Волоконно-оптические устройства когерентных систем сбора, обработки и передачи информации

АННОТАЦИЯ
В диссертации рассмотрены вопросы разработки и создания элементной базы когерентных волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки экологической и технической информации. Во введении и первой главе рассмотрены современные тенденции развития когерентных волоконно-оптических систем, теоретические и технологические проблемы создания элементной базы. Во второй главе работы даны принципы построения и структура волоконно-оптических систем экологического контроля атмосферы. Приведены результаты испытания лазерной установки для исследования вынужденного комбинационного рассеяния(ВКР) в одномодовых и градиентных световодах. Дан анализ ВКР-спектров и схема установки для спектрального выявления загрязняющих примесей в атмосфере. Разработана также когерентная система выявления метана с помощью лазера с линейной частотной модуляцией. В последующих разделах рассмотрены результаты разработки датчиков -преобразователей различных физических величин. Приведено описание стенда и конструкций волоконно-оптических датчиков электрических и магнитных полей. В третьей главе даны результаты разработки аппаратуры для исследования модовых оптических полей магтомодовых и одномодовых световодов. Показана возможности гауссовской аппроксимации модового поля в одномодовом режиме и выведены зависимости динамических характеристик от параметров распределения. В четвертой главе приведены результаты разработки установки для исследования дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов. Исследованы вопросы снижения дисперсии и оптимизации профиля показателя преломления одномодовых волокон. В главе 5 приведены результаты разработки аппаратуры для исследования анизотропных оптических волокон с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения за счет эллиптичности сердцевины, эллиптичной напряженной оболочки и симметричных термонапряженных элементов. Рассмотрены также проблемы оптимизации конструкции и повышения устойчивости поляризационных характеристик анизотропных одномодовых световодов. В главе 6 приведены результаты разработок и исследования волоконно-оптических поляризаторов, модуляторов, вентилей, усилителей и чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.
Работа содержит 275 стр. текста, 76 илл., 14 табл. Приложение на 6л.
Работа выполнена в Московском Государственном Институте радиотехники, электроники и автоматики (Технический Университет) (МИРЭА).
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВОСГШ - волоконно-оптическая система передачи информации
ВОЛПИ - волоконно-оптическая линия передачи информации
ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи
ЛВС - локальные вычислительные сети
ПП - показатель преломления
ППП - профиль показателя преломления
ДЛП - двулучепреломление (двупреломление)
КЛТР - коэффициент линейного температурного расширения
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние
ЛАХ - люксамперная характеристика
ЭВМ - электронная вычислительная машина
ПЭВМ - персональная ЭВМ
ПК - персональный компьютер
МСУО - модифицированный способ химического осаждения из парогазовой фазы ОСУЭ - метод внешнего химического осаждения из парогазовой фазы РС\Т) - плазмохимический метод осаждения УАЭ - осевое осаждение из пара
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................стр. 1
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ КОГЕРЕНТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СБОРА, ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.................... 18
1.1. Радиофизические принципы исследования и создания волоконно-оптических элементов на основе когерентных и поляризационных свойств
света ........................................... 18
1.2. Принципы построения и структура элементной базы когерентных волоконно-оптических систем 24
1.3. Исследования распределенных волоконно-оптических систем сбора информации, основанных
на методе обратного рассеяния ...................... 36
2. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭКОЛОГ ИЧЕСКОГО И 51
ТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА..........................
2.1. Исследование широкополосных источников излучения на основе вынужденного комбинационного ^ рассеяния в световодах .............................
2.2.Волоконно-оптические датчики-газоанализаторы для контроля атмосферы угольных шахт .............. 64
2.3. Датчик контроля содержания метана в атмосфере на основе лазера с линейной частотной модуляцией ......................................... 70
2.4. Структура волоконно-оптических систем контроля шахтной атмосферы ......................... 72
2.5. Особенности волоконно-оптических датчиков- преобразователей параметров электромагнитных полей ............................. 79
2.6. Установка для исследования преобразователей напряженности электрического поля ............ 83
2.7. Волоконно-оптические сенсорные элементы датчиков магнитного поля ........................... 87
3. ИССЛЕДОВАНИЯ МОДОВОЙ СТРУКТУРЫ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОДОВОГОПОЛЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ................ 92
3.1. Особенности конструкции и основные характеристики изотропных одномодовых волокон ............
У
3.2. Аналоговый комплекс для исследования модовой структуры маломодовых и одномодовых световодов в ближней зоне ........................... 100
3.3. Структура модового поля и передаточные характеристики одномодовых волоконных
103
световодов ...................................
3.4. Установка для исследования и цифровой обработки распределения яркости модового
поля волоконных световодов в дальней зоне 110
3.5. Аппроксимация пространственного распределения яркости модового поля Гауссовыми функциями ...............................
4. ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕ ТОВОДОВ 128
4.1. Исследования дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов
с помощью пикосекундной лазерной установки с 128
параметрической перестройкой длины волны излучения .....................................
4.2. Оптимизация дисперсионных характеристик одномодовых изотропных волокон ................. 138
4.3. Оптимизация профиля показателя преломления 143
5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНЫХ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОН............................. 154
5.1. Теоретические основы построения элементной базы на поляризационных эффектах когерентного излучения ...................................... 154
5.2. Исследования поляризационных характеристик анизотропных одномодовых волокон и аппаратура измерения двулучепреломления ...........
5.3. Обменные процессы поляризационных мод и степень сохранения поляризации в
анизотропных одномодовых световодах ............. ^5
5.4. Исследование влияния возмущающих
воздействий на связь поляризационных мод в анизотропном волоконном световоде ............
5.5. Одномодовые оптические волокна с высоким двулучепреломлением и сохранением состояния поляризации излучения .............................. 175
5.6. Исследование поляризационной расстройки и поляризационной модуляции света под
влиянием внешних воздействий ................... ^3
6. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМ........... 201
6.1. Волоконные соединения и устройства ввода излучения в волокно ........................... 202
6.2. Спектральные характеристики одномодовых волоконно-оптических разветвителей ............ 209
6.3. Динамические характеристики волоконно-оптических модуляторов и переключателей ....... 221
6.4. Оптимизация конструкции многоканальных разветвителей для многотерминальных систем передачи информации ................................ 225
6.5. Характеристики поляризующих волокон и волоконных поляризаторов ...................... 233
6.6. Оптически активные волоконные элементы (изоляторы, вращатели Фарадея, модуляторы) ... 239
6. 7. Квантовые усилители, ретрансляторы и лазеры на основе активных одномодовых волокон, легированных редкоземельными элементами ............ 243
6.8. Волоконно-оптические устройства голографических систем записи и
восстановления информации ..................... 257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 265
ВЫВОДЫ ............................................. 267
ЛИТЕРАТУРА.......................................... 269
1
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время, в связи с резким повышением требования к чистоте окружающей среды и контролю производственных процессов, происходит качественное улучшение параметров аппаратуры систем сбора, передачи и обработки экологической и технической информации. Увеличивается объём собираемой
информации, повышается роль цифровых вычислительных машин, новых информационных технологий, а также аппаратуры широко используемых коммуникационных систем (телефонной, радио и телевизионной связи) в системах передачи и обработки данных. Потребовалось резкое увеличение количества и качества датчиков, объемов и скорости передачи данных, дальности передачи, повышения широкополосности и
информационно-пропускной способности каналов.
В 90-е годы начали интенсивно развиваться локальные, региональные и глобальные
вычислительные сети и системы на базе цифровых линий связи с использованием коаксиальных, радиорелейных и спутниковых радиоканалов. Цифровые каналы передачи данных в вычислительных сетях требуют уменьшения вероятности возникновения и уровня перекрестных помех, снижения влияния
электромагнитных наводок, увеличения функциональных возможностей систем коммутации, повышение
надежностных и эксплуатационных характеристик при одновременном снижении веса, габаритов,
энергопотребления и стоимости изделий.
Перечисленные требования привели к необходимости использования высоких, сверхвысоких и крайне высоких частот, а также использования оптического диапазона и волоконно-оптических каналов передачи информации. Эти тенденции хорошо отражены в трудах ведущих российских ученых - академиков: Басова
Н.Г., Прохорова А.М., Котельникова В.А. , Гуляева Ю.Е., Дианова Е.М. [i-б]; а также зарубежных ученых: Gauer Dj., Markuze R., Presby P. Mears
R.G., Rashleigh S.C. и др. [8,16,17,20] Одновременно осуществлялся переход на новейшую элементную базу на основе интегральных полупроводниковых однокристальных моноблоков,
1
2
больших интегральных схем (БИС) с зысокой степенью интеграции и миниатюризации (акад. Алферов Ж.И., Hansperjer R., Irvin I., Robinson A.J. и др.)
[ 1, 4, 5 / 6,12] .
Особыми преимуществами для решения
современных задач информационно-вычислительных систем и сетей имеет применение оптоволоконных линий связи и кзантовых интегрально-оптических устройств[1-3]. Они удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и
цифровыми устройствами на основе БИС[6,12]. Кроме того, оптоволоконные каналы имеют практически неограниченную широкополосность, закрытость
информации от прослушивания и электромагнитных помех.
Последние достижения полупроводниковой
квантовой электроники (акад. Басов Н.Г., Прохоров А. М., Алферов Ж.И.) [1,4,5] и одномодовой
волоконной оптики (акад. Котельников В. А., Прохоров А.М., Дианов Е.М., Гуляев Ю.В.) 14,5],
позволяют реализовать принципы когерентной оптической передачи и обработки информации. Б когерентно-оптических приборах используется
взаимодействие когерентных оптических волн и
пучков, подчиняющихся законам волновой
электродинамики и распространению радиоволн в пространстве. Для их описания применимы радиофизические принципы и методы обработки информации с применением методов нелинейной и статистической радиофизики, разработанных в работах акад. Хохлова Р. В. и проф. Ахманова С.А. и Чиркина A.C. [6,7].
Применение интерференционного взаимодейстзия когерентных источников оптического излучения (одночастотных полупроводниковых лазеров),
позволяет осуществить гетеродинный и гомодинный прием с переходом из оптического в радио диапазон (Григорянц В.В. , Моршнев В.А. , Францессон A.B.)
[1,5]. Использование выутриимпульсной линейной частотной модуляции (JI4M) лазерного излучения
позволяет получить солитонный режим в оптическом
2
3
волноводе с хроматической дисперсией, а также повысить чувствительность и разрешающую способность мультиплексированных и распределенных систем сбора информации. Механизм интерференционного
взаимодейстзия волн аналогичен сжатию ЛЧМ
радиосигнала в согласованном Фильтре на дисперсионной ультразвуковой линии задержки. Как и в радиотехнических системах, эти интерференционные взаимодействия дают возможность существенно
повысить дальность передачи и увеличить широкололосность волоконно-оптических линий связи. Общие механизмы и волновые законы взаимодействия со средой позволяют считать когерентные системы радиооптическими и подчиняющимися законам
радиофизики.
Переход на одномодовые волоконно-оптические линии связи и когерентные интегрально-оптические элементы позволил качественно улучшить
характеристики отечественных технических средств связи и поднять их до уровня, не уступающего
зарубежным [6]. В свою очередь, задача комплексной интеграции оптоэлектронных систем з современные телекоммуникационные системы типа "Интернет” требует коренного изменения принципов построения всей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и систем на её основе. Реализация программы комплексного
подхода в создании Всероссийской информационновычислительной сети [5,6] позволит объединить её с глобальными спутниковыми и Европейскими волоконно-оптическими сетями и войти в международное глобальное информационное пространство в рамках сети "Интернет" и международной телефонной сети.
Волоконно-оптические системы сбора, обработки и передачи данных с удаленных объектов промышленных предприятий оказались наиболее эффективными там где высок уровень электромагнитных помех а также во взрыво- и пожароопасных условиях, где необходима искробезопасность[3,120].
Методы когерентной обработки информации, применение теории многомодовой и одномодовой интегральной оптики, а также принципов построения акусто-оптических (АО) и интегрально-оптических (ИО) вычислительных элементов привели к созданию
3
4
схем и устройств обработки информации, совмещающих высокоскоростное аналогово-цифровые преобразования и спектральную обработку радиосигналов с последующей обработкой данных средствами
вычислительной техники или систем управления
[12,14,18,19]. Важной особенностью оптических
систем обработки информации является возможность обрабатывать двумерные изображения {оптические
изображения).
Процесс сближения радиофизических методов и радиотехнических решений с методами и решениями на основе когерентной интегральной и волоконной
оптики позволяет говорить об успешном развитии нового научного направления известного как когерентная радиооптика [12,14,19]. В частности
далее будут исследованы возможности применения в волоконно-оптических системах спектрального
уплотнения каналов (мультиплексирование) в оптическом диапазоне с последующим разуплотнением (демультиплексирование) в радиодиапазоне;
гетеродинный и гомодинный прием; использование внутриимпульсной линейной частотной модуляции с последующим "сжатием" и выделением сигнала на фоне помех в радиочастотном диапазоне; использование
радиофизических методов в абсорбционной
спектроскопии.
Несмотря на быстрое развитие радиофизических
идей и методов когерентной волоконной оптики, раззитие и внедрение когерентных систем сбора, передачи и обработки информации сдерживается из-за слабой разработки её отдельных элементов, слабой изученности физических механизмов и наличия
надёжных технологий их изготовления. Ранее такие устройства как разветвители, поляризаторы, модуляторы и дефлекторы изготавливались в виде объёмных элементов или планарных структур. Первые имели большие объемы и вес, управлялись высокими напряжениями и токами. Это приводило к низкому быстродействию, большим энергозатратам, высокой
стоимости, большим габаритам и весу приборов и устройств. Для систем с планарными структурами требовались дополнительные дорогостоящие
согласующие устройства и элементы сопряжения с
4
5
волоконными световодами, которые как правило, имели большие вносимые потери, высокую температурную нестабильность, подверженность влиянию внешних факторов (шумы, удары, вибрация}. Технология их сложна и трудно воспроизводима.
Разработка когерентных волоконно-оптических систем передачи информации [5,6], оптических процессоров [19,25], специализированных
вычислительных машин нового поколения[63], а также интегрально-оптических устройств для обработки радиосигналов и других быстропротекающих
процессов[11] потребовала разработки специфической элементной базы и новых технологии изготовления основных элементов. Исследования, приведенные в
диссертации, показали, что многие пассивные и активные элементы когерентных систем могут иметь волоконно-оптическое исполнение. При этом
сравнительно легко решаются проблемы интеграции волоконно-оптических датчиков, модуляторов,
усилителей, ретрансляторов и аналого-цифровых преобразователей в единую волоконно-оптическую
систему сбора, передачи и обработки информации. В большинстве случаев, волоконные элементы наиболее эффективны в больших локальных и региональных системах открытого доступа и высокоскоростных
системах сбора информации и обмена данными.
Решение задач создания специализированной
волоконно-оптической элементной базы когерентных систем потребовало разработки новых радиофизических методов исследования, теоретической проработки, поиска новых конструктивных решений, а также разработки нестандартных типов волокон целевого назначения. Комплексный подход и систематизация разработок позволили найти нетрадиционные пути решения проблем повышения дальности и информационно-пропускной способности систем при одновременном снижении их энергопотребления и стоимости.
Наиболее важной проблемой построения такой элементной базы была проблема создания промышленной технологии производства
высококачественных оптических волокон, которая
решалась, с участием автора, в НИИ
5
6
Электровакуумного стекла (НИИЭС). В начале были разработаны технологии изготовления изотропных одномодовых световодов с минимальными потерями и
минимальной дисперсией[70,71]. Одновременно
создавалось уникальное оборудование и технология для производства оптических волокон с применением С02-лазеров [72,78,82,86].
Разработанные оборудование и технология позволили приступить к созданию анизотропных
одномодовых волокон с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения [75-77, 91]. Следующим этапом было создание базовых волоконно-оптических элементов:
разветвителей[92,93], разъемов[71], соединителей [121], поляризаторов[104], модуляторов [71] и
волоконно-оптических датчиков[171].
На завершающем этапе была разработана
технология изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными элементами с целью создания активных волоконно-оптических элементов: квантовых усилителей, ретрансляторов, лазеров с
перестраиваемой частотой[117, 118] .
Наряду с созданием оборудования, технологии и конструкций волоконно-оптических элементов
создавались уникальные радиофизические методы
исследования процессов, водноводных и полевых структур, а также метрологическое оборудование. В частности, разработаны методы исследования реализаций сигналов обратного релеевского
рассеяния, модовых полей и передаточных характеристик световодов [70-77]. В последующем многие наработки этого направления послужили основой для создания волоконно-оптических чувствительных элементов и датчиков-
преобразователей физических полей и
воздействий[71,119,120] . На их основе были разработаны волоконно-оптические системы контроля метана и вредных примесей в атмосфере шахт,
горнодобывающих предприятий и предприятий
нефтехимической промышленности[119] , а также
лазерные и огггозлектронные системы экологического мониторинга атмосферы городов с волоконно-
оптическими сетями сбора информации[122].
6
7
Проведен ряд работ по исследованию электро- и магнитооптических эффектов в кристаллах и волоконно-оптических структурах[122]. На основе этих эффектов разработаны приборы контроля напряженности электрических и магнитных полей, а также напряженности ВЧ и СВЧ-полей[122]. Результаты теоретических исследований и разработок волоконно-оптических элементов для этих приборов вступили в стадию опытного производства и практических реализаций в радиотехнических системах, технике связи, сбора и обработки информации[122].
Материалы по этой тематике, ввиду новизны и приоритетности, в большей части остаются закрытыми как в России, так и за рубежом. Реализация всех технологических этапов создания волоконно-оптических элементов и систем, включая конструкции технологического и контрольно-измерительного
оборудования, являются бережно охраняемыми «ноу-
хау». В открытых публикациях, как правиле, не содержится информации, необходимой для создания
реальных устройств и комплексного решения проблем их создания.
Основные трудности изготовления волоконно-
оптических элементов заключаются в разработке высокотемпературных технологий, высокоточной
механической обработки и работы с особочистыми
материалами. Технология их изготовления требует
привлечения сложных технических решений и
привлечения самых современных технических средств включая лазеры, ВЧ- и СВЧ- плазмохимические
установки, вакуумные установки и установки физикохимической очистки при высоких и сверхнизких температурах.
В процессе наших разработок выполнялись все этапы, включая: теоретические исследования,
инженерные расчеты, разработка и изготовление оборудования, проведение экспериментальных
исследований, разработка конструкторской и технологической документации, разработка и
внедрение опытно-промышленной технологии с
проведением установочных партий и полным циклом испытаний изделий.
Проведенные радиофизические исследования
7
с8
волноводных структур, процессов и полей создали базу для разработки элементной базы когерентных волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки информации. Г1о чувствительности, помехозащищенности, широкополосное™ и качеству передачи они значительно презосходят все существующие системы.
Начальная работа, в части разработки технологии и оборудования для изготовления оптических волокон, была выполнена автором в период с 1979 по 1992 г. в НИИ Электровакуумного Стекла (НИИЭС) Министерства Электронной промышленности СССР. Там же разрабатывались конструкции оптических волокон с сохранением поляризации и активные волокна, легированные редкоземельными элементами. В 1992-1995 гг. работа автора велась в НИИ Гипроуглеавтоматизации, где разрабатывались
элементы волоконно-оптической системы контроля метана, СО и С02 в шахтной атмосфере. Начиная с 1986 г. проводились также работы в Московском Государственном Институте радиотехники,
электроники и автоматики (МИРЭА), где автор вместе с сотрудниками кафедры Радиотехнических систем и устройств (РТУС) занимался разработкой
радиофизических методов исследований и созданием волоконно-оптических элементов для обычных и когерентных ВОСП а также разработкой систем сбора и обработки информации на основе волоконно-оптических сенсоров. Совместно с сотрудниками ВНИИРТ и кафедры РТУС МИРЭА разрабатывались системы передачи телевизионных и СВЧ радиосигналов по оптическим одномодовым волокнам и кабелям длиной до 5 км. Для создания таких радиооптических систем с частотными и временным уплотнением каналов потребовались принципиально новые подходы и новая элементная база. Были разработаны новые конструкции волокон и волоконно-оптические элементы, обеспечивающие существенное улучшение характеристик аппаратуры, а также разработаны системы контроля параметров элементов и схем.
Проводившиеся автором {с соавторами)
предварительные исследования и наработки [70-114] показали, что квантово-электронные устройства
8
9
управления параметрами лазерного излучения и оптической обработки информации: разветвители,
соелинители, дефлекторы, усилители, ретрансляторы, модуляторы, поляризаторы, спектроанализаторы,
мультиплексоры и др. элементы, могут найти широкое применение в ВОСП широкого назначения а также в системах сбора и обработки информации на основе волоконно-оптических датчиков. Проведенные работы по созданию электрооптических, магнитооптических и акустооптических датчиков-преобразователей
физических величин показали их перспективность в таких системах. Существовавшие ранее датчики, несмотря на свои довольно хорошие характеристики обладали, тем не менее, техническими и функциональными недостатками. Они представляли собой массивные объемные структуры на основе кристаллов КДП, ДКДП, кварца, ниобата лития, танталата лития, барий-стронциевого ниобата и ряда других материалов. Они имели большие габариты и вес, минимальные управляющие напряжения составляли несколько сотен, а иногда и тысяч вольт. Переход на одномодовые волоконно-оптические элементы позволил создавать датчики интерференционного типа с характерными размерами чувствительных элементов несколько микрон с более высоким быстродействием и чувствительностью.
Из вышесказанного следует, что при создании научной и технической базы волоконно-оптических систем сбора передачи и обработки информации наиболее перспективно применение элементной базы основанной на принципах когерентной радиооптики, нелинейных квантово-оптических элементах и поляризационно-устойчивых оптических волокнах. Создание такой элементной базы требует
радиофизических методов исследований, создания принципиально новой контрольно-измерительной
аппаратуры, принципиально уникальных физикохимических технологий, использования лазерной техники и высокочистых материалов.
1, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.
Стремительное увеличение объёмов информационных потоков в современном обществе требует создания
9
10
быстродействующих систем сбора, передачи и обработки информации. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является использование когерентных волоконно-оптических систем, которые характеризуются высокими скоростями передачи информации, возможностью спектрального уплотнения каналов, большой дальностью передачи,
помехоустойчивостью, скрытностью и закрытостью каналов. Они полностью удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и цифровыми устройствами на оснозе БИС.
Достижения квантовой электроники и когерентной волоконной оптики позволили реализовать
радиофизические принципы обработки информации с применением методов статистической и квантовой радиофизики, нелинейного оптического
преобразования, интерференционных и поляризационных эффектов, использованием внутриимпульсной
модуляции. Это позволяет существенно повысить чувствительность сенсорных элементов, увеличить дальность передачи, широкополосность и
информационно-пропускную способность волоконно-оптических линий связи.
Переход на когерентные волоконно-оптические элементы, устройства и линии связи позволяет качественно улучшить характеристики отечественных технических средств сбора, передачи и обработки информации, обеспечивающих решение задач
экологического контроля состояния атмосферы, радиационных, электромагнитных и оптических полей, и довести их до уровня современных требований.
Интеграция когерентных оптоэлектронных систем с современной радиоэлектронной аппаратурой позволит реализовать комплексного подход в создании контрольно-измерительной аппаратуры, систем
экологического контроля и производственных систем контроля и управления. В последующем, отдельные системы могут быть подключены к Всероссийской информационно-вычислительной сети и объединены с глобальными спутниковыми и волоконно-оптическими
10
II
сетями. Зто даст возможность войти в международное информационное пространство объединяющее телефонные и телевизионные каналы а также цифровые сети, объединяющие глобальные гидрометеорологические и экологические наблюдения.
Методы когерентной обработки информации,
использование достижений теории и практики многомодовой и одномодовой волоконной оптики, а также принципов построения акусто-оптических (АО) и интегрально-оптических (ИО) измерительных и вычислительных элементов, привели к созданию схем и устройств обработки информации, совмещающих высокоскоростные аналогово-цифровые преобразования и спектральную обработку оптических и радиосигналов с применением вычислительной техники. Важной особенностью оптических систем обработки информации является возможность обработки двумерных
изображений (оптических изображений), а также
акустооптической реализации быстрого преобразования Фурье и корреляционного анализа.
Новые достижения радиофизических методов и технических решений с методами и решениями на основе когерентной интегральной и волоконной
оптики позволяет говорить об успешном развитии радиофизического направления - когерентной
волоконной радиооптики. В диссертации показаны
следующие возможности улучшения систем на основе радиофизических принципов когерентной радиооптики: создание высокочувствительных и широкодиапазонных интерференционных и поляризационных волоконно-
оптических датчиков; спектральное уплотнение каналов (мультиплексирование) в оптическом
диапазоне с последующим разуплотнением
(демультиплексирование) в радиодиапазоне;
гетеродинный и гомодинный прием на основе дифракции и интерференции; использование внутриимпульсной
линейной частотной модуляции с последующим
"сжатием" и выделением сигнала на фоне помех е оптическом(солитонный режим) или радиочастотном диапазоне; использование радиооптических методов в
абсорбционной спектроскопии для зыявления вредных примесей в атмосфере.
Вместе с тем, следует отметить, что многие идеи
II
12
когерентной волоконной радиооптики остаются нереализованными из-за слабо разработанной методической и элементной базы. Недостаточно разработаны принципиально новые подходы в создании сенсорных систем.
Работы в этом направлении ведутся во всех
передовых странах и соответствуют общемировым тенденциям развития принципиально новых, наукоёмких информационных технологий на базе достижений радиофизики, квантовой электроники и волоконной оптики.
2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Разработка радиофизических методов исследования, обработки и представления информациии, раскрытие физической сущности механизмов, обеспечивающих
создание базовых волоконно-оптических элементов и функциональных устройств высокоинформативных
когерентных волоконно-оптических систем сбора,
обработки и передачи информации на основе комплексного использования квантовых,
поляризационных, интерференционных и нелинейных оптических эффектов с применением последних
достижений радиофизики и оптоэлектроники.
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проведении исследований использован
математический аппарат решения дифференциальных
уравнений второго порядка в обыкновенных и частных производных, корреляционный и спектральный анализ,
методы математической статистики, векторный и
тензорный анализ, аппарат теории случайных
процессов, теория связанных волн, методы геометрической и волновой оптики, методы статитистической радиофизики. В экспериментальных исследованиях применяли оптические и
радиофизические методы с использованием серийных, аттестованных приборов. Обработку данных проводили на ЭВМ.
4. НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Разработаны научные и технические основы радиофизических методов исследования элементов и Функциональных устройств волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации, а
12
13
также методов оптимизации оптоволоконных
волноводных структур и способов их изготовления с применением лазеров и нелинейных оптических материалов.
2. Создан комплекс радиофизического оборудования и проведены исследования спектров вынужденного комбинационного рассеяния {ВКР) в многомодовых и одномодовых световодах, легированных бором и германием, с целью получения импульсных источников
излучения с широким спектральным диапазоном, а также показана возможность их использования в радиофизических системах экологического контроля атмосферы.
3. Разработаны и исследованы элементы искро- и взрывобезопасной волоконно-оптической системы контроля метана, углеводородов и примесей вредных газов в атмосфере на основе принципов когерентной радиооптики и лазеров с перестройкой частоты.
4. Создана экспериментальная аппаратура для исследования модовых структур и оптических полей световодов в ближней и дальней зоне, прозедены исследования яркостных полей изотропных и
анизотропных одномодовых световодов в различных
спектральных диапазонах (в маломодовом и
одномодовом режиме), получены аппроксимации гауссовыми кривыми яркостного распределения поля в
одномодовом режиме.
5. Создана пикосекундная лазерная установка с
перестраиваемым параметрическим преобразователем света на кристалле йодата лития и проведены
исследования дисперсионных характеристик и
солитонного режима распространения импульсов в одномодовых световодах с различными волноводными структурами.
6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования распространения волн и обменных
процессов в волноводных структурах с целью
получения анизотропных поляризующих и сохраняющих поляризацию одномодовых световодов, созданы
установки для исследования их поляризационных
характеристик магнитным и акустическим методами,
разработаны оригинальные конструкции анизотропных световодов.
13
14
7. Проведены исследования волноводных структур изотропных и анизотропных одномодовых световодов и, на их основе, разработаны и внедрены методы изготовления изотропных световодов с низкими потерями и минимальной дисперсией, отличающиеся повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции и приёмы
изготовления ряда базовых волоконно-оптических
элементов и устройств для когерентных систем сбора, передачи и обработки информации включая сенсорные волоконно-оптические элементы поляризационных датчиков-преобразователей напряженности
электрических и магнитных полей.
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
5.1. Впервые разработана научная, техническая и технологическая база для создания искро- и пожаробезопасных волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации на примере системы контроля содержания вредных газов и взрывоопасных примесей метана в атмосфере угольных шахтах.
5.2. Разработан и использован в работе ряда предприятий комплекс аппаратуры для исследования модовой структуры и яркостного распределения модового поля, динамических и поляризационных характеристик одномодовых волокон с сильным и слабым двулучепреломлением.
5.3. На АО НФ "ЗАВОД ЭЛЕКТРОПРОВОД" создана и внедрена установка и технология лазерной обработки поверхности кзарцевых оптических заготовок перед вытяжкой светозодов.
5.4. Разработана и внедрена на заводе при НИИЭС технология изготовления одномодовых световодов с минимальными потерями и дисперсией, устойчивых к внешним воздействиям по Техническим условиям ТХ0735.113ТУ, а также технология изготовления одномодовых световодов с сильным
двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения (ТХ0735.132ТУ) (Акты внедрения прилагаются).
5.5. Разработана экспериментальная установка для изготовления сплавных разветвителей с применением
14
15
лазерного нагрева и получены экспериментальные образцы одномодовых разветвителей с равномерным делением мощности и со спектральной
избирательностью каналов.
5.6. Создана и внедрена на опытном заводе при НИИЭС установка и технология вытяжки кварцевых световодов с применением С02-лазера.
5.7. Разработанные и изготовленные под руководством и участии автора одномодовые оптические волокна и кабели длиной до 5 км и
волоконно-оптические элементы обеспечили разработку зо ВНИИРТ аппаратуры цифровой многоканальной передачи данных е режиме временного уплотнения типа ’’Телебит -5" и "Телебит-6" со скоростью передачи цифровой информации до 560 Мбит/с.
5.8. Результаты, полученные автором,
используются в работе ряда предприятий а также в
учебном процессе МИРЭА (ТУ) при чтении лекций, проведении лабораторных работ и дипломном проектировании.
6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
6.1. Принципы создания искро- и пожаробезопасных волоконно-оптических систем сбора, обработки и
передачи информации на примере систем контроля содержания вредных и взрывоопасных примесей в атмосфере, методы расчетов и экспериментальные
результаты, связанные с созданием волоконно-оптических элементов и устройств когерентных систем сбора экологической и технической информации.
6.2. Методы исследования модовой структуры и
распределения яркости оптических полей одномодовых световодов, методы аппроксимации двумерного распределения яркости гауссовыми кривыми,
экспериментальные аспекты создания комплекса
контрольно-измерительного оборудования для
определения параметров волоконных световодов.
6.3. Методы и аппаратура, для экспериментальных исследований дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов в одномодовых волоконных световодах с различной волноводной структурой, на основе импульсных
пикосекундных лазеров с параметрическим
преобразователем частоты в диапазоне 0,8 - 1,7 мкм.
15
16
6.4. Математические молели и экспериментальные исследования волновых процессов в анизотропных поляризующих и сохраняющих поляризацию одномодовых световодах, комплекс контрольно-измерительного оборудования и методы измерения параметров для исследования основных функциональных характеристик анизотропных одномодовых волоконных световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения.
6.5. Принципы оптимизации волноводных структур, с целью создания изотропных одномодовых световодов с предельно низкими потерями и минимальной дисперсией устойчивых к внешним воздействиям, а также создания анизотропных одномодовых световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения.
6.6. Методы расчета параметров и исследования характеристик пассивных, оптически активных и квантовых волоконно-оптических сенсорных элементоз и функциональных устройств на основе изотропных и анизотропных одномодовых волокон, а. также волокон, легированных редкоземельными элементами.
7. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА
Личный вклад автора состоит в постановке актуальных задач, разработке теоретических методов и принципиальных подходов их решения, в формулировке и решении конкретных технических и исследовательских проблем, в разработке научного обоснования исследований, в научном руководстве и личном участии при проведении теоретических и экспериментальных исследований. Автор
непосредственно участвовал в разработке и создании когерентных волоконно-оптические систем
экологического контроля шахтной атмосферы, лазерной техники и технологии изготовления оптических волокон и волоконно-оптических элементов, конструировании технологического и контрольноизмерительного оборудования, анализе и обобщении результатов. В диссертации использованы материалы ряда НИР и ОКР, где автор являлся научным руководителем, заместителем руководителя или ответственным исполнителем работ[30-35] . Ряд способов и устройств, предложенных автором, защищен
16
17
авторскими свидетельствами и патентами[2-20,36-40,52].
8. АПРОБАЦИЯ
Основные результаты диссертации докладывались на конференциях и семинарах:
IV-ой Всесоюзной Конференции "Волоконно-оптические системы передачи информации", Москва, 1984 г
V-ой Всесоюзной Конференции "Волоконно-оптические системы передачи информации", М., 1988 г
V-ой Всесоюзной школе-семинаре. "Проблемы совершенствования устройств и методов приёма, передачи и обработки информации", М, 1988 г., 11-м
Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение волоконно-оптических систем передачи и обработки информации в энергетических комплексах", 1988, г. Севастополь.
Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении", 1989 г., г.
Севастополь.
Всесоюзной конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных систем",1990 г., г. Севастополь.
51-ой и 52-ой Научной сессии РНТО им. A.C. Попова, посвященной дню радио, 1997 г. и 1998 г., г. Москва.
ряде отраслевых и межотраслевых семинарах, конференциях и зыставках 1982-1999 гг., г. Москва.
ряде научно-технических конференций МИРЭА в период 1985-1998 гг.
- научно-техническом семинаре секции "Оптоэлектроника и волоконно-оптические устройства" РНТО им. A.C. Попова, 1997, 1999 г. Москва.
9. ПУБЛИКАЦИИ
Основные результаты диссертации содержатся в 28 опубликованных статьях и докладах, 23 авторских свидетельствах, 9 научно-технических отчетах, 2 учебных пособиях.
17
18
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ КОГЕРЕНТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
1.1. Радиофизические принципы исследования и создания волоконно-оптических элементов на основе когерентных и поляризационных свойства света
При теоретическом анализе поляризационных и интерференционных эффектов в волоконно-оптических интерферометрах, модуляторах и датчиках обычно рассматривается когерентное монохроматическое
излучение, в котором напряженность поля может быть представлена выражением [2]:
E(t,z) = Aq COS (coo t + k z + фо ) , (1.1)
где A0 и фо соответственно начальные
амплитуда и фаза, <о0 ~ частота, к=2лг/А - волновое
число, z - расстояние, t - время.
Однако, такая модель физически нереализуема, так как излучение любого источника имеет конечную ширину спектра и фаза волны меняется случайным образом. В связи с этим, большое значение имеет время
когерентности T=ti-t2, являющееся оценкой интервала корреляции между флуктуациями электромагнитного поля. Теория когерентности [10-12] показывает, что интерференционные и поляризационные свойства света определяются временной когерентностью.
Вместе с тем важна и пространственная когерентность. Если квазимонохроматическую волну разделить в точке Р пространства, а затем собрать в точке Q (Интерферометр Маха-Цандера, рис. 1.2Д2), то суммарное поле можно представить в виде:
EQ(t) » Ej (t - ti) + E2 (t - t2) , (1.2)
где Ei(t-ti)= Ai COS (o)o t + <Pi ) , Ai (i=l или 2) -амплитуды волн в точке Р, tj и t2 - времена распространения двух волн от точки Р до точки Q . Если далее
предположить, что функция Eq(t) скалярная, а
излучение является стационарным, случайным
процессом, т.е. усреднённое по времени значение EQ(t) равно нулю {EQ(t)cp= О) и все временные
характеристики зависят только от z=tj-t2 и не зависят от текущего времени t, тс средняя интенсивность
излучения в точке Q будет равна:
19
jq - jj + j2 +2 яыт) cos^t; , (1.3)
где Jz=Al2 и J^=Aг ~ средние интенсивности пучков, а Я;;?(т) - корреляционная функция волнового ПОЛЯ,
определяемая выражением [7]:
т
R12( т)= <E1(t)E2(t-r)> = 1/Т 1 (1.4)
о
Здесь < > означает усреднение по промежутку
времени Т значительно больше периода колебаний E(t), a Ki*(t) фактически является функцией взаимной когерентности (корреляции) пучков со средними интенсивностями Jj и J2 .
В наших исследованиях[74,77], удобней было работать с нормированной корреляционной функцией:
р 12 (X) = Ri2{i)/(Ji J2 )1/2. (1.5)
Нормированная корреляционная функция (1.5) описывает временную когерентность второго порядка скалярного волнового поля Е (t,z) и удовлетворяет неравенству l>|pi2(x)|>0 . Она используется для
статистического описания стохастических взаимосвязей в радиофизике[7], выделения радио- и акустических сигналов в интерференционных датчиках Фабри-Перо и Маха-Цандера[23,54].
Проявлением временной когерентности второго порядка является интерференционная картина от точечного квазимонохроматического источника света. Её характеристикой является видность[10]:
V = (Omax~ Jmin) / ( 0тах+ 'Jmin) , (1.6)
где J max и J min - максимальная и минимальная интенсивности сзета в светлом и темном поле, соответственно. Если Ji = J2 =J , то можно ввести понятие нормированной корреляционной функции пространственной когерентности(11]:
Z
г 12 (s) -1 / J2 {Е, (z) Е2 (Z-S) } =1 / (Z J2) J Ej (к) Е2 (x-s) dx, (1.7)
о
где { } - означает пространственное усреднение.
Условие |rj2(s)|=l соответствует полностью пространственно когерентным волнам. Это означает, что интенсивность в точке Q будет совпадать с интенсивностью, которую бы дали две
монохроматические волны с частотой а>о и разностью
20
фаз: (p-arcC0SrI2 { s) =2nm, где m - целое число.
Если же rI2(s)=0/ то волны полностью некогеренты и интенсивность в точке Q равна просто сумме интенсивностей оТ2 и J2.
Если излучение является стационарным, случайным процессом, то его энергетическая спектральная плотность определяется через преобразование Фурье [7]: т
G (со) = / R (г) exp (-ion) dr . (1.8)
о
Для стационарных оптических сигналов по теореме Винера-Хинчина [8] : G (со) =<jS (со) f f (1.9)
где S (со) =F{Ei (t) } - амплитудный спектр.
При прохождении света через оптический фильтр или участок световода происходит спектральное
преобразование: Q (со) =G (со) Н (со), где G(co)
спектральная плотность на входе, Н(со) спектральная характеристика объекта, G (со) - спектральная плотность на выходе объекта.
В радиотехнике и радиофизике известно [7], что время когерентности излучения гк хорошо характеризует время спада корреляционной функции до величины Д(тк)=0,5-Я(0) . В этом случае, ширина спектра излучения имеет характерную полосу частот Лео , при которой G (co-f-Aco) =G (со-Лсо) =0. 5-G (со) . Из свойств преобразования Фурье следует, что в оптике, как и в радиотехнике, тк = 1/Л со . При этом, в стационарном, случайном процессе коррелируют только волны с одинаковыми частотами и некоррелируют случайные составляющие, что позволяет выделять когерентные сигналы на фоне сильных случайных помех.
В общем случае функция взаимной когерентности &12{т) удовлетворяет пространстзеыно-временному
волновому уравнению [10]:
V2R(t) =с232Я(т) /дхг, (1.10)
где V - оператор Лапласа.
Это означает, что наряду с электромагнитными волнами распространяются и волны корреляций.
Когерентные свойства скалярного поля можно обобщить на случай векторного поля. При этом, вместо функции взаимной когерентности необходимо