. Языджи, «Установка лазерной сварки разветвителей», в сб. «Достижения ученых высшей школы в НИР», ВДНХ, 1988 г.

15. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, H.H. Евтихиев, «Интегральные оптические и оптоэлектронные схемы», ж. 'Тадиозлектроника. Состояние и тенденции развития", т.2, изд. НИИЭИР, -М., 1985 г. 4 п.л.

16. Э. А. Засовин и др., «Аналитическое решение системы уравнений для связанных волн в оптических волноводах», ж. «Электронная техника», сер. «Лазерная техника и оптоэлектроника», 1984 г., № 2, с. 28.

17. Э. А. Засовин, «Функциональная интегрально-оптическая схема коммутации оптических каналов системы связи», Тезисы 52-й Научной сессии ВНТО РЭС им. A.C. Попова, ч.2, -М., 1998 г.

18. Э. А. Засовин, Д. Д. Грачев, Д. И. Мировицкий, «Волноводный метод определения профиля показателя преломления в пленарных диффузионных структурах», Тезисы Всесоюзной конференции «Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем», г. Севастополь, 1990 г., с 70.

19. Э. А. Засовин и др., «Исследования и разработка ВОЛПИ для передачи СВЧсигналов на однои многомодовых световодах», Научно-технический отчет по НИР «Барий-2», МИРЭА, 1986 г.

20. Э. А. Засовин и др., «Волоконно-оптическая система передачи информации на 32 абонента (датчика)», Тезисы Всесоюзной конференции «Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем», г. Севастополь, 1990 г., с 141.

21. Э. А. Засовин и др., «Измерения параметров волоконно-оптической системы передачи данных», ж. «Измерительная техника» 1991 г., № 10, с. 26.

22. Э. А. Засовин и др., «Блочно-модульная волоконно-оптическая система передачи информации и данных», там же, № 12, с.37−40.

23. Э. А. Засовин и др., «Исследования возможности создания интегрально-оптических и волоконно-оптических узлов датчиков», Научно-технический отчет по НИР «Выбор» -М&bdquoМИРЭА — НИТС, 1987 г.

24. Э. А. Засовин и др., «Волоконно-оптические датчики в энергетических системах», 2-й Всесоюзный научно-технический семинар «Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах», г. Севастополь, 1988 г.,.

25. Э. А. Засовин, В. Я. Бармотин, «Волоконно-оптические датчики электрических и магнитных полей», там же.

26. Э. А. Засовин, Е. Ф. Воробьева, «Электронная обработка сигналов волоконно-оптических датчиков», там же.

27. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, «Волоконно-оптические и интегрально-оптические узлы датчиков», там же.

28. Э. А. Засовин, Б. М. Милинкис, «Волоконно-оптические измерительные преобразователи», Тезисы Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении», г. Севастополь, 1989 г.

29. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, «Волоконно-оптический датчик угла поворота», там же.

30. Э. А. Засовин, Е. Ф. Воробьева, В Я. Бармотин, «Комплект электронных узлов для исследования характеристик волоконно-оптических гироскопов», Тезисы Всесоюзной конференции «Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем», г. Севастополь, 1990 г., с 73.

31. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, Н. Д. Козлова, «Фазовые волоконно-оптические датчики физических величин», там же, с. 122.

32. ЭЛ. Засовин, Д. И. Мировицкий, «Волоконно-оптические преобразователи в системах передачи данных», в сб. «Итоги науки и техники», сер. «Связь», том 8, изд. ВИНИТИ, 1991 г., 5 п.л.

33. Э. А. Засовин, «Амплитудные волоконно-оптические датчики», ж. «Измерительная техника», 1992 г., № 1, с. 34,39,40.

34. Э. А. Засовин, «Анализ интерферометров с помощью матриц Джонса», Тезисы 51-й Научной сессии ВНТО РЭС им. A.C. Попова, ч.2, -М., 1996 г., с. 48.

35. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, «Волоконно-оптический датчик содержания в атмосфере пыли и аэрозолей», там же, с. 42.

36. Э. А. Засовин и др., «Оптические устройства радиотехнических систем», Учебное пособие, -М., МИРЭА, 1986 г. 4,6 п.л.

37. Э. А. Засовин, Д. И. Мировицкий, H.H. Евтихиев, «Волоконная и интегральная оптика в информационных системах», Учебное пособие, -М., МИРЭА, 1987 г. 13 п.л.

38. Э. А. Засовин и др., «Бортовое радиоэлектронное и оптоэлектронное оборудование современных и перспективных летательных аппаратов», Учебное пособие, -М., МИРЭА, 1996 г. 5 пл.