Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

УДК 535.345.67+535.361

05.12.20 - оптоелектронні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Створення та аналіз оптоелектронних спектрально-селективних пристроїв нового покоління

Манько Володимир Олександрович

Київ-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сукач Георгій Олексійович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, професор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Осінський Володимир Іванович, Центр оптоелектронних технологій НДІ мікроприладів НТК "Інститут монокристалів" НАН України,

директор кандидат технічних наук, доцент Власов Олександр Миколайович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, доцент кафедри телекомунікаційних систем

Захист відбудеться 16.04. 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв'язку України за адресою: 03110, Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, Київ, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий 12.03. 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01, д.т.н., доц. Кунах Н.І.

Анотації

Манько В.О. Створення та аналіз оптоелектронних спектрально-селективних пристроїв нового покоління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2009.

Дисертацію присвячено новим методам моделювання оптичних спектрально-селективних пристроїв, що базуються на принципах квантової електродинаміки та статистичних випробувань. Досліджено конструкції фільтрів на багатошарових структурах.

Запропоновано методи корекції передаточних характеристик тонкоплівкових оптичних фільтрів, що дозволяють покращити рівномірність передаточної характеристики в смузі пропускання та лінійність фазової характеристики. оптичний електродинаміка квантовий

Запропоновано використовувати внесення градієнтності в оптичні плівки для корекції характеристик фільтра.

Розроблено спектрально-селективні пристрої, що використовують вигини волоконних світловодів.

Розроблено, та досліджено нову конструкцію волоконно-оптичного атенюатора, яка відрізняється практично нульовими початковими та зворотними втратами.

Показано можливість створення спектрально-селективного пристрою, що використовує ефект розсіювання світла та розраховано його параметри.

Запропоновані методи підвищення фоточутливості зразків фотодетекторів на основі поруватого кремнію в ультрафіолетовій області спектру.

Ключові слова: математичне моделювання, оптичні хвилеводи, інтерференційний фільтр, атенюатор, індикатриса розсіювання, багатошарова структура.

Манько В.А. Создание и анализ оптоэлектронных спектрально-селектив-ных устройств нового поколения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2009.

Диссертация посвящена новым методам моделирования и исследованию таких конструкций спектрально-селективных устройств оптического диапазона длин волн, как оптические фильтры на многослойных структурах, устройства волоконной оптики, оптические элементы, которые используют эффект рассеивания света.

Разработан новый метод моделирования спектрально-селективных устройств, который базируется на принципах квантовой электродинамики и принципах статистических испытаний. Предложено представлять оптический сигнал в виде группы квантов, не взаимодействующих, при определенных условиях, между собой. При этом коэффициент отражения от границы раздела между оптическими средами определялся как вероятность отражения, а для моделирования процесса распространения кванта в многослойной структуре был использован метод Монте-Карло.

Исследованы фильтры, использующие многослойные структуры со слоями равной оптической толщины. Проведен сравнительный анализ передаточных характеристик, полученных при изменении показателей преломления оптических слоев, а также при изменении их количества.

Показано, что рост числа оптических слоев фильтра, работающего в режиме отражения светового сигнала, приводит к уменьшению ширины полосы пропускания, а также к улучшению его параметров - уменьшению затухания в полосе пропускания, и увеличению затухания в полосе заграждения.

Отмечено, что значительное уменьшение разницы между показателями преломления примыкающих друг к другу слоев трансформирует передаточную характеристику многослойного фильтра к виду, близкому к характеристике однослойной структуры. При этом период передаточной характеристики многослойного фильтра меньше периода однослойной структуры в число раз, равное количеству слоев.

Предложены методы коррекции передаточных характеристик тонкопленочных отражающих фильтров с постоянным значением показателя преломления слоев, которые позволяют улучшить равномерность передаточной и линейность фазовой характеристики в полосе пропускания. С этой целью в определенный слой вносится некоторый уровень оптических потерь.

При сравнении фазовых характеристик многослойного фильтра, функционирующего в режиме отражения или пропускания, отмечена высокая линейность фазовых характеристик фильтра в режиме пропускания.

Определены принципы коррекции показателей преломления оптических слоев многослойной оптической структуры, позволяющие повысить уровень затухания в полосе заграждения тонкопленочных оптических фильтров, функционирующих в режиме отражения сигнала.

Разработан метод расчета оптических фильтров, которые содержат градиентные пленки. Проведено моделирование пленок с разным значением градиента показателя преломления и его знака. По результатам расчета определены тенденции изменения передаточных характеристик. Предложено использовать внесение градиента показателя преломления в пленки для коррекции характеристик многослойных фильтров. Рассмотрены технологические аспекты создания градиентных пленок путем использования различных технологий.

Предложена и исследована спектрально-селективная конструкция, которая использует изгибы волоконных световодов. Исследована зависимость передаточных характеристик от состава стекла и радиуса изгиба световода. Конструкцию предложено использовать в фильтрах эквалайзерах для систем передачи со спектральным разделением каналов.

Разработана и исследована новая конструкция волоконно-оптического аттенюатора, которая отличается практически нулевыми начальными и обратными потерями. Отмечен большой динамический диапазон изменения затухания, который позволяет достичь предложенная конструкция. Использование указанной конструкции возможно без выполнения разрыва волоконно-оптической линии, и это дает ей значительное эксплуатационное преимущество.

Показана возможность создания спектрально-селективного устройства на эффекте рассеивания света. Рассчитаны индикатрисы рассеивания такого устройства для оптического рассеивающего элемента цилиндрической формы, выполненного из кварцевого стекла. Отмечено наличие узких пиков на индикатрисе рассеяния, обладающих угловой дисперсией. По результатам расчетов определены дисперсионные характеристики элемента, как по показателю преломления, так и по длине волны светового сигнала для конкретного материала - кварцевого стекла.

Проведены экспериментальные исследования индикатрисы рассеивания цилиндрического оптического элемента, изготовленного из кварцевого стекла. В качестве измерительного оборудования выбран оптический тестер. В результате измерений подтверждено наличие и угловое положение пиков индикатрисы рассеивания.

Изготовлены экспериментальные образцы фотодетекторов на основе пористого кремния и гетероструктур GaN/GaAs. Предложены методы управления их функциональными параметрами: шириной полосы фоточувствительности и самой величиной фоточувствительности в максимуме этой полосы. Особенно это касается фоточувствительности в ультрафиолетовой области спектра фотоприемников на основе пористого кремния.

Ключевые слова: математическое моделирование, оптические волноводы, интерференционный фильтр, аттенюатор, индикатриса рассеивания, многослойная структура.

Manko V. A. Creation and the analysis of optoelectronics spectral-selective devices of new generation. - the Manuscript.

Thesis for PhD degree Techniques, specialty 05.12.20 - Optoelectronics Systems. State University of Information and Communication Technologies, Kyiv, 2009.

The PhD thesis is devoted to the new methods of modelling of optical spectral-selective devices which are based on principles of quantum electrodynamic and principles of statistical tests. Filters using multilayered structures are investigated.

Methods of correction of transmission characteristics of thin-film filters which allow to get uniformity of the transmission characteristic in a pass-band and linearity of the phase characteristic are offered.

The method of gradient producing in optical films for correction of the filter characteristics is offered.

The spectral-selective devices which use bends of optical fiber are offered and investigated.

The new design of fiber-optical attenuator which differs practically zero initial and return losses is developed and investigated.

Possibility of creation of the spectral-selective device using effect of light scattering is shown. Parametres of such device are calculated.

Methods of increase of photosensitivity of photodetectors samples on the basis of porous silicon in ultraviolet part of a spectrum are offered.

Keywords: mathematical modelling, optical waveguides, interferential filter, attenuator, indicatrisse of scattering, multilayered structure.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку комунікаційних технологій все більш інтенсивного впровадження набувають технології спектрального розділення каналів (СРК), які максимально використовують інформаційно-пропускну здатність оптичного волокна. Основний зміст СРК технології полягає в тому, що в одному оптичному волокні на різних довжинах хвиль створюється декілька паралельних інформаційних каналів. При цьому, якщо об'єднання каналів в спільному оптичному волокні (мультиплексування) в волоконно-оптичній системі передачі (ВОСП) не представляє особливих технічних труднощів, то розділення каналів по окремим волокнах на приймальній стороні (демультиплексування) є досить складною технічною задачею. Зокрема, при збільшенні числа каналів та при відповідному зменшенні частотного діапазону між ними, необхідно забезпечити виконання вимог щодо рівня перехідного загасання між каналами. Так, за останнє десятиріччя кількість каналів в системах з СРК зросла на порядок і досягає зараз 192 при пониженні частотного інтервалу між ними, і це породжує певні труднощі, викликані зростанням міжканальних впливів. З іншої сторони, підвищується швидкість передачі в кожному з каналів систем з СРК з відповідним уширенням спектральної лінії каналу. Це також призводить до збільшення взаємного впливу між каналами. Для вирішення практичних завдань дотримання вимог щодо рівня перехідного загасання між каналами необхідно паралельно підвищити рівень спектральної чистоти лазерних джерел випромінювання, в тому числі й за рахунок застосування пристроїв їх спектральної селекції.

Все це накладає жорсткі вимоги на параметри пристроїв демультиплексування та спектральної селекції, а також потребує створення нових конструкцій та типів таких пристроїв. Крім того, актуальним є створення нових методів теоретичного аналізу та моделювання пристроїв демультиплексування та інших спектрально-селективних пристроїв сучасної оптоелектроніки, які дозволяють максимально повно розрахувати параметри та характеристики конструкцій високого рівня складності, в тому числі їх динамічні характеристики.

Однією із важливих складових пристроїв демультиплексування та спектральної селекції є вузькосмуговий оптичний фільтр. Існуючі на цей час інтерференційні фільтри мають порівняно складну технологію та відносно громіздкі системи розрахунку їх спектрально-селективних характеристик.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю розвитку наукових знань щодо процесів, які визначають функціональні параметри якості спектрально-селективних пристроїв оптоелектроніки, а також практичними потребами підвищення ефективності використання таких структур в оптоелектроніці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ) на базі виконання держбюджетних наукових тем згідно з науковими планами кафедри фізики ДУІКТ, Науково-інженерного центру лінійно-кабельних споруд (НІЦ ЛКС) ДУІКТ та на замовлення і за планами Держкомзв'язку та інформатизації України, а також Міністерства освіти і науки України.

Дисертаційна робота була спрямована на виконання задач з дослідження спектрально-селективних пристроїв оптичного зв'язку та пов'язана з тематичними планами НДР: "Фізико-технологічні та програмні засади квантово-розмірних елементів на основі багатошарових та поруватих структур для оптоелектронних систем", № держреєстрації 0107U003056; "Дослідження оптичних волоконних світловодів у техніці зв'язку", № держреєстрації 0196U003678.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка, теоретичні розрахунки, комп'ютерне моделювання та експериментальні дослідження спектрально-селективних пристроїв оптоелектроніки нового покоління на основі тонкоплівкових багатошарових гетероструктур, вигинів оптичних хвилеводів та елементів, що розсіюють світло.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі наукові задачі:

- розробка фізико-математичної моделі, що враховує квантову природу світла та принципи квантової електродинаміки, а також дослідження загальних закономірностей зміни спектрально-селективних характеристик багатошарових оптичних фільтрів;

- розробка методів корекції передаточних характеристик оптоелектронних спектрально-селективних пристроїв нового покоління;

- проведення детального аналізу динамічних характеристик багатошарових тонкоплівкових оптоелектронних спектрально-селективних структур;

- моделювання та дослідження функціональних характеристик оптичних селективних елементів з градієнтною структурою показника заломлення;

- розробка та проведення експериментальних досліджень оптичних пристроїв, що використовують згини оптичних хвилеводів;

- розробка і проведення теоретичних та експериментальних досліджень нових конструкцій спектрально-селективних пристроїв, що використовують ефект розсіювання світла;

- дослідження та аналіз спектральних характеристик фотодетекторів на основі багатошарових гетеропереходів "поруватий кремній-монокристалічний кремній" та гетероструктур GaP/GaAs.

Об'єкт дослідження - спектрально-селективні пристрої оптоелектроніки, зокрема тонкоплівкові багатошарові оптичні фільтри, атенюатори, оптичні хвилеводи, оптичні елементи, що використовують ефект розсіювання світла, фотодетектори на основі гетеропереходів.

Предмет дослідження - функціональні параметри та характеристики оптоелектронних спектрально-селективних елементів нового покоління.

Методи дослідження - метод МонтеКарло в поєднанні з принципами квантової електродинаміки, методи квантової оптики, ефекти розсіювання світла, методи геометричної оптики, методи фотометрії, експериментальні методи дослідження селективності та фоточутливості фотодетекторів, метод спектрального аналізу, методи математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

1. Запропоновано та розроблено новий метод моделювання тонкоплівкових оптичних фільтрів з багатошаровою структурою, що враховує квантову природу світла, з використанням методу Монте-Карло та принципів квантової електродинаміки.

2. На базі розробленого методу вивчено закономірності зміни спектрально-селективних характеристик багатошарових оптичних фільтрів, що враховують конструкційні та фізичні параметри окремих тонких шарів.

3. Запропоновано методи корекції передаточних характеристик оптичних фільтрів з багатошаровою структурою, що дозволяють зменшити нерівномірність передаточної характеристики в смузі пропускання та покращити лінійність фазової характеристики за рахунок внесення незначного заданого рівня втрат у визначений шар.

4. Визначено принципи, проведені числові розрахунки оптичних шарів з градієнтним показником заломлення та показана можливість управління передаточною характеристикою фільтра за рахунок варіації величини вказаного градієнта.

5. Розроблено та досліджено спектрально-селективні фільтри, що використовують згини оптичних хвилеводів, рівень спектрально-залежних втрат в яких має плавний характер і постійна складова якого легко компенсується застосуванням оптичних підсилювачів.

6. Запропоновано та апробовано нову конструкцію оптичного атенюатора, що використовує згини оптичних хвилеводів, який має практично нульові початкові втрати, не вносить розрив у волоконно-оптичну лінію, а рівень внесених втрат в ньому регулюється в межах 70 дБ.

7. Розроблено метод теоретичного аналізу та змодельовано і досліджено індикатрису розсіювання нових конструкцій спектрально-селективних пристроїв циліндричної форми, що використовують ефект розсіювання світла.

8. Розроблені та експериментально досліджені фотоприймачі на основі поруватого кремнію з високою фоточутливістю, яка обумовлена низькими коефіцієнтами відбивання світла та великими ефективними коефіцієнтами поглинання за рахунок мікрорельєфної поверхні, а також малими глибинами залягання p-n-переходу. Визначені спектральні параметри таких фотоприймачів.

Достовірність та обґрунтованість одержаних результатів забезпечено використанням сучасних математичних методів розрахунку; обговоренням отриманих результатів на багатьох наукових конференціях; збіганням теоретичних розрахунків і результатів проведених в роботі експериментальних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено новий метод моделювання багатошарових оптичних фільтрів, що враховує квантову природу світла, з використанням методу Монте-Карло та принципів квантової електродинаміки. Метод дозволяє розрахувати передаточні характеристики багатошарових фільтрів при довільній кількості оптичних шарів та довільних значеннях їх оптичних параметрів, а також при довільному їх розміщенні в конструкції фільтра. Такі фільтри є перспективними для розробки конструкцій мультиплексорів-демультиплексорів оптичних систем передачі та діелектричних дзеркал лазерних резонаторів. Крім того, метод можна рекомендувати для проведення розрахунків динамічних характеристик фільтрів-демультиплексорів оптичних систем передачі зі спектральним розділенням каналів.

2. Запропоновані принципи розрахунку параметрів оптичних шарів з градієнтним показником заломлення можна використовувати для корекції передаточних характеристик інтерференційних фільтрів.

3. Розроблені та досліджені нові конструкції оптичних фільтрів та атенюаторів, що використовують згини оптичних хвилеводів, перспективні для впровадження в усіх оптоелектронних системах зв'язку.

4. Нову конструкцію спектрально-селективного пристрою, що використовує ефект розсіювання світла та методи його моделювання, можна рекомендувати для створення демультиплексорів для ВОСП з СРК.

Новизна технічних рішень підтверджена 1-м авторським свідоцтвом.

Результати розробок підтверджені актами впроваджень.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в ДП НДІ "Оріон", м. Київ.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто автором проведено наступні дослідження та одержано такі результати: запропоновано при моделюванні інтерференційного оптичного фільтру та інших спектрально-селективних пристроїв використовувати принципи квантової електродинаміки та метод статистичних випробувань, що надає можливість наблизити розрахункову модель до реальної ситуації [1,2,13,14]; проведено аналіз впливу значення показників заломлення оптичних шарів та їх кількості на передаточну характеристику фільтра [3,15,16]; показано, що завдяки внесенню втрат в окремі шари відбиваючого інтерференційного фільтра покращуються його передаточні характеристики - зменшується нерівномірність у смузі пропускання та лінеаризується фазова характеристика [4,5,20,22]; встановлено співвідношення для визначення показників заломлення оптичних шарів з метою збільшення загасання у смузі загородження відбиваючого фільтра [3]; запропоновано принципи розрахунку параметрів оптичних шарів з градієнтним показником заломлення [7,18]; проведено аналіз впливу на характеристики фільтру, що використовує згини оптичних хвилеводів, складу матеріалу, з якого виготовлені оптичні хвилеводи [8,17]; запропоновано використання регульованого згину оптичного хвилеводу для побудови оптичного атенюатора та проведено вимірювання функціональних характеристик такого атенюатора [8,11,12]; створено та досліджено нову конструкцію спектрально-селективного пристрою, що використовує ефект розсіювання світла, запропоновано використання методу Монте-Карло для розрахунку її характеристик [9,10,19]; проведено моделювання перехідних характеристик оптичних фільтрів на тонких плівках [21]; для підвищення фоточутливості зразків фотодетекторів запропоновано використання просвітлюючого покриття [6].

Переважна більшість одержаних результатів доповідалась автором особисто на міжнародних конференціях і семінарах. Усі висновки та положення, що складають суть дисертації, сформульовані автором на основі досліджень, які проводились у рамках науково-дослідних робіт кафедри фізики та НІЦ ЛКС ДУІКТ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях: 6th International Conf. On Transparent Optical Networks "ICTON 2004", Wroclaw, Poland, Yuly 5-8, 2004; 7th International Conf. On Transparent Optical Networks "ICTON 2005", Barcelona, Spain, Yuly 4-7, 2005; 7th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modelling "LFNM 2005", Yalta, Ukraine, September 12-16, 2005; 8th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modelling "LFNM 2006", Kharkiv, Ukraine, June 29 -July 1, 2006; 9th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling "LFNM 2008", Alushta, Crimea, Ukraine, October 2-4, 2008; VI Международная конференция "Лазерная физика и оптические технологии", Гродно, Беларусь, 25-29 сентября 2006г; ІІ Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми телекоммуникацій", Київ, Україна, 20-23 травня 2008; 17ая Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Крым, Украина, 10-14 сентября 2007; 4ая Международная молодежная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ-2008)", Севастополь, Крым, Украина, 21-25 апреля 2008; ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція "Cominfoґ2007", Лівадія, Крим, Україна, 24-28 вересня 2007.

Публікації. Основні результати роботи дисертації опубліковано в 22 наукових працях, серед яких 14 наукових статей: 9 статей у фахових виданнях (1 стаття без співавторів), 5 статей в матеріалах конференцій; 1 патент на корисну модель; 6 праць опубліковано в збірниках тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів (огляду літератури та п'яти оригінальних розділів), висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 147 сторінок друкованого тексту, включаючи 74 рисунки та 3 таблиці, список використаних джерел з 126 найменувань на 11 сторінках, 2 додатки на 2 сторінках.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано напрям досліджень та його актуальність, сформульовано мету та завдання дисертаційної роботи, висвітлено її наукове й практичне значення, зв'язок роботи з плановими завданнями та науковими проблемами, наведено відомості, що стосуються апробації роботи, особистого внеску автора, публікацій, структури дисертації.

У першому розділі проведено аналіз перспективних напрямків оптоелектронних технологій зв'язку. Підкреслено, що нові транспортні технології, зокрема технологія спектрального розділення каналів, дозволяють суттєво підвищити об'єм та якість телекомунікаційних послуг. Розглянуто структурну побудову ВОСП з СРК, наведено стандартизовану сітку частот для систем передачі цього типу. Проведено огляд оптоелектронних компонент, що входять до складу нової телекомунікаційної технології, включаючи джерела оптичних сигналів, оптичні підсилювачі, оптичні фільтри та мультиплексори з демультиплексорами. Визначено проблеми, що виникають на шляху розвитку технології СРК. В першу чергу ці проблеми пов'язані зі збільшенням кількості каналів та підвищенням швидкості передачі сигналів в кожному з них. Збільшення кількості каналів призводить до зменшення частотних інтервалів між ними та до відповідного збільшення перехресних завад і, як наслідок, до погіршення якості передачі. Сприяє цьому також недостатня чистота спектральної лінії джерел оптичного сигналу та використання в системах передачі з СРК оптичних підсилювачів, які, на додаток до основної функції, генерують та підсилюють оптичний шумовий сигнал. Підвищення швидкості передачі в свою чергу призводить до спектрального уширення канальних сигналів та до збільшення перехресних завад. Таким чином, покращення якості передачі пов'язане з рівнем спектральної селекції канальних сигналів з метою очищення їх спектру від оптичних шумів та завад, що створюють сусідні канали. Основна операція селекції проводиться при демультиплексуванні групового сигналу на окремі спектральні канали.

Враховуючи це, актуальним є моделювання та теоретичний аналіз демультиплексуючих пристроїв, серед яких важливе місце посідають фільтри на базі багатошарових оптичних структур (оптичні фільтри на тонких плівках), з метою поліпшення їх характеристик. Крім того, для підвищення якості передачі інформації вважається також доцільним використання вузькосмугових спектрально-селективних пристроїв з метою очищення спектрів джерел випромінювання від бічних складових та пристроїв з періодичною передаточною характеристикою для очищення спектру групового сигналу від шумів та завад.

На цей час у волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ) з СРК мають місце пристрої демультиплексування, що функціонують на основі явищ інтерференції та дифракції електромагнітних хвиль. Актуальним є пошук, аналіз та розробка нових типів спектрально-селективних пристроїв з метою перевірки можливості застосування їх в сучасних технологіях передачі оптичних сигналів.

У другому розділі для теоретичного аналізу фізико-технологічних та конструкторських аспектів оптичних фільтрів на тонких плівках запропоновано та застосовано новий метод моделювання багатошарових оптичних структур, що враховує квантову природу світла та принципи квантової електродинаміки. Згідно з цими принципами оптичний сигнал на вході фільтра являє сукупність світлових квантів, що не взаємодіють при певних умовах між собою, а коефіцієнт відбиття Сr на межі розділу двох оптичних середовищ визначає ймовірність відбиття оптичного сигналу від цієї межі:

Сr = , (1)

де Nref - кількість квантів, відбитих від межі розділу, а N - загальна кількість квантів, що падає на межу розділу двох середовищ. Процес проходження оптичним квантом багатошарового фільтру складається з цілого ряду елементарних подій, що являють собою проходження оптичним сигналом певного шару з наступним переходом через межу розділу оптичних середовищ або відбиттям від неї. Оскільки проходження через межу розділу або відбиття від неї є процесом, що визначається випадковою послідовністю подій проходження-відбиття, то для розрахунку, аналізу та моделювання передаточних характеристик фільтру можна використати метод статистичних випробувань, або, як його ще називають, метод Монте-Карло.

Для застосування методу Монте-Карло та визначення співвідношення між амплітудою вхідного та вихідного сигналу необхідно визначити коефіцієнти відбиття на межах розділу оптичних середовищ з різними оптичними характеристиками. З цією метою були використані формули Френеля. З урахуванням закону заломлення (sinиi / sinиt = n2 / n1) ці співвідношення можна записати в наступній формі:

(2)

(3)

Тут та - компоненти комплексної амплітуди падаючої електромагнітної хвилі, паралельні та перпендикулярні площині падіння відповідно. Параметри та , а також та - аналогічні компоненти електромагнітної хвилі, що пройшла в середовище та хвилі, що відбилась. Кути иi та иt являють собою кути падіння та заломлення електромагнітної хвилі відповідно.

Вибравши кут падіння иi досить малим, таким, що падіння можна вважати практично нормальним, з співвідношень (2) та (3) можна отримати вираз:

Сr = ((n21-1)/(n21+1))2, (4)

де n21 - відносний показник заломлення оптичних середовищ з показниками заломлення n2 та n1.

При проведенні моделювання згідно з методом Монте-Карло з використанням генератора псевдовипадкових чисел визначається траєкторія руху кожного окремого кванту при падінні його на межу розділу оптичних середовищ для визначення результату: проходження чи відбиття. Таким чином, кожний квант світла на виході фільтра характеризується власною траєкторією проходження фільтра і, відповідно, фазовим зсувом, що виник в результаті цього. В алгоритмі розрахунку на кожному етапі, який характеризується появою на виході нового кванту з номером і, сумарна амплітуда Аі та фаза ці вихідного сигналу визначаються на основі виразу складання двох гармонічних коливань:

Аі =,

, (5)

де Аі та Аі-1 - результуючі амплітуди вихідного сигналу, сформованого сукупністю і

та і-1 квантів, ці та ці-1 - відповідні фази цих сигналів, ц та А 1 - фаза та амплітуда відповідно і - того кванта.

Передаточна характеристика фільтру (внесене загасання) визначалась за допомогою наступного виразу

б = 20 lg Авх/Авих, (6)

де Авх та Авих - являють собою амплітуди вхідного та вихідного сигналів відповідно.

На відміну від класичних методів розрахунку, статистичний метод враховує можливість багатократного відбиття оптичних квантів від меж розділу оптичних середовищ та, відповідно, їх впливу на вихідний сигнал.

За допомогою запропонованого методу моделювання в роботі проведено теоретичний аналіз різних конструкцій фільтрів та досліджено вплив їх конструктивних особливостей на передаточні характеристики. Зокрема, було досліджено вплив на хід

Порівняльний аналіз передаточних характеристик в режимі відбивання та проходження оптичного сигналу підтверджує їх взаємодоповнюючий характер.

Показано, що збільшення кількості шарів рівнооптичної товщини в конструкції відбиваючого фільтра призводить до звуження смуги пропускання та зростання крутизни схилів характеристики.

Представлено результати корекції передаточних характеристик оптичних фільтрів з багатошаровою тонкоплівковою структурою. Встановлено, що внесення певного рівня втрат в визначений оптичний шар дозволяє мінімізувати нерівномірність передаточної характеристики в смузі пропускання відбиваючого фільтра та покращити лінійність його фазової характеристики.

З використанням розробленого та апробованого методу моделювання проведено розрахунки перехідних процесів в багатошарових тонкоплівкових оптичних структурах. Показано, що характер перехідного процесу визначається як конструкторсько-технологічними параметрами фільтру, так і значенням фазового зсуву ц, що набігає на товщині оптичної плівки

У третьому розділі визначено та реалізовано принципи розрахунку функціональних характеристик тонкоплівкових оптичних шарів з градієнтним показником заломлення.

На сьогодні в конструкціях оптичних фільтрів застосовуються плівки з фіксованим значенням показника заломлення. Набір з таких плівок являє собою резонансну систему типу резонатор Фабрі-Перо, якій властивий певний спектр резонансних частот. Оскільки тонкі оптичні плівки мають дискретне розташування у просторі, то фазовий зсув квантів на виході фільтру, який вони набувають при його проходженні, має дискретний набір значень. Таким чином, корисний сигнал на виході такого фільтру утворюють кванти, що мають кінцевий набір дискретних значень фазових зсувів. Це призводить до фіксованого визначеного розташування смуг пропускання та загородження в певному діапазоні довжин хвиль. В той же час, в окремих випадках виникає необхідність корекції в наперед заданому напрямку передаточних характеристик фільтрів на тонких оптичних плівках. Така необхідність може виникнути в процесі підстроювання та оптимізації функціональних параметрів багатошарового фільтру.

Враховуючи це, в роботі було проведене дослідження конструкторсько-технологічних параметрів фільтрів, що використовують тонкі плівки з плавною (градієнтною) зміною показника заломлення по товщині плівки. Оскільки ймовірність відбиття світлових квантів відмінна від нуля на всій товщині плівки, то на формування відбитого світлового потоку в значній мірі впливають кванти, що мали відбиття саме в процесі розповсюдження їх в матеріалі плівки між її передньою та тильною поверхнями. Наявність таких квантів повинна помітно вплинути на хід передаточних характеристик фільтру.

В даному розділі проведене числове моделювання конструкційних та фізико-технологічних параметрів оптичного градієнтного фільтра з лінійним законом залежності показника заломлення по товщині плівки.

При проведенні розрахунків в режимі відбиття фільтр, що використовує оптичну плівку з градієнтним показником заломлення, було представлено у вигляді деякої сукупності N елементарних плівок однакової товщини Дx=x/N зі сталими значеннями показника заломлення ni кожної з них. Значення показника ni змінювалось дискретно за лінійним законом від n1 до n2 на товщині плівки х

Результати теоретичного аналізу та чисельних розрахунків показують, що, при зменшенні показника заломлення передньої поверхні плівки n1, починаючи від величини n2 до n1, при фіксованому значенні показника задньої поверхні n2, має місце процес збільшення періоду передаточної характеристики, що супроводжується зміною місця розташування смуг пропускання та загородження. Перепад між екстремальними значеннями загасання в смугах пропускання та загородження збільшується. При цьому вся характеристика зміщується в сторону більш високого рівня загасання При збільшенні значення показника заломлення задньої поверхні плівки n2 від величини n1 до n2, при фіксованому значенні показника передньої поверхні n1, має місце зворотна картина.

В четвертому розділі проведене дослідження спектрально-селективних пристроїв, що використовують згини волоконно-оптичних хвилеводів.

Встановлено, що для частини квантів певного напрямку на згині оптичного хвилеводу не виконуються умови повного внутрішнього відбиття щодо значення кута падіння по відношенню до критичного, і це є причиною внесених втрат на згинах хвилеводу. З іншого боку, значення критичного кута падіння квантів світла залежить від співвідношення показників заломлення серцевини та оболонки світловода: ікр = arcsin(), де = n2/n1 - відносний показник заломлення середовищ. Поряд з цим було враховано, що величина показника заломлення конкретного середовища n залежить від довжини хвилі згідно формули Селмейера:

, (7)

де Аі та li - коефіцієнти Селмейера, які залежать від складу скла складових частин світловода. Таким чином, значення втрат на згинах є спектрально-залежним. Залежності втрат на згинах були досліджені для різних складів скла серцевини та оболонки світловода, а також для різних радіусів вигину в діапазоні довжин хвиль - від 0,8 мкм до 1,6 мкм.

Виявлено, що залежність втрат від довжини хвилі має плавний монотонний хід, а знак її нахилу (зростання або спадання) визначається складом багатокомпонентного скла. В таблиці 1 наведені склади стекол серцевини та оболонки для яких визначались втрати на згинах оптичних волокон. Постійну складову втрат в таких фільтрах - оптичних хвилеводах можна компенсувати за рахунок використання оптичних підсилювачів. Встановлено залежність внесених втрат від радіусу згину оптичного хвилеводу. При зменшенні радіусу згину відмічено зростання постійної складової втрат та різниці між екстремальними значеннями втрат в спектральному діапазоні.

Таблиця 1. Склади стекол серцевини та оболонки світловодів

№	Склад скла серцевини	Склад скла оболонки
1	16.9% Na2О, 32.5% B2O3, 50.6% SiO2	1.0% F, 99.0% SiO2
2	13.5% GeO2, 86.5% SiO2	13.3% B2O3, 86.7% SiO2
3	13.5% GeO2, 86.5% SiO2	3.5% B2O3, 96.5% SiO2

Запропоновано та досліджено нову конструкцію волоконно-оптичного атенюатора, що регулюється, з практично нульовими початковими та зворотними втратами. Наведений пристрій може вбудовуватись в будь-яку точку ВОЛЗ без виконання розриву волоконного світловоду (що має суттєве значення з точки зору як конструкторсько-технологічних, так і експлуатаційних вимог). Атенюатор працює за рахунок створення згинів постійного радіусу в оптичному волокні. При цьому величина втрат при фіксованому радіусі визначається значенням кута сектору згину ц, зміна якого відбувається за рахунок введення штифта фіксованого радіусу в фігурне заглиблення в корпусі атенюатора при збереженні певного натягу волокна, що не перевищує нормоване значення. Конструкція атенюатора містить певну кількість штифтів, що можуть вводитись плавно та послідовно за рахунок переміщення поршня атенюатора, забезпечуючи потрібний діапазон регулювання загасання.

З характеристик внесених втрат експериментального зразка атенюатора, які виміряні при двох значеннях довжин хвиль, видно, що рівень внесених втрат при нульовому початковому загасанні досягає 70 дБ (подальший його ріст не вимірювався внаслідок обмежених можливостей вимірювальної апаратури).

У п'ятому розділі наведені результати досліджень спектрально-селективних властивостей оптоелектронних елементів, що використовують ефект розсіювання світла.

В якості таких елементів в роботі було розглянуто елементи циліндричної форми. При цьому між радіусом циліндра R та довжиною хвилі л виконувалось співвідношення R"л. Таким чином, розрахунки проводились в наближенні геометричної оптики. В такому наближенні поведінка падаючого на оптичний елемент світла повністю описується законами Снеліуса та формулами Френеля. Дифракційні явища в цьому випадку завдяки їх малості не розглядалися.

Як вхідний сигнал було розглянуто некогерентний потік оптичного випромінювання у вигляді паралельних променів, що падають на бокову поверхню циліндра. При цьому площина падіння світлових квантів вважалась паралельною до осі циліндра. Вектор електричного поля квантів світла також вважався паралельним до осі циліндра. В цьому випадку коефіцієнт відбиття на межі розділу двох середовищ задавався наступним виразом:

= , (8)

де n1 та n2 - показники заломлення повітря та скла відповідно, и - кут падіння.

Для моделювання процесу розсіювання світла в оптичному елементі також використовувались принципи квантової електродинаміки. При цьому сам процес розраховувався за допомогою методу Монте-Карло. В процесі розрахунку визначалась траєкторія руху кожного кванту світла в циліндричному елементі аж до виходу його за межі елемента, потім здійснювалась фіксація напрямку виходу заданого кванту світла з метою побудови індикатриси розсіювання. Програма розрахунку була побудована таким чином, що дозволяла представити на екрані комп'ютера як числові дані щодо індикатриси розсіювання (нормовані значення інтенсивності у кожному секторі), так і характер самої індикатриси у полярних координатах. Можливості програми дозволяли варіювати значення показника заломлення як самого оптичного елементу, так і оточуючого середовища. Кількість секторів, на які було поділено повний кут також можна було змінювати в межах від 24 до 360. Таким чином, максимальна роздільна здатність програми для розрахунку індикатриси розсіювання складала один кутовий градус. Число вхідних квантів Nin можна було встановлювати в межах до Nin = 107.

На індикатрисі розсіювання світла спостерігалися чотири піки інтенсивності, що розташовані симетрично відносно осі х під кутами ц 1 = ±100о та ц 2 = ±155о. Нормовані значення інтенсивності цих піків складають величини 0,62 та 1,0 відповідно. При зменшенні показника заломлення кут ц 1 збільшувався, а кут ц 2 відповідно зменшувався. Отже, цим параметрам виявились властиві дисперсійні характеристики щодо показника заломлення n. Дисперсійну характеристику елемента відображає величина похідної , яка складає для першого піку - 3,49 рад, а для другого - 1,745 рад. Тобто в два рази менше. Чисельно ці величини відображають кутове (в радіанах) зміщення піку, при зміні показника заломлення на одиницю.

Враховуючи той факт, що показник заломлення конкретного оптичного матеріалу залежить від довжини хвилі за формулою Селмейера, можна розрахувати кутові дисперсійні характеристики за довжиною хвилі () конкретних оптоелектронних елементів. Так, наприклад, для кварцового скла (SiO2) дисперсійні характеристики за довжиною хвилі були розраховані в першому вікні прозорості (л = 850 нм). Згідно з результатами розрахунку: = 5,1 град/мкм для першого піку та 2,55 град/мкм - для другого.

Незважаючи на порівняно невелике значення параметру , його можна помітно збільшити за рахунок відповідного вибору матеріалу скла оптичного елемента з підвищеними дисперсійними властивостями.

З метою перевірки результатів моделювання циліндричного оптичного елементу було проведене експериментальне дослідження індикатриси розсіювання стрижня циліндричної форми виконаного з кварцового скла (SiO2). В якості вимірювального приладу був використаний оптичний тестер типу ОМК 3-76, оснащений джерелами випромінювання та фотоприймачами. Джерела випромінювання функціонували на довжинах хвилі 0,85 мкм та 1,3 мкм. Випромінювання з джерела подавалось на коліматор, а в подальшому через поляризатор паралельний пучок світла надходив до оптичного елементу. Розсіяне світло через фокусуючий елемент надходило на вхід фотоприймача. Результати експериментальних вимірювань в межах похибки вимірювального приладу підтверджують хід індикатриси розсіювання.

При зменшенні показника заломлення до величини 1,33 (значення показника заломлення для води) перший та другий піки переміщуються та займають кутові положення 129о та 139о відповідно, що співпадає, в межах роздільної здатності програми, з даними, які отримані іншими авторами при використанні інших методів розрахунку. Це кути, під якими в дощових каплях можна спостерігати першу та другу райдугу. Даний факт також підтверджує правильність запропонованого методу розрахунку індикатриси розсіювання оптичного випромінювання.

Таким чином показано, що на базі оптоелектронних елементів циліндричної форми можна виготовляти спектрально-селективні пристрої, які базуються на ефекті розсіювання оптичного випромінювання.

У шостому розділі встановлено взаємозв'язок спектрально-селективних параметрів та характеристик багатошарових фотоприймачів на основі поруватого кремнію з квантовими ямами, що виконаний на монокристалах Si, p-n-переходів на основі GaP та гетероструктур типу GaP/GaAs з фізико-технологічними параметрами їх отримання.

Дослідження проводилися на метрологічно атестованій автоматизованій спектральній установці на основі монохроматора МДР-3 в діапазоні довжин хвиль 200-2000 нм. Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів виконувалися з використанням як модульованого з частотою 20 Гц, так і не модульованого (постійного) оптичного потоку. В обох режимах були отримані аналогічні результати.

Оцінка сумарної абсолютної похибки результату вимірювань довжини хвилі склала величину від + 0,046 до + 0,058 нм у діапазоні довжин хвиль від 200 до 2000 нм (при кроці сканування 0,001 нм).

Інтервал сумарної не виключеної частини систематичної похибки вимірювань інтенсивності випромінювання-поглинання (з довірчою імовірністю 95%) склав ± 4,54%; середньо квадратичне відхилення випадкової похибки інтенсивності випромінювання-поглинання склало - 2,11 %.

Проведено аналіз спектрально-селективних характеристик зразків кремнійових фотодіодів з розвиненою (мікрорельєфною) поверхнею, що отримані за допомогою методів селективного травлення монокристалів Si. Показана можливість керування шириною смуги фоточутливості та її значенням в максимумі кривої чутливості за допомогою варіації фізико-технологічних параметрів виготовлення оптоелектронних приладових структур. Вони характеризувались високим значенням фоточутливості в максимумі спектральної кривої (580-650 А/Вт) у видимій та в ближній інфорачервоній областях спектру. Цей факт обумовлений великими значеннями довжини дифузії неосновних носіїв заряду в базі фотодіода (тобто низькою рекомбінаційною активністю), а також низькими коефіцієнтами відбивання світла та великими коефіцієнтами поглинання довгохвильового світла завдяки мікрорельєфній поверхні.

Показана перспективність розроблених зразків фотодіодів для використання не тільки в видимій та інфрачервоній областях спектру, але й в ультрафіолетовій.

Далі проведені дослідження фотодіодів на основі епітаксійних плівок GaP: з p-n-переходами та на основі гетероструктур типу GaP/GaAs (епітаксійна плівка GaP на підкладці монокристалічного GaAs). Визначені спектрально-селективні параметри фотодетекторів, для яких діапазон чутливості був заключений в межах від 450 до 1200 нм, положення максимуму спектральної кривої - в межах 490-610 нм, а значення спектральної чутливості в максимумі кривої змінювалося в межах 620-817 відносних одиниць. Установлено, що найбільш широку смугу фоточутливості, діапазон якої обмежений ширинами заборонених зон матеріалів GaP та GaAs з коротко- та довгохвильових областей відповідно, мають зразки фотодетекторів на основі гетероструктур GaP/GaAs.

Виявлено, що досліджувані зразки характеризуються значним розкидом параметрів. Зокрема, зразки фотодіодів на основі p-n-GaP характеризувалися розкидом параметрів як по ширині області спектральної чутливості - в межах 5-10%, так і по абсолютній фоточутливості - в межах 24%.

Для підвищення фоточутливості в ультрафіолетовій області спектру необхідно: зменшити глибину залягання p-n-перeходу до значень 0,2-0,4 мкм, а також покращити пасивацію поверхневих електронних станів для зменшення швидкості поверхневої рекомбінації, використовуючи в якості пасивуючого та просвітлюючого покриття Si3N4, термічний SiO2 (для зразків por-Si), або інший діелектрик; використовувати просвітлююче покриття (або просвітлююче та пасивуюче) з оптимальними для ультрафіолетової області спектру оптичними параметрами та товщиною плівки; зменшити шунтуючий опір баластних областей фотодетекторів.

Висновки

Дисертаційна робота є вирішенням комплексу питань, що мають наукове та прикладне значення у моделюванні та розробці оптоелектронних спектрально-селективних пристроїв нового покоління.

В дисертаційній роботі отримано такі теоретичні та науково-практичні результати:

1. Запропоновано, апробовано та застосовано нову методику розрахунку оптичних фільтрів, що використовують тонкі плівки. Методика ґрунтується на принципах квантової оптики та електродинаміки і методі Монте-Карло; на відміну від існуючих вона враховує можливість багатократного відбиття світлових квантів від меж розділу оптичних шарів та вплив цього явища на передаточні характеристики фільтру.

2. Проведено моделювання та аналіз передаточних характеристик багатошарових тонкоплівкових оптичних фільтрів, що працюють в режимі відбиття та пропускання. Запропоновано напрямок оптимізації конструкції фільтра, що функціонує в режимі відбиття світлового потоку. Визначено взаємозв'язок конструкційно-технологічних параметрів оптичного фільтра з його функціональними характеристиками.

3. Розроблено та реалізовано метод корекції амплітудних та фазових характеристик для відбиваючого фільтра, що містить плівки зі сталим показником заломлення, який дозволяє мінімізувати нерівномірність внесених втрат в смузі пропускання та значно підвищити лінійність фазової характеристики.

4. Розроблено та впроваджено методику розрахунку перехідних процесів в тонкоплівкових багатошарових фільтрах з метою визначення їх інерційних характеристик, а також спектральної ширини канального сигналу на виході фільтру та рівня взаємного впливу між каналами.

5. Показано та вивчено вплив зміни конструктивно-технологічних параметрів градієнтного оптичного фільтра з лінійним законом зміни показника заломлення, зокрема таких, як граничні значення показників заломлення на межах розділу шарів, на передаточні характеристики. Установлено, що при цьому можна досягти корекції параметрів передаточної характеристики фільтру, зокрема, положення смуг пропускання та загородження в спектральному діапазоні, а також значень внесеного загасання.

6. Вперше детально досліджені залежності передаточних характеристик оптичних хвилеводів від вигинів на різних довжинах хвиль оптичного сигналу, що можна використати для створення оптичних фільтрів з регульованим загасанням. Установлено зв'язок крутизни та знаку нахилу передаточної характеристики волоконного фільтра від складу скла серцевини та оболонки оптичного хвилеводу, а також від радіусу згину і кількість згинів.

7. Запропоновано та запатентовано нову конструкцію волоконно-оптичного атенюатора, що використовує вигини оптичних волокон та відрізняється від інших відсутністю початкових та зворотних втрат поряд з можливістю досягнути при цьому практично будь-якого реально потрібного загасання. Показано, що запропонований атенюатор, на відміну від існуючих, може бути підключений в будь якому місці волоконно-оптичної лінії зв'язку без розриву оптичних волокон.

...