ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА

Определение. Интегральная оптика (ИО) представляет собой раздел оптоэлектроники, связанный с изучением и использова­нием генерации, направленного распространения, преобразования электромагнитных волн оптического диапазона в тонкопленочных волноводах и других пленочных оптических и оптоэлектронных элементах, совместно образующих миниатюрные твердотельные устройства—оптические интегральные схемы¹. В этом определе­нии подчеркнем два момента. Во-первых, интегральная оптика представляет раздел оптоэлектроники, а не оптики (как нередко утверждается), и обусловлено это тем, что ИО-устройства практи­чески всегда (за исключением некоторых простейших примеров) содержат активные оггтоэлектронные элементы (лазеры, фотопри­емники, другие преобразователи). Во-вторых, в интегральной оп­тике применяются не одиночные элементы (пленочные волноводы, лазеры и др.), а их комбинации; при этом связь, взаимодействие элементов друг с другом является определяющим фактором, как физическим, так и технологическим.

Реально оптическая интегральная «схема» (рис. 7.5) изготав­ливается на плоской подложке площадью в несколько квадрат­ных сантиметров, ее тонкопленочные элементы располагаются на поверхности подложки (или компланарно непосредственно под нею). Плоские оптические волноводы представляют собой тонко­пленочный аналог волоконно-оптических световодов (см. гл. 9), а функционально — аналог металлических проводников и составля­ют основу ИО-схемы: они соединяют активные пленочные элемен­ты, обеспечивая выполнение устройством требуемого функцио­нального назначения. Поскольку и активные элементы геометри­чески подобны волноводам, в определенном смысле можно счи­тать, что вся схема состоит из волноводов. Оптоэлектронный ха­рактер ИО-схем позволяет реализовать входы и выходы, а также источники питания как в оптической, так и в электрической форме.

Количественным критерием, по которому пленочный элемент относится к сфере интегральной оптики, является соизмеримость толщины пленки и длины волны излучения: лишь при этом воз­никают качественные отличия от традиционной «объемной» оп­тики.

Физическую основу интегральной оптики составляют волновые процессы в плоских оптических волноводах, обычно диэлектриче­ских, иногда полупроводниковых; в этой связи правомерен термин «волноводная оптика», который нередко используется в публика­циях раечетно-теоретического ха­рактера.

Рис. 7.5. Интегрально-оптический приемник ВОЛС: 1 — подложка; 2 — волоконный элемент ввода; 3 — спектральные фильтры; 4 — встроенные лазеры; 5 — фотоприемники

Конструктивно - технологичес­кие особенности нового направле­ния связаны с расположением пленочных элементов в одной плоскости (в плане) — отсюда происходит термин «планарная оптика», также получивший неко­торое распространение. При его употреблении обычно имеется в виду не только указанный гео­метрический фактор, но и то, чтопри изготовлении ИО-элементов широко используются процессы планарной технологии микроэлектроники: эпитаксия, диффузия, ионно-лучевая обработка, фотолитография и др.

Приборную сущность нового направления определяет интегра­ция функционально различных оптических и оптоэлектронных элементов в единое устройство, в схему; отсюда и термин «инте­гральная оптика», получивший наиболее широкое распростране­ние.

Физические основы. Интегральная оптика тесно переплетается с волоконной, базируясь на тех же качественных представлени­ях, физических эффектах, математическом аппарате модовой и лучевой теорий (см. гл. 9). Специфика данного рассмотрения обусловлена: отличием геометрии прямоугольного плоского волно­вода от цилиндрического волоконного; более существенной ролью неидеальностей в граничных плоскостях, что связано с технологи­ей получения плоских волноводов; необходимостью анализа не только пассивных (как в волоконной оптике) волноводов, но и активных, образуемых усиливающими, фоточувствительными, пре­образующими средами; относительно малой длиной волноводов в ИО-схеме (до единиц сантиметров).

Модельная абстракция ИО-светопровода представляется в ви­де плоской сандвич-структуры (рис. 7.6), в которой все три среды бесконечны в направлениях х и у, а среды 2, 3 полубесконечны в направлении z. Излучение в среде 1 распространяется вдоль х, в направлении у все параметры волны одинаковы, т. е. задача двухмерная. Для каналирования оптической энергии в среде 1 обязательна ее большая оптическая плотность (n₁>n₂>n₃ ); вол­новод предполагается асимметричным, т. е. (n₁ —п₃)/(п₁—п₂)>1. При сделанных предположениях должны учитываться лишь от­ражения на границах 1—2 и 1—3, при этом определяющими яв­ляются процессы на границе 1—2.

Условие существования т направленных мод в плоском асим­метричном волноводе, подобное аналогичному условию для ци­линдрических волокон, имеет вид:

Рис. 7.6. Модель интегрально-оптического волновода

где ∆n = n₁—n₂; λ_в — длина волны излучения в среде 1; m = 0, 1, 2,... — модовое число. Отсюда условие отсечки, определяющее минимальную, критическую толщину волновода, каналирующего хотя бы одну λ₀-моду, имеет вид:

где λ ₀ — длина волны излучения в вакууме.

Из формулы, в частности, видно, что одномодовый режим име­ет место при

Отметим, что существование W_кр характерно лишь для асим­метричного волновода; в симметричной структуре нулевая мода распространяется при любой толщине волновода.

Заметим, что в многомодовых волноводах в первом приближении число направляемых мод m~W, тогда как в цилиндрических во­локнах имеет место квадратичная зависимость m от характерис­тического геометрического параметра — диаметра сердечника.

Особенность ИО-устройств заключается в разнообразных про­явлениях эффекта оптического туннелирования, суть которого со­стоит в том, что между двумя близко расположенными (но не со­прикасающимися)

Рис. 7.7. Оптическое туннелирование: а — геометрия связанных волноводов; б — распределение амплитуд электрического поля излучения, распространяющегося по I и II волноводам

волноводами может происходить когерентная перекачка энергии. В гл. 9 отмечается, что строгое решение волно­вого уравнения для волоконного световода приводит к выводу, что поле любой каналируемой моды не обрывается на границе сердеч­ник— оболочка, а частично просачивается в оболочку. Такая же ситуация имеет место и при анализе плоских волноводов, при этом «хвосты» направляемых мод заходят и в подложку, и в окружаю­щую среду или покрытие (рис. 7.7).

Перекрытие «хвостов» мод близко расположенных волноводов и вызывает перекачку энергии из одного волновода в другой. Иными словами, волна, распростра­няющаяся по одному волноводу, возбуждает соседний с ним вол­новод. Такая ситуация является достаточно общей и может реали­зоваться при взаимодействии и разнородных по форме и оптиче­ским свойствам элементов; важно лишь, чтобы они были близко расположены друг к другу (с зазором 7_Р/4 и менее) и выполнялись необходимые для когерентной перекачки фазовые соотношения. Вобщем случае это достигается выбором направления распростра­нения падающей волны в конкретном примере, представленном на рис. 7.7, когерентность перекачки энергии автоматически обеспе­чивается полной симметричностью устройства.

Эффективность связи двух ИО-элементов характеризуется ко­эффициентом связи у_св, см^-1, или длиной связи L_cв (протяжен­ностью участка взаимодействия, на котором происходит практиче­ски полная перекачка мощности); справедливо соотношение

Для пары компланарных волноводов (см. рис. 7.7) зависимость эффективности связи от геометрических факторов определяется вы­ражением

где у₂ — коэффициент поглощения волны в подложке между вол­новодами. Перекачка мощности волны из канала I в канал II оп­ределяется соотношениями:

где у_х — коэффициент поглощения волны в материале волновода; х отсчитывается от точки, где начинается взаимовлияние двух све­товодов.

Реальные значения коэффициента связи у_св=10 см^-1; это значит, что длина взаимодействия волноводов для обеспечения эф­фективной перекачки энергии должна составлять не менее не­скольких миллиметров.

Потери поглощения, приводящие к затуханию волны по мере ее распространения в плоском волноводе, определяются теми же эф­фектами, что и в оптических волокнах, однако количественные раз­личия очень существенны. Можно записать

где Коб, Крел, Кизл, Уев — коэффициенты поглощения, обусловленные объемными потерями в материале волновода, релеевским рассея­нием, излучением в местах изгиба волновода и перекачкой энер­гии вследствие оптического туннелирования. Приемлемый для ИО- устройства уровень линейных потерь составляет 1 ... 3 дБ/см, что при переходе к коэффициенту поглощения дает xi~0,25... 1 см^-1.

Характерная особенность планарных волноводов — преоблада­ние релеевского рассеяния на шероховатостях поверхности над рассеянием, обусловленным объемными фазовыми флуктуациями (что имеет место в ВОЛС). При этом

где От — усредненная глубина шероховатостей; практически «опас­ны» значения им.

Объемные потери для диэлектрических (стеклообразных и им подобных) волноводов пренебрежимо малы; однако они должны учитываться, если волновод изготовлен из полупроводника. В слу­чае, когда межзонное поглощение исключено (7о>7г_Р), существен­ным остается поглощение излучения свободными носителями заря­да, концентрацию которых обозначим N_Q. При этом

где С_д — константа (пропорциональна 7²о), причем для арсенида галлия С_д«10~¹⁷ см². Таким образом, получение малого значения и₀б затруднено, так как требует концентрации легирующей приме­си ниже 10¹⁷ см^-3, но на таких пленках плохо реализуется лазер­ный эффект.

Потери излучения несущественны для прямолинейных волново­дов (за исключением случая W«U7_KP), а для изогнутых с радиу­сом кривизны г в участков справедливо

причем константы В\, В₂ резко увеличиваются при уменьшении An. Для типичного отношения Дп/щ^Н/о допустимы искривления с Гв^10²7_в. При более крутых изгибах потери оказываются непри­емлемо высокими.

Материалы, технология, элементы. Элементную базу интеграль­ной оптики можно подразделить на пассивные элементы (волново­ды, плоские аналоги приборов геометрической оптики устройства ввода-вывода излучения) и активные элементы (лазеры, фотопри­емники, элементы управления световым потоком, элементы преоб­разования светового сигнала).

Все разработанные волноводы конструктивно достаточно одно­типны: световод прямоугольного сечения располагается на поверх­ности подложки (см. рис. 7.6) либо погружен в нее (см. рис. 7.7) „ либо «утоплен» (т. е. находится под поверхностью). Диапазоны изменения определяющих параметров следующие: 117=0,3... 10 мкм, d=3... 100 мкм, Ап\п\ — 10^-2 ... 10"³.

Рис. 7.8. Пассивные интегрально-оп­тические элементы: а — линза; б — зеркало; в — направленный ответвитель

Фокусирующий линзовый эффект может быть получен не­сколькими способами, в частности созданием утолщения или не­однородности по п_х внутри криволинейного контура (рис. 7.8,а). Подобным образом может быть выполнена планарная призма.

Утолщение действует подобно изменению п, так как скорость рас­пространения волны зависит от толщины волновода. Наилучшее планарное «зеркало» образует брэгговская дифракционная решет­ка (рис. 7.8,6), при этом для 100%-го отражения необходимо из­готовить не менее нескольких сотен штрихов. Возможно создание зеркала путем протравливания волновода «насквозь» — при этом достаточно лишь одной канавки. Действие направленного ответ- вителя (рис. 7.8,в) было рассмотрено при объяснении эффекта оптического туннелирования.

Проблема ввода-вывода — одна из ключевых для интегральной оптики — решается многими способами, но поиски оптимально­го решения продолжаются. Поперечный линзовый ввод (рис. 7.9,с) требует неотражающей торцовой поверхности волновода, очень точной юстировки и фактически применяется лишь при ла­бораторных исследованиях. Призменный ввод (рис. 7.9,6), осно­ванный на оптическом туннелировании и позволяющий достигать почти 100%-ной эффективности, удобен и в исследованиях, и в практических разработках; основные недостатки — нарушение плоскостности структуры, введение дополнительного элемента гибридности, увеличение габаритных размеров. Наиболее важны­ми являются дифракционный ввод (рис. 7.9,в) и ввод с помощью клина (рис. 7.9,г). В последнем случае излучение вводится через подложку, поэтому поверхность ИО-схемы остается свободной. Этот же метод используется для соединения разнородных элемен­тов внутри схемы, например сильнолегированной активной облас­ти лазера и слаболегированного световодущего слоя полупровод­ника.

Перспективен голографический ввод (рис. 7.9,6), основанный на том, что структура поля излучения, вытекающего из волново­да на нарушенном участке, записывается на голограмму, а для ввода используется принцип обратимости лучей при записи и вос­произведении голограмм. Важнейшее достоинство метода — воз­можность через один элемент ввести излучение в большое число волноводов и тем самым обеспечить когерентность потоков в мно­гоэлементной сложной ПО-схеме.

Основной тип излучателя для ПО-схем — полосковый гетеролазер с распределенной обратной связью (рассмотрен ранее). От­метим два специфических момента: во-первых, в ИО-схемах такой лазер может использоваться не только для генерации, но и в ре­жиме усиления и, во-вторых, при этом возможна оптическая накач­ка лазера.

В фотоприемниках ИО-схем могут использоваться те же прин­ципы детектирования излучения, что и в традиционных фотоприем­никах. На рис. 7.10 представлены структуры с р-n-переходом и с барьером Шотки. Основная проб­лема заключается в сопряжении фотоприемника с волноводом. Перспективным представляется и использование ИО-фоторезисторов, однако это направление развито слабо.

Элементы управления (потока­ми излучения в ИО-схеме и пре­образователи оптической -волны фактически представляют собой те же .плоские волноводы или участки подложки, но изготовлен­ные из оптически активных ве­ществ — нелинейно-, акусто-, электрооптических и др. Харак­терная особенность интегрально-оптических элементов заключается в их избирательности, способ- лести выполнять заданные функции лишь при

определенном модовом (и тем более спектральном) составе излучения.

Рис. 7.10. Интегрально-оптические фотоприемники с р-n-переходом (а) и с барьером Шотки (б)

При изготовлении описанных ИО-элементов опробовано много различных материалов (табл. 7.2). Для их синтезирования на по­верхности подложки или внутри нее используются способы, в ос­новном заимствованные из тонкопленочной и полупроводниковой технологий; часть этих способов разработана или модифицирова­на специально для задач интегральной оптики. Тонкие пленки раз­личных стекол (Si0₂, Та₂Об и др.), а также электрооптических по­ликристаллических диэлектриков изготавливаются осаждением из газовой фазы (как в производстве оптических волокон), методом электронно-лучевого вакуумного испарения, посредством ионно- плазменного распыления в высокочастотном разряде. Полимерные пленки наносятся из растворов методами окунания, пульвериза­ции, центрифугирования так, как это делается в фотолитографии. Полупроводниковые ИО-структуры создаются способом эпитакси- ального выращивания: газофазного (главным образом типа МОС), жидкофазного, из молекулярных пучков.

Широко распространен метод создания ИО-структур, основан­ный на изменении оптической плотности части материала подлож­ки путем легирования ее различными примесями; при этом исполь­зуются ионная имплантация, термическая диффузия, ионный об­мен — процесс направленного дрейфа ионов в нагретом стекле, по­мещенном в электрическое поле.

Рисунок интегрально-оптической схемы создается так же, как в микроэлектронике: методами литографии, ионно-плазменного травления, локальной эпитаксин.

Устройства интегральной оптики. Ряд ИО-устройств прошел стадию лабораторных проработок и получил статус полупромыш­ленной продукции; среди них могут быть выделены оптические коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), анализа­торы спектра радиосигналов и в первую очередь ИО-датчики (см. § 7.3).

В интерференционном волноводном модуляторе (рис. 7.11,а) входной оптический поток разводится по двум идентичным кана­лам, разделенным в пространстве. При подаче на электроды уп­равляющего сигнала U (i) изменяется показатель преломления (волноводы изготовлены из электрооптического материала, обыч­но ниобата лития), вследствие чего возникает фазовый сдвиг между волнами в двух каналах. На выходе интерференция этих волн преобразует фазовую модуляцию в модуляцию интенсивно­сти суммарного потока. Использованная здесь структура пред­ставляет интерферометр Маха — Цандера — элемент, широко рас­пространенный в интегральной оптике; в общем случае измене­ние длины оптического пути в одном из плеч интерферометра мо­жет осуществляться при воздействии не только электрического по­ля, но и света, температуры, давления и т. п.

Оптический переключатель по конструкции подобен направ­ленному ответвителю (см. рис. 7.8,е), но изготавливается из электрооптического материала и снабжен металлическими элект­родами; при подаче сигнала на электроды изменяется коэффи­циент связи.

Объединение элементов, аналогичных описанным, позволяет проектировать более сложные коммутационные устройства (на­пример, переключатель 4X4 на рис. 7.11,6): характерными для этих устройств являются широкая полоса частот (более 10¹⁰ Гц), высокая скорость переключения (до Ю^-12 с), низкие управляю­щие напряжения (0,1 ... 10 В).

Рис. 7.11. Интегрально-оптические коммутационные устройства: а — интерференционный модулятор; б—переключатель 4X4 (/ — подложка; 2 — волновод; 3 — металлические электроды)

Аналого-цифровой преобразователь (рис. 7.12) представляет собой решетку из N однотипных, интерферометров Маха — Цанде­ра, длины которых L_i = 2ⁱ~^[L_l (i = 2, 3, 4,...). Фаза волны одного плеча относительно другого в каждом модуляторе изменяется на

Рис. 7.12. Интегрально-оптический аналого-цифровой преобразователь: 1 — лазер; 2 — решетка модуляторов; 3 — фотоприемники; 4 — усилители фотосигналов; 5 — компараторы

величину, пропорциональную NiU(t). Выходной световой поток каждого модулятора детектируется отдельно, и фотосигналы пос­ле усиления сравниваются в Ni электронных компараторах с поро­говым уровнем. Таким образом, входной сигнал U(t) преобразу­ется в цифровую форму, причем выход каждого модулятора дает один двоичный разряд.

Особый интерес к ИО-АЦП обусловлен тем, что для реализа­ции N разрядов необходимо N компараторов, тогда как для элек­тронного АЦП требуется компараторов. Отсюда следует, что при использовании оптических средств достигается резкое уп­рощение схемы и, как следствие, снижение потребляемой мощно­сти и повышение быстродействия (спектр преобразуемого сигнала может превышать 1 ГГц). По входным и выходным сигналам ИО-АЦП полностью совместим с традиционными интегральными микросхемами — это обстоятельство является решающим факто­ром их быстрого внедрения.

В интегрально-оптическом анализаторе спектра (рис. 7.13) ра­диолокационный сигнал возбуждает в планарном волноводе по­верхностную акустическую волну (ПАВ), на которой дифрагиру­ет распространяющийся по этому волноводу лазерный луч. При этом каждой частоте радиосигнала соответствуют определенные длина акустической волны и угол отклонения дифрагированного луча и, как следствие, определенный элемент в линейке фотопри­емников (фотодиодов или ФПЗС). Особенность этого устройства, как и других ИО-устройств, — очень широкая полоса частот ана­лизируемых сигналов (выше Г ГГц).

Рис. 7.13. Интегрально-оптический спектроанализатор: 1 — лазер; 2 — линзовый расширитель лу­ча; 3 — фокусирующая лииза; 4 — линей­ка фотоприемников; 5 — возбудитель встречно-штыревого типа; 6 — поверхност­ная акустическая волна

Отметим в заключение, что описанные устройства, как прави­ло, гибридны (лазеры, фотоприемники находятся вне подложки), однако имеется принципиальная возможность их полной интегра­ции.

Оптическая бистабильность. Успехи современной микроэлект­роники основываются, в частности, на обычно забываемом факте, что транзисторы характеризуются ярко выраженной нелиней­ностью характеристик. Это позволяет создавать высокоэффектив­ные бистабильные устройства, в которых слабое воздействие на входе приводит к значительным изменениям на выходе. А такие устройства — техническая основа обработки дискретных двоичных информационных сигналов в вычислительной технике. Поэтому вопрос о возможности реализации бистабильных устройств явля­ется принципиальным при оценке перспектив различных направ­лений в развитии информатики.

Поиски оптической бистабильности начаты в середине 1970-х гг., об их важности свидетельствует то, что в начале 1980-х гг. по этой проблеме образовано Европейское сообщество. Наибольшие успехи достигнуты при использовании сред, обладающих тем или иным видом оптической нелинейности. В объемной модели при­бора, называемого иногда оптическим транзистором, такая среда помещается внутри резонатора Фабри — Перо (рис. 7.14,с). Фе­номенологическое описание его работы выглядит следующим об­разом. Поступающий на вход поток (I₁, λ₁) выводит структуру в предпороговое состояние, при этом прозрачность ее низка и сиг­нал на выходе мал (I_з≤0). Подача управляющего сигнала (I₂, λ₂), даже малого по интенсивности, резко просветляет структуру, и выходной сигнал становится значительным (I_з ≥ I₁). Отличие в общем случае длин волн выходного и входного потоков обусловлено возможными нелинейными преобразованиями в сре­де. Переход из одного состояния в другое нередко носит гистерезисный характер. Анализ передаточных характеристик устройст­ва показывает, что оно может использоваться в качестве элемен­та памяти (характеристикa вида, приведенного на рис. 7.14,6), ключа (при любом виде характеристик на рис. 7.14,6, в), усилите­ля (на линейном участке характеристики рис. 7.14,е). Проводя аналогию с обычным транзистором, укажем, что световые потоки I₁, I₂, I₃ подобна электрическим токам эмиттера, базы и коллек­тора соответственно. Заметим, что на рис. 7.14,а показан общий случай; чаще всего потоки I₁ и I₂ совпадают (по направлению и длине волны), т. е. 1₂ = I₁ представляет собой приращение вход­ного потока.

Рис. 7.14. Оптическое бистабильное устройство (а) и разновидности его передаточных характеристик (б, в)

Типовой способ реализации оптической бистабильности — воз­буждение когерентным потоком резонатора Фабри — Перо с поме­щенной в него средой, показатель преломления которой зависит от интенсивности света. Наиболее перспективными материалами для оптических тран­зисторов являются полупроводники: у многих из них (InSb, GaAlAs, Ge, ZnS, ZnSe, GdSe, CdS и др.) обнаружены нелиней­ности одного из рассмотренных видов и, кроме того, они удобны для изготовления интегрально-оптических структур.

Оптические транзисторы как основа универсальных цифровых процессоров характеризуются сочетанием ряда уникальных свойств, таких как функционирование на основе оптических эффек­тов без электронных преобразований и обусловленное этим отсут­ствие паразитных реактивностей, связей, наводок; сверхвысокое (до Ю^-12 с) быстродействие; возможность реализации многоуров­невой логики; избирательность воздействия на каждый из посту­пающих в устройство световых лучей, которые в отличие от элект­рических сигналов не смешиваются; возможность многоканальной параллельной обработки информации и реализации принципиально новых функций (например, различная обработка одного и того же сигнала, расщепленного на входе).

Интегральная оптика дает удобные технологические средства для эффективной приборной реализации оптической бистаби юно­сти: это малое поперечное сечение оптических волноводов, а так­же возможность последовательного выращивания большого числа полупроводниковых слоев.

Важнейшим для интегральной оптики явилось открытие опти­ческой бистабильности в многослойных квантово-размерных струк­турах. По существу такая структура представляет собой сверхре­шетку, состоящую из большого числа (до нескольких тысяч) чере­дующихся сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны (обычно GaAs и GaAlAs). Сверху и снизу к структуре подводятся электрические контакты, к которым прикладывается обычное для полупроводни­ковых диодов напряжение смещения. Оказывается, такие структу­ры обладают собственным электрооптическим эффектом. В темно- вом состоянии в слоях с меньшей шириной запрещенной зоны кон­центрируются электроны и дырки, причем существование кванто­вых (потенциальных) ям удерживает эти носители в связанном, экситонном состоянии. При воздействии внешнего лазерного излу­чения экситоны начинают распадаться, образующиеся электроны и дырки уменьшают проводимость этих слоев, что приводит к пере­распределению внешнего напряжения между слоями. В результа­те меняются оптические свойства слоев с большей шириной запре­щенной зоны. Описанный процесс носит регенеративный характер (благодаря внутренней положительной обратной связи), вследст­вие чего и возникает оптическая бистабильность.

Описанное устройство характеризуется «вертикальной интегра­цией», выходящее из структуры излучение пригодно для запуска последующего устройства, расположенного вслед за первым. Раз­работаны также многослойные квантово-размерные структуры, в которых бистабильность возникает при распространении оптиче­ской волны вдоль слоев. Малые геометрические размеры структур позволяют иметь пороги переключения на уровне десятков пико- ватт.

Основные концепции. Перспективы развития современной ин­тегральной оптики следует рассматривать в аспекте сопоставления принципиальных достоинств и недостатков данного направления и оценок его предельных возможностей. Поскольку часто одно и то же свойство ИО-элемента может проявляться и как достоинство, и как недостаток в зависимости от решаемой задачи, будем гово­рить об особенностях интегральной оптики в сопоставлении с «объемной» оптикой, с одной стороны, и с «кремниевой» микро­электроникой— с другой.

Первая важнейшая особенность заключается в планарности, плоскостности ИО-элементов, использовании при их изготовлении хорошо разработанных технологических процессов традиционной микроэлектроники, таких как ионные имплантация и травление₎ диффузия, фотолитография и др. Отсюда компактность, надеж­ность, технологичность, низкая стоимость, принципиально достижи­мые для ИО-устройств. Правда, до настоящего времени не удалось найти единый материал, на основе которого было бы возможно изготовить ИО-схему (как на кремнии в микроэлектронике), по­этому большинство созданных устройств гибридны. Нахождение единого материала, а им может быть только полупроводник, явля­ется важнейшей задачей, стоящей перед интегральной оптикой. Лишь пассивные ИО-схемы (наборы волноводов с коммутационны­ми элементами) могут выполняться по монолитной технологии и обладатьцеречисленными достоинствами.

Вторая\особенность интегральной оптики состоит в том, что носителем информации является когерентная световая волна, а не поток электронов (как в электронных схемах) и не «шумовой» по­ток фотонов (как в некогерентной оптоэлектронике). Отсюда сле­дуют такие важные достоинства, как сверхвысокая емкость ИО- каналов передачи информации, помехозащищенность, электриче­ская развязка. Исключительно важна совместимость ИО-устройств с системами, оперирующими оптическими информационными сиг­налами: ВОЛС, оптоэлектронными датчиками, оптическими ЗУ. Но это же обстоятельство — использование когерентных волн — дела­ет ИО-устройства чувствительными к малейшим технологическим несовершенствам: нанометровым шероховатостям границ, кон­центрационным неоднородностям, разной толщине волноводов и др. Отсюда появление пространственных шумов, обусловленных частичным рассеянием каналируемой волны и фазовыми флук- туациями, вызываемыми всеми видами оптических неоднородно- стей. Это приводит к снижению разрешающей способности прибо­ров, возникновению паразитных связей между элементами, умень­шению динамического диапазона, расширению полосы частотно- избирательных структур, нарушению фазового синхронизма интер­ферирующих волн.

Даже простые манипуляции с когерентной волной, такие как распространение по криволинейному волноводу, отражение с по­мощью дифракционной решетки, перекачка из одного канала в другой, требуют фрагментов очень большой протяженности (до (10²... 10³)Я_В), что приводит к малой поверхностной плотности размещения элементов, низкой степени интеграции (вряд ли удастся превысить 10²... 10³ элементов на подложке). По анало­гии с традиционной микроэлектроникой ИО-схемы можно отне­сти к «миллиэлектронике». Плотность размещения компонентов в лучшем случае приближается к той, которая была в интеграль­ных микросхемах низкой степени интеграции начала 1960-х гг.

Высокая чувствительность параметров распространяющейся волны к любым нарушениям идеальности структуры проявляется и как достоинство при создании ИО-датчиков.

Третья особенность интегральной оптики — малое поперечное сечение волновода, соизмеримое с площадью сечения элементар­ного «монолуча», ограничиваемой дифракционным пределом (око­ло Я²/4). Поэтому в ИО-устройствах можно получить сверхвысо­кую плотность оптической мощности (до 10⁸ Вт/см²) при малой мощности применяемых лазеров и тем самым использовать раз­нообразные нелинейно-оптические эффекты (как, например, в оп­тическом транзисторе). Разная скорость распространения различ­ных волноводных мод и межмодовое взаимодействие позволяют в ИО-устройствах реализовать такие эффекты, которые обычно свойственны лишь анизотропным средам (например, двулучепре- ломлеиие).

Но эта же особенность — малость поперечного сечения волно­вода — проявляется в «одномерности» распространяемых волн: интегральная оптика — это «оптика монолуча» в отличие от объ­емной оптики — оптики светового потока. Таким образом, утра­чивается чуть ли не основное достоинство оптических систем — возможность параллельной, многоканальной обработки информа­ции; проблематичным становится использование /голографии.

Из рассмотрения перечисленных факторов .следует, что ин­тегральная оптика не может выступать в качестве универсально­го средства информатики, альтернативного «кремниевой» микро­электронике. Наиболее разумными областями применения прин­ципов и средств интегральной оптики представляются следующие:

1. Оконечные и ретрансляционные устройства ВОЛС. С этого, по существу, началась интегральная оптика, и здесь она несом­ненно окажется наиболее полезной.

2. Дискретные активные элементы (лазеры, фотоприемники, модуляторы, направленные ответвители и др.), при изготовлении которых методами интегральной оптики достигаются существен­но более высокие параметры, например полосковые лазеры с рас­пределенной обратной связью.

3. Принципиально новая технология создания «чисто оптиче­ских» пассивных и активных (перестраиваемых) элементов (лин­зы, призмы, фильтры и др.). Сочетание планарной технологии с принципами градиентной оптики (т. е. направленным пространст­венным изменением оптических свойств среды для достижения в ней требуемых светопередающих характеристик) открывает воз­можность изготовления высококачественных безаберрационных элементов в массовом производстве с высокой воспроизводи­мостью параметров и низкой стоимостью. При этом, чтобы «от­теснить» объемную оптику, необходимо развить технику много­канальных, многослойных ИО-устройств¹, что достаточно слож­но, но несомненно практически достижимо.

4. Интегрально-оптические датчики (см. § 7.3).

5. Специальные устройства оптической вычислительной техни­ки, главным образом аналогового типа, простыми средствами реализующие некоторые алгоритмы, «трудные» для цифровой тех­ники (спектроанализаторы, конвольверы радиосигналов, АЦП). Успех этого направления зависит не только от достижения высо­ких параметров перечисленных устройств, но и в не меньшей степени от их совместимости с изделиями традиционной микро­электроники.

6. Плоские аналоги волоконных световодов, технологически совместимые с полупроводниковыми микросхемами. В логических схемах на арсениде галлия применение для связи плоских свето­водов обеспечит сверхскоростную (до 10~^и с) обработку, потен­циально присущую транзисторам. Плоские световоды представ­ляют собой наиболее удобное средство параллельного переноса информации^ в кремниевых микропроцессорных сверхкристаллах (т. е. в кристаллах с числом элементов более 10^е). Наконец, све- товодные связи могут оказаться очень перспективными в решении проблемы «интеграции на целой пластине» (ИЦП), т. е. при объ­единении в единую систему годных кристаллов большой кремние­вой пластины 6e3N ее разделения.

Возможность Интеграции оптических и электронных схем на одной монолитной подложке и соединения с ней волоконно-опти­ческих элементов представляется столь значительной, что ее вы­деляют в самостоятельное направление микроэлектроники — ин­тегральную оптоэлектронику¹.

7. Сверхбыстродействующие цифровые ИО-устройства на ос­нове эффекта нелинейно-оптической бистабильности как элемент­ная база суперкомпьютеров пятого поколения (со скоростью об­работки и передачи данных до 10¹⁰ бит/с).

Интегральная оптика существует уже около 20 лет, но, как и на начальном этапе развития, для нее характерно «много опти­ки и мало интеграции». Практический выход этого направления еще очень незначителен, если проводить сравнение с такими же по продолжительности этапами развития микроэлектроники (1960—1980 гг.) или волоконно-оптической связи (1966—1986 гг.). От успехов развития перечисленных перспективных направлений зависит ответ на вопрос, займет ли интегральная оптика соот­ветствующее ее потенциальным возможностям место в оптоэлект- ронике и электронной технике.

7.3.ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ

Общая классификация. Датчик или сенсор (от англ. sens — чувство) представляет собой преобразователь иеэлектрических воздействий или внешних воздействующих факторов (ВВФ) в адекватные им электрические сигналы. Необходимость и важность контроля и измерения разнообразных ВВФ несомненна; характер­ная особенность текущего и будущего десятилетий состоит в том, что по мере электронизации всех отраслей народного хозяйства меняются требования к датчику: на смену громоздким, ненадеж­ным, иногда без электрического выхода приборам (представим, например, оптический пирометр или бытовой психрометр) долж­ны прийти датчики, совместимые с другими изделиями микроэлек­троники. Основные требования к такому датчику: высокая точ­ность, однозначность, быстрота измерения; интеграция в одном устройстве чувствительного элемента (ЧЭ), схемы преобразова­ния вырабатываемых им сигналов к стандартному виду и необ­ходимых линий связи; избирательность, т. е. способность выделе­ния данного воздействия на фоне других ВВФ; многофункцио­нальность, т. е. пригодность для одновременного контроля двух или нескольких разнородных воздействий: миниатюрность, твердо- тельность, низкая стоимость; работоспособность в жестких эксплу­атационных условиях, надежность, долговечность.

Среди наиболее распространенных ВВФ можно назвать темпе­ратуру, давление, линейную и угловую скорость; вибрацию, ус­корение, скорость потока и состав газа или жидкости, акустиче­ское, электрическое и магнитное поля, излучение (световое, ради­ационное) и др. К числу потребителей датчиков относятся авиа­ционная и автомобильная электроника; технология химического, текстильного, микроэлектронного и фактически любого другого производства; робототехника; контрольно-измерительная аппара­тура, сельское хозяйство; медицина, бытовая техника. Большин­ство прогнозов приводит к заключению, что в будущем около 20% всей продукции электроники придется на датчики.

Разнообразные возможности для построения датчиков дает оптоэлектроника. Общая схема любого оптоэлектронного датчика представляет собой оптронную структуру, содержащую излуча­тель, фотоприемник, оптическую среду¹ между ними, а также эле­менты электронного и оптического обрамления. Оптическая среда является чувствительным элементом, свойства которого изменя­ются под влиянием ВВФ.

Это изменение происходит прямо, непосредственно или кос­венно, двухступенчато через предварительное изменение характе­ристик другой — промежуточной — среды или промежуточного элемента (ПЭ), взаимодействующей с оптическим чувствительным элементом (ОЧЭ). В схеме промежуточного преобразования чаще всего различные внешние воздействия преобразуются в механиче­ское перемещение.

В оптической среде на основе электро-, магнито-, акусто-, ме- ханооптического или других эффектов происходит изменение па­раметров, воздействующее на проходящее через эту среду излу­чение.' Это показатель преломления или поглощения, коэффициент отражения, сдвиг края полосы поглощения (эффект Келдыша — Франца), нарушение условия полного внутреннего отражения, изменение длины образца, изменение длины оптического взаимо­действия. двух образцов и т. п. Это ведет к модуляции излучения, проходящего через ЧЭ и появлению сигнала на выходе фотопри­емника. Условно последовательность преобразований в датчике можно представить в виде

где δ₁ … δ₅ — возмущение (изменение) внешних воздействующих факторов, характеристик промежуточного элемента, оптических свойств чувствительного элемента, параметров излучения, сигна­ла фотоприемника.

Возможна модуляция оптической волны по пяти ее основным характеристикам: амплитуде (интенсивности), фазе, поляризации, частоте, виду спектрального распределения; практическое рас­пространение получили лишь первые три. Соответственно по ис­пользуемому виду модуляции выделяют амплитудные, фазовые (интерференционные) и поляризационные датчики.

По конструктивным признакам среди оптоэлектронных датчи­ков можно выделить четыре основные группы.

Оптопары с открытым оптическим каналом: в этом канале раз­мещается промежуточный элемент (или контролируемая среда), модулирующий излучение.

Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве ЧЭ пленарный светопровод, изготовленный методами интегральной оптики.

Датчики с волоконно-оптическими связями, в которых переда­ча оптической энергии к ЧЭ (или ПЭ) и от него осуществляется по оптическим волокнам.

Волоконно-оптические датчики, в которых само волокно пред­ставляет собой ЧЭ.

Среди приборов четвертой группы могут быть выделены рас­пределенные и точечные датчики: модуляция излучения осущест­вляется либо на протяженном отрезке световода, либо в локаль­ной области (хточке»).

Приведем еще несколько возможных, но не рассматриваемых далее вариантов оптоэлектронных датчиков. Чувствительным эле­ментом в оптопаре может быть излучатель (использование, на­пример, изменения мощности излучения при давлении на GaAlAs- структуру) или фотоприемник (например, фотомагнитодиод); в этом случае оптическая связь служит для удобства считывания информации или для оптимизации измерительного режима и к физическим основам работы датчика отношения не имеет. Датчи­ками оптических сигналов и оптических полей являются уже рас­смотренные дискретные и многоэлементные фотоприемники .

Оптопары с открытым оптическим каналом (рис. 7.15). Эти датчики удобны для контроля числа и положения объектов, а также состояния их поверхности, считывания дискретной инфор­мации с перфоносителей, измерения скорости вращения, фикса­ции наличия жидкости и т. п. Из-за сложности различения двух близких положений ПЭ оптопары с открытым каналом использу­ются главным образом в качестве предельных переключателей (счетчиков ситуаций «есть — нет»). Конструктивно наиболее удобны отражательные оптопары — одностороннее расположение относительно контролируемого объекта позволяет встраивать их практически в любое существующее оборудование. Чувствитель­ность, помехозащищенность, устойчивость к фоновой засветке возрастают при

Рис. 7.15. Оптопары с открытым оп­тическим каналом щелевого типа (а) и отражательная (б)

создании растра — периодически чередующихся темных и светлых промежутков — на поверхности промежуточно­го элемента. Это позволяет преобразовывать механические переме-

щения в частоту выходного сигнала. Дополнительные возможности растровая отражательная оптопара приобретает при введении в ее конструкцию еще одного симметричного с первым фотоприемника и использовании принципа дифференциального считывания инфор­мации.

Оптопары с открытым оптическим каналом успешно использу­ются и для анализа газовой «ли жидкой среды. Обычно целью та­кого анализа является не выяснение состава (он известен априо­ри), а определение процентного содержания той или иной прпме- си. Принцип действия оптоэлектронного газоанализатора (исполь­зуем это неточное, но краткое наименование) основан на избира­тельности спектральной характеристики поглощения излучения мо­лекулами примеси. В приборе используются два излучателя — из­мерительный с длиной волны λ_изм, соответствующей максимуму поглощения, и опорный с длиной волны λоп в «прозрачной» части спектра. Сопоставление сигналов фотоприемника от этих двух из­лучателей при известных длине оптического пути лучей света и ко­эффициенте поглощения позволяет определить содержание данной примеси в жидкости или газе. Наиболее широкое распространение получили оптоэлектронные влагомеры, работающие на данном принципе; при высоком содержании влаги используется слабый пик поглощения (λ_изм=1,42 мкм или λ_изм = 0,95 мкм, λ_0п =1,62 или λ_0п=1,06 мкм), а при низком — сильный пик поглощения (λ_изм = 1,94 мкм или λ_оп=1,75 мкм). Эти приборы успешно зарекомендова­ли себя при контроле влажности зерна, тканей, хлопка, пищевыхзаготовок и т. п. Тот же принцип использован для контроля содер­жания воды, сероводорода, солей в нефти, содержания кислорода в крови. На амплитудной модуляции поглощения и рассеяния све­та основан принцип действия лазерных анализаторов дыма и пы­ли в атмосфере.

Интегрально-оптические датчики. В этих приборах в качестве чувствительного элемента используют плоский однослойный свето­провод, изготавливаемый методами интегральной оптики на ди­электрической подложке. С одного конца к светопроводу подсоеди­няется излучатель (лазер, светодиод), с другого — фотоприемник (обычно фотодиод). Ввод-вывод излучения осуществляется

принятыми для интегрально-оптических устройств методами: с по­мощью призм, дифракционных решеток, волоконных световодов, вмонтированных в торцы светопровода; возможны и полностью ин­тегрированные структуры. В основе принципа действия таких дат­чиков лежит нарушение условия полного внутреннего отражения (ПВО) для световых лучей, распространяющихся вдоль светопро­вода, и, как следствие, — изменение сигнала фотопрпемника. Ис­пользуются два основных механизма нарушения ПВО. Во-первых, это размещение промежуточной среды поверх светопровода и из­менение ее показателя преломления под влиянием ВВФ и действия электро-, магнитооптических и других эффектов (рис. 7.16,а).

Рис. 7.16. Интегрально-оптические датчики: а — с промежуточной средой (ПС); б — с переменной геометрией промежуточного элемента (ПЭ) (/ — излучатель; 2 — свето­провод; 3 — фотоприемник)

Как частный случай в качестве промежуточной среды может использо­ваться сам анализируемый материал. По такой схеме работают, например, индикаторы вида жидкости. Другой механизм регули­руемого нарушения ПВО основан на изменении площади оптиче­ского контакта промежуточного элемента со светопроводом под влиянием ВВФ (рис. 7.16,6). На таком принципе основаны датчи­ки давления, усилия, перемещения. Иногда воздействующий фак­тор сам выполняет функцию промежуточного элемента с перемен­ной геометрией; таковы датчики инея и росы, обледенения, сенсор­ные (тактильные) переключатели.

На подобных принципах могут работать и датчики, использую­щие в качестве ЧЭ объемные светопроводящие пластинки (кварце­вые, стеклянные и др.), однако, поскольку чувствительность растет обратно пропорционально толщнне светопровода, реальные перс­пективы имеют лишь датчики с интегрально-оптическим ЧЭ.

Датчики с волоконно-оптическими связями. В датчиках с BOJ1C содержатся самые разнообразные ЧЭ, располагаемые в месте раз­рыва обычной BOJ1C, изменяющие свои свойства под влиянием ВВФ и воздействующие на светопередачу BOJ1C. В сосуде с зер­кальными стенками (рис. 7.17,а) благодаря многопроходностп обе­спечивается большая длина оптического пути в среде (газе, жид­кости), заполняющей этот сосуд. Это позволяет выявлять слабые линии поглощения и по ним идентифицировать малые количества примесей. В другой конструкции (рис. 7.17,6) используется сдвиг края полосы фундаментального поглощения в полупроводнике при воздействии на него электромагнитных полей (эффект

Рис. 7.17. Датчики с волоконно-опти­ческими связями, использующие раз­личные чувствительные элементы (ЧЭ):

а — сосуд с жидкостью; б — полупровод­никовый кристалл; в — шторку; г — мем­брану (1 — излучатель; 2 — фотоприемник; 3 — волоконный световод)

Келдыша-Франца), температуры или анизотропного сжатия. В обоих датчи­ках излучатель должен работать на определенной длине волны.

Наиболее простым является датчик с механической шторкой, перекрывающей большую или меньшую часть светового потока (рис. 7.17,в). При тщательном выполнении механической части, использовании не одиночных волокон, а жгутов в таких приборах удается достигнуть удовлетворительной чувствительности, линейно­сти, воспроизводимости измерений при широком диапазоне изме­нения контролируемого воздействия.

Наиболее широко распространенными являются датчики с ЧЭ мембранного типа (рис. 7.17,г), в которых такие внешние воздействия, как давление, ускорение, вибрация, микроперемещения, пре­образуются в изменение положения мембраны относительно тор­цов подводящего и отводящего световодов и тем самым в измене­ние сигнала фотоприемника. Достоинства датчиков данной конст­рукции повторяют присущие волоконно-оптическим линиям связи; из наиболее существенных укажем помехоустойчивость, малые потери, широкополосность, работа с оптическим сигналом без преобразования, отсутствие электрических цепей, взрывобезопасность.

3. Волоконно-оптические датчики (ВОД).

Устройства, в которых чувствительным элементом является часть волокна, произвели под­линный переворот в развитии оптоэлектронных датчиков. Волокон­но-оптические датчики с амплитудной модуляцией обычно основа­ны на управляемом нарушении условия ПВО в месте резкого из­гиба волокна (рис. 7.18,а) или на некоторой длине волокна, под­вергнутого деформации (рис. 7.18,6). При этом часть светового по­тока выходит из сердцевины в оболочку волокна, а из оболочки возвращается в сердцевину или рассеивается в окружающем про­странстве (механизм процесса распространения излучения в двух­слойных и градиентных волокнах рассмотрим на сл. занятии). Модуляция светопропускания осуществляется вследствие изменения степени деформирования волокна или путем помещения изогнутой обла­сти в среды с различными показателями преломления. По данной схеме реализуются датчики давления, температуры, вибрации,, микроперемещений, рефрактомеры.

Важной разновидностью ВОД с амплитудной модуляцией явля­ются такие, в которых используются светогенерационные эффекты в световодах. Известно, например, что светопропускаиие кварцполимерных световодов резко меняется в диапазоне —10...—40° С, а в изогнутом виде — и при t^о>0^оС. Следовательно, ВОЛС с та­ким световодом может использоваться как датчик температуры. В других специальных видах волокон (например, на основе флюоридных и халькогенидных стекол) свечение сердцевины, регистри­руемое фотоприемником, возникает под действием ПК-излучения или бомбардировки ядерными частицами (нейтронами, гамма- квантами и др.). Волоконно-оптические линии связи на основе та­ких световодов могут быть использованы и как датчики темпера­туры (выбор различных волокон позволяет перекрыть диапазон измерений 100... 1000 К), и как индикаторы проникающей радиа­ции. Наконец, нельзя не упомянуть и простейший ВОД одноразо­вого действия — волокно в тонкой защитной оболочке, вплетенное в проволочные, капроновые и другие сети и изгороди, при обрыве дает сигнал тревоги.

Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией, или ин­терференционные ВОД, основаны на регистрации изменения фазы оптической волны, возникающего вследствие изменения свойств световода при различных внешних воздействиях. Типичная струк­тура такого ВОД представляет собой интерферометр Маха — Цан­дера, в котором осуществляется сравнение двух свето­вых потоков, полученных расщеплением первичного излучения ш прошедших различные оптические пути. На часть волокна в изме­рительном плече интерферометра (активная область) действует ВВФ, второе — опорное плечо — выполняет функцию элемента сравнения. На фотоприемник воздействует сигнал, возникающий вследствие интерференции потоков излучения в обоих плечах; ис­пользуются гомодинный и гетеродинный способы регистрации (во втором случае в схему прибора вводится ячейка Брэгга, обеспечи­вающая сдвиг частоты одного из потоков).

Полная вариация фазы под влиянием ВВФ связана с изменени­ем длины активной области световода L и постоянной распростра­нения волны V:

причем Л V согласно (9.7) зависит от изменений показателя пре­ломления п и диаметра сердечника dc:

Выходной сигнал интерферометра связан с вариацией фазы про­стым соотношением

Техника интерферометрических измерений позволяет регистриро­вать значения A(pv=10~^s ... Ю^-9 рад; порог чувствительности опре­деляется фазовым шумом, представленным в (7.15) последним чле­ном Дф_ш. Основные составляющие Дф_ш связаны с неконтролируе­мым уходом частоты лазера, паразитной модуляцией поляризации в измерительном плече, температурными изменениями длины во­локна в опорном плече, неидеальностью фазовой характеристики световодов.

Механические и температурные воздействия вызывают главным образом изменения ДL и An, электрические и магнитные поля — An. Интерференционные ВОД удобны для контроля колебательных процессов, наиболее распространенное их применение — гидро­фон — детектор подводного акустического поля. Чувствительность волоконно-оптических гидрофонов намного выше, чем у их пьезо­электрических аналогов, что позволяет регистрировать шум миро­вого океана.

Контроль медленно меняющихся физических величин (напри­мер, температуры) обычно затруднен неконтролируемым дрейфом параметров оптической и электронной систем и требует примене­ния сложных компенсационных устройств.

Принцип автокомпенсации используется в датчике с межмодо- вой интерференцией, в котором по одному оптическому световоду распространяются две или несколько мод и набег фазы возникает

Рис. 7.19. Упрощенная схема воло­конно-оптического гироскопа: 1 — лазер; 2 — фотоприемник; 3 — полу­прозрачное зеркало; 4 — волоконно-оптиче­ский чувствительный элемент

вследствие некоторого различия влияния ВВФ на распространение каждой из этих мод. Такие ВОД отличаются от интерферометра Маха — Цандера, в котором одна мода распространяется по двум одномодовым волокнам, не толь­ко автокомпенсацией, но и более простой конструкцией; однако здесь возникают проблемы зату­хания и искажения волн в много- модовом волокне, а также полной нечувствительности устройства в области низких частот изменения ВВФ.

Важнейшее применение фазовая модуляция находит в лазер­ном волоконно-оптическом гироскопе — устройстве для измерения малых скоростей вращения. В основе принципа действия этого уст­ройства лежит эффект Саньяка (открыт в 1913 г.), заключающий­ся в возникновении фазового сдвига волны, распространяющейся внутри движущегося объекта. Если в торцы волоконно-оптической катушки (рис. 7.19) ввести две волны с одинаковыми фазой и по­ляризацией, то при вращении катушки поток, движущийся в на­правлении вращения, будет оставаться в волокне несколько доль­ше, чем поток, направленный навстречу вращению. Возникающая при выходе этих потоков из волокна разность фаз эвристически определяется соотношением

где R и S = πR² — радиус и площадь витка; L — длина волокна в катушке; N—число витков; λ— длина волны излучения; с—ско­рость света в вакууме; Ω — угловая скорость вращения катушки. В (7.18) обращает на себя внимание то, что чувствительность при­бора может безгранично увеличиваться до порога шумов за счет увеличения N и L при сохранении малых размеров катушки. Оцен­ки показывают, что для разных по конструкции волоконных гиро­скопов предел чувствительности может составлять 10^-3... 10^-4 град/ч.

Поляризационные ВОД основаны на том, что в волокнах, изго­товленных из оптически активного материала, поляризация прохо­дящего излучения может изменяться под влиянием ВВФ. Наибо­лее характерные виды этого изменения связаны с фарадеевским вращением плоскости поляризации в магнитном поле и электрооп­тическим эффектом двулучепреломления. Согласно этому поляри­зационные ВОД используются для измерения напряженностей маг­нитного и электрического полей или воздействий, преобразующих­ся в изменения этих полей. Например, в измерителе тока силовых высоковольтных линий электропередач (рис. 7.20) индуцируемое током магнитное поле Н вызывает поворот плоскости поляризации на угол

где V—постоянная Верде; N — число витков; I—сила тока. Чув­ствительность метода по току может составлять 10 А и менее.

В заключение отметим, что показанные на рисунках приборы представляют сильно упрощенные абстракции, иллюстрирующие принципы действия и не передающие всей сложности реальных оптических и оптоэлектронных схем. Укажем также, что для каж­дого из описанных датчиков имеется много конструктивных раз­новидностей, в частности весьма плодотворным является дополне­ние ВОД интегрально-оптическими элементами, такими как рас­щепители, модуляторы, переключатели световых потоков.

Рис. 7.20. Поляризационный волоконно-оптический измеритель силы тока: 1 — лазер; 2 — поляризатор; 3, 6—оптические согласующие элементы; 4 — провод, по кото­рому протекает ток; 5 — волоконно-оптический чувствительный элемент; 7 — анализатор; 8 — фотоприемник

Оценка перспектив. Промышленную реализацию получили лишь оптопары с открытым оптическим каналом; .все другие рассмот­ренные разновидности оптоэлектронных датчиков серийно все еще не производятся. О технических возможностях различных видов датчиков можно сказать следующее. Оптопары с открытым опти­ческим каналом, как уже отмечалось, используются в основном как оптические .переключатели, т. е. служат для дискретного сче­та объектов, символов и т. п.; возможности этих приборов огра­ничены. Интегрально-оптические датчики, хотя и имеют более широкие функциональные возможности, также являются прибо­рами ограниченного, неуниверсального .применения. Обе разновид­ности датчиков подобны другим современным датчикам с дис­кретным ЧЭ, выгодно отличаясь от них использованием световых потоков для бесконтактного «ощупывания» анализируемых пред­метов, но проигрывая (например, ,микроэлектро.нным) в обработке слабых сигналов, поступающих о,т ЧЭ. Датчики с ВОЛС исполь­зуют достоинства BOJIC как средства связи ЧЭ с устройством обработки информации, не привнося ничего специфически олто- электронного в сам процесс извлечения первичной информации.

Лишь развитие ВОД обещает кардинально изменить технику преобразования первичной информации благодаря следующим принципиальным достоинствам датчиков:

объединение, конструктивно-технологическая интеграция в од­ном приборе чувствительного элемента (собственно датчика) и линий связи;

использование всех отличительных достоинств ВОЛС (см. гл. 9);

очень высокая чувствительность датчиков, обусловленная воз­можностью практически безграничного увеличения длины актив­ной области (/,«100 км не предел) и использованием наиболее высокоточных интерференционных измерений);

широкие возможности выбора материалов ЧЭ в рабочей облас­ти спектра, проявления электро- и магнитооптических эффектов;

миниатюрность, твердотельность, отсутствие подвижных меха­нических деталей;

. электрическая и магнитная нейтральность датчика, бесконтакт­ность измерений, чем обусловлено отсутствие его обратной реак­ции на контролируемые среды и поля, пожаро- и взрывобезопас- ность;

исключительная широта разновидностей ВВФ, которые могут регистрироваться с помощью ВОД, при этом очень важно и то,, что во многих случаях имеет место прямое преобразование ВВФ в изменение свойств 43;

■возможность реализации не только точечных (как в традици­онных датчиках), но и распределенных ЧЭ, что позволяет конт­ролировать пространственное распределение ВВФ;

возможность работы в жестких эксплуатационных условиях: при высоких температурах (до 1000 К), в агрессивных средах и т. п.;

использование технологических достижений в области ВОЛС и интегральной оптики для расширения производства и снижения стоимости ВОД.

Несмотря на значимость достоинств ВОД промышленное освое­ние происходит медленнее, чем прогнозировалось, что обусловлено нерешенностью и сложностью ряда проблем. Во-первых, это эле­ментная база, которая по сравнению с уже развитой однотипной элементной базой ВОЛС должна подняться на качественно новый уровень. Необходимы волокна не только прозрач­ные, но и чувствительные :к заданным ВВФ; инжекционные лазеры по когерентности