. О Б О З Р Е Н И Е. П Р И К Л А Д Н О Й И П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О Й Т о м 23 М А Т Е М А Т И К И В ы п у с к
О Б О З Р Е Н И Е. П Р И К Л А Д Н О Й И П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О Й Т о м 23 М А Т Е М А Т И К И В ы п у с к

О Б О З Р Е Н И Е. П Р И К Л А Д Н О Й И П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О Й Т о м 23 М А Т Е М А Т И К И В ы п у с к

1 О Б О З Р Е Н И Е П Р И К Л А Д Н О Й И П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О Й Т о м 23 М А Т Е М А Т И К И В ы п у с к В. П. Д у р а е в, С. В. М е д в е д е в (Москва, ЗАО «Новая лазерная технология»). Элементная база фотоники для систем передачи и защиты информации. В данной работе представлены результаты исследований, разработки и промышленного выпуска отечественных полупроводниковых элементов фотоники для систем передачи и защиты информации (одномодовых одночастотных перестраиваемых полупроводниковых лазеров, передающих оптических модулей, полупроводниковых оптических усилителей, приемных модулей, суперлюминесцентных диодов). Приведены основные их характеристики. Представлен краткий анализ современного состояния разработок и выпуска представленных изделий. Представленные в данной работе и выпускаемые отечественной промышленностью полупроводниковые приборы прежде всего направлены на импортозамещение. Представленные в данной работе изделия защищены патентами РФ [1]. Современные информационные сети нельзя себе представить без применения в них элементов фотоники. Примером тому является то, что полупроводниковые лазеры, приемные и передающие оптические модули и усилители сделали возможны революционное преобразование в области средств связи (заменив проводные и кабельные линии на волоконно- оптические) в устройствах записи, хранения, передачи, защиты и обработки информации. Использование волоконно-оптической связи позволяет значительно снизить вес, увеличить скорость передачи информации, повысить помехозащищенность и долговечность. Полупроводниковые лазеры, приемники излучения, оптические усилители нашли также широкое применение в таких областях науки и техники, как волоконно-оптические датчики (температуры, давления, растяжения, сжатия, вращения и т. д.), в спектроскопии высокого разрешения, в научном приборостроении и в медицинской и экологической аппаратуре [2, 3, 4,]. Активные элементы представленных приборов изготавливались из квантоворазмерных эпитаксиальных структур (в зависимости от длины волны излучения) на основе арсенида галлия или фосфида индия с использованием МОС гидридной эпитаксии. Конструктивно активные элементы имели полосковый волновод, что обеспечивает локализацию света и носителей тока в канале шириной мкм. Эти лазеры позволяют реализовать генерацию одной моды и снизить пороговый ток до 5 ма. В последние годы, в квантово-криптографической аппаратуре стали использоваться перестраиваемые одночастотные лазеры с волоконно-брэгговскими резонаторами или с распределенной обратной связью с шириной излучения 1 МГц и менее. Наиболее полно требованиям квантово-криптографической аппаратуры отвечают лазеры с длиной волны излучения 1,3 и 1,55 мкм. Лазеры имеют диапазон перестройки длины волны 2 нм и мощность излучения до 100 мвт и более. Большинство одиночных полупроводниковых лазеров для многих применений выпускаются в конструкции типа 14pin-DIL и «Butterfly» (международный стандарт). Основными элементами лазерного модуля являются лазерный диод, элемент Пельтье, фотодиод обратной связи, оптический изолятор, одномодовый световод со c Редакция журнала «ОПиПМ», 2016 г.

2 2 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике сферической или с цилиндрической линзой на конце световода, оптический разъем FC/PC или FC/APC[5,6,7]. Конструкция активного элемента лазерного диода показана на рис. 1 Рис. 1. Активный элемент лазерного диода Принципиальная схема перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазера с волоконно-брэгговской решеткой на пьезокерамике показана на рис. 2. Рис. 2. Принципиальная схема перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазера с волоконно-брэгговской решеткой Перестройка длины волны за счет растяжения решетки с помощью подачи напряжения на пьезокерамику показана на рис. 3 и рис. 4. Рис. 3. Спектр перестройки излучения лазера в зависимости от напряжения на пьезокерамику

3 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике 3 Рис. 4. График перестройка длины волны Внешний вид одночастотного перестраиваемого лазера показан на рис. 5. Схема включения показана на рис. 6. Рис. 5. Внешний вид одночастотного полупроводникового лазера Рис. 6. Схема включения одночастотного перестраиваемого полупроводникового лазе ра Основные характеристики одночастотных перестраиваемых полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой представлены в табл. 1.

4 4 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике Таблица 1. Длина волны, нм Мощность, мвт Тип резонатора Ширина линии, кгц ВБР < ВБР < ВБР < ВБР < ВБР < ВБР < ВБР < ВБР < 500 Ресурс работы составляет более 500 тыс. часов. Ширина линии излучения КГц. Диапазон плавной перестройки длины волны 2 нм. Основные характеристики одночастотных DFB-лазеров представлены в табл. 2. Таблица 2. Длина волны, нм Мощность, мвт Ширина линии, МГц < < < 5 Оптические усилители Усиление оптических сигналов рассматривалось первоначально как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах. Однако с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало самостоятельным направлением развития оптической техники. В настоящее время наметились несколько направлений в создании оптических усилителей [8, 9, 10]. Принципиальная схема оптического усилителя показана на рис. 7. Основные типы оптических усилителей: эрбиевые усилители; полупроводниковые усилители; параметрические усилители. Рис. 7. Принципиальная схема оптического усилителя Основные характеристики полупроводниковых оптических усилителей приведены в табл. 3.

5 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике 5 Таблица 3. Тип ПОУ Длина волны Коэффициент Ширина линии (нм) усиления (дб) усиления (нм) ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ ПОУ Ресурс работы составляет более 50 тыс.часов. Суперлюминесцентные диоды Отечественные суперлюминесцентные диоды (СЛД) выпускаются в диапазоне длин волн нм с мощностью излучения от 0,1 до 50 мвт. Ширина спектра излучения СЛД составляет нм. Основные характеристики суперлюминесцентных диодов приведены в табл. 4. Таблица 4. Длина волны Мощность Спектральная Ток накачки, ма излучения СЛД, нм излучения мвт, ширина контура излучения СЛД, нм не более не более не более не более не более не более не более 300 Приемники оптического излучения Наряду с полупроводниковыми лазерами в оптических системах большое место занимают приемники оптического излучения. В настоящее время отечественной промышленностью созданы приемники излучения в спектральном диапазоне от ультрафиолета до глубокой инфракрасной области. Наиболее широкое применение в волоконно-оптических линиях связи нашли применение приемные оптические модули на основе р-i-n фотодиодов с длиной волны излучения 500 до 1700 нм. Для высокоскоростных ВОСП разработаны приемные модули, имеющие в своем составе твердотельный усилитель с полосой до 2,5 ГГц. Основные параметры приемного модуля ФДМ-14-2К и приемного модуля с предусилителем ФДУ-1 представлены в таблицах 5 и 6. Модули имеют волоконно-оптический выход с коннектором типа FC/PC как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении.

6 6 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике Таблица 5. Таблица 6. Температура 25 C Мин Тип Макс Чувствительность А/Вт 0,9 0,95 1,0 Темновой ток на 0,5 1 2 Обратное напряжение В Длина волны нм Емкость пф 0,5 1 2 MAX MIN TYPICAL МАХ Unit Длина волны nm Динамический диапазон dbm Чувствительность фотоприемника 0,9 0,9 1 A/W Емкость фотоприемника 0,7 1 pf Длительность фронтов выходных импульсов 2 nsec Ширина полосы пропускания 115 MHz Диапазон рабочих температур C Напряжение питания 4,5 V Конструкции, представленных в данной работе полупроводниковых приборов по фатонике выпускаемых отечественной промышленностью, показаны на рис. 8. Рис. 8. Конструкции полупроводниковых приборов по фотонике Заключение. Таким образом, в работе изложены основные характеристики выпускаемых отечественной промышленностью одномодовых, перестраиваемых одночастотных полупроводниковых лазеров, приемно-передающих модулей, полупроводниковых оптических усилителей, суперлюминесцентных и торцевых светодиодов. Приведены их основные конструктивные и эксплуатационные характеристики. Передающие и приемные модули, полупроводниковые оптические усилители, суперлюминисцентные диоды работают в широком интервале длин волн ( нм), имеют мощность излучения от единицы до 100 мвт, ресурс работы составляет более 500 тыс. часов и по своим параметрам соответствуют лучшим зарубежным образцам. Практически все выпускаемые приборы защищены патентами РФ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Дураев В. П. Отечественные оптоэлектронные компоненты для современных ВОСП. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2005, 1, с

7 XVII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике 7 2. Голикова Е. Г. и др. Квантовая электроника, 1953, 24(2), с Дураев В. П. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1992, 3 4, Слепов Н. Н. Оптические усилители, Connect. Мир связи, 1999, ч. 1, 8, с Волоконно-оптическая техника (история, достижения, перспективы). Под ред. С. А. Дмитриева, Н. Н. Слепова. М.: Connect, 2000, 376 с. 6. Курков А. С., Наний О. Е. LIGHTWAVE, Russian edition, 2003, 1, с Дураев В. П., Неделин Е. Т., Недобывайло Т. П., Сумароков М. А., Климов К. И. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн нм. Квантовая Электроника, 2001, т. 31, 6, с Дураев В. П., Медведев С. В. Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры. Физика и техника полупроводников, 2014, т. 48, в. 1, с Дураев В. П., Медведев С. В. Полупроводниковые оптические усилители в диапазоне длин волн нм. Научное приборостроение, 2012, т. 22, 3, c Ви Ван Лык, Дураев В. П., Елисеев П. Г. и др. Оптический усилительный модуль, Москва, Препринт ФИАН, 1989.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎