В настоящее время, в связи с резким повышением требования к чистоте окружающей среды и контролю производственных процессов, происходит качественное улучшение параметров аппаратуры систем сбора, передачи и обработки экологической и технической информации. Увеличивается объём собираемой информации, повышается роль цифровых вычислительных машин, новых информационных технологий, а также аппаратуры широко используемых коммуникационных систем (телефонной, радио и телевизионной связи) в системах передачи и обработки данных. Потребовалось резкое увеличение количества и качества датчиков, объемов и скорости передачи данных, дальности передачи, повышения широкополосности и информационно-пропускной способности каналов.
В 90-е годы начали интенсивно развиваться локальные, региональные и глобальные вычислительные сети и системы на базе цифровых линий связи с использованием коаксиальных, радиорелейных и спутниковых радиоканалов. Цифровые каналы передачи данныхsвычислительных сетях требуют уменьшения вероятности возникновения и уровня перекрестных помех, снижения влияния электромагнитных наводок, увеличения функциональных возможностей систем коммутации, повышение надежностных и эксплуатационных характеристик при одновременном снижении веса, габаритов, энергопотребления и стоимости изделий.
Перечисленные требования привели к необходимости использования высоких, сверхвысоких и крайне высоких частот, а также использования оптического диапазона и волоконно-оптических каналов передачи информации. Эти тенденции хорошо отражены в трудах ведущих российских ученых — академиков: Басова Н. Г., Прохорова A.M., Котельникова В. А., Гуляева Ю. В., Дианова Е. М. [1−6]- а также зарубежных ученых: Gauer Dj., Markuze R., Presby P. Mears R.G., Rashleigh S.C. и др. [8,16,17,20] Одновременно осуществлялся переход на новейшую элементную базу на основе интегральных полупроводниковых однокристальных моноблоков, больших интегральных схем (БИС) с высокой степенью интеграции и миниатюризации (акад. Алферов Ж. И., Hansperjer R., Irvin I., Robinson A.J. и др.) [1,4,5,6,12].
Особыми преимуществами для решения современных задач информационно-вычислительных систем и сетей имеет применение оптоволоконных линий связи и квантовых интегрально-оптических устройств[1−3]. Они удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и цифровыми устройствами на основе БИС[6,12]. Кроме того, оптоволоконные каналы имеют практически неограниченную широкополосность, закрытость информации от прослушивания и электромагнитных помех.
Последние достижения полупроводниковой квантовой электроники (акад. Басов Н. Г., Прохоров A.M., Алферов Ж.И.) [1,4,5] и одномодовой волоконной оптики (акад. Котельников В. А., Прохоров A.M., Дианов Е. М., Гуляев Ю.В.) [4,5], позволяют реализовать принципы когерентной оптической передачи и обработки информации. В когерентно-оптических приборах используется взаимодействие когерентных оптических волн и пучков, подчиняющихся законам волновой электродинамики и распространению радиоволн в пространстве. Для их описания применимы радиофизические принципы и методы обработки информации с применением методов нелинейной и статистической радиофизики, разработанных в работах акад. Хохлова Р. В. и проф. Ахманова С. А. и Чиркина А. С. [6,7] .
Применение интерференционного взаимодействия когерентных источников оптического излучения (одночастотных полупроводниковых лазеров), позволяет осуществить гетеродинный и гомодинный прием с переходом из оптического в радио диапазон (Григорянц В.В., Моршнев В. А., Францессон А.В.) [1,5]. Использование внутриимпульсной линейной частотной модуляции (ЛЧМ) лазерного излучения позволяет получить солитонный режим в оптическом волноводе с хроматической дисперсией, а также повысить чувствительность и разрешающую способность мультиплексированных и распределенных систем сбора информации. Механизм интерференционного взаимодействия волн аналогичен сжатию JI4M радиосигнала в согласованном фильтре на дисперсионной ультразвуковой линии задержки. Как и в радиотехнических системах, эти интерференционные взаимодействия дают возможность существенно повысить дальность передачи и увеличить широкополосность волоконно-оптических линий связи. Общие механизмы и волновые законы взаимодействия со средой позволяют считать когерентные системы радиооптическими и подчиняющимися законам радиофизики.
Переход на одномодовые волоконно-оптические линии связи и 'когерентные интегрально-оптические элементы позволил качественно улучшить характеристики отечественных технических средств связи и поднять их до уровня, не уступающего зарубежным [6]. В свою очередь, задача комплексной интеграции оптоэлектронных систем в современные телекоммуникационные системы типа «Интернет» требует коренного изменения принципов построения всей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и систем на её основе. Реализация программы комплексного подхода в создании Всероссийской информационно-вычислительной сети [5,6] позволит объединить её с глобальными спутниковыми и Европейскими волоконно-оптическими сетями и войти в международное глобальное информационное пространство в рамках сети «Интернет» и международной телефонной сети.
Волоконно-оптические системы сбора, обработки и передачи данных с удаленных объектов промышленных предприятий оказались наиболее эффективными там где высок уровень электромагнитных помех, а также во взрывои пожароопасных условиях, где необходима искробезопасность[3,120].
Методы когерентной обработки информации, применение теории многомодовой и одномодовой интегральной оптики, а также принципов построения акусто-оптических (АО) и интегрально-оптических (ИО) вычислительных элементов привели к созданию схем и устройств обработки информации, совмещающих высокоскоростное аналогово-цифровые преобразования и спектральную обработку радиосигналов с последующей обработкой данных средствами вычислительной техники или систем управления [12,14,18,19]. Важной особенностью оптических систем обработки информации является возможность обрабатывать двумерные изображения (оптические изображения).
Процесс сближения радиофизических методов и радиотехнических решений с методами и решениями на основе когерентной интегральной и волоконной оптики позволяет говорить об успешном развитии нового научного направления известного как когерентная радиооптика [12,14,19]. В частности далее будут исследованы возможности применения в волоконно-оптических системах спектрального уплотнения каналов (мультиплексирование) в оптическом диапазоне с последующим разуплотнением (демультиплексирование) в радиодиапазонегетеродинный и гомодинный приемиспользование внутриимпульсной линейной частотной модуляции с последующим «сжатием» и выделением сигнала на фоне помех в радиочастотном диапазонеиспользование радиофизических методов в абсорбционной спектроскопии.
Несмотря на быстрое развитие радиофизических идей и методов когерентной волоконной оптики, развитие и внедрение когерентных систем сбора, передачи и обработки информации сдерживается из-за слабой разработки её отдельных элементов, слабой изученности физических механизмов и наличия надёжных технологий их изготовления. Ранее такие устройства как разветвители, поляризаторы, модуляторы и дефлекторы изготавливались в виде объёмных элементов или планарных структур. Первые имели большие объемы и вес, управлялись высокими напряжениями и токами. Это приводило к низкому быстродействию, большим энергозатратам, высокой стоимости, большим габаритам и весу приборов и устройств. Для систем с планарными структурами требовались дополнительные дорогостоящие согласующие устройства и элементы сопряжения с волоконными световодами, которые как правило, имели большие вносимые потери, высокую температурную нестабильность, подверженность влиянию внешних факторов (шумы, удары, вибрация). Технология их сложна и трудно воспроизводима.
Разработка когерентных волоконно-оптических систем передачи информации [5,6], оптических процессоров [19,25], специализированных вычислительных машин нового поколения[63], а также интегрально-оптических устройств для обработки радиосигналов и других быстропротекающих процессов[11] потребовала разработки специфической элементной базы .и новых технологии изготовления основных элементов. Исследования, приведенные в диссертации, показали, что многие пассивные и активные элементы когерентных систем могут иметь волоконно-оптическое исполнение. При этом сравнительно легко решаются проблемы интеграции волоконно-оптических датчиков, модуляторов, усилителей, ретрансляторов и аналого-цифровых преобразователей в единую волоконно-оптическую систему сбора, передачи и обработки информации. В большинстве случаев, волоконные элементы наиболее эффективны в больших локальных и региональных системах открытого доступа и высокоскоростных системах сбора информации и обмена данными.
Решение задач создания специализированной волоконно-оптической элементной базы когерентных систем потребовало разработки новых радиофизических методов исследования, теоретической проработки, поиска новых конструктивных решений, а также разработки нестандартных типов волокон целевого назначения. Комплексный подход и систематизация разработок позволили найти нетрадиционные пути решения проблем повышения дальности и информационно-пропускной способности систем при одновременном снижении их энергопотребления и стоимости.
Наиболее важной проблемой построения такой элементной базы была проблема создания промышленной технологии производства высококачественных оптических волокон, которая решалась, с участием автора, в НИИ.
Электровакуумного стекла (НИИЭС). В начале были разработаны технологии изготовления изотропных одномодовых световодов с минимальными потерями и минимальной дисперсией [ 7 0″, 71 ]. Одновременно создавалось уникальное оборудование и технология для производства оптических волокон с применением С02-лазеров [72,78,82,86].
Разработанные оборудование и технология позволили приступить к созданию анизотропных одномодовых волокон с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения[75−77, 91]. Следующим этапом было создание базовых волоконно-оптических элементов: разветвителей[92,93], разъемов[71], соединителей [121], поляризаторов[104], модуляторов [71] и волоконно-оптических датчиков[171].
На завершающем этапе была разработана технология изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными элементами с целью создания, активных волоконно-оптических элементов: квантовых усилителей, ретрансляторов, лазеров с перестраиваемой частотой[117,118].
Наряду с созданием оборудования, технологии и конструкций волоконно-оптических элементов создавались уникальные радиофизические методы исследования процессов, волноводных и полевых структур, а также метрологическое оборудование. В частности, разработаны методы исследования реализаций сигналов обратного. релеевского рассеяния, модовых полей и передаточных характеристик световодов [70−77]. В последующем многие наработки этого направления послужили основой для создания волоконно-оптических чувствительных элементов и датчиковпреобразователей физических полей • и воздействий[71,119,120]. На их основе были разработаны волоконно-оптические системы контроля метана и вредных примесей в атмосфере шахт, горнодобывающих предприятий и предприятий нефтехимической промышленности[119 ], а также лазерные и огттоэлектронные системы экологического мониторинга атмосферы городов с волоконно-оптическими сетями сбора информации[122]. б.
Проведен ряд работ по исследованию электрои магнитооптических эффектов в кристаллах и волоконно-оптических структурах[122]. На основе этих эффектов разработаны приборы контроля напряженности электрических и магнитных полей, а также напряженности ВЧ и СВЧ-полей[122]. Результаты теоретических исследований и разработок волоконно-оптических элементов для этих приборов вступили в стадию опытного производства и практических реализаций в радиотехнических системах, технике связи, сбора и обработки информации[122].
Материалы по этой тематике, ввиду новизны и приоритетности, в большей части остаются закрытыми как в России, так и за рубежом. Реализация всех технологических этапов создания волоконно-оптических элементов и систем, включая конструкции технологического и контрольно-измерительного оборудования, являются бережно охраняемыми «ноу-хау». В открытых публикациях, как правило, не содержится информации, необходимой для создания реальных устройств и комплексного решения проблем их создания.
Основные трудности изготовления волоконно-оптических элементов заключаются в разработке высокотемпературных технологий, высокоточной механической обработки и работы с особочистыми материалами. Технология их изготовления требует привлечения сложных технических решений и привлечения самых современных технических средств включая лазеры, ВЧи СВЧплазмохимические установки, вакуумные установки и установки физико-химической очистки при высоких и сверхнизких температурах.
В процессе наших разработок выполнялись все этапы, включая: теоретические исследования, инженерные расчеты, разработка и изготовление оборудования, проведение экспериментальных исследований, разработка конструкторской и технологической документации, разработка и внедрение опытно-промышленной технологии с проведением установочных партий и полным циклом испытаний изделий.
Проведенные радиофизические исследования волноводных структур, процессов и полей создали базу для разработки элементной базы когерентных волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки информации. По чувствительности, помехозащищенности, широкополосности и качеству передачи они значительно превосходят все существующие системы.
Начальная работа, в части разработки технологии и оборудования для изготовления оптических волокон, была выполнена автором в период с 197 9 по 1992 г. в НИИ Электровакуумного Стекла (НИИЭС) Министерства Электронной промышленности СССР. Там же разрабатывались конструкции оптических волокон с сохранением поляризации и активные волокна, легированные редкоземельными элементами. В 19 921 995 гг. работа автора велась в НИИ Гипроуглеавтоматизации, где разрабатывались элементы волоконно-оптической системы контроля метана, СО и С02 в шахтной атмосфере. Начиная с 198 6 г. проводились также работы в Московском Государственном Институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), где автор вместе с сотрудниками кафедры Радиотехнических систем и устройств (РТУС) занимался разработкой радиофизических методов исследований и созданием волоконно-оптических элементов для обычных и когерентных ВОСП, а также разработкой систем сбора и обработки информации на основе волоконно-оптических сенсоров. Совместно с сотрудниками ВНИИРТ и кафедры РТУС МИРЭА разрабатывались системы передачи телевизионных и СВЧ радиосигналов по оптическим одномодовым волокнам и кабелям длиной до 5 км. Для создания таких радиооптических систем с частотными и временным уплотнением каналов потребовались принципиально новые подходы и новая элементная база. Были разработаны новые конструкции волокон и волоконно-оптические элементы, обеспечивающие существенное улучшение характеристик аппаратуры, а также разработаны системы контроля параметров элементов и схем.
Проводившиеся автором (с соавторами) предварительные исследования и наработки [7 0−114] показали, что квантово-электронные устройства управления параметрами лазерного излучения и оптической обработки информации: разветвители, соединители, дефлекторы, усилители, ретрансляторы, модуляторы, поляризаторы, спектроанализаторы, мультиплексоры и др. элементы, могут найти широкое применение в ВОСП широкого назначения, а также в системах сбора и обработки информации на основе волоконно-оптических датчиков. Проведенные работы по созданию электрооптических, магнитооптических и акустооптических датчиков-преобразователей физических величин показали их перспективность в таких системах. Существовавшие ранее датчики, несмотря на свои довольно хорошие характеристики обладали, тем не менее, техническими и функциональными недостатками. Они представляли собой массивные объемные структуры на основе кристаллов КДП, ДКДП, кварца, ниобата лития, танталата лития, барий-стронциевого ниобата и ряда других материалов. Они имели большие габариты и вес, минимальные управляющие напряжения составляли несколько сотен, а иногда и тысяч вольт. Переход на одномодовые волоконно-оптические элементы позволил создавать датчики интерференционного типа с характерными размерами чувствительных элементов несколько микрон с более высоким быстродействием и чувствительностью.
Из вышесказанного следует, что при создании научной и технической базы волоконно-оптических систем сбора передачи и обработки информации наиболее перспективно применение элементной базы основанной на принципах когерентной радиооптики, нелинейных квантово-оптических элементах и поляризационно-устойчивых оптических волокнах. Создание такой элементной базы требует радиофизических методов исследований, создания принципиально новой контрольно-измерительной аппаратуры, принципиально уникальных физико-химических технологий, использования лазерной техники и высокочистых материалов.
1.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
.
Стремительное увеличение объёмов информационных потоков в современном обществе требует создания быстродействующих систем сбора, передачи и обработки информации. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является использование когерентных волоконно-оптических систем, которые характеризуются высокими скоростями передачи информации, возможностью спектрального уплотнения каналов, большой дальностью передачи, помехоустойчивостью, скрытностью и закрытостью каналов. Они полностью удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и цифровыми устройствами на основе БИС.
Достижения квантовой электроники и когерентной волоконной оптики позволили реализовать радиофизические принципы обработки информации с применением методов статистической и квантовой радиофизики, нелинейного оптического преобразования, интерференционных и поляризационных эффектов, использованием внутриимпульсной модуляции. Это позволяет существенно повысить чувствительность сенсорных элементов, увеличить дальность передачи, широкополосность и информационно-пропускную способность волоконно-оптических линий связи.
Переход на когерентные волоконно-оптические элементы, устройства и линии связи позволяет качественно улучшить характеристики отечественных технических средств сбора, передачи и обработки информации, обеспечивающих решение задач экологического контроля состояния атмосферы, радиационных, электромагнитных и оптических полей, и довести их до уровня современных требований.
Интеграция когерентных оптоэлектронных систем с современной радиоэлектронной аппаратурой позволит реализовать комплексного подход в создании контрольно-измерительной аппаратуры, систем экологического контроля и производственных систем контроля и управления. В последующем, отдельные системы могут быть подключены к Всероссийской информационно-вычислительной сети и объединены с глобальными спутниковыми и волоконно-оптическими сетями. Это даст возможность войти в международное информационное пространство объединяющее телефонные и телевизионные каналы, а также цифровые сети, объединяющие глобальные гидрометеорологические и экологические наблюдения.
Методы. когерентной обработки информации, использование достижений теории и практики многомодовой и одномодовой волоконной оптики, а также принципов построения акусто-оптических (АО) и интегрально-оптических (ИО) измерительных и вычислительных элементов, привели к созданию схем и устройств обработки информации, совмещающих высокоскоростные аналогово-цифровые преобразования и спектральную обработку оптических и радиосигналов с применением вычислительной техники. Важной особенностью оптических систем обработки информации является возможноств обработки двумерных изображений (оптических изображений), а также акустооптической реализации быстрого преобразования Фурье и корреляционного анализа.
Новые достижения радиофизических методов и технических решений с методами и решениями на основе когерентной интегральной и волоконной оптики позволяет говорить об успешном развитии радиофизического направления — когерентной волоконной радиооптики. В диссертации показаны следующие возможности улучшения систем на основе радиофизических принципов когерентной радиооптики: создание высокочувствительных и широкодиапазонных интерференционных и поляризационных волоконно-оптических датчиковспектральное уплотнение каналов (мультиплексирование) в оптическом диапазоне с последующим разуплотнением демультиплексирование) в радиодиапазонегетеродинный и гомодинный прием на основе дифракции и интерференциииспользование внутриимпульсной линейной частотной модуляции с последующим «сжатием» и выделением сигнала на фоне помех в оптическом (солитонный режим) или радиочастотном диапазонеиспользование радиооптических методов в абсорбционной спектроскопии для выявления вредных примесей в атмосфере.
Вместе с тем, следует отметить, что многие идеи и когерентной волоконной радиооптики остаются нереализованными из-за слабо разработанной методической и элементной базы. Недостаточно разработаны принципиально новые подходы в создании сенсорных систем.
Работы в этом направлении ведутся во всех передовых странах и соответствуют общемировым тенденциям развития принципиально новых, наукоёмких информационных технологий на базе достижений радиофизики, квантовой электроники и волоконной оптики.
2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Разработка радиофизических методов исследования, обработки и представления информациии, раскрытие физической сущности механизмов, обеспечивающих создание базовых волоконно-оптических элементов и функциональных устройств высокоинформативных когерентных волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации на основе комплексного использования квантовых, поляризационных, интерференционных и нелинейных оптических эффектов с применением последних достижений радиофизики и оптоэлектроники.
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.
При проведении исследований использован математический аппарат решения дифференциальных уравнений второго порядка в обыкновенных и частных производных, корреляционный и спектральный анализ, методы математической статистики, векторный и тензорный анализ, аппарат теории случайных процессов, теория связанных волн, методы геометрической и волновой оптики, методы статитистической радиофизики. В экспериментальных исследованиях применяли оптические и радиофизические методы с использованием серийных, аттестованных приборов. Обработку данных проводили на ЭВМ.
4. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
1. Разработаны научные и технические основы радиофизических методов исследования элементов .и функциональных устройств волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации, а также методов оптимизации оптоволоконных волноводных структур и способов их изготовления с применением лазеров и нелинейных оптических материалов.
2. Создан комплекс радиофизического оборудования и проведены исследования спектров вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в многомодовых и одномодовых световодах, легированных бором и германием, с целью получения импульсных источников излучения с широким спектральным диапазоном, а также показана возможность их использования в радиофизических системах экологического контроля атмосферы.
3. Разработаны и исследованы элементы искрои взрывобезопасной волоконно-оптической системы контроля метана, углеводородов и примесей вредных газов в атмосфере на основепринципов когерентной радиооптики и лазеров с перестройкой частоты.
4. Создана экспериментальная аппаратура для исследования модовых структур и оптических полей световодов в ближней и дальней зоне, проведены исследования яркостных полей изотропных и анизотропных одномодовых световодов в различных спектральных диапазонах (в маломодовом и одномодовом режиме), получены аппроксимации гауссовыми кривыми яркостного распределения поля в одномодовом режиме.
5. Создана пикосекундная лазерная установка с перестраиваемым параметрическим преобразователем света на кристалле йодата лития и проведены исследования дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов в одномодовых световодах с различными волноводными структурами.
6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования распространения волн и обменных процессов в волноводных структурах с целью получения анизотропных поляризующих и сохраняющих поляризацию одномодовых световодов, созданы установки для исследования их поляризационных характеристик магнитным и акустическим методами, разработаны оригинальные конструкции анизотропных световодов.
7. Проведены исследования волноводных структур изотропных и анизотропных одномодовых световодов и, на их основе, разработаны и внедрены методы изготовления изотропных световодов с низкими потерями и минимальной дисперсией, отличающиеся повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции и приёмы изготовления ряда базовых волоконно-оптических элементов и устройств для когерентных систем сбора, передачи и обработки информации включая сенсорные волоконно-оптические элементы поляризационных датчиков-преобразователей напряженности электрических и магнитных полей.
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.
5.1. Впервые разработана научная, техническая и технологическая база для создания искрои пожаробезопасных волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации на примере системы контроля содержания вредных газов и взрывоопасных примесей метана в атмосфере угольных шахтах.
5.2. Разработан и использован в работе ряда предприятий комплекс аппаратуры для исследования модовой структуры и яркостного распределения модового поля, динамических и поляризационных характеристик одномодовых волокон с сильным и слабым двулучепреломлением.
5.3. На АО НФ «ЗАВОД ЭЛЕКТРОПРОВОД» создана и внедрена установка и технология лазерной обработки поверхности кварцевых оптических заготовок перед вытяжкой световодов.
5.4. Разработана и внедрена на заводе при НИИЭС технология изготовления одномодовых световодов с минимальными потерями и дисперсией, устойчивых к внешним воздействиям по Техническим условиям ТХ0735.113ТУ, а также технология изготовления одномодовых световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения (ТХ0735.132ТУ) (Акты внедрения прилагаются).
5.5. Разработана экспериментальная установка для изготовления сплавных разветвителей с применением лазерного нагрева и получены экспериментальные образцы одномодовых разветвителей с равномерным делением мощности и со спектральной избирательностью каналов.
5.6. Создана и внедрена на опытном заводе при НИИЭС установка и технология вытяжки кварцевых световодов с применением С02-лазера.
5.7. Разработанные и изготовленные под руководством и участии автора одномодовые оптические волокна и кабели длиной до 5 км и волоконно-оптические элементы обеспечили разработку во ВНИИРТ аппаратуры цифровой многоканальной передачи данных в режиме временного уплотнения типа «Телебит -5» и «Телебит-6» со скоростью передачи цифровой информации до 5 60 Мбит/с.
5.8. Результаты, полученные автором, используются в работе ряда предприятий, а также в учебном процессе МИРЭА (ТУ) при чтении лекций, проведении лабораторных работ и дипломном проектировании.
6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
6.1. Принципы создания искрои пожаробезопасных волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации на примере систем контроля содержания вредных и взрывоопасных примесей в атмосфере, методы расчетов и экспериментальные результаты, связанные с созданием волоконно-оптических элементов и устройств когерентных систем сбора экологической и технической информации.
6.2. Методы исследования модовой структуры и распределения яркости оптических полей одномодовых световодов, методы аппроксимации двумерного распределения яркости гауссовыми кривыми, экспериментальные аспекты создания комплекса контрольно-измерительного оборудования для определения параметров волоконных световодов.
6.3. Методы и аппаратура, для экспериментальных исследований дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов в одномодовых волоконных световодах с различной волноводной структурой, на основе импульсных пикосекундных лазеров с параметрическим преобразователем частоты в диапазоне 0,8 — 1,7 мкм.
6.4. Математические модели и экспериментальные исследования волновых процессов в анизотропных поляризующих и сохраняющих поляризацию одномодовых световодах, комплекс контрольно-измерительного оборудования и методы измерения параметров для исследования основных функциональных характеристик анизотропных одномодовых волоконных световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения.
6.5. Принципы оптимизации волноводных структур, с целью создания изотропных одномодовых световодов с предельно низкими потерями и минимальной дисперсией устойчивых к внешним воздействиям, а также создания анизотропных одномодовых световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения.
6.6. Методы расчета параметров и исследования характеристик пассивных, оптически активных и квантовых волоконно-оптических сенсорных элементов и функциональных устройств на основе изотропных и анизотропных одномодовых волокон, а, также волокон, легированных редкоземельными элементами.
7. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА.
Личный вклад автора состоит в постановке актуальных задач, разработке теоретических методов и принципиальных подходов их решения, в формулировке и решении конкретных технических и исследовательских проблем, в разработке научного обоснования исследований, в научном руководстве и личном участии при проведении теоретических и экспериментальных исследований. Автор непосредственно участвовал в разработке и создании когерентных волоконно-оптические систем экологического контроля шахтной атмосферы, лазерной техники и технологии изготовления оптических волокон и волоконно-оптических элементов, конструировании технологического и контрольно-измерительного оборудования, анализе и обобщении результатов. В диссертации использованы материалы ряда НИР и ОКР, где автор являлся научным руководителем, заместителем руководителя или ответственным исполнителем работ[30−35]. Ряд способов и устройств, предложенных автором, защищен авторскими свидетельствами и патентами[2−20, 3640, 52] .
8. АПРОБАЦИЯ.
Основные результаты диссертации докладывались на конференциях и семинарах:
IV-ой Всесоюзной Конференции «Волоконно-оптические системы передачи информации», Москва, 198 4 г.
V-ой Всесоюзной Конференции «Волоконно-оптические системы передачи информации», М., 1988 г.
V-ой Всесоюзной школе-семинаре. «Проблемы совершенствования устройств и методов приёма, передачи и обработки информации», М, 1988 г., 11-м Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение волоконно-оптических систем передачи и обработки информации в энергетических комплексах», 1988, г. Севастополь.
Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении», 1989 г., г. Севастополь.
Всесоюзной конференции «Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных систем», 1990 г., г. Севастополь.
51-ой и 52-ой Научной сессии PHT0 им. А. С. Попова, посвященной дню радио, 1997 г. и 1998 г., г. Москва. ряде отраслевых и межотраслевых семинарах, конференциях и выставках 1982;1999 гг., г. Москва. ряде научно-технических конференций МИРЭА в период 1985;1998 гг.
— научно-техническом семинаре секции «Оптоэлектро-ника и волоконно-оптические устройства» PHT0 им. А. С. Попова, 1997, 1999 г. Москва.
9. ПУБЛИКАЦИИ.
Основные результаты диссертации содержатся в 2 8 опубликованных статьях и докладах, 23 авторских свидетельствах, 9 научно-технических отчетах, 2 учебных пособиях.
ВЫВОДЫ.
1. Разработаны радиофизические методы исследования, принципы конструирования, методики расчетов и получены экспериментальные результаты, связанные с созданием волоконно-оптических элементов и устройств когерентных систем сбора, обработки и передачи экологической и технической информации.
2. Создана установка и разработан метод получения импульсного излучения с широким спектральным диапазоном на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в многомодовых и одномодовых световодах, легированных бором и германием, с целью выявления вредных примесей в атмосфере.
3. Разработаны теоретические и прикладные аспекты создания волоконно-оптических систем и сетей экологического контроля вредных примесей в атмосфере когерентными радиооптическими методами на примере волоконно-оптической системы контроля метана в атмосфере угольных шахт с использованием лазеров с перестройкой частоты.
4. Показаны преимущества волоконно-оптические датчиков и систем контроля метана в угольных шахтах взрывоопасных по газу и пыли, а также при добыче и переработке природного газа и углеводородов, в части взрывои пожаробезопасности с приведением опробованных схем, устройств, систем и конструкций датчиков.
5. Разработаны теоретические и прикладные аспекты создания чувствительных элементов волоконно-оптических систем контроля электрических и магнитных полей с целью выбора оптимальных конструкций датчиков-преобразователей для измерения токов и напряжений в электрических цепях, в том числе и высокочастотных.
6. Разработаны методики и созданы комплекты контрольно-измерительного оборудования для исследования модовой структуры и распределения яркости оптических полей одномодовых световодов.
7. Создана аппаратура для исследования дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов в одномодовых световодах и разработаны методы исследования и оптимизации дисперсионных характеристик одномодовых волокон.
8. Создан комплекс контрольно-измерительного оборудования и методики для измерения параметров и поляризационных характеристик анизотропных одномодовых световодов с сильным двулучепреломлением и сохранением поляризации излучения.
9. Разработаны конструкция оптических волокон с гиперболическим профилем показателя преломления, обладающими предельно низкими потерями, устойчивостью к внешним воздействиям, минимальной дисперсией и оптимальными условиями ввода излучения.
10. Предложены оригинальные конструкции, методики расчета параметров и технологические приёмы изготовления одномодовых оптических волокон с высокой степенью анизотропии и сохранения поляризации.
11. Рассмотрены теоретические и практические аспекты разработки волоконно-оптических элементов и устройств когерентных систем передачи информации с частотным уплотнением каналов, а также элементов голографических систем хранения, передачи и обработки информации.
12. Предлагаемые в диссертации волоконно-оптические элементы когерентных систем, контрольно-измерительное оборудование и способы изготовления, могут успешно применяться при создании современных многоканальных и широкополосных ВОСП, а также в системах экологического и технологического мониторинга.
ЗАКЛЮЧЕНЕ.
Основным результатом настоящей диссертационной работы является разработка радиофизических методов исследования базовых элементов и устройств когерентных волоконно-оптических систем сбора и обработки информации, а также принципов построения важнейших элементов и устройств. Разработан ряд стендов и проведены экспериментальные исследования характеристик элементов и систем.
Принципы построения волоконно-оптических систем сбора и обработки информации опробованы на лабораторных макетах систем экологического контроля атмосферы угольных шахт, совмещающих сбор производственно-технической информации.
В соответствии с выше изложенным, в настоящей работе получены следующие новые результаты:
— разработаны принципы построения и исследованы волоконно-оптические системы контроля метана, углеводородов и примесей вредных газов в атмосфере на основе принципов когерентных радиооптических систем и лазеров с перестройкой частоты, а также поляризационные волоконно-оптические датчики-преобразователи напряженности электрических и магнитных полей;
— созданы установки для исследования модовых оптических полей световодов и проведены экспериментальные исследования полей маломодовых и одномодовых световодов, позволившие разработать методы определения основных функциональных параметров и характеристик изотропных и анизотропных одномодовых световодов;
— создана установка для исследования дисперсионных характеристик и солитонного режима распространения импульсов в одномодовых световодах проведены исследования и разработаны методы оптимизации дисперсионных характеристик;
— разработаны методы изготовления одномодовых световодов с предельно низкими потерями и минимальной дисперсией, устойчивые к внешним воздействиям, а также технологии изготовления одномодовых световодов с сильным двулучепреломлением и высокой степенью сохранения состояния поляризации излучения;
— разработаны методы создания и проведены исследования базовых волоконно-оптических элементов для когерентных датчиков, систем связи и голографических систем (соединителей, разъемов, разветвителей, поляризаторов, устройств ввода-вывода и коллимирования излучения);
— исследованы спектры вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) многомодовых и одномодовых световодов, легированных бором и германием.
На основе опыта разработки и исследования волоконно-оптических элементов когерентных систем можно предложить следующие перспективные направления в области создания волоконно-оптические систем сбора, передачи и обработки информации:
— разработка когерентных распределенных сенсорных волоконно-оптических систем с использованием солитонного режима распространения импульсов;
— разработка портативных устройств голографической записи, считывания и обработки информации на основе одночастотных полупроводниковых лазеров и одномодовых волокон;
— разработка волоконно-оптических устройств обработки быстропротекающих процессов (спектроанализаторы, корреляторы, аналого-цифровые преобразователи, согласованные фильтры радиосигналов);
— создание устройств обработки и передачи двумерных изображений в виде Фурье образов;
— создание радиооптических устройств обработки радиолокационных и видеосигналов на основе волоконно-оптических линий задержки;
— создание волоконно-оптических элементов виртуальной и энергонезависимой магнитооптической памяти большой информационной емкости для высокоскоростных ЭВМ;
— разработка волоконно-оптических систем непрерывного мониторинга атмосферы и контроля экологической обстановки.