Перспективы применения микроструктурных световодов для создания бортовых высокоинформативных систем передачи данных

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В заключение хотелось бы отметить, что биологическое действие УСВ проявляется как при интегральном, так и при дифференцированном (распределенное по зонам) воздействии излучения на биологические объекты.

Помимо того, что световой поток, проходящий через УСВ, оказывает весьма существенное биологическое действие на биосистемы, удалось показать, что распределение светового потока играет весьма существенную роль при управлении дистантными взаимодействиями между биологическими объектами. Удалось экспериментально подтвердить и уточнить наличие биологической анизотропии УСВ:

- наличие попарно-симметричных зон,

- несимметричный характер свойств оптического пути попарно-симметричных зон.

Библиографический список

1. Бурлаков, А.Б. Дистантные взаимодействия разновозрастных эмбрионов вьюна / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, В.А. Голиченков // ДАН. - 1999. - Т. 368. - № 4. - С. 562.

2. Журавлев, А.И. Квантовая биофизика животных и человека: учеб. пособие / А.И. Журавлев. - М.: МГАВМиБ, 2003. - 226 с.

3. Ритынь, Н.Э. Оптические свойства уголковых отражателей / Н.Э. Ритынь // Оптико-механическая промышленность. - 1967. - № 4. - С. 1-5.

4. Шаргородский, В.Д. Разработка лазерных ретрорефлекторных антенн на основе уголковых световозвращателей

для высокоточных измерений дальности до космических аппаратов / В.Д. Шаргородский и др. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997. - Т. 2.

- № 2. - С. 50-57.

5. Бурлаков, А.Б. Управление дистантным взаимодействием биологических объектов при помощи оптических уголковых отражателей / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, В.А. Голиченков и др.; под общ. ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. - М., 2003.

- Т 2. - С. 107-109.

6. Бурлаков, А.Б. Управление дистантным взаимодействием биологических объектов при помощи оптических приборов. Анализ механизмов воздействия / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, В.А. Голиченков // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - Т. 10.

- № 1-2. - С. 57-65.

7. Бурлаков, А.Б. Управление волновыми информационными потоками при дистантных взаимодействиях на ранних стадиях развития вьюна при помощи лазерных уголковых световозвращателей / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, Ю.С. Капранов и др.; Под общ. ред. Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичуса // Оптические методы исследования потоков: сб. науч. тр. VIII международной научно-технической конференции. - М., 2005. - С. 48-51.

8. Бурлаков, А.Б. Подходы к исследованию свойств сверхслабых биоизлучений с использованием в качестве модели ранних эмбрионов рыб / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, Ю.С. Капранов и др.; под общ. ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. - М.: Академия наук о Земле, 2005. - Т. 3. - С. 56, 57.

9. ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Технические условия. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БОРТОВЫХ ВЫСОКОИНФОРМАТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

B. Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборовМГУЛ, д-р техн. наук,

C. В. ПЕРМИНОВ, соискатель каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ,

НА. ХАРИТОНОВ, ст. науч. сотр. каф. проектир. и технол. пр-ва приборов МГУЛ, канд. техн. наук

Современный этап развития космических комплексов характеризуется тем, что резко возросли масштабы и сложность задач, решаемых системами, входящими в состав указанных комплексов [1]. С учетом требований, которые предъявляются к современным космическим системам по надежности функционирования и срокам активного существования, резко возросли требования, предъявляемые к бортовым системам передачи данных. Качественное выполнение космическим аппаратом (КА) целевых задач подразумевает безотказность его системы управления и надежность информационных систем, обеспечивающих функционирование вычислительно-управляющего ком-

плекса КА. В состав любой системы управления, в том числе и бортовым управляющим комплексом КА, входят разнообразные системы передачи данных. В качестве систем передачи на борту КА все шире используются волоконно-оптические системы (ВОСП). В процессе эксплуатации бортовых ВОСП отдельные элементы системы передачи информации, а также волоконно-оптический тракт (ВОТ) подвержены деградации под действием тех или иных факторов космического пространства (ФКП). Основную роль в снижении качества передачи информации по ВОСП в этих условиях играют радиационные эффекты за счет воздействия на элементы ВОСП протонов космических лучей

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

23

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

и электронов, входящих в состав корпускулярного излучения Солнца и захваченных магнитным полем Земли.

Факторы, определяющие воздействие заряженных частиц на те или иные элементы бортовой аппаратуры, в настоящее время изучены достаточно хорошо. Для орбит, являющихся типовыми для большинства КА навигации, связи и телевидения, известны как параметры радиационных потоков, так и степень их воздействия на элементы аппаратуры, размещаемой на борту КА [2, 3]. В этом ряду несколько особняком стоят системы ВОСП. Поскольку до настоящего времени реальный опыт эксплуатации систем ВОСП в условиях космического полета явно недостаточен, то мы вынуждены пользоваться данными по стойкости ВОСП к воздействию ФКП, полученными на тех или иных моделирующих установках, или же прибегать к методам экстраполяции. В работах [2, 4] детально рассмотрены вопросы стойкости элементов ВОСП, в частности стойкости волоконно-оптических кабелей, к воздействию эквивалентных экспозиционных доз проникающей радиации. Данные, полученные в работе [4] на имитирующей установке, были обобщены в работе [2]. Экстраполяция данных [4] выявила тот факт, что на стационарных и так называемых «высоких» орбитах суммарная экспозиционная доза, полученная оптическим кабелем за срок активного существования КА, превышающем 10-15 лет, столь велика, что наведенное поглощение (потери) в оптическом волокне превысит значение, при котором ВОСП способна обеспечить надежное функционирование аппаратуры на борту КА. При этом качество связи по ВОСП (вероятность ошибки при приеме) упадет ниже требуемого уровня.

Авторы разделяют мнение, что волоконнооптические приборы и системы связи - ключевое направление развития информационных систем. Это мнение справедливо и для систем космического базирования. Применение волоконных световодов в качестве среды передачи не только снизит массово-габаритные характеристики бортовых систем, но и позволит существенно повысить скорость обработки и передачи информации. Появится возможность обработки первичной информации в реальном масштабе времени. За счет такой обработки первичного информационного потока удастся существенно снизить нагрузку на канал связи «орбита КА - Земля», что приведет к повышению эффективности всего космического комплекса в целом.

Но, как было сказано выше, кварцевые световоды с распределенным по сечению профилем показателя преломления не могут обеспечить необходимую степень надежности системы связи в условиях длительного космического полета. Необходимый профиль показателя преломления в оптическом волокне достигается за счет введения в состав материала оптических волокон тех или иных легирующих примесей. Наиболее часто используются примеси P2O5 или GeO2. Эти примеси и образуют после облучения центры поглощения. Возбуждение ионов фосфора или германия потоками ионизирующего излучения приводит к образованию так называемых «центров окраски», на которых и происходит поглощение световой волны. Возбужденное состояние таких ионов может сохраняться годами.

Решение этой, казалось, почти неразрешимой проблемы, лежит в совершенно другой области. В последнее время активно исследуется новый тип волоконных световодов - микроструктурные оптические волокна (МОВ) [5]. В таблице приведен Атлас микроструктурных волоконных световодов, их структура, основные свойства, практические приложения. В столбце 1 таблицы приведены ссылки на литературу, в которой рассматривались свойства тех или иных МОВ. В данный доклад этот перечень литературы не вошел, в первую очередь из-за своей громоздкости.

В дальнейшем рассмотрим некоторые свойства основных представленных в таблице структур.

В первую очередь хочется отметить, что в МОВ, в отличие от «традиционных» оптических волокон, световедущая структура формируется не за счет изменения показателя преломления по сечению структуры «сердцевина - оболочка», а при помощи продольных микроканалов, встроенных в структуру МОВ, которые наполнены газом (воздухом).

Одна из первых работ по созданию световода из чистого кварца была проведена группой Рассела в Университете Саусхамтона (P.St.J. Russell,

J.C. Knight, T.A. Birks и D.M. Atkin, Optoelectronics Research Centre, University of Southampton, Southampton) в 1995-96 гг. Они впервые получили полностью кварцевый световод с заполненной сердцевиной и оболочкой, имеющей сложную периодическую структуру («All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding» October 1, 1996 / Vol. 21, No. 19 / OPTICS LETTERS).

24

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Таблица

Атлас МС-волокон: структура, свойства, приложения

Тип волокна Харак- терная структура волокна Механизм формирования волноводных мод Приложения

Телекомму- никации Мегрология Сверхкороткие импульсы Нелинейная оптика Лазерная физика Биомедицина и фотохимия

МС-волокно с кварцевой или стеклянной серцевиной [4, 9] Полное внутреннее отражение Достигнут приемлемый уровень потерь Генерация частотных гребенок с шириной более октавы для фемтосекундных часов Сжатие и измерение фазы. Управление ДГС, солитоны Увеличение эфективнос-ти ФСМ, ФКМ, ЧВВ, ГТГ. ВКР, генерация СК Новые схемы волоконных лазеров Оптическая когерентная томография

Полое ФК-волокно [38, 40]  Фотонные эапрещенные зоны ФК-оболочки При условии снижения потерь Передача и области максимального пропускания Увеличение эффективности ВКР. ЧВВ, ФСМ Передача лазерных импульсов для лазерной стоматологии

МС-интег-рированные волноводные каналы [33, 123] Полное внутреннее отражение Мультиплекснос пререобразование частоты Управление ДГС, соли-тоны ЧВВ в режиме истощения накачки Высокоэффективное преобразование частоты фемтосекундных импульсов Инициирование фотохро-мизма

Перетянутые волокна [51, 52] Перетяжка Полное внутреннее отражение Ответвители, мультиплексоры, демультиплексоры Генерация частотных гребенок с шириной более октавы для фемтосекундных часов Управление ДГС, соли-тоны Увеличение эффективности ФСМ, ЧВВ, ГТГ, генерация СК, фазовое согласование каскадного ЧВВ Новые схемы волоконных лазеров Оптическая когерентная томография

Обозначения: МС-волокно - микроструктурированное волокно. ФК-волокно - фотонно-кристаллическое волокно. ФК-обо-

лочка - фотонно-кристаллическая оболочка. ДГС - дисперсия групповой скорости, ФСМ - фазовая самомодуляция, ФКМ - фазовая кросс-модуляция, ЧВВ - четырехволновое взаимодействие, ГТГ - генерация третьей гармоники, ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние, СК - суперконтинум

К тому времени уже несколько лет проводились интенсивные исследования фотонных кристаллов - материалов с модуляцией показателя преломления на длине, сравнимой с длиной волны оптического излучения.

Термин «фотонные кристаллы» сегодня используют для обозначения структур с периодически изменяющимся показателем преломления в одном, двух или трех измерениях. Впоследствии световоды, имеющие периодически меняющуюся структуру, получили название дырчатых световодов.

Изучение фотонных кристаллов касалось не только идеально периодических структур. Фотонные кристаллы приобрели большую ценность с появлением идеи введения в них протяженных дефектов. Тогда фотонный кристалл может иг-

рать роль отражающей границы и запирать свет в области дефекта.

IG- волокно

В таком волокне свет распространяется в кварцевой сердцевине за счет эффективной разницы в показателях преломления «сердцевины» и «оболочки», являющейся фотонным кристаллом.

В 1997 г. Биркс предложил численный метод оценки свойств IG-волокна, который являлся продолжением методов волоконной оптики. Основная идея состояла в оценке показателя преломления периодически повторяющейся дырчатой структуры оболочки и последующей замены оболочки соответствующим эффективным профилем на основе волноводных свойств этой оболочки. В

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

25

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

этой модели получившийся световод состоит из сердцевины и оболочки с показателями преломления n и n , соответственно. Идея состояла в том, чтобы исследовать направляющие свойства оболочки со структурой ФК в поперечном сечении и из константы распространения первой оболочечной моды р , вычислив соответствующий им эффективный показатель преломления (1111). попытаться оперировать соотношением между величинами 1111 сердцевины. направляемых мод. и эффективного 1111 оболочки. используя при этом закон полного внутреннего отражения. Также Биркс ввел эквивалент волновому параметру n= р, / k; V= p(k2n 2- р. 2)ш

ejj •jsm ’ eJJ ' v co •fsm'

CCL

1,46 г

1,44

1,42

1,40

1,38

1,36

1,34

1,32

1,30

1,28

/ У

/ ¥ I /

f

I f

t

I/

'/

0

j_____i_____i_____i______i

4 5 6 7 8

Нормированная длина волны, Л/к

----ПП сердцевины------Мода 2-го порядка

— — Основная мода .....Эффективный ПП оболочки

Рис. 1. Зависимость показателя преломления от нормированной длины волны для IG-волокна с гексагональной решеткой

На рис. 1. показана зависимость показателя преломления основной (фундаментальной) моды. моды второго порядка. а также расчетного эффективного показателя преломления оболочки от нормированной длины волны Л / X для IG-волокна с гексагональной решеткой. примерно равную нормированной длине волны 1.5 мкм. Отсюда видно. что надлежащим выбором Л можно сделать волокно «бесконечно» одномодовым. Видно. что в представленном диапазоне нормированных длин волн только фундаментальная мода и мода второго порядка могут распространяться на основе полного внутреннего отражения. их значения расположены между показателями преломления сердцевины (он выбран равным 1.45) и оболочки. При этом фундаментальная мода существует во всем диапазоне нормированных длин волн. а значит не имеет длины волны отсечки. Мода второго порядка также может существовать и распростра-

няться в такой системе. но имеет длину волны отсечки. (endlessly single-mode). что невозможно в стандартном волокне.

PBG-волокно

Микроструктурное оптическое волокно. в котором свет распространяется за счет наличия запрещенной зоны [5].

Реализация волокон с полной запрещенной зоной (PBG-волокна) было вначале затруднено сложностью реализации гексагональной структуры с большим относительным размером воздушных дырок требуемых размеров.

Поворотным моментом в попытках реализации волокна с полной фотонной запрещенной зоной стало внедрение точного векторного численного метода. основанного на методе плоских волн. Метод плоских волн (1990) был первым точным численным методом анализа фотонных кристаллов и. возможно. наиболее применяемым из всех. В своей основе этот метод относительно прост: периодичность фотонного кристалла рассматривается как периодичность полупроводника или обычного твердого кристалла и используется для решения уравнения Шредингера для нахождения электронной запрещенной зоны.

Использование этого метода позволило смоделировать и позднее продемонстрировать экспериментально фотонно-кристаллические волокна с полной запрещенной зоной. PBG-волокна реализуют совершенно иной механизм распространения света. чем обычные волокна. и поэтому представляют интерес с фундаментальной точки зрения. Более того. возможность локализовать свет в сердцевине с низким показателем преломления в этих волокнах открывает ряд новых возможностей. недоступных как с обычными волокнами. так и с фотонно-кристаллическими на эффекте модифицированного полного внутреннего отражения.

Было обнаружено. что максимум ширины фотонной запрещенной зоны в сотовых структурах может быть выше. чем у гексагональной структуры с теми же размерами дырок. Второе отличие состояло в том. что PBG в сотовой структуре открывалась для меньших значений рЛ. но ширина зоны убывала быстрее для больших значений рЛ. Нужное расположение дырок было достигнуто формированием сборной заготовки из трубок и стержней. Этот метод также приводил к появлению дополнительных дырок в заготовке.

26

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Однако было обнаружено, что для сотовой структуры эти дырки имеют положительный эффект - межструктурные дырки значительно увеличивают протяженность запрещенной зоны.

Как показано на рис. 2, периодичность такой структуры была нарушена заменой одного стержня на трубку. В первых сотовых волокнах, разработанных в Bath, периодическая структура оболочки была сформирована 4 сотовыми ячейками, что соответствует 180 дыркам, и окружена слоем кварцевых стержней. После сборки заготовка обвязывалась танталовыми нитями и спаивалась в промежуточной вытяжке. Сотовая структура волокна хорошо сохранялась в течение вытяжки, хотя силы поверхностного натяжения уменьшали изначальную часть воздуха.

Важным отличием PBG-волокна от IG-волокна состоит в том, что фундаментальная PBG-мода может не существовать в неограниченном частотном диапазоне, в то время как фундаментальная мода IG-волокна всегда существует.

Еще одним значительным отличием от стандартных волокон является теоретическая возможность снизить потери ниже материальных в волокне, т.к. даже для сотовой структуры с определенными параметрами малая часть излучения (1-7 %) распространяется в воздушной сердцевине. Распределение интенсивности поля фундаментальной моды при этом не колоколообразно.

Локализация большей части излучения в сердцевине с более низким показателем преломления тоже возможна для PBG-волокон. Впервые распространение света в полой сердцевине PBG-волокна было продемонстрировано Креганом (Cregan) в 1999 г. Привлекательность такого волокна состоит в том, что при уменьшении потерь на вытекание можно добиться снижения потерь ниже уровня материальных в кварце.

PBG-волокно может быть одномодовым или поддерживать несколько мод , однако также возможна структура только со второй модой. Основная мода при этом лежит вне запрещенной зоны и имеет большие потери на вытекание.

В настоящее время потери в стандартном PBG -волокне с увеличенным размером сердцевины компании Crystal Fiber A\S (BlazePhotonics) на центральной длине волны составляют менее 20 дБ/км.

В рамках настоящего доклада авторами рассмотрены только два типа МОВ из всех, пред-

ставленных в таблице, что объясняется ограничениями, накладываемыми на объем работы. Тем не менее, исходя из вышеизложенного можно предположить, что за счет однородности материала МОВ и низкого значения потерь, в том числе и в случае, которые ниже материальных потерь в кварце (см. выше), стойкость МОВ к воздействию ФКП будет превышать стойкость «стандартных» оптических волокон.

Рис. 2. Фото торца микроструктурированного волоконного световода с центральным отверстием

Рис. 3. Распределение поля по одному координатному направлению в сотовом PBG-волокне. Пунктиром показан профиль показателя преломления. Небольшая часть мощности распространяется в полой сердцевине

Рис. 4. Зависимость спектральных потерь

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

27