Волоконно-оптическая техника

1.2.1. Оптоэлектронные компоненты

Головным министерством по промышленному выпуску излучателей и передающих моду­лей для ВОЛС был назначен Минэлектронпром. Членом МВКС, ответственным за эту проблему, был зам. министра С.В.Илюшин. Головным предприятием отрасли по данной проблеме являлось НПО "Полюс" и, в частности, отделение В.И.Швейкина, которое впос­ледствии было преобразовано в НТЦ "Микролазер".

В начале 80-х годов основным направлением разработок было освоение диапазона 1,3 мкм, а позднее - 1,55 мкм. Инжекционные лазеры с этими длинами волн излучения разрабаты­вались под руководством В.П.Дураева. Главными требованиями, определяющими направ­ления работ, были следующие:

• 
  получение малых пороговых токов;
  
• 
  обеспечение высокой квантовой эффективности;
  
• 
  обеспечение линейности ватт-амперной характеристики;
  
• 
  получение малого тела свечения и малой расходимости;
  
• 
  обеспечение одномодового (одночастотного) режима генерации;
  
• 
  получение высоких скоростей модуляции;
  
• 
  получение малых шумов;
  
• 
  обеспечение достаточной мощности излучения.
  

В основном работы сосредоточились на создании двойных гетероструктур (ДГС) и РО-ДГС (ДГС с раздельным ограничением электронов и света), лазеров на их основе (InGaAsP/InP). Были достигнуты следующие параметры лазерных диодов (ЛД):

• 
  пороговый ток менее 5 мА, типично 20-30 мА;
  
• 
  мощность излучения в непрерывном режиме генерации 10-20 мВт, в импульсном ре­жиме 30-50 мВт;
  
• 
  ширина спектральной линии генерации для ММ режима -10 нм, для ОМ режима - менее 5 нм, для одночастотного - менее 0,1 нм.
  

Лазеры имели динамически одночастотный режим генерации (РО-ДГС-лазеры), высо­кую линейность ватт-амперной характеристики, высокие скорости модуляции - 5 ГГц и выше, высокий ресурс работы - 100 тыс. часов и более. Полученные результаты легли в ос­нову освоенных в серийном производстве излучателей ИЛПН-202, -303, -206 и передаю­щих оптических модулей ПОМ-6, -12, -13, -14 и других [33, 40, 44, 49, 50].
В НТЦ "Микролазер" разрабатывались также передающие и приемные модули, имею­щие цифровой или аналоговый вход и выход и предназначенные для специализированных цифровых и аналоговых ВОЛС. Эти работы велись в лаборатории В.А.Шейченко. Приме­ром разработок комплектов модулей могут служить: ПОМ-361 и ПРОМ-361 для организа­ции локальных сетей в стандарте FDDI. Модули работали на длине волны 1,3 мкм, обес­печивали скорость передачи до 125 МГц. Комплект аналоговых передающего и приемного модулей ПОМ-364 и ПРОМ-366, также на длину волны 1,3 мкм, с полосой частот модуля­ции 0-30 МГц, был разработан для передачи телевизионных сигналов [40, 44, 49, 50].
Надо отметить, что НПО "Полюс" в своих разработках лазеров и фотоприемников ис­пользовал эпитаксиальные гетероструктуры соединений А3В5 собственного производства, закупая у Минцветмета исходные арсенид галлия и фосфид индия. Этими работами руко­водил Н.П.Черноусов.
Кроме НТЦ "Микролазер", в НПО "Полюс" было создано малое предприятие "Ме­тек", где под руководством М.М.Землянова были созданы быстродействующие лавинные германиевые фотодиоды диапазона 1,3-1,55 мкм. Фотодиоды обеспечивали время нарас­тания и спада импульса порядка 70 пс и чувствительность 25-40 А/Вт. Конструктивное оформление фотодиодов предполагало их использование в ВОЛС [50, 56].
Большой вклад в создание отечественных цифровых передающих и приемных модулей внесло Саратовское НПО "Рефлектор". Отдел К.В.Васильева разработал серию цифровых модулей диапазонов 0,85 и 1,3 мкм. В модулях использовались в основном излучатели раз­работки НПО "Полюс" и производства Калужского ПО "Восход". Заслугой "Рефлектора" были оригинальные схемотехнические и конструктивные решения, позволяющие исполь­зовать комплекты модулей в цифровых ВОЛС различного назначения - от использования в бортовых системах до линий дальней связи.
Для бортовых ВОЛС были созданы комплекты, работающие с сигналами, использую­щими формат кодирования данных "без возвращения к нулю" (NRZ), с питанием +5 В (та­кое же, как у ИС ТТЛ) и скоростью передачи до 8,5 Мбит/с. Корпуса имели планарную конструкцию, небольшие габариты и унифицированные оптические разъемы. Примером таких комплектов модулей, работающих на длине волны 0,85 мкм, являются МПД-3, МПР-3 и МПД-6, МПР-6.
Для линий дальней связи были созданы модули, использующие формат кодирования данных "с возвращением к нулю" (RZ), на рабочие длины волн 0,85 и 1,3 мкм, со скоро­стью передачи до 140 Мбит/с, также планарной конструкции. Примерами таких модулей являются МПД-4, МПД-5, МПР-5; МПД-7 и МПР-7 [40, 44, 49, 50].
Говоря о разработке бортовых модулей, нельзя не вспомнить о работах по созданию све-тодиодов (СД) Томским НИИПП. Кроме светодиода "Окно", разработанного в 70-е годы Н.А. Горбатовым и нашедшего широкое применение в бортовых, локальных и аналоговых ВОЛС, НИИПП в 80-е годы разработал серию СД для диапазона 0,85 мкм и 1,3 мкм в кор­пусах, представляющих розетку унифицированного оптического разъема. Ряд таких СД включал ЗЛ132 и ЗЛ135 на длину волны 1,3 и 0,85 мкм соответственно. Эти излучающие диоды имели быстродействие 8-15 не, прямые токи до 50 мА, высокую линейность ватт-амперной характеристики, диаметр излучающей площадки - 200 мкм, вводимую в ОВ мощ­ность - 0,02-0,5 Вт [33, 40, 49, 50].
Кроме Минэлектронпрома разработку передающих и приемных модулей для своих це­лей вели предприятия Минрадиопрома: НПО "Авангард" - А.П.Карижский, НПО "Вега" -Г.Е.Корбуков, НИИДАР - Б.А.Ногин, РТИ - Р.Г.Дохикян [33, 40, 44, 49, 50].
Институты АН СССР - ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Ленинград) и ФИАН (Москва) вели фун­даментально-поисковые работы по созданию излучателей и фотоприемников для ВОЛС. Физико-технический институт (ФТИ) разработал широкую гамму лазерных диодов, лазер­ных модулей, фотоприемников и фотоприемных модулей.
Одномодовые и многомодовые лазеры с длиной волны 1,3 мкм разработки И.С.Тарасо­ва отличались высокими выходными мощностями при небольших токах накачки и имели малую ширину огибающей спектра. Для одномодовых лазеров были достигнуты вводимые в волокно мощности 0,5-10 мВт при токах накачки 30-250 мА и ширине огибающей спек­тра 10-15 нм. Многомодовые лазеры с длиной волны излучения 1,3 мкм обеспечивали вво­димую мощность до 50 мВт при токах накачки до 600 мА [44, 49, 50].
Разработанные под руководством Е.Л.Портного пикосекундные лазеры с длиной вол­ны 0,8 мкм и 1,3 мкм обеспечивали длительности импульсов 6-30 пс при мощности излу­чения до 500 мВт и были рассчитаны на использование при тестировании ФД или ОВ, т.е. могли быть применены в разработках рефлектометров [44].
Быстродействующие ФД и фотоприемные устройства для диапазона 0,8-1,6 мкм разра­ботки А.Т.Гореленка обладали высокой чувствительностью, малыми темновыми токами, высоким быстродействием - 20-60 пс [44, 49, 50].
В ФИАН разработкой лазеров руководил П.Г.Елисеев. Созданный в ФИАН одномодо-вый лазер с длиной волны 1,3 мкм обеспечивал мощность излучения, вводимую в ОМ ОВ, 1,5 мВт при рабочем токе 80 мА. Модуль имел плоскую конструкцию, малые размеры, обес­печивал вывод излучения через отрезок одномодового ОВ. Вводимая в волокно мощность составляла 1,5 мВт при токе 80 мА [40].
Оценивая технический уровень лазеров для ВОЛС, созданных в 80-е годы, можно кон­статировать, что приборы НПО "Полюс" и институтов АН СССР вполне соответствовали лучшим зарубежным образцам. Однако серьезным недостатком ПП-лазеров (и не только отечественных) была малая наработка на отказ (долговечность) и деградация характерис­тик - снижение мощности в процессе эксплуатации. В направлении улучшения этих харак­теристик ведутся работы и сейчас.
Головным министерством по промышленному выпуску фотоприемников для ВОЛС был назначен МОП СССР. Членом МВКС от МОП стал зам. министра В.И.Курушин. Го­ловным институтом, разрабатывающим фотоприемники для ВОЛС, был НИИПФ (на­правление вел А.В.Изъюров). Промышленный выпуск фотоприемников был поручен за­воду "Кварц" в Черновцах (руководил тематикой Ю.И.Зозуля).
В НИИПФ работы велись по нескольким направлениям:

• 
  разработка кремниевых pin-фотодиодов с максимумом спектральной чувствительно­сти в диапазоне 0,8-0,9 мкм;
  
• 
  разработка лавинных кремниевых ФД в диапазоне длин волн 0,8-0,9 мкм и германи­евых ФД в диапазоне 1,0-1,6 мкм;
  
• 
  разработка pin-фотодиодов на основе структур А^В5ддя диапазонов 1,2-1,4 мкм и 1,1-1,6 мкм;
  
• 
  разработка фотоприемных устройств на основе pin-фотодиодов с последующими электронными каскадами усиления, в том числе pin-FET - сочетание pin-фотодиода с усилителем на полевых транзисторах на основе арсенида галлия.
  

Работы по созданию ФД велись в лаборатории А.В.Кулыманова, по созданию фотопри­емных устройств - в лаборатории Н.В.Кравченко. Разработчиком ФД на гетероструктурах А3В$был В.Н.Равич. Эпитаксиальные структуры по заказу НИИПФ выращивали в "Гиред-мете" Минцветмета.
Главными требованиями, предъявляемыми разработчиками ВОЛС к ФД, являлись:

• 
  высокая квантовая эффективность (чувствительность );
  
• 
  малый темновой ток;
  
• 
  малая емкость;
  
• 
  высокое быстродействие;
  
• 
  высокое значение произведения ширины полосы на коэффициент лавинного умно­жения;
  
• 
  низкий уровень избыточного шума (для ЛД).
  

Выполнение этих противоречивых требований позволило создать серию ФД в корпу­сах, удобных для соединения с ВОЛС, со следующими параметрами:

• 
  кремниевые pin-фотодиоды - токовая чувствительность 0,4-0,5 А/Вт, быстродействие 1-10 не (время нарастания/спада импульса), темновой ток 2-10 нА при рабочем на­ пряжении 5 В (24 В);
  
• 
  pin-фотодиоды на основе гетероструктур InGaAsP/InP с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм - токовая чувствительность 0,6-0,9 А/Вт, быстродействие 0,0?-0,3 не, тем­новой ток 0,1-5 нА при рабочем напряжении 5-10 В;
  
• 
  кремниевые лавинные фотодиоды с рабочими длинами волн 0,8-0,9 мкм - темновой ток до 1 нА, токовая чувствительность 50-100 А/Вт, быстродействие 1-2 не, пороговая чувстви­тельность менее 10¹⁴ Вт-Гц^-1/2 емкость 2-7 пф при рабочих напряжениях 70-350 В;
  
• 
  германиевые лавинные фотодиоды с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм – токовая чувствительность 6^-14 А/Вт, плотность шумового тока (5-10)-10^-12 А/Гц^-1/2 быстро­действие 0,1-0,6 не, емкость 0,6-2 пф при рабочем напряжении 30-100 В;
  
• 
  фотоприемные устройства pin-FET с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм - поло­са пропускания 170-700 МГц, чувствительность от -36 до -43 дБм [44, 49, 50, 51].
  

Аналогичные по характеристикам pin-фотодиоды на основе InGaAsP и pin-FET фото­приемные устройства были разработаны и в НТЦ "Микролазер" на собственных гетерост-руктурах.
Итак, к началу 90-х годов у нас в стране была создана необходимая оптоэлектронная элементная база для создания ВОЛС усилиями нескольких предприятий АН СССР, МЭП и МОП. Разработки, инициированные Постановлением 1981 года, были внедрены в серий­ное производство и нашли применение при производстве отечественной аппаратуры для ВОЛС, локальных сетей, кабельного телевидения и других линий связи.