На правах рукописи

Костенко Кирилл Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРОВ ДЛЯ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Специальность: 05.11.14 – Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2008 г.

Работа выполнена в лаборатории волоконно-оптических и интегральнооптических устройств ОАО научно-исследовательский «Центральный технологический институт «Техномаш» (Москва).

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Яковлев Михаил Яковлевич

Научный консультант: доктор технических наук, Бажанов Юрий Вадимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чубаров Евгений Петрович Кандидат технических наук Свинцов Анатолий Геннадьевич

Ведущая организация: ООО «НПФ «Дилаз»

г. Москва

Защита состоится «_27_» ноября 2008 г. в 14-00 на заседании Диссертационного совета Д 409.007.01 в ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» по адресу: 121108, г.Москва, ул. Ивана Франко, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЦНИТИ «Техномаш».

Автореферат разослан до «_26_» октября 2008 г.

Отзывы просим направлять по адресу: 121108, г. Москва, ул. Ивана Франко, д.4, ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Сахно Э.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации Одно из дальнейших направлений развития информационно-измерительных систем связано с использованием оптического волокна для приема/передачи информации. При этом оптическое волокно и техника на его основе обладают рядом преимуществ по сравнению с системами на основе электрических кабелей, основными из которых являются высокая информационно-пропускную способность, широкополосность и помехозащищенность. В последнее время наблюдается бурное развитие информационно-измерительных систем на базе волоконно-оптической техники. Многократно выросли потребности людей в обмене информацией. Во много раз увеличилась скорость передачи данных по оптическому волокну, расширился географический охват. Оптическое волокно оказалось именно той средой, которая обеспечивает передачу такого объема информации.

При построении волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ) часто возникают задачи объединения и разделения потоков оптического излучения с соответствующими длинами волн, для последующей передачи по одному оптическому волокну или для разделения по соответствующим оптическим волокнам. Применение технологии спектрального мультиплексирования позволяет одновременно на разных длинах волн передавать по одному оптическому волокну самые разные приложения, а также позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в уже существующей сети. Технология спектрального мультиплексирования пока применяется в основном на линиях связи большой протяженности, где требуется значительная полоса пропускания. Сети городского и регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально также являются широким рынком для технологии спектрального мультиплексирования.

Основными устройствами указанных систем, как магистральных, так и локальных являются интегрально-оптические мультиплексоры и демультиплексоры, которые обладают малыми габаритами, весом и отсутствием смещения элементов устройства друг относительно друга. В зависимости от назначения системы требуются различные типы мультиплексоров/демультиплексоров с матрицей передачи 1N, отличающиеся числом выходных оптических каналов, уровнем перекрестных помех в соседнем канале, типом используемого оптического волокна, требованиями к условиям эксплуатации.

Одна из проблем – создание надежных мультиплексоров/демультиплексоров, устойчивых к внешним воздействующим факторам, характерным для условий работы аппаратуры в составе информационно-измерительных систем подвижных объектов:

наземных транспортных средств, аэрокосмических аппаратов, морских надводных и подводных кораблей. В соответствии с действующими стандартами, такие устройства, в зависимости от группы исполнения, должны выдерживать воздействие механических ударов многократного действия с ускорением до 150 g, вибрации в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц с виброускорением до 40 g в диапазоне рабочих температур от минус 60 °С до +85 °С.

Стабильность характеристик мультиплексоров/демультиплексоров в условиях эксплуатации в значительной степени зависит от способа формирования их волноводной структуры. Выпускаемые рядом ведущих зарубежных фирм (AMP, FOCI, Global Opticom и др.) интегрально-оптические демультиплексоры, в основном предназначенные для систем телекоммуникаций, изготавливаются на основе матрицы канальных волноводов с различной длиной каналов. Изготовление каналов в волноведущем слое демультиплексора с постоянной разностью длин между двумя соседними каналами значительно усложняет технологический процесс производства.

Использование подобных демультиплексоров в локальных сетях и информационноизмерительных системах подвижных объектов является чрезвычайно дорогостоящим, демультиплексоры, построенные по другому принципу, разделяют значительно меньше длин волн по сравнению с выше названными демультиплексорами.

Одним из путей решения данной проблемы является поиск новой конструкции интегрально-оптического демультиплексора, которая могла бы объединить в себе достоинства существующих конструкций демультиплексоров. Демультиплексор также должен обладать повышенной механической прочностью и быть защищен от воздействия внешних факторов.

Проблемам разработки интегрально-оптических демультиплексоров, в том числе для информационно-измерительных систем локальных систем и подвижных объектов, посвящен большой объем исследований и публикаций. Теоретические основы создания интегрально-оптических демультиплексоров опираются на фундаментальные работы в области волоконной и интегральной оптики А.М.Прохорова, А.С.Беланова, Ю.В.Гуляева, Е.М.Дианова, М.Адамса, А.Снайдера, Г.Унгера и др. Вопросы создания многоканальных интегрально-оптических демультиплексоров рассматривали в своих работах К.Takada, Н.Yamada, К.Okamoto, H.Sotobayashi, A.Konishi, W.Chujo, T.Ozeki, H.Taga и др. Однако, актуальными остаются научно-технические задачи прикладного характера, связанные с разработкой технологии изготовления интегрально-оптических демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов. В частности, требуют решения задачи по разработке технологии изготовления многоканальной структуры новой конструкции интегрально-оптического демультиплексора, снижению требований к точности изготовления элементов его конструкции, оптимизации юстировки и определению допустимых погрешностей для эффективной юстировки различных элементов конструкции демультиплексора.

Перечисленные обстоятельства определяют актуальность диссертационной работы, направленной на разработку и исследование технологических процессов изготовления интегрально-оптических демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов с последующим их применением в локальных сетях и информационно-измерительных систем подвижных объектов.

Цель работы Целью данной работы является поиск новой конструкции демультиплексора с повышенными эксплуатационными характеристиками для локальных сетей и информационно-измерительных систем подвижных объектов, или оптимизация существующих конструкций демультиплексоров, разработкой технологии изготовления, которая позволит упростить технологический процесс и последующую стадию юстировки демультиплексора. Разработка программы и методики испытаний опытных образцов интегрально-оптических демультиплексоров.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- анализ различных схем построения демультиплексоров для определения оптимальных конструкций демультиплексоров с целью их последующей оптимизации;

- определение предельных спектральных характеристик интегрально-оптических демультиплексоров по критериям Рэлея и 30 дБ;

- исследование новой конструкции демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов;

- разработка технологии изготовления интегрально-оптического демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов, определение требований к точности изготовления элементов конструкции демультиплексора, а также требований к точности совмещения световодных элементов в процессе изготовления демультиплексоров;

- исследование влияния конструктивных и технологических факторов на оптические характеристики рассматриваемого демультиплексора;

- разработка, изготовление и проведение испытаний демультиплексоров на воздействие внешних факторов;

- применение демультиплексоров в волоконно-оптических информационноизмерительных системах.

Научная новизна работы Научная новизна работы подтверждена патентом РФ на изобретение №2287221.

МПК RU 2 287 221 С1 от 27.05.2005, в том числе были решены следующие задачи:

- проведен анализ предельных спектральных характеристик демультиплексоров;

- разработана классификация демультиплексоров и определено в ней место новой предложенной конструкции демультиплексора;

- определен уровень допустимых погрешностей при изготовлении интегральнооптического демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов;

демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

Достоверность использованием современных оптико-физических и химико-технологических методов исследования, применением метрологически аттестованной аппаратуры и приборов, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.

На защиту выносятся:

1. Конструктивно-технологические решения по созданию интегральнооптического демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

2. Результаты экспериментальных исследований оптических характеристик демультиплексоров на основе вогнутой дифракционной решетки.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических факторов на оптические характеристики интегрально-оптических демультиплексоров.

4. Результаты испытаний оптических демультиплексоров.

Практическая ценность работы 1. Определен уровень допустимых погрешностей в процессе изготовления демультиплексоров.

2. Разработана технология изготовления интегрально-оптических демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

3. Разработан комплекс дополнительных приспособлений для проведения юстировки демультиплексоров.

демультиплексоров.

демультиплексоров при нормальных климатических условиях и при внешних воздействующих факторах.

6. Осуществлено внедрение полученных результатов в производство при выполнении опытно-конструкторских работ.

7. Разработаны технические условия ТУ6665-017-41085936- «Демультиплексоры оптические обратимые».

8. Разработаны и внедрены методика и стенд для автоматизированного технологического контроля оптических демультиплексоров.

Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научноисследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «Центральный научноисследовательский институт и ЗАО научноТехномаш» «Центральный исследовательский институт «Техномаш-ВОС»: в соответствии с постановлением Правительства РФ №125-10 от 21.02.2002 г. по ОКР «Разработка интегральнооптических разветвителей, переключателей и обратимых мультиплексоров для систем передачи и сбора информации» (шифр «Интеграл-Оптика»); в соответствии с федеральной целевой программой «Национальная технологическая база» на 2002г.г. по НИР «Исследование и разработка унифицированных технологий для автоматизированного изготовления оптических элементов информационных систем»

(шифр «Автоинтопт»); в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2003 г. № 790-48 "О государственном оборонном заказе на 2004 год" по ОКР «Создание унифицированной компонентной базы для волоконнооптических локальных информационных сетей подвижных и стационарных объектов и мобильных развертываемых систем ВВТ при скорости передачи информации до 700 Мбит/с с последующей пролонгацией свыше 1,1 Гбит/с» (шифр «Карьер»).

Внедрение результатов работы организациях:

1. ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» - внедрен технологический процесс изготовления интегральнооптических демультиплексоров, разработанный по договору с войсковой частью №34416 (ОКР «Интеграл-Оптика»).

2. ЗАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш-ВОС» технологического контроля оптических демультиплексоров (ОКР «ПерспективыИнтеграл»).

3. ЗАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш-ВОС» - внедрены программа и методика конструкторских испытаний оптических демультиплексоров (НИР «Автоинтопт»).

4. ЗАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш-ВОС» - внедрены программа и методика измерения оптических параметров спектрально-селективных разветвителей-объединителей (ОКР «Карьер»).

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры радиофизики РУДН (2002-2003 г.г.), Всероссийских конференциях по проблемам математики, информатики, физики и химии, РУДН (2003-2005 г.г.), II межрегиональном семинаре «Нанотехнологии и фотонные кристаллы», Калуга ( г.), Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», Москва (2004-2006, 2008 г.), 54-55 научно-технических конференциях, МИРЭА (2005-2006 г.г.), Международном форуме «Голография Экспо – 2005» и научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», Москва (2005 г.), Конференции "Оптика - XXI век", Москва (2007 г.) Публикации По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 112 наименований и приложений. Приложения включают 2 акта внедрения результатов диссертационной работы. Работа содержит 149 страниц основного текста, включающих 48 рисунков и 12 таблиц.

Личный вклад автора В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку конструктивных решений и методик исследований, проведение теоретических расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну, получены автором лично.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели, перечислены научные результаты, выносимые на защиту, показана новизна исследования и его практическая ценность.

В первой главе определены требования к построению волоконно-оптических информационно-измерительных систем со спектральным уплотнением. Рассмотрена возможность передачи информации в разных диапазонах: 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1, мкм, показаны достоинства и недостатки одномодовых и многомодовых волокон.

Рассмотрены технологии формирования волноводной структуры демультиплексоров различных конструкций: с последовательным разделением оптических сигналов, с использованием отражательной дифракционной решетки, сплавных биконических волоконных демультиплексоров и на основе матрицы канальных волноводов.

На основании результатов аналитического обзора и проведенных расчетов обосновываются: оптимальность конструкций интегрально-оптических демультиплексоров, предназначенных для использования в составе аппаратуры волоконно-оптических информационно-измерительных систем с повышенными требованиями по устойчивости к внешним воздействиям; необходимость упрощения технологического процесса изготовления демультиплексора, повышения эффективности и упрощения процесса юстировки. Представлен план исследований, необходимый для достижения поставленной в работе цели.

спектральных характеристик различных элементов конструкции демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов и дифракционной решетки. Определены границы одномодового/многомодового режимов работы демультиплексоров.

Получены выражения для предельных спектральных характеристик демультиплексоров с учетом материальной и волноводной дисперсии, как для критерия Рэлея, так и с учетом критерия 30 дБ.

На рис.1 представлена обобщенная схема демультиплексора. Состав элементов для конкретной конструкции демультиплексора может отличаться, но в нем всегда будет присутствовать дисперсионный элемент, и мы проанализируем его спектральные характеристики для двух схем на основе матрицы канальных волноводов и волноводной дифракционной решетки.

Рис.1. Обобщенная схема демультиплексора: 1 – входное волокно; 2 – волноведущий слой, пленка; 3 – базовая основа, подложка; 4 – коллимирующий элемент, линза; 5 – дисперсионный элемент; 6 – фокусирующий элемент, линза; 7 – линейка фотодетекторов или канальных волноводов Основными спектральными характеристиками демультиплексора являются:

область рабочих длин волн, разрешение и предельное число каналов. Область рабочих длин волн любого элемента конструкции демультиплексора определяется требованием одномодового/многомодового режимов и уровнем допустимых потерь:

для оптических волокон, в которых отсутствует максимум ОН-группы в районе длины волны 1,4 мкм, при уровне потерь 0,5 дБ/км, область рабочих длин волн составляет 0,4 мкм, для плоского и канального волноводов – определяется как разность двух длин волн, соответствующих их критическим значениям для низших Н1 и Е1 волн, для дисперсионного элемента – определяется как разность длин волн, соответствующих изменению главного максимума от рабочего порядка к соседнему.

Минимальная из всех возможных область рабочих длин волн будет определять рабочие параметры демультиплексора.

Расчет предельных спектральных характеристик интегральнооптических демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов.

Дисперсионный элемент демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов построен таким образом, что каждый последующий волновод отличается по длине от предыдущего на l и эта разность постоянна для любой пары канальных волноводов и соответствует фазовому набегу = замедления в канальном волноводе, l – разность длин между соседними каналами демультиплексора, – длина волны.

Область рабочих длин волн определяется следующим выражением:

различие величин фазового замедления и дисперсии канального и плоского волноводов, и = – величины фазового и группового замедления плоского использовались значения, соответствующие минимальной и центральной рабочей длине волны демультиплексора соответственно.

Разрешение р по критерию Рэлея определяется следующим выражением:

период, с которым располагаются канальные волноводы дисперсионного элемента.

Остальные обозначения те же, что и для области рабочих длин волн. Индексы « + » и » означают, что при расчете использовались значения для максимальной и центральной рабочих длин волны демультиплексора соответственно.

Ниже представлены некоторые закономерности поведения р для систем на основе матриц канальных волноводов:

1) С ростом величины D разрешение уменьшается (разрешающая способность R= - увеличивается).

2) С ростом дисперсии р также уменьшается.

3) Уменьшение разрешения р может быть достигнуто уменьшением. Но при w резко возрастает связь между канальными волноводами, что может приводить к потере работоспособности схемы. К сожалению, определить значение min довольно сложно, т.к. оно зависит от многих факторов, но, по-видимому, реализация min < будет представлять сложную задачу.

эквивалентно увеличению номера рабочего порядка m. В этом состоит основное отличие разрешения дифракционной решетки и матрицы канальных волноводов.

Предельное число каналов Np определяется следующим выражением:

Требуемое число каналов может быть реализовано при различных значениях и, которые определяются номером рабочего порядка m. Значения m могут достигать нескольких тысяч, что обеспечивается возможностью использования матриц с l >> и позволяет реализовывать малые значения как, так и.

иттегрально-оптических демультиплексоров.

волноводных волн с решетками – дифракция Рамана-Натта (случай тонкой решетки) и дифракция Брэгга (толстая решетка). Пример схемы демультиплексора с дисперсионным элементом в виде тонкой дифракционной решетки приведен на рис.2.

Волна, распространяясь в волноведущей среде, испытывает дифракцию на периодической структуре, а разделенные по углу волны распространяются в волноведущей среде справа от периодической структуры.

представляет собой фазовую дифракционную решетку, выполненную на основе плоского и канальных волноводов, либо нанесенную на боковую поверхность волноведущего слоя. Волноводы могут выполняться различными методами, главное, чтобы на периоде решетки было два одномодовых участка с различными величинами фазового замедления плоского n и канального k волноводов. Решетка имеет длину l и размер апертуры D.

Рис.2. Дисперсионный элемент демультиплексора на основе дифракционной решетки Выражения для области рабочих длин волн д.р можно найти, используя дисперсионное уравнение для дифракционной решетки sin = sin пад ± m N с учетом соотношений, которые определяют точки пересечения +1 или -1 порядков дифракции и рабочей длины волны, и введя групповую скорость волны в плоском волноводе, выражение примет следующий вид:

длиной волны. Индекс « - » означает, что при расчете использовались значения, соответствующие минимальной рабочей длине волны демультиплексора.

Как видно из предыдущего выражения для д.р с ростом номера рабочего порядка m, полоса рабочих длин волн уменьшается. Наибольшее значение д.р реализуется при m=1. Для m=3 д.р=0,4 мкм и совпадает с в, а диапазон рабочих длин волн соответствует от +=1,6 мкм до – =1,2 мкм. Следовательно, при значениях m 3 и д.р в полоса рабочих длин волн всего мультиплексора определяется волокном и равна 0,4 мкм. При m > 3 д.р будет меньше 0,4 мкм, и именно эта область будет определять всей схемы.

Разрешение по критерию Рэлея для волноводной дифракционной решетки длиной L и периодом определяется выражением Здесь выбрано разрешение при +, поскольку это разрешение является наихудшим и, если разрешаются длины волн, близкие к +, то будут разрешаться и меньшие длины волн. Индекс « » означает, что при расчете использовались значения, соответствующие максимальной рабочей длине волны демультиплексора.

Предельное число каналов Nр мультиплексора на основе дифракционной решетки определяется выражением Выражения для области рабочих длин волн и разрешения получены для произвольной величины с учетом как волноводной, так и материальной дисперсий сред, составляющих волноводные системы.

перекрёстных помех особенно важен, так как реальный демультиплексор, предназначенный для систем связи, должен соответствовать требованиям и стандартам, предъявляемым к этим системам. Например, уровень перекрестных помех не должен превышать -30 дБ.

Задачу анализа предельного числа каналов демультиплексора (рис.1) с учётом перекрёстных помех можно разделить на ряд более простых задач и после их решения подвести общий итог:

1) Рассмотрение и анализ амплитудного распределения поля на апертуре D дисперсионного элемента.

2) Рассмотрение и анализ распределений поля и интенсивности в плоскости фокусирующего элемента (линзы).

3) Рассмотрение и анализ зависимостей части мощности I0, попадающей в фотодетектор с угловым размером «а» в зависимости от параметров системы.

4) Рассмотрение и анализ отношения сигнал/шум на фотодетекторе с угловым размером «а», в зависимости от углового расстояния «b» между центрами фотодетекторов при различных значениях параметров системы.

5) Анализ числа каналов по критерию 30дБ.

В результате исследований было установлено:

1) Варьируя фокус линзы или помещая апертуру дисперсионного элемента на различных расстояниях от торца входного волокна, можно получать различные распределения на входной апертуре дисперсионного элемента.

2) Анализируя распределение интенсивности поля в дальней зоне, можно заметить, что чем меньше значение величины поля на краю апертуры дисперсионного элемента, тем более расходящимся является поле в фокальной плоскости линзы 2, помещая в фокальной плоскости фотодетектор с фиксированным угловым размером «а», можно проанализировать, какая часть мощности попадает в этот фотодетектор.

3) При анализе зависимости значения тока фотодетектора от поля на краю апертуры обнаружилось, что существует такое оптимальное значение, при котором часть мощности, поступающая из входного волокна в фотодетектор данного углового размера – максимальна.

4) При фиксированном значении размеров фотодетекторов «а», существует несколько значений углового расстояния между центрами фотодетекторов «b», при которых соотношение сигнал/шум достигает 30 дБ.

5) В процессе исследований был определен коэффициент К, который показывает во сколько раз число каналов интегрально-оптического демультиплексора по критерию 30 дБ меньше, чем по критерию Рэлея.

В третьей главе предлагается новая конструкция демультиплексора, которая совмещает в себе достоинства демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов и дифракционных решеток. Новый демультиплексор на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов решает техническую задачу увеличения дальности передаваемой информации для локальных сетей, увеличения числа каналов и оптической мощности полезного сигнала за счет снижения требований к точности изготовления дисперсионного элемента с канальными волноводами одинаковой длины, а также за счет уменьшения регулярных и случайных фазовых ошибок. Новизна конструкции демультиплексора подтверждается патентом РФ №2287221 МПК RU 2 287 221 С1 от 27.05.2005.

Рис.3. Демультиплексор на основе матрицы канальных волноводов с разным фазовым замедлением: 1 – подложка-основание; 2 – волноведущий слой; 3 – входная геодезическая линза; 4 – входное оптическое волокно; 5 – дисперсионный элемент; – выходная геодезическая линза; 7 – выходные оптические волокна; L – длина дисперсионного элемента; l1 и l2 – длины участков с разным фазовым замедлением;

l – постоянная разность длин l1 и l2 для любой пары соседних канальных волноводов, – период расположения канальных волноводов в дисперсионном элементе.

Решаемая техническая задача достигается тем, что все канальные волноводы демультиплексора имеют два участка разной толщины, при этом разность длин соответствующих участков для любой пары соседних канальных волноводов является постоянной величиной l. Формулы предельных спектральных характеристик для демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов справедливы и для данного демультиплексора, необходимо лишь заменить к на к.

Для практически реализуемых порядка 0,1 при тех же l, значения m на порядок меньше, чем для демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с разной длиной каналов. Кроме того, l в данной схеме ограничено геометрией системы, т.к. l = = и может расти только за счет увеличения длины всех волноводов матрицы. Следовательно, основное отличие рассматриваемых демультиплексоре на рис.3 реализуется при большей полосе рабочих длин волн и большем разрешении.

Для любой схемы демультиплексора существует два вида фазовых ошибок – регулярные и случайные. Регулярными фазовыми ошибками являются: 1) длина волноводов может быть не одинаковой; 2) l имеет регулярное отклонение; 3) канального волновода зависит от поперечной координаты.

Как правило, эти три вида регулярных ошибок приводят к линейным фазовым ошибкам. Подобный вид ошибок достаточно легко может быть устранен при изготовлении планарного демультиплексора. Для этого необходимо при фиксации волокна к плоскому волноводу путем перемещения торца волокна в фокальной плоскости компенсировать эти линейные ошибка и обеспечить попадание среднего канала с 0 в центральный фотодетектор или канальный волновод. Остальные длины волн автоматически попадут в свои канальные волноводы.

Случайные фазовые ошибки могут быть вызваны неоднородностью и l, и приводят к уширению фокальных пятен в выходных канальных волноводах, что уменьшает полезную мощность сигнала, и увеличивает перекрестные помехи в каналах.

Для оценки регулярных фазовых ошибок в случае неодинаковой длины Пусть фазовый набег должен быть меньше /8. Выразив из формулы l, можно определить требуемую точность для изготовления данных устройств. При =1, мкм; =1,51; =0,15 значение l для демультиплексора с разной длиной каналов равно 0,054 мкм, а для демультиплексора с одинаковой длиной каналов – 0,54 мкм.

Очевидно, что более строгие требования по точности изготовления предъявляются к демультиплексору с разной длиной каналов. В предлагаемом демультиплексоре все канальные волноводы имеют одинаковую длину и выполняются в едином технологическом цикле, а, следовательно, требования к точности изготовления существенно ниже.

На рис.4 показаны зависимости, характеризующие изменение предельного числа каналов от имеющейся области рабочих длин волн для демультиплексоров на основе дифракционной решетки и матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

Рис.4. Зависимость предельного числа каналов для демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов (Nмкв) с разным фазовым замедлением и волноводной дифракционной решетки (Nвдр) от заданного значения области рабочих длин волн всей схемы.

Проведена классификация демультиплексоров: по области применения, по принципу построения схемы (технологии изготовления), по принципу разделения оптических каналов, по принципу действия дисперсионного элемента и по основным спектральным характеристикам.

На основе зависимостей, представленных на рис.4, и проведенной классификации демультиплексоров, даны рекомендации по применению демультиплексоров в зависимости от имеющейся области рабочих длин волн.

Область рабочих длин волн до 0,1 мкм соответствует магистральной передаче информации – предпочтительнее использовать демультиплексоры на основе матрицы канальных волноводов с разной длиной каналов; от 0,1 до 0,4 мкм включительно соответствует режиму передачи информации, при котором уровень потерь в волокне и волноводном тракте позволяет передавать информацию на относительно небольшие демультиплексоры на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов; при области рабочих длин волн свыше 0,4 мкм наиболее оптимально подходит для передачи информации по воздушным линиям связи, т.к. единственным ограничением здесь являются потери, рекомендуется демультиплексор на основе дифракционных решеток. Стоит отметить, что для каждой области определен наиболее оптимальный демультиплексор. Вместе с тем, если в заданном диапазоне рабочих длин волн требуемое число каналов много меньше предельного, то можно использовать другую конструкцию демультиплексора.

Описаны особенности конструкции и представлена технологическая схема изготовления демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов. Подробно описан технологический процесс сборки блока оптических волокон, юстировки демультиплексора. Для юстировки демультиплексора были разработаны дополнительные приспособления, позволяющие фиксировать демультиплексор на различной высоте и поворачивать его в горизонтальной плоскости на угол +/– 10° от нормали.

Определены и проанализированы технологические факторы, влияющие на оптические характеристики демультиплексора. Основными оптическими характеристиками являются вносимые потери и перекрестные помехи.

В процессе сборки интегрально-оптического демультиплексора производится стыковка оптических волокон с канальными волноводами, сформированными в волноведущем слое на подложке. В результате могут появляться дополнительные потери Aдоп, обусловленные технологическими факторами. Можно выделить три вида дополнительных потерь: от нерегулярности укладки оптических волокон А1, от продольных А2, поперечных А3 и углового А4 смещений.

Суммарные дополнительные потери можно посчитать следующим образом:

Для расчета зависимостей величин A1, A2, A3 и A4 от величины соответствующих смещений использовался аналитический метод решения указанной задачи на ЭВМ.

Под нерегулярностью укладки волокон следует предполагать, что, по крайней мере, одно волокно «выбивается» из равномерно уложенной последовательности волокон.

Рис.5. Пример неравномерной укладки оптических волокон.

Перед юстировкой необходимо посмотреть волоконный блок под микроскопом уложенными волокнами будут отброшены уже на начальной стадии.

При расчете потерь от поперечных и продольных смещений распределение экспериментально и для одномодовых волокон описывается функцией Гаусса, а для многомодовых волокон апроксимируется квадратичной функцией.

Рис.6. Продольное и поперечное смещение оптических волокон относительно канального волновода Вносимые потери А2, А3 и перекрестные помехи I2, I3 определялись следующими выражениями:

Устранить такие потери можно с помощью устройств совмещения, которые позволяют позиционировать с высокой точностью в продольном и поперечном направлениях.

Последний технологический фактор, влияющий на оптические характеристики демультиплексоров, – потери от углового смещения блока оптических волокон относительно канальных волноводов А4, т.е. имеется определенный угол наклона либо относительно крайнего волокна, либо одного из последующих волокон. Анализ выполнен для крайнего волокна, наклон относительно любого другого волокна является частным случаем наклона относительно крайнего волокна.

Рис.7. Угловое смещение относительно крайнего волокна Для уменьшения оптических потерь, вызванных угловым смещением, необходимо при юстировке пользоваться дополнительными приспособлениями, которые позволяют закрепить параллельно волоконный блок. Помимо этого рекомендуется в процессе юстировки контролировать вносимые потери в крайних волокнах, что дополнительно позволит уменьшить данный вид потерь.

Вносимые потери и перекрестные помехи определялись следующими выражениями, записанными в полярных координатах:

Выполнение всех перечисленных рекомендаций к технологическому процессу сборки демультиплексора поможет максимально снизить дополнительные потери и приблизиться к расчетным характеристикам.

В четвертой главе приведены результаты изготовления и исследования влияния конструктивно-технологических факторов на оптические характеристики автоматизированного контроля оптических параметров демультиплексоров. Стоит отметить, что изготовление дисперсионного элемента демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной требует разработки специальной оснастки для формирования многоканальной волноводной структуры в волноведущем слое. Поэтому предположим, что дисперсионный элемент демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов работает правильно, а технологический процесс сборки отдельных элементов конструкции и всего демультиплексора может быть с успехом опробован на других конструкциях демультиплексоров, например на демультиплексоре с вогнутой дифракционной решеткой.

Рассчетно-экспериментальным методом дается оценка его радиационной стойкости, гамма-процентная наработка изделия на отказ, а также его сохраняемость.

Проведена теоретическая и экспериментальная оценка собственных механических колебаний световодных структур демультиплексоров. Установлено, что резонансная частота для данного десятиканального демультиплексора превышает 105 Гц. В процессе испытаний резонансных явлений не выявлено.

Описывается технология его изготовления. Экспериментально отрабатывается технология юстировки для интегрально-оптического демультиплексора, описанная в главе 3.

Разработаны программа и методики измерения оптических параметров демультиплексоров как при нормальных климатических условиях, так и при внешних воздействующих факторах. Разработан автоматизированный стенд для контроля оптических параметров демультиплексоров в нормальных климатических условиях и в процессе испытаний.

Демультиплексоры на основе матрицы канальных волноводов дополнительно испытывали путем воздействия синусоидальной вибрации в диапазоне частот от до 2000 Гц с амплитудой ускорения 400 м/с2 (40 g); механического удара многократного действия с пиковым ударным ускорением 1500 м/с2 (150 g) и длительностью 1-5 мс. Изменение вносимых потерь демультиплексора в процессе воздействия не превышало 0,8 дБ. При воздействии температуры среды от минус 60°С до +85°С изменение вносимых потерь составило не более 0,8 дБ.

Экспериментально подтверждена стойкость интегрально-оптических демультиплексоров к воздействию синусоидальной механической вибрации в многократного действия с пиковым ударным ускорением 150 g, изменению температуры от минус 60С до +85С.

Экспериментально показана возможность применения интегрально-оптических демультиплексоров для построения волоконно-оптических каналов информационного обмена, входящих в состав информационно-измерительных систем подвижных объектов Результаты, полученные в работе, были использованы при разработке ОКР «Интеграл-Оптика», ОКР «Перспективы-Интеграл», НИР «Автоинтопт» в 2004г.г., а также в ОКР «Карьер» 2005-2007 г.г.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты работы 1. Разработаны рекомендации к проектированию интегрально-оптических демультиплексоров на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

демультиплексоров в зависимости от имеющейся области рабочих длин волн.

3. Разработана технология изготовления интегрально-оптического демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с одинаковой длиной каналов.

4. Исследовано влияние технологических факторов на оптические характеристики интегрально-оптических характеристик. Определены требования к точности совмещения оптических волокон и световодных элементов в процессе сборки интегрально-оптических демультиплексоров.

5. Разработана методика и стенд для технологического контроля оптических параметров демультиплексоров. Методика и стенд рекомендуются для внедрения на предприятиях, изготавливающие интегрально-оптические демультиплексоры.

6. Разработаны и внедрены технологические процессы изготовления интегрально-оптических демультиплексоров для информационно-измерительных систем.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикация:

К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Демультиплексор как средство реализации технологии спектрального уплотнения // Материалы II Межрегионального семинара «Нанотехнологии и фотонные кристаллы», М.: МГТУ им. Н.Баумана, 2004, с.276-283.

2. К.Н. Костенко, А.Н. Осовицкий, М.Я. Яковлев. Предельные спектральные характеристики интегрально-оптических демультиплексоров // М., Фотон-Экспресс, 2004, №1, с.20-21; №4, с.22-23.

3. В.Ш.Берикашвилли, Н.Т.Ключник, К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Интегральнооптические волноводные дисперсионные элементы. Х Юбилейная Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в промышленности России», с.127-136, М., 2004.

4. К.Н. Костенко, А.Н. Осовицкий, М.Я. Яковлев. Предельные спектральные характеристики демультиплексоров // М., Радиотехника, №12, 2004, с.82-86.

5. Ю.В.Бажанов, К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Классификация демультиплексоров и рекомендации по их использованию // Фотон-Экспресс, 2004, №7-8, с.46-49.

6. Ю.В.Бажанов, К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Предельное число каналов интегрально оптического демультиплексора с учетом перекрестных помех // Фотон-Экспресс, 2005.- №1 с.19-21; 2005. - №4 с.44.

7. В.Ш.Берикашвилли, Н.Т.Ключник, К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Интегральнооптические волноводные дисперсионные элементы для ВОЛС // Технология и конструирование в электронной аппаратуре – 2005-№2, с.10-16.

8. К.Н.Костенко, А.Н.Осовицкий, В.Ф.Фаловский, М.Я.Яковлев. Конструкция демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов и его предельные характеристики. Труды 54 научно-технической конференции, М., 2005, с.14-19.

9. К.Н.Костенко, М.Я.Яковлев. Демультиплексор со спектральным разделением на основе упорядоченной волноводной дифракционной решетки. Патент РФ №2287221.

МПК RU 2 287 221 С1 от 27.05.2005.

10. К.Н.Костенко, Ю.В.Бажанов, М.Я.Яковлев. Методы спектрального уплотнения оптических сигналов. Материалы ХI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2005, с.235-243.

11. К.Н. Костенко, Ю.В. Бажанов, М.Я. Яковлев. Предельные спектральные характеристики интегрально-оптических демультиплексоров с учетом перекрестных помех // Материалы ХI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2005, с.210-218.

12. К.Н. Костенко, М.Я. Яковлев. Новая схема построения демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов // Материалы ХI Международной научнотехнической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2005, с.204-209.

13. Ю.В. Бажанов, К.Н. Костенко, С.Н. Марков, М.Я.Яковлев. Демультиплексоры на основе дифракционных решеток и их предельные характеристики // Оптический журнал, 2006, т. 73, №7, с.24-28.

14. А.Н. Ключник, К.Н. Костенко, В.Ф.Фаловский, М.Я. Яковлев. Исследование оптических характеристик демультиплексоров при внешних воздействующих факторах // Материалы XII Международной научно-технической конференции. М., 2006, с.305-310.

15. Ю.В. Бажанов, Н.Т. Ключник, К.Н. Костенко, М.Я. Яковлев. Многоканальные оптические демультиплексоры для локальных систем передачи информации. // М., Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2007, №1-2, с.100-105.

16. Ю.В. Бажанов, С.Н. Марков, К.Н. Костенко «Разработка и технология изготовления решеточных демультиплексоров» // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2007, № 3, С. 165-173.

17.

демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов и ее достоинства // М., Фотон-Экспресс, 2007, №7, с.19-21.

18. К.Н. Костенко, Гук Л.Л., Ю.В. Бажанов, М.Я. Яковлев. Влияние технологических факторов на оптические характеристики при юстировке демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с разным фазовым замедлением // М., ФотонЭкспресс, 2008, №1, с.16-19.

19. К.Н. Костенко, Ю.В. Бажанов, М.Я. Яковлев. Влияние технологических факторов на оптические характеристики демультиплексора на основе матрицы канальных волноводов с разным фазовым замедлением // Материалы XIV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2008, с. 196-202.