ЛЕКЦИЯ 10

РЕВОЛЮЦИЯ В СВЯЗИ: ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Шокин Александр Александрович (1947 г.р.), специалист в области оптоэлектроники и квантовой электроники, к.ф-м.н., д.т.н., окончил в 1970 г. МГУ им. М.В. Ломоносова, с 1968 по 1982 г. работал в НИИ «Полюс», пройдя должности от инженера до начальника отделения, затем зам. директора по научной работе — гл. инженером НИИ  «Дельта», с 1989г. — директор ФГУП «Конструкторское

 В 1986 г. за достижения в области твердотельных лазеров присуждена Государственная премия СССР за работу «Создание технологии, разработка автоматизированно­го оборудования и широкое внедрение лазерной обработки пленочных элемен­тов в производстве электронных приборов», за работы в области создания волоконно-оптических линий связи награжден медалью Д. С. Рождественско­го. Долгое время возглавлял отделение оптоэлектроники и волоконной оптики Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова, в настоящее время — первый вице-президент.

 

По своей значимости для развития человеческого общества «информаци­онный взрыв» последней четверти XX века вполне можно сравнить с про­мышленным переворотом конца XVIII века. Не случаен тезис: «Развитие мира — развитие связи».

Этот взрыв произошел благодаря огромным достижениям электрони­ки и особенно микроэлектроники, сделавшим возможным обрабатывать и аккумулировать огромные массивы информации с помощью цифро­вой вычислительной техники. Но научиться обрабатывать и хранить та­кие объемы, конечно, мало, надо уметь их передавать. Рост требований на емкость/скорость передачи, доходит, по оценкам, до 4 раз за каждые 18 мес. Для удовлетворения этих требований понадобились достиже­ния других областей электроники, а именно оптоэлектроники, включая квантовую электронику. Вместе с успехами химической технологии все это позволило перевести передачу информации в оптический диапазон, где в качестве среды передачи для наземных систем связи было выбрано оптическое волокно. Полоса пропускания оптического волокна столь ве­лика, что весь используемый радиочастотный спектр может быть предан по одному волокну, и при этом всю полосу не займет. Нельзя не отме­тить, что главную роль в этих достижениях сыграли наши соотечествен­ники Н.Г. Басов, A.M. Прохоров и Ж. И. Алферов, ставшие лауреатами Нобелевских премий.

Свет с давних времен использовался в качестве средства передачи ин­формации, например, еще в сигнальных кострах. И сегодня мы встречаем напоминания об этом виде связи (например, сигнальные флаги на флоте, маяки, светофоры и контрольные лампы в машинах). Свыше 200 лет назад во Франции Клод Шапп построил первый оптический телеграф между Па­рижем и Лиллем (225 км), состоявший из цепочки вышек с подвижными сигнальными перекладинами. Информацию посредством кода можно было передать за 15 мин, но только при хороших погодных условиях. Эта систе­ма не устарела до самого изобретения электрического телеграфа.

В 1870 году американский инженер Грэм Белл изобрел фотофон, в ко­тором голосовой сигнал передавался светом. Однако эта идея не нашла практического применения потому что погода и атмосферные условия по-прежнему слишком сильно ухудшали качество передачи. Английский фи­зик Джон Тиндалл предложил решение этой проблемы в 1870 году, неза­долго до изобретения Белла, продемонстрировав, что свет можно заставить распространяться вдоль струи воды. В его эксперименте использовался тот же принцип полного внутреннего отражения, что и в сегодняшних опти­ческих волокнах.

Наконец, в 1934 году американец Норман Френч получил патент на систему оптической телефонии, в котором описывалось, как можно пе­редавать голосовой сигнал через сеть оптических кабелей из стеклянных стержней или аналогичного материала, обеспечивая низкий коэффициент затухания на используемой длине волны.

Но до технической реализации этой концепции прошло еще четверть века. Сначала появился подходящий источник света для использования в качестве передатчика. В 1958 году Н.Г. Басов и A.M. Прохоров (СССР) и Ч. Таунс (США) независимо разработали принципы создания квантовых генераторов электромагнитного излучения (Нобелевская премия 19 года). В 1960 году Т. Мэйман (США) построил работающий образец оптическо­го квантового генератора — лазера на рубине, а в 1962 году была открыта возможность изготовления лазеров из полупроводниковых материалов. На­конец, в 70-х годах прошлого века появились оптические световоды с низ­кими (менее 20 дБ/км) потерями.

За прошедшие 30 лет волоконная оптика прошла большой путь. Инже­неры проектировщики оптоволоконных систем спроектировали и построи­ли огромное количество волоконно-оптических систем передачи информа­ции (ВОСПИ). Сегодня, используя цифровую технику передачи, ВОСПИ способны доставить требуемые услуги резидентам последней мили и дру­гим пользователям вплоть до квартир, и сдерживающим фактором здесь в какой-то момент стало отсутствие у их обитателей возможности и необ­ходимости переварить столь огромные информационные потоки.

 

10.1. Упрощенная модель ВОСПИ

 

Рис. 10.1 представляет простую модель ВОСПИ, которая в общих чертах аналогична некой радиосистеме или проводной (медно-жильной) системе передач. Передаваемые сигналы могут быть аналоговыми или цифровыми. Первоначально многие кабельные телевизионные системы использовали аналоговый формат, но со временем он все больше меняется на цифровой. Поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено передаче цифро­вых сигналов.

Основные компоненты системы, показанные на рисунке, выполняют следующие функции.

Электроннооптический преобразователь (ЭОП) преобразует электриче­ский сигнал в оптический со всеми необходимыми параметрами для пере­дачи по волоконно-оптической среде.

ЭОП с помощью оптических разъемов подключается к волоконно-оптическому кабелю (ВОК), у которого на обоих концах устанавливают ответные части оптических разъемов (или конекторов). Тем самым обеспе­чивается разъемное подключение кабеля к оконечной аппаратуре. ВОК по­ставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км {строительная длина ВОК). При длине ВОСПИ, превышающей строительную длину кабеля, жилы соседних отрезков сращиваются друг с другом методом сварки в специ­альной муфте.

Оптоэлектронный преобразователь на приемном конце ВОСПИ прини­мает оптический сигнал на фотодетектор, преобразует его вновь в элек­трический, усиливает и передает для дальнейшей обработки.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой пере­дачи. В частности, передача по коаксиальному кабелю и паре прово­дов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на услов­ную единицу длины, чем, если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате существенно уменьшается накопленный джиттер, т. е. дрожание фазы фронтов им­пульсов, являющейся функцией числа последовательно включенных по­вторителей.

 

Расстояние, на которое можно передать сигнал по ВОСПИ зависит от энергетического потенциала системы, определяемого мощностью оптиче­ского сигнала на входе линии, и чувствительностью приемника, а также потерями в линии. Предельным расстоянием будет то, при котором сигнал ослабнет ниже порога чувствительности фотоприемника. Но во многих практических случая, особенно в локальных вычислительных сетях, мак­симально допустимая длина намного меньше этого предела и определяется протоколами передачи.

Отличительные черты и технические преимущества ВОСПИ, предо­ставляемые оптическим диапазоном электромагнитных волн и диэлектри­ческой канализирующей средой их распространения, помимо широкополосности включают в себя:

Конечно, приведенный рисунок иллюстрирует только простейшую, двухточечную ВОСПИ, тогда как современные сети, в частности вычис­лительные, имеют гораздо более сложную структуру, объединяя тысячи абонентов. Следует отметить, что существующие устройства доступа допу­скают только разрывное включение в оптическую цепь. В магистральных ВОСПИ, практически реализуемых по типу «точка — точка», это не играет особой роли, но при построении сложных локальных вычислительных се­тей с большим числом абонентов с этим приходится считаться, поскольку каждое такое подключение связано с необходимостью установки пары пре­образователей сигналов оптика-электричество. Поэтому важным показате­лем является число оптоэлектронных преобразователей на единицу длины кабельной линии. В магистральных связных линиях с особыми требова­ниями по широкополосности их требуется одна пара на 50—100 км, и мож­но применять самые дорогостоящие передатчики и приемники. В локаль­ных же вычислительных сетях одна пара может приходиться на 10—100 м, и стоимость приемников и передатчиков желательно минимизировать. Собственно необходимость в этих преобразователях и является главным недостатком волоконных систем, который не позволяет им полностью вы­теснить системы на медных проводах.

При построении ВОСПИ в зависимость от назначения в качестве прио­ритетных выбираются различные сочетания преимуществ. В частности во­локонные линии обеспечивают прекрасную электромагнитную совместимостью (ЭМС), так как нечувствительны к внешнему электромагнитному излучению и сами его не генерируют. Для радио и проводных систем име­ет место как генерация излучения, так и чувствительность к излучению, и часто оба явления приводят к проблемам ЭМС.

Очень важным качеством ВОСПИ является также гальваническая раз­вязка между приемником и передатчиком благодаря диэлектрической среде. В структурированных кабельных сетях современных локальных вычисли­тельных сетей (ЛВС) волоконно-оптические вставки являются обязатель­ными для межэтажных соединений, и тем более для соединений между зданиями. Тем самым исключаются случаи выхода из строя компьютерной техники из-за разности фаз или скачков напряжения, когда в соседнем здании, например, поехал лифт. В других случаях, например на электро­станциях, это свойство волокна позволяет обезопасить персонал от высо­кого напряжения.

В то же время существуют некоторые проблемы, связанные со спец­ификой ВОСПИ и также оказывающие существенное влияние на вы­бор технических решений. Например, так же, как и проводные системы, ВОСПИ слабо защищены от случайного или намеренного обрыва ка­беля, и те и другие системы страдают от воздействий окружающей сре­ды, таких как повреждения от воды или мороза, но для восстановления целостности волоконной линии требуется намного более дорогостоящее оборудование.

Упомянутые выше недостатки являются несущественными по сравне­нию с главным достоинством ВОСПИ: широкополосностью. При совре­менной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 40 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропустить по одному волокну до 80 таких потоков. Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Гбит/с. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20 позволяют организовать 10 симметричных полнодуплекс­ных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Гбит/с на одно волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Гбит/с. Но эта цифра не является предельной и с каждым днем растет все быстрее.

 

10.2. Компоненты ВОСПИ

 

Компоненты ВОСПИ разделяются на две большие группы: волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты.

В первую группу входят собственно оптическое волокно и устройства, выполняющие функции передачи оптических сигналов с характеристика­ми, зависящими от параметров волокна. К ней обычно относят оптические ответвители, разветвители, переключатели, спектральные мультиплексоры и демультиплексоры. Ко второй группе относятся устройства, предназна­ченные для генерирования, преобразования и восстановления сигналов. Их функционирование в большинстве случаев не определяется свойствами оптических волокон.

В зависимости от того, используются или нет для реализации функциональных возможностей данных устройств дополнительные источник энергии, они могут быть разделены на пассивные компоненты, в который эти источники отсутствуют, и активные компоненты, в которых для обеспечения их работоспособности необходимо наличие дополнительного источника энергии. К этой второй группе относятся оптоэлектронныт преобразователи (т.е. источники и приемники оптического излучения),I усилители, переключатели. Отметим, что некоторые компоненты, такие как фотодиоды, модуляторы и др., могут выполнять свои функции, как! с дополнительным источником энергии, так и без него.

Световоды, излучатели и фотодетекторы применяются в составе конструктивно и функционально завершенных компонентов ВОСПИ: общических кабелей (ОК), передающих (ПОМ) и приемных (ПРОМ) оптических модулей, которые подключаются к ОК через разъемные оптические соединители (ОС) либо неразъемные оптические контакты. В номенклатуру ком­понентов ВОСПИ входят также оптические переключатели и коммутато­ры (ОКМ), активные повторители (СП) и квантовые оптические усилители (ОКУ). Для объединения ОК между собой чаще всего служат неразъемные сварные соединения, защищенные муфтами, оконечными коробками и т. д.

 

10.3. Световоды

 

В общем случае оптическое волокно (рис. 10.2) состоит из сердцевины, по которой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с одной стороны, для создания лучших условий отражения на  границе раздела «сердцевина — оболочка», а с другой — для снижения из лучения энергии в окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности волокна поверх оболочки, как правило, накладывается первичное защитное упрочняющее покрытие. Такая конструк­ция ОВ является типовой и используется во многих ОВ в качестве базовой. Диаметр оболочки волокна стандартизован и для волокна, применяемого для инфокоммуникационных задач, составляет 125 мкм. Диаметры волок­на для других целей может составлять 200—600 мкм.

 

 

Обычно показатель преломления сердцевины и оболочки обозначают как п} и п2 соответственно. Когда жила ОВ изготовлена так, что п1 > п2, то структура сердцевина-оболочка ведет себя как волновод радиочастотного диапазона. По аналогии жилу оптического волокна называют световодом. Естественно, что важнейшие параметры ВОСПИ определяются свойства­ми световода, главным из которых является способность канализировать распространяющееся излучение за счет явления полного внутреннего от­ражения. Теоретически световоды могут иметь любую форму сечения, как те же волноводы радиодиапазона, но на практике по технологическим соображениям в подавляющем числе случаев световоды имеют круглое сечение.

Наиболее наглядно принцип распространения света по ОВ лучше все­го пояснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от направления падающего луча.

Рис. 10.3,а показывает такой угол падения, при котором преломленный луч уходит в свободное пространство. В этом случае энергия падающего луча делится между выходящим преломленным лучом и лучом, отражен­ным внутрь среды. Если угол падения С, удовлетворяет условию sin ξ = n2 /nl (n1 — показатель преломления первой среды, — показатель преломле­ния второй среды, причем n1 > n2), преломленный луч начинает скользить по границе раздела (рис. 10.3,5). Его энергия согласно формуле Френеля становится равной энергии падающего луча, а энергия отраженного луча падает до нуля. При меньшем угле падения пока sin С, лежит в пределах между п2 I п} и единицей, преломленный луч отсутствует, вся световая энергия отражается (рис. 10.3, в), и наступает явление полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения издавна и широко применя­ется в классической оптике. Так, призмы полного внутреннего отражения, отражающие весь падающий на них свет, по многим причинам являются более удобными, чем зеркала (широко известный пример — призматиче­ские бинокли). Более глубокий анализ этого явления показывает, что часть световой энергии все же переходит из первой среды во вторую, но затем

 

 

возвращается в первую. Интенсивность световых волн при проникновении во вторую среду быстро убывает по экспоненциальному закону и на глуби­не, сравнимой с длиной волны, амплитуда уменьшается в несколько раз. Энергия движется вдоль границы и входит обратно в первую среду.

Для успешного прохождения света по оптическому волокну он должен войти в волокно и отражаться от оболочки с углами, большими критиче­ского (рис. 10.4). Из-за того, что в результате преломления направление световых лучей меняется, для успешного прохождения луча по оптиче­скому волокну накладываются ограничения на угол, под которым луч мо­жет поступить в сердечник. Любой луч, падающий на оболочку под углом меньше критического, проникает в оболочку и будет потерян.

Для характеристики входящего луча с точки зрения геометрической оптики необходимо определить траекторию его распространения, которая для ступенчатого волокна может быть либо меридианной, пересекающей ось волокна, либо косой, не пересекающей ось. В зависимости от данных тра­екторий следует различать меридианные и косые световые лучи. Траекто­рия меридианного луча лежит в плоскости, проходящей через ось волокна, и имеет вид правильного незамкнутого треугольника. Меридианные лучи характеризуются углом падения, образованным лучом и нормалью к оси во­локна. Между соседними точками отражений данные лучи распространя­ются по прямой линии, а направление луча после отражения определяются законом Снеллиуса. Для определения косого луча кроме угла падения необ­ходимо знать второй угол, который характеризует скос луча и определяется как угол в плоскости сечения сердцевины между касательной к границе раздела и проекцией траектория луча. Для характеристики меридианных лучей, направляемых под углом Эпм к оси ОВ, обычно вводятся следующие параметры: длина пути, между двумя последовательными отражениями и число отражений на единицу длины среды распространения.

В цилиндрическом волокне входящие в него лучи образуют конус, на­зываемый «конусом приема», внутри которого они падают на оболочку под углом меньше критического и поэтому смогут благополучно распростра­няться вдоль волокна (рис. 10.5). Величина этого угла зависит от показателей

 

 

 

 

преломления сердечника, оболочки и материала источника света (причем, для воздуха показатель преломления п = 1). Луч света, входящий под углом ровным 6^, будет падать на границу сердечника и оболочки под критиче­ским углом 6с и будет двигаться параллельно этой границе. Луч света, входя­щий в сердечник под углом, большим 8^ будет рассеиваться в оболочке.

Угол 8Д между оптической осью и одной из образующих конуса приема носит название апертура ОВ. Физически апертура характеризует эффек­тивность ввода оптического излучения в ОВ, а для ее числовой оценки используется понятие номинальной числовой апертуры. Для указания со­бирательной способности волокна используется специальная мера, назы­ваемая «числовой апертурой» (numerical aperture). Числовая апертура пред­ставляет собой синус угла приема, то есть:

NA = n0 х sin (θ1).

Ее можно выразить также через множитель коэффициентов преломле­ния волокна

.

Если имеются два волокна с одним и тем же диаметром сердечника, но с различными числовыми апертурами, волокно с большей апертурой будет принимать больше световой энергии от источника света, чем волок­но с меньшей апертурой. Если есть два волокна с одинаковыми апертура­ми, но с различными диаметрами, волокно с большим диаметром получит в сердечник больше световой энергии, чем волокно с меньшим диаметром. Это показано на рис. 10.6 и 10.7.

Числовая апертура = 0,2.

Оптические волокна с большими апертурами или диаметрами прини­мают больше света, чем волокна с меньшими апертурами или диаметрами. Волокна с большими апертурами и диаметрами больше подходят для не­дорогих передатчиков, таких как светодиоды, которые не способны кон-

 

 

центрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом.

Помимо связи оптические волокна, собранные в жгуты с упорядочен­ной структурой применяются для непосредственного переноса изображе­ний, успешно заменяя благодаря гибкости в ряде случаев классические оптические системы. Жгуты с разупорядоченной структурой служат для равномерной засветки объектов. Волокна для жгутов обычно имеют боль­шую толщину и не столь критичны к уровню потерь, как волокна для связ­ных задач. Световоды применяется также для доставки мощного лазерного

 

 

излучения к обрабатываемой поверхности в технологических и хирургиче­ских или других медицинских установках.

Свойства оптического волокна сильно зависят не только от величины показателей преломления оболочки и сердцевины, но и от распределения показателя преломления по сечению последней. Характер изменения по­казателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя преломления. При этом если показатель преломления оболочки имеет посто­янное значение, то показатель преломления сердцевины может быть либо постоянным (ступенчатые волокна), либо изменяться вдоль радиуса по опре­деленному закону (градиентные волокна). Наиболее распространенные гра­диентные волокна имеют профиль близкий к параболическому. Некоторые ступенчатые ОВ для специфических применений могут иметь и несколько отражающих оболочек, например, так называемое волокно W-типа.

Свойства волокна оказывают решающее влияние на такой важней­ший показатель ВОЛС, как максимальное расстояние между передатчиком и приемником ВОЛС без использования повторителей, которое ограничи­вается следующими факторами:

из которых наиболее важными являются потери, обычно выражаемыми в дБ/км, и дисперсия, которая часто выражается в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину (линии) — МГц*км. Мощность излучате­ля, эффективность ввода излучения в волокно, потери и чувствительность приемника определяют энергетический потенциал линии связи. На первый взгляд может показаться, что для эффективного ввода излучения в волок­но и уменьшения его потерь при распространении желательно увеличить диаметр сердцевины и относительную разницу между показателями пре­ломления, но на самом деле эти параметры выбираются применительно к конкретным задачам.

По этим задачам ВОЛС разделяются на два класса: линии с ограничен­ными потерями и линии с ограниченной дисперсией.

 

10.4. Затухание в оптическом волокне

 

По мере распространения света в оптической среде он, как известно, осла­бевает, что носит название затухания среды, или в случае оптических во­локон — затухания ОВ. Ослабление происходит по экспоненциальному за­кону зависимости от расстояния. Степень такого ослабления определяется коэффициентом затухания а, который в общем виде может быть представ­лен в виде суммы составляющих, имеющих разную природу:

а=аn+ар + апр + ак+ аик,

 где ап и ар — коэффициенты затухания, обусловленные потерями на погло­щение и рассеивание световой энергии соответственно; апр - коэффициент

 

 

 

 

затухания, вызванный присутствующими в ОВ примесями; ак — дополни­тельные потери за счет скрутки, деформации и изгибов ОВ при изготовле­нии ОК (их называют кабельными); аик — потери на поглощение в инфра­красной области.

Коэффициент затухания ап, связанный с потерями на диэлектрическую поляризацию, существенно зависит от свойств материала ОВ (п и tg8) и рас­считывается по формуле:

ап = 8,69 π ×n tgδ,

где п — показатель преломления; tgδ — тангенс угла диэлектрических по­терь в сердцевине ОВ.

Коэффициент затухания а , с одной стороны, обусловлен неоднородностями материала ОВ, расстояние между которыми меньше длины волны, а с другой — тепловыми флуктуациями показателя преломления. Потери на рассеивание часто называются рэлеевскими, и они определяют нижний предел потерь, который с увеличением длины волны уменьшается согласно выражению

ap = Kp ⁄ λ4

где Кp — коэффициент рассеивания, который для кварца равен 0,8 мкм4 ·дБ/км. Коэффициент затухания алр связан с наличием в ОВ посторонних при­месей, приводящих к дополнительному поглощению оптической мощно­сти. Такими примесями являются ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксидные группы (ОН), приводящие к появлению резонанс­ных всплесков затухания а(Х) на определенных длинах волн.

Коэффициент затухания ак определяется деформацией ОВ в процес­се изготовления и прокладки кабеля, вызванной скруткой, изгибом, от­клонением от прямолинейного расположения и термомеханическими воз­действиями, имеющими место при наложении оболочек и покрытий на сердцевину волокна. Эти дополнительные потери в основном определяют­ся процессами рассеивания энергии на неоднородностях, так как приво­дят к излучению энергии в местах деформации волокна и соответственно к возрастанию потерь.

Коэффициент затухания аик зависит от длины волны оптического из­лучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастает в пока­зательной степени с ростом длины волны

где С и к — постоянные коэффициенты, равные для кварца к = (0,7...0,9)10" м, С = 0,9.

На рис. 10.8 представлены типовые зависимости основных составляю­щих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных потерь аp, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ и зави­сят от многих факторов. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание а ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное по­глощение аик - в правой.

Суммарный коэффициент затухания современные волоконных светово­дов, изготавливаемых из особо чистых кварценых стекол, имеет минимумы оптических потерь вблизи длин волн λ = 0,85 мкм (~2,5 дБ/км), λ = 1,3 мкм (-0,35 дБ/км) и λ = 1,55 мкм (~0,2 дБ/км). Соответственно с этими тремя окнами прозрачности подбираются пары передатчиков и приемников.

 

10.5. Дисперсия

 

Дисперсия в ВОЛС — это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала при распространении его по ОВ, которое в случае импульсного характера излучения приводит к увеличе­нию длительности импульса (рис. 10.9). Дисперсия определяет пропускную способность ВОЛС для передачи информации и характеризуется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ. Помимо ограни­чения частотного диапазона ОВ, дисперсия существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение дли­тельности импульсов. Поэтому единицы измерения дисперсии — пс/нм.км. Дисперсия определяется влиянием двух факторов, один из которых — модовая (или межмодовая) дисперсия, а другой — материальная дисперсия.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью группового по­казателя преломления от длины волны (частоты) и в «чистом виде» со­ответствует уширению оптического импульса в случае распространения волнового пакета в неограниченной изотропной и однородной среде.

Модовая дисперсия возникает в тех случаях, когда световод поддержи­вает несколько типов колебаний (мод). Тогда различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости, и их максимумы энергии достигают приемника в различные моменты времени. Учитывая, что в большинстве источников оптического излучения возбуждается много мод, то их распро­странении по световоду происходит с разной задержкой, что и приводит на выходе к искажениям формы сигнала на входе. Отметим, что модовая дисперсия является наиболее сильным дисперсионным фактором, и при ее наличии материальной дисперсией, как правило, можно пренебречь.

Качественное пояснение дисперсионных эффектов в ОВ может быть получено на простейшей модели распространения квазиплоских мери­дианных волн в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем показате­ля преломления (рис. 10.10). Лучи, вводимые под разными углами, имеют разное время прохождения, а поскольку мощность источника излучения распределена по диаграмме направленности, то происходит ограничение световодом полосы пропускания частот сигналов, которыми модулирован источник, до величины в несколько сотен МГц/км.

При вводе света в ОВ в нем будут распространяться лишь те волны, волновые фронты которых после двукратного отражения от границы раз­дела сердцевина-оболочка окажутся в фазе, т. е. расстояние между вол­новыми фронтами волн «а» и «б» должно быть кратно длине волны рас­пространяющейся моды. Отсюда вытекает, что разрешенным оказывается только конечное число дискретных углов распространения а.

Реально количество мод в многомодовом ОВ может достигать несколь­ких сотен, и благодаря дисперсии входной импульс, по мере распростране­ния по ОВ «рассыпается» на выходе на взаимно задержанные компоненты (рис. 10.10). Следует отметить, что лучи, падающие на границу раздела под углами больше критического носят название вытекающих лучей (лучей оболочки). Достигая границы «сердцевина—оболочка», они и отражают­ся, и преломляются, теряя каждый раз в оболочке волокна часть энергии,

 

 

 

 

 

 

в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии от торца волокна. Те же лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей. Они, естественно, не распро­страняются вдоль ОВ и, как правило, возникают в местах нерегулярностей волокна. Очевидно, что излучаемые и вытекающие волны — это паразит­ные волны, приводящие к рассеиванию энергии и искажению информа­ционного сигнала.

На дисперсию сильно влияет профиль показателя преломления, во многом определяя полосу пропускания световодов. В градиентных свето­водах модовая дисперсия существенно меньше, поскольку распространяю­щиеся лучи фокусируются к центру самой средой, и различие путей лучей, входящих в волокно под разными углами, становится намного меньше, чем в волокне со ступенчатым профилем. Полоса пропускания градиентных световодов может достигать нескольких ГГц/км, при наиболее распростра­ненном диаметре сердцевины 62,5 или 50 мкм.

 

 

Из предыдущих рассуждений видно, что чем меньше мод распростра­няется в волокне, тем меньше и дисперсия. Число мод можно ограничить путем уменьшения диаметра сердцевины. Методами теории электромаг­нитного поля можно показать, что после уменьшения диаметра сердцеви­ны ниже некоторого значения, в световоде будет распространяться лишь один вид колебаний (мода). На практике диаметры сердечников одномодовых световодов не превышают -10 мкм. Широкополосность в этом случае ограничивается главным образом внутримодовой материальной дисперси­ей, возникающей из-за зависимости пг от к в пределах спектральной шири­ны источника, и достигает сотен ГГц/км.

Простая модель, представляющая собой бесконечно тонкий луч геоме­трической оптики, не может быть использована, когда диаметр луча соиз­мерим с длиной волны, например, при рассмотрении излучения лазерного диода и излучения на выходе одномодового волокна. Простейшим физи­ческим лучом, адекватным уравнениям Максвелла, является гауссовский луч. Гауссовским луч (рис. 10.12) был назван вследствие того, что как элек­трическое поле Е, так и концентрация мощности Н (облученность) соот­ветствуют классической функции Гаусса

где z — расстояние, измеряемое в направлении распространения от пере­тяжки гауссова пучка, м; H0(z) — концентрация мощности (облученность) по оси, Вт/м; w(z) — радиус луча; г — расстояние от оси z, на котором концентрация мощности снижается в l/е2 раз, от соответствующего мак­симального значения. При этом на любом расстоянии z радиус луча w(z) обычно определяется выражением

где w0 — минимальный радиус пучка в перетяжке. Таким образом, вдоль оси распространения пучок представляет гиперболоид вращения с конеч­ным минимальным диаметром в перетяжке, а в дальней зоне имеет рас­ходимость по ассимлтотам этой гиперболы. Гауссовская модель хорошо от­ражает дальнюю зону для одномодового волокна.

 

 

 

Какому типу световодов сегодня отдается предпочтение: одномодовым или градиентным (многомодовым)? На заре оптоволоконной техники вни­мание обращали в основном на градиентные световоды: они имели до­статочно большое сечение, что упрощало их производство, монтаж и экс­плуатацию. Но потом оказалось, что одномодовые волокна значительно превосходят по характеристикам градиентные. Со временем научились вы­пускать относительно дешевые одномодовые световоды и начался сильный сдвиг в сторону одномодовых технологий.

Сегодня же развитие оптоволоконных технологий во многом нацелено на реализацию идеи «световод в каждый дом». Здесь главная задача — обе­спечить оптоволоконную линию на небольшом участке от дома до распре­делительной станции — это всего сотни метров, когда дисперсия не играет особой роли, но зато возникает проблема технологии массовых межсоеди­нений. Одномодовые световоды требуют совмещения с точностью до долей микрона, а градиентные — прощают погрешности на порядок больше (под­робнее об этом ниже), то есть их легче монтировать и они более надежны в эксплуатации. В результате и одномодовые, и многомодовые градиентные оптические волокна мирно сосуществуют. Одномодовые волокна использу­ются в основном для магистральных коммуникаций, а градиентные — для коротких линий (в домах и офисах).

Большой прогресс достигнут в градиентных полимерных световодах. Их научились делать с очень низкими потерями. Теоретический минимум потерь для полимерного волокна составляет сегодня около 10 дБ/км, в ре­альных световодах потери, конечно, больше: до 100 дБ/км, но есть образцы с потерями всего 20—30 дБ/км. Поэтому передача потока в 1 Гбит/с на расстояние 300—500 м не составляет проблемы, а благодаря мягкости ма­териала и большому диаметру (до 1000 мкм) полимерные световоды в бук­вальном смысле можно обрабатывать лезвием обычной бритвы и соединять при помощи нехитрых приспособлений.

 

10.6. Изготовление оптического волокна

 

Оптическое волокно изготавливают в результате выполнения нескольких технологических операций, с тем чтобы целенаправленно оптимизировать его механические, геометрические и оптические характеристики. Почти при всех современных способах производства ОВ для начала делают заготовку. Она представляет собой стеклянный стержень или трубку, состоящую из стекла сердцевины и стекла оболочки. Серьезный успех в качестве заготовок оптического волокна с малым затуханием был достигнут только при появ­лении различных методов парофазного осаждения (впервые такой метод был использован в 1970 году американской фирмой CORNING Inc. (США).

При этих методах счет за реакции разложения сильнолетучих высоко­чистых соединений в кислородно-водород ном или плазменном пламени происходит осаждение стекла:

Энергия, необходимая для осаждения стекла при использовании мето­да внутреннего парофазного осаждения, может быть получена либо извне от кислородно-водородной газовой горелки (модифицированный метод химического парофазного осаждения) (MCVD method, modified chemical vapor deposition), либо изнутри от плазменного пламени (плазменный ме­тод химического парофазного осаждения) (PCVD method, plasma-activated chemical vapor deposition).

В основе всех вышеперечисленных методов лежит синтез окислов из хлоридов Si, Ge, P, F, В посредством высокотемпературной реакции окис­ления или гидролиза с последующим осаждением частиц из горячего газо­вого потока на горячую подложку. Все модификации осаждения из газовой фазы позволяют получать в серийном производстве высококачественные технологические заготовки примерно с одинаковыми параметрами для из­готовления одномодовых и многомодовых оптических волокон с самым низким затуханием (0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм), широкой полосой пропускания (> 2 ГГц.км на длине волны 1300 нм), или малой дисперсией (< 3,5 псДнм.км) в диапазоне длин волн от 1285 до 1330 нм).

Выбор конкретной технологии определяется с одной стороны, выбором оптимальной скорости осаждения (оптимальное количество осажденных порошкообразных частиц в минуту), а с другой — увеличением размера заготовки, с тем чтобы из одной заготовки можно было вытянуть волокно длиной более 100 км.

В методах MCVD, PCVD и даже в методе VAD для производства опти­ческого волокна используются высокоточные трубы из кварцевого стекла, изготовленные из горного хрусталя высших сортов или из искусственного кварца. Казалось бы, что метод OVD наиболее подходит для производства оптического волокна в больших объемах. Однако оборудование для его реализации очень сложное и дорогое, к тому же фирма CORNING Inc. его не продает. Используя метод VAD, трудно или почти невозможно произ­водить некоторые типы оптического волокна. Это оборудование также от­сутствует на рынке. Как указывалось выше, методы MCVD и PCVD очень схожи и позволяют производить практически все типы оптического волок­на. Однако, при прочих равных условиях, основное технологическое обору­дование для производства методом PCVD на 20—30% дороже аналогичного оборудования для производства методом MCVD. По всем этим причинам разные фирмы используют разные методы.

Для вытяжки волокна заготовка закрепляется в патроне вытяжной башни. Положение патрона в вертикальном направлении регулируется с помощью подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000 "С, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготов­ки. В процессе вытяжки геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки

по отношению к диаметру волокна возможно в соотношении 300:1. Для того чтобы диаметр волокна оставался постоянным и требуемой величины, а профиль показателя преломления неизменным, необходимо обеспечить возможность регулировки и строгого поддержания параметров температуры, скорости вытяжки и т. д. с помощью приборов контроля и автоматики.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра вокруг волокна наносится защитное покрытие. Это пластмассовое покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для улучшения прочности волокна, защиты его от микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волокном. При этом внутренний слой защищает волок­но от микроизгибов, а наружный — упрощает дальнейшую работу с ним.

После упрочнения покрытия за счет тепла или ультрафиолетового об­лучения проверяется прочность волокна на разрыв в ходе непрерывного технологического контроля. Оптическое волокно с покрытием проходит по

 

системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающе­го усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Волокно должно выдерживать эту нагрузку до того, как оно будет намотано на ци­линдрический барабан.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварце­вые (SiO,) OB, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. Сырьем для него является песок, запасы которого огромны. На более длинных волнах в качестве материала для во­локна используются галоидные, халькогенидные, фторидные стекла и др. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачно­стью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков, что делает реальным создание трансатлантических ВОЛС без ретрансляторов. Наобо­рот, в коротких линиях, например в локальной сети автомобиля, возможно применение пластиковых волокон с большим затуханием, но дещевых.

Показатели преломления в кварцевых световодах регулируются в основ­ном путем добавления оксида германия (GeO3). Поскольку сейчас в мире производится 60 млн км оптического волокна в год, а германий это рас­сеянный элемент, и в чистом виде не встречается, то существуют опасе­ния, что в ближайшем будущем могут появиться проблемы с его нехват­кой. В качестве альтернативы Научным центром волоконной оптики при Институте общей физики РАН предложено легировать световоды азотом. В результате Центр разработал волокна (как одномодовые, так и градиент­ные) с низкими потерями, который состоит из трех самых распространен­ных на Земле элементов: кремния, азота, кислорода.

На графике зависимости ап от длины волны на рис. можно заметить так называемый пик поглощения света «водой», расположенный приблизи­тельно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм) и обусловленный наличием в примесях радикалов. Этот пик разделяет второе и третье окно прозрачности и избавиться от него очень сложно. Чтобы полностью устра­нить попадание воды в световоды, нужно на порядок повысить чистоту производства, в котором используются кислород, хлориды, опорные квар­цевые трубки и т. д., и все они в той или иной степени содержат воду.

В других исследованиях Центра показано, что если ввести в кварцевое стекло фосфор (на самом деле лучше использовать оксид фосфора Р2О5), то пик воды сам собой исчезает, точнее, сдвигается в длинноволновую об­ласть. Окна прозрачности сливаются, и полоса пропускания с низкими по­терями существенно расширяется. Правда, фосфор «капризный» элемент, вводить его в световод сложнее, но со временем возможно будет использо­ваться вся полоса пропускания от 1 до 1,7 мкм.

 

10.7. Оптические кабели

 

Оптические волокна составляют главный элемент оптических кабелей, конструкции которых определяются в первую очередь условиями их про­кладки и эксплуатации. Конструкция кабеля предусматривает размещение волокон в полимерных или металлических трубках — оптических модулях. Внутренний диаметр модулей значительно больше внешнего диаметра волокна, поэтому в одном модуле возможно размещение нескольких волокон. Такой свободный буфер изолирует волокно от внешних механических уси­лий, прикладываемых к кабелю. Для идентификации оптических волокон при сращивании строительных длин ОК их обычно окрашивают специаль­ным лаком. Модули с той же целью маркируют тем или иным способом, в том числе и окрашиванием в разные цвета. Для защиты волокна от влаги обильно применяется специальный гель — гидрофоб.

Модули скручивают вокруг центрального силового элемента кабеля с образованием оптического сердечника, на который при необходимости накладывают защитную броню. Для кабелей, содержащих много волокон, ряд модулей комбинируют с силовыми элементами конструкции кабеля, чтобы волокна не испытывали напряжения. Для уменьшения растягиваю­щих усилий направление закрутки модулей периодически меняется.

Броня может быть выполнена из стальной проволоки, гофрированной ленты, стеклопластиковых прутков или арамидных (высокопрочное угле­родное волокно) нитей. Наконец, бронированный кабель заключают во внешнюю оболочку. Таковы основные этапы изготовления типового ка­беля, но они могут быть и другими — все зависит от назначения кабеля, условий его прокладки и соответственно специфики его конструкции.

Многообразие объектов, на которых создаются ВО ЛВС, топологий раз­мещения терминалов и большие расстояния между ними (до нескольких км) приводят к тому, что при прокладке ОК могут применяться все основ­ные способы:

Соответственно, и типов оптического кабеля применительно к усло­виям прокладки выпускается множество от одножильных и двужильных («лапша») до бронированных сверхмногожильных подводных.

Технология прокладки ОК должна обеспечивать малое затухание, по­этому по сравнению с аналогичными значениями для обычных кабелей связи допустимы меньшие значения тяговых усилий и радиусов изгибов кабеля (не менее 20 наружных диаметров прокладываемого кабеля). Что­бы исключить повреждение волокон прокладку ОК ведут при температуре окружающего воздуха не ниже минус 10 °С при относительной влажности не более 80%.

Зато у ОК меньше габариты и масса и возможность увеличения строи­тельных длин. Тяговые усилия рассчитываются из формулы

где F — тяговое усилие, Р — удельная масса кабеля, кг/м, l — длина пролета, м, k — коэффициент трения материала оболочки кабеля. Тяговые усилия не должны превышать значений, указанных в паспорте ОК. Отсюда видно, что для прокладывания больших строительных длин ОК необхо­димо максимально снижать его удельную массу и коэффициент трения между оболочкой кабеля и стенкой кабельной канализации.

При прокладке кабелей в черте города, как правило, используют име­ющуюся инфраструктуру кабельной канализации, коллекторы, туннели и другие подходящие объекты. Там, где высока вероятность повреждения кабеля грызунами, желательно применить конструкцию со стальной бро­ней. При наличии же дополнительного требования по стойкости к электро­магнитным воздействиям следует выбрать конструкцию с диэлектрической броней, скажем из стеклопластиковых прутков.

На участках между населенными пунктами кабели укладывают либо непосредственно в грунт, либо в защитные полиэтиленовые трубы, ко­торые выполняют функции междугородной кабельной канализации. На­личие таких труб позволяет использовать недорогие облегченные кабели (без брони). Трубы из полиэтилена высокого давления имеют пониженный коэффициент трения внутренней поверхности, что также облегчает затяж­ку в них кабеля. Наиболее производительным способом является задувка кабеля в трубу сжатым воздухом с помощью специального оборудования. Этот способ минимизирует тяговые усилия и позволяет увеличивать стро­ительную длину кабеля до 4 км. В современной практике трубы для даль­нейшего заполнения кабелями принято с большим запасом прокладывать заранее, например, при строительстве дорог. В комплект деталей такой ка­нализации входят и колодцы для сращивания строительных длин.

Кабели, укладываемые непосредственно в грунт, как правило, имеют мощную металлическую броню. В скальных грунтах, фунтах с мерзлотны­ми явлениями и на переходах через реки применяют кабели с повышен­ным значением допустимого растягивающего усилия. В конструкции под­водных кабелей предусмотрена дополнительная антикоррозийная защита металлических элементов, защита от повреждения рыболовными снастями и т. п. Оптические кабели для подводных протяженных систем, как прави­ло, наиболее сложные в изготовлении и наиболее дорогостоящие.

Особую группу составляют кабели, которые предназначены для подве­ски на самые разные конструкции: опоры воздушных линий связи и линий электропередачи (ЛЭП), контактной сети электрифицированных железных дорог, трамвайных и троллейбусных линий. Для обеспечения стойкости к электромагнитным воздействиям, как правило, выбирают диэлектриче­ские кабели, в которых стойкость к растягивающим усилиям при подве­ске на опорах обеспечивают арамидные нити. Возможна навивка ОК на провод с помощью управляемой с земли тележки. Этот способ отличается низкими затратами при довольно быстрой прокладке по несколько кило­метров в смену, но приемлем только на относительно низковольтных ЛЭП (до 250 кВ).

Альтернативой диэлектрическому кабелю при подвеске на ЛЭП высо­кого напряжения является оптический кабель, встроенный в грозотрос (ОКГТ). Такой кабель функционирует и как заземляющий проводник, за­щищающий ЛЭП в случае неполадок или ударов молнии, и как волоконно-оптическая линия связи.

 

10.8.  Сращивание волокон

 

Как уже упоминалось, строительные длины оптических кабелей обычно составляют 2, 4 или 6 км, поэтому при создании сколько-нибудь про­тяженных линий связи возникает необходимость сращивания волокон. В основном для этого используются сварные соединения — сварка обе­спечивает низкие вносимые потери (соединение сваркой дает потери на стык 0,1—0,5 дБ), хорошие механические характеристики, высокую надеж­ность. Сварка применяется также при подключении многоволоконных ма­гистральных кабелей к аппаратуре путем сращивания с одноволоконными кабелями, оконцованными разъемными соединителями. Впрочем, в этом случае можно обойтись и без сварки, оконцевав непосредственно волокна магистрального кабеля в разделочной коробке.

При соединении ОВ электродуговой сваркой необходимо выполнить следующие операции:

Подготовка состоит в удалении защитного покрытия, брони, и обрезки модуля (буферной трубки). Обнаженные жилы с запасом длин соединяе­мых кабелей размещаются в специальных кассетах (лотках), гарантирую­щих заданный радиус укладки, муфты или оконечной коробки, волокон. Непосредственно перед сваркой с волокна нужно снять первичное по­крытие на несколько сантиметров от конца, и с помощью специального скалывателя обрезать кончик волокна с образованием плоской поверх­ности торца. Скалыватель обеспечивает угловую ошибку не более Г. По­сле этого подготовленные ОВ сваривают высокочастотной электрической дугой с помощью специального аппарата. В современных аппаратах для сварки весь процесс сварки автоматизирован, включая выравнивание торцов и осей сращиваемых волокон, их сближения, сварки и контроля качества сварки с помощью встроенного рефлектометра. В случае неудо­влетворительного результата процесс автоматически повторяется. Следу­ющей операцией является нанесение защитного покрытия на место свар­ки. Для защиты сварных сростков поверх них обычно устанавливаются термоусаживаемые гильзы.

 

10.9.  Муфты

 

Для защиты места соединения (сростка) ОВ от механических воздействий применяют соединительные муфты. Наличие силового элемента в муф­те (металлической планки) позволяет надежно фиксировать место стыка (сварки) ОВ и исключить растягивающее воздействия как на место стыка так и на волокно. Конструкция муфты обеспечивает высокую влагостой­кость и герметичность, надежную механическую защиту сростка от сжатия и вибрации и требуемые нормами на ограничения радиусов изгиба оптиче­ского волокна, а также работоспособность сростка в условиях длительного нахождения в земле (или в телефонной канализации).

Реже (как правило, при аварийно-восстановительных работах) для сра­щивания применяют механические оптические соединители. Для герме­тизации мест соединений оптических кабелей, их механической защиты и укладки технологических запасов длин волокон с допустимым радиусом и используют специальные муфты.

Как и оптические кабели, муфты могут предназначаться для укладки в грунт, в кабельную канализацию, для прокладки на дне рек и морей, для подвески на опоры ЛЭП и т. д. Они делятся на тупиковые (ввод оптиче­ского кабеля производится с одной стороны корпуса) и проходные (вводы кабеля — с разных сторон). Кроме того, имеются универсальные конструк­ции, которые можно применять в качестве и тупиковой муфты, и про­ходной. Как правило, муфты изготавливаются для ввода не менее трех кабелей, что позволяет использовать их и для простого соединения двух кабелей, и для организации разветвлений. Герметизация вводов оптическо­го кабеля в муфту может обеспечиваться термоусаживаемыми трубками, специальными герметиками (гелями) и иными способами.

 

10.10. Разъемные соединители

 

Итак, оптический кабель сварен, уложен и заведен внутрь узла связи. По­нятно, что напрямую его никогда не подключают к приемопередатчикам активного оборудования (системы передачи). Делают это через специаль­ные коммутационно-распределительные устройства, к которым присоеди­няется оконцованный разъемными соединителями (терминированный) линейный, т. е. подведенных снаружи узла связи, кабель (рис. 10.14). Хотя такой подход повышает стоимость и сложность системы, а также приводит

 

к возникновению дополнительных потерь в соединителях, он обеспечивает необходимую надежность и гибкость в эксплуатации, что гораздо важнее.

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой рас­положен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника — 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник диаметром 1,25 мм.

Разъемные соединители оптических волокон должны обеспечивать точное совмещение торцов волокна, фиксацию соединяемых волокон и ме­ханическую защиту стыка. Конструкция тaкого соединения предусматри­вает, что волокна стыкуются своими предварительно обработанными тор­цами. Потери передаваемого сигнала, которые неизбежно возникают при переходе излучения из одного световода в другой, можно разделить на две группы.

К первой относятся потери, вызываемые радиальным смещением осей световодов, угловым рассогласованием, зазорами между торцами ОВ, каче­ством обработки поверхности торцов соединяемых ОВ (наличие царапин, сколов, микронеровностей, неперпендикулярностью торца к оси ОВ).

Ко второй группе относятся потери, вызванные различием числовых апертур стыкуемых волокон, диаметров сердечников, неконцентричностью и эллиптичностью соединяемых ОВ.

Оптический разъем состоит из трех основных частей:

·        наконечник (ферул),

·        соединительная розетка,

·        стягивающая гайка.

 

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рис. 10.15.

Для установки разъема на волокно конец последнего очищается от по­крытий и вставляется в отверстие втулки наконечника (ферул) из специ­альной керамики, где закрепляется эпоксидным клеем. Эпоксидная смола минимизирует температурные перемещения волокна, позволяя осущест­влять полировку торца без боязни повредить волокно, кроме того, она пре­дохраняет волокно от воздействия окружающей среды. Очень важно, чтобы эпоксидная смола присутствовала на всей длине отрезка голого волокна, вокруг буфера (там, где волокно входит в оптический разъем), а также во­круг кончика волокна, выступающего из наконечника (см. рис. 10.16). По­сле отвердения клея этот выступ сошлифовывают специальной абразивной шкуркой с последовательным снижение размеров зерна.

Допуски на диаметр отверстия ферула, его наружный диаметр и внутрен­ний диаметр проходной втулки, в которую с двух сторон вставляются нако­нечники соединяемых волокон, суммарно должны обеспечивают возмож­ную несоосность не более одного микрона, поскольку большая ее величина при диаметре сердцевины световода в 10 мкм приведет к большим потерям. Поскольку в большинстве линий применяются дуплексные соединения, то и разъемы стали делать дуплексными. На современном этапе характерно стремление к уменьшению габаритов разъемов. Если раньше применялись втулки с наружным диаметром 2,5 мм, то затем появились с диаметром 1,25 мм. Совсем же новые решения для разветвленных вычислительных сетей, с их десятками соединителей на кроссовых панелях и коммутацион­ной аппаратуре привели к появлению дуплексных разъемов с расстоянием между осями пары волокон, которые изготавливаются из пластмассы, но несмотря на это обеспечивают все требования по допускам.

Очень важным параметром соединений являются возвратные потери, характеризующими ту часть мощности излучения, которая возвращается к источнику. Обычным источником возвратные потерь являются отраже­ния на переходе стекло-воздух на открытых концах оптоволоконного ка­беля, а также механические срашивания, трещины, плохо сопряженные из-за грязи и пыли. Попадание отраженного оптического излучения на лазер приводит к дополнительному шуму в системе передачи, и ухудше­нию функционирования высокоскоростных систем, оказывая влияние на битовую скорость.

В связи с постоянным увеличением скорости цифровой передачи дан­ных и схем комплексной аналоговой модуляции данный фактор приобрета­ет все большее значение. Торцевые концы волокна, которые оконцовываются оптическими разъемами, в настоящее время закругляются, вместо того, чтобы делать их плоскими и перпендикулярными. Торцевая поверхность втулки имеет сферичность определенного радиуса, и после шлифовки торец волокна приобретает такой же радиус кривизны. В результате, когда встреч­ные волокна вставляются в проходную втулку, а разъемы их поджимаются гайками или байонетами, поверхности волокон придавливаются и образуют оптический контакт. Обратное отражение может быть снижено еще больше, если использовать угловой физический контакт (рис. 10.17). Угловой контакт отражает свет в оболочку волокна, а не в сердцевину. Возвратные потери оптического разъема должны быть, по крайней мере, 40 дБ.

Другой важный параметр коннектора — число сочленений. Оно относит­ся к числу соединений/разъединений, начиная с которого характеристики

 

разъема станут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 сочленений.

Оконцовка (терминирование) оптических кабелей может осуществлять­ся разными способами. При непосредственном терминировании линейно­го кабеля разъемными соединителями (разъемами) оконцовывают его соб­ственные волокна, которые затем и подключают к оптическим переходным розеткам (адаптерам) коммутационной панели для внешних подключений. Терминирование с помощью полушнуров (pigtail) основано на сварке воло­кон линейного кабеля с отрезками волокна в защитном покрытии, на кото­рые с одной стороны уже установлены разъемы (это и есть полушнуры).

На объектах, где нет необходимости в сложной коммутации оптиче­ских волокон, обычно используют оптические распределительные устрой­ства, которые предполагают организацию коммутационного поля по схеме интерконнект (рис. 10.14). В этом случае линейный кабель терминирует­ся и подключается (напрямую, через полушнуры или станционные кабе­ли) к адаптерам с задней стороны коммутационной панели. С передней стороны к этим адаптерам подключают вилки коммутационных шнуров (патч-кордов), которые соединяются с портами активного оборудования систем передачи. Оптические распределительные устройства могут быть выполнены в виде крепящихся на стену распределительных коробок, уста­навливаемых в стандартные монтажные стойки распределительных пане­лей и в виде устанавливаемых на пол распределительных шкафов. При по­строении крупных оптических узлов, как правило, применяют оптические кроссы. В кроссах все постоянные подключения — и со стороны линей­ного кабеля, и со стороны активного оборудования — осуществляются к адаптерам с задней стороны коммутационных панелей, а переключения выполняются с передней стороны с помощью шнуров.

Хотя при такой схеме увеличивается число соединений в кабельном тракте, а значит, и затухание сигнала, но зато значительно повышаются удобство обслуживания системы и степень контроля ее работы. На узлах с большим числом волокон возможно терминирование линейного кабеля путем сварки его волокон с волокнами станционного кабеля. Последний представляет собой претерминированный оптический кабель внутрен­ней прокладки, длина которого может достигать нескольких километров. В этом случае для размещения сплайс-пластин может быть выделено от­дельное устройство, та же коробка или сплайс-шкаф.

 

10.11.  Измерение характеристик ВОСПИ

 

Развитие волоконно-оптических систем связи и, в частности, локальных вычислительных сетей ставит измерительные задачи, которые могут и должны решаться методами, свойственными как традиционной оптике, так и методами, характерными для радиодиапазона. Контрольно-измерительное обо­рудование (КИО) требует использования в своем составе оптоэлектронных   компонентов, имеющих, как правило, на порядок лучшие характеристики по сравнению с применяемыми в ВОСПИ. Наиболее часто встречающимися измерительными задачами в волоконно-оптических системах связи на различных стадиях от исследования до эксплуатации являются изме­рения:

10.12.    Излучатели

 

 

Эффективное использование световодов возможно только в сочетании с теми источниками света, которые удовлетворяют, кроме прочих, ряду весьма жестких требований:

с пропускной способностью световода.

Тасветоводами, имеющими относительно толстую сердцевину, облада­ют полупроводниковые светодиоды (СД), для одномодовых волокон — по­лупроводниковые лазерные диоды (ЛД).

В общем случае свечение вещества под действием электрического поля называется электролюминесценцией. Следует различать электролюминес­ценцию, возникающую вследствие возбуждения носителями с высокой кинетической энергией, и электролюминесценцию, вызванную инжекти­рованными носителями из-за контактной разности потенциалов твердых тел. Типичным примером инжекционной электролюминесценции является свечение в р-n переходе полупроводника, находящемся под напряжением, приложенным в прямом направлении. В этом случае дырки из р-области и электроны из n-области движутся навстречу друг другу и при попадании в область перехода рекомбинируют с выделением фотонов. Рекомбинация сопровождается излучением фотона с энергией ħv, приблизительно равной ширине запрещенной зоны полупроводника Е (ħ — постоянная Планка 6,63х 10-34 Дж-сек, v = с/λ — частота излучения, с — скорость света).

Обычный СД имеет планарную конструкцию с выводом излучения перпендикулярно плоскости р-n перехода. Диаметр тела свечения, которое излучает свет во всех направлениях, в этом случае составляет десятки мкм, общая мощность от единиц до десятков мкВт при плотностях тока инжекции порядка 10 А/см 2, а ширина спектра 50—200 нм. Такие характеристи­ки затрудняют направление света в волокно.

Из большого числа разнообразных светоизлучающцих диодов (СИД) ви­димого и инфракрасного диапазонов с точки зрения волоконно-оптических систем связи интерес представляет лишь небольшая группа СИД. К этой группе относятся устройства с прямыми оптическими переходами на осно­ве двойных гетероструктур, излучающие на длине волны от 800 до 1600 нм. В отличие от гомоперехода, образующегося в контакте одинаковых, обычно простых материалов с различной проводимостью (например, переход в Ge n-типа и Ge р-типа), гетеропереход образуется в контакте различных по химическому составу материалов, например, GaP.

Структуры, использующие переходы последнего вида, носят название гетероструктур, причем гетероструктуры, состоящие из одного контакта, называются простыми, из двух — двойными, из трех — тройными и т. д. В тех случаях, когда СИД используются в сочетании с градиентными све­товодами, произведение полосы пропускания на длину волокна (параметр широкополосности), определяемое межмодовой дисперсией, может превы­сить 1000 МГц-км. Эти источники некогерентного излучения имеют ма­лые размеры, относительно низкую стоимость, достаточную яркость и от­личаются простотой модуляции с частотами до нескольких сотен МГц.

Распределение энергии в гомопереходе и гетеропереходе приведено на рис. 10.18, где слева дана картина уровней при отсутствии на переходе на­пряжения, а справа — для напряжения, приложенного в прямом направ­лении (плюс к р-области, а минус к n-области). В гетеропереходах ступени ДЕе и AEv определяются, соответственно, по разности ширины нижних и верхних краев запрещенных зон всей структуры полупроводника, а из­готовление гетеропереходов производится выращиванием на поверхности

одного из материалов слоя другого материала. Процесс генерации света в таком диоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделе­нием фотонов, обладающих энергией, равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большей энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме этого, большая запрещенная энергетическая зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозрачными для излучаемых волн.

Центральная длина волны λо возникающего в этом случае излучения определяется уровнем запрещенной энергетической зоны Еg и равна

где ħ = 6,63хЮ-34 Дж-сек — постоянная Планка; с = 3х108 м·сек — ско­рость света; Е — энергия запрещенной энергетической зоны материала активного слоя, выраженная в эВ.

Ширина спектра излучения достаточно большая и составляет обычно от 40 до 80 нм на длине волны чистого GaAs, равной 870 нм, и ширины спектра до 20—80 нм.

Не останавливаясь на рассмотрении вопросов технологии производства полупроводников, отметим лишь, что процессы выращивания на подлож­ке кристалла с заданным направлением осей носят название эпитаксии и осуществляются различными способами, в частности, способом газовой фазы, способом химического осаждения, молекулярно-лучевым способом.

Введение в р-n структуру дополнительного слоя позволяет сформиро­вать светодиод с более высоким КПД. Диоды с излучением с торца (edge emmiting diods — ELED) генерируют свет в узком активном переходном слое (см. рис. 10.19) толщиной всего несколько микрометров и шириной десять микрометров, окруженном слоями с меньшим показателем прелом­ления. Тем самым свет и направляется к одному концу устройства, а бо-

 

ковое излучение ограничивается. За счет волноводного механизма распро­странения излучения вдоль р-n перехода и его выводе с торца достигается сужение диаграммы направленности. Такие устройства обычно дают мень­ше выходящего света, чем поверхностно-излучающие светодиоды, из-за меньшей поперечной площади активной излучающей зоны, но пучок более эффективно направляется в волокно (до 30% или около 50 мкВт в гради­ентное волокно и 20 мкВт в одномодовое волокно).

Один из путей построения СД с торцевым излучением основан на технологии V-образных канавок. В этом случае обычная двойная гетеро-структура покрывается двумя слоями типа п, которые образуют отрица­тельно смещенный р-n переход, а для создания проводящей полосы р типа в V-образной канавке напыляется цинк. Наконец, на переднюю грань на­носится антиотражательное покрытие, а электрический контакт выполня­ется короче длины кристалла с тем, чтобы избежать вынужденной эмиссии. Плотность тока и качество оптического резонатора достаточно высоки для создания эмиссии, близкой к вынужденной. Результатом является более узкая ширина спектра (около 20 нм) и более высокая выходная мощность, но при более сильной температурной зависимости.

Излучение в дальней зоне от LED с торцевым излучением в этом случае имеет эллиптическую форму, которая, как будет показано ниже, перпенди­кулярна эллиптичности лазерного диода. Типовые значения углов дальней зоны для FWHM составляют 50° в вертикальном направлении и 100° в го­ризонтальном направлении.

Известно, что фотоны, распространяющиеся в среде, могут вызывать (индуцировать) переход возбужденных электронов на нижний энергетиче­ский уровень с испусканием фотона, повторяющего длину волны и направ­ление распространения первичного фотона. При повышении плотности тока инжекции в рассмотренной выше структуре за счет применения полосковых контактов, мезаструктур и других технологических приемов до нескольких К А/см2 вероятность пребывания электрона на верхней энергетической гра­нице излучательного перехода становится больше, чем на нижней (инверсная населенность). В такой среде число вынужденных излучательных переходов, индуцированными пролетающими фотонами превышает число переходов с их поглощением, т. е. среда приобретает свойство усилителя излучения (ак­тивная среда). В лазерном диоде генерацию света определяют два механизма: спонтанная и стимулированная эмиссия. Спонтанная эмиссия начинается в результате рекомбинации возбужденных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне так же, как в основном процессом генерирования излучения в СД. Возникший спонтанно фотон стимулирует вынужденный переход, в результате которого рождается новый фотон, совпадающий по на­правлению распространения, длине волны и ее поляризацией с первичным фотоном. При наличии оптического резонатора, создающего наибольший коэффициент усиления только для определенных типов излучения (мод), усилитель превращается в оптический квантовый генератор когерентного излучения (лазер). Простейший резонатор может быть образован плоскопа­раллельными торцами активной области, обладающими достаточно боль­шим для создания обратной связи коэффициентом отражения.

 

 

ны на расстоянии приблизительно 1—2 нм. Полностью исключить этот эффект позволяет применение решетки с неоднородной структурой (так называемая решетка скачка фазы), которая обеспечивает существование только одной предпочтительной моды доли нм в ЛД с дифракционными решетками распределенной обратной связи).

Как уже упоминалось, излучатели и фотодетекторы применяются в ВОСПИ в составе так называемых оптических модулей: передающего (ПОМ) и приемного (ПРОМ). Они состоят из излучателя (фотодетектора), встроенного в приборную часть соединителя, электронной схемы обрам­ления, которая содержит цепи стабилизации режима квантового элемента, и, в большинстве случаев — цепи формирования тока инжекции (ПОМ) либо усиления и обработки электрического сигнала (ПРОМ) со стандарт­ными уровнями электрических сигналов вход/выход.

 

10.13. Фотодетекторы

 

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Среди детекторов излучения видимой и ближней инфракрасной областей спектра наилучшими характеристиками обладают устройства, в которых используются электроны, образующиеся в результате внешнего и внутрен­него фотоэффекта.

Устройства на основе внешнего фотоэффекта, типичными представи­телями которых являются вакуумные фотодиоды и фотоумножители, не нашли широкого применения в волоконно-оптических системах, что объ­ясняется главным образом их физическими характеристиками и низким коэффициентом преобразования фотонов в фотоэлектроны в области длин волн, представляющих интерес для волоконных линий связи. Поэтому в ВОСПИ в качестве приемников оптического излучения, преобразующих его в электрический сигнал, применяют устройства на основе внутреннего фотоэффекта, а именно: полупроводниковые фотодетекторы, материала­ми для которых служат кремний (Si), германий (Ge), или гетероструктуры типа АIII Bv, которые, по сути дела, представляют собой обратносмещенный полупроводниковый р-n-переход, способный поглощать падающее излу­чение. Здесь используется процесс, обратный тому, который происходит в светодиодах. Электронно-дырочные пары, образовавшиеся в результате поглощения фотона, дрейфуют под действием приложенного напряжения смещения и возбуждают ток во внешней цепи, который затем усиливается и подвергается дальнейшей обработке.

Практически во всех волоконно-оптических системах в настоящее время используют два типа приемников: p-i-n-диод и лавинный фотодиод (ЛФД). В диодах первого типа на каждый поглощенный фотон рождается одна электронно-дырочная пара. Для диодов второго типа характерно нали­чие внутреннего усиления, и в них за счет процесса ионизации на каждый фотон рождается более одной электронно-дырочной пары (лавинное умно­жение). Обычно лавинные фотодиоды используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить максимальную чувствительность приемника, тогда как p-i-n -диоды чаше всего применяются в системах, к которым предъяв­ляются меньшие требования (например, в каналах передачи данных). P-i-n-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей сре­ды, ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10—20 дБ дополнительного усиления.

В p-i-n -фотодиоде есть специально расширенный внутренний (/) слой с небольшой концентрацией примесей, разделяющий зоны п- и p-типа с бо­лее высокой концентрацией примесей, как показано на рис. Ширина вну­треннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями п- или р-типа. К диоду прила­гается обратное напряжение смещения, в результате чего -слой обедняется или очищается от свободных носителей заряда. В результате внутренний слой имеет высокое сопротивление, что приводит к падению большей части напряжения именно на нем, и результирующее электрическое поле повы­шает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энерги­ей падает на внутренний слой, он создает пару электрон-дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету, как показано на рис. 10.22, а.

 

На рис. 10.22, б приведена эквивалентная схема фотодиода.

Под воздействием квантов с энергией ħµ в i-области ФД с шириной запрещенной зоны Е < ħµ генерируются пары электрон—дырка. Носите­ли дрейфуют в поле обратно смещенного р-п перехода, образуя фототок. При этом квантовая эффективность η (процент поглощенных квантов) пропорциональна, а быстродействие — обратно пропорционально глубине i-слоя. В принципе такое устройство является источником тока, генерируе­мого под воздействием света и определяемого соотношением

                               (10.1)

где ħv — энергия фотона, q - заряд электрона, Р — мощность оптиче­ского излучения, падающего на детектор, η — квантовый выход детек­тора, равный доле энергии падающего излучения, которая затрачивается на образование электронно-дырочных пар, Cd — емкость р —n-перехода диода. В эквивалентной схеме следует также учитывать последовательное сопротивление и шунтирующую емкость, но в достаточно отработанных устройствах они малы и ими можно пренебречь. Темновые токи ФД имеют порядок долей нА, быстродействие до десятков пс.

Лавинные фотодиоды тесно связаны с устройствами p-i-n-типа, но спроектированы с таким расчетом, чтобы в них образовалась область с сильным электрическим полем (Е ~ 3х105 В/см). В этой области электро­ны и дырки могут приобретать энергию, достаточную для создания но­вых электронно-дырочных пар. Процесс, приводящий к возникновению дополнительных носителей тока, называется ударной ионизацией. В ЛФД образованные фотонами электронно-дырочные пары (первичный фототок) создают дополнительные носители заряда, в результате чего выходной ток диода оказывается выше тока, определяемого выражением (10.1). Приве­денная на рис. ЮЛ эквивалентная схема может использоваться и для ЛФД при условии, что создаваемый источником ток равен

,

где <М> — коэффициент лавинного умножения (усиления), зависящий от конструкции диода, условий подачи напряжения смещения, а также от температуры p-n-перехода. Процесс лавинного умножения является ста­тистическим процессом, в ходе которого каждый первичный носитель за­ряда создает случайное число М вторичных носителей со средним зна­чением <М>. Из-за случайного характера процесса умножения носителей заряда в соответствующий усилительный процесс вносится дополнитель­ный шум.

Характерные значения умножения М — от нескольких десятков до со­тен. За счет опережающего роста шумов с коэффициентом М и инерцион­ности развития лавинного процесса быстродействие и шумовые свойства ЛФД принципиально ниже, чем у ФД. Однако практически прием сигнала ведется на фоне шумов электронных схем усиления, которые существенно больше шумов ФД, и при малых М — шумов ЛФД. Поэтому имеет смысл увеличивать М до тех пор, пока шумы ЛФД и усилителя не сравняются, за­давая максимум отношения сигнал/шум. Так как М сильно зависит от на­пряжения смещения и температуры, поддержание оптимального М требует наличия схем стабилизации режима ЛФД, а их применение становится оправданным при высокой плотности шумов схемы усиления.

Выбор приемника для системы связи диктуется необходимостью ми­нимизации мощности принимаемого оптического сигнала, требуемой для получения заданного отношения сигнал/шум.

В целом в силу перечисленных особенностей, включая стоимостные по­казатели, гетеролазеры, одномодовые световоды и ЛФД служат элементной базой магистральных ВОСПИ, а для локальных в основном используются многомодовые световоды, некогерентные излучатели и p-i-n-фотодиоды.

 

10.14. Волоконно-оптические разветвители и соединители

 

К важным пассивным компонентам ВОЛС относятся разветвители и соеди­нители, которые выполняющим соответственно пространственное разделе­ние оптического сигнала по нескольким каналам и объединение сигналов различных каналов в один канал. С развитием систем передачи их роль значительно возросла, позволяя подсоединить к одному 0В более одного комплекта передающих и приемных терминалов, вместо того чтобы ис­пользовать отдельные волокна ОК. Следует различать направленные и дву­направленные разветвители, а также разветвители, чувствительные и не­чувствительные к длине световой волны. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать на прием, передачу или на прием и пере­дачу сигнала одновременно, позволяя менять местами группы передающих и приемных каналов.

Для волокна нет эквивалента высокой мпедансному отводу, как у мед­ного провода, который дает возможность в электрических схемах безбо­лезненно раздать сигнал по разным абонентам, не меняя его амплитуды. В ВОСПИ же носителем информации является световой поток, энергия которого при параллельном подключении абонентов разделяется между ними. Поэтому оптические разветвители заведомо вносят в систему за­ведомо большие потери и не позволяют последовательно включать в шину более 10 устройств.

Наиболее часто данная технология используется в волоконно-оптических сетях, где общий оптоволоконный кабель переносит муль­типлексированные сигналы с нескольких терминалов, расположенных в различных местах сети. Доступ к сети в этом случае осуществляет­ся через ответвители, которые осуществляют ввод оптического сигнала с каждого терминального передатчика в кабель и перераспределяют часть мощности сигнала, передаваемого по кабелю, на каждый терминальный приемник. Кроме этого, рассматриваемые компоненты используются для объединения в единое волокно оптических сигналов многих источников, отличающихся длиной волны, а также в тех случаях, когда часть мощ­ности должна быть введена в сердцевину волокна или направлена от нее к приемнику.

Таким образом, ответвители являются ключевыми устройствами телекоммуникационной волоконной оптики, однако не меньшее значе­ние они имеют и в измерительной технике при измерении оптической мощности и отражений, а также в системах мониторинга волоконно-оптических сетей.

Существуют различные технологии производства ответвителей, наи­более популярной из которых является технология сплавленного бико-нического соединения. При данной технологии, два прямых или скру­ченных волокна сплавляются вместе при высокой температуре, а затем растягиваются для того, чтобы уменьшить размер волокон и их сердце­вин, обеспечивая тем самым расширение поля и усиление механизма соединения. В результате плавления и вытяжки материал сердцевины одного волокна проникает в сердцевину другого, образуя неразборное соединение — зону связи. При непрерывном контроле оптических сигна­лов на выходе волокон в процессе вытяжки его можно остановить в лю­бой момент, тем самым обеспечивая необходимый коэффициент деления ответвителя. Рассмотрим основные типы разветвителей, представленные на рисунке.

Древовидный ответвителъ, или, как его еще называют, Т-ответвитель, показан на рис. 10.23 (а) и (б). Приведенный на рис. 10.23, я трехпорто-вый ответвитель позволяет разделить мощность, поступающую с пере­дающего кабеля (порт А) на два порта (1 и 2) в соответствии с задан­ным коэффициентом деления мощности, обычно равным 1:1 или 1:п, где п — некая дробь. В четырехпортовом ответвителе (рис. 10.23,5) мощ­ность от второго передающего оптоволоконного кабеля (порт В) может быть введена в основной кабель (от порта А к порту 1), в то время как равное значение мощности отделяется (к порту 2). Хотя эти ответвители

 

 

иногда используются как объединители мощности или для организации дуплексной передачи, их отрицательной стороной является 3 дБ (50%) потеря мощности. Этот недостаток устраняется путем использования на­правленного или многоволнового ответвителя, которые будут рассмотре­ны ниже.

Звездообразный ответвителъ (рис. 10.23,в) представляет собой много­портовый ответвитель, который позволяет осуществлять разделение мощ­ности от одного из N передающих портов (от А до Z) на равные части для каждого из N принимающих портов (от 1 до N). Такой ответвитель может быть изготовлен как по сплавной технологии, так и на основе использова­ния волновода в виде кварцевого слоя, покрытого слоем с низким пока­зателем преломления. В этом случае толщина кварцевого слоя выбирается равной диаметру сердцевины волокна, и при отсутствии бокового излуче­ния каждый вход равномерно распределяется по всем выходным каналам с коэффициентом деления ответвителя, равным 1/N.

Направленный ответвителъ (рис. 10.23,г) представляет собой трехпорто-вый ответвитель, который позволяет передавать мощность в одном направ­лении (от порта А до порта 1), тогда как мощность той же длины волны при­нимается с другого направления и передается с порта 1 на порт В. В этом случае, в отличие от Т-ответвителя, потерь распределения не происходит, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери коннектора. Для одномодового волокна направленные ответвители обыч­но выполняются с наплавленным покрытием или с использованием инте­гральной оптики. Для многомодового волокна направленные ответвители обычно выполняются со светоделителями, снабженными отражательной поверхностью для передачи света в одном направлении и одновременного отражения света, поступающего с другого направления на принимающий кабель или детектор.

Многоволновые ответвители. Ответвители, в которых распределение мощности зависит от длины волны, называются многоволновыми ответвителями. На рис. 10.23,д приведен многоволновый ответвителъ с тремя портами, который позволяет:

В отличие от ответвителя Т-типа, который осуществляет разделение мощности, данный ответвитель направляет мощность определенной дли­ны волны в определенном направлении, подобно призме. При этом потерь распределения нет, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери коннектора.

Как и оптические волокна, следует различать многомодовые и одномодовые ответвители, анализ которых часто основан на рассмотрении двух (четной и нечетной) фундаментальных мод.

 

10.15. Спектральное уплотнение

 

На первых этапах появления ВОСПИ их широкополосное™ вполне хвата­ло для того, чтобы передавать множество относительно низкоскоростных каналов от одного передатчика к одному приемнику по одному волокну за счет временного уплотнения сигналов обычными методами. Переход на одномодовое волокно в сочетании с увеличением числа каналов путем на­ращивания количества жил в кабеле намного расширил эти возможности, поскольку стоимость жил (8, 16, 32, 64, 128 и т. д.) в цене кабеля.

В последние годы волоконно-оптическая связь вышла на качественно новый уровень, что связано с внедрением технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing — WDM). Суть ее в том, что в световоде создается не один, а несколько оптических каналов, отличающихся длиной волны, по каждому из которых передается относительно небольшой поток. И таких каналов можно «нарезать» более сотни. Таким образом, благодаря технологии спектрального уплотнения каналов мы можем говорить о переходе к терабитным системам цифровой связи (и так называемому Тега Age). Во многих случаях можно использо­вать даже проложенное ранее волокно, что, учитывая стоимость прокладки нового кабеля, всегда дает преимущество данной технологии, особенно для длинных кабельных систем.

Итак, преимущество WDM — возможность использовать уже проло­женный волоконно-оптический кабель и стандартную аппаратуру времен­ного мультиплексирования. Кроме того, обходятся некоторые проблемы с интеграцией в одном волокне многопротокольного трафика.

Основные же минусы — высокая стоимость аппаратуры и сложность коммутации трафика. Поэтому технология WDM в основном применяется для сверхдальних и сверхнагруженных линий, например, трансатлантиче­ских.

Изначально системы WDM использовали широкие канальные интер­валы, например, добавлением канала 1550 нм при исходной рабочей длине волны, равной 1310 нм. На рис. 10.24 представлен вариант такой системы на базе двух пассивных разветвителей. Первый (см. рисунок) переводит два канала из разных диапазонов в одно волокно (оптический соедини­тель, или комбайнер). На другом конце такой же разветвитель, включенный в обратном направлении, разделяет сигнал по двум волокнам, в которых устанавливаются фильтры для каждого из диапазонов. Фильтры, на основе

 

 

 

 

 

 

технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и пропускают энергию желаемого спектра сигнала.

Создание усилителя, легированного эрбием, переместило рабочую по­лосу WDM систем в окно длин волн от 1530 до 1565 нм, а дальнейшее раз­витие данной технологии в настоящее время направлено на использование более узких интервалов между оптическими каналами.

На рис. 10.25 представлена блок-схема однонаправленной WDM линии связи, которая включает передатчик, состоящий из набора лазеров DFB (по одному на каждую длину волны), подключенных к мультиплексору, выполняющему объединение излучаемых волн в передающее оптическое волокно. При этом для увеличения дальности связи на выходе передатчика устанавливается усилитель оптической мощности, а с некоторым интерва­лом вдоль волокна — линейные оптические усилители, причем в зависимо­сти от расстояния, битовой скорости и типа используемого волокна сигнал может направляться через модуль компенсации дисперсии, предусматри­ваемый обычно на каждой стадии усиления. Одно из преимуществ ОУ над регенератором в том, что в многоканальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как усилитель на всю си­стему требуется только один. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один ОУ.

На приемной стороне сигнал с выхода оптического волокна может быть усилен оптическим предусилителем, включенным на входе демультиплексо-ра. Последний разделяет сигналы по длине волны, направляя их на соот­ветствующие фотодиоды.

Пара мультиплексор-демультиплексор являются основой для системы WDM. Полосы пропускания каналов должны точно соответствовать вы­бранным длинам волн, чтобы не создавать перекрестных помех, а внепо-лосное подавление на каждом канале должно быть достаточно высоким для исключения влияния соседних каналов и боковых лепестков. Кроме этого, они должны обеспечивать только допустимое смещение центральной дли­ны волны ведущего лазера любого канала без существенного ослабления сигнала.

Мультиплексор, как показано на рис. 10.25, может быть просто соеди­нителем — устройством объединения нескольких несущих длин волн.

Демультиплексор же, выполняя обратную операцию, может быть весь­ма сложным устройством. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует исполь­зования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демулътиплексоры на основе дифракции и демулътиплек-

 

 

соры на основе интерференции. Демультиплексоры на основе дифракции используют элементы с угловой дисперсией, такие как дифракционные решетки, которые пространственно (по углу распространения) разделяют падающий луч на различные составляющие длины волн (см. рис. 10.26).

Демультиплексор на основе интерференции использует свойства таких устройств, как направленные разветвители и оптические фильтры. Благо­даря присущим им свойствам взаимности оптических волн в диэлектриче­ской среде, эти устройства могут быть использованы как мультиплексоры и демультиплексоры в зависимости от направления распространения.

Поскольку потребности клиентов обычно не превышают скорости 1 Гбит/с в локальных или уровня ТЗ (45 Мбит/с) в глобальных сетях, то сейчас проявляется тенденция к выпуску систем с большим числом от­носительно медленных каналов. В настоящее время уже решена задача мультиплексирования сотен каналов в одном световоде и объявлены про­дукты, позволяющие мультиплексировать тысячи. Сегодня выделяют три типа WDM-мультиплексоров (классификация предложена специалистами Alcatel):

Использование DWDM позволяет добиться пропускной способности 10-20 Тбит/с.

Сейчас в основном используются только два узких участка спектра: в районе 1,3—1,55 мкм, хотя спектральная область современных светово­дов, в которой возможна передача оптических сигналов с относительно низкими потерями, очень широка: 1,2—1,6 мкм1. Возможность использо­вания всей этой области (и, соответственно, существенного увеличения пропускной способности) связана с решением проблем широкополосного усиления.

В настоящее время на рынке доминируют ОУ на легированном волок­не. Чаще всего для легирования используется элемент эрбий, и такие ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Помимо

 

 

EDFA для использования в ВОСПИ применяются также усилители на ла­зерных диодах и романовские усилители.

На рис. 10.27 показана упрошенная блок-схема усилителя типа EDFA. Основными ее частями являются блок накачки и световод из оптического волокна, легированного трехвалентными ионами редкоземельного элемен­та эрбия (Ег3+). При введении с помощью разветвителя излучения накачки, поглощаемого ионами эрбия, в световоде возникает инверсная населен­ность. Среда становится активной, и, соответственно, возникает эффект квантового усиления. Для накачки обычно используется лазерный источ­ник света, похожий на то, что используется в передатчике с длиной волны 980 или 1480 нм. Предпочтительно использовать GaAs лазерные диоды, которые достигают эффективности накачки порядка 11 дБ/мВт. Достаточ­но высокий (20—25 дБ) коэффициент усиления усилителя EDFA позволяет компенсировать потери, вносимые пассивными элементами мультиплексо­ра и демультиплексора.

Необходимое усиление в ОУ типа EDFA с наиболее простой схемой обеспечивается в относительно узкой полосе длин волн от 1525 до 1565 нм, что при канальных интервалах, кратных 100 ГГц (около 0,8 нм) обеспе­чивает передачу до сорока каналов. Возможно еще большее снижение до 50 ГГц, а в перспективе до 25 ГГц. Даже будучи ограничены полосой 1530— 1565 нм, можно ожидать к 2004 году размещения в системе DWDM 160 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит/с.

Легирование волокна ионами других редкоземельных металлов, таких как гольмий, неодим, самарий, таллий и иттербий, позволяют создавать усилители, работающие на различных длинах волн от 500 до 3500 нм.

Более подробная блок-схема усилителя типа EDFA приведена на рис. 10.28.

 

 

Полоса «нормального» усиления составляет всего 30 нм, и расширить ее непосредственным образом нельзя. Вид типичного спектра усилителя пред­ставлен на рис. 10.29. Для дальнейшего развития технологий DWDM нужны усилители с рабочей полосой 50 нм и более. Частично эту проблему решают при создании сети, особенно когда отдельные каналы содержат несколько усилителей. Потоки информации в хорошо усиливаемых диапазонах пуска­ют по одному каналу, а в слабо усиливаемых диапазонах — по другому, с большим коэффициентом усиления. Для усиления в последних используют специальные методы, например, большую накачиваемую мощность лазера.

В перспективе и полосы в 50 нм недостаточно, и для создания более ши­рокополосных усилителей разрабатываются принципиально иные методы. В частности, подходит хорошо известный эффект Романа. Его в 1928 году независимо открыли индийский ученый Раман и советские ученые Ман­дельштам и Ландсберг (у нас обычно используют термин комбинационное рассеивание света). Если облучить светом (лазером) волоконный световод, то в нем наблюдается данный эффект: фотон отдает часть энергии решетке и «худеет», переходя на большую длину волны. В приложении к оптиче­ским усилителям это означает, что при накачке на одной длине волны можно усиливать сигнал практически на любой другой длине, т. е. появля­ется возможность выхода за принципиальные ограничения эрбиевого уси­лителя. Опыт показывает, что с помощью эффекта Рамана можно строить оптические усилители с полосой более 100 нм.

Коэффициент усиления рамановских усилителей примерно такой же, как и у эрбиевых, но для его достижения требуется накачка лазером мощ­ностью в десятки раз больше. Например, чтобы получить 30 дБ усиления, эрбиевому усилителю достаточно 10—20 мВт, рамановский — «требует» 1 Вт. Высокие требования к мощности источника — одна из причин, по которой эффект Рамана ранее всерьез не рассматривался в оптоволоконной техноло­гии. Столь мощные полупроводниковые лазеры просто не могли создать, но теперь проблема снята. Так что принципиально проблема широкополосного оптического усиления решена, и будущее за рамановскими усилителями.

Для реализации мультиплексирования по длине волны необходимость обеспечить максимальный коэффициент усиления EDFA при максималь­ном отношении сигнал/шум, что делает первоочередным вопрос выбора рабочих длин волн полупроводниковых лазеров. Так как интервал между каналами в 100 ГГц предполагает очень узкий диапазон рабочих частот, как указывалось выше, смещение и спектр излучения лазеров, используемых на передающей стороне, могут оказывать отрицательное воздействие на уровень принимаемого сигнала. Поэтому стабильность источника и чистота спектра излучения лазеров имеют огромное значение. Важным является также во­прос влияния боковых лепестков излучения, так как они. могут привнести дополнительный шум в смежные каналы WDM уплотнения. Здесь исполь­зуют два подхода. В первом берется широкополосный лазер непрерывно­го излучения, которое разделяется на каналы демультплексором, а затем в каждом канале ставится модулятор. Во втором в каждый канал ставятся отдельные лазеры, которые генерируют излучение на длинах волн с шагом 0,5 нм. На сто каналов потребуется сто лазеров, но они должны иметь очень стабильную длину волны. К сожалению, у современных полупроводнико­вых лазеров она сильно зависит от температуры и приходится применять термостабилизирующие приборы, удорожающие всю систему. Для обеспе­чения этих требований разработаны DFB лазеры, которые имеют точность в пределах +0,5 нм для всех длин волн, рекомендуемых ITU-T (диапазон длин волн: от 1530 нм до 1565 нм с интервалом 100 ГГц — 0,8 нм). В них для достижения мощности на выходе оптического волокна более 2 мВт и отно­шения затухания поляризации более 20 дБ используется оптическое волокно PANDA, которое при минимальных потерях поддерживает поляризацию.

В последнее время появились волоконные лазеры на основе редкоземель­ных металлов. Например, тот же эрбий позволяет создать лазер с широкой полосой генерации. Есть и третий подход — задействование нелинейных явлений, возникающих при введении в световод оптического сигнала до­статочно большой мощности. Такой сигнал порождает очень широкую по­лосу вторичной генерации (за счет различных эффектов: четырехфотонное смещение, фазовая самомодуляция и др.). Образуется так называемый су­перконтинуум, из которого можно с помощью фильтров «нарезать» с не­которым шагом 50—100 оптических каналов различной длины волны.

Для функционирования сетей с WDM уплотнением более важными, чем в традиционных сетях с одной длиной волны, являются характеристики са­мого оптического волокна. При создании сетей WDM уплотнения значи­тельно большее внимание должно уделяться хроматической дисперсии, чье влияние в системах передачи TDM при 1550 нм хорошо известно. В отличие от систем TDM, в которых все пользователи по обыкновению стремятся полностью устранить хроматическую дисперсию, системы уплотнения WDM обычно используют небольшую, тщательно контролируемую ее часть для уменьшения влияния смещения четырех волн (FWM). В некоторых случаях особую сложность представляет вопрос поляризационной модовой диспер­сии (PMD), при которой скорость распространения световой волны зависит от ее состояния поляризации, так как в настоящее время не существует из­вестных способов устранения влияния данного вида дисперсии.

Городские сети в идеале должны быть оптимизированы одновременно для передачи голоса, Интернета, телепрограмм, частных и технологиче­ских линий связи. С внедрением DWDM в опорные сети операторы полу­чили возможность обеспечивать прямые включения в сеть сразу по многим протоколам — Ethernet/Fast Ethernet/Gigabit Ethernet, FDDI, Escon (для мэйнфреймов) и традиционным SDH, Frame Relay, ATM. Старые решения требовали либо прокладки отдельных волокон для каждого из протоколов, либо инкапсуляцию одного протокола в другом. И то и другое существен­но удорожает стоимость.

Пока из-за своей относительной дороговизны технологии DWDM ред­ко используются для корпоративного сектора операторов связи. Сейчас же близится ситуация, когда после очередного падения стоимости DWDM-систем любой владелец кабельной сети сможет просто и изящно предлагать услуги виртуальных корпоративных и даже операторских сетей, не глядя на протоколы, по которым работает аппаратура заказчика. Можно предпо­ложить, что появятся компании, ориентированные на сдачу спектральных каналов в своей оптоволоконной кабельной сети.

 

 

 

10.16. Актуальные проблемы ВОСПИ

Одной из проблем, требующих разрешения для успешного развития ВОСПИ, стало ограничение на мощность оптического излучения, вводи­мого в световод при спектральном уплотнении каналов. Если каждый из 100 каналов требует для устойчивого приема на входе ввести в световод сигнал мощностью 1 мВт, то в сумме это составит 100 мВт. Поскольку диа­метр сердцевины световода составляет, как указывалось выше, не более 10 мкм в одномодовом волокне, то плотность мощности распространяюще­гося излучения оказывается достаточной для возникновения нелинейных эффектов, «портящих картину» и приводящих к перекрестным помехам.

Поэтому ведутся поиски более сложной структуры световодов, кото­рые бы сохраняли одномодовость при увеличенной площади сечения серд­цевины. Одним из простейших решений является сердцевина не в виде круга, а в виде кольца (в сечении). При толщине этого кольца в пределах 5—10 мкм одномодовость сохраняется, но площадь световедущей области может быть увеличена в 3—5 раз. Изучены и другие, более сложные струк­туры одномодовых световодов большого диаметра.

С ростом протяженности оптоволоконных линий стали проявляться та­кие эффекты, которые раньше не играли никакой заметной роли. Напри­мер, эффект электрострикции, который заключается в деформации и воз­никновению сил механического напряжения в диэлектрике, помещенного в неравномерное электрическое поле, и приводящей к изменениям показа­теля преломления. В частности, при прохождении света волокно сжимает­ся, как следствие — увеличивается показатель преломления. Эффект очень незначительный, и долгое время на него просто не обращали внимание. Изменение показателя преломления составляет всего 10-14. При импульс­ном характере проходящего по сердцевине излучения, возникает акусти­ческая волна. Последующие импульсы «чувствуют» эти изменения, у них смещается частота, возникает эффект джиггера — смешение импульса во временной области, что приводит в протяженных линиях к ограничению скорости передачи информации. Особенно он проявляет себя в одномодовых волокнах со сложной структурой, о которых мы говорилось выше.

В России существует большая потребность в системах связи. Если не будут развиваться системы связи, то наша страна окажется в информаци­онной изоляции. Представить сегодня дальнейшее развитие страны без Интернета, без коммуникаций невозможно. Хотя оптическая связь посте­пенно занимает в России достойное место, но большую часть оборудова­ния да и самих волоконных световодов приходится закупать за рубежом.

По многим причинам строить политику на импорте нерационально.

Во-первых, это недешево: ведь надо охватить волоконно-оптической связью огромные российские просторы, где даже телефонные каналы есть не везде.

Во-вторых, мы обрекаем себя на отставание от Запада: самые передо­вые технологии нам никто никогда не отдаст.

Кроме того, использование зарубежного коммуникационного оборудо­вания облегчает ведение информационных войн, а прецеденты уже есть.

Так что связь, в том числе волоконно-оптическая, — это исключитель­но стратегическая область.

Литература

[1] Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи. 2-е доп. изд. — М.: Техносфера, 2004.

[2] Д. Бейли, Э. Райт. Волоконная оптика: теория и практика: Пер. с англ. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006.

[3] Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, из­мерения. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999.

[4] П. К. Шульц. Изготовление оптических волокон методом внешне­го паро-фазного осаждения / ТИИЭР: Пер. с англ. 1980. Т. 68. № 10. С. 23—26. — Fabrication of optical waveguides by the outside vapor deposition process // P. С Schultz. Proc. of the IEEE. 1980, vol. 68, № 10, p. 1187-1190.

[5] А. А. Берг, Дж. А. Коплэнд, Р. У. Диксон. Источники света для волоконно-оптических систем связи» / ТИЙЭР: Пер. с англ. 1980. Т. 68. № 10. С. 86—94. — Optical sources for fiber transmission systems / A. A. Bargh, J.A. Copeland, R.W. Dixon. Proc. of the IEEE, 1980, vol. 68, N. 10, p. 1240-1247.

[6] P. Г. Смит. Фотодетекторы для волоконно-оптических систем .связи / ТИИЭР: Пер. с англ. 1980. Т. 68. № 10. С. 95-102. - Photodetectors for fiber transmission systems // R.G. Smith. Proc. of the IEEE, 1980, vol. 68, N. 10, p. 1247-1253.

[7]  Компьютерра. 7 [336]. 29 февраля. 2000. С. 18.

 

 

ЛЕКЦИЯ 11

КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ФОТОНИКИ

Осико Вячеслав Васильевич — академик РАН, профессор, руководитель Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А. М. Прохорова  РАН. В. В. Осико является автором более 500 научных трудов, изобретений и книг. За создание новых технологий

особотугоплавких кристаллических материалов удостоен Ленинской премии в области науки и техники (1980), Премии    Совета    министров    СССР    (1992),  премии Федорова РАН, премии им. Ф.А. Лодиза Международной организации по росту кристаллов.

 

Басиев   Тасолтан   Тазретович   —   член-корреспондент

РАН, профессор, заместитель директора Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, научный руководитель Учебно-научного центра ИОФАН-КГТА   (Ковровская   государственная   технологическая академия).   Т. Т. Басиев — автор 412 научных работ и патентов, лауреат премии Ленинского Комсомола, Международной премии АН СССР-ВАН, премии МАЯК

НАУКА, член Комиссии РАН по премиям для молодых ученых РФ,  Научного совета РАН по спектроскопии атомов и молекул, редколлегий журналов «Optical Materials» и «Квантовая

электроника».

 

Жариков Евгений Васильевич — доктор технических наук, профессор, автор более 350 научных работ и изобретений, работает  заведующим  кафедрой  химии  и  технологии кристаллов       Российского       химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева и по совместительству главным    научным    сотрудником    Института    общей физики им. A.M. Прохорова .РАН, является директором

Учебно-научного    центра    перспективных    материалов и технологий. Е.В. Жариков — член Научного совета ран   «Физико-химические   основы   полупроводникового материаловедения,  член экспертного совета по физике ВАК,   входит  в Проблемный  совет  Российского космического  агентства по  микрогравитации,   действительный   член   Общества   геммологов,   член редколлегии журнала «Перспективные материалы».

 

 

11.1. Введение

В этой лекции обсуждаются ближайшие перспективы использования кри­сталлов в одной из наиболее динамично развивающихся областей совре­менных высоких технологий — в фотонике. Напомним, что под фотоникой понимается технология генерации и преобразования света и других видов излучений, квантами которых являются фотоны.

В последние годы развитие фотоники приобрело взрывной характер. Это отчасти объясняется тем, что она в большой степени определяет раз­витие медицинского, экологического и научного приборостроения, новых технологий обработки материалов, военной техники. Однако главное со­стоит в том, что фотоника все глубже проникает в информационные тех­нологии, т. е. в технологии получения, хранения, обработки, передачи и воспроизведения информации. Более того, по мнению многих ведущих экспертов в области фотоники, именно она будет определять лицо ин­форматики в недалеком будущем. Физическим основанием для подобных прогнозов являются предельно высокое быстродействие, информационная емкость и помехозащищенность фотонных устройств. Материальной базой фотоники являются в основном диэлектрические и полупроводниковые кристаллы и структуры на их основе.

Преимуществами кристаллов по сравнению с другими типами материа­лов являются:

Все материалы и элементы фотоники подразделяются на два типа: ак­тивные, т. е. генерирующие излучения (лазерные кристаллы, люминофоры, сцинтилляторы); пассивные, преобразующие спектральные и временные параметры, фазу, поляризацию или направление распространения волны (различного рода модуляторы, преобразователи гармоник, преобразовате­ли на вынужденном комбинационном рассеянии света, электрооптические дефлекторы и т. п.).

С середины XX века, благодаря работам академиков A.M. Прохорова, Н.Г. Басова, американского ученого Ч. Таунса и открытию лазера, бурно расцвело и продолжает успешно развиваться направление фотоники, ко­торое условно можно назвать макрофотоникой, поскольку она оперирует

 

 

 

 

 

элементами и структурами дециметровых и сантиметровых размеров. Эле­ментной базой макрофотоники являются объемные монокристаллы весь­ма внушительных размеров, выращиваемые из собственных расплавов, из раствор — расплавов или из водных растворов.

В последнее десятилетие в связи с упомянутой выше тенденцией к «фо-тонизации» информатики быстро нарастают процессы миниатюризации и интеграции элементов фотоники, использования в их технологии прие­мов микроэлектронных технологий. Так называемый микрочип лазер, де­монстрирует начальную стадию интеграции фотонных элементов, движе­ние от макро- к микрофотонике [1].

Одним из главных направлений фотонной информатики является ис­пользование структур на основе кристаллов полупроводников. На схеме (рис. 11.1) приведены простые полупроводники и полупроводниковые соединения, составляющие современный арсенал материалов полупрово­дниковой фотоники. Указаны тип и параметр кристаллической решетки, а также ширина запрещенной зоны.

Переход от макро- к микрофотонике, где размеры активных и пассивных элементов уменьшаются до 10 -4—10 -6 м, требует перехода к новым техноло­гиям, а именно к освоению процессов эпитаксиального наращивания моно­кристаллических пленок, процессов напыления тонких слоев, последующе­го искусственного рисования (литографии) и избирательного химического травления, в результате чего и получаются требуемые микросхемы.

Наиболее заманчивым и рациональным с технической и экономической точек зрения было бы создание «кремниевой» фотоники, т. е. фотонных высокоинтегрированных схем, включающих в себя активные и пассивные эле­менты, на основе кремниевых микроэлектронных технологий. В этом случае прямое преобразование электрических сигналов в свет и дальнейшие манипу­ляции с ним осуществлялись бы в кремниевых интегральных схемах, хорошо освоенных технологически. Однако из-за непрямого характера электронных переходов в кремнии использование чистого кремния для генерации света не­возможно (исключение составляет нанокристаллический, или «аморфный», кремний). Тем не менее, сохраняется возможность использования кремние­вых технологий для создания пассивных элементов микрофотоники.

Следующим логическим шагом является попытка активировать крем­ний редкоземельными элементами, например эрбием. Эрбий имеет силь­ные излучательные переходы в области 1,54 мкм (т. е. в области спектраль­ного пропускания кремния), которая является сейчас основной рабочей частотой в волоконно-оптических линиях связи.

Несмотря на то что работы по активированному кремнию интенсивно ведутся уже в течение значительного времени, эффект генерации до сих пор не получен, а максимальный энергетический выход электролюминес­ценции составляет всего 0,05% [2].

Значительно успешнее развиваются работы по активированному редко­земельными элементами нитриду галлия. Хотя работы с нитридом галлия начаты сравнительно недавно, уже получены впечатляющие результаты по электролюминесценции эрбия (Л ~ 550 и 1540 нм) и празеодима (А -650, 960, 1300, 1900 нм) в этом кристалле. Технологии и исследованию пленок чистого и активированного нитрида галлия на различных подложках по­священы в последние годы отдельные конференции и симпозиумы; в этих работах занято большое число ведущих зарубежных лабораторий универ­ситетов и фирм, в том числе и в нашей стране [3].

 

 

В целях формирования пассивных элементов микрофотоники предлага­ется использовать явление, обнаруженное в 1987 г. [4]. Явление состоит в том, что в микропериодических структурах с определенным масштабом и геоме­трией фотоны приобретают свойства электронов в кристаллах, а именно: появляется запрещенная зона частот для мод, распространяющихся в таких структурах. Эти структуры получили название фотонных кристаллов. Соз­давая линейные или точечные дефекты, можно получать различные элемен­ты микрофотоники: волноводы, разветвители, фильтры, резонаторы [5].

Другое, также быстро развивающееся направление в конструировании элементов микрофотоники, — микрокольцевые резонаторы, которые обла­дают высокой спектральной селективностью и добротностью и позволяют повысить степень интеграции до 105 элементов на 1 см2 [6].

Большинство направлений микрофотоники еще не вышло из стадии научно-исследовательских работ. Однако во многих лабораториях мира уже начались работы по дальнейшей миниатюризации и интеграции элементов фотоники, т. е. по переходу от микро- к наномасштабу (размеры элемен­тов — 10~6—10~8 м) [7]. Стимулом здесь служит не только идея дальнейшей интеграции, но и расширение функциональных возможностей фотонных интегральных схем за счет новых физических явлений, так называемых квантово-размерных эффектов (одним из уже упоминавшихся примеров является нанокристаллический кремний).

Уже сегодня ясно, что продвижение в область наноразмеров наталкива­ется на серьезное препятствие.

На основе статистического анализа тенденций развития микроэлектро­ники установлены закономерности, известные как законы Мура [81. Со­гласно первому закону Мура (см. рис. 11.2) каждые три года число транзисторов в интегральной схеме возрастает в четыре раза (в 2000 году это число составляло 107). Соответственно, уменьшаются размеры транзисто­ров. Второй закон Мура (рис. 11.3) говорит, что каждые три года удваива­ется стоимость оборудования для производства микросхем.

Законы Мура выведены из опыта развития микроэлектроники, однако в силу общности используемых микротехнологий они вполне применимы и для микрофотоники. Экстраполяция законов Мура на ближайшие 10 лет показывает, что мы неизбежно окажемся в тупике, если попытаемся решать проблемы нанофотоники технологическими приемами, разработанными для микрофотоники1. Вывод состоит в том, что переход в наномасштаб требует совершенно новых технологий. Искусственное рисование (лито­графия) интегральных схем и процессы избирательного травления должны уступить свое место технологии химической сборки. Перечень химических и физико-химических процессов, которые предполагается использовать (и уже используются) в этих целях, включает в себя:

Технология наноструктур находится в самом начале своего развития. Тем не менее, уже получены и активно исследуются наноразмерные, так на­зываемые «квантовые точки» на поверхностях полупроводниковых кристал­лов, а также одномерные «квантовые проволоки». Размеры этих образований составляют около 10 нм [9]. В растворах получены наночастицы размерами в несколько единиц нанометров. И хотя остаются нерешенными еще многие принципиальные проблемы нанотехнологии, например, проблема связей между наноэлементами, не приходится сомневаться, что создание нанораз-мерной фотоники представляет собой дело не столь отдаленного будущего.

Современная фотоника представляет собой обширную и быстроразви-вающуюся область высоких технологий. Невозможно в пределах одной лек­ции даже поверхностно охарактеризовать все многообразие направлений развития и проблем этой области. В этой лекции мы сосредоточимся на решении одной из актуальных проблем макрофотоники — создании спек­трально позиционированных источников излучения.

 

11.2. Спектрально позиционированные источники излучения

 

В спектре атмосферы имеются так называемые «окна» пропускания — спек­тральные области, в которых атмосфера прозрачна для электромагнитно­го излучения. Одно из таких окон расположено, как известно, в видимой

части спектра, благодаря чему возможна жизнь на Земле. Есть такие окна и в ИК области спектра, например, вблизи 2 мкм и в диапазоне 4—5 мкм. Последняя из областей интересна тем, что как раз в ней расположены ко­лебательные спектры многих молекул, в том числе и тех, содержание кото­рых в атмосфере нам хотелось бы определять и контролировать. Среди них молекулы галоидоводородов, оксида углерода, оксида азота и др. Дистанци­онный контроль концентрации этих молекул в атмосфере может быть осу­ществлен путем их возбуждения спектрально-селективными источниками излучения. Для этого нужны лазеры, излучающие на строго заданных дли­нах волн, соответствующих спектрам поглощения каждой из молекул, т. е. нужны спектрально позиционированные лазерные источники.

Другой пример. В табл. 11.1 приведены значения длин волн наиболее сильных линий поглощения и флюоресценции атомов некоторых метал­лов. Это так называемые «аналитические» спектральные линии, по кото­рым с помощью спектральных методов анализа определяются очень малые концентрации этих металлов. Для дистанционного определения малых

концентраций металлов в атмосфере, в воде или в почвах, например в це­лях экологического контроля, также необходимы спектрально позициони­рованные источники, но излучающие уже в ближней ультрафиолетовой части спектра.

Список проблем, для решения которых необходимы спектрально по­зиционированные источники излучения, весьма обширен. Помимо эколо­гии, наземной связи с летающими и космическими объектами, такие ис­точники нужны для оптиковолоконных систем связи, для нужд медицины и для некоторых других целей.

Формально обсуждаемая задача напоминает аналогичную задачу гене­рации и приема электромагнитных волн радиодиапазона, когда приемник радиоволн точно настроен на длину волны радиопередатчика. Однако на этом аналогия кончается. Радиотехника позволяет легко перестраивать частоту радиосигнала в широкой спектральной области и таким образом осуществлять настройку резонанса. В случае большинства лазерных источ­ников мы имеем дело с фиксированным по частоте излучением, близким к монохроматическому. В табл. 11.2 сведены данные о наиболее эффек­тивных на сегодня лазерных кристаллах. К сожалению, генерируемое ими излучение по своим спектральным свойствам абсолютно непригодно для решения перечисленных выше задач, так как они нерезонансны по частоте с наиболее актуальными «приемниками». Следует подчеркнуть, что ши­рина линий в спектрах поглощения атомов, ионов и молекул составляет 10 -1—10 -2 см -1, т. е. линии очень узки. Также узки и спектры излучения большинства лазеров. Они составляют величины 0,1—1 см"1.

Поэтому точное попадание излучения лазера в линию поглощения ато­ма или молекулы выглядит весьма маловероятным. «Лобовое» решение этой проблемы путем наращивания разнообразия лазеров во всех отноше­ниях неэффективно и, кроме того, трудно осуществимо, хотя работы по продвижению кристаллических лазеров в средний ИК и в ближний УФ диапазоны настойчиво ведутся в ряде лабораторий мира.

Проблема создания лазерных источников со строго спектрально позицио­нированным излучением для дистанционного воздействия на атомные и мо­лекулярные системы, обладающие узкими спектральными резонансами, ре­шается двумя путями: использованием лазеров с перестраиваемой частотой генерации, т. е. использованием принципа настройки излучателя на частоты резонанса атомов или молекул; путем преобразования излучения существу­ющих лазеров в более коротковолновую или в более длинноволновую части спектра таким образом, чтобы спектр преобразованного излучения соответ­ствовал требуемой длине волны. Причем преобразовываться могут как излу­чение монохроматических лазеров, так и излучение перестраиваемых лазеров. Перестраивание длины волны излучения осуществляется с помощью кристал­лов, обладающих сильно выраженными нелинейно-оптическими свойствами. При этом используются такие физические явления, как преобразование гар­моник за счет фазового синхронизма, параметрическая генерация света (ПГС) и вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР преобразование).

 

11.3. Кристаллы для перестраиваемых лазеров

 

В табл. 11.3 приведены наиболее эффективные кристаллы для перестраи­ваемых лазеров. Здесь представлены кристаллы двух типов. В одном из них лазерно-активные центры образованы собственными точечными де­фектами, так называемыми центрами окраски. Во втором — примесными

 

 

ионами переходных элементов Сг2+, Сг3+, Cr4+, Ti3+, Co2+, Се3+. В обоих слу­чаях спектры люминесценции кристаллов представляют собой широкие (ширины полос люминесценции достигают 1000 см -1) бесструктурные или слабоструктурированные полосы, в пределах контуров которых и может осуществляться перестройка генерации.

Из всех наиболее перспективных кристаллов с центрами окраски (ЦО) наибольшее распространение в перестраиваемых лазерах получили кри­сталлы ЫЕ Этот кристалл имеет кубическую структуру и не гигроскопи­чен. Он обладает высокой теплопроводностью, превышающей теплопро­водность иттрий — алюминиевого граната. Кроме того, он имеет низкое значение нелинейного показателя преломления (n2). Благодаря этим свой­ствам LiF имеет высокий порог лазерного разрушения — 3,6 ГВт/см2 (при длине волны 1,06 мкм и длительности импульсов 10 нc) и может использо­ваться в лазерных системах с высокой средней мощностью. К недостаткам LiF относятся сравнительно невысокие механические характеристики.

Кристаллы LiF выращиваются из расплава по методу Киропулоса. По­скольку этот кристалл уже длительное время используется как оптический

 

 

материал, технология его хорошо отработана: выращиваются були LiF диа­метром до 50 см при очень высокой однородности.

На рис. 11.4 приведены структуры основных видов ЦО в LiF: F, F2, F2+ и F2-. Основой структуры ЦО являются вакансии анионов, которые обла­дают эффективным положительным зарядом и вследствие этого способно­стью локализовать на себе электроны. Кроме того, вакансии фтора склонны при некоторых условиях к агрегации в пары и в более сложные ассоциаты. Наиболее «лазерно активными» центрами являются F2 (парная вакансия, захватившая 2 электрона); F2+ (пара с одним электроном) и F2- (пара с тре­мя электронами). Центры окраски формируются в исходно бесцветных кристаллах или путем нагревания кристаллов в парах щелочных или ще­лочноземельных металлов (так называемое аддитивное окрашивание), или облучением жесткой радиацией (у-лучами, быстрыми электронами, рентге­новскими лучами, нейтронами). В первом случае поставщиком электронов для анионных вакансий являются сверхстехиометрические атомы метал­ла. Во втором случае под воздействием излучения в кристалле происходит перераспределение электронов и наряду с локализованными на вакансиях электронами образуется соответствующее количество локализованных ды­рок. ЦО, сформированные аддитивным окрашиванием, устойчивы к теплу и свету, но в кристаллах часто появляются рассеивающие свет частицы. ЦО, полученные облучением, термически и фотонеустойчивы, но зато кристаллы сохраняют исходную оптическую однородность. Кроме того, в обоих случаях образуется сразу целый набор различных ЦО.

Образование агрегированных ЦО под действием облучения — сложный многоступенчатый процесс. Он включает в себя образование первичных френкелевских пар, процесс их агрегации и перезарядку агрегатов путем локализации на них электронов и дырок. Основные процессы, приводящие к образованию ЦО в LiF, можно представить следующими схемами:

VF + F → F2+ [10],

F2 + + е→ F2,

F2 + e → F2-

где VF — вакансия фтора, F — вакансия фтора, захватившая электрон (F — центр), е — электрон.

В последние годы созданы технологии, позволяющие получать фото-и термоустойчивые кристаллы LiF с ЦО. Кристаллы имеют высокие опти­ческие плотности (коэффициенты поглощения достигают нескольких обратных сантиметров в максимумах полос поглощения ЦО) и высокий контраст, т. е. отношение полезного поглощения ЦО к фоновому, дости­гающий 20—40. Описанные в [11] кристаллы LiF: F2+ не обнаруживают деградации при оптической накачке в области 620—750 нм при плотно­стях до ~5 дж/см2. «Время жизни» этих кристаллов составляет при 300 К 10 лет. КПД генерации таких элементов достигает 50% (по оптической на­качке). Существенной особенностью предложенных в [11] технологий яв­ляется использование кристаллов LiF с небольшими примесями Mg2+, Li+, ОН" и использование различных сочетаний доз и мощностей облучения с температурой, при которой облучение производится. Разработаны также специальные многоступенчатые процессы облучения [12].

 

 

 

На рис. 11.5 представлены спектры поглощения и люминесценции основных ЦО в кристаллах LiF. Как видно из рисунка, используя один и тот же кристалл с различными ЦО, можно перекрыть относительно ши­рокую спектральную область.

Помимо использования для перестраиваемых лазеров кристаллов с пе­реходными элементами или с центрами окраски, обладающих широкими электронно-колебательными спектрами люминесценции, в последние годы получает развитие еще одно направление: подстройка частоты излучения узко­полосных лазерных кристаллов путем изменения их химического состава.

 

11.4. Композиционно перестраиваемые твердотельные лазеры

 

Изменяя состав кристалла посредством разнообразных изоморфных заме­щений в структуре, можно добиться направленного смещения длин волн излучения лазера за счет изменения ближайшего окружения активных

ионов и соответствующего изменения силы кристаллического поля, воз­действующего на них. В случае кристаллов, активированных ионами пере­ходных металлов, такое смещение может быть весьма существенным в силу разрешенности переходов и сильного воздействия кристаллического поля. Не вдаваясь в детали, подчеркнем, что именно эта особенность придает кристаллам, активированным ионами переходных металлов, способность перестройки излучения в широком диапазоне длин волн за счет эффектив­ного электрон-фононного взаимодействия.

Хотя кристаллы для лазеров на электрон но-колебательных переходах, в том числе такие их лучшие представители,.как LiSrAlF6: Cr3+, A12O3: Ti3+, LiF: ЦО и другие, демонстрируют широкополосную перестройку лазерного излучения, им присущи типичные для этих систем недостатки, а именно: невысокий квантовый выход и короткие времена жизни верхнего лазер­ного уровня. Вместе с тем для обеспечения эффективной работы лазера желателен высокий квантовый выход, а большое время жизни существенно облегчает диодную накачку активной среды.

Подходящий уровень этих параметров обеспечивается в случае исполь­зования кристаллов, активированных редкоземельными ионами. Однако они, как правило, имеют узкие линии люминесценции и не допускают сколь-нибудь значительной перестройки лазерного излучения, что связа­но с наличием у них эффективного экранирования внешних электрон­ных оболочек. Получить существенную перестройку длин волн лазерно­го излучения можно в этом случае, изменяя состав матрицы, в которую вводится активный ион. Дискретная композиционная перестройка лазер­ного излучения в области 1,06 мкм была предложена в [13] для примене­ния в многоканальных линиях оптоволоконной связи с использованием серии кристаллов со структурой граната различного состава: Y3Sc3Ga3Ol2 (λ = 1058,5 нм), Gd3Sc2Al3Ol2 (λ = 1060,2 нм), Gd3Sc2Ga3O12 (λ = 1061,2 нм), Gd3Ga50l2 (λ = 1062,1 нм). Более тонкая композиционная перестройка (∆λ, = 3 нм) предлагалась в той же работе с использованием твердых рас­творов в системе скандиевых гранатов Gd3Sc2Al3O12/Y3Sc2Ga3O12,

Характер и диапазон композиционной перестройки излучения в ре­зультате изоморфных замещений в структуре регулируется законами кри­сталлохимии и ограничивается в конечном счете областью существования твердых растворов в данной системе. В соответствии с этим недавняя по­пытка осуществить композиционную перестройку излучения в области линии поглощения паров воды 944,11 нм в системе Y3GaxAl5_,p12 Nd3+ [14] была обречена на неудачу. Это связано со специфическим характе­ром замещения А1 на Ga в данной системе [15], в связи с чем кристаллы Y3GaxAl О хорошего оптического качества могут быть получены только в очень ограниченной области составов.

Важным достоинством твердых растворов скандиевых гранатов яв­ляется то, что при изменении длины волны излучения в широком (для редкоземельных ионов) диапазоне другие характеристики материала мало меняются во всей области составов [16]. Учитывая это обстоятельство, за­кономерным является то, что авторы [14] переключились впоследствии с кристаллов Y3GaxAl5_4O12 на галлиевые гранаты [17].

 

В табл. 11.4 приведены составы твердых растворов на основе редкозе­мельных скандиевых гранатов (0 ≤ х ≤ 1) и соответствующие диапазоны из­менения длины волны излучения лазеров, работающих на переходе 4F3/2— 4I11/2 ионов Nd3+.

 

11.5. ВКР кристаллы

 

В 1962 г. в работе [18] при исследовании модуляции добротности рубино­вого лазера впервые было обнаружено излучение, которое впоследствии было интерпретировано как вынужденное комбинационное рассеяние све­та (ВКР). Процесс спонтанного комбинационного рассеяния можно себе представить как двухфотонный резонанс, в котором разность двух оптиче­ских частот (поглощенной (νL) и излученной (νs)) равна частоте колебатель­ного кванта атомов в молекуле или кристалле.

νL – νs = νv

Сечение этого двухфотонного оптического процесса очень мало (о ~ 10~30 см2). Интенсивность вынужденного стоксова рассеяния в стацио­нарном режиме

где IL — интенсивность падающего лазерного излучения; / — длина взаимо­действия; Is — интенсивность стоксова излучений; g — коэффициент ВКР усиления. Работы последних лет показали, что в ВКР излучение может быть переведено до 50—80% падающего на среду лазерного излучения [19]. Та­кие высокие эффективности переводят использование ВКР в практическую плоскость: с помощью этого явления можно создавать эффективные спек­тральные преобразователи для лазерных излучателей. Как уже отмечалось во введении, кристаллические ВКР преобразователи имеют существенное преимущество перед газообразными и жидкими. Высокие плотности вещества обеспечивают наиболее компактное взаимодействие возбуждающего света с ВКР активным веществом и высокий коэффициент усиления [19], а упорядоченность структуры усиливает коллективный эффект взаимодей­ствия с лазерным излучением, снижает порог эффекта и приводит к росту коэффициента усиления и эффективности ВКР преобразования.

В связи с растущим интересом к ВКР активным кристаллам возник­ла необходимость их широкого поиска и сравнительного анализа. За по­следние годы обследованы многие десятки кристаллических соединений. Основные параметры комбинационного рассеяния оценивались по резуль­татам исследования спонтанного комбинационного рассеяния, которое мо­жет проводиться как на монокристаллах, так и на поликристаллических образцах [20]. Среди КР активных кристаллических соединений есть такие вещества, как алмаз, простые оксиды. Однако наиболее многочисленную группу кристаллов образуют сложные соединения с комплексными кисло­родсодержащими анионами. ВКР активные колебания в этих соединениях обусловлены центральносимметричными («дыхательными») движениями ионов кислорода относительно центрального иона в квазимолекулярных группах [CO3 ] [NO3 ], [PO4 ], [СO3], [WO4 ], [NbO6 ], [1O3 ], [BrO3], [SiO4], [NbO4 ], а также ионов водорода в группах [NH4].

В табл. 11.5 сведены основные из обследованных соединений и соот­ветствующие им параметры КР. Измерены относительные интегральные и пиковые интенсивности и частоты КР, которые характеризуют величину частотного сдвига падающего излучения. Отметим большой разброс ча­стот колебаний (от 250 до 1700 см -1) для материалов различного соста­ва. Эти данные свидетельствуют, что имея набор из большого числа ВКР кристаллов, можно осуществить дискретную перестройку частоты излу­чения лазера, сдвиг ее в длинноволновую область спектра на величины, указанные в табл. 11.5. Далее, из перечисленных кристаллов наиболее вы­сокими значениями интегрального сечения рассеяния (600—900 см -1) об­ладают алмаз, а также соединения вольфраматов, молибдатов, ниобатов и иодатов. С другой стороны, порог и коэффициент усиления ВКР при накачке короткими нано- и пикосекундными импульсами определяются пиковыми значениями сечения рассеяния. По этому параметру выделя­ются (наряду с алмазом) кристаллы нитратов, вольфраматов и молибда­тов. Дальнейший анализ показал, что наиболее предпочтительны кристал­лы, обладающие одновременно высокими интегральными сечениями КР и малыми ширинами линий. В [21] показано, что значительный интерес представляют в этом отношении кристаллы вольфраматов и молибдатов щелочноземельных элементов. Учитывая, что уширение линий КР связано с взаимодействием высокочастотных ВКР активных колебаний с решеточ­ными фононными модами, необходимо снизить частоты этих мод, выбирая кристаллы с наиболее тяжелыми ионами в пределах гомологического ряда. Так, например, широко известный кристалл группы шеелита CaWO4 имеет ширину КР линии ∆ν = 6,95 см-1. Замена ионов Са2+ на ионы Sr 2t и Ва2+ позволило резко замедлить процессы релаксации и сузить линию КР до 1,63 см"1 (у BaWO4). Увеличение ионного радиуса в ряду Са2+, Sr2+, Ba2+ и параметров кристаллической решетки приводит также к росту частоты

 

полносимметричных колебаний группы [WOJ. Оба эти фактора приводят к значительному повышению пикового сечения рассеяния и коэффициен­та ВКР усиления. Аналогичные закономерности обнаружены и в гомологи­ческом ряду щелочноземельных молибдатов (см. табл. 11.5). Впоследствии прогнозы, сделанные на основе исследования спонтанного КР, подтверж­дены прямыми методами измерения ВКР усиления [21] и ВКР генерации.

Приведенные результаты свидетельствуют, по нашему мнению, о пер­спективности поиска и создания широкого круга новых кристаллов для ВКР преобразователей.

Помимо описанных выше кристаллов для перестраиваемых лазеров и ВКР преобразователей в фотонике широко используются нелинейно-оптические кристаллы. К ним относятся такие кристаллы с нецентросимметричной структурой, как ниобат и танталат лития и их производные, группа кристаллов на основе калийтитанилфосфата (КТР), обширная группа бо­ратов первой, второй и третьей групп Периодической таблицы элементов, включающая в себя мета-, орто- и оксобораты, столь же обширная группа водорастворимых гидрофосфатов, а также кристаллы иодата лития и неко­торых органических соединений. Эти кристаллы позволяют осуществлять:

*     генерацию  высших  гармоник,  т. е.  удваивать,   утраивать  и т. д. частоты основных гармоник лазеров;  так,  например,  излучение ИАГ: Nd3+ лазера с частотой 1064 нм может последовательно преоб­разовываться в 532, 355, 266, и 213 нм;

*     смешение частот, т. е. получение суммарных и разностных частот излучений разных лазеров;

*     плавную перестройку частоты, так называемую параметрическую генерацию света (ПГС).

Нелинейно-оптическим кристаллам посвящено большое число ориги­нальных статей и монографий (см., например, [22]).

В настоящей лекции мы ограничимся только сопоставлением возмож­ностей нелинейно-оптических кристаллов при реализации спектрально позиционированных источников лазерного излучения.

Сравнительный анализ возможностей спектрального преобразования лазерного излучения с помощью всех перечисленных выше способов при­водит к следующим выводам.

1.  В отличие от ВКР преобразования генерация гармоник обеспечи­вает сдвиг в коротковолновую часть спектра, причем для всех кристаллов смещение кратно частоте основной гармоники. Это означает, что преоб­разование гармоник не может обеспечить спектрального разнообразия, свойственного ВКР преобразованию. Тем не менее, сдвиг в сторону синей и ближней УФ части спектра сам по себе весьма актуален, так как эта часть спектра бедна лазерными частотами.

2.  ВКР преобразование по сравнению с ПГС обладает:

·        более высокой квантовой эффективностью;

более высокой стабильностью энергетических параметров;

·        высокой пространственной однородностью излучения; отсутствием наведенного двулучепреломления.

3. Сочетание лазеров с фиксированной частотой, а также перестраи­ваемых лазеров с ВКР и другими нелинейно-оптическими преобразовате­лями позволяет максимально плотно перекрыть ближнюю УФ, видимую и ближнюю ИК области спектра и предоставляют богатый набор лазерных длин волн для создания спектрально-позиционированных источников из­лучения с требуемыми параметрами.

 

11.6. Кристаллы для проекта лазерной натриевой звезды

 

Проект лазерной натриевой звезды представляет собой, пожалуй, наиболее яркое свидетельство актуальности спектрально-позиционированных ис­точников излучения.

Хорошо известно, что основной проблемой астрономических наблюде­ний с поверхности Земли являются оптические аберрации изображений небесных объектов земной атмосферой. Именно по этой причине астро­номы пытаются устанавливать свои инструменты на горных вершинах или выносить их в космос. Цель проекта лазерной натриевой звезды состоит в том, чтобы минимизировать атмосферные искажения и вернуть телескопы и другие инструменты на поверхность Земли. В 1982 г. Хаппером было пред­ложено использовать для этой цели слой атомов натрия, окружающих Зем­лю. Этот слой расположен на средней высоте ~95 км от поверхности Земли и имеет толщину около 10 км. Плотность атомов натрия составляет всего 5x10° м"2. Атмосферные пары натрия обладают двумя узкими линиями по­глощения 589,2 и 589,6 нм, соответствующими переходам 32S]/3^ 32P3/2, 32Р|/2 и, соответственно, двумя близко расположенными линиями излучения.

Если бы удалось создать лазер, резонансно настроенный на одну из ли­ний поглощения натрия, то на высоте около 100 км можно было бы «зажечь» искусственную желтую звезду, свет которой на пути к земному наблюдателю испытывал бы те же искажения, что и свет от наблюдаемых небесных объ­ектов. Используя специальную, так называемую адаптивную оптику, можно было бы компенсировать аберрации и «очищать» таким образом изображе­ния. Расчеты показали, что для этих целей необходим лазер со средней мощ­ностью излучения около 20 Вт, что технически вполне осуществимо [23].

В настоящее время существует несколько предложений, направленных на решение этой проблемы. Хэмфри с соавторами [24] предложил использо­вать для возбуждения D2 линии натрия перестраиваемый лазер на красите­ле. Позже ученые из Масачусеттского технологического института построи­ли для этой цели твердотельный лазер, в котором использовалось смешение частот 1,064 и 1,319 мкм в нелинейном кристалле трибората лития [25].

В 1982 г. авторами [26] был создан эффективный перестраиваемый ла­зер на ЦО LiF: F2-. Область его перестройки 1,08—1,27 мкм при накачке лазером на ИАГ с неодимом. Коэффициент преобразования излучения накачки составлял 30%. В [27] была продемонстрирована эффективная квазинепрерывная генерация такого лазера с частотами следования им­пульсов 1—20 кГц. Преобразование перестраиваемой генерации во вторую гармонику позволяло настроиться на длину волны D2 — линии натрия.

Недавно в [28] была предложена лазерная система, построенная исклю­чительно на кристаллах, которая способна полностью удовлетворить тре­бования проекта лазерной натриевой звезды как по энергетическим пара­метрам, так по точности спектральной настройки и, что особенно важно, по стабильности спектра генерации. Основу системы составляет сочетание кристалла BaWO4 в качестве ВКР преобразователя и кристалла Gd3Ga50l2: Nd3+ (ГГГ: Nd3+) в качестве активной среды задающего лазера. Предложе­ны два варианта схемы лазера. В первом варианте излучение ГГГ: Nd3+ л = 1062,1 нм модулировалось с помощью кристалла LiF: F2~. Модулирован­ное излучение с энергией импульсов 70 мДж и длительностью 15 не исполь­зовалось в качестве накачки ВКР элемента из BaW04 размером 4x4x40 мм, помещенного между двумя плоскими дихроичными зеркалами резонатора. При энергии импульсов накачки 65 мДж после ВКР преобразования в пер­вую стоксову компоненту энергия составляла 15 мДж, что соответствует кпд по накачке 23%. После удвоения частоты на кристалле К(ТЮ)РО4 (КТР) спектр излучения соответствовал D2 линии поглощения натрия.

Во втором варианте схемы модулированное излучение ГГГ: Nd3+ лазера сначала преобразовывалось во вторую гармонику с помощью КТР, а затем с помощью кристалла BaWO4 — во вторую стоксову компоненту. Энергия импульсов на выходе составляла 4 мДж при кпд преобразования первой стоксовой компоненты во вторую ~30%. Обе схемы генерировали линию с длиной волны 588,95 нм и имели приблизительно одинаковые энергети­ческие параметры. Окончательная тонкая подстройка резонанса осущест­влялась путем изменения температуры активного элемента ГГГ: Nd3+.

Описанная установка обладает высокой энергетической эффективно­стью и требуемым спектром генерации и вполне удовлетворяет основным требованиям проекта лазерной натриевой звезды. Помимо отмеченных выше достоинств предложенная схема допускает масштабирование.

11.7. Заключение

 

Среди обсуждавшихся в настоящей работе трех разделов фотоники наибо­лее продвинутой сегодня является макрофотон ика. Технологии выращива­ния многих кристаллов и создание на их основе элементов макрофотони-ки в значительной степени разработаны; многие конкретные задачи этого раздела фотоники уже нашли свое решение. Именно поэтому обсуждение достижений в области спектрально-позиционированных источников из­лучения проводилось нами применительно к проблемам макрофотон ики. При этом полученные результаты и наработки представляют несомненный интерес также и для микрофотоники и (в определенной мере) для нанофотоники, поскольку там мы имеем дело с теми же физическими явлениями и процессами, что и в случае макрообъектов.

Вместе с тем, как уже отмечалось выше, в микро- и (в особенности) в нанофотонике появляются свои специфические задачи и проблемы, свя­занные с масштабным фактором.

В зарождающейся сегодня нанофотонике и в обеспечивающих ее по­требности нанотехнологиях весьма существенную, если не определяющую, роль играют обусловленные химической термодинамикой механизмы са­моорганизации и самосборки. Ярким примером такой самосборки являет­ся кристаллизация. Исследование этих механизмов, прогресс в понимании подобных процессов открывает широкие перспективы в разработке новых технологий и создании на их основе нанокристаллических элементов и устройств нанофотоники.

Авторы благодарят Л. М. Ершову, К. А. Субботина и Д. А. Лиса за неоце­нимую помощь при подготовке рукописи настоящей статьи.

Литература

[1]    Isyanova Y., Manni J. G., Welford D. High-Power, Passively Q-switched, Micro-laser-Power Amplifier System //Advanced Solid-State Lasers, Seattle, Washington, 2001, Technical Digest P. 107—109.

[2]   Gregorkievicz    T.    and    Langer   J. M.    Lasing    in    Rare-Earth-Doped

Semiconductors: Hopes and Facts // MRS Bulletin, 1999, V. 24, № 9, P.

27-3-1.

[3]   Steckl A.J. and Zavada J.M. Optoelectronic Properties and Applications of

Rare-Earth-Doped GaN // MRS Bulletin, 1999, V. 24, № 9, P. 33-38.

[4]  John S.  Strong localization of photons in certain disordered dielectric

superlattices // Phys. Rev. Letters, 1987, V. 58, P. 2486-2489.

[5]   Fan Shanhui and Joannopoulos J. D. Photonic Crystals: Towards Large-Scale

Integration of Optical and Optoelectronic Circuits // Optics and Photonics

News, 2000, V. 11, № 10, P. 28-33.

[6]   Little B.E. and Chu S.T. Toward Very Large-Scale Integrated Photonics //

Optics and Photonics News, 2000, V. 11, № 11, P. 24-28.

[7]  Alivisatos A. P. Electrical Studies of Semiconductor Nanocrystal Colloids //

MRS Bulletin, 1998, V. 23, № 2, P. 18-23.

[8]  Birnbaum J. and Williams R.S. Physics and the Information Revolution //

Physics Today, 2000, V.53, №1, P. 38-42.

[9]   Bimberg D., Grundman M. and Ledentsov N.N. Growth, Spectroscopy,

and Laser Application of Self-Ordered III-V Quantum Dots, MRS Bulletin,

1998, V.23, № 2, P. 31-34. [

10] Delbecq C. J. A study of M center formation in additively coloured KC1 //

Z. Phys., 1963. V. 171, P. 560-581.

[11]   Basiev T.T., Ermakov I.V., Fedorov V.V., Konushkin V.A. and Zverev P.G. Laser Oscillation of LiF: F2+ — stabilized Color Center Crystals at Room Temperature // Proc. Of Int. Conf. on Tunable Solid State. Lasers, Minsk, Inst. Molec. And Atom Phys, 1994, V. 64.

[12] Mirov S.V., Dergachev A.Yu. Powerful, room-temperature LiF: F2+ laser//

Proc. SPIE, 1997, V. 2986, P. 162-173.

[13] Firsov V.V., Kravtsov N.V., Nanii O.E., Nikolskii M.Y., Shcherbakov I.A.,

Zharikov E.V. A family of high-stable neodymium mini-lasers with laser

pumping for multichannel heterodyne optical communication // OSA Proc.

on Advanced Solid State Lasers, 1993, P. 96-99.

 

 

ЛЕКЦИЯ 12

КОНДЕНСАТОРЫ

Беленький Борис Петрович, к.т.н. с 1985 г., доцент, ОАО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург), зам. генераль­ного директора по науке, окончил в 1959 г. Ленинградский институт водного транспорта, имеет

более 80 научных трудов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.1. Введение

Конденсаторы являются одним из самых «древних» изделий электронной техники и электротехники. Первые конденсаторы, так называемые «лей­денские банки», появились еще в середине XVIII века, задолго до начала их практического применения. Начало формирования реальной потребно­сти и практического использования конденсаторов следует отнести к кон­цу XIX и началу XX веков в связи с изобретением и началом практического применения радио. К середине XX века в мировой практике сформиро­валась достаточно обширная номенклатура конденсаторов на основе раз­личных видов диэлектрика, появились специализированные производ­ственные предприятия. Правда, в 60—70-х годах прошлого века, в связи с интенсивным развитием микроэлектронных технологий и становлением микроэлектроники как одного из важнейших направлений электронной промышленности, высказывались предположения, что развитие микро­электроники приведет, в конечном итоге, к сворачиванию производства дискретных компонентов, в том числе и конденсаторов. В действительно­сти развитие микроэлектроники настолько расширило сферу применения радиоэлектронной и электронной аппаратуры, что потребность в конден­саторах, впрочем, как и других дискретных электронных компонентах, не только не сократилась, но и существенно увеличилась. Сегодня конденса­торы являются одними из самых массовых компонентов радиоэлектронной аппаратуры, а мировое конденсаторостроение представляет собой мощную индустрию с ежегодным приростом объема продаж около 30% и общим объемом выпуска, исчисляемым уже триллионами штук в год. Одновре­менно с количественными изменениями в производстве конденсаторов происходят серьезные качественные изменения в их номенклатуре, свя­занные с внедрением новых материалов и технологий, новых конструктивных решений, отражающих требования и тенденции развития сферы применения. В частности, в настоящее время основная доля конденсаторов в натуральном выражении приходится на малогабаритные и миниатюрные конденсаторы для поверхностного монтажа, в том числе совместимые с ги­бридными интегральными микросхемами.

 

12.2. Основные параметры и характеристики конденсаторов

 

Как известно, основным параметром конденсатора является его электриче­ская емкость, или просто емкость, обозначаемая обычно С, Вообще говоря, электрической емкостью обладают не только конденсаторы. Любое находя­щееся в определенном пространстве тело имеет собственную емкость, кото­рая зависит от размеров и конфигурации тела и количественно определяет его заряд при единичном его потенциале в окружающем пространстве или, иными словами, является размерным коэффициентом пропорциональности между потенциалом тела и его зарядом. Если в определенном простран­стве находятся два тела на расстоянии, при котором их электрические поля могут значимо взаимодействовать, то это взаимодействие характеризуется взаимной емкостью тел, которая количественно определяется как соотно­шение абсолютного значения заряда тел (предполагается, что тела имеют заряды противоположного знака при одинаковом абсолютном значении) и разности потенциалов или, иначе, напряжения между ними. Не требует дополнительных пояснений тот факт, что рассматриваемая нами емкость конденсатора и является, по существу, взаимной емкостью между его элек­тродами или, как иногда принято говорить, обкладками.

Каким же образом формируется и какими факторами определяется емкость конденсатора? Представим себе два плоских электрода, один из которых имеет заряд +q, а другой —q. При отсутствии взаимного влияния электродов их электрические поля будут соответствовать рис. 12.1 (иска­жение поля на краю электродов для простоты восприятия не учитываем). При сближении электродов произойдет наложение их электрических по­лей, в результате чего суммарное электрическое поле сосредоточится между

 

электродами (рис. 12.2), при этом разность потенциалов или напряжение между ними будет соответствовать выражению

где С и является, по определению, емкостью образовавшегося простейшего конденсатора.

Если между электродами этого конденсатора поместить диэлектрик, то при приложении к конденсатору напряжения под воздействием элек­трического поля электродов произойдет поляризация диэлектрика, в ре­зультате чего в нем установится собственное электрическое поле так на­зываемых связанных зарядов, вектор напряженности которого направлен против вектора напряженности поля электродов. Это, в свою очередь, при сохранении заряда на электродах приведет к снижению напряжения между электродами, что будет свидетельствовать о соответствующем увеличении емкости конденсатора. Относительное увеличение емкости конденсатора при помещении между его электродами диэлектрического материала назы­вается относительной диэлектрической проницаемостью или просто диэлек­трической проницаемостью диэлектрика и обычно обозначается е. В общем случае емкость конденсатора описывается выражением:

где: ε0 — диэлектрическая постоянная, S — площадь электродов, d — рас­стояние между электродами.

Подавляющее большинство используемых в конденсаторостроении материалов обладают линейными свойствами, что означает практическое отсутствие зависимости их диэлектрической проницаемости от напряжен­ности электрического поля. Типичными представителями нелинейных материалов являются сегнетоэлектрики. У конденсаторов на их основе в определенном интервале температур наблюдается отсутствие пропорцио­нальности между напряжением и зарядом, поэтому в общем случае спра­ведливыми оказываются выражения:

С = ∆q / ∆U,          или точнее:          С = dq / dU.

Важнейшим параметром конденсатора является его номинальное напря­жение (U ном).

В нормативной документации на конденсаторы, предназначенные для комплектации радиоэлектронной аппаратуры, под номинальным напря­жением понимается то предельное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданных условиях с обеспечением определенных показа­телей надежности и долговечности и с сохранением нормируемых параме­тров в допускаемых пределах. В зависимости от назначения конденсатора номинальное напряжение может быть задано постоянным, переменным, импульсным и т. п.

Для правильного выбора конденсато­ра необходимыми и важными являются сведения о параметрах, описывающих ряд свойств конденсатора в отличие от идеального   конденсатора,   «поведение»   которого в электрической схеме определяется лишь его емкостью.                         

В первом приближении свойства реального конденсатора могут быть пред­ставлены его схемой замещения, приведенной на рис. 12.3.

Первое отличие реального конденсатора от идеального определяется объ­емной и поверхностной проводимостью диэлектрика, элементов конструк­ции и корпуса или оболочки конденсатора. Доля каждой составляющей общей проводимости существенным образом зависит от вида диэлектрика, конструктивного оформления конденсатора, его емкости и номинально­го напряжения. В зависимости от вида конденсатора его общая прово­димость нормируется предельными значениями его общего сопротивле­ния (сопротивление изоляции — Rиз на рис. 12.3) либо тока утечки Iут при номинальном напряжении. Следует отметить, что с увеличением емкости конденсатора все большая доля проводимости конденсатора приходится на объемную проводимость диэлектрика, что, в свою очередь, определяет практически обратно пропорциональную зависимость сопротивления изо­ляции от емкости конденсатора. В связи с изложенным, для конденсаторов относительно большой емкости в нормативной документации приводят не сопротивление изоляции, а постоянную времени, равную RизC. Поскольку сопротивление изоляции и ток утечки конденсаторов значимо зависят от температуры и влажности окружающей среды и, в общем случае, от напря­жения и времени его приложения, методы и условия их измерения регла­ментируют в нормативной документации на конденсаторы.

Другим отличием реального конденсатора являются потери энергии в нем, связанные с поляризацией диэлектрика (диэлектрические потери) и прохождением тока по электродам и выводам конденсатора. Доля каждой составляющей общих потерь зависит от вида диэлектрика и конструкции конденсатора и, в общем случае, может изменяться в зависимости от часто­ты воздействующего на конденсатор напряжения. Суммарные потери энер­гии в конденсаторе при работе его на переменном напряжении определя­ются, как известно, таким параметром, как tg5, который равен отношению активной мощности (мощности потерь) к реактивной мощности конденса­тора на заданной частоте, а сам угол δ является углом, дополняющим на векторной диаграмме угол сдвига фаз тока и напряжения на конденсаторе до 90°. Однако параметр tgδ, по определению, имеет физический смысл только при гармонической форме воздействующего напряжения. Поэтому при более сложных формах напряжения на конденсаторе, а также для ха­рактеристики добротности конденсатора при частотах близких к резонанс­ной частоте, которая зависит от собственной индуктивности конденсатора (L на рис. 12.3), потери энергии в конденсаторе характеризуют величиной эк­вивалентного последовательного сопротивления (Rэпс на рис. 12.3). При этом потери в Rэпс равны суммарным потерям в конденсаторе. Представляется очевидным, что и tgδ, и Rэпс в общем случае являются частотнозависимыми параметрами, поэтому их значения нормируют и определяют на конкрет­ной, заданной частоте. В отдельных случаях, например, при необходимо­сти минимизации собственной индуктивности конденсатора, ее предель­ное значение устанавливают в нормативной документации.

Для сравнительной оценки габаритов и массы конденсаторов различно­го конструктивно-технологического исполнения используют так называе­мые удельные характеристики конденсаторов, количественно определяе­мые как емкость, заряд, энергия или реактивная мощность приходящиеся на единицу объема или массы конденсаторов. Соответственно, различают удельную емкость, удельный заряд, удельную энергию и удельную реактивную мощность конденсаторов. Для выработки корректного подхода к выбору удельной характеристики в конкретном случае сравнительной оценки кон­денсаторов проанализируем каждую из названных удельных объемных ха­рактеристик применительно к случаю простейшего конденсатора, объем которого условно определяется только объемом активной части диэлек­трика, находящейся в электрическом поле (рис. 12.2). Учитывая, что объем такого конденсатора равен S*d и используя приведенную выше формулу емкости простейшего конденсатора, получим выражение удельной емкости такого конденсатора в виде:

Суд = ε0 ε/d2

Соответственно, учитывая, что заряд конденсатора Q = CU, на­копленная электрическая энергия W = CU2/2, а реактивная мощность Рреакт т = 2πfCU2эф, где f — частота приложенного напряжения, a Uэф — его эффективное значение, после несложных математических преобразова­ний получим выражения удельного заряда простейшего конденсатора, его удельной энергии и реактивной мощности в виде:

 

Qуд = ε0 ε E/d;

 

Wуд = εо ε E2 /2;

 

Рреакт. уд. = 2πf ε0 ε E2 эф

 

де Е = U/d и Еэфф = U эфф/d — напряженность электрического поля в диэ­лектрике конденсатора, соответственно при постоянном и переменном на­пряжении.

В общем случае объем конкретного конденсатора зависит не только от диэлектрической проницаемости используемых в нем материалов, но и от степени совершенства его конструкции и технологии, определяющих, при прочих равных условиях, допустимую напряженность электрического поля в основном диэлектрике. Как видим, удельная емкость конденсатора не зависит от напряженности электрического поля в диэлектрике, также как и сама емкость конденсатора от его номинального напряжения (для линей­ных диэлектриков), зато существенным образом (квадратично) зависит от толщины диэлектрика. Представляется очевидным, что этой характеристи­кой следует пользоваться только для оценки технического уровня низко­вольтных конденсаторов с точки зрения реализации минимальной толщи­ны диэлектрика и совершенства рецептуры используемых материалов для достижения максимальной диэлектрической проницаемости. Из проведен­ного выше выражения удельного заряда следует, что эта характеристика учи­тывает диэлектрическую проницаемость и напряженность электрического поля в диэлектрике, но при этом оказывается обратно пропорциональной толщине диэлектрика, которая, при прочих равных условиях, определяет­ся номинальным напряжением конденсаторов. Отсюда следует, что этой характеристикой следует пользоваться для сравнительной оценки конден­саторов только одного номинального напряжения. Как видим, удельная энергия конденсатора определяется только диэлектрической проницаемо­стью и уровнем рабочей напряженности электрического поля в основном диэлектрике и не зависит непосредственно от толщины диэлектрика, то есть, иными словами, при прочих равных условиях, не зависит непосред­ственно от номинального напряжения конденсатора. С этой точки зрения, удельная энергия и удельная реактивная мощность являются достаточно универсальными характеристиками, позволяющими сравнительно оцени­вать потребительные свойства различных видов конденсаторов независимо от их номинального напряжения. Не вдаваясь в подробности, отметим, что допускаемая реактивная мощность конденсаторов существенным образом зависит от частоты приложенного напряжения, так как в общем случае в рабочем диапазоне частот она ограничивается, в зависимости от часто­ты различными факторами. Так, в области относительно низких частот удельная реактивная мощность ограничивается тем обстоятельством, что амплитуда воздействующего напряжения не должна превышать номиналь­ного напряжения. При дальнейшем повышении частоты реактивная мощ­ность конденсатора дополнительно ограничивается допустимым уровнем суммарных потерь в конденсаторе, а в области относительно высоких ча­стот — предельным эффективным значением реактивного тока в электро­дах, контактных узлах или выводах конденсатора. Поэтому сравнительную оценку конденсаторов по удельной реактивной мощности

следует вести только с привязкой к конкретной частоте воздействующего напряжения.

 

12.3. Основные виды современных конденсаторов

 

Как накопитель электрического заряда и энергии конденсатор, как извест­но, отличается от других видов накопителей тем, что накопление энер­гии в нем происходит в электрическом поле между его электродами, при этом приращения заряда и напряжения описываются приведенными выше функциональными зависимостями. Представляется естественным то об­стоятельство, что основные параметры и свойства конденсатора определяяются параметрами и свойствами среды или, иначе, материалов, в которых формируется его электрическое поле.

Основная, наиболее массовая часть современной номенклатуры кон­денсаторов для радиоэлектронной аппаратуры формируется на основе трех традиционных видов конденсаторов:

•     керамические конденсаторы,

•     конденсаторы с оксидным диэлектриком,

 •    конденсаторы с органическим диэлектриком.

В последние годы все большее применение в радиоэлектронной аппара­туре находят так называемые конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы), у которых электрическое поле сосредоточено не в поляризо­ванном диэлектрике, как у названных выше конденсаторов, а в двойном электрическом слое, образующемся при определенных условиях на границе электрод—электролит.

Остановимся коротко на основных особенностях указанных видов кон­денсаторов и их месте в общей номенклатуре этих изделий.

Наибольшая доля мирового выпуска конденсаторов приходится на ке­рамические конденсаторы, в качестве диэлектрика которых используются поликристаллические структуры на основе оксидов металлов и их соеди­нений, в основном, в виде твердых растворов. Современные физические представления о связи химического состава и структуры керамических кон­денсаторных материалов с их диэлектрическими и физико-механическими характеристиками позволяют, варьируя рецептурой и технологическими режимами, получать эти материалы с широкими, не свойственными дру­гим диэлектрическим материалам, диапазонами диэлектрической прони­цаемости и рабочих частот. Диэлектрическая проницаемость керамических материалов для изготовления конденсаторов лежит в пределах от единиц до десятков тысяч относительных единиц. В конденсаторах с оксидным диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала, опреде­ляющего потребительские свойства и основные характеристики этого вида конденсаторов, используются оксидные слои на вентильных металлах. Ори­ентировочные значения относительной диэлектрической проницаемости ок­сидных слоев лежат в пределах десятков единиц. В современных конденса­торах с органическим диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала широко используются различные полимерные пленки толщиной порядка единиц — десятков микрон. Относительная диэлектрическая про­ницаемость этих материалов, как правило, лежит в пределах единиц.

Из вышеприведенных зависимостей следует, что диапазоны реализуе­мых емкостей на том или ином виде диэлектрика определяются не только его диэлектрической проницаемостью, но и технологическими возможно­стями реализации толщины диэлектрика и площади электродов конден­саторов. В свою очередь, диапазон реализации номинальных напряжений конденсаторов на том или ином виде диэлектрика определяется как диа­пазоном реализуемых толщин диэлектрика, так и уровнем рабочей напря­женности электрического поля в нем, которая, в первую очередь, зави­сит от электрической прочности используемых материалов и требований к электрическим режимам и долговечности конденсатора.

 

 

 

 

На рис. 12.4 представлены наиболее характерные для традиционных видов диэлектрика сочетания их диэлектрической проницаемости и прак­тически реализуемых толщин.

Рассматриваемые нами виды конденсаторных диэлектрических мате­риалов существенно отличаются друг от друга не только значениями диэ­лектрической проницаемости и технологически реализуемыми диапазона­ми толщин в конденсаторах, но и значениями электрической прочности. В результате, значения рабочей напряженности электрического поля в ке­рамических конденсаторах не превышают единиц кВ/мм, в конденсаторах с органическим диэлектриком — лежат, как правило, в пределах порядка десятков кВ/мм, а в конденсаторах с оксидным диэлектриком — порядка сотен к В/мм.

Совокупность перечисленных выше характеристик различных видов диэлектрика и технологических особенностей переработки соответствую­щих материалов определяют диапазоны реализации номинальных емко­стей и напряжений конденсаторов на основе этих диэлектриков. Как ука­зывалось выше, в ионисторах роль поляризованного диэлектрика, если можно так выразиться, играет двойной электрический слой, образующийся на границе электрода и электролита при напряжениях ниже потенциала начала химической реакции на электроде. В связи с этим номинальное на­пряжение отдельного ионистора, в зависимости от материала электролита, лежит в пределах порядков десятых долей — единиц вольт. За счет последо­вательного соединения рабочие напряжения блоков ионисторов повышают до десятков вольт. Высокая емкость ионисторов достигается за счет ис­пользования в электродах специальных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью.

На рис. 12.5 представлена совокупность наиболее характерных областей сочетаний номинальных емкостей и напряжений различных видов конден­саторов.

Рис. 12.5 дает лишь самые общие, приблизительные представления о возможностях реализации основных параметров конденсаторов на тех или

V

 

иных диэлектрических материалах, однако и этих представлений вполне достаточно, чтобы выделить области типономиналов, реализация которых возможна только на определенных видах диэлектриков. Так, область отно­сительно малых емкостей в широком интервале напряжений является пре­рогативой керамических конденсаторов, в области больших емкостей и от­носительно малых напряжений «господствуют» конденсаторы с оксидным диэлектриком и далее — с двойным электрическим слоем. Область сочетания относительно больших емкостей и напряжений, т. е. область относительно больших единичных зарядов и энергий конденсаторов, оптимально реали­зуется на органическом диэлектрике. Тем не менее, как видно на рис. 12.5, существует достаточно обширная область типономиналов, в которой возмо­жен и целесообразен выбор вида конденсатора, наиболее соответствующего комплексу предъявляемых требований с учетом преимуществ, недостатков и эксплуатационных возможностей различных видов конденсаторов.

Указанные выше виды конденсаторов имеют свои направления и тен­денции развития, определяемые тенденциями развития соответствующих областей применения и современными достижениями соответствующих областей техники. При этом постоянным и доминирующим требованием, определяющим направления развития всех видов конденсаторов, остается, при прочих условиях, требование дальнейшей миниатюризации изделий, обеспечивающее возможность улучшения массогабаритных характеристик самой аппаратуры.

12.4. Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторные материалы по рецептуре, технологии и тре­бованиям к исходному сырью существенно отличаются от других керамических материалов, в том числе, и электротехнического фарфора. В рецеп­туре конденсаторной керамики нашли применение около 20 химических элементов и не только в оксидной форме, но и в виде соединений с другими элементами (нитриды алюминия, кремния). Наряду с традиционным ке­рамическим сырьем в производстве керамических конденсаторов исполь­зуются соединения редкоземельных элементов в виде простых и сложных оксидов. Как следует из предыдущего раздела, керамические диэлектриче­ские материалы имеют самый широкий диапазон реализуемых значений относительной диэлектрической проницаемости. Соответственно, и сами материалы, и конденсаторы на их основе заметно отличаются по параме­трам и потребительским характеристикам. В соответствии с классифика­цией используемых диэлектриков основная часть номенклатуры керамиче­ских конденсаторов по назначению подразделяется на два типа:

I тип — конденсаторы, предназначенные для использования в высоко­частотных цепях, где малые потери и высокая стабильность емкости явля­ются доминирующими техническими требованиями. В этих конденсаторах используются так называемые высокочастотные керамические материалы с относительно высокой температурной стабильностью диэлектрической проницаемости, значения которой лежат в пределах 7—600, и относительно малыми диэлектрическими потерями при поляризации;

II тип — конденсаторы, предназначенные для использования в цепях с преимущественным воздействием на конденсатор постоянного и низко­частотных составляющих переменного напряжения. Поскольку требования температурной стабильности емкости и малых потерь не являются доми­нирующими, в целях обеспечения малых габаритов и массы при отно­сительно высоких значениях номинальной емкости в этих конденсаторах используются так называемые низкочастотные керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (от 900 до 10000—20000), ко­торая существенно зависит от температуры.

Следует иметь в виду, что как температурная зависимость диэлектриче­ской проницаемости всех керамических материалов, так и температурная стабильность емкости конденсаторов строго нормируются в соответствии с действующей нормативной документацией

Поскольку конденсаторы I типа часто используются в качестве емкост­ных элементов колебательных контуров в широком диапазоне радиочастот, как правило, к ним предъявляются не только и не столько требования максимальной температурной стабильности емкости, сколько требования реализации определенной по знаку и величине ее зависимости от темпе­ратуры. Это позволяет компенсировать температурные уходы параметров других элементов схемы и, тем самым, обеспечить температурную стабиль­ность резонансной частоты контура.

Для керамических конденсаторов I типа характерна практически ли­нейная зависимость емкости от температуры, в связи с чем для количе­ственной оценки и нормирования температурной стабильности их емкости используют температурный коэффициент емкости (ТКЕ), равный изме­нению емкости конденсатора с учетом знака («+» — увеличение емко­сти, «—» — ее уменьшение) при изменении температуры на один градус.

Как правило, получить требуемое значение ТКЕ на основе индивидуаль­ных оксидных соединений, являющихся основой конденсаторной керами­ки, не удается. Поэтому в реальных конденсаторах приходится сочетать две или более кристаллических фаз или использовать твердые растворы соединений с различными (в том числе, и по знаку) значениями ТКЕ.

В рецептуре керамических диэлектриков для конденсаторов II типа в целях повышения диэлектрической проницаемости в зависимости от на­значения и условий эксплуатации конденсатора в большей или меньшей степени используются соединения на основе титаната бария, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами. Указанное обстоятельство, опять же в большей или меньшей степени, определяет существенную нелинейную зависимость емкости этих конденсаторов от температуры. В связи с из­ложенным температурную стабильность емкости конденсаторов II типа оценивают и нормируют по относительному изменению их емкости во всем рабочем интервале температур. Необходимое сочетание диэлектри­ческой проницаемости и ее температурной стабильности получают путем сочетания в одном материале двух или нескольких кристаллических фаз с различными значениями температуры Кюри, определяющей, как извест­но, фазовый переход диэлектрика из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. В результате, при достижении предельных значений диэлектрической проницаемости (до 10000—20000) приходится мириться с уходом емкости в рабочем интервале температур до 90%. Приемлемая в общем случае стабильность емкости в пределах 15—20% реализуется на материалах с диэлектрической проницаемостью в районе 3000.

Особенностью керамических конденсаторов, нашедшей отражение в действующей нормативной документации, является их деление на низко­вольтные (до 1600 В) и высоковольтные (1600 В и выше). Кроме керамиче­ских конденсаторов постоянной емкости практическое применение находят подстроечные конденсаторы, конструкция которых позволяет в определен­ных пределах менять их емкость в процессе настройки аппаратуры. В по­следние годы все реальнее просматриваются перспективы практического использования нелинейных свойств сегнетокерамических материалов и, соответственно, конденсаторов на их основе. Существенная зависимость диэлектрической проницаемости этих материалов от напряженности элек­трического поля позволяет в определенных пределах управлять емкостью таких конденсаторов так называемых варикондов путем приложения к их выводам постоянного напряжения.

По базовому конструктивно-технологическому решению керамические конденсаторы подразделяются на однослойные и многослойные. В совре­менном мировом производстве керамических конденсаторов основная доля приходится на низковольтные многослойные конденсаторы. В последние десятилетия многослойная конструкция успешно используется для реали­зации высоковольтных керамических конденсаторов номинальным напря­жением порядка единиц киловольт. Конструкция многослойного керами­ческого конденсатора упрощенно представлена на рис. 12.6.

Такая конструкция является самой перспективной конструкцией кера­мических конденсаторов. Она позволяет снять ограничения по толщине

 

    

                                                                                                                                            

диэлектрика, присущие однослойным конденсаторам вследствие недоста­точной механической прочности керамики в тонких слоях. Соответствен­но, относительно малая толщина одного слоя диэлектрика (до единиц-десятков мкм) при числе слоев до порядка сотен позволяют существенно расширить диапазон реализуемых номинальных емкостей, который дохо­дит в современных низковольтных конденсаторах до порядка сотен микро­фарад.

Технологическая основа многослойных конденсаторов заключает­ся в совместном спекании керамики с металлическим электродом. В ре­зультате, конденсаторная секция представляет собой плотно спеченный монолитный пакет из чередующихся между собой слоев керамического диэлектрика и металлического электрода. При всех очевидных преиму­ществах эти конденсаторы, однако, имеют принципиальный недостаток, заключающийся в необходимости применения в качестве их электродов тугоплавких благородных металлов — палладия, платины и их сплавов с серебром и золотом. Это обстоятельство вызвано тем, что спекание ке­рамического диэлектрика и вжигание внутренних слоев электрода произ­водится одновременно с высокотемпературным обжигом при температуре 1000—1400 "С (в зависимости от применяемых материалов) в воздушной, т. е. окислительной среде, что, в свою очередь, вызвано тем, что обжиг традиционно применяемых материалов в восстановительной и даже в ней­тральной среде приводит к потере ими диэлектрических свойств.

Важнейшей технологической операцией, предшествующей сборке мно­гослойного пакета конденсаторов, является операция литья керамической пленки. Для этого предварительно готовят жидкий шликер, представляю­щий собой жидкую суспензию на водной или органической основе с от­носительно малым содержанием пленкообразующего компонента и боль­шим содержанием наполнителя — твердой фазы — частиц керамической массы. Сама керамическая масса должна быть предварительно размолота до мелкодисперсного состояния, Существующие технологические схемы литья керамических пленок основаны на свободном разливе шликера из бункера с калиброванной фильерой на движущуюся подложку с последую­щей сушкой и отделением пленки от подложки. Формирование внутренних электродов конденсаторов может осуществляться как методом переноса соответствующего рисунка из предварительно отлитой указанным выше методом металлической пленки из соответствующего сплава на диэлек­трическую пленку на специальном оборудовании, так и нанесением не­обходимого рисунка электродов на диэлектрическую пленку методом сет-котрафаретной печати. Далее на специальном оборудовании происходит формирование и прессование многослойного группового пакета, который затем разрезается на пакеты отдельных конденсаторов.

Решающей операцией технологического процесса изготовления керами­ческих конденсаторов является обжиг. Только в результате обжига и про­исходящих при этом физико-химических процессов керамические мате­риалы приобретают плотную монолитную структуру и все присущие им диэлектрические и механические свойства. В результате обжига пористость заготовок резко уменьшается и, главное, достигается отсутствие связанных друг с другом цепочек пор, т. е. отсутствие открытой, сквозной пористости, приводящей к потере конденсатором определенной влагостойкости.

Формирование контактных электродов конденсаторов осуществляет­ся путем нанесения на соответствующие торцы заготовки конденсатора специальной серебросодержащей пасты с последующим ее вжиганием. Для обеспечения устойчивости серебряных электродов при формирова­нии контактных площадок на основе технологии горячего облуживания на них тем или иным методом наносится защитный, или так называемый стоп-слой. В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут иметь либо проволочные выводы для монтажа конденсатора в отверстия печат­ных плат, либо контактные площадки для монтажа конденсатора на их поверхность.

И в мировой, и в отечественной практике развитие многослойных ке­рамических конденсаторов в направлении улучшения их массогабаритных характеристик достигается за счет поступательного снижения толщины пленочного диэлектрика, что удачно сочетается с объективно существую­щей тенденцией снижения рабочих напряжений большей части функцио­нальных блоков радиоэлектронной аппаратуры до уровня порядка единиц вольт. В настоящее время в мировом конденсаторостроении, например, фирмой MURATA (Япония) реализованы керамические многослойные конденсаторы с толщиной диэлектрика 3 мкм и менее с удельной емкостью более 1000 мкФ/см3. Отечественным достижением в этой области явля­ются керамические многослойные конденсаторы с толщиной диэлектрика 10 мкм и удельной емкостью 300 мкФ/см3. Следует отметить, что переход от традиционно реализуемых толщин диэлектрика порядка десятков ми­крон к единицам микрон является, по существу, качественным переходом, поскольку предполагает решение комплекса материаловедческих и техно­логических проблем. Дело в том, что столь малые толщины диэлектрика предопределяют повышенные требования к дисперсности исходных кера­мических продуктов и соединений, Требуемые микро и нано-дисперсные материалы, например, титанат бария, уже практически не могут быть реа­лизованы на основе традиционной технологии термического синтеза спека с последующим его помолом. Для их получения необходимы современ­ные химические технологии синтеза, к сожалению, пока не реализованные в полной мере в отечественном производстве. В свою очередь, переход на указанные исходные продукты и соединения открывает новые возможно­сти по оптимизации рецептуры керамических диэлектриков в направлении повышения их диэлектрической проницаемости и дальнейшему снижению

температуры спекания конденсаторов с целью полного отказа от плати­ны и уменьшения содержания палладия в составе сплава для внутренних электродов. Самостоятельной является задача отработки технологии литья сверхтонких керамических пленок и формирования на их основе пакетов конденсаторов с числом слов порядка сотен. Реализация этих технологий в производстве немыслима без оснащения его соответствующим современ­ным специальным технологическим оборудованием.

 

12.5. Конденсаторы с оксидным диэлектриком

 

Как уже указывалось, в качестве диэлектрика в этом виде конденсаторов используются аморфные оксидные пленки на поверхности вентильных ме­таллов. Диэлектрическая проницаемость потенциально пригодных для ис­пользования в этих конденсаторах оксидов примерно составляет:

·        оксид алюминия — 10;

·        оксид тантала — 25;

·        оксид ниобия — 40;

·        оксид титана — 100.

Однако, как показали исследования, при высоком значении диэлектри­ческой проницаемости оксида титана его однородность и соответственно, электрическая прочность настолько малы, что не позволяют создать на его основе конденсаторы на практически пригодное номинальное напря­жение. Оксид ниобия по сравнению с оксидом титана обладает лучшим, практически пригодным комплексом свойств, однако заметно уступает по совокупности характеристик конденсаторов первым двум материалам. Не­сколько десятилетий назад и в мировой и в отечественной практике были созданы и выпускались ниобиевые конденсаторы. Эти конденсаторы, рас­сматривались как более дешевая, в связи с большей доступностью исходно­го сырья, альтернатива танталовым конденсаторам. Однако относительная доступность танталового сырья на мировом рынке, характерная для послед­них лет, и, главное, приводящая к преждевременным отказам конденсато­ров склонность оксидной пленки ниобия к кристаллизации не позволили этим конденсаторам занять достойное место в номенклатуре электронных компонентов. В результате, в современной номенклатуре конденсаторов широко представлены и нашли свою нишу в сфере применения алюминие­вые и танталовые оксидные конденсаторы. Эти группы оксидных конден­саторов отличаются не только базовыми материалами, но и имеют суще­ственно отличающиеся базовые конструктивно-технологические решения, что определяет целесообразность раздельного рассмотрения этих конденса­торов. Прежде чем приступить к рассмотрению конструкции и технологии конденсаторов, остановимся коротко на общей терминологии и классифи­кации этого вида конденсаторов. Поскольку, как показано выше, емкость конденсатора при прочих равных условиях определяется площадью его электродов, формирование оксидного диэлектрического слоя проводят на металлическом электроде с предварительно искусственно развитой поверх­ностью. Учитывая вентильные свойства перехода металл — оксид, электрод с оксидным слоем используют в качестве анода конденсатора. В случае использования в качестве анода фольги из применяемого металла конден­сатор считается фольговым. Другим конструктивно-технологическим реше­нием анода с развитой поверхностью является объемно-пористый анод на основе предварительно полученного порошка используемого металла. Кон­денсатор с таким анодом именуется объемно-пористым. В качестве катода, «охватывающего» всю поверхность оксидного слоя может использоваться жидкий или гелеобразный электролит. Такие конденсаторы по материа­лу и природе катода относятся к оксидно-электролитическим. В объемно-пористых конденсаторах наряду с электролитом используются полупрово­дники с повышенной проводимостью. Такие конденсаторы по материалу катода относят к оксидно-полупроводниковым конденсаторам. Широко при­меняемая в зарубежных публикациях классификация конденсаторов по материалу катода на конденсаторы с «жидким и твердым электролитом», строго говоря, не является вполне корректной ввиду совершенно разной физической природы проводимости электролитов и полупроводников.

 

12.6. Алюминиевые конденсаторы

 

Особенностью алюминия, как исходного материала для оксидных кон­денсаторов, является его относительно высокая способность к травлению поверхности. Это обстоятельство определило тот факт, что подавляющее большинство практически используемых типов алюминиевых конденса­торов относятся к фольговым. Наиболее приемлемым базовым решением катода в фольговых конденсаторах является использование электролита, в связи с чем рассматриваемые в данном разделе алюминиевые оксидные конденсаторы в целом относятся к фольговым оксидно-электролитическим конденсаторам.

В качестве исходного материала в алюминиевых оксидно-электроли­тических конденсаторах используется алюминиевая фольга толщиной в пределах 50—150 мкм с содержанием алюминия не менее 99,95% со строго ограниченным содержанием конкретных примесей. Развитие поверхности фольги за счет ее травления осуществляется методом электрохимической обработки, в частности, в растворах, содержащих ионы хлора. На специ­альном оборудовании реализуется динамическое травление, при котором сматываемая с исходного рулона фольга проходит через ряд ванн, в ко­торых фольга последовательно подвергается обезжириванию, травлению, промывке и после сушки снова сматывается в рулон. Технология травле­ния фольги является определяющей в части достижения высоких удель­ных характеристик рассматриваемых конденсаторов и поэтому постоянно совершенствуется как в части рецептуры обрабатывающих растворов, так и в части электрических режимов обработки. В частности, в последние десятилетия в практику производства рассматриваемых конденсаторов ак­тивно внедрялся метод солянокислого травления, при котором электро­химическая обработка фольги осуществляется в достаточно концентриро­ванном растворе соляной кислоты. Такая обработка дает дополнительное увеличение поверхности анода до 2-х раз. Последующее формирование оксидного слоя на анодной фольге называется ее формовкой. Формовкаанодной фольги осуществляется путем ее электролитической обработки, при которой на аноде в процессе электролиза выделяется кислород, вы­зывающий окисление алюминия. В качестве формовочных электролитов используют растворы слабых кислот или щелочей, концентрация которых позволяет регулировать и оптимизировать процесс формовки за счет из­менения тока в формовочной ванне. Процесс формовки идет до некоторого стационарного состояния при напряжении формовки, несколько превыша­ющем номинальное напряжение изготавливаемого конденсатора. Само на­пряжение формовки и, следовательно, соответствующее ему номинальное напряжение конденсатора объективно ограничиваются напряжением, при котором на формуемом электроде начинается искрение вследствие вски­пания и (или) электролиза электролита в тонких каналах формируемого оксидного слоя. В связи с изложенным, номинальное напряжение алюми­ниевых оксидно-электролитических конденсаторов обычно не превышает 450 В.

В промышленных условиях на специальном оборудовании реализует­ся, так называемая, динамическая формовка, при которой сматываемая с исходного рулона фольга проходит через ряд ванн. При этом последова­тельно осуществляется формовка и промывка фольги в дистиллированной воде. После прохождения зоны сушки отформованная фольга сматывается в приемный рулон. В качестве катодного коллектора или, иначе говоря, катодного вывода секции конденсатора используется катодная фольга тол­щиной 30—50 мкм. «Соединение» электролита с катодной фольгой осу­ществляется через так называемую катодную емкость. Для того чтобы эта емкость не влияла на параметры и режимы работы основной («анодной») емкости конденсатора, величина катодной емкости должна быть, по край­ней мере, на порядок больше номинальной емкости. Это требование обе­спечивается травлением катодной фольги без последующей формовки ок­сидного слоя. При этом относительно большая величина катодной емкости обеспечивается развитой поверхностью и малой толщиной естественного оксидного слоя. Благодаря указанному выше соотношению емкостей паде­ние напряжения на оксидном слое катодной фольги при работе конденса­тора пренебрежимо мало.

Нарезанные определенным образом анодная и катодная фольги сматы­ваются на специальных станках в рулон с прокладкой между ними специ­альной пористой бумаги, которая после пропитки электролитом является, по существу, сепаратором, исключающим замыкание анодной и катодной фольг и удерживающим между ними электролит. Выбор рецептуры и тех­нологии приготовления рабочего электролита является весьма важным мо­ментом, определяющим потребительские свойства конденсатора, в частно­сти, его работоспособность при отрицательных температурах. Дело в том, что при этих температурах удельная проводимость электролита существен­но снижается, что приводит к заметному повышению эквивалентного по­следовательного сопротивления конденсатора и, как следствие, к снижению эффективности его использования в аппаратуре. Алюминиевые электроли­тические конденсаторы отличаются повышенным током утечки, прохож­дение которого через дефекты оксидного слоя вызывает электролиз электролита с выделением водорода. В связи с этим, в целях предупреждения повышения давления в конденсаторах до опасной, вызывающей их разру­шения величины, конструкцию этих конденсаторов делают уплотненной, допускающей выход выделившегося газа за пределы корпуса конденсатора. Вполне естественно, что такая конструкция рассматриваемых конденсато­ров ограничивает их долговечность, сохраняемость и работоспособность при повышенных температурах в связи с естественным испарением ком­понентов электролита. Еще одной особенностью алюминиевых конденса­торов является их склонность к расформовке, т. е. некоторой обратимой потере емкости при хранении без воздействия напряжения. Указанные не­достатки алюминиевых электролитических конденсаторов, несмотря на их высокие удельные характеристики, существенно ограничивают их приме­нение в аппаратуре длительного функционирования в жестких климатиче­ских условиях при высоких требованиях к ее надежности.

Тем не менее, алюминиевые конденсаторы являются одними из самых массовых и широко используются в самой разнообразной аппаратуре про­мышленного и оборонного назначения. Их развитие направлено на улуч­шение удельных и эксплуатационных характеристик за счет совершен­ствования технологий травления и формовки анодной фольги, изыскания и использования новых, более совершенных рабочих электролитов, рас­ширяющих диапазон рабочих температур, изыскания и реализации новых базовых конструктивных решений, отвечающих требованиям современной радиоэлектронной аппаратуры.

 

12.7. Танталовые конденсаторы

 

Как указывалось выше, диэлектрическая проницаемость окиси тантала в 2,5 раза превышает диэлектрическую проницаемость окиси алюминия. Кроме того, окись тантала обладает существенно большей химической стойкостью, что, во-первых, позволяет использовать в электролитических конденсаторах агрессивные электролиты с существенно повышенной про­водимостью, например, растворы серной кислоты, а, во-вторых, обеспечи­вает танталовым конденсаторам меньшую по сравнению с алюминиевыми склонность к расформовке при длительном хранении. Существенно мень­шая дефектность пленки окиси тантала обеспечивает танталовым конден­саторам, при прочих равных условиях, значительно меньшие токи утечки и, как результат, практическое отсутствие газовыделения в конденсаторе. По­следнее позволяет, при необходимости, создавать танталовые конденсаторы герметичной конструкции со всеми вытекающими отсюда последствиями. Все изложенные выше обстоятельства являются, по существу, объективны­ми предпосылками для создания на основе окиси тантала конденсаторов, лишенных присущих алюминиевым конденсаторам недостатков.

Однако повышенная химическая стойкость самого тантала вызыва­ет значительные технологические трудности его травления для получе­ния развитой поверхности электрода. Кроме того, технология травления танталовой фольги экологически далеко не безопасна. Поэтому базовое конструктивно-технологическое решение наиболее массовых типов танта-

 

ловых конденсаторов предполагает формирование их анода в виде объемно-пористого тела на основе специальных конденсаторных танталовых порош­ков. Разработки танталовых фольговых конденсаторов носят единичный характер при решении специальных задач по созданию конденсаторов целевого назначения. В производстве танталовых конденсаторов реализу­ются оба конструктивно-технологических варианта катода: в зависимости от назначения и условий эксплуатации практическое применение имеют как оксидно-электролитические, так и особенно широко используемые оксидно-полупроводниковые танталовые конденсаторы. Конструкция со­временного объемно-пористого оксидно-электролитического танталового конденсатора упрощенно представлена на рис. 12.7.

К настоящему времени сформирована достаточно широкая номен­клатура танталовых конденсаторных порошков, выпускаемых специали­зированными предприятиями металлургического профиля. Различные порошки отличаются технологиями изготовления, что определяет их су­щественное отличие по потребительским и технологическим характери­стикам. Основной потребительской характеристикой конденсаторного по­рошка является его исходный удельный заряд, оцениваемый в мкКл/г по характеристикам пробного конденсатора, изготовленного по типовой тех­нологии. Ответственейшей операцией изготовления танталовых объемно-пористых конденсаторов, определяющей их качество и эксплуатационные характеристики, является операция спекания предварительно спрессован­ных анодов, в центре которых помещен анодный вывод. Спекание прово­дится в вакууме с остаточным давлением порядка не более 10~4 мм рт. ст. при температуре около 2000 °С. В начальной стадии спекания удаляются различные примеси и загрязнения, влияющие на величину тока утечки будущих конденсаторов, а также удаляется органическая связка, исполь­зуемая при прессовании относительно крупногабаритных анодов. При спе­кании в результате взаимной диффузии спрессованных частиц порошка происходят некоторая монолитизация и уплотнение объемно-пористого тела, в результате чего устанавливается надежный электрический контакт между отдельными частицами анода. Температура и продолжительность процесса спекания должны быть оптимизированы с целью исключения потери изначально развитой поверхности анода или, иначе, потери ис­ходного удельного заряда используемого порошка. Формовка танталовых конденсаторов принципиально не отличается от формовки алюминиевых конденсаторов, за исключением того обстоятельства, что ввиду большей пористости объемно-пористого тела напряжение искрения в этом случае существенно снижается. В результате, номинальное напряжение объемно-пористых конденсаторов обычно не превышает 125 В.

Спеченный и отформованный анод помешается в корпус, материал ко­торого выбирается исходя из требований к условиям эксплуатации кон­денсатора. Для специальных жестких условий эксплуатации в последние десятилетия используют танталовые корпуса. Конструкция заливается и пропитывается электролитом, представляющим собой 38—40% раствор серной кислоты, и герметизируется сваркой. Вывод анода осуществляется через специальный стеклянный изолятор с танталовой арматурой. Само­стоятельной проблемой в этих конденсаторах является контакт электроли­та с танталовым корпусом, являющимся, по существу, катодным выводом конденсатора. Представляется очевидным, что реализация постоянного низкоомного контакта непосредственно между электролитом и корпусом из-за их электрохимического взаимодействия теоретически и практически невозможна. В связи с этим «соединение» электролита с корпусом, как и «соединение» электролита с катодной фольгой в алюминиевых конденса­торах, осуществляется через так называемую катодную емкость, величина которой, как и в упомянутых алюминиевых конденсаторах, по крайней мере на порядок должна быть больше номинальной емкости конденсатора. Для этого на внутренней поверхности корпуса тем или иным способом формируют проводящее покрытие с высокоразвитой поверхностью и тон­ким диэлектрическим слоем, определяющим при контакте его с электро­литом величину катодной емкости конденсатора.

В рассмотренном конструктивно-технологическом исполнении реали­зуются относительно крупногабаритные конденсаторы емкостью до тысяч микрофарад и номинальным напряжением до 125 В. Миниатюрные тан­таловые конденсаторы, в том числе в чип-исполнении для поверхностного монтажа, реализуются с катодной системой на полупроводниковой основе. Конструкция таких конденсаторов в упрощенном виде, без наружной за­щитной оболочки, представлена на рис. 12.8.

Начальные стадии технологического процесса изготовления этих кон­денсаторов и их режимы практически не отличаются от технологии элек­тролитических объемно-пористых конденсаторов. Предварительно спрес­сованный, спеченный и отформованный анод далее поступает на операции формирования катодной системы конденсатора. В качестве катодного по­лупроводникового покрытия в этих конденсаторах обычно используется двуокись марганца — МпО3. Технология получения этого покрытия осно­вана на осаждении МпО2 в процессе пиролитического разложения азотно­кислого марганца, для чего анод предварительно пропитывается его рас­твором. Операция пиролиза проводится на специальном оборудовании при

 

 

температуре 240—300 "С. Поскольку при такой температуре происходит не­которая расформовка анода, операцию пиролиза проводят циклами, че­редуя их с операциями периодической подформовки. После операции пи­ролиза все поры отформованного анода, как и его наружная поверхность, оказываются заполненными и покрытыми сплошным слоем двуокиси мар­ганца. Далее на эту поверхность тем или иным способом наносится прово­дящая углеродная композиция и слой припоя для последующей припайки катодного вывода. Для защиты от внешних воздействий конденсаторы, как правило, опрессовываются термореактивными компаундами. Конструкция внешней части выводов конденсаторов определяется предполагаемым спо­собом монтажа конденсатора в аппаратуре.

Представляется очевидным, что габариты и масса объемно-пористых конденсаторов определяются, в первую очередь, исходным удельным заря­дом используемого порошка. Поэтому развитие этой группы конденсаторов в направлении улучшения их удельных характеристик предусматривает, в первую очередь, изыскание и использование в производстве новых совре­менных высокозарядных танталовых порошков. Так, если в 50—60-е годы прошлого столетия удельный заряд конденсаторных танталовых порош­ков исчислялся единицами тысяч мкКл/г, то сегодня в мировом производ­стве танталовых конденсаторов используются мелкодисперсные порошки с удельным зарядом 100—150 тыс. мкКл/г.

Следует при этом отметить, что каждый шаг в повышении удельно­го заряда рассматриваемых конденсаторов за счет применения высоко­зарядных и, соответственно, более мелкодисперсных, порошков требует отработки и оптимизации технологии их переработки при изготовлении конденсаторов. Дело в том, что, как известно, мелкодисперсные порош­ковые материалы в большей степени склонны к образованию агломера­тов с уменьшением удельной поверхности и, в конечном итоге, с потерей удельного заряда конденсаторов.

Однако в развитии танталовых конденсаторов на основе современных высокозарядных порошков уже в ближайшее время неизбежен переход на новые базовые конструктивно-технологические решения, необходимость которых определяется самой физической природой образования емкости на развитой поверхности объемно-пористого тела. Причина этого перехода

 

 

становится понятной из рассмотрения эквивалентной схемы конденсато­ров с объемно-пористым анодом, представленной на рис. 12.9

Общая емкость такого конденсатора складывается из параллельно сое­диненных емкостей отдельных зерен спрессованного танталового порошка. При этом аноды этих элементарных емкостных элементов соединяются с анодным выводом конденсатора расположенным, как правило, в цен­тре объемно-пористого тела, через низкоомные контакты между зернами спрессованного и спеченного объемно-пористого тела, а их катоды с ка­тодным выводом конденсатора — тонкими слоями электролита в порах (электролитические конденсаторы) или тонкими слоями полупроводника (оксидно-полупроводниковые конденсаторы). Относительно большое со­противление таких катодных соединений приводит к тому, что постоянная времени релаксаторов, образуемых отдельными элементарными конденса­торами, по мере их удаления от катодного вывода становится все более заметной и значимой для частотной зависимости емкости конденсатора. В результате, для всех объемно-пористых конденсаторов, в большей или меньшей степени, характерно заметное снижение эффективной емкости по мере повышения частоты воздействующего напряжения. Эта зависимость, ограничивающая эффект от применения конденсаторов, характерна, в пер­вую очередь, для оксидно-электролитических конденсаторов, имеющих от­носительно крупногабаритные аноды, а также все заметнее проявляется в малогабаритных оксидно-полупроводниковых конденсаторах по мере пе­рехода на современные вые око-зарядные мелкодисперсные порошки в свя­зи с уменьшением размеров пор в теле анода. Указанные обстоятельства делают все менее привлекательным и эффективным применение в высоко­частотных режимах танталовых конденсаторов с повышенным удельным зарядом, в результате чего их высокий технический уровень оказывается невостребованным значительной частью потребителей и остается, по су­ществу, «вещью в себе». Уже сегодня при уровне удельного заряда кон­денсаторов 25—30 тыс. мкКл/см3, реализуемых на порошках с удельным зарядом менее 100 тыс. мкКл/г, эта проблема достаточно остро стоит при выборе конденсаторов для современных высокочастотных и импульсных источников вторичного электропитания. В целом ряде случаев разработ­чики' этой аппаратуры вынуждены применять конденсаторы давних лет разработки, имеющие низкий удельный заряд, но и обладающие при этом относительно малым внутренним сопротивлением. Применяемое в миро-

 

вой практике параллельное соединение нескольких анодов в одном кон­денсаторе и использование в качестве катодного покрытия органических полупроводников лишь частично решают указанную проблему. Отсюда следует, что дальнейшее поступательное развитие этой группы конденса­торов немыслимо без качественного перехода, суть которого заключается в изыскания и реализации новых базовых конструктивно-технологических решений, обеспечивающих комплексную эффективность применения со­временных высокозарядных порошков. Примером таких решений может служить уже частично реализованная и апробированная в производстве оксидно-полупроводниковых конденсаторов технология электрофоретического осаждения танталового порошка на фольговый танталовый электрод с целью формирования на нем тонкого плоского объемно-пористого анода (рис. 12.10).

Такая конструкция анода существенно снижает и выравнивает сопро­тивления отдельных релаксаторов на эквивалентной схеме рис. 12.9, что по­зволяет добиться сверхнизких значений эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов и стабильности их емкости в широком диа­пазоне частот. В то же время исследования показывают, что отработанная и апробированная на относительно низкозарядных порошках электрофорезная технология не может быть перенесена в современное производство без ее дополнительной отработки и адаптации применительно к высокозарядным и, следовательно, более мелкодисперсным танталовым порошкам.

 

12.8. Конденсаторы с органическим диэлектриком

 

Для того чтобы представить роль и место конденсаторов с органическим диэлектриком в современной номенклатуре конденсаторов для радиоэлек­тронной аппаратуры, целесообразно, хотя бы коротко, остановиться на истории их развития, которая тесно связана с этапами развития радиоэ­лектроники в целом.

С первых десятилетий до второй половины прошлого века одними из самых массовых емкостных элементов для радиоэлектронной аппаратуры были бумажные конденсаторы, в качестве диэлектрика в которых использо­валась специальная конденсаторная бумага. Становлению и развитию этих конденсаторов сопутствовали разработки и организация специализирован­ных производств по выпуску различных сортов конденсаторной бумаги, учитывающих специфику и особенности конденсаторов в соответствии с режимами и условиями их применения. Основой конденсаторной бума­ги являлась специальная древесная целлюлоза, обладающая приемлемым сочетанием диэлектрической проницаемости и электрической прочности. Такие органически присущие бумаге недостатки, как высокая пористость и гигроскопичность в конденсаторах устранялись операциями вакуумной сушки и пропитки, которые, надо отметить, являлись одними из трудо­емких и энергоемких операций производства конденсаторов. Относитель­но большие диэлектрические потери полярного диэлектрика целлюлозы ограничивали частотный диапазон применения бумажных конденсаторов, который обычно не выходил за пределы порядков десятков—сотен кГц. Предъявление новых требований к параметрам и режимам работы конден­саторов, связанных с расширением сферы применения радиоэлектронной аппаратуры и, соответственно, расширением ее функциональных возмож­ностей, привело к необходимости применения в конденсаторах специаль­ных синтетических органических пленок, перспективное разнообразие ассортимента которых определялось интенсивным развитием и открыва­ющимися возможностями химического синтеза. Как известно, в первые десятилетия и в середине прошлого века основным активным элементом радиоэлектронных схем оставались электронные лампы, диапазон рабочих напряжений которых — порядка десятков—сотен вольт — соответствует области оптимального использования возможностей конденсаторов с ор­ганическим диэлектриком. Именно на основе ламповых схем в то вре­мя реализовывались достаточно сложные аналоговые и цифровые схемы, определяющие разнообразие специальных требований к конденсаторам, Указанные обстоятельства привели к тому, что во второй половине прошло­го века стала формироваться достаточно широкая номенклатура конденса­торов с органическим диэлектриком, основанная на использовании новых конденсаторных синтетических пленок. Так, для реализации специальных требований к точности, температурной и частотной стабильности емкости (многоканальная телефония) были разработаны и освоены в серийном про­изводстве специальные полистирольные конденсаторы. Специальные тре­бования к температурной и временной стабильности постоянной времени конденсаторов (интегрирующие цепи специальной аналоговой аппаратуры) были реализованы в разработках конденсаторов на основе поликарбонат­ной пленки. Расширение рабочего температурного диапазона конденсато­ров потребовало создания специальных высокотемпературных фторопла­стовых конденсаторов. Кроме того, замена бумажных конденсаторов на лавсановые и полипропиленовые позволила коренным образом изменить облик производства массовых типов низковольтных конденсаторов в связи с исключением из технологического процесса операции вакуумной сушки, пропитки и герметизации конденсаторов. В целом использование синте­тических пленок позволило оптимизировать номенклатуру и качественно расширить эксплуатационные возможности конденсаторов с органическим диэлектриком. Предполагалось, что номенклатура синтетических органи­ческих пленок и далее будет расширяться в связи с развитием и дальней­шим расширением областей применения радиоэлектронной аппаратуры.

Однако развитие полупроводниковой техники и микроэлектроники приве­ло к тому, что рабочие напряжения основной части функциональных бло­ков современной аппаратуры находятся в пределах порядка единиц вольт, где по удельным характеристикам конденсаторы с органическим диэлек­триком существенно уступают другим видам конденсаторов. В результате в последние десятилетия у конденсаторов с органическим диэлектриком сформировалась вполне определенная и достаточно устойчивая ниша при­менения в современной аппаратуре. Это, конечно же, силовая электрони­ка, в частности, частотно управляемые приводы разной мощности, испол­нительные блоки аппаратуры, схемы подавление электромагнитных помех, распространяющихся по цепям питания, схемы асинхронного привода от­носительно небольшой мощности при их однофазном питании, а также ем­костные накопители энергии самого различного назначения напряжением до порядка десятков киловольт. И в отечественном, и в мировом конденсаторостроении современная номенклатура конденсаторов с органическим диэлектриком реализуется, в основном, на основе лавсановой (полиэтилен-терефталатной) и полипропиленовой пленок. При этом лавсановая пленка, являющаяся полярным диэлектриком, имеет повышенную диэлектриче­скую проницаемость (3,2) по сравнению с неполярной полипропиленовой пленкой (2,2), но заметно большее значение тангенса угла диэлектриче­ских потерь. В результате лавсановые конденсаторы, имеющие при рав­ных напряжениях и емкостях меньшие массу и габариты, используются, как правило, в режимах с преимущественным воздействием постоянного напряжения и низкочастотных его составляющих, а полипропиленовые — при преимущественном воздействии переменных, в том числе, высоко­частотных составляющих напряжения. В конденсаторах на напряжения порядка единиц—десятков киловольт в ряде случаев используется комби­нированный диэлектрик, в котором наряду с указанными синтетическими пленками используется конденсаторная бумага и различные пропиточные составы, исключающие наличие и образование воздушных включений в высоковольтной изоляции. Конструкция диэлектрика, его толщина и ко­личество слоев обычно оптимизируются, при этом критерием оптималь­ности, как правило, является сочетание высоких удельных характеристик и длительной электрической прочности конденсатора применительно к за­данному режиму и условиям эксплуатации с учетом заданных требований по долговечности и безотказности.

Традиционно в качестве электродов рассматриваемых конденсато­ров использовалась алюминиевая фольга, как правило, толщиной 7 мкм, сматываемая в рулонную секцию конденсатора одновременно со слоями диэлектрика. С середины прошлого века широкое распространение в про­изводстве рассматриваемого вида конденсаторов получило конструктивно-технологическое решение, основанное на использование в качестве электро­дов тонкого слоя металла, нанесенного на диэлектрик методом вакуумного осаждения на специальных установках вакуумной металлизации. Использо­вание такого решения следует считать качественным переходом в развитии рассматриваемых конденсаторов. Дело в том, что конденсаторная бумага, как макронеоднородный по своей природе материал, имеет вполне значимое количество проводящих включений и мест с пониженной электриче­ской прочностью. Эти же «слабые места», правда, в меньшем количестве, имеют и синтетические полимерные пленки. Указанное обстоятельство по вполне понятным причинам определяло необходимость иметь в конструк­ции диэлектрика конденсатора с фольговыми электродами минимум два слоя диэлектрика, что, в свою очередь, снижало удельные характеристики относительно низковольтных конденсаторов. Если пробой или локальное «закорачивание» секции конденсатора с фольговыми электродами приво­дит к полному отказу конденсатора, то в случае металлизированных элек­тродов при определенных условиях выделившееся в зоне пробоя тепло при­водит к испарению электродов вокруг зоне пробоя и, таким образом, к ее изоляции от электрического поля конденсатора. Иначе говоря, металлизи­рованные электроды могут обеспечить конденсатору свойство самовосста­новления электрической прочности или просто свойство «самовосстанов­ления». Конденсаторы с металлизированными электродами в соответствии с видом диэлектрика именуются «металлобумажные» и «металлопленочные». В указанных конденсаторах свойство самовосстановления традици­онно позволяло и позволяет осуществлять так называемую «тренировку» конденсаторов, отдельных секций до сборки их в конденсатор и даже ме­таллизированного ленточного диэлекрика при его резке на заданную ши­рину на специальных станках. Тренировка позволяет путем подачи опре­деленного напряжения заблаговременно изолировать места с пониженной электрической прочностью и пониженным сопротивлением изоляции и, тем самым, в процессе изготовления конденсатора улучшить его исходные электрические характеристики. Однако в современных конденсаторах ор­ганический диэлектрик в целях обеспечения высокого уровня удельных характеристик используется при электрических нагрузках, близких к фи­зическому пределу самих полимерных материалов. В этих условиях высо­кая работоспособность конденсаторов может быть обеспечен^ только при условии реализации свойств самовосстановления в процессе эксплуатации конденсатора. В целях локализации процесса самовосстановления и завер­шения его без разрушений «здоровых» участков изоляции в последние годы широко используют специальные способы металлизации, ограничивающие энергию, выделяемую в месте пробоя. Для этого, например, используют так называемую фигурную металлизацию, при которой вся площадь электро­дов разбивается на отдельные участки, которые соединяются друг с дру­гом узкими перемычками. При пробое и прохождении тока самовосста­новления перемычки, соединяющие поврежденный участок с остальными участками электрода, перегорают и не допускают выделение всей энергии конденсатора в месте его самовосстановления. Тем самым предотвращают­ся более серьезные повреждения работающего конденсатора и выход его из строя. В высоковольтных накопительных конденсаторах в последнее вре­мя используют сверхтонкую металлизацию, увеличивая ее толщину в зоне контактного узла для обеспечения прохождения значительных импульсов тока в рабочем режиме конденсатора без разрушения его токонесущей си­стемы. Иными словами, для настоящего момента развития конденсато­ров с органическим диэлектриком характерно смещение «центра тяжести»

научно-технических проблем от традиционных задач оптимизации изоля­ции конденсаторов с целью предупреждения ее пробоя к задачам оптими­зации электродов конденсаторов с целью локализации возможных пробо­ев и практически мгновенного восстановления электрической прочности изоляции за счет «отсечения» пробитых участков.

 

12.9. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы)

 

Впервые модель двойного электрического слоя была разработана Гель-мгольцем в 1879 году. Сведения о практическом использовании двойного электрического слоя для накопления заряда появились во второй половине прошлого века. Это были сведения о разработке в Японии «суперконден­саторов» или, как иначе их называли, «золотых конденсаторов». Об отно­сительной молодости этих изделий свидетельствует и тот факт, что первые отечественные конденсаторы с двойным электрическим слоем для ради­оэлектронной аппаратуры с торговым названием «ионистор» были разра­ботаны лишь в 1985 году. В настоящее время эти конденсаторы, обладая рядом свойств, недоступных другим видам накопителей заряда и энергии, являются полноправной и признанной составляющей современной но­менклатуры электронных компонентов и все более широко используются в электронной и радиоэлектронной аппаратуре. Прежде чем рассматри­вать существующие конструктивно-технологические решения ионисторов, остановимся коротко на принципе их функционирования. Упрощенно ио­нистор можно представить в виде системы из двух электродов, между ко­торыми помещен ионный проводник или, иначе, электролит. При подаче напряжения между электродами в системе установится картина, представ­ленная на рис. 12.11.

У положительного электрода формируется слой отрицательно заря­женных ионов (анионов), а у катода формируется "слой положительных ионов (катионов). Таким образом, у каждого электрода образовался двой­ной электрический слой, в котором заряды силами электростатического взаимодействия удерживаются на расстояниях, по порядку близких к ра­диусу иона. При напряжениях на этих двойных электрических слоях, не­достаточных для начала тех или иных электрохимических реакций, эта картина является устойчивой и обратимой. Каждый из двойных элек-

 

 

 

трических слоев представляет, по существу, заряженный конденсатор со своей емкостью, определяемой расстоянием между зарядами и площадью электрода, а сам ионистор — последовательное соединение этих конденса­торов, что отражено на эквивалентной схеме ионистора, представленной на рис. 12.12.

В общем случае радиусы анионов и катионов могут заметно различать­ся, и, соответственно, заметно могут различаться по величине анодная (Санодн) и катодная (Скатодн) емкости. Поэтому в общем случае общая ем­кость ионистора будет определяться выражением

С = Санодн С катодн /(Санодн + Скатодн )

 

 

Общее напряжение на ионисторе при его зарядке будет распределяться между двойными электрическими слоями обратно пропорционально зна­чениям их емкостей.

Следует сразу отметить, что емкость двойного электрического слоя определяется, в первую очередь, площадью поверхности электрода, в то время как напряжение начала электрохимической реакции на электроде, являющееся, по существу, предельным напряжением устойчивого состоя­ния двойного электрического слоя, — химическим составом и природой электролита.

Ионистор, у которого напряжение на обоих электрических слоях мень­ше напряжения начала электрохимических реакций, называют «идеаль­ным». Существуют также ионисторы, у которых на одном из электродов протекает электрохимическая реакция, что накладывает диффузионные и кинетические ограничения на скорость процессов зарядки и разрядки ионистора и приводит, по существу, к повышению его внутреннего сопро­тивления. Такие ионисторы, обладая большей емкостью и, соответственно, большей запасаемой энергией, уступают идеальным ионисторам по мощ­ности, развиваемой в процессе разрядки. При установлении номинально­го напряжения ионистора и выборе того или иного режима его работы требуемое распределение напряжения между двойными электрическими слоями достигается путем изменения анодной и катодной емкости за счет изменения площади электродов.

Примером идеальных ионисторов являются ионисторы на органиче­ских электролитах, обеспечивающих отсутствие электрохимических ре­акций на электродах при напряжении между ними до 2,7 В. Относитель­но высокое номинальное напряжение этих ионисторов, в свою очередь, определяет их высокие удельные характеристики в сочетании с высокой надежностью и долговечностью, свойственными идеальным ионисторам

благодаря отсутствию реакций на электродах. Ионисторы этого типа за­нимают доминирующее положение на рынке конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Примером практической реализации «гибридных» ионисторов с элек­трохимической реакцией на одном из электродов являются ионисторы с твердым электролитом состава RbAg4I5. Эти ионисторы имеют весьма ограниченное количество циклов «зарядка—разрядка», определяемое осо­бенностями электрохимического процесса на катоде, и относительно низ­кое рабочее напряжение (не более 0,67 В). Конкурентные преимущества этих ионисторов заключаются в широком интервале рабочих температур (от —60 до +125°С) и, главное, в сохранении работоспособности во время и после воздействия ионизирующих облучений и высоких механических нагрузок.

В целях обеспечения высоких удельных характеристик в производстве ионисторов в качестве электродных используют высокопористые мате­риалы с развитой поверхностью. Такими материалами являются специ­альные микро- и нанодисперсные углеродные порошки и специальные микро- и нанопористые углеродные ткани. При использовании порошков формообразование ионисторов достигается прессованием, в частности, в ионисторах с твердым электролитом прессованию подвергается предва­рительно размолотые смеси углерода (анод) и электролита, самого электро­лита и смеси электролита с порошком серебра (катод). Далее, полученные таблетки, собранные в указанном выше порядке, подвергаются совместно­му прессованию при повышенной температуре, в результате чего образуется рабочий элемент твердотельного ионистора. При использовании в качестве электродов углеродных тканей последние в целях реализации низкоомного токосъема предварительно подвергаются односторонней вакуумной метал­лизации. Далее тканевые электроды тем или иным образом складываются в пакет с разделением электродов сепаратором, исключающим их замыка­ние, и весь пакет подвергается вакуумной пропитке электролитом и после­дующей сборке и герметизации в корпусе. Более прогрессивной технологией изготовления ионисторов является технология, основанная на формирова­нии высокопористого электрода непосредственно на фольговом алюминие­вом коллекторе. Для этого предварительно готовится композиция на основе высокопористого углеродного порошка, которая на специальном оборудо­вании разливается с калиброванной толщиной на движущуюся алюми­ниевую фольгу, образуя на ней после прохождения зоны сушки и удаления растворителя высокопористый электрод заданной толщины. Последующее формирование рабочей секции ионистора может осуществляться на ти­повом намоточном оборудовании, что позволяет принципиально реализо­вать комплексную механизацию производства ионисторов. Несомненным преимуществом подобного конструктивно-технологического решения ио­нисторов является реализация их низкого внутреннего сопротивления, что важно при формировании перспективной номенклатуры ионисторов с вы­сокой мощностью при разрядке.

Остановимся коротко на потребительских свойствах ионисторов и их месте в общей номенклатуре емкостных элементов. Первой отличительной

особенностью ионисторов является их исключительно высокая емкость, практически нереализуемая на других видах конденсаторов. Уже сегодня существуют ионисторы с номинальной емкостью в диапазоне от десятых долей до тысяч фарад. Другой важнейшей особенностью ионисторов, опре­деляющей их место и роль в ряду накопителей электрической энергии, яв­ляется их высокая удельная энергоемкость. Именно с появлением ионисто­ров был заполнен существующий разрыв, а, точнее сказать, провал между энергоемкостью конденсаторов и электрохимических источников тока (ак­кумуляторов). Так, максимальная удельная энергоемкость традиционных конденсаторов лежит в пределах десятых долей—единиц Дж/г, в то время как удельная энергоемкость электрохимических накопителей исчисляется сотнями Дж/г. Относительно большое внутреннее сопротивление электро­химических элементов, на порядки превышающее внутреннее сопротив­ление конденсаторов, определяло существенный разрыв между рассматри­ваемыми накопителями в части достижимых при их разрядке мощностей. И по удельной энергоемкости, и по удельной мощности при разрядке ио­нисторы заняли достойное место между традиционными конденсаторами и аккумуляторами, обеспечивая разработчикам аппаратуры возможность оптимального выбора накопителя заряда и энергии в широком диапазо­не технических требований. Очевидным недостатком ионисторов является относительно низкое рабочее напряжение единичного элемента, лежащее в пределах от десятых долей вольта до значений около 3 В. Однако этот не­достаток может быть компенсирован возможностью их последовательного соединения при обеспечении равномерного распределения напряжения за счет специального подбора элементов батареи по токам утечки. Уже се­годня ионисторы успешно используются как элементы аварийного пита­ния блоков памяти ЭВМ автономных объектов, как источники питания отдельных блоков аппаратуры с ограниченным временем функциониро­вания. Весьма перспективным представляется использование ионисторов в качестве накопителей энергии в системах бесперебойного питания от­носительно большой мощности. Особенно целесообразно их применение в системах электропитания длительно функционирующих автономных объектов, поскольку ионисторы, в отличие от аккумуляторов, не требуют периодического обслуживания. Очевидными представляются перспективы использования ионисторов в качестве подзаряжаемого источника питания в транспортных средствах с комбинированным приводом, а также как до­полнительного мощного источника энергии для запуска различных двига­телей внутреннего сгорания при низких температурах окружающей среды. И, наконец, без применения ионисторов трудно представить будущее не­традиционных направлений в энергетике, в частности, солнечной энерге­тике, тем более что рабочие напряжения ионисторов совпадают с уровнем рабочих напряжений солнечных элементов. Дальнейшее развитие ионисто­ров осуществляется в направлении изыскания, исследования и внедрения в производство новых микро- и нанопористых электродных материалов и суперэлектролитов, обеспечивающих в совокупности дальнейшее улуч­шение энергетических и мощностных удельных характеристик этого вида конденсаторов.

 

Литература

 

[1]   В. Т. Ренне. Электрические конденсаторы. ГЭИ, 1959.

[2] Б. А. Ротенберг. Керамические конденсаторные диэлектрики. ОАО «НИИ «Гириконд». С.-Пб., 2000.

[3] Г.М. Иманов, Л.В. Козловский, Б.А. Ротенберг. Технология керамиче­ских конденсаторов. С.-Пб., 2004.

[4] В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработ­ка и производство//Компоненты и технологии. № 6. 2005.

[5] Н. И. Горбунов, Б. П. Беленький. Конденсаторы и нелинейные полупро­водниковые резисторы//Электронная промышленность. № 1. 2003 г.

[6] Б. П. Беленький, Н.И. Горбунов. Материаловедческие и технологиче­ские проблемы развития конденсаторов для радиоэлектронной аппа­ратуры/Труды IV Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция — 2006». СППУ, 2006.