4.10. Направления интеграции элементов световодных измерительных систем

Интеграция элементов, т. е. создание функционально законченного узла, содержащего несколько однородных или разнородных элементов на единой основе (подложке), изготавливаемых по единой технологии, привлекает к себе внимание в связи с потенциальными возможностями снижения массы, габаритных размеров, потребляемой мощности, улучшения параметров узлов. Для световодных измерительных систем эта проблема особенно актуальна в связи с большим влиянием на чувствительность систем амплитудных и модовых шумов в соединениях устройств. Однако это не значит, что целесообразна интеграция всех элементов и тем более на планарной подложке.

В световодных измерительных системах можно выделить четыре основных узла: электронно-оптический преобразователь, оптоэлектронный преобразователь, оптический коммутатор и оптическую схему регистрации. Эти узлы в реальных условиях эксплуатации для большинства измерительных систем пространственно разделены и соединены между собой волоконными световодами, поэтому имеет смысл говорить об интеграции элементов внутри каждого из узлов. Пространственное отделение оптической схемы регистрации от остальных узлов и соединение ее с этими узлами волоконными световодами позволяет реализовать такие достоинства световодных измерительных систем, как электромагнитная совместимость, диэлектрическое исполнение, гибкость конструкции.

Таблица 4.3. (см. скан) Направления интеграции элементов световодных измерительных систем

Конечно, есть отдельные области применения, в которых целесообразно объединение всех узлов в одном приборе и интеграция всех элементов можег дагь выигрыш по ряду параметров, но эти частные случаи требуют специального исследования. Можно, однако, заметить, что исполнение каждого элемента узла по специальной технологии и соединение этих узлов волоконными световодами обеспечивают лучшие параметры, чем изготовление по одной технологии разнородных элементов, вызывающее ухудшение параметров интегрируемых элементов.

Единой основой (подложкой) для интеграции элементов в узле можег быть волоконный световод, пластина с рядами трехмерных интегральных линз и подложка с элементами на основе планарных и полосковых световодов (табл. 4.3).

Интеграция элементов электронно-оптического преобразователя затруднена в связи с тем, что лучшие параметры излучателей достигаются при планарной технологии, а оптических вентилей и фильтров — при микрооптической или волоконной. Параметры воюконных источников излучения на сегодня не достигли значений, необходимых для широкого применения в световодных системах, планарные вентили и фильтры также не отвечают предъявляемым к ним требованиям. Кроме того, совмещение даже планарной полупроводниковой технологии изготовления лазера и планарной твердотельной технологии изготовления вентиля представляется очень сложной задачей.

По аналогичным причинам сложно осуществить интеграцию элементов оптоэлектронного преобразователя, пока не отработана технология проходного детектора (см. п. 4.5).

Интеграция элементов оптического коммутатора (ответвителей, переключателей) может быть осуществлена как на основе планарной технологии, так и на основе трехмерных интегральных линз, поскольку возможна реализация элементов и в планарном исполнении, и в микрооптическом.

Переключатели и ответвители, изготовленные на основе полосковых световодов, имеют значительные потери, большие размеры (один ответвитель 1 : 2 имеет длину порядка 20 мм), кроме того, переключатели имеют высокий уровень перекрестной помехи. На наш взгляд, достичь путем интеграции на этом принципе приемлемых параметров оптического коммутатора очень сложно. Следует также учитывать, что возможна реализация только одномодовых оптических коммутаторов.

Интеграция элементов на основе трехмерных интегральных линз позволяет изготовить одномодовые и многомодовые коммутаторы, значительно уменьшив их габаритные размеры но сравнению с коммутаторами на дискретных элементах. Можно достичь довольно высокой степени интеграции элементов Снижение габаритных размеров, видимо, основное достоинство интегрального коммутатора этого типа. Его недостатком являются ограничения, накладываемые на тип переключателя. Перекрестная помеха в переключателях на основе трехмерных линз не может быть обеспечена ниже 20 дБ.

Интеграция элементов оптической схемы датчиков целесообразна только для поляризационных и фазовых схем, так как датчики с модуляцией интенсивности содержат практически один элемент. Эти схемы в наиболее общем случае содержат поляризаторы, сенсоры и светоделительные элементы. Все элементы могут быть выполнены по волоконной, планарной и микрооптической технологии, соответственно их интеграция также может быть осуществлена на основе любого из рассматриваемых методов.

Волоконная интегральная оптическая схема регистрации (см. рис. 3.2, б) обеспечивает минимальные оптические потерн, позволяет избежать шумов в соединителях, использовать гибкость волоконных световодов для обеспечения заданной диаграммы направленности. Этот тип интегральной схемы для сенсоров из одномодового однополяризационного или обладающего большим двулучепреломлением волокна имеет значительные преимущества перед схемами на дискретных элементах (см. п. 3.5).

Для ряда поляризационных схем требуются сенсоры, изготовленные из объемных оптических монокристаллов. Такие сенсоры совместимы с многомодовыми волоконными световодами с помощью коллимирующих и фокусирующих элементов. Интегральная оптическая схема в этом случае может быть создана на основе трехмерных интегральных линз, но никакими

достоинствами по сравнению с микрооптической схемой на объемных элементах она, на наш взгляд, обладать не будет.

Для планарных сенсоров целесообразно применение интегральных схем на планарных (полосковых) световодах. Интеграция элементов, так же как и в случае волоконных схем, позволяет снизить шумы в соединениях элементов. Применение планарного интерферометра позволяет также снизить требования к фазовым шумам источников излучения в связи с возможностью (до десятых долей микрометра) обеспечить равенство длин измерительного и опорного плеч интерферометра с очень высокой степенью точности.

В целом, на наш взгляд, проблемы создания «интегральной оптики» не существует. Необходимость в интеграции элементов определяется требованиями к конкретным узлам и приборам. Для волоконно-оптических измерительных систем и локальных сетей создание интегральных оптоэлектронных и электроннооптических преобразователей не является первостепенной задачей, сомнительны преимущества и интегрально-оптического коммутатора. Для оптических схем регистрации датчиков, особенло для фазовых, создание интегральных схем необходимо для обеспечения высокой чувствительности, ради которой собственно и применяются фазовые схемы. Здесь оптимальное для сенсора исполнение определяет и выбор волоконного или планарного метода интеграции. Волоконный метод, видимо, найдет более широкое применение, так как позволяет использовать световоды большой длины в сенсорах и тем самым повышать их чувствительность. Достоинства интеграции различных функциональных элементов на базе оптического волокна будут проявляться, по-видимому, по мере создания новых материалов, из которых можно вытягивать отрезки волокна с заданными свойствами (фоточувствительные, магнито- и электрооптические, фоторефрактивные, фотоупругие и т. д.).