автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Оптические системы связи и управления на основе ВТСП болометра и на базе полупроводниковых элементов

□0345В302

КОРОТКОЙ ДМИТРИЙ ПАВЛОВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВТСП БОЛОМЕТРА И НА БАЗЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003456302

Диссертация выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

доцент Антоненко C.B.

Официальные оппоненты доктор технических наук Федосеев В.И.

кандидат технических наук,

доцент Краснюк A.A.

Ведущая организация Российский научный центр "Курчатовский институт"

Институт сверхпроводимости и физики твёрдого тела

Защита состоится «22» декабря 2008 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д212.130.02 по адресу:

115409 Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 324-84-98,323-91 -67. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан 21 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ¿Л1—^ Скоробогатов II.K.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность диссертации

Оптико-электронные системы - важнейшее направление высокопроизводительных систем управления и вычислительной техники. В настоящее время оптическая связь — это род электросвязи, передача и прием сигналов любого вида электросвязи в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Анализ факторов, определяющих условия функционирования и преимуществ оптических систем связи и управления (ОССУ) и построенных на открытых оптических каналах обмена информацией, позволяет сформулировать основные направления их внедрения:

— в качестве абонентских линий и линий привязки;

— на внутриобъектовых и соединительных линиях;

— для образования сетки линий в локальных вычислительных сетях;

— в качестве релейных вставок в волоконно-оптические системы передачи (например, при преодолении водных преград и т. п.);

— для связи между ретрансляторами на летно-подъемных средствах (JII1C);

— для связи между ретрансляторами на ЛПС и космических аппаратах (КА);

— для связи между ретрансляторами на КА;

— на линиях ЛПС (КА) - подводный объект;

— для связи между кораблями флота (в первую очередь, военно-морского).

Хотя оптические методы передачи информации исследовались достаточно давно,

существенный интерес в этой области наметился около 15 лет назад. Так, фирма GTE разработала оборудование для ОССУ между самолетами в воздухе. При демонстрации ОССУ обеспечивалась высококачественная связь с помощью оптических приемопередающих устройств, установленных у иллюминаторов самолетов. Также прошла проверку система наведения и автоматического сопровождения оптических антенн. В качестве преимуществ данного варианта применения ОССУ отмечались малый вес оборудования, более высокая безопасность и защита информации по сравнению с радиосвязью, более высокая устойчивость к воздействию помех.

На флоте ведутся исследования по разработке оптических линий «надводный корабль — JIIIC» и «надводный корабль — надводный корабль» дальностью до 60 км.

Также прорабатывается проект высокоскоростной оптической передачи информации с геостационарных спутников на высоколетящие ЛПС, между ЛПС и с них на подводные аппараты в погруженном состоянии. В этом направлении ведутся три крупные разработки космических оптических линий связи в Западной Европе (проект SILEX — Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment), Японии и США.

Рядом английских фирм разработаны портативные переносные станции оптической связи на полупроводниковых лазерах для передачи речевой и цифровой информации между наземными абонентами на дальности прямой видимости. Атмосферные ОССУ применяются, прежде всего, для обмена данными между ЭВМ при организации локальных сетей, когда проводную сеть прокладывать невозможно или нецелесообразно.

В нашей стране на НПО «Заря» был освоен выпуск подобных ОССУ, которые, кроме того, применялись для цифрового обмена информацией между абонентами, для проводки судов и наведения самолетов, а также в охранной сигнализации.

Основными элементами оконечной аппаратуры оптического линейного тракта являются передающие (ПОМ) и приемные (ПРОМ) оптоэлектронпые модули. В ПОМ чаще всего используются полупроводниковые лазеры (для ОССУ также твердотельные, газовые и другие лазеры), а в ПРОМ—фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения, фотоэлектронные умножители, болометры и др.

Помимо использования традиционных полупроводниковых фотоприемников, в последнее время начали использовать сверхпроводниковые болометры. Известно, что широкое применение в создании террагерцовых резонаторов, датчиков малого теплового излучения, датчиков магнитного поля широкое применение нашли высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Однако о возможности использования ВТСГ1 в системах связи

ИК диапазона публикации появились только в последнее время. К преимуществам ВТСП приемников можно отнести их относительно высокую рабочую температуру, высокую вольт - ватную чувствительность, низкую чувствительность к засветкам, перегревам, радиационному облучению и электромагнитным импульсам, которые способны вывести из строя обычные полупроводниковые приемники.

Эти преимущества делают перспективным применение оптических каналов связи и управления с передающими элементами на основе лазеров и приемниками на основе ВТСП болометров в системах связи, требующих повышенной защищенности информации и сохраняющих работоспособность после воздействия облучения, возможных перыревов, тепловых ударов ЭМИ и т.п.

Одна из серьезных проблем в применений ВТСП болометров - криогенные температуры в районе 80 К может быть решена применением современного криооборудования или холодильников работающих на основе эффекта Псльтье. Современные криосистемы могут быть переносными или размещены на подвижных системах связи.

Поэтому актуальной является задача исследования возможности использования ВТСП болометров для построения ОССУ и особенностей построения мобильных систем.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертации является экспериментальное исследование воздействия оптических импульсов малой скважности на ВТСП болометр, как основы новой элементной базы микроэлектроники, направленное на создание широкодиапазоипой стационарной оптической системы связи и управления, а также построение носимой беспроводной системы связи и управления оптического диапазона на полупроводниковой элементной базе.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1. Исследованы болометрические и шумовые свойства ВТСП болометра В1-5г-Са-Си-0 под воздействием оптических импульсов лазера при азотных температурах и определен максимально возможный частотный диапазон принимаемого сигнала, а также осуществлен выбор лазерного передающего модуля и проведена его модернизация;

2. Создана система связи и управления оптического диапазона для передачи речевого сигнала с приемным элементом на основе ВТСП болометра В1-8г-Са-Си-0;

3. Разработаны электронные схемы, позволяющие создать носимую беспроводную ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы;

4. Собраны и испытаны носимый приемо-передающий модуль и стационарный приемо-передающий модуль мобильной ОССУ для голосового управления.

Научная новизна диссертации

1. Впервые исследованы шумовые свойства ВТСП болометра В^г-Са-Си-О и болометрический отклик при импульсном воздействие лазера малой скважности. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1 /£" вплоть до 20 Гц.

2. Предложен оригинальный метод использования диодов с накоплением заряда для формирования прямоугольных импульсов тока накачки полупроводниковых инжекционных лазеров для создания ОССУ.

4. Разработана и испытана первая в мире широкополосная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра. Новизна подтверждена патентом.

5. Спроектирована и реализована уникальная беспроводная носимая ОССУ па основе полупроводниковой элементной базы, состоящая из носимого в шлемофоне модуля приемопередатчика и стационарного приемопередающего модуля.

Практическая значимостьдиссертации

Показана принципиальная возможность создания ОССУ с приемным элементом в виде сверхпроводникового болометра В1-5г-Са-Си-0. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах определило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров В^г-Са-Си-О.

Применение диодов с накоплением заряда обеспечит возможность кодирования информации, передаваемой в системах использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобьектовых систем связи и управления.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методики и результаты исследования свойств болометра В!-8г-Са-Си-0.

2. Экспериментальные методы формирования компактной схемы генератора импульсов тока для накачки лазерного диода, позволившая создавать импульсы тока 100 Л, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц для работы ОССУ.

3. Широкодиапазонная стационарная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра.

4. Носимая беспроводная система связи и управления оптического диапазона на основе полупроводниковой элементной базы.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: ВНКСФ-3 и 4, Екатеринбург, 1995 и 1996 г.; III Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине", Пушкинские горы 1997 г., "Научные сессии МИФИ- 1999, 2000, 2001, 2002, 2006, 2007, 2008 г."; 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ32)", Казань 2000 г.; "Электроника и информатика - XXI век, третья Международная научно-техническая конференция", Москва, МИЭТ, 2000 г.; "Электроника, микро и наноэлектроника "2-ая научно-техническая конференция", Суздаль, 2000 г., Первая международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'04" Москва - Звенигород, 18-22.10.2004, Научная конференция «Исследования в области физики конденсированных сред и сверхпроводимости» РНЦ «Курчатовский институт» 11-13.04.2006, 34 совещание по физике низких температур (НТ-34)", Ростов н/Д, 26-30.09.2006.

Публикации

Все результаты диссертации представлены в 30 научных публикациях и защищены патентом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 65 наименований. Содержание диссертации изложено на 128 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков и 4 таблицы к основному тексту.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность диссертации и ее место в науке и технике, сформулированы цели и задачи исследований, приведена общая характеристика диссертации, определена научная новизна и практическая ценность результатов диссертации. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

Перваи глана посвящена обзору литературы но ряду направлений: проводится анализ возможных путей создания оптических систем связи и управления, рассматриваются проблемы создания ОССУ на основе ВТСП болометра, проблемы создания носимой ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы.

Во второй главе рассматривается разработка ОССУ с приемным элементом на основе ВТСП болометра ВьЯг-Са-Си-О. На первом этапе необходимо было исследовать свойства болометра (частотные характеристики, шумовые характеристики, чувствительность). Для исследований использовался оптический криостат с медным хвостовиком, на который устанавливался болометр. Болометр представлял собой пленку В^Бг-Са-Си-О на подложке МёО с 4 нанесенными контактами. На пленке был вырезан методом лазерного скрайбирования меандр площадью 1,1x1,1мм2, 11 периодов, ширина реза 5 мкм. Болометрический отклик снимался с болометра по четырехконтактной схеме. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 1.

I Источник питания термометра

I бЦ Источник ! питания

нагревателя

I

Источник

питания

болометра

¡о |

| Вольтметр для

| р |измерения

I напряжения на

■ термометре

Вольтметр для | ^ "

—; измерения ' _ - 1 Предварительный

ц напряжения на !. 1 *й&-;усилитель

болометре ' ______ . _______

~1

БТСЛ боломер

Н8—

I .. Лазер

........1

вход

•^^Предюритотмый «»Модулятор [>] ^«"»«41

/ ' ^1^'усипитепь I ! накачки

! ВЫХОД

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

Сверхпроводящий переход болометра соответствовал критической температуре Тс=84,25 К с шириной сверхпроводящего перехода АТС=3 К и сопротивлением в нормальном состоянии 1 кОм.

Осциллограммы болометрического отклика (рис. 2) наглядно продемонстрировали, что реальный частотный диапазон, который определяется перекрыванием откликов, (временем релаксации болометра) в нашем случае ограничивается 20 кГц сверху, чего вполне достаточно для передачи речевого сигнала.

О 10 20 30 40 50 I, икс

а)

и, «в Л

5

О 10 20 30 40 50 60 1. икс

б)

Рис. 2. Осциллограммы напряжения на образце:

а) при температуре термостата Т = 84 К при различных токах: 1) 3 мА; 2) 0,5 мЛ; 3) 2,5 мА; 4) 1,5 мА; 5) 2 мА;

б) при температуре термостата Г = 78 К в случае стабилизации рабочей точки только по току: 1) 15 мА; 2) 17 мА; 3) 19 мА

На основе полученных результатов был апробирован композитный метод установки рабочей точки болометра (середины сверхпроводящего перехода). Он включал в себя предварительную стабилизацию по температуре с помощью нагревателя хвостовика оптического криостата с тонкой настройкой с помощью рабочего тока, которая проводится непосредственно исходя из величины сигнала на осциллографе (достижение максимального).

На болометре наблюдали отклик на рассеянное излучение лазера. Оценка вольт-ваттной чувствительности с учетом геометрических параметров расходимости луча лазера дала величину до 20 В/Вт.

Для установления значений температуры болометра при импульсном изменении лучистой мощности лазера была решена задача нестационарной теплопроводности:

(т) д*'(х'тКз

V 1/1 - ' -2 ?

дт д х (1)

0 < х < XI, т > 0.

В этом уравнении / относится к клеящему компаунду материала подложки и сверхпроводящей пленке. На границах между материалами сшиваются температуры и тепловые потоки. Начальное условие:

<М=<„;

0 , т > 0, (2)

где Iо — температура термостата, /о - сумма толщин клея, подложки и пленки.

Граннчные условия:

<М='0;

8г (3)

т > 0.

Первое граничное условие соответствует постоянной температуре термостата, второе условие описывает передачу потока тепла от импульсного лазера к сверхпроводящей подложке. Следует отметить, что поскольку в данном случае важна

только среднеинтегральная температура тонкой сверхпроводящей подложки, то закон поглощения падающего излучения Бугера-Ламберта был заменен простым граничным условием второго рода. Кроме того, пренебрегаем потерями тепла за счет излучения с поверхности пленки. Ввиду неопределенности контактных термических сопротивлений, они не учитывались, а достоверность расчета проверялась на основе имеющихся экспериментальных данных. Задача нестационарной теплопроводности решалась численно в системе Flex PDE 5.09. Конечным результатом расчета являлись общий подогрев сверхпроводящей пленки и ее максимальная температура отклика. Подобные расчеты позволяют оценить быстродействие болометра и учесть особенности его отклика в проводимых исследованиях.

С помощью платы оцифровки ЦАП-АЦП были измерены шумы болометра при температуре жидкого азота и рассчитаны Фурье-преобразования шумов. Отмечено преобладание низкочастотного шума вида 1/f. Именно этот шум ограничивает обнаружительные способности болометра в низкочастотной части спектра. В отличие от низкочастотных шумов болометров Y-Ba-Cu-O, в нашем случае он ограничен частотой 15 Гц, тогда как у Y-Ba-Cu-O он присутствует до 100 Гц.

Для формирования прямоугольных импульсов тока накачки полупроводниковых иижекционных лазеров малых, средних и больших мощностей (более 30 кВт) было предложено использование диодов с накоплением заряда (в частности, для лазера ИЛПИ-110).

Работа диода в качестве формирующего элемента основана на явлении накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода. При протекании прямого тока 1пр через диод происходит накопление заряда в базе. При подаче на диод обратного напряжения происходит рассасывание избыточных носителей, и высокая проводимость будет сохраняться в течение времени ti (фаза сохранения тока) за счет накопленного ранее заряда неосновных носителей.

Для построения генераторов накачки ипжекционных лазеров перспективным является использование сверхбыстродействующих тиристоров в качестве ключевых элементов и диодов с накоплением заряда в качестве формирующих элементов. Схема

Рис. 3. Схема генератора накачки ипжекционных лазеров на основе сверхбыстродействующего тиристора в качестве ключевого элемента и диода с накоплением заряда в качестве формирующего элемента

Прямой ток диода с накоплением заряда обеспечивается источником тока Э (через развязывающие цепи Ог1, Ог2). Подача запирающего напряжения на диод осуществляется сверхбыстродействующим тиристором У81 (например, типа 2У220Л). Импульс обратного тока диода поступает в нагрузку К„.

Применение такого диода с накоплением заряда позволяет создать надежные, малогабаритные и дешевые генераторы накачки полупроводниковых инжекционных лазеров большой мощности с прямоугольной формой импульсов тока накачки. Применение диодов с накоплением заряда обеспечивает кардинальное упрощение схемы и возможность кодирования информации, передаваемой в системах, использующих полупроводниковые инжекциоиные лазеры.

На основе предложенного метода был разработан образец генератора накачки полупроводникового лазерного диода ИЛПИ-110. Он позволял обеспечивать управляемое от внешнего генератора формирование последовательности 100 не импульсов мощностью 100 Вт с динамически перестраиваемой частотой в диапазоне от 1 до 10 кГц.

С помощью этого лазера была исследована зависимость болометрического отклика от частоты поступающего сигнала в диапазоне до 10 кГц. Обнаружено, что величина

такого генератора приведена на рис. 3.

отклика не зависит от частоты сигнала. Независимость величины отклика от частоты следования лазерных импульсов позволила применить для передачи речевого сигнала метод частотно-фазовой модуляции.

В результате работы была создана рабочая модель линии связи ИК-диапазона, способная передавать разборчивый речевой сигнал.

Третья глава посвящена разработке носимой ОССУ ИК диапазона на основе полупроводниковой элементной базы. В задачах управления подвижными произвольно ориентированными объектами или связи между персоналом возникает необходимость использования беспроводных оптических КС с повышенной дальностью приемопередачи. Существующие носимые системы плохо адаптированы к использованию в сложных условиях. Предлагаемое решение этой проблемы было направлено на создание мобильной асинхронной системы связи (МАСС) для голосового управления.

Разработка дуплексного приемо-передающего устройства ИК-диапазона включала в себя несколько этапов работы: создание носимой приемо-передающей системы, которая могла быть размещена в головном уборе (в шлеме) и приемопередающего устройства, которое могло быть размещено стационарно и соединено с аппаратурой внутренней связи объекта. Разработанная система должна осуществлять беспроводную помехоустойчивую связь в оптическом диапазоне между человеком и аппаратурой внутриобьектовой связи. Таким образом, линия связи разбивается на два модуля: носимый и стационарный.

Структурно схема одного канала данной линии связи содержит передатчик и приемник. В состав передатчика входит: предварительный усилитель, модулятор, токовый ключ, излучатели. Приемник включает в себя: предварительный усилитель, демодулятор, усилитель мощности, фотоприемники.

Носимый модуль состоит из низкочастотного блока, в котором смонтированы платы микрофонного усилителя, модулятора (передающая часть схемы), демодулятора,

усилителя мощности (приемная часть схемы) и блока питания с токовым ключом для питания излучателей, в котором находятся четыре элемента питания.

Угол расхождения луча отдельного излучателя составляет 120° . Взаимное расположение излучателей позволяет в плоскости расположения излучателей полностью перекрыть угол в 360°. При этом, уже на расстоянии в 10 см от излучающего блока сигнал передается одновременно тремя отдельными излучающими элементами. Дальность передачи при диаграмме в 360° составляет до 12 м.

Соединение приемо-псредающего устройства с электронным блоком и блоком питания осуществляется тремя экранированными проводами. По одному из них подается питание от предусилителя с напряжением 9 В, по второму - модулированный сильноточный сигнал на излучатели, по третьему - сигнал ог приемного блока.

Были проведены испытания этой беспроводной помехоустойчивой внутриобъектовой ОССУ. Испытания на дальность устойчивой связи дуплексного приемо-передающего устройства показали, что диаграмма направленности излучения одинаковая при наличии помех от ламп на основе люминофоров, ламп накаливания, рассеянного солнечного, а также смешанного излучения. Максимальное расстояние устойчивой связи устройства в помещении до 8 м. В темноте на открытом пространстве максимальное расстояние устойчивой связи возможно до 15 м. Связь может осуществляться по всем направлениям кроме направлений непосредственно закрытых шлемофоном (в случае носимого устройства) и непосредственно закрытых стационарным приемо-передающим устройством (в случае стационарного модуля).

Испытания на определение разборчивости речевого сигнала, дуплексного приемопередающего устройства ОССУ при различных температурных условиях показали, что в диапазоне расстояний 0,5...7 м разборчивость речевого сигнала больше 97%, что удовлетворяет стандартам телефонной связи.

Испытания на определение работоспособности дуплексного приемо-передающего устройства ОССУ в различных температурных условиях таковы: данная система работает в диапазоне температур от -10°С до +30°С.

Испытания на определение частотной характеристики работы дуплексного приемопередающего устройства ОССУ показали, что рабочий диапазон частот дуплексного приемо-передающего устройства: 60 Гц...З кГц.

Таким образом, предложено решение задачи организации мобильной связи операторов для голосового управления на основе беспроводной ОССУ с круговой диаграммой направленности и повышенной дальностью приемопередачи.

В заключении приведены основные результаты диссертации:

В исследованиях, составляющих предмет данной диссертации сформировано и развито перспективное направление прикладной физики сверхпроводимости - построение систем связи и управления с приемным элементом на основе В'ГСП болометров.

Сформированы и решены основные задачи по исследованию физических закономерностей, лежащие в основе передачи информационных сигналов по оптическому каналу с приемным элементом на базе ВТСП болометра.

Основной научный результат

Исследованы болометрические и шумовые свойства болометра В1-Бг-Са-Си-0 при импульсном воздействии лазера. Из характера полученных болометрических откликов определена максимальная частота не перекрывающихся детектируемых импульсов: 10...20Гц. Получены значения вольт-ваттной чувствительности Б = 20 В/Вт, порога чувствительности Ф=ох Ю"10 Вт/Гц"2 и амплитуды собственных шумов (иш)т!к~0,7 мкВ. Измерены собственные шумы болометра при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота (иш)гаах~0,7 мкВ. При снижении температуры отмечалось резкое уменьшение шумов (примерно в 30 раз). Исследована спектральная плотность шумов

ВТСП боломе1ра при различных температурах. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1/Гв диапазоне до 20 Гц.

Основной теоретический результат

Решена задача нестационарной теплопроводности для установления значений температуры болометра, при импульсном изменении лучистой мощности лазера. Показано, что учет закона Бугера-Ламберта не оказывает существенного влияния на величину времени релаксации. Также отмечено, что влияние термического сопротивления на среднеинтеграпьную температуру незначительно.

Основной практический результат

На практике создана и запатентована ОССУ с приемным элементом в виде сверхпроводникового болометра Вь5г-Са-Си-0. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах очертило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров В1-8г-Са-Си-0.

Частные практические результаты

На основе предложенного метода использования диода с накоплением заряда разработан генератор импульсов тока для накачки лазерного диода ИЛПИ-110. Генератор обеспечивает формирование импульсов тока 100 А, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц. Данный образец обладает существенно лучшими характеристиками, чем промышленный генератор импульсов накачки лазера ГИТ-11.

Показано, что применение диодов с накоплением заряда позволяет кардинально упростить схему, и обеспечивает возможность кодирования информации, передаваемой в системах, использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным

модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Список публикаций по теме диссертации

1. Антоненко C.B., Коротков Д.П. Разработка модулятора для системы связи на основе лазера и сверхпроводящего болометра.// ВНКСФ-3: Тез. докл. -Екатеринбург, 1995. С. 106-107.

2. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование интегрального отклика болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О на расфокусированное излучение полупроводникового инфракрасного лазера // ВНКСФ-4: Тез. докл. - Екатеринбург, 1996. С. 60-61.

3. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование отклика Bi-Sr-Ca-Cu-0 на излучение полупроводникового лазера ИК диапазона // III Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине": Тез. докл. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 211-212.

4. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Шумовые характеристики ВТСП болометра для лазерной системы связи ИК диапазона // Ш Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине": Тез. докл. - М. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 213-214.

5. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.Н. Исследование болометрического отклика и шумовых характеристик ВТСГ1 болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О на импульсное излучение ИК лазера для использования болометра в качестве приемного элемента линий ИК связи // Научная сессия МИФИ-99: Тез. докл. - М.: МИФИ, 1999. Т. 3. С. 18-19.

6. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Приготовление пленок BbS^CaCibOx для детектирования импульсного ИК излучения по переднему

фронту болометрического отклика // Научная сессия МИФИ-99: Тез. докл. - М.: МИФИ, 1999. Т. 3. С. 22-23.

7. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Короткое Д.П. Модель отклика высокотемпературного сверхпроводящего болометра на произвольную последовательность оптических импульсов // Научная сессия МИФИ-99: Тез. докл. - М.: МИФИ, 1999. Т. 3. С. 24-25.

8. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Короткое Д.П. Исследование свойств болометра Bi2Sr2CaCu20x при изотермическом режиме работы // Научная сессия МИФИ-2000: Тез. докл. - М.: МИФИ, 2000. Т. 4. С. 102-104.

9. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Короткое Д.П. Установка для исследования процессов отклика болометра Bi2Sr2CaCu20.s при воздействии импульсов ИК лазера с постоянной мощностью и переменной скважностью при помощи оптического штока // Инженерная физика. - 2000. - № 4. - С. 55-57.

10. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование отклика ВТСП болометра В^ЭггСаСигСЬ-* при воздействии импульсов ИК лазера малой скважности // 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ32). Секция SC: Сверхпроводимость: Тез. докл. - Казань, 2000. С. 191-192.

11. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование возможности детектирования оптических лазерных импульсов малой скважности с помощью сверхпроводящего болометра на основе Bi-Sr-Ca-Cu-О // Электроника, микро- и наноэлектроника. 2-я научно-техническая конференция МИФИ: Тез. докл. -Москва, 2000. С. 184-186.

12. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование отклика ВТСП болометра BbSnCaCibO, на твердой подложке на импульсы ИК лазера постоянной мощности и переменной скважности // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27. - Вып. № 16.-С. 85-89.

13. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Короткое Д.П. Разработка макета открытой оптической связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ32). Секция SC: Сверхпроводимость: Тез. докл. - Казань, 2000. С. 193-194.

14. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Использование ВТСП болометра на основе пленок Bi-Sr-Ca-Cu-О в системе открытой оптической связи // Электроника и информатика - XXI век. Третья Международная научно-техническая конференция: Тез. докл. -М. МИЭТ, 2000. С. 120-121.

15. Пат. 2154909 РФ, Система оптической связи/Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Заявл. № 99107107 от 30.03.1999. - № 23.

16. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Разработка системы оптической связи инфракрасного диапазона с использованием приемного элемента на основе высокотемпературного сверхпроводящего болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О // Препринт: М.: МИФИ, 2000. - 004-2000. - 32 с.

17. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Макет линии открытой оптической связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Электроника, микро- и наномектроника. 2-я научно-техническая конференция: Тез. докл. - М.: МИФИ, 2000. С. 187-189.

18. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Научная сессия МИФИ-2001: Тез. докл.-М., 2001. Т. 4. С. 124-125.

19. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Помехоустойчивый оптический канал управления на основе сверхпроводящего болометра // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2001. 6. - С. 44-46.

20. Антоненко C.B., Коротков Д.П. Применение диодов с накоплением заряда в генераторах накачки // Научная сессия МИФИ-2001 : Тез. дога. - М., 2001. Т. 4. С. 134-135.

21. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Носимая система внутренней оптической связи // Электроника, микро- и наноэлектроника. 2-я научно-техническая конференция МИФИ: Тез. докл. - Москва, 2000. С.190-192.

22. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Мобильная асинхронная система связи операторов для голосового управления // Научная сессия МИФИ - 2001 : Тез. докл. - М.: МИФИ, 2001. Т. 4. С. 126-127.

23. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Мобильная асинхронная система связи операторов для голосового управления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2001. - № 5. - С. 44-45.

24. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Определение тепловой проводимости между углеродной пленкой и подложкой // Научная сессия МИФИ -2002: Тез. докл. - М.: МИФИ, 2002. Т. 4. С. 110-111.

25. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Оптическая система связи и управления на основе ВТСГ1 болометра // В сборнике расширенных тезисов: Первая международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'04". - Москва - Звенигород, 2004. С. 260-261.

26. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Марапетян A.C. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе BTCII болометра // Труды 34 совещания по физике низких температур (НТ-34). - Ростов н/Д, 2006. Т. 2. С. 118.

27. Антонснко C.B., Коротков Д.П. Решение задачи нестационарной теплопроводности ВТСП болометра в модели оптического канала связи // Научная сессия МИФИ-2007: Тез. докл. - M.: МИФИ, 2007. Т. 4. С. 189-190.

28. Антоненко C.B., Короткой Д.П. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Известия РАН. Серия физическая. 2007. - Т. 71. - № 8. - С. 23.

29. Экспериментальные исследования тепловой релаксации ВТСП болометра / C.B. Антонепко, Д.П. Коротков, A.C. Майрапетян, B.C. Харитонов // Научная сессия МИФИ-2008: Тез. докл. - М.: МИФИ, 2008. Т. 1. С. 59-60.

30. Использование диодов с накоплением заряда для создания компактного генератора накачки полупроводниковых инжекционных лазеров / Д.П. Коротков // Инженерная физика. - 2008. - Ла 5. - С. 43-46.

Подписано в печать 19.11.2008 г.

Печать трафаретная

Заказ № 1265 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Анализ возможных путей создания оптических систем связи и управления.

1.2. Проблемы создания стационарной системы связи и управления на основе ВТСП болометра.

1.3. Проблемы создания носимой системы связи и управления на основе полупроводниковой элементной базы.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Разработка и создание стационарной ОССУ на основе ВТСП болометра.

2.1. Разработка и создание информационно-измерительной системы по изучению свойств ВТСП болометров.

2.2. Разработка приемо-передающих устройств ОССУ на основе ВТСП.

2.3. Создание и испытание ОССУ на основе ВТСП.

Выводы.

Глава 3. Разработка и создание носимой ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы.

3.1. Разработка приемо-передающих устройств носимой ОССУ.

3.2. Создание и испытания носимой ОССУ.

Выводы.

Актуальность диссертации

Современные средства связи и управления в основном работают в радиодиапазоне, но важную роль начинают играть информационные каналы работающие в других диапазонах электромагнитных волн. В настоящее время становится очевидным, что управление аппаратурой и быстро растущая потребность в высокоскоростных помехоустойчивых системах связи, обладающих высокой информационной пропускной способностью, требует использования новых перспективных методов. Одним из решений данной проблемы является использование оптического диапазона (т.е. диапазона видимых и инфракрасных волн). К достоинствам инфракрасных волн следует отнести их большую информационную емкость, лучшее прохождение ИК-излучения через области повышенной ионизации и техническую сложность их перехвата и подавления, по сравнению с видимым излучением. К тому же, по сравнению с видимым излучением, инфракрасные лучи менее подвержены поглощению и рассеянию атмосферой (при воздушной дымке и слабом тумане), благодаря чему обладают лучшей проницаемостью.

Известно, что обычные источники света излучают в широкой области спектра и поэтому мощность, приходящаяся на отдельные частоты, мала. Излучение таких источников некогерентно и не может быть использовано для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Поэтому обычные ИК-излучатели могут использоваться для передачи информации только на небольших расстояниях (до 20 м). Для больших расстояний целесообразно использовать ИК-лазеры с оптическими системами, позволяющими направлять энергию излучателя в строго заданном направлении. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч так, чтобы использовать всю ширину оптического диапазона. Поэтому широкое освоение диапазона ИК-частот в технике связи на основании использования лазеров открывает качественно новые возможности в скорости, надежности и направленности передачи информации. ИК-линии связи имеют достаточно узкие диаграммы направленности и ограниченное энергопотребление. Это относится как к открытым, так и волоконно-оптическим системам связи.

В настоящее время оптическая связь — это род электросвязи, передача и прием сигналов любого вида электросвязи в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Анализ факторов, определяющих условия функционирования и преимуществ оптических систем связи и управления (ОССУ), построенных на открытых оптических каналах обмена информацией, позволяет сформулировать основные направления их внедрения: в качестве абонентских линий и линий привязки; на внутриобъектовых и соединительных линиях; для образования сетки линий в локальных вычислительных сетях; в качестве релейных вставок в волоконно-оптические системы передачи (например, при преодолении водных преград и т. п.); для связи между ретрансляторами на летно-подъемных средствах (ЛПС); для связи между ретрансляторами на ЛПС и космических аппаратах (КА); для связи между ретрансляторами на КА; на линиях ЛПС (КА) - подводный объект; для связи между кораблями флота (в первую очередь, военно-морского).

Хотя оптические методы передачи информации исследовались достаточно давно, существенный интерес в этой области наметился около 15 лет назад [1]. Так, фирма GTE поставила ВВС США оборудование для ОССУ между самолетами в воздухе. При демонстрации ОССУ на базе ВВС в штате Огайо обеспечивалась высококачественная связь с помощью оптических приемопередающих устройств, установленных у иллюминаторов самолетов. Также прошла проверку система наведения и автоматического сопровождения оптических антенн. В качестве преимуществ данного варианта применения ОССУ отмечались малый вес оборудования, более высокая безопасность и защита информации по сравнению с радиосвязью, более высокая устойчивость к воздействию помех.

На флоте ведутся исследования по разработке оптических линий «надводный корабль — ЛПС» и «надводный корабль — надводный корабль». По оценке американских специалистов, дальность оптических линий второго типа может составить до 60 км.

В настоящее время научно-исследовательская лаборатория ВМФ США в Лос-Аламосе разрабатывает проект связи подводных аппаратов в погруженном состоянии I между собой, а также с объектами на поверхности и в воздухе при помощи лазерного луча в синей области спектра (>,-450 нм) с минимальным поглощением в океане. В качестве достоинств такой системы отмечаются полное отсутствие акустических шумов и возможность применения для обнаружения аппаратов.

Также прорабатывается проект высокоскоростной оптической передачи информации с геостационарных спутников на высоколетящие ЛПС, между ЛПС и с них на подводные аппараты в погруженном состоянии. Эти разработки ведут две главные компании — Мс Donnell Douglas Electronic Systems Company и Rockwell International. В США считается, что интегральная сеть космической оптической связи обеспечит передачу сигналов управления и связи с максимальной секретностью, скоростью и надежностью. В этом направлении ведутся еще три крупные разработки космических оптических линий связи в Западной Европе (проект SILEX — Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment), Японии и США под эгидой NASA.

По данным журнала «Signal», в странах блока НАТО имеется ряд специальных военных программ оптической связи. Поэтому в прогнозе США о военно-техническом развитии до 2013 года говорится: «В области систем командования, управления и связи будет происходить дальнейшая интеграция средств электрической и оптической связи». Разработка ОССУ в странах НАТО ведется по программам всех видов вооруженных сил, а также в комплексной программе противоракетной обороны.

Рядом английских фирм разработаны портативные переносные станции оптической связи на полупроводниковых лазерах для передачи речевой и цифровой информации между наземными абонентами на дальности прямой видимости. Атмосферные ОССУ применяются, прежде всего, для обмена данными между ЭВМ при организации локальных сетей, когда проводную сеть прокладывать невозможно или нецелесообразно.

В нашей стране на НПО «Заря» был освоен выпуск подобных ОССУ, которые, кроме того, применялись для цифрового обмена информацией между абонентами, для проводки судов и наведения самолетов, а также в охранной сигнализации.

ОССУ отличаются от прочих систем передачи только особенностями построения линейного тракта, который включает в себя среду распространения и совокупность технических средств, обеспечивающих формирование, передачу, распределение, преобразование и обработку оптических сигналов в одной и той же полосе частот или с одной и той же пропускной способностью, определяемых номинальным числом каналов передачи. Основными элементами оконечной аппаратуры оптического линейного тракта являются передающие (ПОМ) и приемные (ПРОМ) оптоэлектронные модули. В ПОМ чаще всего используются полупроводниковые лазеры (для ОССУ также твердотельные, газовые и другие лазеры), а в ПРОМ—фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения, фотоэлектронные умножители, болометры и др.

Помимо использования традиционных полупроводниковых фотоприемников, в последнее время начали использовать сверхпроводниковые болометры.

ВТСП материалы уже нашли широкое применение в тепловизионных системах локации, ограничителях тока, террагерцовых резонаторах. Однако о возможности I использования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в ОССУ публикации появились только в последнее время.

К преимуществам ВТСП приемников можно отнести их относительно высокую рабочую температуру, высокую вольт - ватную чувствительность, низкую чувствительность к засветкам, перегревам, радиационному облучению и электромагнитным импульсам, которые способны вывести из строя обычные полупроводниковые приемники.

Эти преимущества делают перспективным применение оптических каналов связи и управления с передающими элементами на основе лазеров и приемниками на основе ВТСП болометров в системах связи, требующих повышенной защищенности информации и сохраняющих работоспособность после воздействия облучения, возможных перегревов, тепловых ударов ЭМИ и т.п.

Температурные рабочие режимы, необходимые для работы ВТСП болометров, вполне достижимы с помощью современного криооборудования или холодильников работающих на основе эффекта Пельтье. Данный эффект возникает при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Таким образом, ВТСП болометрический датчик может работать без необходимости в жидком азоте. Современные криосистемы могут быть переносными или размещены на подвижных системах связи.

Помимо проблемы создания систем связи и управления ИК-диапазона как таковых, большое значение для связи имеет проблема мобильности. Для открытой системы связи и управления эта проблема решается проще. Современные мощные стационарные лазерные установки могут быть смонтированы на подвижных объектах, и основную роль тогда будут играть системы наведения, слежения и питания. В случае же мобильной связи массивные крупногабаритные лазерные установки использовать нельзя, поэтому системы связи и г управления оптического диапазона должны быть носимыми.

Во всем мире разработки систем связи и управления направлены в сторону повышения их мобильности и уменьшения массогабаритных параметров. Индивидуальные средства связи получили свое широкое развитие в гражданских областях: сотовая:' связь, спутниковая и т.д.

Уровень обеспечения информацией уже доведен до отдельного человека. Ему уже предложены системы мобильной связи с приемником глобальной радионавигационной системы, видеокамерой или даже прибором ночного видения. Эти системы передают как речевую, так и графическую информацию. Связь строится по сотовой топологии. Частотный диапазон пока не полностью определен, так как нужно учитывать условия распространения радиоволн, загруженность диапазона, разделение частот и сетей радиосвязи, пропускную способность, совместимость, радиус действия, работу в дуплексном режиме, подзарядку источников питания, радиоэлектронную помехи, конструкцию антенн, обеспечение совместимости в условиях высокой насыщенности радиполями.

Часть вышеперечисленных проблем можно решить при использовании систем связи и управления ИК-диапазона. В настоящее время наиболее оптимальным видится сочетание традиционных систем радиосвязи с оптическими видами связи. Особенно это важно при работе мощных промышленных и атомных установок.

Помимо сотовых систем связи начинают использоваться и системы внутриобъектовой связи для управления персоналом. Современные системы обладают рядом недостатков: наличие помех в объектах насыщенных мощными установками, сотовая связь или связь по рации мешает проводить работы обслуживающему персоналу внутри объекта.

В связи с этим, возникла настоятельная необходимость в создании внутриобъектовой беспроводной оптической системы связи и управления полностью размещенной в головном шлеме.

Эти работы обусловлены необходимостью разработки помехоустойчивых, надежных и живучих систем связи для передачи информации и команд управления.

Поэтому настоятельной необходимостью явилось широкомасштабное освоение оптического диапазона спектра электромагнитных волн, создание систем нечувствительных к радиоэлектронным помехам.

На современном уровне развития техники принципиально важное назначение имеет задача обеспечения максимально надежных и высокоинформативных каналов передачи информации и команд управления.

Уязвимость систем связи радиодиапазона по отношению к активным помехам, нерешенные вопросы по электромагнитной совместимости различных радиосредств, стали особенно очевидны за последние годы.

Переход в оптический диапазон за счет высокой собственной частоты электромагнитного излучения и высокой направленности обеспечивает возможность создания систем связи и управления нового поколения, отличающихся высокой скоростью передаваемой информации, надежностью, и помехозащищенностью, которые в сочетании с существующими системами радиодиапазона могут полностью обеспечить современные потребности в системах связи и управления.

Анализ современных потребностей в системах связи нового поколения показал, что практически наиболее актуальным для обеспечения надежности информационных потоков является создание и внедрение наземных, космических и воздушных средств лазерной связи, волоконно-оптических систем передачи информации, систем сотовой связи и надежных ОССУ действующих внутри объектов.

Линии связи и управления оптического диапазона имеют универсальный характер, технически очень близки и могут быть решены на единой элементной базе с некоторыми конструктивными особенностями.

Теоретические и экспериментальные исследования по созданию оптических линий связи и управления, выполненные в ведущих организациях страны, в значительной степени подготовили научную и технологическую базу для образцов систем оптической сгязи. В свете современных требований данная диссертация была сориентирована на использование высокочувствительных фотоприемников - болометров для создания ОССУ. Помимо этого была проведена успешная работа по созданию носимой беспроводной ОССУ.

Цель диссертации

Целью диссертации является экспериментальное исследование воздействия оптических импульсов малой скважности на ВТСП болометр, как основы новой элементной базы микроэлектроники, направленное на создание широкодиапазонной стационарной оптической системы связи и управления, а также построение носимой беспроводной системы связи и управления оптического диапазона на полупроводниковой элементной базе.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1. Исследованы болометрические и шумовые свойства болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О под воздействием лазера при азотных температурах и определен максимально возможный частотный диапазон принимаемого сигнала, а также осуществлен выбор лазерного передающего модуля и проведена его модернизация.

2. Создана система связи и управления оптического диапазона для передачи речевого сигнала с приемным элементом на основе болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O.

3. Разработаны электронные схемы, позволяющие создать носимую беспроводную ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы.

4. Собраны и испытаны носимый приемо-передающий модуль и стационарный приемо-передающий модуль мобильной ОССУ для голосового управления.

Научная новизна результатов диссертации

1. Впервые исследованы шумовые свойства ВТСП болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O и болометрический отклик при импульсном воздействии излучения лазера малой скважности, как основы новой элементной базы микроэлектроники. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1/f вплоть до 20 Гц.

2. Предложен оригинальный метод использования диодов с накоплением заряда для формирования прямоугольных импульсов тока накачки полупроводниковых инжекционных лазеров для создания ОССУ с использованием ВТСП болометрического приемника.

4. Разработана и испытана первая в мире широкополосная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра. Новизна подтверждена патентом.

5. Спроектирована и реализована уникальная беспроводная носимая ОССУ на основе полупроводниковой элементной базы, состоящая из носимого в шлемофоне модуля приемопередатчика и стационарного приемопередающего модуля.

Практическая значимость диссертации

Показана принципиальная возможность создания ОССУ с приемным элемегггом в виде сверхпроводникового болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах определило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Применение диодов с накоплением заряда обеспечит возможность кодирования информации, передаваемой в системах использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Методики и результаты исследования свойств болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O.

2. Экспериментальные методы формирования компактной схемы генератора импульсов тока для накачки лазерного диода, позволившая создавать импульсы тока 100 А, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц для работы ОССУ.

3. Широкодиапазонная стационарная оптическая система связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометра.

4. Носимая беспроводная система связи и управления оптического диапазона на основе полупроводниковой элементной базы.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: ВНКСФ-3 и 4, Екатеринбург, 1995 и 1996 г.; III Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине", Пушкинские горы 1997 г., "Научные сессии МИФИ- 1999, 2000, 2001, 2002, 2006, 2007, 2008 г."; 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ32)", Казань 2000 г.; "Электроника и информатика - XXI век, третья Международная научно-техническая конференция", Москва, МИЭТ, 2000 г.; "Электроника, микро и наноэлектроника "2-ая научно-техническая конференция", Суздаль, 2000 г., Первая международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'04" Москва - Звенигород, 1822.10.2004, Научная конференция «Исследования в области физики конденсированных сред и сверхпроводимости» РНЦ «Курчатовский институт» 11-13.04.2006, 34 совещание по физике низких температур (НТ-34)", Ростов н/Д, 26-30.09. 2006. Публикации

Результаты диссертации представлены в 30 научных публикациях и защищены патентом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 65 наименований. Содержание диссертации изложено на 119 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков и 4 таблицы к основному тексту.

выводы

В настоящей главе рассмотрены аспекты создания носимой оптической системы связи и управления на основе полупроводниковой элементной базы для обмена голосовыми сообщениями. Решены поставленные задачи по разработке и созданию электронных схем, позволяющих создать носимую беспроводную ОССУ, а также по созданию носимого в шлемофоне приемо-передающего модуля и стационарного приемо-передающего модуля мобильной асинхронной системы связи для голосового управления.

Предложено компактное приемо-передающее устройство, включающее в себя фотоприемники и светодиоды, выполненные таким образом, чтобы исключить засветку фотоприемников и обеспечить прием и передачу с диаграммой направленности 360°Х270°.

Разработано и создано готовое устройство ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Испытания показали, что в диапазоне расстояний 0,5.7 м разборчивость речевого сигнала больше 97%, что удовлетворяет стандартам телефонной связи. Максимальное расстояние устойчивой связи устройства в помещении до 8 м. В темноте на открытом пространстве максимальное расстояние устойчивой связи возможно до 15 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В исследованиях, составляющих предмет данной диссертации сформировано и развито перспективное направление прикладной физики сверхпроводимости - построение систем связи и управления с приемным элементом на основе ВТСП болометров.

Сформированы и решены основные задачи по исследованию физических закономерностей, лежащие в основе передачи информационных сигналов по оптическому каналу с приемным элементом на базе ВТСП болометра.

Основной научный результат

Исследованы болометрические и шумовые свойства болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О при импульсном воздействии лазера. Из характера полученных болометрических откликов определена максимальная частота детектируемых импульсов: 20 кГц. Получены значения вольт-ваттной чувствительности S ~ 20 В/Вт, порога чувствительности Ф~5><10"10 Вт/Гцши амплитуды собственных шумов при температуре кипения жидкого азота (иш)тах~0,7 мкВ. При снижении температуры отмечалось резкое уменьшение шумов (примерно в 30 раз). Исследована спектральная плотность шумов ВТСП болометра при различных температурах. Отмечено, что при 77 К наблюдается преобладание низкочастотного шума спектральной плотности 1/f в диапазоне до 20 Гц.

Основной теоретический результат

Решена задача нестационарной теплопроводности для установления значений температуры болометра, при импульсном изменении лучистой мощности лазера. Показано, что учет закона Бугера-Ламберта не оказывает существенного влияния на величину времени релаксации. Также отмечено, что влияние термического сопротивления на среднеинтегральную температуру незначительно.

Основной практический результат

На практике создана и запатентована ОССУ с приемным элементом ^ виде сверхпроводникового болометра Bi-Sr-Ca-Cu-O. Исследование его болометрических свойств и собственных шумов при низких температурах очертило рамки возможного применения различных устройств с приемниками модулированного импульсного излучения на основе болометров Bi-Sr-Ca-Cu-O. Разработана, создана и испытана на основе стандартных полупроводниковых элементов беспроводная носимая оптическая система связи и управления, состоящая из носимого в шлемофоне модуля приемопередатчика и стационарного приемопередающего модуля.

Частные практические результаты

На основе предложенного метода использования диода с накоплением заряда разработан генератор импульсов тока для накачки лазерного диода ИЛПИ-110. Генератор обеспечивает формирование импульсов тока 100 А, длительностью 100 не с перестраиваемой частотой до 10 кГц. Данный образец обладает существенно лучшими характеристиками, чем промышленный генератор импульсов накачки лазера ГИТ-11.

Показано, что применение диодов с накоплением заряда позволяет кардинально упростить схему, и обеспечивает возможность кодирования информации, передаваемой в системах, использующих полупроводниковые инжекционные лазеры.

Разработанная и созданная ОССУ на основе стандартных полупроводниковых элементов с носимым в шлемофоне модулем приемопередатчика и стационарным модулем может найти широкое применение для внутриобъектовых систем связи и управления.

Полученные результаты исследования отклика ВТСП Bi-Sr-Ca-Cu-O болометра будут полезны при разработке систем локации на его основе.

В заключение хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю Антоненко С.В., Брызгунову К.В. и Мальцеву С.Н., с которыми была выполнена значительная часть работы и всему коллективу кафедры 38 и студентам, которые помогали в работе.

1. Яременко Ю.И. Применение открытых оптических систем передачи в сетях связи // Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации. - 2005. - № 1 (37). - С. 35-42.

2. Федоров П.Ф. Лазеры. Основы устройства и применения. М.: ДОСААФ, 1988. -190 с.

3. Василевский A.M., Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 175 с.

4. Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радио и связь, 1989. — 504 с.

5. Чернышев В.Н. Лазеры в системах связи. М.: Связь, 1976. - 320 с.

6. Кононенко В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике. -М.: Наука и техника, 1975. 56 с.

7. Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я. Лазерная система телеуправления горнопроходческими машинами // Тр. ин-та / Новочеркасский политехнический институт. 1973.

8. Желтов Г.П. Атмосферные оптические линии связи и их надежность // Новые разработки и аппаратуры и оборудования проводной связи М.: ЦНИИС, 1974.

9. Желтов Г.П., Прохоров О.Н. Опытная атмосферная лазерная линия связи // Новые разработки и аппаратуры и оборудования проводной связи М.: ЦНИИС, 1973.

10. Гудвин Ф. Действующие лазерные системы связи // ТИИЭР. 1970. Т. 58. № 10. С. 365-372.

11. Тарасов Л.В., Лазеры: действительность и надежды. М.: Наука, 1985. - 176 с.

12. Аксененко Н.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. М.: Радио и связь, 1987.-296 с.

13. Хребтов И. А. Анализ параметров ВТСП болометров // СФХТ. 1992. - Т. 5. - № 3. -С. 555-563.

14. Хребтов И.А. ПТЭ. 1984. -№ 4. - С. 5-23.

15. Paul L. Proc. IEEE. 1989. - № 8. - т. 77. - С. 1233 - 12336.

16. Зуев B.E. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. М.:Сов. радио, 1996.-318 с.

17. Антонишкис Н.Ю. Непрерывные InGaAsP/GaAs (с л=0,72-0,89 мкм) лазеры с мощностью излучения 0,5-1 Вт (300 К) // Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации: Тез. докл. III Всесоюз. конф. Таллин, 1987. С 342-344.

18. Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры и преобразователи // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1978. - Т. 14.

19. Левин Л.С. Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации. М.: Радио и связь, 1982.-216 с.

20. Kawaguchi Т. et al. U.S. Patent № 4648131, 3 Mar. 1987.

21. Schreyer R. K., Sonek G. J. An optical transmitter/receiver system for wireless voicecommunication // IEEE Trans, on Education. 1992. - № 2. - T. 35. - C. 138-143.

22. Долин П.А. Справочник по технике безопасности. М.: Энергия, 1986. - 387 с.

23. Нечаев И. Передача звука по ИК каналу // Радио. 1986. - № 8. - С. 33.

24. Гущин В., Фостяк И. Трансляция на ИК лучах // Радио. 1986. -№ 1. - С. 28-29.

25. Operating Instructions. Cordless Stereo Heardphones System MDR-1F210K.

26. Mayle E. E. U.S. Patent № 4885804, 5 Dec. 1989.

27. Menadier M. A. U.S. Patent № 5027433, 25 June 1991.

28. Хребтов И.А., Краюхин М.Б., Климов А.Ю. Двухканальное приемное устройство на основе высокотемпературных сверхпроводниковых болометров // ПТЭ. 1993. - №2. -С. 162-165.

29. Бандурян Б.Б., Гордиенко Э.Ю., Дмитриенко И.М. Тепловизионный модуль на основе ВТСП болометра // СФХТ. 1994. - Т. 7. - №6. - С. 1085-1088.

30. Антоненко С.В., Короткой Д.П. Разработка модулятора для системы связи на основе лазера и сверхпроводящего болометра.// ВНКСФ-3: Тез. докл. Екатеринбург, 1995. С.106-107.

31. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование интегрального отклика болометра Bi-Sr-Ca-Cu-О на расфокусированное излучение полупроводникового инфракрасного лазера // ВНКСФ-4: Тез. докл. Екатеринбург, 1996. С. 60-61.

32. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Приготовление пленок Bi2Sr2CaCu20x для детектирования импульсного ИК излучения по переднему фронту болометрического отклика // Научная сессия МИФИ-99: Тез. докл. М.: МИФИ, 1999. Т. 3. С. 22-23.

33. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Модель отклика высокотемпературного сверхпроводящего болометра на произвольнуюпоследовательность оптических импульсов // Научная сессия МИФИ-99: Тез. докл. -М.: МИФИ, 1999. Т. 3. С. 24-25.

34. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование свойств болометра BiaSi^CaCibOx при изотермическом режиме работы // Научная сессия МИФИ-2000: Тез. докл. М.: МИФИ, 2000. Т. 4. С. 102-104.

35. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Исследование отклика ВТСП болометра BbSnCaCibO, на твердой подложке на импульсы ИК лазера постоянной мощности и переменной скважности // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27. - Вып. № 16. -С. 85-89.

36. Пат. 2154909 РФ, Система оптической связи / Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Заявл. № 99107107 от 30.03.1999. № 23.

37. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Макет линии открытой оптической связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Электроника, микро- и наноэлектроника. 2-я научно-техническая конференция: Тез. докл. М.: МИФИ, 2000. С.187-189.

38. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Научная сессия МИФИ 2001: Тез. докл. -М., 2001. Т. 4. С. 124-125.

39. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Помехоустойчивый оптический канал управления на основе сверхпроводящего болометра // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. - № 6. - С. 44-46.

40. Maeda A. 1/f conduction noise in the high temperature superconductor BiSrCaCu0 system // Physica С. 1989. - T. 160. - № 5-6. - C. 443-448.

41. Гапопов C.B., Калягин M.A., Краюхин М.Б. Шумовые свойства YJBaCu0 пленок // Письма в ЖТФ. 1989. - Т. 15. - № 12. - С. 62- 67.

42. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений: Справочник / Под ред. Горюнова Н. Н. и Носова Ю. Р. М.: "Советское радио", 1968. - 304 с.

43. Дмитриев Е.П., Кокорин И.А., Сергеев Э.М. Исследование состояния развития тепловых ВТСП приемников // Третье Всесоюзное совещание по ВТСП, Физика низких температур: Тез. докл. Харьков, 1991. Т. 17. № 11-12. С. 1481-1486.

44. Антоненко С.В., Коротков Д.П. Применение диодов с накоплением заряда в генераторах накачки // Научная сессия МИФИ-2001: Тез. докл. М., 2001. Т. 4. С. 134-135.

45. Антоненко С.В., Елесин В.Ф. Исследование поведения сверхпроводников в радиационных и температурных полях / Препринт 008 96. - М.: МИФИ, 1996. -28 с.

46. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Жучков В.Е. Исследование облученных пленок Bi-Sr-Ca-Cu-0 фазового состава 2212 в процессе температурного отжига и под воздействием переменного тока // СФХТ. 1995. - Т. 8. - № 1. - С. 81-88.

47. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991. - 622 с.

48. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Носимая система внутренней оптической связи // Электроника, микро- и наноэлектроника. 2-я научно-техническая конференция МИФИ: Тез. докл. Москва, 2000. С. 190-192.

49. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Мобильная асинхронная система связи операторов для голосового управления // Научная сессия МИФИ 2001: Тез. докл. - М.: МИФИ, 2001. Т. 4. С. 126-127.

50. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Мобильная асинхронная система связи операторов для голосового управления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. - № 5. - С. 44-45.

51. Антоненко С.В., Брызгунов К.В., Коротков Д.П. Определение тепловой проводимости между углеродной пленкой и подложкой // Научная сессия МИФИ -2002: Тез. докл. М.: МИФИ, 2002. Т. 4. С. 110-111.

52. Антоненко С.В., Коротков Д.П., Марапетян А.С. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Труды 34 совещания по физике низких температур (НТ-34). Ростов н/Д, 2006. Т. 2. С. 118.

53. Антоненко С.В., Коротков Д.П. Решение задачи нестационарной теплопроводности ВТСП болометра в модели оптического канала связи // Научная сессия МИФИ-2007: Тез. докл. М.: МИФИ, 2007. Т. 4. С. 189-190.

54. Антоненко С.В., Коротков Д.П. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП болометра // Известия РАН Серия физическая. 2007. Т. 71. - № 8. - С. 23.

55. Экспериментальные исследования тепловой релаксации ВТСГ1 болометра / С.В. Антоненко, Д.П. Коротков, А.С. Майрапетян, B.C. Харитонов // Научная сессия МИФИ-2008: Тез. докл. М.: МИФИ, 2008. Т. 4. С. 189-190.

56. Экспериментальные исследования тепловой релаксации ВТСП болометра / С.В. Антоненко, Д.П. Коротков, А.С. Майрапетян, B.C. Харитонов // Научная сессия МИФИ-2008: Тез. докл. М.: МИФИ, 2008. Т. 1. С. 59-60.