Оптические системы связи и управления на основе ВТСП болометра и на базе полупроводниковых элементов

Актуальность диссертации.

Современные средства связи и управления в основном работают в радиодиапазоне, но важную роль начинают играть информационные каналы работающие в других диапазонах электромагнитных волн. В настоящее время становится очевидным, что управление аппаратурой и быстро растущая потребность в высокоскоростных помехоустойчивых системах связи, обладающих высокой информационной пропускной способностью, требует использования новых перспективных методов. Одним из решений данной проблемы является использование оптического диапазона (т.е. диапазона видимых и инфракрасных волн). К достоинствам инфракрасных волн следует отнести их большую информационную емкость, лучшее прохождение ИК-излучения через области повышенной ионизации и техническую сложность их перехвата и подавления, по сравнению с видимым излучением. К тому же, по сравнению с видимым излучением, инфракрасные лучи менее подвержены поглощению и рассеянию атмосферой (при воздушной дымке и слабом тумане), благодаря чему обладают лучшей проницаемостью.

Известно, что обычные источники света излучают в широкой области спектра и поэтому мощность, приходящаяся на отдельные частоты, мала. Излучение таких источников некогерентно и не может быть использовано для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Поэтому обычные ИК-излучатели могут использоваться для передачи информации только на небольших расстояниях (до 20 м). Для больших расстояний целесообразно использовать ИК-лазеры с оптическими системами, позволяющими направлять энергию излучателя в строго заданном направлении. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч так, чтобы использовать всю ширину оптического диапазона. Поэтому широкое освоение диапазона ИК-частот в технике связи на основании использования лазеров открывает качественно новые возможности в скорости, надежности и направленности передачи информации. ИК-линии связи имеют достаточно узкие диаграммы направленности и ограниченное энергопотребление. Это относится как к открытым, так и волоконно-оптическим системам связи.

В настоящее время оптическая связь — это род электросвязи, передача и прием сигналов любого вида электросвязи в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Анализ факторов, определяющих условия функционирования и преимуществ оптических систем связи и управления (ОССУ), построенных на открытых оптических каналах обмена информацией, позволяет сформулировать основные направления их внедрения: в качестве абонентских линий и линий привязкина внутриобъектовых и соединительных линияхдля образования сетки линий в локальных вычислительных сетяхв качестве релейных вставок в волоконно-оптические системы передачи (например, при преодолении водных преград и т. п.) — для связи между ретрансляторами на летно-подъемных средствах (ЛПС) — для связи между ретрансляторами на ЛПС и космических аппаратах (КА) — для связи между ретрансляторами на КАна линиях ЛПС (КА) — подводный объектдля связи между кораблями флота (в первую очередь, военно-морского).

Хотя оптические методы передачи информации исследовались достаточно давно, существенный интерес в этой области наметился около 15 лет назад [1]. Так, фирма GTE поставила ВВС США оборудование для ОССУ между самолетами в воздухе. При демонстрации ОССУ на базе ВВС в штате Огайо обеспечивалась высококачественная связь с помощью оптических приемопередающих устройств, установленных у иллюминаторов самолетов. Также прошла проверку система наведения и автоматического сопровождения оптических антенн. В качестве преимуществ данного варианта применения ОССУ отмечались малый вес оборудования, более высокая безопасность и защита информации по сравнению с радиосвязью, более высокая устойчивость к воздействию помех.

На флоте ведутся исследования по разработке оптических линий «надводный корабль — ЛПС» и «надводный корабль — надводный корабль». По оценке американских специалистов, дальность оптических линий второго типа может составить до 60 км.

В настоящее время научно-исследовательская лаборатория ВМФ США в Лос-Аламосе разрабатывает проект связи подводных аппаратов в погруженном состоянии I между собой, а также с объектами на поверхности и в воздухе при помощи лазерного луча в синей области спектра (>,-450 нм) с минимальным поглощением в океане. В качестве достоинств такой системы отмечаются полное отсутствие акустических шумов и возможность применения для обнаружения аппаратов.

Также прорабатывается проект высокоскоростной оптической передачи информации с геостационарных спутников на высоколетящие ЛПС, между ЛПС и с них на подводные аппараты в погруженном состоянии. Эти разработки ведут две главные компании — Мс Donnell Douglas Electronic Systems Company и Rockwell International. В США считается, что интегральная сеть космической оптической связи обеспечит передачу сигналов управления и связи с максимальной секретностью, скоростью и надежностью. В этом направлении ведутся еще три крупные разработки космических оптических линий связи в Западной Европе (проект SILEX — Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment), Японии и США под эгидой NASA.

По данным журнала «Signal», в странах блока НАТО имеется ряд специальных военных программ оптической связи. Поэтому в прогнозе США о военно-техническом развитии до 2013 года говорится: «В области систем командования, управления и связи будет происходить дальнейшая интеграция средств электрической и оптической связи». Разработка ОССУ в странах НАТО ведется по программам всех видов вооруженных сил, а также в комплексной программе противоракетной обороны.

Рядом английских фирм разработаны портативные переносные станции оптической связи на полупроводниковых лазерах для передачи речевой и цифровой информации между наземными абонентами на дальности прямой видимости. Атмосферные ОССУ применяются, прежде всего, для обмена данными между ЭВМ при организации локальных сетей, когда проводную сеть прокладывать невозможно или нецелесообразно.

В нашей стране на НПО «Заря» был освоен выпуск подобных ОССУ, которые, кроме того, применялись для цифрового обмена информацией между абонентами, для проводки судов и наведения самолетов, а также в охранной сигнализации.

ОССУ отличаются от прочих систем передачи только особенностями построения линейного тракта, который включает в себя среду распространения и совокупность технических средств, обеспечивающих формирование, передачу, распределение, преобразование и обработку оптических сигналов в одной и той же полосе частот или с одной и той же пропускной способностью, определяемых номинальным числом каналов передачи. Основными элементами оконечной аппаратуры оптического линейного тракта являются передающие (ПОМ) и приемные (ПРОМ) оптоэлектронные модули. В ПОМ чаще всего используются полупроводниковые лазеры (для ОССУ также твердотельные, газовые и другие лазеры), а в ПРОМ—фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения, фотоэлектронные умножители, болометры и др.

Помимо использования традиционных полупроводниковых фотоприемников, в последнее время начали использовать сверхпроводниковые болометры.

ВТСП материалы уже нашли широкое применение в тепловизионных системах локации, ограничителях тока, террагерцовых резонаторах. Однако о возможности I использования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в ОССУ публикации появились только в последнее время.

К преимуществам ВТСП приемников можно отнести их относительно высокую рабочую температуру, высокую вольт — ватную чувствительность, низкую чувствительность к засветкам, перегревам, радиационному облучению и электромагнитным импульсам, которые способны вывести из строя обычные полупроводниковые приемники.

Эти преимущества делают перспективным применение оптических каналов связи и управления с передающими элементами на основе лазеров и приемниками на основе ВТСП болометров в системах связи, требующих повышенной защищенности информации и сохраняющих работоспособность после воздействия облучения, возможных перегревов, тепловых ударов ЭМИ и т. п.

Температурные рабочие режимы, необходимые для работы ВТСП болометров, вполне достижимы с помощью современного криооборудования или холодильников работающих на основе эффекта Пельтье. Данный эффект возникает при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Таким образом, ВТСП болометрический датчик может работать без необходимости в жидком азоте. Современные криосистемы могут быть переносными или размещены на подвижных системах связи.

Помимо проблемы создания систем связи и управления ИК-диапазона как таковых, большое значение для связи имеет проблема мобильности. Для открытой системы связи и управления эта проблема решается проще. Современные мощные стационарные лазерные установки могут быть смонтированы на подвижных объектах, и основную роль тогда будут играть системы наведения, слежения и питания. В случае же мобильной связи массивные крупногабаритные лазерные установки использовать нельзя, поэтому системы связи и г управления оптического диапазона должны быть носимыми.

Во всем мире разработки систем связи и управления направлены в сторону повышения их мобильности и уменьшения массогабаритных параметров. Индивидуальные средства связи получили свое широкое развитие в гражданских областях: сотовая:' связь, спутниковая и т. д.

Уровень обеспечения информацией уже доведен до отдельного человека. Ему уже предложены системы мобильной связи с приемником глобальной радионавигационной системы, видеокамерой или даже прибором ночного видения. Эти системы передают как речевую, так и графическую информацию. Связь строится по сотовой топологии. Частотный диапазон пока не полностью определен, так как нужно учитывать условия распространения радиоволн, загруженность диапазона, разделение частот и сетей радиосвязи, пропускную способность, совместимость, радиус действия, работу в дуплексном режиме, подзарядку источников питания, радиоэлектронную помехи, конструкцию антенн, обеспечение совместимости в условиях высокой насыщенности радиполями.

Часть вышеперечисленных проблем можно решить при использовании систем связи и управления ИК-диапазона. В настоящее время наиболее оптимальным видится сочетание традиционных систем радиосвязи с оптическими видами связи. Особенно это важно при работе мощных промышленных и атомных установок.

Помимо сотовых систем связи начинают использоваться и системы внутриобъектовой связи для управления персоналом. Современные системы обладают рядом недостатков: наличие помех в объектах насыщенных мощными установками, сотовая связь или связь по рации мешает проводить работы обслуживающему персоналу внутри объекта.

В связи с этим, возникла настоятельная необходимость в создании внутриобъектовой беспроводной оптической системы связи и управления полностью размещенной в головном шлеме.

Эти работы обусловлены необходимостью разработки помехоустойчивых, надежных и живучих систем связи для передачи информации и команд управления.

Поэтому настоятельной необходимостью явилось широкомасштабное освоение оптического диапазона спектра электромагнитных волн, создание систем нечувствительных к радиоэлектронным помехам.

На современном уровне развития техники принципиально важное назначение имеет задача обеспечения максимально надежных и высокоинформативных каналов передачи информации и команд управления.

Уязвимость систем связи радиодиапазона по отношению к активным помехам, нерешенные вопросы по электромагнитной совместимости различных радиосредств, стали особенно очевидны за последние годы.

Переход в оптический диапазон за счет высокой собственной частоты электромагнитного излучения и высокой направленности обеспечивает возможность создания систем связи и управления нового поколения, отличающихся высокой скоростью передаваемой информации, надежностью, и помехозащищенностью, которые в сочетании с существующими системами радиодиапазона могут полностью обеспечить современные потребности в системах связи и управления.

Анализ современных потребностей в системах связи нового поколения показал, что практически наиболее актуальным для обеспечения надежности информационных потоков является создание и внедрение наземных, космических и воздушных средств лазерной связи, волоконно-оптических систем передачи информации, систем сотовой связи и надежных ОССУ действующих внутри объектов.

Линии связи и управления оптического диапазона имеют универсальный характер, технически очень близки и могут быть решены на единой элементной базе с некоторыми конструктивными особенностями.

Теоретические и экспериментальные исследования по созданию оптических линий связи и управления, выполненные в ведущих организациях страны, в значительной степени подготовили научную и технологическую базу для образцов систем оптической сгязи. В свете современных требований данная диссертация была сориентирована на использование высокочувствительных фотоприемников — болометров для создания ОССУ. Помимо этого была проведена успешная работа по созданию носимой беспроводной ОССУ.

Цель диссертации.

Целью диссертации является экспериментальное исследование воздействия оптических импульсов малой скважности на ВТСП болометр, как основы новой элементной базы микроэлектроники, направленное на создание широкодиапазонной стационарной оптической системы связи и управления, а также построение носимой беспроводной системы связи и управления оптического диапазона на полупроводниковой элементной базе.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1. Исследованы болометрические и шумовые свойства болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О под воздействием лазера при азотных температурах и определен максимально возможный частотный диапазон принимаемого сигнала, а также осуществлен выбор лазерного передающего модуля и проведена его модернизация.

2. Создана система связи и управления оптического диапазона для передачи речевого сигнала с приемным элементом на основе болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O.

3. Разработаны электронные схемы, позволяющие создать носимую беспроводную ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы.

4. Собраны и испытаны носимый приемо-передающий модуль и стационарный приемо-передающий модуль мобильной ОССУ для голосового управления.

Научная новизна результатов диссертации.

1. Впервые исследованы шумовые свойства ВТСП болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O и болометрический отклик при импульсном воздействии излучения лазера малой скважности, как основы новой элементной базы микроэлектроники. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1/f вплоть до 20 Гц.

2. Предложен оригинальный метод использования диодов с накоплением заряда для формирования прямоугольных импульсов тока накачки полупроводниковых инжекционных лазеров для создания ОССУ с использованием ВТСП болометрического приемника.

4. Разработана и испытана первая в мире широкополосная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра. Новизна подтверждена патентом.

5. Спроектирована и реализована уникальная беспроводная носимая ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы, состоящая из носимого в шлемофоне модуля приемопередатчика и стационарного приемопередающего модуля.

Практическая значимость диссертации.

Показана принципиальная возможность создания ОССУ с приемным элемегггом в виде сверхпроводникового болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах определило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Применение диодов с накоплением заряда обеспечит возможность кодирования информации, передаваемой в системах использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Методики и результаты исследования свойств болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O.

2. Экспериментальные методы формирования компактной схемы генератора импульсов тока для накачки лазерного диода, позволившая создавать импульсы тока 100 А, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц для работы ОССУ.

3. Широкодиапазонная стационарная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра.

4. Носимая беспроводная система связи и управления оптического диапазона на основе полупроводниковой элементной базы.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: ВНКСФ-3 и 4, Екатеринбург, 1995 и 1996 г.- III Международная научно-техническая конференция «Лазеры в науке, технике, медицине», Пушкинские горы 1997 г., «Научные сессии МИФИ- 1999, 2000, 2001, 2002, 2006, 2007, 2008 г.» — 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ32)", Казань 2000 г.- «Электроника и информатика — XXI век, третья Международная научно-техническая конференция», Москва, МИЭТ, 2000 г.- «Электроника, микро и наноэлектроника „2-ая научно-техническая конференция“, Суздаль, 2000 г., Первая международная конференция „Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'04“ Москва — Звенигород, 1822.10.2004, Научная конференция „Исследования в области физики конденсированных сред и сверхпроводимости“ РНЦ „Курчатовский институт“ 11−13.04.2006, 34 совещание по физике низких температур (НТ-34)», Ростов н/Д, 26−30.09. 2006. Публикации.

Результаты диссертации представлены в 30 научных публикациях и защищены патентом.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 65 наименований. Содержание диссертации изложено на 119 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков и 4 таблицы к основному тексту.

выводы.

В настоящей главе рассмотрены аспекты создания носимой оптической системы связи и управления на основе полупроводниковой элементной базы для обмена голосовыми сообщениями. Решены поставленные задачи по разработке и созданию электронных схем, позволяющих создать носимую беспроводную ОССУ, а также по созданию носимого в шлемофоне приемо-передающего модуля и стационарного приемо-передающего модуля мобильной асинхронной системы связи для голосового управления.

Предложено компактное приемо-передающее устройство, включающее в себя фотоприемники и светодиоды, выполненные таким образом, чтобы исключить засветку фотоприемников и обеспечить прием и передачу с диаграммой направленности 360°Х270°.

Разработано и создано готовое устройство ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Испытания показали, что в диапазоне расстояний 0,5.7 м разборчивость речевого сигнала больше 97%, что удовлетворяет стандартам телефонной связи. Максимальное расстояние устойчивой связи устройства в помещении до 8 м. В темноте на открытом пространстве максимальное расстояние устойчивой связи возможно до 15 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В исследованиях, составляющих предмет данной диссертации сформировано и развито перспективное направление прикладной физики сверхпроводимости — построение систем связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометров.

Сформированы и решены основные задачи по исследованию физических закономерностей, лежащие в основе передачи информационных сигналов по оптическому каналу с приемным элементом на базе ВТСП болометра.

Основной научный результат.

Исследованы болометрические и шумовые свойства болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О при импульсном воздействии лазера. Из характера полученных болометрических откликов определена максимальная частота детектируемых импульсов: 20 кГц. Получены значения вольт-ваттной чувствительности S ~ 20 В/Вт, порога чувствительности Ф~5><10″ 10 Вт/Гцши амплитуды собственных шумов при температуре кипения жидкого азота (иш)тах~0,7 мкВ. При снижении температуры отмечалось резкое уменьшение шумов (примерно в 30 раз). Исследована спектральная плотность шумов ВТСП болометра при различных температурах. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1/f в диапазоне до 20 Гц.

Основной теоретический результат.

Решена задача нестационарной теплопроводности для установления значений температуры болометра, при импульсном изменении лучистой мощности лазера. Показано, что учет закона Бугера-Ламберта не оказывает существенного влияния на величину времени релаксации. Также отмечено, что влияние термического сопротивления на среднеинтегральную температуру незначительно.

Основной практический результат.

На практике создана и запатентована ОССУ с приемным элементом ^ виде сверхпроводникового болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах очертило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров Bi-Sr-Ca-Cu-O. Разработана, создана и испытана на основе стандартных полупроводниковых элементов беспроводная носимая оптическая система связи и управления, состоящая из носимого в шлемофоне модуля приемопередатчика и стационарного приемопередающего модуля.

Частные практические результаты.

На основе предложенного метода использования диода с накоплением заряда разработан генератор импульсов тока для накачки лазерного диода ИЛПИ-110. Генератор обеспечивает формирование импульсов тока 100 А, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц. Данный образец обладает существенно лучшими характеристиками, чем промышленный генератор импульсов накачки лазера ГИТ-11.

Показано, что применение диодов с накоплением заряда позволяет кардинально упростить схему, и обеспечивает возможность кодирования информации, передаваемой в системах, использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Полученные результаты исследования отклика ВТСП Bi-Sr-Ca-Cu-O болометра будут полезны при разработке систем локации на его основе.

В заключение хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю Антоненко С. В., Брызгунову К. В. и Мальцеву С. Н., с которыми была выполнена значительная часть работы и всему коллективу кафедры 38 и студентам, которые помогали в работе.