Интегрально-оптические и волоконно-оптические элементы, схемы и устройства для внутриобъектовых и межобъектовых систем связи, передачи и обработки информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ



/ 2 об /из/б^

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

"ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВНУТРИ-ОБЪЕКТОВЫХ И МЕЖОБЪЕКТОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ, ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ"

в виде научного доклада на соискание ученой степени

На правах рукописи

Засовин Эдуард Анатольевич

УДК 535.232.65+621.372.8+ +681.7.068

Специальность: 01.04.03. Радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

доктора технических наук

1

(О о7 9

Москва - 1998 г.

: f

Работа выполнена в ЦНИИ "Волна"(г. Москва) и в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) (МИРЭА ТУ).

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математических наук A.C. Беланов (МГАПИ), профессор, доктор технических наук В.И. Бусурин (МАИ), профессор, доктор технических наук В.Т.Потапов (ЙОРЭ РАН)

Ведущая организация - НИИ Радиооптики, г. Москва

Защита диссертации состоится "__1998 г. в 14 ч.

на заседании диссертацио*" : Т-063.54.02 в МИРЭА ТУ

по адресу: 117454, Моею ом 78, ауд. Д-412.

С диссертацией в ви, познакомиться

в библиотеке МИРЗ

Диссертация в виде нь, га "_"_1998 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

д.т.н,, проф...............................................................................

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ............................................................................................4

2. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ................................................................8

3. ЦЕЛЬ РАБОТЫ....................................................................................8

4. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.........................................................................9

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ...........................................10

6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ............11

7. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА...............................................................11

8. АПРОБАЦИЯ........................................................................................11

9. ПУБЛИКАЦИИ....................................................................................12

10. СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ...................................12

10.1. Создание научной, технической и технологической базы интегральной оптики.....................................................................14

10.2. Принципы построения и структура внутриобъектовой волоконно-оптической системы связи и передачи информации........18

10.3. Разработка и освоение на 1 этапе работ базовых ИО-элемен-тов и ИОС на основе стекла и ниобата лития............................20

10.4. Базовые и функциональные ИОЭ и ИОС на основе ниобата лития и полупроводниковых структур, реализованные на 2-м этапе работ....................................................................................33

10.5. Разработка комплекса контрольно-измерительной аппаратуры и методов измерения физико-технических характеристик ИОЭ и ИОС...........................................................49

10.6. Разработка методов корпусирования ИО- схем.........................52

10.7. Принципы классификации интегральных оптических и опто-электронных элементов и схем......................................................52

10.8. Бортовая блочно-модульная волоконно-оптическая система передачи информации.....................................................................54

.. Исследования преобразователей физических величин.................59

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................62

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕ-

. .ДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ, ОТЧЕТАХ ПО НИР И УЧЕБ-

•-Дп>1Х ПОСОБИЯХ................................................................................64

- ]:ПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................67

1. ВВЕДЕНИЕ

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 передачи; уменьшения вероятности ошибок; снижения уровня перекрестных помех и электромагнитных наводок; расширения 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 информации; в системы сбора, обработки и передачи данных с удаленных объектов; а 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 ИО- специализированных 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 ИО- элементов) 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 ИО- и ВО- схем 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 45000 мкм) и большими размерами подложек (10x20 мм, 15x30 мм, 20x50 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[<пг; п3<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 пассивные; кристаллы ниобата лития 1л№Оз, силенита висмута и др. - электрически активные сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и ферроэлектрики; халькогенидные стекла; полупроводниковые 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.

2. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Накопленный автором в результате многолетних исследований оригинальный материал содержит приоритетные результаты по методам и комплексным техническим решениям важных задач создания на предприятии НТТБ интегральной и волоконной огггики (впервые в отрасли): теоретическим исследованиям по вопросам интегральной оптики; разработки, производства и экспериментальных исследований серии функциональных квантово-электрон-ных элементов, схем и устройств - волоконно-оптических и интегрально-оптических; разработки и внедрению новых принципов построения на их основе волоконно-оптических систем связи, обработки и передачи информации, функционирующих в жестких условиях (сильных электромагнитных полей, высоких уровнях потенциалов, механических вибраций и т.п.), а также разработке и исследованиям устройств сбора информации - преобразователям физических величин, позволяющих расширить функциональные возможности ВОСП.

Данный материал был подвергнут анализу и научному обобщению. В результате был получен ряд основополагающих выводов и рекомендаций, обеспечивающих подход и разработку нового поколения быстродействующих и многофункциональных волоконно-оптических и интегрально-оптических схем для систем передачи и обработки информации нового поколения, а также и самих систем; к разработке методов оптимальной реализации функционально полн