Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Изготовление и свойства протонообменных световодов 14
1.1. Базовые материалы интегральной оптики 14
1.2. Оптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов LiNb03 15
1.3. Электрооптические свойства 20
1.4. Фоторефрактивный эффект 23
1.5. Основные физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов LiNb03 24
1.5.1. Рост монокристаллов LiNb03 25
1.5.2. Дефектная структура ЫЫЬОз 26
1.5.3. Сегнетоэлектрические свойства 27
1.5.4. Кристаллическая структура 32
1.6. Методы формирования волноводов в кристаллах ниобата лития 35
1.6.1. Аутдиффузные волноводы 36
1.6.2. Титан-диффузионные волноводы 36
Выводы к главе 1 40
Глава 2 Методы формирования и исследования параметров и свойств протонообменных световодных структур 41
2.1.1. Протонообменные световоды в кристаллах ниобата лития 41
2.2. Методы исследования параметров и свойств протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития 45
2.2.1. Волноводно-оптический метод (метод модовой спектроскопии) 45
2.2.1.1. Восстановление профилей показателя преломления в волноводных поверхностных слоях
2.2.1.1.1. Кусочно-линейная аппроксимация профиля показателя преломления 48
2.2.1.1.2. Аппроксимация обобщенной функции Гаусса 50
2.2.2. Метод измерения спектров ИК-поглощения, УФ и видимого диапазона 51
2.2.3. Двукристальная рентгеновская дифрактометрия 52
2.2.4. Методы измерения основных параметров интегрально-оптического фазового модулятора, изготовленного по технологии протонного обмена. 53
Выводы к главе 2 57
Глава 3. Влияние покрытия диоксида кремния на свойства отожженных протонообменных световодов .
3.1. Фазовые процессы в протонообменном слое 59
3.2. Подготовка образцов и их характеристики 61
3.3. Экспериментальные результаты 62
3.4. Механизм процесса 69
Выводы к главе 3 72
Глава 4. Разработка технологии изготовления электрооптических модуляторов на кристаллах ниобата лития методом протонного обмена 73
4.1. Технологический маршрут изготовления интегрально-оптических модуляторов 73
4.1.1 Входной контроль исходных пластин ниобата лития 73
4.1.2. Шлифовка 74
4.1.3. Химическая обработка после шлифовки 76
4.1.4. Полировка пластин 77
4.1.5. Разработка топологии интегрально-оптических фазовых модуляторов
и многофункциональных интегрально-оптических элементов 79
4.1.6. Нанесение топологии ИОФМ 84
4.1.6.1. Нанесение электродов 86
4.1.7. Полировка торцев модуляторов 88
4.2. Изготовление волоконно-оптических соединителей 90
4.2.1. Изготовление заготовки 90
4.2.2. Ориентация и вклейка волокна 92
4.2.3. Полировка волоконно-оптических соединителей 93
4.3. Стыковка 96
4.3.1. Выбор оборудования и организация рабочего места 96 4
4.4. Технология изготовления волноводов 98
4.5. Температурные испытания электрооптических модуляторов. Полученные результаты. 111
Выводы к главе 4. 114
Глава 5 Применение электрооптических модуляторов 115
5.1. Одноосные волоконно-оптические гироскопы 119
5.1,1 Конфигурация 119
5.1.2. Оптический блок одноосных ВОГ 120
5.1.3. Параметры одноосных ВОГ 122
5.2. Трехосный ВОГ с последовательной работой каналов 124
5.2.1. Конфигурация 124
5.2.2. Трехосный ВОГ с последовательной работой каналов 128
5.3. Разработка интегрально-оптических элементов на основе ОПО
волноводов в кристаллах ниобата лития 131
5.3.1. Электрооптический переключатель 131
5.3.2. Электрооптический модулятор Маха-Цандера 132
Выводы к главе 5 134
Литература
- Основные физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов LiNb03
- Методы исследования параметров и свойств протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития
- Подготовка образцов и их характеристики
- Входной контроль исходных пластин ниобата лития
Введение к работе
Актуальность работы:
В настоящее время кристаллы ниобата (LiNbCb)
являются наиболее используемыми в интегральной оптике
благодаря высоким значениям нелинейно-оптических и
электрооптических коэффициентов, а также возможности
промышленного роста кристаллов и производства пластин
диаметром 76 и 100 мм высокого качества. На этих
кристаллах в последние годы удалось реализовать
различные интегрально-оптические элементы и схемы,
такие как переключающие матрицы, анализаторы спектра,
СВЧ фазовые и амплитудные модуляторы, датчики
физических величин. Высокие нелинейно-оптические
свойства данных кристаллов позволили получить
волноводные устройства преобразования частоты, такие
как генераторы второй гармоники, устройства,
осуществляющие суммирование и вычитание частот,
параметрические генераторы света. На их основе
реализованы излучатели синего и зеленого света, а также
перестраиваемые в широком диапазоне волноводные
лазеры ИК-излучения. Путем локального включения ионов
ряда редкоземельных элементов (Er, Nd и др.) в эти
кристаллы реализованы волноводные лазерные структуры.
Интегрально-оптические фазовые модуляторы,
изготовленные на кристаллах ниобата лития, в настоящее время широко применяются в волоконно-оптических гироскопах, датчиках электрического тока и других устройствах.[1]
Протонный обмен, наряду с диффузией титана из пленок, является базовым методом формирования оптических волноводов в кристаллах ниобата лития.
Возможности формирования методами протонного обмена
высокопреломляющих световодов в кристаллах ниобата
лития, без последующей монодоменизации пластин,
привлекли огромное внимание технологов и разработчиков
интегрально-оптических схем. [2] Данная технология
обладает следующими важнейшими достоинствами и
преимуществами перед другими методами: процессы
проводятся при низких температурах и атмосферном
давлении, низкая стоимость и доступность
технологического оборудования, простота
технологических операций.
Однако протонообменные световоды
характеризуются сложным структурно-фазовым
многообразием. Различные фазы впервые были
идентифицированы и описаны в работах [3]-[9].
Наибольшее распространение получили а-фазные
волноводы, которые обладают наименьшими оптическими
потерями и высокими электрооптическими свойствами.
Однако, при формировании а-фазных волноводов
традиционным методом протонного обмена с
последующим отжигом (ОПО метод) в слое первичного
протонного замещения из-за протекающих в процессе
отжига многочисленных фазовых переходов формируются
различные дефекты, вызывающие дополнительное
светорассеяние. В связи с этим, актуальным является
разработка методов формирования протонообменных
волноводов, имеющих улучшенную структуру
поверхности, меньшее светорассеяние и более высокий показатель преломления в волноводной области.
Для подготовки промышленного производства изделий интегральной оптики необходимо разработать полный цикл технологического процесса, который бы заключал в себя весь путь создания изделий - от входного
контроля исходных материалов, до проверки параметров
готовой продукции. На сегодняшний день разработаны
отдельные технологические процессы, слабо
адаптированные друг с другом и рассчитанные на выпуск опытных образцов, достижение определенных параметров либо измерение каких-либо характеристик образцов.
Целью диссертационной работы является разработка
и исследование технологии изготовления
протонообменных электрооптических
многофункциональных интегрально-оптических элементов для волоконно-оптических гироскопов.
Основные задачи, определяемые целями работы:
Исследование влияния диэлектрического покрытия SiCb на кинетику процесса постобменного отжига и свойства волноводов.
Разработка технологического маршрута изготовления электрооптических многофункциональных интегрально-оптических элементов (МИОЭ) на кристаллах ниобата лития.
Научная новизна диссертационной работы:
Предложен, разработан и исследован процесс
формирования отожженных протонообменных волноводов
путем нанесения на поверхность ниобата лития
диэлектрической пленки SiCb.
Разработаны технологические процессы, входящие
в технологический цикл изготовления
электрооптических МИОЭ - входной контроль,
шлифовка и полировка, химическая обработка,
фотолитографические процессы, вакуумное
напыление, изготовление волоконно-оптических
соединителей, технология стыковки, методики измерений оптических характеристик.
Разработана топология изготовления
многофункционального интегрально-оптического
элемента для волоконно-оптического гироскопа,
включающая в себя Y-разветвитель, модовый фильтр
и два фазовых модулятора.
Разработаны методы и стенды температурных
испытаний МИОЭ.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
1 .Разработана и внедрена в промышленное производство технология изготовления МИОЭ для волоконно-оптического гироскопа.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Метод улучшения параметров отожженных
протонообменных волноводов с применением
диэлектрической пленки БІОг.
2. Технологические процессы, входящие в
технологический цикл изготовления МИОЭ для
волоконно-оптического гироскопа.
Апробация работы Основные положения и
результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
- Третья Международной научно-технической конференции "Электроника и Информатика - XXI век", Москва, 22-24 ноября.
- Всероссийской научно-технической конференции
"Аэрокосмические техника и высокие технологии - 2001",
Пермь, 12-14 апреля 2001 г.
- 9th Saint Petersburg International Conference on
Integrated Navigation Systems, 26-28 May 2002,
IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2002", Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002,
- 5th International Workshop on Laser & Fiber-Optical
Networks Modelling, Alushta, Ukraine, 2003.
- Simposium and Summer School "Nano and Giga
Challenges in Microelectronics Research and Opportunities
in Russia", Moscow, September 10-13, 2002, pp. 161-162.
- SPIE symposium: Integrated Optical Devices: Fabrication
and Testing, Brugge, Belgium, October 2002.
11-я Санкт-Петербургской международная конференция по интегрированным навигационным системам, 24-26 мая 2004.
St.-Petersburg, 16-я научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», 24-26 мая 2004,
- Международной научно-техническая конференция. "Датчики и системы", Пенза, 2005
IV Международная конференция
«Микротехнологии и новые информационные услуги в авиации и космонавтике», Санкт-Петербург, 06 октября 2005,
13-я Санкт-Петербургской международная конференция по интегрированным навигационным системам, 27-29 мая 2006.
14-я Санкт-Петербургской международная конференция по интегрированным навигационным системам, 28-30 мая 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе: 2 статьи в журнале «Известия ВУЗов, серия Электроника», 1 статья в журнале "Microelectronics Engineering", 2 статьи в журнале «Гироскопия и навигация», 3 статьи в сборнике Proceedings of SPIE, а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация
состоит из введения, пяти глав, основных результатов и
выводов по работе, содержит страниц машинописного
Основные физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов LiNb03
При разработке и создании интегрально-оптических устройств важнейшей проблемой является выбор материалов для оптических волноводов и базовых волноводных элементов. Основными критериями выбора материалов являются их высокое оптическое качество и малые потери, высокие значения электро- и акустооптических параметров, технологичность изготовления волноводных элементов, возможность интеграции на одной подложке большого числа активных и пассивных элементов. Общим требованием к материалам, используемым в устройствах интегральной оптики, является возможность создания волноводных областей с малыми потерями в заданном спектральном диапазоне. Параметры устройств интегральной оптики во многом также определяются технологией их изготовления.
В настоящее время известны три основных класса материалов для разработки и создания интегрально-оптических элементов и устройств: монокристаллы активных диэлектриков, такие как ниобат и танталат лития; монокристаллы полупроводниковых соединений А3В5 и А2В6; а также различные стекла, окислы (типа Та205, ZnO), слои аморфных диэлектриков и полупроводниковых материалов на кремниевых подложках. [5],[6]
Наиболее перспективными материалами для интегральной оптики являются такие, которые пригодны для создания как активных, так и пассивных интегрально-оптических элементов на единой подложке либо обеспечивают эффективное объединение отдельных элементов в гибридных интегральных схемах [6]. Поэтому оценку пригодности материалов следует проводить с учетом не только возможности реализации на их основе определенного набора функциональных элементов, но и их совместимости с методами изготовления различных волноводных структур и других элементов интегрально-оптических схем (ИОС). Дальнейшее развитие и практическое применение интегральной оптики будет зависеть главным образом от возможностей развития материалов и технологии, способных решить основные проблемы воспроизводимого изготовления отдельных элементов, устройств и ИОС в целом с высокой степенью надежности.
Арсенид галлия и его соединения являются материалом, пока что в наибольшей степени обеспечивающим практически полную интеграцию волноводных элементов в оптических интегральных схемах на общей подложке. Для создания активных компонентов ИОС используются также полупроводниковые соединения А2В6. Наличие значительного электрооптического и акустооптического эффектов, лазерных свойств (при электронном и оптическом возбуждении) и фотопроводимости делает их перспективными материалами для создания различных интегрально-оптических устройств. Применение полупроводниковых соединений А2В6 для создания волноводных компонентов ОИС не встречает принципиальных трудностей, хотя слабо контролируемые электрические свойства этих соединений являются их основным недостатком [7], [8].
. Монокристаллы активных диэлектриков, обладающие высокими электро-, акусто- или нелинейно-оптическими параметрами, являются одним из наиболее перспективных и широко используемых материалов в интегральной оптике. В их ряду на первом месте стоят ниобат и танталат лития, поскольку они обладают наилучшими электрооптическими свойствами и позволяют создавать сложные волноводные структуры. Они применяются для создания высокоэффективных электрооптических модуляторов, переключателей и коммутаторов, акустооптических устройств обработки сигналов, нелинейно-оптических устройствах преобразования частоты и для других целей [9],[10].
Ниобат лития обладает широкой областью прозрачности, благодаря чему он нашел различные оптические применения. Спектры пропускания кристаллов в диапазоне 0.4 мкм -5 мкм показаны на рис 1.2. Оптические потери в объемных кристаллах (не в волноводной форме) составляют обычно -0.2 дБ/см [10].
Пропускание кристаллов ниобата лития в видимом и ближнем ИК диапазонах [10]. Так как практически все методы формирования волноводов в той или иной мере основаны на изменении показателя преломления (ПП) с изменением состава кристалла, большое значение имеет точное описание зависимостей показателей преломления от состава кристаллов. В отличие от ПП обыкновенного луча п0, ПП необыкновенного луча пе сильно зависит как от стехиометрии кристалла (рис. 1.4), так и от температуры: пе возрастает с уменьшением концентрации ЫгО в кристалле, в то время, как п0 практически не изменяется [11],[12]: для (Li20)v(Nb205),.vdne/dv=-1.6 в диапазоне 0.48 v 0.50.
Оптические свойства кристаллов при низких частотах электромагнитного поля обычно описываются посредством тензора диэлектрической проницаемости (Єу), который определяется из линейных соотношений между векторами электрического смещения D и напряженности электрического поля Е, выражаемых в тензорных компонентах в виде Di = EijEj (1.8) Тензор диэлектрической проницаемости одноосных кристаллов представляется матрицей 3x3
Безразмерные диэлектрические величины, нормализованные относительно диэлектрической постоянной вакуума(єо), єу /єо, называются относительными Kjj . При измерении оптических свойств важными являются механические условия, налагаемые на кристалл в процессе измерения. Емкостные измерения при очень низких частотах в мегагерцовой области используются для определения Т" Т проницаемостей свободного кристалла (є или к ) [13],[14]). Для прямого с о определения проницаемостей зажатого кристалла (s или к) могут быть использованы емкостные измерения при частотах выше 50 МГц [26] или измерения фазовых скоростей акустических волн [14]. Измеренные значения диэлектрических проницаемостей представлены в таблице 1.1.
Методы исследования параметров и свойств протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития
Наилучший контроль параметров волноводов и получение волноводов высокого оптического качества обеспечивается использованием литийсодержащих буферных расплавов (например, расплавов бензойной кислоты, содержащих до 5 мол.% бензоата лития) [77]. Вследствие высокого приращения показателя преломления при протонообменном процессе, кратковременные процессы достаточны для формирования неглубоких одномодовых волноводов для коротких длин волн излучения. Однако, так как эффективный коэффициент диффузии сильно зависит от состава, воспроизводимое получение волноводов требует достаточно точного определения и задания состава расплава [1], [2]. Таким образом, процессы должны проводиться в замкнутом объеме во избежание изменения состава расплава в течение процесса вследствие различного испарения его компонентов. Также объем используемого источника обмена должен быть достаточно большим для предотвращения влияния разбавления в течение процесса за счет ионов лития, переходящих в расплав.
Другие органические кислоты, такие как олеиновая, октановая, стеариновая [4], [84]-[87], толуиновая , лимонная, лауриновая и миристиновая также используются как альтернативные источники протонного обмена [67]-[69]. Эти кислоты не токсичны, не коррозионны и безопасны в использовании. Как показатель преломления волноводов (а также тип профиля ПП), так и скорость диффузии в некоторой степени зависят от кислотности источника ПО, для более сильных кислот наблюдается более высокая скорость диффузии. Однако необходимо иметь в виду, что воспроизводимость свойств H:LiNb03 световодов, полученных в органических кислотах, зависит от условий процесса (например, степени эвакуации), а также качества поверхности исходных пластин.
В качестве альтернативы известным органическим источникам протонного обмена, также используют раствор глицерина при 200С, кислотность которого повышалась добавлением KHSO4 (до 25 г/л) и понижалась добавлением LiCl (до 10 г/л) [73].
Еще один источник протонного обмена эвтектическая смесь сульфатов (ZnS04 (40.7 мол.%), K2S04 (30.2 мол.%), Na2S04 (29.1 мол.%), температура плавления 384С) с малыми добавками водородсодержащей соли (например, KHSO4 с концентрацией 0.01-0.2 моль/кг эвтектики). При использовании этой системы с различной концентрацией KHSO4 можно количественно контролировать кислотность легирующего расплава. Хотя в этом расплаве может также происходить неизовалентный ионный обмен Zn — 2Li , однако, продолжительность используемых процессов протонного обмена при таких температурах значительно (на порядок) меньше времени необходимого для проведения процессов неизовалентного ионного обмена [67].
Таким образом, протонообменная технология обладает некоторыми значительными преимуществами, такими как простота, высокая интенсивность, большое приращение показателя преломления и возможность использования дополнительных операций (отжига или обратного обмена) для управления свойствами протонообменных волноводов и устройств на их основе, по сравнению с другими методами формирования световодов в кристаллах LiNb03. На основе H:LiNb03 световодов реализованы и исследованы такие интегрально-оптические элементы, как планарные линзы, поляризаторы, элементы генерации второй гармоники, кольцевые резонаторы, а также модуляторы, дефлекторы, интерферометры, спектроанализаторы, твердотельные лазеры и различные нелинейные элементы [77], [81], [82].
Таким образом, исследование структуры протонообменных световодов в кристаллах ниобата лития различного состава, их деформированного и напряженного состояния в зависимости от условий протонного обмена является весьма важной задачей.
Волноводно-оптический метод измерения показателя преломления и толщины тонких пленок основан на явлении возбуждения планарного оптического волновода. В случае возбуждения планарного волновода, т.е. когда энергия из области призмы перекачивается в пленку, на экране (рис.2.1) наблюдается характерная темная линия, называемая m-линией. Каждая из таких /я-линий соответствует возбуждаемой в планарном волноводе моде с определенным номером т = О, 1, 2 .. поляризации ТЕ или ТМ. 46 Рис.2.4. Оптическая схема измерений методом / -спектроскопии: 1 - лазер, 2 -линза - расширитель оптического пучка, 3 - поляризатор, 4 - щелевая диафрагма, 5 - коллиматор, 6 - фокусирующая линза, 7 - устройство прижима призмы к образцу, 8 - призма, 9 - исследуемый образец, 10 - экран, 11 - плоскость столика с устройством крепления и перемещения призмы.
Для всех последующих расчетов необходимо измерить углы падения исходного пучка на преломляющую грань призмы рт, при которых выбранная т-линия оказывается на оси пучка. Найденные значения рт пересчитываются в эффективные показатели преломления мод пт по формуле: пт = прsin[ а + arcsin/ sinf )/пр}] (2.1) где пр - показатель преломления призмы, а - ее преломляющий угол. Таким образом, с помощью призменного элемента ввода излучения возбуждается оптический волновод, и измеряемыми величинами являются углы возбуждения волноводных мод.
Эффективные показатели преломления, экспериментально измеряемые методом m-спектроскопии, могут быть рассчитаны из известного профиля показателя преломления n(z) в волноводе. Однако, решение обратной задачи -восстановления профиля показателя преломления по измеренному набору эффективных показателей преломления - является гораздо более сложной задачей, относящейся с математической точки зрения к некорректно поставленным задачам и решаемой только в рамках той или иной выбранной исходной модели распределения ПП по глубине планарного световода.
Для волновода со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) дисперсионное уравнение, полученное из условий поперечного резонанса, может быть записано в виде: kh[nl nl] 2 = («" О + Фа + Ф (2.2) где nw и h - показатель преломления и толщина волновода, пт - эффективный показатель преломления m-ой моды, m=l,2,...N - номер моды ( N - число мод распространяющихся в волноводе), к - волновое число, 2фа и 2ф5 - фазовые сдвиги на обоих границах, выражения для которых для двух состояний поляризации могут быть получены с помощью формул Френеля:
Подготовка образцов и их характеристики
Процесс полирования, как и рассмотренные выше процессы измельчения и шлифования, является многофакторным и его математическое описание осложнено тем, что он не является, как полагали ранее, процессом абразивного разрушения поверхностных слоев. Представление о процессе полирования как о чрезвычайно тонком шлифовании зернами микронных и субмикронных размеров в случае оптического стекла и, можно полагать, также и поверхностей других материалов оказалось ошибочным.
Механические воздействия полировальника на деталь настолько малы, а полировальный инструмент настолько мягче полируемой детали, что в сочетании с весьма малыми размерами полировальных зерен обеспечить процесс резания или даже усталостного износа невозможен. Роль механических воздействий при полировании сводится к механохимическому активированию только фрагментов, выступающих над поверхностью полируемой детали. Процесс полирования настолько тонкий, что без такого активирования химические реакции на поверхности обрабатываемой детали не идут и съема не происходит.
Можно активировать полировальную суспензию добавлением химически активных к материалу полируемой детали веществ. Добавление в полирующую суспензию различных добавок способно существенно повлиять на процесс полировки, повышая как скорость обработки, так и качество полируемой поверхности. В зависимости от технических требований выбирается наиболее подходящий состав полирующей смеси. Исключительно механохимический механизм процесса полирования определяет его специфичность - избирательность состава триады: полируемой детали, полировального порошка и полировальной среды. Эффектом пересыщения полировальной среды растворенными в ней продуктами механохимического взаимодействия вещества полировального порошка с веществом полируемой детали обусловлено резкое уменьшение скорости процесса. Химическая очистка полировальной суспензии от таких продуктов (вывод их из раствора путем осаждения) возвращает скорость полирования к первоначальному значению, а добавка в раствор веществ-активаторов увеличивает качество обрабатываемой поверхности. Полировка пластин ниобата лития имеет свои особенности, связанные в механическими свойствами ниобата лития. Для пластин ниобата лития, предназначенного для использования в интегральной оптике, принципиально важным является состояние поверхностного слоя, его структурное совершенство и отсутствие скрытых и заполированных дефектов. Примененный метод химико-динамической полировки позволяет получать поверхность, лишенную поликристаллического слоя, и размеры микронеровностей, соответствующие 14 классу полировки.
Процесс полировки пластин начинается на полировальнике из вспененного полиуретана, в качестве полирующей смеси используется суспензия алмазного порошка с добавлением компонентов, обеспечивающих требуемый режим, вязкость и кислотность смеси. Задача первого этапа полировки - первоначальное выравнивание поверхности, повышение класса полировки до 12. Следующий шаг - полировка на полировальнике из искусственной замши или ее аналогов, с применением суспензии на основе коллоидного диоксида кремния. Показатель кислотности раствора поддерживается в пределах рН=9-10 для создания благоприятных условий финишной очистки поверхности. Данная операция способна обеспечить требуемое качество рабочей поверхности пластины. Помимо профилометрических и оптических методов контроля качества полировки необходим также более углубленный контроль, позволяющий оценить качество и структурное совершенство приповерхностного слоя ниобата лития на глубине в единицы микронов. Из множества методов, применяемых для решения подобных проблем, были выбраны следующие методы - измерение спектров ИК-отражения в области валентных колебаний ОН-групп и в области собственных колебаний кристаллической решетки,
Одним из наиболее востребованных видов электрооптических модуляторов на ниобате лития является интегрально-оптический фазовый модулятор, объединенный на одном кристалле с другими функциональными элементами, входящими в состав волоконно-оптического интерферометра. Многофункциональный интегрально-оптический элемент выполняет несколько функций: поляризатор, разветвитель, фазовый модулятор. При разработке топологии МИОЭ учитывались требования потребителей данных приборов и условия их применения.
Несмотря на небольшое количество элементов и довольно крупный размер минимального элемента, формирование топологии изделий интегральной оптики не является такой простой задачей, как это кажется на первый взгляд. Во-первых, соотношение длины и ширины элементов является непривычным для стандартной микроэлектроники и может достигать 10000 и более. Во-вторых, несмотря на довольно крупные размеры, точность воспроизведения этих размеров является принципиальным условием, необходимым для получения воспроизводимых результатов и точного соответствия выбранной В-третьих, любой дефект на рисунке волноводов, даже если это не обрыв, а локальное расширение участка волновода, приводит к увеличению оптических потерь в волноводе. Топология Y-разветвителя представляет собой три прямолинейных участка волноводов, два участка разветвления криволинейной формы, и начальный участок разветвителя, представляющий собой рупор специальной формы. Каждый из этих элементов топологии рассчитывается, исходя из требуемых характеристик -рабочей длины волны, электрооптической эффективности, функционального назначения элемента.
Входной контроль исходных пластин ниобата лития
Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента (датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации. Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки, которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя (самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значительны если инерциальная система управления конструируется с жестко закрепленными или «подвешенными» датчиками непосредственно к телу носителя. Перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инерциальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к оптическому гироскопу.
Появление идеи и первых конструкций волоконного оптического гироскопа тесно связан с разработкой кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). В КЛГ чувствительным контуром является кольцевой самовозбуждающийся резонатор с активной газовой средой и отражающими зеркалами, в то время как в ВОГ пассивный многовитковый диэлектрический световодный контур возбуждается «внешним» источником светового излучения. Эти особенности определяют по крайней мере пять преимуществ ВОГ по сравнению с КЛГ:
Эти свойства ВОГ привлекают пристальное внимание разработчиков систем управления. По мнению ряда зарубежных фирм, благодаря уникальным техническим возможностям ВОГ будут интенсивно развиваться.
В ВОГ с замкнутым контуром обратной связи с помощью интегрально-оптических фазовых модуляторов (ФМ), установленных на концах волоконного контура (ВК), наряду с динамическим смещением разности фаз встречных световых волн на я/2 рад осуществляется компенсация фазового сдвига Саньяка. В этом случае мерой угловой скорости может служить один из параметров сигнала управления ФМ. Известно, что при таком подходе выходная характеристика ВОГ линеаризуется, а масштабный кэффициент (МК) становится независимым от параметров большинства структурных составляющих прибора [76].
Остаточные погрешности измерения угловой скорости могут быть уменьшены с помощью алгоритмической компенсации уходов нулевого сигнала или изменений МК (это возможно даже для ВОГ «открытого типа» [75]). Однако ясно, что в этом случае следует говорить о компенсации только таких составляющих погрешности, для которых известна их зависимость от заданных параметров (температуры, времени и т.п.), т.е. детерминированных.
Разработанные ВОГ имеют так называемую минимальную конфигурацию (Рис.5.1), которая обеспечивает взаимность оптических путей для двух световых волн, распространяющихся навстречу друг другу в волоконном контуре [94]. ВОГ состоит из одного источника света, одного фотодетектора, одного 1:1 волоконного делителя света, одного кольцевого интерферометра, чувствительного к угловой скорости, и блока электроники, осуществляющего энергоснабжение элементов ВОГ, обработку сигналов с фотодетектора и управление фазовыми модуляторами.
Кольцевой интерферометр состоит из многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) и из сохраняющего состояние поляризации света волоконного контура (ВК). МИОЭ выполняет три функции: 1) поляризации проходящего света с целью уменьшения нестабильности смещения нуля вследствие поляризационной невзаимности; 2) расщепление световых волн на распространяющиеся по и против часовой стрелки в ВК с равными мощностями с последующей рекомбинацией на Y-разветвителе; 3) внесение фазового сдвига между встречными волнами с помощью электрооптического фазового модулятора. Применение волокна, сохраняющего состояние поляризации, обусловлено как необходимостью уменьшения дрейфа, вызываемого перекрестной поляризационной связью, так и дрейфа, вызываемого внешними магнитными полями вследствие эффекта Фарадея.
Точность ВОГ сильно зависит от параметров оптического блока. Шум прибора тем меньше, чем больше выходная мощность СЛД и чем меньше потери оптических элементов, включая волокно, сохраняющего состояние поляризации, типа PANDA. Минимальная измеряемая скорость вращения зависит от коэффициента перекрестной поляризационной связи (h-параметра) и длины поляризационных биений Lp волокна следующим образом [94]:
Поэтому, при разработке ВОГ основные усилия были направлены на уменьшение оптических потерь в каждом из элементов и на уменьшение величин h и Lp в волокне типа PANDA.
Разработаны четыре модификации одноосных ВОГ, имеющие ВК с длинами 200 м (SRS-200), 500м (SRS-500), 1000м (SRS-1000), 2000м (SRS-2000). Намотка катушек ведется по квадрупольной технологии, начиная от середины длины отрезка волокна в направлении наружу к его концам путем поочередного сматывания с двух вспомогательных шпулек и формированием геометрически симметричной структуры. В действительности волокно является и эластичным и очень хрупким. Эластичность требует поддерживать постоянным натяжение волокна в течение всего процесса намотки. Хрупкость требует контролировать не только натяжение волокна, но и его изгибы или искривления, а также поверхностные контакты. Катушка с волокном располагается на теплоизолированной плате с диаметром от 80 до 230мм в зависимости от типа ВОГ.
Станки для намотки волоконного контура были специально разработаны на базе стандартных проволочных намоточных станков.
Интегрирование МИОЭ в оптический блок (ОБ) производится путем непосредственных стыковок его волноводов с концами ВК и с одним из концов входного изотропного разветвителя, имеющего длину, достаточную для пространственной фильтрации излучения.
