И в снег, и в дождь: управление лучом в среднем инфракрасном диапазоне
Иногда недоумеваешь, когда в фильме показывают далекое будущее, а герои жалуются на плохую погоду, нарушающую связь, при этом пользуются телепортами и прочими аксессуарами научной фантастики. В реальности же погодные условия действительно могут негативно влиять на коммуникационные системы. Какой бы ни была система связи, фундаментальный принцип ее всегда один — передача сигнала из пункта А в пункт Б. Однако, проходя сквозь атмосферу, сигнал сталкивается с различными препятствиями, от флуктуаций распределения свободных электронов (ионосферные эффекты) до поглощения/рефракции/замирания сигнала (тропосферные эффекты). Погодные условия также имеют значительное влияние на качество сигнала. Ученые из Техасского университета в Остине (США) предложили новую методику решения этой проблемы, в основе которой лежит устройство управления лучом, работающее в среднем инфракрасном окне атмосферы. Какие именно принципы лежат в основе сего устройства, как оно работает, и насколько хорошо оно противостоит капризам погоды? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Устройства, позволяющие управлять лучом, на данный момент являются весьма распространенным инструментом в разного рода коммуникациях. Принцип их работы заключается в изменении направления главного лепестка* диаграммы направленности.
Главный лепесток* (главный луч антенны) — в диаграмме направленности радиоантенны это лепесток, содержащий более высокую мощность.
Диаграмма направленности: главный лепесток (красный); обратный лепесток (синий); боковые лепестки (серый).
В ближней инфракрасной области, как отмечают ученые, наибольшей популярностью пользуются оптические фазированные решетки (OPA от optical phased arrays).
Изначально OPA были созданы для немеханического азимутального управления, однако вскоре были продемонстрированы методы управления в двумерном пространстве за счет настройки длины волны. OPA с неравномерно расположенными излучателями показали способность распределять мощность лепестков решетки для обеспечения более широких диапазонов управления. Что касается управления по высоте, повышенная чувствительность была продемонстрирована с помощью устройства на основе фотонного кристалла.
Для достижения совместимости с КМОП-устройствами (КМОП от комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) в ближнем инфракрасном диапазоне большая часть разработок встроенного управления лучом была сосредоточена в первую очередь на платформах на основе кремния. Однако для портативного устройства управления лучом желательна интеграция лазера на кристалле для обеспечения высокой надежности и эффективности, что требует включения более «экзотических» полупроводников из III–V материалов*.
III–V материалы* — химические соединения, содержащие по крайней мере один элемент группы III (борная группа) и по крайней мере один элемент группы V (азотная группа).
Проблема в том, что переход в средний инфракрасный диапазон полностью меняет весь технологический подход реализации OPA-устройств. То, как именно будет работать полученное устройство, будет также зависеть и от области его применения. К примеру, такие устройства будут отлично работать в условиях ближнего действия при умеренных уровнях оптической мощности (0.1 Вт). В этом случае может быть допустимо соединение III–V материала к базовой платформе (либо с помощью плазмы, либо через промежуточный клейкий слой).
С другой стороны, устройства для дальнего действия, требующего высоких уровней оптической мощности (более 1 Вт), будет проблематично реализовать посредством связующего интерфейса.
Например, в ККЛ (квантово-каскадный лазер), работающий в среднем ИК-диапазоне (волноводы из Si или Ge), оболочка из III–V материала (InP) располагается над достаточно большим пустым пространством, ограничивая максимальное рассеивание тепла. Следовательно, не совпадающие коэффициенты теплового расширения (2.6 ppm/K для Si или 5.9 ppm/K для Ge против 4.6 ppm/K для InP) могут негативно повлиять на физическую надежность устройства (ppm от parts per million, т.е. миллионная доля).
По этой причине ученые считают, что для работы с высокой мощностью в среднем ИК-диапазоне необходимо использовать монолитную систему на основе InP. Возможная разработка устройства управления лучом на базе InP также требует изучения азимутального управления на основе OPA. Именно это и является основной задачей данного исследования.
Результаты исследования
Тестируемое OPA-устройство состоит из нескольких когерентных излучателей, конструктивная интерференция которых под определенными углами в дальнем поле создает главный лепесток (интересующий «луч») и вторичные лепестки (а именно лепестки решетки с мощностью, имитирующей мощность главного лепестка, и боковые лепестки с меньшей мощности).
Для планарного OPA азимутальный угол управления определяется формулой: 
где φ — приращение фазы, λ — длина волны в свободном пространстве, d — расстояние между эмиттерами.
Максимальный диапазон управления, то есть поле зрения, не ограниченное лепестками решетки, находится в точке φ=π. Отношение управления обратно пропорционально d, т.е. меньшие расстояния между эмиттерами дают большие поля обзора. Но уменьшение этого размера также увеличивает оптические перекрестные помехи между волноводами, потому было решено использовать умеренное расстояние между эмиттерами (2.5 λ), чтобы избежать перекрестных помех.
Ширина луча уменьшалась с увеличением числа эмиттерных элементов. Однако большое их число приводило к более сложному смещению, потому опять же было решено использовать умеренное значение (32 канала) для получения разумного соотношения между размером луча и управляемостью смещением.
Фазовый сдвиг канала осуществлялся перестройкой индекса за счет термооптического эффекта. В разработанном устройстве ток вводится непосредственно через нелегированные (n ≈ 1×1015 см-3) волноводы, тем самым вызывая омический нагрев волновода. Для волновода длиной L, накопленная фаза изменения температуры ∆T по отношению к другому опорному волноводу задается следующим образом: 
где dn/dT — термооптический коэффициент материала.
Устройство создано на базе InGaAs/InP, где оба материала обладают dn/dT ≈ 2×10–4 K-1, потому при L = 2350 мкм для фазового сдвига ∆φ=π требует ∆T ～ 5 K.
Изображение №1: схема устройства.
В устройстве была использована In0.53Ga0.47As/InP система с показателем преломления 3.339/3.095 при λ = 4.6 мкм. Ребристые волноводы шириной 4 мкм состояли из сердцевины из InGaAs и оболочки из InP (схема выше).
Сплиттер 1×32 представляет собой каскадный набор Y-соединений и S-образных колен с радиусом 500 мкм и длиной 1.5 мм. Фазовращатели (32 штуки) состоят из электродных лент Cr/Au (длина 2.35 мм), проходящих вдоль верхней поверхности оболочки InP, причем все поверхности покрыты SiO2. Контактные отверстия через SiO2 покрытие соединяют электроды фазовращателей через металлизацию контактных площадок по периметру волноводов (по 16 с каждой стороны). Эмиттеры не имеют верхней оболочки, поэтому решетки лежат внутри поверхности слоя InGaAs. Глубина решеток составляет 600 нм, шаг — 11.5 мкм (2.5 λ), скважность* — 1:1, а длина — 3 мм.
Скважность* — отношение периода следования (повторения) импульсов к их длительности.
Изображение №2: снимок готового устройства.
С помощью интерферометра Маха-Цендера была определена мощность фазового сдвига (225 мВт).
Изображение №3: экспериментальная установка.
Непрерывный TE-поляризованный (TE от transverse-electric, т.е. отсутствие электрического поля в направлении распространения) свет мощностью 0.6 мВт вводился в OPA. Измеренная мощность в главном лепестке составила 9 мкВт, то есть общие потери от входной мощности составили 18 дБ. Значительный вклад в эти потери вносит 1×32 разделитель, а также излучение на решетку и боковые лепестки.
Управление лучом в данной установке требует постепенного сдвига фазы канала по модулю 2π. В этом случае первые два простейших приращения фазы равны π и π/2. Канальные сдвиги фазы для этих двух случаев соответственно равны:
- 0, π, 0, π, 0, π и т.д.
- 0, π/2, π, 3π/2, 0, π/2, π, 3π/2 и т.д.
Мощность каналов с фазовыми сдвигами π/2, π и 3π/2 составила около 112, 225 и 337 мкВт соответственно. Блоки питания подключались напрямую к каналам для смещения напряжения.
Изображение №4
На изображении выше показано управление лучом для случаев приращения фазы: нулевое (4а), двухфазное (4b) и π/2-фазное (4с).
При расстоянии между эмиттерами d = 2.5 λ π/2-фазное и π-фазное приращения соответствуют углам поворота луча Ψ = 5.7° и 11.5° соответственно.
Также была измерена азимутальная расходимость луча (δΨ), которое составило 0.6°, что находится в пределах погрешности, полученной из расчетной формулы δΨ = (0.866 λ) / (Nd) = 0.63°. При таком расхождении и при учете диапазона управления лучом (± 11.5°) число полученных точек составило ～2×11.5° / 0.6° = 38.
Изображение №5
Управление луча по высоте за счет дифракции на субволновой решетке определяется следующим выражением: 
где neff (λ) — коэффициент эффективности волновода; λ — длина волны в свободном пространстве; Λ — шаг решетки.
Чтобы продемонстрировать связь между длиной волны и шагом (без использования перестраиваемого лазера), было изготовлено несколько устройств с различным шагом. На изображении 5а показан СЭМ-снимок волноводной эмиссионной решетки. А на 5b показан экспериментальный угол дифракции для каждой из решеток в диапазоне 80°. Важно отметить, что современные настраиваемые ККЛ с λ = 4.6 мкм могут обеспечить диапазон настройки 200 нм, что соответствует лишь 9° диапазону управления луча.
Также важно и то, что фазовые ошибки, возникающие в ходе экспериментов, проявлялись гораздо реже, чем в устройствах ближнего ИК-диапазона.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые продемонстрировали разработанное OPA-устройство, основанное на комбинации InP схемы и квантово-каскадного лазера. Данное устройство позволяет управлять лучом куда свободнее, чем это было возможно с имеющимися устройствами, работающими в ближнем ИК-диапазоне.
Эксперименты показали отличные результаты, однако их можно улучшить еще больше. По заявлению ученых, производительность устройства может быть повышена за счет уменьшения паразитных сопротивлений и улучшения распределения тока, что снизит мощность фазового сдвига.
Особенность разработки заключается не только в более широком диапазоне управления лучом, но и в отсутствии доковых лепестков, которые снижают эффективность.
Авторы труда приводят в пример беспилотные автомобили, многие из которых оборудованы устройствами LIDAR (от light detection and ranging), позволяющих им собирать и обрабатывать информацию об объектах окружающей среды с помощью оптических систем. Данные LIDAR устройства должны постоянно вращаться, чтобы обеспечивать полное поле зрения. Наличие подвижных деталей повышает риск поломки. Но вот OPA-устройство, описанное в данном исследовании, является монолитным, что полностью нивелирует вышеописанную проблему. Кроме того OPA-устройство можно использовать даже для обнаружения веществ через средний ИК-диапазон, что невозможно для человеческого глаза.
В будущем авторы разработки намерены провести ряд полевых испытаний и создать оболочку для своего устройства, которая позволит интегрировать его в различные современные оптические коммуникационные системы.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
