ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ ва
ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ
ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ ДАРАЖАСИНИ БЕРИШ БЎЙИЧА
16.07.2013.Т/FM.29.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
ИНОГАМОВ АКМАЛ МУРАТОВИЧ
ОПТИК ТОЛАЛАРНИ КАМЁБ ЕР ЭЛЕМЕНТЛАРИ
БИЛАН МОДИФИКАЦИЯЛАШ УСУЛЛАРИ
ВА УЛАРНИНГ СПЕКТРАЛ ТАВСИФИ
05.04.02 – Радиотехника, радионавигация, радиолокация ва телевидение тизимлари
ва қурилмалари. Мобиль, тола-оптик алоқа тизимлари
(техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент - 2016
2
УДК 621.391.64
Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси
Оглавление автореферата докторской диссертации
Content of the abstract of doctoral dissertation
Иногамов Акмал Муратович
Oптик толаларни камёб ер элементлари билан модификациялаш усуллари
ва уларнинг спектрал тавсифи……....................................…….....................…..…….………5
Иногамов Акмал Муратович
Методы модификации оптических волокон редкоземельными элементами
и их спектральные характеристики …….…………………………….……............................29
Akmal Inogamov
Modification methods of optical fibers with rare earth elements and their
spectral characteristics………………………………………………………………..............…55
Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works………………………………………………………..………………..79
3
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ ва
ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ
ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ ДАРАЖАСИНИ БЕРИШ БЎЙИЧА
16.07.2013.Т/FM.29.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
ИНОГАМОВ АКМАЛ МУРАТОВИЧ
ОПТИК ТОЛАЛАРНИ КАМЁБ ЕР ЭЛЕМЕНТЛАРИ
БИЛАН МОДИФИКАЦИЯЛАШ УСУЛЛАРИ
ВА УЛАРНИНГ СПЕКТРАЛ ТАВСИФИ
05.04.02 – Радиотехника, радионавигация, радиолокация ва телевидение тизимлари
ва қурилмалари. Мобиль, тола-оптик алоқа тизимлари
(техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент - 2016
4
Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси
ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида 30.09.2014/B2014.5.T329 рақам билан рўйхатга
олинган.
Докторлик диссертацияси Тошкент ахборот технологиялари университетида бажарилган.
Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) Илмий кенгашнинг веб-саҳифасига
(
www.tuit.uz)
ва «ZIYONET» таълим ахборот тармоғида (
) жойлаштирилган.
Илмий маслаҳатчи:
Раджабов Тельман Дадаевич
физика-математика фанлари доктори, профессор
Расмий оппонентлар:
Абдукаюмов Абдурашид Абдулхаирович
техника фанлари доктори, профессор
Бахромов Саъдулла Абдуллаевич
физика-математика фанлари доктори, профессор
Рахимов Неъматжон
техника фанлари доктори, профессор
Етакчи ташкилот:
«UNICON.UZ» Фан-техника ва маркетинг тадқиқотлари
маркази
Диссертация ҳимояси Тошкент ахборот технологиялари университети ва Ўзбекистон
Миллий университети ҳузуридаги 16.07.2013.Т/FM.29.01 рақамли Илмий кенгашнинг 2016 йил
«_25_»__февраль_ соат _10
00
_ даги мажлисида бўлиб ўтади. (Манзил: 100202, Тошкент ш., Амир
Темур кўч., 108. Тел.: (99871) 238-64-43; факс: (99871) 238-65-52; e-mail:
tuit@tuit.uz).
Докторлик диссертацияси билан Тошкент ахборот технологиялари университетининг
Ахборот-ресурс марказида танишиш мумкин (_________ рақами билан рўйхатга олинган).
Манзил: 100202, Тошкент ш., Амир Темур кўчаси, 108. Тел.: (99871) 238-64-43).
Диссертация автореферати 2016 йил «_25_» _ январь_ куни тарқатилди.
(2016 йил «____» __________ даги _________ рақамли реестр баённомаси).
Х.К.Арипов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш раиси ф.-м.ф.д., профессор
М.С.Якубов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш илмий котиби т.ф.д., профессор
Т.H.
Нишонбоев
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш қошидаги илмий семинар раиси
т.ф.д., профессор
5
Кириш (докторлик диссертацияси аннотацияси)
Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.
Жаҳонда
ахборот
коммуникация
технологияларининг
оптик
толали
алоқа
линияларининг маълумот ўтказувчанлик қобилиятига боғлиқ бўлиши,
телекоммуникацион, радиотехник ва мобил алоқа тизимлари бозорини изчил
суръатларда ривожланиши оптик толаларни камёб ер элементлари билан
модификациялаш усулларини қўллаган ҳолда алоқа тизимлари конвергенция
тугунларини юқори тезликдаги трафик билан боғлайдиган базавий оптик
тармоқнинг ўтказиш қобилиятини оширишни тақозо этади. Алоқа
тизимларининг асосий сегментлари – шаҳар, магистрал, ҳудудлар аро ва
локал ҳисоблаш тизимларида оптик толанинг қўлланилиши 2005 йил
ҳолатига кўра 68 млн.км.ни ташкил этиб, соҳалар бўйича ўсиш даражаси 15%
га ошган. Оптик толани ишлаб чиқиш ва ундан фойдаланиш миқдори 2012
йилга келиб 225 млн.км ни ташкил этди. Шундан 35-36 млн.км Японияга, 100
млн.км Хитой халқ республикасига, 32 млн.км АҚШ, 26 млн.км Европа
иттифоқи давлатларига тўғри келади.
Телекоммуникация тармоқларида кенг полосали LTE (Long Term
Evolution) тўртинчи авлод мобил алоқа тизимлари технологиялари амалиётга
тадбиқ этилмоқда. Халқаро уяли алоқа ташкилотлари 3GPP (3rd Generation
Partnership Project) ва IMT-Advanced талабларига кўра тўртинчи авлод мобил
алоқа тизимларида ҳар бир абонент учун ахборотни узатиш тезлиги
1Гбит/секунддан паст бўлмаслиги зарур. Камёб ер элементлари билан
модификацияланган оптик толали алоқа тизимларини ишлатилиши уяли
операторлар базавий станцияларини юқори тезликдаги алоқа билан
таъминлайди ва мобил операторлар базавий станциялари хизмат кўрсатувчи
абонентлар сонини орттиришга имкон беради.
Шу боис телекоммуникацион, радиотехник ва мобил алоқа тизимларида
оптик толаларни камёб ер элементлари билан модификациялаш, кварцли
резонатор ва вакуумда бошқаришли термик буғлантириш усулини қўллаган
ҳолда оптик толаларни модификациялаш, оптик тола очиқ ўзагининг сиртида
ҳосил қилинадиган кўп компонентли оптик юпқа қатламлар қалинлиги ва
таркибини юқори аниқликда назорат қилиш, эрбий, иттербий, кремний ва
алюминий оксидларини бир вақтнинг ўзида вакуум шароитида бошқаришли
буғлантириш, эрбий ионларининг кластерланишини сўндириш хусусиятига
эга структуралар намуналарини тайёрлаш ва шакллантирилган қатламларда
эрбий ионларининг юқори концентрациясини (10
20
- 10
21
) см
-3
олиш, оптик
толанинг локал очиқ ўзагида вакуум муҳитида термик буғлантириш усули
ёрдамида олинган Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
ва Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
, (1<x<2)
кўп компонентли таркиб билан легирланган модификацияланган оптик
толалар спектрал характеристикаларини аниқлаш, камёб ер элементлар
актив ионларининг юқори концентрациясига (10
20
- 10
21
)
см
-3
эга бўлган
самарали планар ва оптик толали кучайтиргичларни яратиш, эрбий
ионларининг юқори концентрацияли модификацияланган оптик толалар
асосида яратилган оптик кучайтиргичларда паст шовқин-фактори ва юқори
6
OSNR (Optical signal noise ratio) параметрини таъминлаш муаммоларини
ечишга йўналтирилган технологик ишланмалар асосида оптик толали
материалларни қайта ишлаш ва оптоэлектрон тизимларида ахборот узатиш
усулларини ишлаб чиқиш долзарб масалалардан бири ҳисобланади.
Модификацияланган оптик толаларда актив эрбий ионларининг юқори
концентрациясини ҳосил қилиш, оптик толани самарали модификациялаш
жараёнларини
такомиллаштириш,
самарали
қисқа
масофали
оптик
кучайтиргичларни
яратиш
учун
вакуумда
кўп
компонентли
юпқа
қатламларни термик буғлантириш, ҳамда оптик толаларни эрбий, иттербий,
кремний ва алюминий оксидларини бошқаришли бўғлантириш орқали
модификациялаш усулларини ишлаб чиқиш муҳим аҳамият касб этади.
Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2012 йил 21 мартдаги
ПҚ-1730-сон «Замонавий ахборот-коммуникация технологияларини жорий
этиш ва янада ривожлантириш чора-тадбирлари тўғрисида»ги Қарори, ҳамда
Вазирлар Маҳкамасининг 2015 йил 4 декабрдаги 353-сон «2016 - 2018 йиллар
даврида Ўзбекистон Республикасида электрон тижоратни ривожлантириш
концепциясини тасдиқлаш тўғрисида»ги қарорида белгиланган вазифаларни
муайян даражада амалга оширишга мазкур диссертация тадқиқоти хизмат
қилади.
Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши-
нинг
устувор
йўналишларига
боғлиқлиги.
Мазкур
диссертация
республика фан ва технологиялари ривожланишининг қуйидаги устувор
йўналишларига
мос
равишда
бажарилган:
ИТД-5-«Жамиятни
ахборотлаштириш даражасини оширишга йўналтирилган илмий ҳажмдор
ахборот технологияларни, телекоммуникацион тармоқларни, аппарат-
дастурий воситаларни интеллектуал бошқариш, ўқитиш усулларини ва
тизимларини
ишлаб
чиқиш»;
ИТД-4-«Қайта
тикланувчи
энергия
манбаларидан
фойдаланиш
усулларини
ривожлантириш,
илғор
технологиялар, фотоника ва нанотехнологиялар асосида технологиялар ва
қурилмалар яратиш».
Диссертация мавзуси бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи.
Оптик толали ахборот узатиш воситаларини ишлаб чиқиш ва амалда қўллаш,
оптик толали алоқа линиялари тизимларини технологик жараёнларини
такомиллаштириш
ва спектрал
характеристикалари самарадорлигини
оширувчи оптик толаларни камёб ер элементлари билан модификациялаш
усулларини ишлаб чиқиш йўналишида жаҳоннинг етакчи мамлакатларининг
илмий марказлари ва олий таълим муассасаларида, жумладан, ITU-T
(International Telecommunication Union) халқаро электр алоқа иттифоқи
(АҚШ),
Fukurawa,
Sumitomo,
Fujikura
(Япония),
Corning
Optical
Communications (АҚШ), Alcatel (Франция), ЗАО «Оптиковолоконные
Системы» (Россия), Dutch Fiber (Германия), Draka (Дания), Samsung
(Жанубий Корея) ва Pirelli (Италия)ларда кенг қамровли илмий-тадқиқотлар
олиб борилмоқда.
Камёб ер элементлари билан модификациялаш усулларини қўллаган
ҳолда оптик толаларнинг маълумот узатиш сифат кўрсаткичларини ошириш,
7
янги авлод самарали оптик кучайтиргичларни ишлаб чиқиш бўйича жаҳонда
қатор илмий натижалар, жумладан: оптик толаларни камёб ер элементлари
асосида модификациялаш усуллари ишлаб чиқилган ALCATEL-LUCENT
(Франция), NOKIA-SIEMENS (Финляндия); камёб ер элементларини оптик
муҳитлар билан модификациялаш жараёнини мукаммаллаштириш асосида
оптик толали кучайтиргичлар яратилган ZTE, HUAWEI (Хитой халқ
республикаси); суюқ кристаллар асосида оптик сигналларни турли
йўналишларда бошқаришли узатиш усуллари ишлаб чиқилган CISCO,
FINISAR (АҚШ); энергетикада ва автоматикада камёб ер элементлар билан
модификацияланган оптик толаларни амалда қўллаш усуллари таклиф
этилган ISKRA (Словения); модификацияланган оптик толаларни андазалари
яратилган ОПТЕЛ, Натекс, Zelax (Россия).
Камёб ер элементлари билан модификацияланган оптик толалардан
фойдаланилган ҳолда оптик толали алоқа линияларининг спектрал
самарадорлиги ва ўтказиш қобилияти афзалликларини ошириш, жумладан,
узоқ масофага юқори тезликда ахборотларни оптоэлектрон регенерациясиз
узатиш, самарали оптик сигналлар кучайтиргичларини яратиш ва уларни
телекоммуникацион, радиотехник, мобил алоқа тизимларига жорий этиш
каби муаммоларни ечишга қаратилган устувор йўналишларда бугунги кунда
фундаментал, амалий ва инновацион лойиҳалар асосида бир қатор илмий
тадқиқот ишлари олиб борилмоқда.
Муаммонинг ўрганилинганлик даражаси
. Оптик толаларни камёб ер
элементлари билан модификациялашнинг назарий ва амалий масалаларини
ечишда ион-плазма, вакуум технологиялари, оптика, маълумотларни узатиш
назарияси ва радиоқурилма тизимларида қўлланиладиган, вакуумда термик
буғлантириш, модификацияланган оптик толалар параметрларини спектрал
тадқиқ қилиш, термик буғлантириш ёрдамида ҳосил қилинаётган қатлам
қалинлигини назорат қилишнинг радиочастотали усулларини ишлаб чиқиш
ва такомиллаштириш масалалари бир қатор олимлар: G.P.Agrawal
(University of Rochester), A.Girard (EXFO Electro-Optical Engineering),
A.J.Morrow, A.Sarkar, P.C.Schultz (Research and Development Division Corning
Glass
Works),
S.R.Nagel,
J.B.Macchensey,
K.L.Walker
(AT&T
Bell
Laboratories), H.Murata (The Furukawa Electric Company), A.D.Yablon
(Interfiber
Analysis),
Н.Н.Слепов
(РФА
да
катта
илмий
ходим),
А.К.Пржевуский,
Н.В.Никоноров
(Санкт-Петербург
Ахборот
Технологиялари, Механика ва Оптика Университети) ва бошқаларнинг
ишларида кўриб чиқилган.
Оптик толали алоқа линияларини ишлаб чиқиш ва такомиллаштириш
масалалари билан боғлиқ тадқиқотлар республикамиз олимлари томонидан
олиб борилган, жумладан: Т.Д.Раджабов, С.А.Бахромов, А.М.Назаров,
А.А.Симонов,
А.И.Камардин,
ўз
шогирдлари
билан
камёб
ер
элементларининг фотолюминесценция хусусиятларини оптик толали алоқа
тизимларига тадбиқ қилишган, Ж.А.Абдуллаев, Р.И.Исаев, И.Р.Берганов
оптик толали алоқа линияларининг маълумот узатиш қобилиятини ошириш
борасида кенг доирада илмий тадқиқот ишларини олиб борганлар. Шунга
8
қарамай оптик толали алоқа линияларини ишлаб чиқиш соҳасидаги кўп
сонли тадқиқотларда мавжуд оптик толаларни модификациялаш масалалари
тўлиқ ўз ечимини топмаган. Оптик толаларни локал модификациялаш ва
камёб ер элементларнинг ионлари концентрацияси экстремал юқори
даражада бўлган (10
20
- 10
21
) см
-3
модификацияланган оптик толаларни
яратиш бўйича олиб борилган тадқиқот ишлари саноқли. Амалда
модификацияланган
оптик
толаларни
яратиш
усулларида
юқори
ҳароратларни қўлланилиши, технологик жараёнларнинг мураккаблиги, камёб
ер элементлари билан легирлаш жараёнида зарарли ва хавфли моддаларни
ишлатилиши
каби
камчиликлар
мавжуд.
Бугунги
кунга
қадар
модификацияланган оптик толаларни яратишда механик прецизион ишлов
бериш ва оптик толанинг очиқ ўзагига камёб ер элементларнинг ионларини
понасимон геометрия шаклида вакуумда термик буғлантириш орқали
модификациялаш усуллари қўлланилмаган. Шунингдек, ўзагида камёб ер
элементларининг юқори концентрацияли модификацияланган оптик тола
андазасини вакуум муҳитида яратиш усули ишлаб чиқилмаган.
Оптик толаларни модификациялаш жараёнида камёб ер элементлар
концентрациясини ўзгаришига боғлиқ ҳолда оптик толаларнинг спектрал
характеристикаларининг динамик ўзгаришларини ўрганишга ва интеграл
оптикада
қўлланиладиган
ихчам
оптик
кучайтиргичлар
учун
модификацияланган оптик муҳитларни яратишга бағишланган илмий
изланишлар деярли олиб борилмаган.
Диссертация мавзусининг диссертация бажарилаётган олий таълим
муассасасининг илмий-тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги.
Мазкур
диссертация тадқиқоти Тошкент ахборот технологиялари университети
илмий-тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги қуйидаги фундаментал ва амалий
лойиҳаларда акс эттирилган: БВ-Ф2-002 сонли «Ахборотларни узатишнинг
фундаментал асосларини тадқиқ қилиш ва солитонлардан фойдаланилган
ҳолда оптик толали алоқа линияларининг тугунлари ва тизимларини ишлаб
чиқиш» (2011-2013 йй.); А5-003 сонли «Алоқанинг юқори тезликли
телекоммуникацион
тармоғи
спектрал
характеристикаларини
мукаммаллаштиришнинг усулларини ишлаб чиқиш» (2012-2013 йй.).
Тадқиқотнинг мақсади
камёб ер элементларига асосланиб мураккаб
геометрияли кўп компонентли юпқа қатламларни вакуум муҳитида
буғлантириш орқали оптик толаларни модификациялаш усуллари ҳамда
камёб ер элементларининг юқори концентрацияли локал модификацияланган
оптик толаларни тайёрлаш ва спектрал характеристикаларини ўлчашнинг
оптик ва механик қурилмалар комплексини ишлаб чиқишдан иборат.
Белгиланган мақсадга эришиш учун қуйидаги
тадқиқот
вазифалари
қўйилган:
оптик
толаларни
вакуумда
камёб
ер
элементлари
билан
модификациялаш мақсадида оптик толаларнинг намуналарини тайёрлаш
технологияларини такомиллаштириш ва намуналарга прецизион механик
ишлов бериш қурилмасини яратиш;
9
модификацияланган
оптик
толаларда
легирловчи
камёб
ер
элементларининг юқори концентрациясига эришиш мақсадида, оптик
толаларнинг очиқ ўзагига эрбий, иттербий, кремний ва алюминий
оксидларини вакуум муҳитида бошқариладиган термик буғлантириш
усулини ишлаб чиқиш;
вакуум муҳитида камёб ер элементларини буғлантириш орқали оптик
толаларда ҳосил қилинадиган кўп компонентли юпқа қатламларнинг
қалинлиги ва таркибини назорат қилиш ва бошқариш хусусиятига эга бўлган
вакуум қурилмаларини яратиш ва такомиллаштириш;
қисқа масофали оптик толали кучайтиргичлар ва модификацияланган
оптик толалар андазасини яратиш шароитларини ўрнатиш мақсадида, оптик
тола ўзагининг локал қисмида шакллантириладиган, камёб ер элементлари
ионларининг юқори (10
20
- 10
21
) см
-3
концентрацияли планар оптик нур
ўтказгичларни яратиш;
вакуум муҳитида камёб ер элементларини термик буғлантиришга
асосланган модификациялаш усуллари ёрдамида яратилган кўп компонентли
оптик структураларнинг таркиби ва концентрациясини аниқлаш;
камёб ер элементларининг турли (Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
ва Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
-
Al
2
O
3
- SiO
x
) таркиблари билан модификацияланган оптик толалар спектрал
характеристикаларининг қиёсий таҳлиллаш;
камёб ер элементлари билан модификацияланган оптик муҳитларда
қисқа масофали оптик толали кучайтиргичларни тайёрлаш ва уларнинг
кучайтириш хусусиятларини тадқиқ қилиш.
Тадқиқотнинг объекти
сифатида
бир модали оптик толалар, кўп
компонентли оптик юпқа қатламлар (понасимон геометрияли планар нур
ўтказгичлар), вакуумда термик буғлантириш усули ёрдамида олинган
модификацияланган оптик толалар андазалари ва оптик муҳитлар асосида
яратилган қисқа масофали оптик толали кучайтиргичлари олинган.
Тадқиқотнинг
предмети
камёб
ер
элементлари
билан
модификацияланган оптик толаларни тайёрлаш усуллари ва уларнинг
спектрал характеристикалари ҳисобланади.
Тадқиқотнинг усуллари.
Тадқиқот жараёнида оптик тола қобиғига
прецизион механик ишлов бериш, понасимон геометрияли кўп компонентли
юпқа қатламларни вакуумда ўзаги локал очилган оптик толаларнинг сиртига
термик буғлантириш, ксенон лампа нурланишида модификацияланган оптик
толаларни
кўндаланг
дамлаш,
модификацияланган
оптик
толалар
характеристикаларини
спектрал
тадқиқ
қилиш,
вакуумда
термик
буғлантириш ёрдамида ҳосил қилинаётган қатлам қалинлигини назорат
қилишнинг радиочастотали усуллари қўлланилган.
Тадқиқотнинг илмий янгилиги
қуйидагилардан иборат:
оптик толаларни камёб ер элементлари билан модификациялаш
мақсадида кварцли резонатор ва термик буғлантириш усулини қўллаган
ҳолда вакуумда бошқаришли буғлантириш услуби ишлаб чиқилган;
оптик тола очиқ ўзагининг сиртида ҳосил қилинадиган (Er
2
O
3
- Al
2
O
3
-
SiO
x
ва Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
) кўп компонентли оптик юпқа қатламлар
10
қалинлиги ва таркибини юқори аниқликда назорат қилувчи эрбий, иттербий,
кремний ва алюминий оксидларини бир вақтнинг ўзида вакуум шароитида
бошқаришли буғлантириш услуби ишлаб чиқилган;
эрбий ионларининг кластерланишини сўндириш хусусиятига эга
структуралар намуналарини тайёрлаш ва шакллантирилган қатламларда
эрбий ионларининг юқори концентрациясини (10
20
- 10
21
) см
-3
олишни
таъминловчи оптик толаларни вакуум муҳитида модификациялаш усули
яратилган ва экспериментал синовдан ўтказилган;
реактив газ (кислород) атмосферасида вакуумнинг 0,25-0,35 Па ((2-
3)·10
−3
мм сим.уст.) босим қийматларида металл эрбий ва алюминийнинг бир
вақтда
буғлантириш
усулини
қўллаш
ёрдамида
вакуум
муҳитида
модификацияланган оптик толаларнинг намуналари, оптик толали алоқа
линиялари учун амалий аҳамиятга эга эрбий ионларининг (Er
3+
) ~1540 нм
тўлқин узунлиги диапазонида интенсив фотолюминесценция (нур тарқата
олиш қобилияти) мавжудлиги исботланган;
юқори тезликли оптик толали алоқа линияларида қўлланиладиган
модификацияланган оптик толаларни ишлаб чиқишнинг активлаштирилган
андазаларини тайёрлаш ва камёб ер элементлар актив ионларининг юқори
концентрацияли (10
20
-10
21
) см
-3
самарали планар, ҳамда оптик толали
кучайтиргичларни яратиш усули ишлаб чиқилган;
камёб ер элементларини активлаштириш мақсадида интеграл оптик
толали тизимлар учун модификацияланган оптик муҳитларда яратилган
планар оптик кучайтиргичларни кўндаланг дамлаш услуби амалда тадбиқ
этилган;
модификацияланган
оптик
толалар
ва
қисқа
масофали
оптик
кучайтиргичларнинг
спектрал
характеристикаларини
ўрганишда
экспериментал тадқиқот натижаларини экранда кузатиш ва рўйхатга олиш
усуллари ишлаб чиқилган;
модификацияланган оптик толалар асосида ишлайдиган қисқа масофали
оптик толали кучайтиргичларни яратишда камёб ер элементларининг
концентрацияси баландлиги, кучайтиргичларнинг шовқин факторининг
пастлиги
ва
кучайтириш
коэффициент
кўрсаткичини
юқорилигини
таъминлаш меъзонлари ишлаб чиқилган;
эрбий ионларини вакуумда бошқаришли буғлантириш орқали яратилган
оптик кучайтиргичларда шовқин-факторининг пастлиги ва OSNR (Optical
signal noise ratio) параметрининг юқорилиги аниқланган.
Тадқиқотнинг амалий натижаси
қуйидагилардан иборат:
катта эгрилик радиусли (R=180мм) ва берилган чуқурликда оптик
толани механик ишлов беришдан иборат камёб ер элементлар билан
легирлаш мақсадида оптик тола намуналарини тайёрлаш усули техник
амалга оширилган;
эрбий оксиди 5 моль%, кремний оксиди 70-85 моль%, алюминий оксиди
10-25 моль% ва иттербий оксиди 5 моль% дан ташкил топган понасимон
структура ва катта синдириш коэффициенти ҳисобига бир модали оптик тола
ўзагидан энергияни самарали тортиб олувчи оптик тола ўзагининг очиқ
11
қисмида шакллантирилган кўп компонентли планар нур ўтказгичлар
яратилган;
оптик тола ўзаги ва буғлантириш усули билан тайёрланган кўп
компонентли оптик структуранинг бир бири билан нур энергиясини узатиш
самарадорлиги 65-75% қийматга тенглиги ва 2-5 см узунликдаги эрбий
ионлари билан модификацияланган оптик толалар оптик сигнални 5-10 дБ га
кучайтириш мумкинлиги аниқланган.
эрбий ионларининг (Ег
3+
) максимал фотолюминесценция интенсивлиги
хона ҳарорати ва термик ишлов берилмаган вакуумда модификацияланган
оптик толалар намуналарида кузатилиши натижасида, модификацияланган
намуналарнинг эрбий актив ионларининг юқори концентрацияга эга
эканлиги ва кимёвий буғлантириш ёки кимёвий ишлов бериш усулларига
қараганда вакуумда термик буғлантириш ёрдамида бир жинсли оптик
структуралар олиш мумкинлиги исботланган;
термик буғлантириш, буғлантирилган элементларни назорат қилиш ва
буғланиш интенсивлигини бошқариш каби технологик жараёнларни ягона
экспериментал
комплексда
бирлаштирувчи
оптик
толаларни
модификациялаш учун яратилган қурилма ёрдамида, моддий ресурсларга
кетадиган сарф-харажатларни 35% га ва оптик толани қайта ишлаш вақтини
50% га камайтиришга эришилган;
спектрал зичлаштирилган юқори тезликли оптик толали алоқа
линиялари оралиқларида модификацияланган оптик толаларни қўлланилиши,
оптик кабелнинг спектрал самарадорлиги ва ўтказиш қобилиятини
оширишга, спектрал мультиплексирланган сигнални муайян сатҳдаги
чизиқли шаклини сақлашга, узоқ масофали оралиқларда кучайтиргичларсиз
алоқа масофасини 100 км гача оширишга имкон берган;
вакуумда эрбий оксидини (Er
3+
) модификациялаш асосида яратилган
қисқа масофали оптик толали кучайтиргичлар 5-10 см актив оптик
муҳитнинг узунлигида оптик сигнални 15 дБ гача кучайтириши, шовқин-
факторининг пастлиги 1,2 дБ ва кучсиз сигнал режимларида қўлланилганда
оптик кучайтиргич сезгирлигининг пастки чегараси -40дБ ни ташкил этиши
аниқланган
спектрал зичлаштирилган юқори тезликли оптик толали алоқа
линияларида вакуумда эрбий оксидини (Er
3+
) модификациялаш асосида
яратилган қисқа масофали оптик толали кучайтиргичларни қўллаш орқали
оптик сигналнинг OSNR параметрини (оптик сигналнинг қувватини
шовқинга
нисбати)
3дБ
га
(икки
марта)
оширишга
ва
хизмат
кўрсатилмайдиган кучайтириш пунктларининг сонини (1000 км оралиқда
кучайтиргичлар сони 15 тага тўғри келади) ошириш ҳисобига нархи юқори
бўлган регенерацион қурилмаларнинг сонини 1,5 мартага қисқартиришга
эришилган.
Оптик толаларнинг спектрал характеристикаларини ўлчаш ва уларни
вакуумда модификациялаш учун ишлаб чиқилган усуллар ва яратилган
техник воситалар локал модификацияланган оптик толаларни тайёрлаш, узоқ
масофали оптик толаларни активлаштирилган андазаларини яратиш, оптик
12
толали алоқа тизимларида қўлланиладиган самарадор қисқа масофали
кучайтиргичларни тайёрлаш, оптик маълумотларни рўйхатга олиш ва қайта
ишлаш каби муаммоларини ҳал этиш имконини беради.
Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги.
Амалиётда ўтказилган
тажрибалар ва олинган экспериментал натижалар орқали оптик толаларни
камёб ер элементлари билан модификациялашда ёруғлик оқимини
модуляциялаш жараёни ва дифракцион панжара асосида ишлайдиган оптик
спектр анализаторида 0,1 нм аниқликдаги ишончлиликка эришилиши, вакуум
муҳитида модификацияланган намуналарда камёб ер элементларининг
юқори (10
21
см
-3
) кўрсаткичга эгалиги рентгенли спектрал усулида
ишлайдиган
микрозондда
текширилиши,
модификацияланган
оптик
муҳитларда ишлайдиган қисқа масофали кучайтиргичлар миллий оператор
АК «Ўзбектелеком» тармоғида амалда синалиши, назарий ва амалий
тадқиқотларнинг
олинган
натижалари
ва
уларнинг
ўзаро
мувофиқлаштирилганлиги, ишончлилигини кўрсатади.
Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти.
Тадқиқотда
олинган натижаларнинг илмий аҳамияти шундан иборатки, оптик толаларни
камёб ер элементлари билан модификациялаш усуллари, яъни оптик
толаларни спектрал характеристикалари сифатини ошириш мақсадида камёб
ер элементлари билан модификациялашнинг вакуумда термик буғлантириш
усул ва тамойиллари яратилди, модификацияланган оптик толаларда эрбий
ионларининг кластерланишини камайтирувчи усуллари аниқланди, камёб ер
элементларининг юқори концентрацияли оптик муҳитлар яратилди, турли
хилдаги легирловчи элементларнинг таркиби билан модификацияланган
оптик толаларни спектрал характеристикалари тадқиқ қилинди, DWDM
оптик
толали
алоқа
тизимларида
қўллаш
учун
оптик
толали
кучайтиргичларни назарий асослари оптик толали алоқа тизимининг
маълумот
узатиш
қобилияти
ва
спектрал
характеристикалари
параметрларини яхшилашга хизмат қилади.
Эришилган натижаларнинг амалий аҳамияти ёруғлик оқимини
модуляциялаш ёрдамида ишлайдиган оптик толали спектрометр асосида
қурилган ўлчов комплекси ишлаб чиқилганлиги, оптик толаларни қобиғига
прецизион механик ишлов берадиган қурилмалар ҳосил қилинганлиги,
вакуумда термик буғлантириш орқали модификацияловчи қурилма ҳамда
модификацияланган планар оптик тизимларни кўндаланг оптик дамлаш
қурилмаси амалиётда қўлланилганлиги, замонавий оптик толали алоқа
линиялари спектрал характеристикалари ва ўтказиш қобилиятини оширувчи
камёб ер элементларининг юқори концентрацияли (10
20
- 10
21
) см
-3
локал
модификацияланган оптик толалар, оптик характеристикалари ва таркиби
аввалдан аниқланган оптик толалар андазалари ва лаборатория шароитида
оптик сигналларни (1529 - 1565 нм) оралиқда самарали кучайтирувчи
модификацияланган оптик муҳитларда ишлайдиган қисқа масофали оптик
толали кучайтиргичларни самарали ишлашини таъминлашдан иборат.
Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши.
Таркибида соф эрбий
ва
германий
диоксидининг
фаоллаштирилган
ионлари
юқори
13
концентрациясига эга бўлган вакуум муҳитида 1*10
-3
дан 5*10
-4
Па босими
остида камёб ер элементларнинг термик буғлантириш орқали оптик толалар
ярим маҳсулотини тайёрлашнинг соддалаштирилган ва зарарсиз, экологик
хавфсиз усули жорий этилган (Ўзбекистон Республикаси IAP 04944 ихтирога
патент). Оптик толаларни вакуумда модификациялаш қурилмасида термик
буғлантириш, буғлантирилган элементларни назорат қилиш ва буғланиш
интенсивлигини
бошқариш
каби
технологик
жараёнларни
ягона
экспериментал
комплексда
бирлаштириш
орқали
олинган
модификацияланган оптик тола ва оптик толали кучайтиргичлар миллий
телекоммуникациялар оператори АК «Ўзбектелеком» оптик толали
тармоқларига
жорий
этилган
(Ўзбекистон
Республикаси
ахборот
технологиялари ва коммуникацияларини ривожлантириш вазирлигининг
2015 йил 12 июндаги 02-8/2317-сон маълумотномаси). Оптик толаларни
камёб ер элементлари билан легирлашда моддий ресурсларга кетадиган сарф-
харажатларни 35% га ва оптик тола андазаларини яратиш вақтини 50% га
камайтиришга эришилган. Қисқа масофали оптик кучайтиргичлар ва
модификацияланган оптик толалар кўринишидаги натижалар, бошқарилувчи
пунктлар орасидаги оралиқ масофани 30% га ошиши (1000 км оралиқда
кучайтиргичлар сони 15 тага тўғри келади) ва регенерацион қурилмалар
сонининг 1,5 баробар камайиши ҳисобига йиллик иқтисодий самара 72 млн.
сўмни ташкил этган.
Тадқиқот натижаларининг апробацияси.
Диссертациянинг назарий ва
амалий
жиҳатлари
қуйидаги
халқаро
ва
миллий
семинар
ва
конференцияларда муҳокама қилинган: «Вакуум фани ва техникаси» (Россия,
Сочи, 2010); «IEEE/IFIP International Conference in Central Asia on Internet»
(Uzbekistan, Tashkent, 2008); «International conference in Central Asia on
Internet» (Uzbekistan, Tashkent, 2013); «Вакуум фани ва техникаси» (Қрим,
Гаспра, 2013); «Фан ва таълимда ахборот-коммуникация технологиялари»
(Ўзбекистон, Тошкент, 2010); «Application of Information and Communication
Technologies» (Uzbekistan, Tashkent, 2010); «IT Promotion in Asia» (Uzbekistan,
Tashkent, 2011); «Алоқа техникаси ва технологиялари» (Ўзбекистон,
Тошкент, 2008); «Ахборот технологиялари ва телекоммуникациялари
муаммолари» (Ўзбекистон, Тошкент, 2012); «Инфокоммуникациялар ва
ахборот жамиятини ривожлантиришнинг долзарб муаммолари» (Ўзбекистон,
Тошкент, 2012); «XXI асрда фан ва технологиялар соҳасидаги устувор
йўналишлар» (Ўзбекистон, Тошкент, 2014).
Тадқиқот натижаларининг эълон қилиниши.
Диссертация мавзуси
бўйича 25 та илмий иш, жумладан, ихтиро учун патент 1 та, 2 та хорижий
илмий журналларда 2 та илмий мақола, 4 та миллий журналларда 9 та илмий
мақолалар, халқаро илмий-амалий конференцияларда 12 та маъруза
тезислари эълон қилинган.
Диссертациянинг ҳажми ва тузилиши.
Диссертация кириш, бешта
боб, хулоса, фойдаланилган адабиётлар рўйхати, 199 саҳифадан иборат матн,
75 та расм, 14 та жадвал ва 12 та иловадан иборат.
14
ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ
Кириш
қисмида диссертация тадқиқотининг долзарблиги ва зарурияти
асосланган, тадқиқот мақсади ва вазифалари ҳамда объект ва предметлари
тавсифланган,
Ўзбекистон
Республикаси
фан
ва
технологияси
тараққиётининг устувор йўналишларига мослиги кўрсатилган, тадқиқот
илмий
янгилиги
ва
амалий
натижалари
баён
қилинган,
олинган
натижаларнинг назарий ва амалий аҳамияти очиб берилган, тадқиқот
натижаларини жорий қилиш рўйхати, нашр этилган ишлар ва диссертация
тузилиши бўйича маълумотлар келтирилган.
Диссертациянинг
биринчи
«Оптик
толали
алоқа
линиялари
тизимлари ва элементларининг ҳозирги кундаги истиқболлари таҳлили»
бобида
оптик
толали
алоқа
линиялар
(ОТАЛ),
уларнинг
асосий
компонентлари, элементлари ва тугунларининг назарий-аналитик таҳлили
келтирилган. ОТАЛ тизимларида ишлатиладиган оптик толаларнинг асосий
характеристикалари кўриб чиқилган. Кенг полосали радиоалоқа тизимлари,
хусусан, LTE (Long term evolution) тўртинчи авлод мобил алоқа тизимларида
ОТАЛ нинг қўлланилишига мисоллар келтирилган. ОТАЛ спектрал
самарадорлигини
ошириш
учун
ишлатиладиган
оптик
толаларни
модификациялаш усулларининг таҳлили ўтказилган, камёб ер элементлари
билан модификацияланган оптик толалар турлари ва эрбий, иттербий билан
модификацияланган оптик толалар таҳлил қилинган. Модификацияланган
оптик толаларнинг таснифланиши келтирилган ва уларнинг қўлланилиш
соҳалари
аниқланган.
Оптик
толаларни
модификациялашнинг
янги
тамойиллари
ва
усулларини
қидириш,
камёб
ер
элементларининг
концентрациясини (10
20
- 10
21
) см
-3
гача ошириш, турли таркибли легирловчи
қўшимчалар билан модификацияланган кичик ҳажмдаги оптик тузилмаларни
тадқиқ қилиш, модификацияланган оптик муҳитлар асосида самарали оптик
кучайтиргичларни яратиш, оптик толаларни модификациялаш учун
экспериментал қурилмаларни ишлаб чиқиш, оптик толаларни яратишнинг
технологик
жараёнларини
такомиллаштириш,
оптик
толаларнинг
имкониятларини
кенгайтириш,
лаборатория
шароитларида
модификацияланган оптик толаларни тайёрлаш каби масалар, ОТАЛ бўйича
ўтказилган таҳлил асосида, тадқиқот ишининг муҳим вазифалари сифатида
ўрнатилган ва хулосалар келтирилган.
Диссертациянинг иккинчи
«Модификацияланган оптик толаларнинг
спектрал
характеристикаларини
тадқиқ
қилиш
учун
ўлчов
қурилмаларини ишлаб чиқиш»
боби экспериментлар натижасида олинган
модификацияланган оптик толалар характеристикаларини ўлчаш усуллари ва
оптик сигналларни ўлчовчи қурилмаларни ишлаб чиқишга бағишланган.
Модификацияланган оптик толаларнинг спектрал характеристикаларини
ўлчаш учун оптик ва механик қурилмаларни яратиш бўйича вазифа қўйилган.
Иккинчи бобда ярим ўтказгичли лазерларни оптик толанинг учи билан
мослаштириш услублари амалий тадбиқ этилган ва уларнинг ишчи
характеристикалари келтирилган.
15
Камёб ер элементлари билан модификацияланган оптик толалар
спектрал характеристикаларини тадқиқ қилиш учун бир модали оптик
толалар ўзагига лазер нурланишини самарали киритилишини таъминлаш
зарур. Оптик толанинг ўзагига лазер нурини киритиш учун қобиқсиз лазер
диодлари ишлатилган. Оптик тола учларига лазер нурланишларини максимал
самарали киритишда Тошкент шаҳар амалий физика тадқиқот институтида
ишлаб чиқилган конуслар ва микролинзаларни олиш махсус технологияси
қўлланилган. Модификацияланган оптик толалар спектрларини ўрганиш
мақсадида ўлчаш комплексини яратиш учун дифракцион панжара асосида
ишлайдиган спектрографдан фойдаланилган (1-расм).
1-расм. Ёруғлик оқими модуляцияланган оптик толали спектрометр асосида
қурилган ўлчов комплексининг функционал схемаси
Бу ерда, 1 - ксенон лампанинг нурланиши, 2 - ярим сферик кўзгу,
3 - созлаш винти, 4 - λ
пр.
= 980 нм параметрли интерференцион фильтр,
5 - лазер нурланиши, 6 - металл таглик, 7 - созлаш столи, 8 - маҳкамлаш
қисқичлари, 9a – модификацияланган оптик тола, 9b - оптик тола,
10-модуляцияловчи диск, 11-айланиш частотаси f = 50 айланишлар/сек га
тенг бўлган двигател вали, 12-оптрон, 13 - спектрографнинг кириш тирқиши,
14 - объектив, 15 - дифракцион панжара, 16-дифракцион панжара двигатели,
17 - двигателнинг электрон блоки, 18 - микроконтроллер, 19 - ксенон лампа
таъминот блоки, 20 - коллиматор, 21 - чиқиш оптик тирқиши,
22 - фокусловчи линза, 23 – оптик жгутнинг кириш учи, 24 - фотодиод,
25 - кучланиш кучайтиргичи, 26 – қисқа полосали фильтр, 27 – ўзгарувчан
кучланиш кучайтиргичи, 28 - прецизион детектор, 29 - PIC-16F873A
микроконтроллер асосидаги MAX-232 микросхема, 30 - компьютернинг
COM порти (RS-232).
16
Модификацияланган оптик толаларнинг спектрал характеристикаларини
тадқиқ қилиш бўйича йиғилган қурилманинг ўзига хос хусусияти
спектрограф прецизион созлаш қурилмаси билан ягона илмий-тадқиқот
комплексига бирлаштирилгани ҳисобланади. Бу ўз навбатида оптик тола
ўзагига лазернинг нурланишини киритиш орқали модификацияланган бир
модали оптик толаларнинг спектрал характеристикаларини ўлчаш каби
тадқиқотларни ўтказишга имкон беради. Ярим ўтказгичли лазер нурланиши
билан бир модали оптик толанинг ўзагини самарали мослаштириш услуби
ҳамда ёруғлик оқими модуляцияланган схема асосида спектрал асбобнинг
такомиллаштирилиши, оптик тола ўзагига киритилган камёб ер элементлар
люминесценцияси ва лазер нурланиши спектрларини юқори сезгирликда
ўлчаш имкониятини таъминлади. Юқорида келтирилган оптик толалар
спектрини ўлчовчи асбобларнинг такомиллаштирилиши мазкур бобда
қўйилган тадқиқот вазифаларини тўлиқ қондирилишига имкон берди.
Диссертациянинг учинчи
«Оптик тола модификациялаш усуллари ва
қўрилмаларини ишлаб чиқиш»
бобида
оптик толаларни камёб ер
элементлари билан модификациялаш учун ишлаб чиқилган усуллар ва
модификациялаш жараёнини амалга оширишда ишлатилган экспериментал
қурилмаларнинг тавсифлари келтирилган.
Оптик толалар ишлаб чиқаришнинг асосий усулларига юқори ҳароратда
легирловчи элементлар аралашмаларини оптик тола андазасига ички ёки
ташқи аксиал буғлантириш орқали легирлаш ҳисобланади. Бу жараёнлар
кремний ва бошқа легирловчи материаллар бирикмаларининг юқори
ҳароратда
оксидланишига
асосланган.
Бундай
оптик
толалар
модификациялаш усулларининг камчилиги технологик жараёнларининг
мураккаблиги, оптик толаларга юқори ҳароратда ишлов берилиши ва
натижада оптик тола кристали тузилмасини бузилиши, модификацияловчи
элементлар концентрациясини бошқарилмаслиги ҳисобланади. Юқорида
кўрсатилган
камчиликларни
ҳисобга
олган
ҳолда,
легирловчи
элементларнинг турли таркибига эга бўлган кўп компонентли юпқа
қатламларни вакуум муҳитида бошқаришли буғлантириш орқали ҳосил
қилиш усули ишлаб чиқилган ва амалиётга жорий этилган.
Самарали
эрбийли
кучайтиргичларни
олиш
муаммоси,
эрбий
ионларининг юқори концентрациясига эга бўлган оптик материалларни
ишлаб чиқиш борасида изланишларни тезлаштиради. Эрбий (Er
2
O
3
) оксидли
структураларда Er
3+
эрбий актив ионларининг концентрацияси ~10
22
см
-3
қийматга етиши исботланган. Эрбий оксиди асосидаги оптик тузилмаларда
Er ионларининг концентрацияси EDFA (Erbium doped fiber amplifier)
кучайтиргичлари учун яратилган стандарт легирлаш усуллари орқали
олинган оптик толалардаги Er ионлари концентрациясидан бир неча баробар
ортиқ бўлишидан далолат беради. Шундай қилиб, юқорида баён этилган
илмий ғояларни амалий ва экспериментал бажариш мазкур бобга қўйилган
асосий мақсадлардан бири ҳисобланади. Бир вақтда икки қайиқчадан назорат
қилинадиган вакуумли буғлантиришни амалга ошириш учун ишлаб чиқилган
қурилманинг функционал схемаси 2-расмда келтирилган.
17
2-расм. Кўп компонентли юпқа қатламларни вакуум муҳитида бошқариш
имкониятли буғлантириш қурилмаси
Бу ерда, 1 - резистив танталли қиздиргич, 2 - (Er) эрбий тўлдирилган
контейнер, 3 - (Al) алюминий ва (SiO) кремний монооксиди тўлдирилган
контейнер, 4 - экраннинг ажратувчи кесими (АВ), 5 - металл таглик, 6 - ўзаги
очиқ бўлган оптик тола, 7 - буғлантирилаётган материаллар буғларининг
тарқалиш йўналиши, 8 - кварцли пьезопластина, 9 - диафрагмали қоплама,
10 - сувли радиатор, 11 - тўрт тирқишли диск-обтюратор, 12 - айланиш
частотаси стабиллантирилган двигател, 13 - диск-обтюраторнинг умумий
кўриниши, 14 - созлаштирилган дискдаги уч бурчакли тирқиш.
Экспериментлар жараёнида оптик толанинг локал очилган ўзагида Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
ёки Er
2
O
3
-Yb
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
кўп компонентли қатламалар
кўринишидаги модификацияланган оптик структуралар олишга эришилди.
Мазкур масалаларни амалга оширишда оптик толанинг механик ишлов
берилган ўзагининг сиртига металл эрбий (Er), кремний монооксиди (SiO) ва
алюминий оксиди (Al
2
O
3
), 2-3·10
-3
Па босимли вакуум муҳитида кислород
реактив газини ишчи камерага киритилиши орқали биргаликдаги термик
буғлантириш технологияси ишлатилган.
Кўп компонентли юпқа қатламларни вакуумда ҳосил қилиш вақтида,
буғлантирилаётган юпқа қатламларнинг қалинлиги кварцли кристалнинг
сиртида буғланаётган модданинг юпқа қатлами шаклланиши пайтида
кварцли
кристалл
тебраниш
частотасининг
ўзгаришига
асосланган
радиочастотали усул қўлланилган. Шунингдек, термик буғлантиришда
легирловчи элементлар жойлашган қайиқчалар кўринишидаги икки
буғлантиргичлар ҳарорати мустақил бериладиган уч ҳароратли усул
ишлатилган. Кварц кристаллари ҳароратнинг ўзгаришларига сезгир
бўлганлиги учун, мазкур усулда пьезодатчиклар учун махсус совутиш
тизими ишлатилди. Буғлантириш жараёнида резонатор частотасининг
ўзгаришига буғлантиргич томонидан иссиқлик нурланиши таъсирини
18
компенсациялаш, буғлантирилган қатламнинг қалинлигини 5% аниқликда
ўлчашга имкон беради. Эрбий ва кремний монооксидининг вакуумда
буғлантирилиши ишчи газ - кислороднинг 2-3·10
-3
Па босимида ва турли
танталли қайиқчаларни 1300 - 1600ºС ҳароратда қиздириш орқали амалга
оширилди.
Модификациялаш жараёни, шунингдек параметрлари аввалдан берилган
оптик толаларнинг намуналарини яратиш ва тайёрлашни ҳам ўз ичига олади.
Оптик толаларни камёб ер элементлари билан модификациялашга тайёрлаш
мақсадида оптик толалар ўзагининг силлиқлаш қалинлигини назорат
қилиниши, оптик толалар сиртига прецизион механик ишлов бериш усули
орқали амалга оширилган. Прецизион механик ишлов бериш қурилмаси бир
модали оптик тола ўзагида (HE
11
) асосий модани аниқ қайд этиш
имкониятини беради. Механик ишлов бериш орқали силлиқлаш жараёнини
ўтказиш учун оптик толани маҳкамлаш учун металл таглик тайёрланади.
Улар 3 мм қалинликдаги, 15 мм кенгликли ва 120 мм узунликли Д1, Д19 ёки
ВАД1 турдаги дюралюминий бўлакларидан иборат. Бу бўлаклар зарур
айланиш радиусигача эгилади
R
=180 мм. Олмос диск ёрдамида берилган
чуқурликда (0,1 мм), дюралюминий бўлакларига ариқчалар ўйилади.
Ўйилган ариқчаларга оптик тола жойлаштирилади ва эпоксид елим билан
қотирилади.
Ҳисоблашлар натижасига кўра, объектларнинг идеал сиртида айланиш
радиусига силлиқлашда
d
га тенг бўлган силлиқлаш чуқурлигида
L
узунликдаги оралиқ (хорда) очилади. Бу каттталиклар орасидаги муносабат
Rd
L
8
формула орқали аниқланади. Шундай қилиб,
d
- силлиқлаш
чуқурлиги
8
/
2
L
d
формула орқали ифодаланиши мумкин. Оптик толани
дюралюминий пластинага (тагликка) ёпиштиришдан олдин оптик толага He-
Ne лазер нурланиши киритилади ва оптик тола микроскоп остида
текширилади. Оптик толанинг қобиғига прецизион механик ишлов бериш
усулининг функционал схемаси 3-расмда келтирилган.
3-расм. Оптик толанинг силлиқлаш чуқурлигини прецизион
назорат қилиш схемаси
Бу ерда, 1 - He-Ne лазер, 2 - созланадиган фокусловчи линза, 3 - оптик
тола, 4 - силлиқловчи диск, 5 - оптик толали силлиқланадиган таглик,
6 - калибровкаланган юк, 7 - фотодиодли созлаш столи, 8 - оптик тестер.
Оптик тестер
оптик толанинг силлиқлаш чуқурлигини самарали назорат
қилишга имкон беради. Тестер рўйхатга олган қолдиқ нурланиш қуввати
оптик тола қобиғи ва ўзагини силлиқлаш даражасини кўрсатади.
19
Экспериментлар вақтида оптик толаларнинг турли намуналари учун қолдиқ
нурланиш қуввати қиймати 20% дан 80% гача бўлган чегараларда ўтказилди.
Бу усул кейинчалик вакуум муҳитида камёб ер элементлари билан оптик
толаларни
самарали
модификациялашни
таъминлайдиган
оптимал
силлиқлаш режимини экспериментал танлаш имкониятини беради.
Иккинчи таклиф этилган усулда оптик толаларнинг модификацияланган
андазаси тайёрланади. Бу усулда оптик толалар андазасини тайёрлашда
заҳарли бирикмалар ишлатилинмайди ва барча жараёнлар вакуумда камёб ер
элементлар оксидларини термик буғлантирилиши орқали амалга оширилади.
Бунда камёб ер элементлар қатлами вакуум муҳитида айланаётган кварцли
андаза
ичига
жойлаштирилган
қиздирилган
қайиқчалардан
термик
буғлантирилади. Кўп қатламли буғлантириш имконияти легирловчи
элементларнинг турли вариацияларида оптик толалар андазасини яратишга
имкон беради. 4-расмда таклиф этилган оптик толалар модификацияланган
андазасини тайёрлаш усули келтирилган.
4-расм. Модификацияланган оптик толалар андазасини яратиш усули
Бу ерда, 1 - айланиш имкониятига эга механик ускунага маҳкамланган
кварцли шиша, 2 - электр токи орқали қиздириладиган қийин эрийдиган
материалдан тайёрланган буғлантириш қайиқчалари, 3 - эрбий, 4 - германий
диоксиди, 5 - кварц дисперс кукуни, 6 - буғлантирилган материаллар
қатламлари, 7 - кварцли шиша маҳкамланадиган айланувчи механик ускуна,
8 - маҳкамлаш элементлари, 9 - механик ускуна айланиш йўналиши.
Камёб ер элементлари билан аввалдан легирланган андазани яратиш
зарур узунликга эга ва актив компонентлар ионларининг керакли
концентрацияси мавжуд бўлган модификацияланган оптик толаларни олишга
имкон беради.
20
Диссертациянинг тўртинчи
«Модификацияланган оптик толаларнинг
спектрал
тавсифларини
экспериментал
тадқиқи»
бобида
модификацияланган
оптик
толалар
спектрал
характеристикаларини
экспериментал тадқиқотларининг асосий натижалари келтирилган. Камёб ер
элементларнинг турли таркиблари билан модификацияланган оптик тола
намуналарининг фотолюминесценция хоссалари тадқиқ қилинган. Оптик
тола намуналарида буғлантириш йўли орқали олинган кўп компонентли
қопламларнинг структура ва таркиби ўрганилган. ОТАЛ да қўлланиладиган
самарали оптик толали кучайтиргичларни яратиш ва модификацияланган
оптик толалар андазасини тайёрлаш бўйича амалий тавсиялар келтирилган.
Тадқиқотлар натижасида, эрбий актив ионларининг энг катта нурланиш
интенсивлиги
вакуумли
термик
буғлантириш
усули
ёрдамида
модификацияланган оптик толалар намуналарида аниқланган. Бундан
ташқари,
очиқ
оптик
тола
ўзагини
қоплайдиган
юпқа
қатламни
шакллантирадиган легирловчи қўшимчаларни ва эрбий ионларининг
концентрациясини
тўғри
танлаш
принципиал
масалалардан
бири
ҳисобланади. Al
2
O
3
ёки Р
2
О
5
оксидлари билан кварц шишасини қўшимча
легирлаш, кварцли шишага қўшилган камёб ер элементларининг максимал
концентрациясини оширади ва эрбий ионларининг кластерланишини
пасайтиради. Мазкур диссертация ишида Er
2
O
3
эрбий оксидини SiO
2
кварц
шишасини ва Al
2
O
3
алюминий оксиди билан биргаликда легирлаш танланган.
Модификацияланган
оптик
толалар
намуналарининг
спектрал
характеристикалари тадқиқи жараёнида ~1540 нм ИҚ-диапазонида Er
3+
эрбий
ионларининг интенсив фотолюминесценцияси кузатилди (5 ва 6 - расмлар).
Тадқиқ этилган спектрлар Er
3+
эрбий актив ионларининг биринчи
4
I
13/2
қўзғалиш ҳолатидан асосий
4
I
15/2
ҳолатга ўтишига мос келади.
5-расм. Er
2
O
3
- SiO
2
-Al
2
O
3
таркиб билан модификацияланган оптик толанинг
люминесценция спектри
21
6-расм. Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
таркиб билан модификацияланган оптик
толанинг люминесценция спектри
Вакуумда камёб ер элементларини модификациялаш натижасида
олинган оптик толалар чиқишида, дастлабки термик ишлов беришсиз ~1540
нм оралиғида эрбий ионларининг фотолюминесценцияси кузатилди (5 ва 6-
расмлар). Бу, камёб ер элементлар билан модификацияланган оптик
муҳитларда
эрбий
ионларнинг
концентрациясини
ошириш
учун
йўналтирилган юқори ҳароратли термик ишлов беришдан фойдаланмаган
ҳолда, Er
3+
эрбий ионларини активлаштириш имконияти мавжудлигини
кўрсатади.
Тадқиқотлар жараёнида, модификацияланган оралиқлари тенг бўлган
эрбий-иттербий
легирланган
намуналар,
эрбий
билан
легирланган
намуналарга нисбатан эрбий ионларининг юқори концентрациясига эгалиги
аниқланган. Бу, иттербий ионлари 850 нм дан 1100 нм гача кенг ютиш
полосасига эгалиги ва иттербий ионларининг нурлантиришсиз силжиши
ҳисобига ўз энергиясини эрбий ионларига самарали узатиши орқали
тушунтирилади. Натижада эрбий ионларининг 980 нм оралиқдаги ютиш
диапазон кенглиги тораяди (6-расм). Намуналарни ўлчаш хона ҳароратида
(
T=
300К) амалга оширилди. Спектрал характеристикалардаги оптик тола
чиқишидаги қувват 100% га меъёрлаштирилган ва нисбий бирликларда
тасвирланган. Модификацияланган намуналарнинг абсолют бирликлардаги
люминесценцияси қуввати 0,3-0,4 мВт га тенг.
Вакуумда термик буғлантирилган қатламларнинг таркиби ЎзР ФА
сининг Геология ва геофизика институтининг рентгенли спектрал таҳлил
қилиш қурилмасида текширилган ва ўрганилган. Натижада тагликнинг
мўътадил ҳароратларида (150-200°С), вакуумли синтез орқали эрбий
кластерланиши сўндирилган ва 2-5 см га тенг актив оралиқда юқори эрбий
концентрациясига (10
20
- 10
21
) см
-3
эга планар нур ўтказгичлар олиш
имконияти аниқланган. Яратилган оптик тузилмалардаги оптик йўқотишлар
22
қиймати 0,15 дБ/см дан пастлиги оптик толаларни вакуумда термик
модификациялаш усулларини истиқболга эга эканлигидан далолат беради.
Эрбийнинг юқори концентрациясига эга, термик эритилмаган оптик
тола намуналари термик эриш босқичидан ўтган намуналарга қараганда
эрбий ионлари люминесценцияси интенсивлигининг юқорилиги билан
фарқланади. Модификацияланган оптик тола намуналарини термик ишлов
босқичидан ўтказилиши натижасида эрбий ионларининг люминесценция
спектри ва кинетикасидаги ўзгаришлар 7-расмда тасвирланган.
7-расм. Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
таркиб билан модификацияланган оптик толанинг
люминесценцияси ўзгариш кинетикаси
Бу ерда, 1 – термик ишлов берилмаган оптик тола намунаси, 2 – 400°C
ҳароратда термик ишлов берилган оптик тола намунаси, 3 – 700°C ҳароратда
термик ишлов берилган оптик тола намунаси.
7-расмдан
кўриниб
турибдики,
камёб
ер
элементлари
билан
модификацияланган оптик тола намуналарининг термик ишлов берилиши
эрбий актив ионларининг кластерланишини келтириб чиқаради. Натижада
модификацияланган оптик толалар намуналарида эрбий ионларининг
люминесценция спектри кенгаяди ва актив камёб ер элементлар ионларининг
энергетик ўтишлари кинетикасида ап-конверсион белгилар пайдо бўлади. Бу
хосса Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
таркиб билан модификцияланган оптик
толалар намуналарида ҳам намоён бўлди. Камёб ер элементлари билан
модификацияланган оптик толаларнинг спектрал характеристикалари оптик
тола киришига ярим ўтказгичли лазер нурланиши берилганда ва бир
вақтнинг ўзида ташқи оптик дамлаш амалга оширилганда ўлчанади.
Экспериментал қурилмада оптик сигнал манбаи сифатида максимал
чиқиш қуввати 5 мВт ва тўлқин узунлиги 1540 нм га тенг бўлган ярим
ўтказгичли лазердан фойдаланилган. Модификацияланган оптик толаларни
дамлаш 980 нм тўлқин узунлигида ишлайдиган, 250 мВт нурланишнинг
23
қувватига эга ярим ўтказгичли лазер ёки 980 нм тўлқин узунлигидаги ИҚ-
фильтр ҳамда 100 Вт қувватли ксенон лампа орқали амалга оширилган.
Тажрибаларда модификацияланган оптик толалар люминесценция ва
кучайтириш хоссалари легирловчи элементларнинг концентрациясига боғлиқ
ҳолда ўзгариши аниқланган (8-расм).
8-расм. Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O легирловчи элементларнинг турли концентрацияси билан
модификацияланган оптик тола спектри
Бу ерда, 1 - 10 mol.% Al
2
O
3
ва 3000 ppm Er
2
O
3
билан легирланган оптик
муҳит, 2 - 1.5 mol.% Al
2
O
3
ва 3000 ppm Er
2
O
3
билан легирланган оптик муҳит.
8-расмдан кўриниб турибдики, 1 - рақамли намуна 2 - рақамли намунага
қараганда юқори люминесценция даражасини намойиш этди. Бу ҳодиса
Al
2
O
3
легирлаш элементининг катта концентрацияси билан амалга
оширилгани орқали тушунтирилади. Тажрибага асосан, буғлантирилган
материаллар таркибида алюминий оксиди концентрациясини ортиши эрбий
оксиди билан модификацияланган оптик толаларда фотолюминесценция
интенсивлигини оширади ва эрбий актив ионларининг кластерланишини
сўндиради. Спектрал характеристикада, оптик тола чиқишидаги қувват 100%
га
меъёрлаштирилган
ва
нисбий
бирликларда
келтирилган.
Модификацияланган намуналарнинг люминесценцияси қуввати 0,3-0,4 мВт
ни ташкил этади.
Ўтказилган
тажрибалар
ва
ўлчашлар
асосида
оптик
толали
кучайтиргичлар квант самарадорлигини эрбий ионлари ва легирловчи
аралашмалар концентрациясига боғлиқлик жадвали олинган (1-жадвал).
Эрбий легирланган толали кучайтиргичларни яратишда, жадвалга асосланган
ҳолда, уларнинг кучайтириш параметрларини оптималлаштириш мумкин.
Жадвалда планар ёруғлик ўтказгичининг кучайтириш самарадорлигини
ўлчаш натижалари нисбий бирликларда келтирилган. Бирлик сифатида
24
алюминий оксиди билан максимал легирлашда ва эрбий оксиди билан
оптимал легирлашдаги максимал олинган кучайтириш қабул қилинган.
1-жадвал
Кучайтиргич сифатида ишлатилган модификацияланган намуналарнинг квантли
самарадорлигини аниқлаш жадвали
Эрбий оксидининг юқори концентрацияларида толали кучайтиргичнинг
нисбий самарадорлиги камайишига қарамасдан, алюминий оксидининг
қўшимча ионлари эрбий ионларининг нурлантириш марказларини оширади
ва планар толали кучайтиргичнинг узунлигини 5-10 см га етказиш имконияти
яралади.
Диссертациянинг бешинчи
«Модификацияланган оптик муҳитлар
асосида қисқа масофали оптик толали кучайтиргичларни яратиш»
бобида қисқа масофали оптик кучайтиргичларни яратиш усуллари баён
этилган, интеграл оптик тизимлар учун планар оптик кучайтиргичларни
яратишнинг экспериментал жараёнлари тавсифланган, шунингдек, спектрал
зичлаштирилган тизимлар учун оптик кучайтиргичлар параметрларини
ҳисоблаш амалга оширилган. Шу муносабат билан қисқа масофали оптик
кучайтиргичларнинг асосий афзаллиги модификацияланган оралиқда камёб
ер элементлар актив ионларининг юқори концентрацияси ҳисобланади.
Бешинчи бобда қисқа масофали оптик кучайтиргичларни тайёрлашнинг
икки усули таклиф этилган. Биринчи таклиф этилган усул қисқа масофали
оптик кучайтиргичларни тайёрлаш усули бўлиб, оптик толаларни очиқ
сиртига бевосита термик буғлантириш ёрдамида локал модификацияланган
оптик толаларни олишдан иборат. Таъкидланганидек, бу модификацияланган
оптик толалар 5 см узунликдаги оралиқда оптик сигнални 8 дБ гача
кучайтиришга
имкон
беради.
Мавжуд
бўлган
оптик
толаларни
модификациялаш орқали яратилган қисқа масофали оптик кучайтиргичлар
қулай ҳисобланади, чунки улар ОТАЛ да қўлланилаётган оптик тола билан
муракккаб мослаштириш схемаларини талаб қилмайди.
Иккинчи усул монокристалли кремнийдан тайёрланган сайқалланган
таглик сиртига модификацияланган кўп компонентли оптик қатламни ҳосил
қилиш йўли билан интеграл оптик тизимлар учун мўлжалланган планар
Кучайтириш самарадорлиги, нисбий бирликларда
25
оптик кучайтиргичларни яратишдан иборат (9-расм). Кўп компонентли (SiO
X
- GeO
2
- Er
2
O
3
) оптик қатламни ўстириш жараёни вакуум шароитида амалга
оширилган. Тажрибаларга кўра эрбий актив ионлари юқори концентрацияли
(10
20
- 10
21
) см
-3
нано тузилмалар оптик сигнални 6 дБ/см қийматгача
самарали кучайтириши аниқланган.
9-расм. Интеграл оптик толали тизимлар учун планар оптик кучайтиргичларни
тайёрлаш схемаси
Бу ерда, 1 - монокристалл кремнийли таглик, 2 - оксидлантирилган
кремний қатлам, 3 - вакуумда шакллантирилган эрбий билан легирланган
планар нур ўтказгич ўзагининг қатлами; 4 - буғлантириладиган элементлар
солинган қайиқчалар, 5 - электрон оқим орқали қиздириладиган диборид
титан (TiB
2
), 6 – тўсиқлар, 7- электрон оқим траекторияси, 8 - термокатод.
Тажрибалар
натижасида
олинган
қисқа
масофали
оптик
кучайтиргичларнинг
спектрал
характеристикалари
ва
кучайтириш
параметрларини ўлчаш 10-расмда келтирилган оптик қурилмаларни уланиш
схемаси асосида амалга оширилди.
10-расм. Оптик кучайтиргичнинг кучайтириш коэффициентини ўлчашга
мўлжалланган оптик қурилмаларни уланиш блок-схемаси
Бу ерда, 1 - сигнал манбаи (ток генератори), 2 - ярим ўтказгичли лазер,
3-оптик аттенюатор, 4-интерференцион фильтр (980 нм), 5-бошқариладиган
26
ток манбаига уланган ксенон лампа, 6 - қисқа масофали оптик кучайтиргич,
7-оптик спектр анализатори (OSA).
Мазкур
блок-схема
асосида
қисқа
масофали
оптик
толали
кучайтиргичларнинг кучайтириш параметрлари 2-жадвалда келтирилган.
2-жадвал
Қисқа масофали оптик кучайтиргичлар параметрларини ўлчаш натижалари
Дамлаш (%)
50%
100%
50%
100%
Кириш
сигналининг
қуввати (дБм)
Чиқишдаги оптик сигналнинг
қуввати (дБм)
Сигналнинг кучайиши (дБ)
-30
-10,1
-7,2
19,9
22,8
-25
-7,1
-4,8
17,9
20,2
-20
-3,8
-1,5
16,2
18,5
-15
-1,6
1,1
13,4
16,1
-10
-0,5
2,2
9,5
12,2
-5
1
2,9
6
7,9
Олинган экспериментал натижалар дамлаш қуввати ўзининг 100% ли
қувватидан 50% қувватни ташкил этганда паст сигналлар учун кучайтириш
қиймати 12,02дБ га тенглигини кўрсатди. Дамлаш қуввати 100% максимал
қийматга эга бўлганида, - 30дБм қувватли кириш сигнали учун кучайтириш
қиймати 15,68дБ га тенг. Бу эрбий легирланган оптик кучайтиргичнинг
кучайтириш хусусиятлари дамлаш қувватига тўғри пропорционал дегани.
Бироқ, кириш сигнали ортгани сари оптик кучайтиргичнинг кучайтириши
тўхтай бошлайди ва кучайтиргич тўйиниш режимига ўтади. Бу хусусият
барча эрбий легирланган оптик кучайтиргичлар учун умумий ҳисобланади.
11-расмда
EDFA
ҳамда
ишлаб
чиқилган
қисқа
масофали
оптик
кучайтиргичларнинг спектрал характеристикалари келтирилган
11-расм. Замонавий EDFA (актив оптик тола узунлиги 2 м) ва қисқа масофали оптик
кучайтиргичнинг (модификацияланган бўлак узунлиги – 6 см) спектрал
характеристикалари
27
Бу ерда, 1 - λ = 1554 нм га тенг тўлқин узунлигидаги кучайтирилган
оптик нурланиш (
P
S,OUT
), 2-эрбий ионларининг ўз-ўзидан автоматик
эмиссияланиши сатҳи (
P
ASE
), 3 - λ = ~1540 нм оралиғида эрбий
люминесценциясининг максимуми.
Қисқа масофали оптик кучайтиргичларда дамлаш ҳисобига, 6 см га тенг
бўлган
эрбий
легирланган
бўлакдаги
актив
эрбий
ионларининг
концентрацияси (10
20
- 10
21
) см
-3
га етади. Замонавий эрбий легирланган
оптик кучайтиргичларда бу қиймат легирланган оптик толанинг бўлаги 4 м
дан юқори бўлганида кузатилади. 2-жадвалга кўра қисқа масофали оптик
кучайтиргичлар 10-15 дБ соҳада оптик сигналларни самарали кучайтириш
имкониятига эга. 11-расмга асосан қисқа масофали оптик кучайтиргичлар
учун
P
ASE
параметр замонавий EDFA кучайтиргичларга қараганда сезиларли
даражада
паст
бўлиши
ишлаб
чиқилган
қисқа
масофали
оптик
кучайтиргичнинг шовқин-фактор параметрини пастлигини таъминлайди.
Ишлаб чиқилган қисқа масофали оптик кучайтиргичларда шовқин-фактор
қиймати 1-2 дБ га тенг. Ўз навбатида шовқин сатҳи паст бўлган оптик толали
кучайтиргичларни оптик толали алоқа тизимларида қўлланилиши оптик
сигналнинг OSNR қийматини юқори бўлишига олиб келади ва ишончли
алоқани таъминлайди. Бундан ташқари, лазер (сигнал манбаи) ёқилганда
кўндаланг
оптик
дамланган
эрбий
ионларининг
люминесценция
характеристикаси силлиқланиши кузатилади, бу эса, ОТАЛ тизимларида
қўланиладиган кучайтиргичнинг спектрал характеристикасининг чизиқли
бўлишини ва оптик толаларнинг маълумот узатиш параметрлари сифати
ошишини таъминлайди.
ХУЛОСА
Тадқиқотларнинг олиб борилиши жараёнида олинган асосий натижалар
қуйидагилардан иборат:
1. Вакуумда термик буғлантириш усули орқали модификацияланган
оптик толаларда ИҚ-диапазонда юқори тиниқлиқ даражаси, юқори ~10
9
Ом
см солиштирма қаршилик ва эрбий оксидларининг (Er
2
O
3
) юқори (10
20
- 10
21
)
см
-3
концентрациясига эга бир жинсли диэлектрик юпқа қатламли оптик
тузилмаларни олиш таъминланади.
2. Эрбий оксидини (Er
2
O
3
) алюминий оксиди (Al
2
O
3
) билан вакуумда
қўшимча легирлаш орқали эрбий ионларининг кластерланиш даражаси
пасайтирилиши, 2-5 см ўлчамли модификацияланган оптик толаларда эрбий
актив ионларининг юқори (10
20
-10
21
) см
-3
концентрация қийматини
таъминлайди, шу билан бирга ап-конверсия ҳодисаси бартараф этилади.
3. Вакуумда назорат қилиш усулини қўллаган ҳолда термик
бўғлантириш ёрдамида оптик толанинг локал бўлагида Er
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
ва
Er
2
O
3
-Yb
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
таркибли оптик планар нур ўтказгичлар тайёрланади.
Локал модификацияланган муҳит 980 нм тўлқин узунлиги ёрдамида оптик
дамланади ва модификацияланган юпқа қатламда ~1540 нм соҳада ОТАЛ да
28
қўлланилиши учун амалий аҳамиятга эга бўлган ИҚ нурланиш ҳосил
қилинади.
4. Оптик толанинг локал бўлакларида ва кремний оксидининг (SIO
2
)
тагликларида вакуумда назорат қилинадиган термик буғлантириш усули
орқали яратилган Er
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
ва Er
2
O
3
-Yb
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
планар оптик
тузилмаларнинг кучайтириш хоссалари тадқиқ қилинади. Ҳосил қилинган
оптик
тузилмаларни
юмшатиш
ва
эритиш
эрбий
ионларининг
кластеризациясини келтириб чиқариши кўрсатилади. Оптик тузилмаларни
термик ишлов бериш орқали юмшатиш натижасида оптик намуналарда
фотолюминесценция спектрини кенгайиши ва нурланиш кинетикасида ап-
конверсион жараёнлар кузатилади.
5. Ксенон лампа ва 980 нм ли интерференцион фильтр ёрдамида оптик
дамланган эрбий (Er), иттербий (Yb) билан биргаликда модификацияланган
намуналарда люминесценция нурлантириш спектрини торайиши аниқланади.
Er ва Yb билан биргаликда модификацияланган оптик толаларда нурланиш
спектрини торайиши иттербий ионлари пастки энергетик сатҳга ўтиш
жараёнида
ўз
энергияларини
эрбий
ионларига
узатиши
орқали
тушунтирилади.
6. Вакуумли буғлантириш усули орқали яратилган оптик тузилмалар
хона ҳароратида (
T=
300K) фотолюминесценциянинг (Ег
+3
) максимал
интенсивлиги намоён бўлади, локал очиқ оптик толанинг таянч сиртидаги
ёки кремний тагликдаги оптик тузилма эриш босқичини четлаб ўтиб
буғлантириш орқали шакллантирилади. Оптик муҳит ҳажмида диффузия ва
конвектив оммавий ўтиш жараёнларининг сўндирилганлиги шиша ҳажмида
эрбий актив ионларининг статик бир текис тақсимланишига имкон беради.
7. Юқори тезликли ОТАЛ лар ва интеграл оптикада оптик
кучайтиргичлар, сенсорлар ва толали датчиклар яратишда ишлатиладиган
модификацияланган оптик муҳитлар асосида оптик толалар ва планар оптик
тузилмалар
тайёрланади.
Буғлантирилган
модификацияланган
оптик
тузилмалар оптик тола ўзаги билан 65% дан 75% гача мослашиш ва «оптик
тола ўзаги – оптик муҳит – оптик тола ўзаги» лазер нурланишининг
ўтишлари самарадорлигини ортиши натижасида, 2-5 см ўлчамли локал
модификацияланган оралиқда 5-10 дБ гача оптик сигнални кучайтиришга
эришилади.
8. Интеграл оптик тизимлар учун кварц оксиди таглигида ўстирилган
планар модификацияланган оптик тузилмалар кўринишидаги қисқа масофали
оптик кучайтиргичлар C-Band (1529-1565 нм) диапазонида DWDM тизим
гуруҳли оптик сигнални кучайишини ва кучайтиргич чиқишидаги гуруҳли
сигналлар кенг полосали силлиқловчи фильтрларсиз линеаризацияланган
кўринишда бўлишини таъминлайди.
9. Камёб ер элементлари ионларининг юқори концентрацияли
модификацияланган оптик муҳитларда яратилган оптик кучайтиргичлар
ОТАЛ нинг DWDM тизимларида паст шовқин - фактор параметри ва юқори
OSNR (Optical signal noise ratio) оптик сигналнинг шовқинга нисбатини
беради.
29
НАУЧНЫЙ СОВЕТ при ТАШКЕНТСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ и НАЦИОНАЛЬНОМ
УНИВЕРСИТЕТЕ УЗБЕКИСТАНА по ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ
СТЕПЕНИ ДОКТОРА НАУК 16.07.2013.Т/FM.29.01
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ИНОГАМОВ АКМАЛ МУРАТОВИЧ
МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ИХ
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
05.04.02 - Системы и устройства радиотехники, радионавигации, радиолокации и
телевидения. Мобильные, волоконно-оптические системы связи
(технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
Ташкент – 2016
30
Тема докторской диссертации зарегистрирована за №30.09.2014/B2014.5.T329 в Высшей
аттестационной комиссии при Кабинете Министров Республики Узбекистан.
Докторская диссертация выполнена в Ташкентском университете информационных
технологий.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размещен на веб-
странице Научного совета по адресу (
www.tuit.uz)
и информационно-образовательном портале
«ZIYONET» по адресу (
www.ziyonet.uz)
.
Научный консультант:
Раджабов Тельман Дадаевич
доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Абдукаюмов Абдурашид Абдулхаирович
доктор технических наук, профессор
Бахромов Саъдулла Абдуллаевич
доктор физико-математических наук, профессор
Рахимов Неъматжон
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация:
«UNICON.UZ» Центр научно-технических и маркетинговых
исследований
Защита диссертации состоится «_25_» _февраля_ 2016 г. в _10
00
_ часов на заседании
Научного совета 16.07.2013.Т/FM.29.01 при Ташкентском университете информационных
технологий и Национальном университете Узбекистана. (Адрес: 100202, Ташкент, ул. Амира
Темура, 108. Тел.: (99871) 238-64-43; факс: (99871) 238-65-52; e-mail:
tuit@tuit.uz).
С докторской диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре
Ташкентского университета информационных технологий (регистрационный номер №_________).
Адрес: 100202, Ташкент, ул. Амира Темура, 108. Тел.: (99871) 238-65-44.
Автореферат диссертации разослан «_25_» _ _января___ 2016 г.
(протокол рассылки №_________ от «____»____________ 2016 г.).
Х.К.Арипов
Председатель научного совета по присуждению
учёной степени доктора наук, д.-ф.м.н., профессор
М.С.Якубов
Ученый секретарь научного совета по присуждению
учёной степени доктора наук, д.т.н., профессор
Т.H.Нишонбоев
Председатель научного семинара при Научном
совете по присуждению учёной степени доктора
наук, д.т.н., профессор
31
Введение (аннотация докторской диссертации)
Актуальность и востребованность темы диссертации.
В мировой
арене, зависимость информационно-коммуникационных технологий от
пропускной способности волоконно-оптических линий связи, стремительное
развитие рынка телекоммуникационных, радиотехнических и мобильных
систем связи выявляет необходимость использования методов модификации
оптических
волокон
редкоземельными
элементами
для
увеличения
пропускной способности базовой оптической сети, которая соединяет узлы
конвергенции систем связи высокоскоростным трафиком. В основных
сегментах сетей связи - городские, магистральные, междугородние и
локальные вычислительные сети, по показателям на 2005 год использование
оптического волокна составило более 68 млн.км и увеличился по отраслям в
целом на 15%. По итогам 2012 года показатель изготовленных и
применяемых оптических волокон составил 225 млн.км, из которого
принадлежит Японии 35-36 млн.км, Китайской народной республике 100
млн.км, США 32 млн.км и странам Европейского союза 26 млн.км.
На практике в телекоммуникационных сетях начали применяться
широкополосные LTE (Long Term Evolution) технологии мобильной связи
четвертого поколения. В мобильных сетях четвертого поколения по
требованиям 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и международной
организации IMT-Advanced, скорость передачи информации для одного
абонента
не
должна
опускаться
ниже
1Гбит/с.
Использование
модифицированных оптических волокон в системах оптической связи
обеспечивает базовые станции мобильных операторов высокоскоростным
трафиком и способствует увеличению числа абонентов.
В этой связи, решение таких вопросов как модификация оптических
волокон редкоземельными элементами, модификация оптических волокон с
применением методов кварцевого резонатора и контролируемого вакуумного
термического осаждения, высокоточный контроль толщины и состава,
осаждаемых многокомпонентных оптических плёнок на локально открытую
сердцевину оптического волокна, одновременное контролируемое вакуумное
осаждение оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия, создание
оптических волокон с подавленной кластеризацией ионов эрбия и получение
высокой
концентрации
активных
ионов
редкоземельного
элемента
(10
20
-10
21
) см
-3
в формированных оптических структурах, исследование
спектральных характеристик модифицированных оптических волокон
легированных многокомпонентным составом Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
и Er
2
O
3
-
Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
, (1<x<2) полученных методом вакуумного термического
осаждения, создание эффективных планарных и волоконно-оптических
усилителей с высоким (10
20
-10
21
) см
-3
содержанием активных ионов
редкоземельного элемента, разработка методов обработки волоконно-
оптических материалов и разработка на их основе оптоэлектронных систем
передачи информации направленных на решение вопросов обеспечения
низкого показателя шум-фактора и высокого параметра OSNR (Optical signal
32
noise
ratio)
в
оптических
усилителях
созданных
на
основе
модифицированных оптических волокон с высокой концентрацией эрбия
является актуальным для телекоммуникационных, радиотехнических и
мобильных систем связи.
Для создания высокой концентрации активных ионов эрбия в
модифицированных оптических волокнах, усовершенствование процессов
эффективной модификации оптических волокон и создание эффективных
коротко-дистанционных волоконно-оптических усилителей, представляет
особый интерес разработка методов многокомпонентного вакуумного
осаждения и модификации оптических волокон путем контролируемого
термического осаждения оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия на
открытую поверхность оптического волокна.
Исследование данной диссертации служит для обеспечения реализации
задач определенных в Постановлении Президента Республики Узбекистан
№ ПП-1730 «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных
информационно-коммуникационных технологий» от 21 марта 2012 года, а
также в постановлении Кабинета Министров № 353 «Об утверждении
концепции развития электронной коммерции в Республике Узбекистан на
период 2016-2018 годы» от 4 декабря 2015 года.
Соответствие исследования приоритетным направлениям развития
науки и технологий республики.
Данная диссертация выполнена в
соответствии со следующими приоритетными направлениями развития науки
и
технологии
в
республике:
ППИ-5-«Разработка
информационных
технологий, телекоммуникационных сетей, аппаратно-программных средств,
методов и систем интеллектуального управления и обучения, направленных
на повышения уровня информатизации общества»; ППИ-4-«Развитие
методов использования возобновляемых источников энергии, создание
технологий и устройств на основе нанотехнологий, фотоники и других
передовых технологий».
Обзор зарубежных научных исследований по теме диссертации.
В ведущих научных центрах мира и высших учебных заведениях, в том числе
в международном союзе электросвязи ITU-T (International Telecommunication
Union),
Fukurawa,
Sumitomo,
Fujikura
(Япония),
Corning
Optical
Communications (США), Alcatel (Франция), ЗАО «Оптиковолоконные
Системы» (Россия), Dutch Fiber (Германия), Draka (Дания), Samsung (Южная
Корея) и Pirelli (Италия) проводятся масштабные исследования по
изготовлению и практическому применению волоконно-оптических систем
передачи информации, ведутся исследования по усовершенствованию
технологических процессов производства оптического волокна и создание
модифицированных оптических волокон с улучшенными параметрами
спектральных
характеристик,
посредством
их
модификации
редкоземельными элементами. Суммарная доля указанных компаний в
мировом объеме производства оптического волокна на сегодняшний день
составляет около 90%.
33
С
применением
методов
модификации
оптических
волокон
редкоземельными элементами, в мире проведен ряд исследований по
улучшению качества параметров передачи информации оптических волокон,
создание нового поколения эффективных оптических усилителей путем
модификации оптических волокон редкоземельными элементами и получены
следующие результаты: изучены способы модификации оптических волокон
на основе редкоземельных элементов ALCATEL-LUCENT (Франция),
NOKIA-SIEMENS, (Финляндия); созданы оптические усилители путем
усовершенствования
процессов
модификации
оптических
сред
с
редкоземельными элементами, ZTE, HUAWEI, (Китайская народная
республика); на основе жидких кристаллов созданы методы контролируемой
передачи оптических сигналов на разные направления, CISCO, FINISAR
(США); предложены способы практического применения оптических
волокон модифицированных редкоземельными элементами в энергетике и
автоматике, ISKRA (Словения); созданы заготовки модифицированных
оптических волокон ОПТЕЛ, Натекс, Zelax (Россия).
На сегодняшний день, по вопросам использования модифицированных
оптических волокон с редкоземельными элементами для увеличения
спектральной эффективности и пропускной способности оптических систем
связи, в том числе передача высокоскоростной информации на большие
расстояния без оптоэлектронного преобразования, создание эффективных
оптических усилителей и их внедрение в телекоммуникационные,
радиотехнические
и
мобильные
системы
связи,
ведутся
научно
исследовательские работы на основе фундаментальных, прикладных и
инновационных проектов.
Степень изученности проблемы.
В работах ученных, как G.P.Agrawal
(University of Rochester), A.Girard (EXFO Electro-Optical Engineering),
A.J.Morrow, A.Sarkar, P.C.Schultz (Research and Development Division Corning
Glass
Works),
S.R.Nagel,
J.B.Macchensey,
K.L.Walker
(AT&T
Bell
Laboratories), H.Murata (The Furukawa Electric Company), A.D.Yablon
(Interfiber Analysis), Н.Н.Слепов (старший научный сотрудник РАН),
А.К.Пржевуский, Н.В.Никоноров (Санкт-Петербургский Государственный
Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики) и другие,
рассмотрены вопросы направленные на разработку и усовершенствование
теоретических и практических задач модификации оптических волокон
редкоземельными элементами применяемых в областях ионно-плазменных,
вакуумных технологий, оптика, системы радиосвязи и теория передачи
информации, включающие в себя методы вакуумного термического
осаждения, методы спектрального исследования оптических параметров
модифицированных волокон, методы контроля состава осаждаемых
многокомпонентных оптических плёнок с применением радиочастотной
методики измерения толщин.
Исследования связанные с вопросами разработки и усовершенствования
волоконно-оптических линий связи ведутся учеными республики, в том
числе:
Т.Д.Раджабов,
С.А.Бахромов,
А.М.Назаров,
А.А.Симонов,
34
А.И.Камардин, с учениками применили фотолюминесцентные свойства
редкоземельных
элементов
в
волоконно-оптические
линии
связи,
Ж.А.Абдуллаев,
Р.И.Исаев,
И.Р.Берганов
провели
научные
исследования
по
увеличению
пропускной
способности
волоконно-
оптических систем передачи информации. Несмотря на большое число
исследований в области разработки волоконно-оптических линий связи, не
полностью решены задачи по модификации существующих оптических
волокон. Насчитывают единицы работы по локальной модификации
оптических
волокон
и
исследования
посвященные
созданию
модифицированных
оптических
волокон
с
экстремально
высоким
(~10
20
-10
21
) см
-3
содержанием активных ионов редкоземельных элементов. В
практике существуют недостатки в известных способах изготовления
модифицированных
оптических
волокон,
такие
как
сложность
технологических
процессов
с
применением
высоких
температур,
использование в производстве вредных и опасных веществ. До сегодняшнего
дня для создания модифицированных оптических волокон не применялись
методы механической прецизионной обработки и методы вакуумного
термического осаждения ионов редкоземельных элементов на открытую
сердцевину оптического волокна с использованием клиновидной геометрии.
Также, не рассматривались методы создания модифицированной заготовки
оптического волокна, с высокой концентрацией редкоземельного элемента в
сердцевине.
Мало изучены вопросы динамического изменения спектральных
характеристик оптических волокон от концентрации редкоземельных
элементов, в процессе их модификации и не проводились исследования
создания модифицированных оптических сред для компактных планарных
оптических усилителей, применяемых в интегральной оптике.
Связь темы диссертации с планами научно-исследовательских
работ высшего учебного заведения.
Связь диссертационного исследования
с
научно-исследовательскими
работами
Ташкентского
университета
информационных технологий отражаются в следующих фундаментальных и
практических проектах: БВ-Ф2-002 «Исследование фундаментальных основ
передачи информации и разработка систем и узлов волоконно-оптических
систем связи с использованием солитонов» (2011-2013 гг.); А5-003
«Разработка
методов
оптимизации
спектральных
характеристик
высокоскоростных широкополосных телекоммуникационных сетей связи»
(2012-2013 гг.).
Цель исследования
разработка методов модификации оптических
волокон
редкоземельными
элементами
посредством
вакуумного
термического осаждения многокомпонентных пленок сложной геометрии,
изготовление локально модифицированных оптических волокон с высокой
концентрацией
редкоземельных
элементов
и
разработка
комплекса
оптических и механических устройств по измерению спектральных
характеристик модифицированных оптических волокон.
35
Для
достижения
цели
сформулированы
следующие
з
адачи
исследования:
усовершенствование методики изготовления образцов оптических
волокон и создание устройства прецизионной механической обработки
образцов в целях их дальнейшей модификации с редкоземельными
элементами в условиях вакуума;
разработка метода контролируемого вакуумного осаждения оксидов
эрбия, иттербия, кремния и алюминия на открытую сердцевину оптического
волокна в целях создания высокой концентрации редкоземельных элементов
в модифицированных оптических волокнах;
создание и усовершенствование вакуумных устройств с возможностью
контроля толщины и состава осаждаемых многокомпонентных тонких
пленок создаваемых путем испарения редкоземельных элементов в условиях
вакуума;
создание планарных оптических световодов с высоким содержанием
концентрации
ионов
редкоземельных
элементов
(10
20
-10
21
см
-3
),
формируемых на локальном фрагменте сердцевины оптического волокна в
целях
установления
основных
предпосылок
разработки
коротко-
дистанционных волоконно-оптических усилителей и модифицированных
заготовок оптических волокон;
изучение состава и концентрации созданных многокомпонентных
оптических структур методами вакуумной модификации основанных на
термическом испарении редкоземельных элементов;
проведение сравнительного анализа спектральных характеристик
модифицированных оптических волокон имеющих разный состав (Er
2
O
3
-
Al
2
O
3
- SiO
x
и Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
) редкоземельных элементов;
создание коротко-дистанционных оптических усилителей на базе
модифицированных оптических сред и исследование их усилительных
свойств.
Объектом исследования
выбраны одномодовые оптические волокна,
многокомпонентные оптические плёнки (представляющие собой планарные
световоды
клиновидной
геометрии),
модифицированные
заготовки
оптических волокон, полученные методом вакуумного термического
осаждения и коротко-дистанционные оптические усилители на основе
модифицированных оптических сред.
Предметом исследования
являются методы модификации оптических
волокон редкоземельными элементами и их спектральные характеристики.
Методы исследования.
В процессе исследований применялись методы
прецизионной механической обработки оболочки оптического волокна,
метод контролируемого вакуумного осаждения многокомпонентной плёнки
клиновидной геометрии на открытый участок оптического волокна, метод
поперечной накачки модифицированного участка оптического волокна, с
излучением
ксеноновой
лампы,
метод
спектральных
исследований
модифицированных оптических волокон, радиочастотный метод контроля
толщины осаждаемого слоя.
36
Научная новизна исследования
заключается в следующем:
разработана методика контролируемого вакуумного осаждения для
модификации оптических волокон редкоземельными элементами путем
применения методов кварцевого резонатора и термического вакуумного
осаждения;
разработана методика одновременного контролируемого вакуумного
осаждения оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия с высоким
контролем толщины и состава, осаждаемых (Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
и Er
2
O
3
-
Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
) многокомпонентных оптических плёнок на локально
открытую сердцевину оптического волокна;
создан и экспериментально апробирован метод вакуумной модификации
оптических волокон, обеспечивающий высокое содержание концентрации
активных ионов редкоземельного элемента (10
20
-10
21
) см
-3
за счет
формирования оптической структуры подавляющей кластеризацию эрбия;
доказано, что изготовленные модифицированные оптические волокна
методом вакуумного термического осаждения, путем одновременного
испарения металлического эрбия и алюминия в атмосфере реактивного газа
(кислорода), при давлении вакуума 0,25-0,35 Па ((2-3)·10
−3
мм рт.ст.)
вызывает интенсивную фотолюминесценцию ионов эрбия (Er
3+
) в диапазоне
~1540 нм, представляющий практический интерес в волоконно-оптических
линиях связи;
создан
способ
изготовления
активированных
заготовок
модифицированных оптических волокон, а также эффективных планарных и
волоконно-оптических усилителей с высоким (10
20
-10
21
)
см
-3
содержанием
активных
ионов
редкоземельного
элемента
применяемых
в
высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи;
в целях активизации ионов редкоземельных элементов, предложена
методика поперечной накачки планарных оптических усилителей на основе
модифицированных оптических сред предназначенных для интегральных
волоконно-оптических систем;
для
изучения
спектральных
характеристик
модифицированных
оптических волокон и усилительных свойств коротко-дистанционных
волоконно-оптических усилителей предложены методы, позволяющие
наблюдать и регистрировать результаты спектрального исследования на
экране компьютера;
разработаны
практические
рекомендации
по
выбору
методики
модификации и создания коротко-дистанционных оптических усилителей на
базе модифицированных оптических волокон обеспечивающий низкий
показатель шум - фактора и высокий коэффициент усиления;
установлено что, созданные оптические усилители на основе
контролируемой вакуумной модификации ионов эрбия имеют низкий
показатель шум - фактора и обеспечивают высокий параметр OSNR (Optical
signal noise ratio).
Практические результаты исследования
заключаются в следующем:
технически реализован способ подготовки оптического волокна легированию
37
редкоземельными элементами, который состоит в шлифовке оптического
волокна на заданную глубину с большим радиусом кривизны (R=180мм).
создан многокомпонентный планарный световод сформированный на
локально открытом фрагменте сердцевины оптического волокна, состоящий
из 5 моль% оксида эрбия, 70-85 моль% оксида кремния, 10-25 моль% оксида
алюминия и 5 моль% оксида иттербия, позволяющий эффективно выкачивать
оптическое излучение из сердцевины одномодового оптического волокна за
счёт большего коэффициента преломления и клиновидной геометрии.
показано, что эффективность согласования сердцевины оптического
волокна и осажденной многокомпонентной оптической структуры может
достигать 65-75%, и обеспечивать усиление оптического сигнала на 5-10 дБ
от модифицированного участка длинной 2-5 см.
установлено, что максимальная интенсивность фотолюминесценции
ионов эрбия (Ег
3+
) при комнатной температуре наблюдается в пленках,
изготовленных
методом
вакуумного
термического
осаждения,
без
предварительного отжига. Наблюдаемый результат объясняется высокой
концентрацией активных ионов эрбия, и получением более однородных по
структуре оптических пленок методом термического осаждения по
сравнению с методами химического осаждения или химического травления;
созданы устройства модификации оптических волокон для изготовления
активных оптических сред позволяющие объединить технологические
процессы как контроль и измерение осаждаемых легирующих элементов в
один экспериментальный комплекс, что дает возможность снизить затраты
материальных ресурсов на 35% и времени на обработку оптического волокна
до 50%.
применение модифицированных оптических волокон на участках
спектрально уплотненных высокоскоростных волоконно-оптических линий
связи, позволило сохранить линейную форму мультиплексированного
сигнала на одном уровне, за счет повышения спектральной эффективности и
пропускной способности оптического кабеля и обеспечило увеличение
расстояния до 100 км без применения промежуточных усилителей.
установлено,
что
коротко-дистанционные
волоконно-оптические
усилители на основе оксида эрбия Er
3+
усиливают оптический сигнал до
15 дБ при длине активной среды 5-10 см, и обладают высокой
чувствительностью - 40 дБ и низким уровнем шум - фактора 1,2 дБ, при
работе в режимах слабого сигнала.
использование
коротко-дистанционных
волоконно-оптических
усилителей в спектрально уплотненных высокоскоростных волоконно-
оптических линий связи увеличивает параметр OSNR (отношение мощности
оптического сигнала к шуму) на 3 дБ (в два раза) и создает возможность
увеличения необслуживаемых усилительных пунктов (15 е.д. оптических
усилителей на 1000 км), позволяя сократить количество дорогостоящего
регенерационного оборудования в 1,5 раза.
Созданные методы и разработанные технические средства для
измерения спектральных характеристик оптических волокон и их вакуумной
38
модификации, позволяют решение актуальных проблем как изготовление
локально
модифицированных
оптических
волокон,
изготовление
активизированных заготовок для протяженных оптических волокон,
изготовление эффективных коротко-дистанционных волоконно-оптических
усилителей применяемых в системах передачи, регистрации и обработки
оптической информации.
Достоверность
полученных
результатов
исследования
.
Достоверность результатов обосновывается измерением спектральных
характеристик модифицированных оптических волокон на спектральном
анализаторе построенного на базе дифракционной решетки с модуляцией
светового потока, с точностью 0,1 нм. Возможность получения (10
21
см
-3
)
высококонцентрированных эрбий легированных оптических структур
вакуумными методами модификации, подтверждаются результатами состава
осажденных
редкоземельных
материалов,
полученных
с
помощью
рентгеноспектрального микрозонда. Правдивость полученных результатов от
практических и научных исследований и их взаимно скоординированность
подтверждаются
результатами
испытаний
параметров
коротко-
дистанционных оптических усилителей в сетях АК «Узбектелеком».
Научная и практическая значимость результатов исследования.
Научная
значимость
результатов
диссертационного
исследования
заключается в увеличении пропускной способности и спектральной
эффективности ВОЛС, путем создания методов модификации оптических
волокон, повышение качества спектральных характеристик оптических
волокон,
создание
методов
и
принципов
термической
вакуумной
модификации оптических волокон, определение методов понижающих
кластеризацию активных ионов эрбия в модифицированных оптических
волокнах, получение высокой концентрации ионов редкоземельного
элемента в эрбий легированных оптических средах, исследование
спектральных характеристик оптических волокон модифицированных
разными составами легирующих элементов, исследования теоретических
основ применения оптических усилителей для систем с волновым
мультиплексированием.
Практическая
ценность
работы
заключается
в
обеспечении
эффективной работы коротко-дистанционных оптических усилителей и
модифицированных оптических волокон путем создания измерительного
комплекса на базе спектрального анализатора с модуляцией светового
потока, создание устройства поперечной накачки и прецизионного
устройства механической обработки оптических волокон, изготовление
локально модифицированных оптических волокон с высокой концентрацией
редкоземельных элементов (10
20
-10
21
) см
-3
, создание модифицированных
заготовок оптических волокон с заданными оптическими характеристиками и
составом легирующих элементов и разработка коротко-дистанционных
оптических усилителей на базе модифицированных оптических сред для
эффективного усиления оптического сигнала в диапазоне (1529 - 1565 нм).
39
Внедрение результатов исследования.
Внедрен способ упрощающий
технологию изготовления активизированных заготовок оптических волокон,
за счет применения безвредных, экологически безопасных процессов
модификации в условиях вакуума от 1·10
-3
до 5·10
-4
Па, путем вакуумного
термического осаждения, чистого оксида эрбия и германия (IAP 04944
Патент
на
изобретение
Республика
Узбекистан).
Полученные
модифицированные оптические волокна и оптические усилители в
результате объединения технологических процессов контроля и измерения
осаждаемых легирующих элементов в один экспериментальный комплекс на
основе вакуумного устройства модификации, внедрены в существующие
сети
АК
«Узбектелеком»
(Справка
Министерства
по
развитию
информационных технологий и коммуникаций Республики Узбекистан
№ 02-8/2317 от 12 июня 2015 года). Достигнуто возможность снижения
затрат материальных ресурсов на 35% и времени на изготовление
модифицированных заготовок оптических волокон до 50%. Результаты в
виде коротко-дистанционных оптических усилителей и модифицированных
оптических
волокон
увеличили
промежуточную
дистанцию
регенерационных пунктов на 30% (15 е.д. оптических усилителей на 1000 км)
и сократили количество регенерационного оборудования 1,5 раза.
Экономическая эффективность составило 72 млн. сум.
Апробация результатов исследования.
Основные теоретические и
практические результаты диссертационной работы апробированы на 12
международных и республиканских научно-практических конференциях:
«Вакуумная наука и техника» (Россия, Сочи, 2010); «IEEE/IFIP International
Conference in Central Asia on Internet» (Uzbekistan, Tashkent, 2008); «Техника
и технологии связи» (Узбекистан, Ташкент, 2008); «International conference in
Central Asia on Internet» (Uzbekistan, Tashkent, 2013); «Вакуумная наука и
техника» (Крым, Гаспра, 2013); «Инфо-коммуникационные технологии в
науке и образовании» (Узбекистан, Ташкент, 2010); «Application of
Information and Communication Technologies» (Uzbekistan, Tashkent, 2010); «IT
Promotion in Asia» (Uzbekistan, Tashkent, 2011); «Проблемы информационных
технологий
и
телекоммуникаций»
(Узбекистан,
Ташкент,
2012);
«Актуальные проблемы развития инфокоммуникаций и информационного
общества» (Узбекистан, Ташкент, 2012); «Приоритетные направления в
области науки и технологии в XXI веке» (Узбекистан, Ташкент, 2014).
Опубликованность результатов исследования.
По теме диссертации
опубликовано 25 научных работ, в том числе 1 патент на изобретение, в 2
международных журналах 2 научные статьи, в 4 республиканских научных
журналах 9 научные статьи и в научно-практических конференциях 12
тезисов.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения,
пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 199 страниц текста,
включает 75 рисунков, 14 таблиц и 12 приложений.
40
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В
введении
обоснована актуальность и востребованность темы
диссертации, сформулированы цель и задачи, выявлены объект и предмет
исследования,
определено
соответствие
исследования
приоритетным
направлениям развития науки и технологий Республики Узбекистан,
изложены научная новизна и практические результаты исследования,
обоснована достоверность полученных результатов, раскрыты теоретическая
и практическая значимость полученных результатов, приведен список
внедрений
в
практику
результатов
исследования,
сведения
по
опубликованным работам и структуре диссертации.
В первой главе
диссертации
«Анализ современного состояния систем
и элементов волоконно-оптических линий связи»
проведен теоретико-
аналитический анализ волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), их
основных компонентов, элементов и узлов. Рассмотрены основные
характеристики оптических волокон используемых в системах ВОЛС.
Приведены примеры использования ВОЛС в широкополосных системах
радиосвязи, в частности, в мобильных системах четвертого поколения LTE
(Long term evolution). Проведен анализ методов модификации оптических
волокон используемых для увеличения спектральной эффективности ВОЛС,
проанализированы
типы модифицированных оптических
волокон с
редкоземельными
элементами,
в
частности
оптических
волокон
модифицированных эрбием и иттербием. Проведена классификация и
определены области применения модифицированных оптических волокон.
В заключении первой главы приведены основные выводы по
проведенному обзору в сфере ВОЛС и сформулированы основные задачи
исследования
как
разработка
новых
принципов
модифицирования
оптических волокон редкоземельными элементами и увеличение их
концентрации до (10
20
-10
21
см
-3
), исследование миниатюрных оптических
структур модифицированных разным составом легирующих примесей,
разработка на базе модифицированных сред эффективных оптических
усилителей, разработка экспериментальных установок для модификации
существующих оптических волокон, усовершенствование технологических
процессов
по
созданию
модифицированных
оптических
волокон,
расширение
возможностей
оптических
волокон
и
изготовление
модифицированных оптических волокон в лабораторных условиях.
Вторая глава диссертации
«Разработка измерительного комплекса
для исследования спектральных характеристик модифицированных
оптических волокон»
посвящена разработке методов и устройств измерения
спектральных характеристик модифицированных оптических волокон
полученных в результате экспериментов. Поставлена задача по созданию
оптических и механических устройств для измерения спектральных
характеристик модифицированных оптических волокон. Во второй главе
практически реализуется методика согласования полупроводниковых лазеров
с торцами оптических волокон, и приводятся их рабочие характеристики.
41
Для исследования спектральных характеристик модифицированных
оптических волокон с редкоземельными элементами, необходимо обеспечить
эффективный ввод лазерного излучения в сердцевину одномодовых
оптических волокон. Для этого использованы бескорпусные лазерные диоды.
Для максимально эффективного ввода излучения лазера на торец
оптического волокна применялась специальная технология, получения
конусов и микролинз, разработанная НИИ Прикладной физики города
Ташкента. В создании измерительного комплекса по изучению спектров
модифицированных оптических волокон использовался спектрограф на
основе дифракционной решётки (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема измерительного комплекса на базе волоконно-
оптического спектрометра с модуляцией светового потока
Здесь, 1 - излучение от ксеноновой лампы, 2 - полусферическое зеркало,
3 - юстировочный винт, 4-интерференционный фильтр (λ
пр.
= 980 нм),
5 - излучение лазера, 6 - металлическая подложка, 7 - юстировочный столик,
8 - крепежные зажимы, 9a - модифицированное оптическое волокно,
9b - оптическое волокно, 10 - модулирующий диск, 11 - вал двигателя (f = 50
оборотов/сек), 12 - оптрон, 13 - входная щель спектрографа, 14 - объектив,
15 - дифракционная решётка, 16 - двигатель дифракционной решетки,
17 - электронный блок двигателя, 18 - микроконтроллер, 19 - блок питание
ксеноновой лампы, 20 - коллиматор, 21 - выходная оптическая щель, 22-
фокусирующая линза, 23 - входной торец оптического жгута, 24 - фотодиод,
25 - усилитель напряжения, 26 - узкополосный фильтр, 27 - усилитель
переменного напряжения, 28 - прецизионный детектор, 29 - микросхема
MAX-232 на базе микроконтроллера PIC-16F873A, 30 - COM порт (RS-232)
компьютера.
42
Особенностью разработанной установки по исследованию спектральных
характеристик модифицированных оптических волокон является то, что
спектрограф совмещён в единый научно-исследовательский комплекс
прецизионным юстировочным устройством, что позволяет проводить
спектральные исследования модифицированного одномодового оптического
волокна, введённым в сердцевину лазерным излучением. Использованные
методики эффективного согласования излучения лазера и одномодового
оптического волокна, а также усовершенствование спектрального прибора,
на
основе
модуляционной
схемы,
обеспечили
возможность
высокочувствительного измерения спектров лазерного излучения и
люминесценции редкоземельных элементов, что позволило полностью
решить поставленные задачи в данной главе.
В третьей главе
диссертации
«Разработка методов и установок
модификации оптических волокон»
приведены разработанные методики
модифицирования оптических волокон редкоземельными элементами и
описаны созданные экспериментальные установки для осуществления
практической реализации процессов модификации.
Известными методами производства заготовок оптических волокон
являются методы внутреннего или внешнего аксиального осаждения
примесями легирующих элементов с использованием высокотемпературных
обработок.
Данные
процессы
основаны
на
высокотемпературном
оксидировании соединений кремния и других легирующих материалов.
Недостатками таких методов модифицирования являются сложность
технологических
процессов,
использование
высокотемпературных
обработок, что ведет разрушению кристаллической структуры оптического
волокна и невозможность контроля концентраций модифицирующих
элементов. Таким образом, учитывая вышеуказанные недостатки, был
разработан и доведен до практической реализации метод контролируемого
вакуумного осаждения многокомпонентных пленок с различными составами
легирующих элементов.
Проблема
изготовления
эффективных
эрбиевых
усилителей
стимулирует разработку материалов с экстремально высоким содержанием
ионов эрбия. Доказано что, оптические структуры на основе оксида эрбия
(Er
2
O
3
), имеют огромное количество концентрации активных ионов Er
3+
,
достигающих до значения ~10
22
см
-3
. Концентрация ионов эрбия в данных
оптических структурах превосходит в несколько раз, концентрацию ионов
эрбия, в модифицированных оптических волокнах полученных известными
способами легирования для систем EDFA (Erbium doped fiber amplifier).
Таким образом, целью данной главы является создание методики и
экспериментальных установок для практического осуществления задачи
создания высококонцентрированных эрбий легированных оптических сред.
На рис.2 приведена функциональная схема разработанного устройства для
осуществления вакуумного контролируемого осаждения, одновременно из
двух лодочек.
43
Рис. 2. Установка для вакуумного регулируемого осаждения
многокомпонентных плёнок
Здесь, 1 - резистивный танталовый нагреватель, 2 - контейнер с
металлическим эрбием (Er), 3 - контейнер с металлическим алюминием (Al) и
с моноокисью кремния (SiO), 4 - разделяющий отсеки экран (АВ), 5 -
металлическая подложка, 6 - оптическое волокно с участком открытой
сердцевины, 7 - направления распространения паров испаряемых из
контейнеров материалов, 8 - кварцевая пьезопластина, 9 - кожух с
диафрагмой, 10 - водяной радиатор, 11 - диск-обтюратор с четырьмя
прорезями, 12 - двигатель со стабилизацией частоты вращения, 13 - общий
вид диска-обтюратора, 14 - калиброванная треугольная прорезь на диске.
В ходе экспериментов были получены модифицированные оптические
структуры в виде многокомпонентных пленок Er
2
O
3
-SiO
x
-Al
2
O
3
или Er
2
O
3
-
Yb
2
O
3
-SiO
x
-Al
2
O
3
на фрагменте оптического волокна. Для реализации задачи
использовалась
технология
совместного
термического
осаждения
металлического эрбия (Er), моноокиси кремния (SiO) и оксида алюминия
(Al
2
O
3
) на шлифованный участок оптического волокна, с напуском в
вакуумную рабочую камеру кислорода, под давлением 2-3·10
-3
Па.
При вакуумном термическом осаждении для контроля толщины
осаждаемых многокомпонентных плёнок был применён радиочастотный
метод, основанный на измерении изменения частоты колебаний кварцевого
кристалла при формировании на нём пленки напыляемого вещества. Также,
при термическом испарении был использован трехтемпературный метод, при
котором независимо задаются температуры подложки из двух испарителей,
содержащих
испаряемые
элементы.
Поскольку
кристаллы
кварца
чувствительны к изменениям температуры, в данной методике используется
система охлаждения для датчиков. Компенсация влияния теплового
излучения со стороны испарителя на уход частоты резонатора в процессе
напыления позволяет измерять толщину осаждённого слоя с точностью 5%.
44
Испарение эрбия и моноокиси кремния проводилось на вакуумной установке
с помощью нагрева разных танталовых лодочек при давлении рабочего газа
(кислорода) 2-3·10
-3
Па и температуре 1300 - 1600
ºС.
Процесс модификации также включает в себя создание и подготовку
образцов оптических волокон с заранее указанными параметрами. Для
подготовки оптических волокон модифицированию с редкоземельными
элементами был разработан метод прецизионной механической обработки
поверхности оптического волокна, с контролем высоты сердцевины.
Устройство прецизионной полировки позволяет с точностью фиксировать
основную моду (HE
11
) в сердцевине одномодового оптического волокна.
Для проведения процесса полировки предварительно делаются
металлические подложки для закрепления оптических волокон. Они
изготавливаются из полосок дюралюминия марки Д1, Д19 или ВАД1,
толщиной 3 мм, шириной 15 мм и длиной 120 мм. Данные полоски
сгибаются до необходимого радиуса скругления
R
=180 мм. С помощью
алмазного диска вырезается канавка с заданной глубиной (0,1 мм), радиус
кривизны которой определяется, радиусом кривизны изогнутой полоски из
дюралюминия.
Как показали расчеты, при шлифовании на идеальной плоскости
объектов с радиусом скругления
R
, при глубине сошлифовывания
d
обнажается участок (хорда) длиной
L
. Соотношения этих величин
определяется формулой,
Rd
L
8
из которой можно оценить геометрию
полосы дюралюминия. Глубина сошлифовывания
d
выражается
.
8
/
2
L
d
формулой. Перед приклеиванием оптического волокна на дюралюминиевую
пластину (подложку) в оптическое волокно вводится излучение He-Ne лазера
и выбранный для обработки участок проверяется под микроскопом.
Функциональная схема разработанного метода прецизионной механической
обработки оболочки оптического волокна представлено на рис. 3.
Рис. 3. Схема прецизионного контроля глубины шлифовки
оптического волокна
Здесь, 1 - He-Ne лазер, 2 - юстируемая фокусирующая линза,
3 - оптическое волокно, 4 - шлифовальный диск, 5 - шлифуемая подложка с
оптическим
волокном,
6-калиброванный
прижимной
груз,
7 - юстировочный столик с фотодиодом, 8 - оптический тестер
Оптический тестер позволяет эффективно контролировать глубину
шлифовки
оптического
волокна.
Мощность
остаточного
излучения
45
показывает степень шлифовки оболочки и сердцевины оптического волокна.
Во время экспериментов остаточное излучение находилось в пределах от
20% до 80% для разных образцов оптического волокна. Это позволяет
экспериментально подобрать оптимальный режим шлифовки, чтобы
обеспечить,
эффективную
модификацию
оптических
волокон
с
редкоземельными элементами.
Второй
разработанный
способ
заключается
в
изготовлении
модифицированной заготовки оптического волокна. В данном способе не
используются разлагающиеся ядовитые соединения, и все процессы
проводятся в вакууме путем термического испарения редкоземельных
элементов. При этом нанесение слоя редкоземельных элементов проводится
путем термического испарения из нагретых лодочек, внутри вращающейся
заготовки. Кроме того, возможность многослойного напыления позволяет
создать модифицированную заготовку оптического волокна с различными
вариациями легирующих элементов. Рис. 4. иллюстрирует предложенный
метод изготовления модифицированной заготовки.
Рис. 4. Метод создания заготовки модифицированных
оптических волокон
Здесь, 1 - опорная трубка из кварцевого стекла закрепленная внутри
вращающейся оснастки, 2 - нагреваемые электрическим током лодочки из
тугоплавкого материала, 3 - эрбий, 4 - диоксид германия, 5 - дисперсный
порошок кварца, 6 - слой осаждаемых материалов, 7 - вращающаяся оснастка
для фиксирования кварцевой опорной трубки, 8 - крепежные элементы,
9 - направление вращения оснастки
Создание
заранее
легированной
заготовки
с
редкоземельными
элементами позволяет получать модифицированные оптические волокна с
необходимой
длинной
и
нужной
концентрацией
ионов
активных
компонентов.
46
В четвёртой главе диссертации
«Экспериментальные исследования
спектральных характеристик модифицированных оптических волокон»
приведены
основные
результаты
экспериментальных
исследований
спектральных характеристик модифицированных оптических волокон.
Исследованы фотолюминесцентные свойства модифицированных образцов
оптических волокон различными составами редкоземельных элементов.
Изучены структуры и составы осажденных элементов на образцах
оптических волокон. Предложены практические рекомендации по созданию
эффективных волоконно-оптических усилителей и модифицированных
заготовок оптических волокон применяемых в ВОЛС.
Исследования показали, что наибольшую интенсивность излучения
активных ионов эрбия продемонстрировали образцы модифицированные
методами
вакуумного
термического
осаждения.
Кроме
того,
принципиальным является выбор легирующих добавок формирующих
пленку и подбор концентрации ионов эрбия для модификации оптических
волокон. Известно, что дополнительное легирование кварцевого стекла с
Al
2
O
3
или Р
2
О
5
на порядок увеличивает концентрационный предел
вхождения оксидов редкоземельных элементов и подавляет кластеризацию
ионов эрбия. В данной работе выбрано совместное легирование оксида эрбия
Er
2
O
3
, совместно с оксидом кремния SiO
2
и алюминия Al
2
O
3
.
Исследования
спектральных
характеристик
модифицированных
оптических образцов выявили интенсивную фотолюминесценцию ионов
эрбия Er
3+
в ИК-диапазоне ~1540 нм (рис. 5, 6). Полученные спектры
соответствуют переходу активных ионов эрбия Er
3+
с первого возбужденного
состояния
4
I
13/2
на основное состояние
4
I
15/2
.
Рис. 5. Спектр люминесценции модифицированного оптического
волокна составом Er
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
47
Рис. 6. Спектр люминесценции модифицированного оптического волокна
составом Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
На
выходе
образцов
модифицированных
оптических
волокон
наблюдалась интенсивная фотолюминесценция, в диапазоне ~1540 нм,
активных ионов эрбия без проведения предварительного отжига образцов.
Это
указывает
на
возможность
активации
Er
3+
ионов
эрбия
в
модифицированных стеклах без использования высокотемпературных
операций
направленных
для
повышения
концентрации
ионов
редкоземельных элементов.
Исследования показали, что эрбий-иттербий легированные образцы
имеют высокую концентрацию ионов эрбия, чем эрбий легированные
образцы оптических волокон, при одинаковой длине модифицированного
активного участка. Это объясняется тем что, ионы иттербия имеют широкую
линию поглощения от 850 нм до 1100 нм и за счет безызлучательного
переноса возбуждения эффективно передают свою энергию ионам эрбия. В
результате линия поглощения ионов эрбия в районе 980 нм становится уже
(рис. 6). Измерения образцов проводились при комнатной температуре
(
T=
300К). На спектральных характеристиках мощность излучения на выходе
оптического волокна нормирована к 100% и показана в относительных
единицах.
В
абсолютных
единицах
мощность
люминесценции
модифицированных образцов составляет 0,3-0,4 мВт.
Состав слоев созданных в вакууме термическим напылением проверены
и изучены рентгеноспектральным микроанализом в Институте геологи и
геофизики АН РУз. Установлено, что вакуумный синтез при умеренных
температурах подложки (150-200°С) позволяет получать планарные
световоды с подавленной кластеризацией и высокую концентрацию ионов
эрбия (10
20
-10
21
см
-3
) на малых модифицированных участках размером 2-5 см.
Оптические потери на созданных оптических структурах составили менее
0,15 дБ/см. Это доказывает перспективность методов вакуумной термической
модификации.
48
Также показано, что люминесцентные свойства активатора в таких
неплавленых стеклах с высоким содержанием эрбия выгодно отличаются от
свойств активатора в тех же стеклах, но прошедших стадию проплавления.
На рис. 7 представлена кинетика изменения люминесценции ионов эрбия в
результате нагрева оптического образца.
Рис. 7. Кинетика изменения спектра люминесценции оптического волокна
модифицированного составом Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
Здесь, 1 – Образец оптического волокна не прошедший стадию отжига,
2-образец оптического волокна после отжига (температура 400°C), 3-образец
оптического волокна после отжига (температура 700°C).
На рис. 7 видно, что термическая обработка модифицированных
образцов с редкоземельными элементами вызывает кластеризацию активных
ионов эрбия. В результате уширяется спектр люминесценции оптических
образцов, и появляются признаки ап-конверсионных процессов в кинетике
энергетических переходов активных ионов эрбия. Данное свойство также
продемонстрировали образцы, модифицированные Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
-
Al
2
O
3
составом.
Спектральные
характеристики
модифицированных
оптических волокон измеряются посредством введения лазерного излучения
на вход оптического волокна и при включенной внешней накачке.
В экспериментальной установке в качестве источника сигнала
использовался полупроводниковый лазер с максимальной выходной
мощностью 5 мВт на длине волны 1540 нм. Для модифицированных
планарных структур накачка осуществлялась полупроводниковым лазером
выходной мощностью до 250 мВт или ксеноновой лампой через ИК-фильтр
на длине волны 980 нм.
49
В экспериментах модифицированные оптические волокна были
исследованы на люминесцентные и усилительные свойства от введенной
концентрации легирующих элементов (рис.8).
Рис. 8. Спектр люминесценции оптического волокна модифицированного разными
концентрациями Er
2
O
3
-SiO
x
-Al
2
O
3
легирующих элементов
Здесь, 1-оптическая среда, легированная 10 mol.% Al
2
O
3
и 3000 ppm
Er
2
O
3
, 2-оптическая среда, легированная 1,5 mol.% Al
2
O
3
и 3000 ppm Er
2
O
3.
Как видно из рис. 8, образец под номером 1 продемонстрировал высокий
уровень люминесценции относительно образца под номером 2. Данное
явление объясняется большей концентрации легирующего элемента - Al
2
O
3
.
Исходя из экспериментальных результатов, увеличение концентрации оксида
алюминия в составе осажденных материалов подавляет кластеризацию
активных
ионов
эрбия,
позволяя
повысить
интенсивность
фотолюминесценции. На спектральной характеристике, мощность на выходе
оптического волокна нормирована к 100% и показана в относительных
единицах.
Мощность
люминесценции
модифицированных
образцов
составляет порядка 0,3-0,4 мВт.
На основании проведенных экспериментов и измерений построена
зависимость
квантовой
эффективности
волоконного
усилителя
от
концентрации ионов эрбия и легирующих примесей (таблица 1). При
создании эрбий легированных усилителей данная таблица может быть
использована для оптимизации усилительных параметров оптических
усилителей.
В таблице приведены результаты измерения эффективности усиления
планарного световода, в относительных единицах. За единицу принято
максимально полученное усиление при максимальном легировании оксидом
алюминия и при оптимальном легировании оксидом эрбия.
50
Таблица 1
Результаты измерения квантовой эффективности модифицированных образцов
использованных в качестве усилителя
Несмотря на то что, при больших концентрациях оксида эрбия
относительная эффективность усиления уменьшается, но за счёт большого
количества излучающих центров можно уменьшить длину планарного
волоконного усилителя и довести её до 5-10 см.
В пятой главе диссертации
«Разработка коротко-дистанционных
волоконно-оптических усилителей на
основе модифицированных
оптических сред»
изложены методы создания коротко-дистанционных
оптических усилителей, описаны экспериментальные процессы создания
планарных оптических усилителей для интегральных оптических систем,
также осуществлен расчет параметров оптических усилителей для
спектрально мультиплексированных систем. Основным преимуществом
коротко-дистанционных
оптических
усилителей
является
высокая
концентрация
активных
ионов
редкоземельного
элемента
в
модифицированном участке.
В пятой главе предложены два способа изготовления коротко-
дистанционных оптических усилителей. Первый
предложенный
способ
изготовления коротко-дистанционных оптических усилителей заключается в
использовании локально модифицированных оптических волокон методом
термического осаждения. Как уже отмечалось, данные модифицированные
оптические волокна позволяют усиливать оптический сигнал до 8 дБ на
локальном участке длиной 5 см. Оптические усилители на основе локально
модифицированных оптических волокон не требуют сложных схем
согласования с оптическим волокном DWDM системы, поскольку данные
усилители выполнены на таких же оптических волокнах.
Второй способ заключается в создании планарных оптических
усилителей предназначенных для интегральных оптических систем путем
нанесения модифицированного многокомпонентного оптического слоя на
поверхность полированной подложки из
монокристаллического кремния
(рис. 9). Процесс наращивания многокомпонентного оптического слоя (SiO
X
-
GeO
2
- Er
2
O
3
) пленки проходит в условиях вакуума.
51
Как показали экспериментальные результаты данные наноструктуры с
высоким содержанием концентрации активных ионов эрбия (10
20
– 10
21
см
-3
)
способны эффективно усиливать оптический сигнал до 6 дБ/см.
Рис. 9. Схема изготовления планарных оптических усилителей для интегральных
волоконно-оптических систем
Здесь,
1-подложка
из
монокристаллического
кремния,
2-слой
оксидированного кремния, 3 - формируемый в вакууме слой сердцевины
планарного световода легированный эрбием, 4 - Танталовые лодочки с
испаряемыми навесками материала, 5 - высокотемпературная лодочка из
диборида титана (TiB
2
), 6-заслонки, 7 - траектория электронного потока,
8-термокатод.
Для измерения спектральных характеристик и параметров усиления
коротко-дистанционных оптических усилителей использовалась схема
соединения оптических устройств, представленная на рис. 10.
Рис. 10. Схема соединений оптических устройств для измерения коэффициента
усиления оптического усилителя
Здесь, 1 - источник сигнала (генератор тока), 2- лазер, 3 - оптический
аттенюатор, 4 - интерференционный фильтр на 980 нм, 5 - ксеноновая лампа
подключенная к цепи питания с регулируемым управлением, 6 - коротко-
дистанционный оптический усилитель, 7 - анализатор спектра (OSA).
52
На таблице 2 приведены усилительные характеристики коротко-
дистанционных волоконно-оптических усилителей.
Таблица 2
Результаты измерения усилительных свойств коротко-дистанционных волоконно-
оптических усилителей
Накачка (%)
50%
100%
50%
100%
Входная
мощность
оптического
сигнала (дБм)
Выходная мощность оптического
сигнала (дБм)
Усиление сигнала (дБ)
-30
-10,1
-7,2
19,9
22,8
-25
-7,1
-4,8
17,9
20,2
-20
-3,8
-1,5
16,2
18,5
-15
-1,6
1,1
13,4
16,1
-10
-0,5
2,2
9,5
12,2
-5
1
2,9
6
7,9
Исходя из полученных экспериментальных результатов, когда мощность
накачки составляет половину – 50% от своей 100% мощности, для слабых
сигналов -30дБм, усиление равно 12,02 дБ. Когда сигнал накачки составляет
максимальное значение – 100%, для входного сигнала уровнем - 30дБм,
усиление равно 15,68дБ. Это объясняется тем, что усилительные свойства
эрбиевого оптического усилителя прямо пропорциональны мощности
накачки. Но, когда входной сигнал нарастает, усиление оптического
усилителя начинает останавливаться, и усилитель начинает переходить в
режим насыщения. Данный эффект является общим для всех эрбий
легированных оптических усилителей. На рис. 11 показаны сравнительные
спектральные характеристики современных EDFA и коротко-дистанционных
оптических усилителей.
Рис. 11. Спектральные характеристики современных EDFA (длина
модифицированного волокна - 2 м) и коротко-дистанционных (длина
модифицированного волокна - 6 см) оптических усилителей
53
Здесь, 1 – Усиленное оптическое излучение на длине волны λ = 1550 нм
(
P
S,OUT
), 2 - Уровень автоматической спонтанной эмиссии ионов эрбия (
P
ASE
),
3 - Пик люминесценции эрбия на длине волны λ = ~1540 нм.
В коротко-дистанционных оптический усилителях длиной активного
участка 6 см, количество активных ионов эрбия, за счет накачки может
достигать 10
21
-10
20
см
-3
. Для EDFA усилителей данное количество
концентрации
активных
ионов
эрбия
достигается
при
длине
модифицированного волокна более 4 м. По экспериментальным данным
приведенных в 2-таблице коротко-дистанционные оптические усилители на
базе модифицированных оптических сред эффективно усиливают оптический
сигнал в районе 10-15 дБ. Как видно из рис. 11, параметр
P
ASE
для коротко
дистанционных оптических усилителей ниже по сравнению современными
EDFA усилителями, что дает возможность понижения параметра шум-
фактор. В данном случае значение шум - фактора для коротко-
дистанционного оптического усилителя равен 1-2 дБ. Известно то что, чем
меньше значения шум - фактора тем улучшается OSNR оптической системы
и обеспечивается надежность оптической связи. Кроме того, пик
люминесценции эрбия коротко-дистанционного усилителя при включенном
лазере (источника сигнала) и поперечной накачке сглаживается, что ведет
сглаживанию спектральной характеристики усилителя и увеличивает
пропускную способность ВОЛС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты, полученные в ходе исследований сводятся к
следующим:
1. Установлено что, методом термического напыления в вакууме
обеспечивается
возможность
получения
оптически
однородных
диэлектрических плёночных структур с большой концентрацией оксида
эрбия Er
2
O
3
(10
20
-10
21
) см
-3
, с высокой степенью прозрачности (~80%) в ИК-
диапазоне и высоким удельным сопротивлением ~10
9
Ом см.
2. Экспериментально доказано что, дополнительное легирование оксида
эрбия (Er
2
O
3
) с оксидом алюминия (Al
2
O
3
), способствует подавлению
кластеризации ионов эрбия, что ведет к уменьшению эффекта ап-конверсии,
тем самым позволяя достигать экстремально высокой концентрации
активных ионов эрбия (10
20
-10
21
) см
-3
в малых размерах модифицированного
участка 2-5 см.
3. Изготовлены методом вакуумного контролируемого термического
осаждения планарные оптические световоды составом (Er
2
O
3
- SiO
2
-Al
2
O
3
и
Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
) на локальном фрагменте оптического волокна.
Установлено, что накачка локально модифицированной среды с длиной
волны 980 нм возбуждает ИК-излучение в области ~1540нм, представляющее
практический интерес в сфере ВОЛС.
4. Исследованы усилительные свойства планарных оптических структур
Er
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
и Er
2
O
3
-Yb
2
O
3
-SiO
2
-Al
2
O
3
созданных методом вакуумного
54
контролируемого термического осаждения на фрагменте оптического
волокна и на подложках кремния (SIO
2
). Показано, что в оптических
структурах, полученных вакуумными методами осаждения, отжиг и
плавление вызывает кластеризацию ионов эрбия, в результате чего в
спектральных характеристиках уширяется спектр люминесценции и
появляются признаки ап-конверсионных процессов.
5. Посредством поперечной накачки ксеноновой лампой (980 нм)
установлено, что дополнительное легирование эрбия (Er) иттербием (Yb)
способствуют сужению ширины излучаемого спектра люминесценции.
Данное явление объясняется тем что, ионы иттербия передают свою энергию
ионам эрбия, в процессе перехода на энергетический уровень ниже.
6. Доказано, что оптические структуры созданные методами вакуумного
осаждения
демонстрируют
максимальную
интенсивность
фотолюминесценции
(Ег
+3
)
при
комнатной
температуре
(
T=
300K).
Наблюдаемый результат объясняется тем, что оптическая структура на
опорной поверхности, локально открытого оптического волокна или
кремниевой подложки, формируется из осаждаемой фазы, минуя стадию
плавления. В данных условиях подавленность процессов диффузии и
конвективного массопереноса в объёме оптической среды позволяет
статистически равномерно распределить активные ионы эрбия в стекле
7. Созданы модифицированные оптические волокна и планарные
оптические структуры для изготовления сенсоров, волоконных датчиков и
волоконно-оптических усилителей использующихся в высокоскоростных
ВОЛС.
Выявлено,
что
осажденные
модифицированные
оптические
структуры имеют эффективность согласования с сердцевиной оптического
волокна 65% до 75%. В результате данного свойства возрастает
эффективность переходов излучения лазера «сердцевина - оптическая среда -
сердцевина» обеспечивая эффективное усиление сигнала на 5-10 дБ с
локально модифицированного участка размером 2-5 см.
8. Созданы коротко-дистанционные оптические
усилители для
интегральных оптических систем в виде планарно модифицированных
оптических структур наращенных на подложке кварца. Доказано что, данные
усилители имеют возможность усиления группового оптического сигнала
DWDM системы в диапазоне C-Band (1529 - 1565 нм). Групповой сигнал на
выходе такого усилителя имеет сглаженный и линеаризованный характер без
применения широкополосных сглаживающих фильтров.
9. Экспериментально доказано, что созданные оптические усилители на
базе модифицированных оптических сред с экстремально высокой
концентрацией активных ионов редкоземельного элемента имеют низкий
параметр шум - фактора, что способствует увеличению показателя OSNR
(Optical signal noise ratio) в системах DWDM.
55
SCIENTIFIC COUNCIL 16.07.2013.Т/FM.29.01 at TASHKENT
UNIVERSITY of INFORMATION TECHNOLOGIES and NATIONAL
UNIVERSITY of UZBEKISTAN on AWARD of SCIENTIFIC DEGREE
of DOCTOR of SCIENCES
TASHKENT UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGIES
AKMAL INOGAMOV
MODIFICATION METHODS OF OPTICAL FIBERS
WITH RARE EARTH ELEMENTS AND THEIR
SPECTRAL CHARACTERISTICS
05.04.02 – Radio engineering, radionavigation, radiolocation and television systems and
devices. Mobile, fibrous-optical communication systems
(technical sciences)
ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION
Tashkent – 2016
56
The subject of doctoral dissertation is registered on N30.09.2014/B2014.5.T329 at Supreme
Attestation Commission of the Cabinet of Ministers of the Republic of Uzbekistan.
Doctoral dissertation is carried out at the Tashkent University of Information Technologies.
Abstract of dissertation in three languages (Uzbek, Russian and English) is placed on the web-page
Scientific council (www.tuit.uz) and Educational information site «ZIYONET» (www.ziyonet.uz).
Scientific consultant:
Radjabov Telman Dadayevich
doctor of physical-mathematical sciences, professor
Official opponents:
Abdukayumov Abdurashid Abdulhairovich
doctor of technical sciences, professor
Bahromov Sadulla Abdullayevich
doctor of physical-mathematical sciences, professor
Rahimov Nematjon
doctor of technical sciences, professor
Leading organization:
«UNICON.UZ» Scientific-engineering and marketing researches
center
The defense of dissertation will take place on «_25_» _February_ 2016 at _10
00
_
o’clock at the
meeting of scientific council 16.07.2013.Т/FM.29.01 at the Tashkent University of Information
Technologies and National University of Uzbekistan. (Address: 100202, Tashkent, Amir Temur str. 108.
Ph.: (99871) 238-64-43; fax: (99871) 238-65-52; e-mail: tuit@tuit.uz).
The doctoral dissertation is available in Information-resource center of the Tashkent University of
Information Technologies (registration number №_________). (Address: 100202, Tashkent, Amir Temur
str., 108. Ph.: (99871) 238-64-43).
The abstract of dissertation is sent out on «_25_» __January_ 2016.
(mailing report № _________ on «____» __________ 2016).
H.K.Aripov
Chairman of scientific council on award of scientific
degree, doctor of physics-mathematics sciences, professor
M.S.Yakubov
Scientific secretary of scientific council on award of
scientific degree, doctor of technical sciences, professor
T.N.Nishonboyev
Chairman of scientific seminar under scientific
council on award of scientific degree,
doctor of technical sciences, professor
57
Introduction (Annotation of doctoral dissertation)
Topicality and demand of the theme of dissertation.
In the global arena,
the relation of information and communication technologies directly from
throughput capacity of fiber-optical communication networks and a rapid
development of market of telecommunications, radio and mobile communication
system detects the necessity of implementing modification methods of optical
fibers with rare earth elements in order to increase the bandwidth of backbone of
optical network which connects convergence nodes of communication systems
with high-speed traffic. In the main segments of the communication networks -
urban, trunk, international and local area networks, according to the statistics of
2005, the use of the optical fiber was more than 68 million km and increased by
industry in general by 15%. At the end of 2012 the index of manufactured and
applied optical fibers was 225 million km, 35-36 million km of which belongs to
Japan, China People’s Republic 100 million km, the United States 32 million km
and the countries of the European Union 26 million km.
Broadband LTE (Long Term Evolution) mobile technology of fourth
generation began to be applied all over the world. According to the 3GPP (3rd
Generation Partnership Project) and the International Organization IMT-Advanced
requirements in fourth generation mobile networks the information transmission
rate to a single subscriber should not fall below 1Gbps. The application of
modified optical fibers in optical communication systems provides base stations of
mobile operators with high data rate traffic and contributes to the growth of the
number of subscribers.
In this regard, the solution of issues such as modification of the optical fiber
with rare earth elements, modification of optical fiber with the application the
methods of the quartz resonator and controlled thermal vacuum deposition, high-
precision control of the thickness and composition of the deposited
multicomponent optical film to locally open core optical fiber, simultaneously
controlled vacuum deposition of oxides of erbium, ytterbium, silicon and
aluminum, the creation of samples with suppressed the clustering of erbium ions
and obtainment of high concentrations of the active ions of rare earth element
(10
20
-10
21
) cm
-3
in formed optical structures, the study of spectral characteristics of
modified optical fibers doped with a multicomponent layers Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiOx
and Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiOx, (1<x<2) obtained by thermal vacuum
deposition, the creation efficient planar and fiber optical amplifiers with high
(10
20
-10
21
) cm
-3
content of the active ions of rare earth elements, the development
of methods of processing fiber-optic materials and development on their basis of
optoelectronic data transmission systems in order to solve the problems of low
noise figure and high-factor parameter of OSNR (Optical signal noise ratio) in
optical amplifiers created based on modified optical fibers with a high
concentration of erbium are topical for telecommunications, radio and mobile
communication systems.
In order to create high range erbium ions concentrations in modified optical
fibers, enhance the processes of effective modification of optical fibers with rare
58
earth elements and create effective short-distance fiber optical amplifiers there is a
representing special interest for the development methods for multicomponent
vapor deposition, and modification of optical fibers by the controlled thermal
deposition erbium oxide, ytterbium, silicon and aluminum on the optical fiber
opened surface.
The subject of current dissertation is serving to provide the practical
implementation tasks identified in the Decree of the President of the Republic of
Uzbekistan «On measures to further the implementation and development of
modern information and communication technologies» on March 21, 2012,
№ PR-1730 and in the resolution of the Cabinet of Ministers «On approval of the
concept of e-commerce in the Republic of Uzbekistan for the period 2016-2018
years» on December 4, 2015, № 353.
Research conformity to the directions of sciences development and
technologies of the republic.
The dissertation is carried out according to priority
directions of state scientific and technical programs of applied research as:
ARP-5-«The development of information technologies, telecommunications
networks, hardware and software tools, methods and systems of intelligent
management
and
training
aimed
at
improving
information
society».
ARP-4-«Development of methods for using renewable energy sources, the
development of technologies and devices based on nanotechnologies, photonics
and other advanced technologies».
Review of international scientific researches on theme of dissertation.
In world scientific centers and higher educational institutions, including companies
and organizations as ITU-T (International Telecommunication Union), Furukawa,
Sumitomo, Fujikura (Japan), Corning Optical Communications (USA), Alcatel
(France), JSC «Fiber optic systems» (Russia), Dutch Fiber (Germany), Draka
(Denmark), Samsung (South Korea) and Pirelli (Italy ) the researches are carried
out on manufacture and application of fiber-optic data transmission systems,
improvement of the optical fiber manufacturing processes and creation of modified
fibers with enhanced parameters of spectral characteristics by implementing the
processes their modification with rare earth elements. The total market share of
these companies in developing optical fibers in the world is about 90%.
By application optical fibers modification methods with rare earth elements,
all over the world, the direction of improvement the quality of information
transmission parameters and creation new generation efficient optical amplifiers,
by the optical fibers modification with rare earth elements were as follows:
methods of modifying of optical fibers with rare earth elements have been
examined by ALCATEL-LUCENT (France), NOKIA-SIEMENS, (Finland);
optical amplifiers by modifying optical mediums with rare earth elements have
been developed by ZTE, HUAWEI, (China People’s Republic); on the basis of
liquid crystals the devices of controlled optical signals of selective switching in
different directions have been created by CISCO, FINISAR (USA); the methods of
practical application of optical fibers modified with rare earth elements in energy
and automation have been developed by ISKRA (Slovenia); modified optical fiber
preforms have been created by OPTEL, Nateks, Zelax (Russia).
59
Scientific research works on issues of using of modified optical fibers with
rare earth elements for increasing the spectral efficiency and capacity of optical
communication systems, transmission of high-speed data over long distances
without the optoelectronic transformation, the creation of efficient optical
amplifiers and their implementation in telecommunications, radio and mobile
communication systems are carried out.
Degree of study of problem.
Researches of scientists as G.P.Agrawal
(University of Rochester), A.Girard (EXFO Electro-Optical Engineering),
A.J.Morrow, A.Sarkar, P.C.Schultz (Research and Development Division Corning
Glass
Works),
S.R.Nagel,
J.B.Macchensey,
K.L.Walker
(AT&T
Bell
Laboratories), H.Murata (The Furukawa Electric Company), A.D.Yablon
(Interfiber Analysis), N.N.Slepov (Senior researcher, Russian Academy of
sciences), A.K.Przhevusky, N.V.Nikonorov (St. Petersburg State University of
Information Technologies Mechanics and Optics) and others aimed to development
and research the theoretical and practical problems of modifying the optical fibers
with rare earth elements used in the fields of ion-plasma, vacuum technologies,
optics, radio systems and communication theory, including thermal vacuum
deposition methods, methods of spectral investigation of the optical parameters of
the modified fibers, methods of controlling the composition of the deposited
multicomponent optical films using a radio frequency method of measuring
thicknesses have been considered.
Researches related to questions of the development and improving fiber-
optics communication lines are held by scientists of republic, including:
T.D.Radjabov, S.A.Bahromov, A.M.Nazarov, A.A.Simonov, A.I.Kamardin with
their disciples have dealt with issues of application the photoluminescence
properties of rare earth elements to the fiber optic lines and J.A.Abdullayev,
R.I.Isayev, I.R.Berganov have held their researches on increasing the throughput
capacity of optical communication systems. Despite the large number of
investigations in the field of fiber-optic communication networks, the modification
issues of existing optical fibers are not completely solved. There are no any
researches on local modification optical fibers and investigations based on creation
locally modified optical fibers which have an extremely high concentration of
active rare earth ions (~ 10
20
-10
21
) cm
-3
. There are several disadvantages in the
known methods of manufacturing of modified optical fibers as the complexity of
technological processes with involving high temperatures and the usage of harmful
and hazardous substances in modification processes. Until today, methods of
precision mechanical processing and rare earth elements ions vacuum deposition
on the surface opened optical fiber core with using a wedge-shaped geometry have
not been applied for fabrication modified optical fibers. Also, methods of creating
modified optical fiber preforms with a high concentration of rare earth elements in
an optical fiber core have not been taken into account.
There are also no researches related to the issues of changes in spectral
characteristics of optical fibers in modification processes from concentration of
rare earth elements and the creation and study of modified optical mediums for
compact optical amplifiers used in the integrated optics.
60
Research conformity to the plans of scientific-research works of
higher educational institution.
Conformity to the theme of dissertation with
the plans of scientific-research works of higher educational institutions is reflected
in the following fundamental and practical projects: BV-F2-002, «Investigation of
the fundamentals of communication transmission and development of systems and
components of fiber-optic communication systems with the use of solitons
technologies» (2011-2013); А5-003 «Development of methods for optimizing
spectral characteristics of high-speed broadband telecommunications networks»
(2012-2014).
Purpose of research
is the development of methods of optical fibers with
rare earth elements modification by means of thermal vacuum deposition
multicomponent films of complex geometry, the fabrication locally modified
optical fibers with high concentration of rare earth elements, as well as parameters
measurement of modified optical fibers by creation of the complex of optical and
mechanical devices.
To achieve this goal the following
tasks of research
are formulated:
enhancement of the method of manufacturing of optical fibers and creation
precision mechanical processing device for the optical fibers modification purposes
with rare earth elements in vacuum chamber;
development of controlled vacuum deposition method for evaporation oxides
of erbium, ytterbium, silicon and aluminum to opened core of an optical fiber in
order to create high concentration of rare earth elements in modified optical fibers;
creation and enhancement vacuum devices with ability to control a thickness
and composition of deposited elements are created by rare earth elements
evaporation in a vacuum atmosphere;
manufacturing planar optical waveguides with high concentrations of rare
earth elements ions (10
20
-10
21
) cm
-3
are formed on the fragment of local optical
fiber core in order to establishment the basic preconditions of development of
short-distance optical fiber amplifiers and performs of modified optical fibers;
studying a composition and a concentration of multicomponent optical
structures have obtained by implementing vacuum modification methods based on
thermal evaporation rare earth elements;
carrying out the comparative analysis of spectral characteristics of modified
optical fibers with different compositions (Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
and Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
) of rare earth elements;
developing short-distance optical amplifiers based on the modified optical
mediums and investigation their amplification properties.
Object of research
is a single mode optical fibers, multicomponent optical
thin films (are representing planar waveguides with wedge geometry), modified
optical fiber preforms obtained by vacuum deposition methods and short-distance
optical fiber amplifiers based on modified optical mediums.
Subject of research
is a rare earth modification methods and their spectral
characteristics.
Methods of research.
In the research the following methods are used the
method of precision mechanical processing of optical fiber cladding, the method of
61
controlled vacuum deposition of multicomponent films with wedge geometry on
the opened core of optical fiber; the method of transverse pumping modified
section of an optical fiber by means of the radiation of a xenon lamp, the method of
spectral measurements of parameters of modified optical fibers, the radio
frequency method to control the thickness of the evaporated layers.
Scientific novelty of research
consists in the followings:
the method of controlled vacuum deposition in modification purposes of
optical fibers with rare earth elements by the implementation of quartz resonator
and thermal vacuum deposition methods has been developed;
the method of simultaneously controlled vacuum deposition of erbium,
ytterbium, silicon and aluminum oxides on locally opened optical fiber core
surface with high thickness measurement accuracy of deposited multicomponent
(Er
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
and Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- Al
2
O
3
- SiO
x
) planar optical films has
been developed;
the method of vacuum modification of optical fibers providing high
concentration of active erbium ions (10
20
- 10
21
) cm
-3
by formation of erbium ions
clustering suppressed structures have been created and experimentally tested;
have been proved that modified optical films manufactured on base vacuum
thermal deposition by simultaneously evaporation of metallic erbium, aluminum
and silicon oxides at the atmosphere of reactive gas (oxygen) and at the vacuum
pressure
0,25-0,35Pa
((2-3)·10
−3
mmHg)
are
causing
the
intense
photoluminescence of Er
3+
ions in the range of ~1540 nm, which represents the
practical value for the field of fiber-optical communication;
the method of manufacturing activated optical fiber preforms for the
fabrication of a long distance modified optical fibers and creation of effective
planar and fiber optical amplifiers which include high concentration
(10
20
-10
21
) cm
-3
of active rare earth ions using in high speed fiber-optical
communication networks have been created;
for the erbium ions activization purposes the technique of transverse pumping
of planar optical amplifiers on base modified optical mediums for integrated fiber-
optical systems has been offered;
measuring methods for study and investigation throughput characteristics of
modified optical fibers and amplification properties of short-distance optical
amplifiers with observing and registration possibility of spectral characteristics on
computer monitor have been proposed;
practical recommendations by choosing the methodology of modification
optical fibers and the creation of short-distance optical amplifiers based on the
modified optical mediums have been developed;
it is established that, optical amplifiers created on base of modified optical
fibers with a high concentration of erbium have a low noise figure and provide
high value of OSNR (Optical signal noise ratio).
Practical results of research
consist in the following:
the method of preparation an optical fiber for alloying with rare earth
elements by polishing the optical fiber cladding to a given depth with a large
curvature radius (R = 180 mm) has been technically realized.
62
multicomponent planar waveguides formed on the local opened fragment of
optical fiber core, consisting from 5 mol% erbium oxide, 70-85 mol% silicon
oxide, silicon monoxide, 10-25 mol% aluminum oxide and 5 mol% ytterbium
oxide, providing effectively pump out the laser radiation energy from the core of
the single mode optical fiber at the expense of greater value of refractive index
have been created;
it is experimentally proved that the adjustment efficiency of optical fiber core
and the deposited multicomponent optical structure could reach 65-75% value and
provide the amplification of the optical signal up to 5-10 dB from 2-5 cm modified
region;
it is established that the maximum photoluminescence intensity of erbium
ions (Er
3+
) was fixed at room a temperature (
T=
300K) on optical fibers modified
by means of vacuum thermal deposition, without annealing. The observed effect
can be explained as higher concentration of active erbium ions and obtaining
homogenous structure on optical film by applying vacuum thermal deposition
method in comparison with chemical vapor deposition or chemical etching;
devices of modification optical fibers for manufacturing active optical
mediums allowing to combine in one experimental complex the procedures as
ability of control and measurement of alloying elements allows to reduce the cost
of material resources by 35% and time for processing the optical fiber active
performs to 50%;
application of modified optical fibers between regeneration sections of high-
speed spectral multiplexed fiber-optic communication lines are allowed to keep the
linear form spectrally multiplexed signal at the same level at the expense of
increasing the spectral efficiency and throughput capacity of optical fiber and
provide to increase a distance over 100 km without implementing repeaters;
it is established that, short-distance optical fiber amplifiers based on erbium
oxide Er
3+
have an ability to amplify an optical signal up to 15dB at the length of
active alloyed section 5-10 cm, have a sensitivity -40dB and low value of the noise
factor (1-2 dB), which gives the opportunity implementation them in a weak signal
mode;
implementation of short-distance fiber-optical amplifiers in spectral
multiplexed high speed fiber-optic communication lines increases OSNR (Optical
signal noise ratio) by 3dB (twice) and creates the possibility of increasing not
serving amplification sites (15 unites of optical amplifiers per 1000km) and allows
to reduce the number of high cost regeneration equipment by 1,5 times.
Practical results and developed effective technical devices for measurement
spectral characteristics of optical fibers and their modification allow solving
topical problems as manufacturing locally modified optical fibers, preparation
activated performs for creation the long distant optical fibers, manufacturing
locally modified optical fibers are using in transmission, registration systems and
in the systems of information processing.
Reliability of research results.
Reliability of research are based on
measurements results of spectral characteristics of modified optical fibers with
an accuracy of 0,1 nm on the spectral analyzer constructed on the basis of the
63
diffraction grating with modulation light pattern. The possibility of obtaining
10
21
cm
-3
highly concentrated erbium doped optical structures by vacuum
modification methods, is confirmed by results of composition of deposited rare
earth materials are obtained by X-ray microprobe analyzer. The plausibility of
results obtained from practical and scientific researches and their relative
coordination are confirmed with test results of parameters of short-distance optical
amplifiers in the networks of JSC «Uzbektelecom».
Scientific and practical value results of research.
The scientific
significance of the research results is increasing a throughput capacity and spectral
efficiency fiber-optical communication network by investigation of optical fiber
modification methods, enhancement the properties of spectral characteristics of
optical fibers, creation the methods and principles of vacuum thermal modification
of optical fibers, determination the methods of suppressing active erbium ions
clustering in the modified optical fiber, achievement highly concentrated rare earth
elements ions in erbium doped optical mediums, investigation the spectral
characteristics of optical fibers modified with different compositions of alloying
elements, researching the theoretical basis for the application efficient optical
amplifiers for systems with wavelength-division multiplexing.
The practical value of the work is provisioning of effective work
parameters of short-distance optical amplifiers and modified optical fibers
by creation measurement devices complex on base spectrum analyzer with
optical signal pattern modulation, developing the devises of transverse
pumping and precision devices for mechanical processing of optical fibers,
manufacture locally modified optical fibers with a high concentration of rare
earth elements (10
20
-10
21
cm
-3
), creation a modified optical fiber preforms
with a predetermined optical characteristics and composition of alloying
elements and development short-distance optical amplifiers based on
modified optical mediums for effective amplification of optical signals in
the (1529 - 1565 nm) range.
Application of research results.
It is implemented the method
simplifying the technology of manufacturing activated preforms of optical
fibers with applying the harmless, environmentally safe modification
processes under the vacuum from 1·10
-3
to 5·10
-4
Pa, by vacuum thermal
deposition pure erbium and germanium oxides (Republic of Uzbekistan IAP
N04944 patent for the invention). The optical amplifiers and modified optical
fibers obtained by the integration of technological processes as control and
measurement of deposited alloying elements into an one experimental complex
based on vacuum modification device have been implemented in existing fibers of
JSC «Uzbektelecom» (Certificate of the Ministry of development of information
technologies and communications of the Republic of Uzbekistan № 02-8/2317,
June 12, 2015). The achieved possibility to reduce the cost of material resources by
35% and the time for manufacturing modified optical fiber preforms to 50%.
Results as the short-distance optical amplifiers and modified optical fibers has
increased the intermediate regeneration distance up to 30% (15 units of optical
64
amplifiers for 1000 km) and reduced the number of regeneration equipment at 1,5
times. Economic efficiency is 72 million sums.
Approbation of research results.
The main theoretical and practical
results of dissertation proved on 12 national and foreign practical-scientific
conferences: «Vacuum Science and Technology» (Russia, Sochi, 2010);
«IEEE/IFIP International Conference in Central Asia on Internet»
(Uzbekistan, Tashkent, 2008); «International conference in Central Asia on
Internet» (Uzbekistan, Tashkent, 2013); «Vacuum Science and Technology»
(Crimea, Gaspra, 2013); «Info-communication technologies in science and
education» (Uzbekistan, Tashkent, 2010); «Application of Information and
Communication
Technologies»
(Uzbekistan,
Tashkent,
2010);
«IT
Promotion in Asia» (Uzbekistan, Tashkent, 2011); «Engineering and
communication technologies» (Uzbekistan, Tashkent, 2008); «Problems of
Information Technologies and Telecommunications» (Uzbekistan, Tashkent,
2012);
«Actual
problems
of
the
development
of
information
communications and information society» (Uzbekistan, Tashkent, 2012);
«Priorities in the field of science and technology in the XXI Century»
(Uzbekistan, Tashkent, 2014).
Publication of research results.
On the subject of the dissertation 25
scientific works were published, including 1 patent for invention, in 2 scientific
foreign journals 2 scientific papers, in 4 international journals 9 scientific
papers and in scientific-practical conferences 12 abstracts.
Volume and structure of dissertation.
The dissertation consists of the
introduction, five chapters, conclusion, references and contains 199 pages of
the text, 75 figures, 14 tables and 12 appendixes.
65
THE MAIN CONTENTS OF DISSERTATION
In
the
introduction
the topicality and demand of the theme of dissertation is
substantiated, the aim and the tasks of dissertation are formulated, the object and
the subject of a study is determined, the conformity of research to priority areas of
the development of science and technologies in the Republic of Uzbekistan is
identified, scientific novelty and practical results of the dissertation are presented,
also proved the reliability of the obtained results, and the theoretical and practical
significance of investigation results are described, the list of results
implementations of the dissertation research in a practices and the briefly
information about scientific publications and dissertation structure are given.
In the
first chapter of dissertation
«Analysis of current state of systems and
components of fiber-optic communication lines»
the theoretical and practical
analysis of modern fiber-optic communication networks, the main components,
elements and nodes implemented in a fiber-optic communication systems (FOCS)
systems are considered. Also the main characteristics of modern optical fibers used
in FOCS systems are studied. Examples of application of fiber-optic
communication lines in wideband radio engineering systems, additional in
wideband radio communication systems of fourth generation LTE (Long term
evolution) are described. Methods standing for modification of optical fibers have
been analyzed. Methods standing for increasing spectral efficiency of FOCS, types
of the fibers are suitable for modification with rare earth elements and in particular
with the cases existing fiber modification with erbium ions were also studied. In
the dissertation work briefly attentions have been carried out to the classification
and determination the practical implementation areas of modified optical fibers.
In conclusion of first chapter were summarized main highlights and briefly
stated the objectives of the study. The objects are consist of the development a new
principles of modification optical fibers with rare earth elements and increase the
active erbium ions concentration up to (10
20
-10
21
cm
-3
), studying miniature optical
structures modified with different composition of dopants, the development
efficient optical amplifiers on basis of modified optical mediums, development
experimental devises for the modification of existing optical fibers, the
enhancement of modified optical fibers manufacturing processes, expansion of
optical fiber capabilities and the creation modified optical fibers in a laboratory
environments.
The second chapter of dissertation
«Development of measurement system
for studying spectral characteristics of modified optical fibers»
is devoted to
the development of methods and devices for measurement the spectral
characteristics of modified optical fibers obtained in a result of experiments. In this
chapter has targeted the creation of optical and mechanical devices for measuring
spectral characteristics of modified fibers. In this chapter is practically realizing
adjusting principles the optical lasers ends with modified fiber core and their
design and performance are provided.
66
To investigate the spectral characteristics of modified fibers alloyed with rare
earth elements is necessary to ensure the effective input of laser radiation into the
core of single-mode optical fiber. For this purpose had been used frameless laser
diodes. For the most efficient input the laser radiation in to the «optical fiber ends»
was applied the special technology of producing cones and microlenses which was
developed in the Tashkent Institute of Applied Physics. For creation measuring
complex for studying the spectral characteristics of modified fibers was used the
optical spectrum analyzer (spectrograph) on basis of a diffraction grating (fig.1).
Fig. 1. Functional diagram of the measuring complex based on fiber-optic spectrometer
with modulation of the light flux
Here, 1 - radiation from a xenon lamp, 2 - hemispherical mirror, 3 - the
adjusting screw, 4-interference filter (λ = 980nm), 5-the radiation of a laser,
6 -metal substrate; 7-the adjusting table, 8-fixing clips, 9a - modified optical fiber,
9b-optical fiber, 10-modulating disc, 11-shaft of the engine (f=50rounds/sec),
12-photocoupler, 13 - the entrances slit of the spectrograph, 14-the lens,
15 -grating, 16-the engine of the diffraction grating, 17-electronic engine block,
18-microcontroller, 19 - power supply of xenon lamp, 20 - collimator, 21 - optical
output slit, 22 - focusing lens, 23 - input end of an optical harness, 24 - photodiode,
25 - voltage amplifier, 26 - narrow-band filter, 27 - AC-amplifier, 28 - precision
detector, 29 - MAX-232 chip based microcontroller PIC-16F873A, 30 - COM port
(RS-232) of computer.
67
The main feature of current developed device for investigation the spectral
characteristics of modified fibers is that the spectrograph combined into a single
research complex with precision adjustment device. Such kind of combination is
allowing the spectrum investigation procedures of modified single mode optical
fibers with entered into the core laser radiation.
The implementation of methods of high-performance adjusting of
semiconductor laser diode radiation with single-mode optical fiber, the
improvement of an optical analyzer device, based on the light flux modulation
scheme are provided an opportunity for sensitive measurement of the laser
radiation and the luminescence of rare earth elements in modified optical fibers
with a high accuracy. Possibilities of full reproducing of measurements has made it
possible to solve the given tasks in this chapter
The
third chapter of dissertation
«Development methods and devices for
modification of optical fibers»
is represent the techniques of modification of
existing optical fibers and briefly described the experimental equipments for the
practical implementation of modification processes of optical fibers and silica
based optical mediums.
The famous optical fiber preforms manufacturing methods are the internal and
external axial deposition the impurities of rare earth elements with implementing
high temperature treatments. These methods are followed by processing
compounds of silicon and other alloying materials with high temperature. The
main disadvantage of these methods are the difficulty of optical fiber preform
modifying procedures and implementing high temperature treatments on optical
fiber which give rise to destruction the crystal structure of silicon glass and
inability to control the alloyed impurities concentration during the modification
process. In this way, considering disadvantages of optical fiber preform
manufacturing methods has been developed and has been brought to
implementation the method of controlled vacuum deposition of multicomponent
films with different compositions of alloying elements.
The problem of obtaining the most effective erbium amplifiers based on the
modified optical fibers is stimulate the development of materials with extremely
high concentration of rare earth element ions. It is known that the glass based on
silicon dioxide (SiO
2
) is a suitable matrix for erbium ions (Er) and provide in an
active ions state the photoluminescence. It is proved that the optical structures
based on erbium oxide (Er
2
O
3
), have a huge amount of erbium active ions
concentration (Er
3+
), reaching the values up to ~10
22
cm
-3
. The concentration of
erbium ions in these optical structures is exceed by several times the concentration
of erbium ions in existing optical fibers prepared by standard EDFA (Erbium
doped fiber amplifier) active fibers alloying methods.
Thus, the purpose of this chapter is creation the methods and experimental
devises for the practical realization the tasks of creation high concentrated erbium
mediums. Fig. 2 is representing a functional block diagram of the developed device
for the controlled vacuum deposition from two metallic boats. The alloying
materials evaporation occurs simultaneously from a two metallic boats with rare-
earth element impurities.
68
Fig. 2. The device for controlled multicomponent films
deposition in a vacuum atmosphere
Here, 1 - tantalum resistive heater, 2 - container with metallic erbium (Er),
3 - container with metallic aluminum (Al) and silicon monoxide (SiO), 4 -
separating screen compartments (AB), 5 - metal substrate, 6 - optical fiber with
opened core after mechanical processing, 7 - propagation directions of vapors
evaporated from the container with alloyed materials, 8 - quartz piezoelectric
plates, 9 - casing with a diaphragm, 10 - radiator, 11 - disc obturator with four slits,
12 - engine for the stabilization of obturator speed, 13 - general view of the disk-
obturator, 14 - calibrated triangular slits on a disk.
During the experiments by modifying optical structures the multicomponent
films as Er
2
O
3
-SiO
x
-Al
2
O
3
and Er
2
O
3
-Yb
2
O
3
-SiO
x
-Al
2
O
3
elements concentration
were obtained on a local fragment of single mode optical fiber. For the task
realization was implemented joint thermal deposition technology of metallic
erbium (Er), silicon monoxide (SiO) and aluminum oxide (Al
2
O
3
) directly to the
polished section of optical fiber. During the modification process the vacuum
chamber are overlapped with reactive gas as oxygen. The experiments were carried
out under the 2-3·10
-3
Pa pressure.
During the evaporation process of multicomponent thin films in a vacuum
atmosphere is very important to control the thickness of the deposited film and the
alloyed materials concentration. In the developed technique has been applied radio
frequency depth controlling method based on a measuring the changes of quartz
crystal oscillation frequency during the formation of thin film with alloying
materials on a crystal surface. In addition, the quartz crystals are very sensitive to
small variations of temperature. Thus current evaporation method is equipped with
cooling system for quartz sensors. During modification process the compensation
of evaporator thermal radiation from the resonator’s frequency is guaranty that the
measurements of the thickness deposited layer will be stable at 5% accuracy.
Erbium and silicon monoxide evaporation was carried out in the vacuum chamber
69
by means of different heating tantalum boats at a pressure of the working gas
(oxygen) 2-3·10
-3
Pa and at 1300 - 1600°C temperature.
The modification processes also include the creation and preparation samples
of optical fibers with pre-set parameters. To prepare optical fibers for the
modification with rare earth elements have been developed the precision
mechanical processing method of an optical fiber surface with controlling the
height of the fiber core. The device allows precision polishing and fixating the
main fundamental mode - (HE
11
) in the core of single-mode fiber.
For carrying out precision polishing process were prepared the special metal
substrates samples for fixing optical fibers. Fixing substrates are prepared from the
duralumin strips of the type (Д1, Д19) and (ВАД1). Dimensions of substrates is -
15 mm x 3 mm x 120 mm (W x H x L). These strips are bent to the necessary
radius of curvature R = 180 mm. By means of the diamond blade with a
predetermined depth (0,1 mm) is carved the groove. The radius of curvature is
determined accordingly by a curvature radius of aluminum strips.
As shown preliminary calculations, during the polishing process of the objects
which has an ideal plane surface, with a radius of curvature -
R
, and at a depth -
d
is exposed the polishing section (chord) with a length -
L
. The ratio of these
quantities is determined by a formula
Rd
L
8
from which we can estimate the
geometry of the aluminum strips. The polishing depth -
d
is expressed by the
8
/
2
L
d
formula. Before bonding the fiber with duralumin plate (substrate) in to
the fiber is entering He-Ne laser emission and controlled by means of microscope.
Functional diagram of the developed method for the precision mechanical
processing the optical fiber cladding is shown on fig. 3.
Fig. 3. The block diagram of precision polishing with controlling the depth
of optical fiber cladding
Here, 1 - He-Ne laser, 2 - adjustable focusing lens, 3 - optical fiber, 4 -
polishing disc, 5 - polishing substrate with fixed optical fiber, 6 - calibrated
pressure load, 7 - adjusting table with a photodiode, 8 - optical tester.
The optical tester allows effectively control the polishing depth of optical
fiber cladding. Residual power radiation indicates the polishing degree of the core
and the cladding of an optical fiber. During the experiments, the residual radiation
power was measured between 20% to 80% for different modes and samples of
70
optical fibers. This allows choosing the optimal mode of polishing to ensure the
most effective modification of optical fibers with rare earth elements ions.
The second developed method for manufacturing a modified preforms allows
avoiding the toxic compounds and all modification processes are carried out in
vacuum chamber by thermal evaporation of rare earth element oxides and
including the core material. All modification layers for fiber optic preform which
include pure rare earth element oxides are directly evaporating from the metallic
boats in to the inside of rotating silicon tube. The ability of multilayer evaporation
allows an opportunity the creation optical fiber preforms with various
combinations of alloying elements. Fig. 4 is illustrating the proposed method of
manufacturing a modified preforms for optical fibers.
Fig. 4. The method of producing modified optical
fiber preforms
Here, 1 - support tube of quartz glass fixed in a rotatable pole, 2 - electrical
current heated boats prepared on the basis of refractory material, 3 - evaporating
erbium, 4 - germanium dioxide, 5 - dispersed silica powder, 6 - forming on the
surface of the tube and dispersed silica powder the layer of depositing materials, 7
- rotating equipment for fixing the quartz glass support tube, 8-fastening elements,
9 - the direction of rotation and equipment fixed inside the support tube made of
quartz glass.
Creating a pre-alloyed performs modified with rare earth elements allows to
obtain modified optical fibers with required length and the necessary ion
concentration of active element components.
The fourth chapter of dissertation
«Experimental researches of spectral
characteristics modified optical fibers»
presents the main results of experimental
71
investigations of spectral characteristics of the modified optical fibers obtained by
implementing
developed
methods
and
devices.
In
this
chapter
the
photoluminescence properties of modified samples of optical fibers with different
compositions of alloying rare earth elements were investigated. The structures and
compositions of the deposited elements on samples of optical fibers were studied.
Practical recommendations according to the developing effective optical fiber
amplifiers, creating modified optical fiber preforms and components using in
FOCS are considered.
Research has shown that the highest intensity of luminescence radiation of
active erbium ions are demonstrated the samples modified by vacuum thermal
deposition. Cardinal importance also are representing the selection the types of
alloying elements which forms the film covering an open core of optical fiber and
selecting the concentration of rare earth elements ions. Operating by the
experimental results an additional doping quartz glass (SiO
2
) with Al
2
O
3
or P
2
O
5
an order of magnitude increases the entering concentration limit of free rare earth
elements ion oxides. In this work were selected jointly doping erbium oxide
(Er
2
O
3
), silicon oxide (SiO
2
) and aluminum oxide (Al
2
O
3
). Also, as mention above
it is possible to use more joint evaporating impurities as phosphorus oxide (P
2
O
5
).
Simultaneous implementing of phosphorus oxide allows compensating and
increase the refractive index of the deposited film. But such kind of additional
operations complicates the vacuum chamber.
During the measurement operations the spectral characteristics of an optical
fiber samples were observed intense luminescence of erbium ions (Er
3+
) in the
infrared radiation range (~1540 nm). The spectrum characteristic of modified
optical fiber is shown on fig. 5, 6. Obtained spectrums are corresponding to the
(Er
3+
) active erbium ions transition from the first excited state
4
I
13/2
to the ground
state
4
I
15/2
.
Fig. 5. Luminescence spectrum of the optical fiber modified with
Er
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
composition
72
Fig. 6. Luminescence spectrum of the optical fiber modified with
Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
composition
It should also be noted that, at the output of the modified optical fiber samples
were observed the intense luminescence of erbium ions without high temperature
processing. The erbium ions radiation at a wavelength of ~1540 nm and at a room
temperature
T=
300K indicates the possibility of activation Er
3+
ions without
implementing of high-temperature operations were aimed to increase the
concentration of free rare earth ions in the glass.
Erbium - ytterbium modified glasses have a several advantages compared to
the erbium rare earth element modified glasses. The researches have shown that the
concentration of erbium ions in the core of (Yb-Er) modified optical fiber could be
significantly higher than the only erbium modified optical fibers and moreover,
without significant reduction of quantum efficiency of an active fiber. This effect is
explained by the ytterbium ions radiationless transition transfer excitation energy
to the erbium ions. In addition, the ytterbium ions have a wide absorption line
(from 850 nm to 1100 nm) and the absorption line of erbium ions in the area 980
nm becomes narrow (fig. 6). Measurements of the optical samples were carried out
at room temperature
T=
300K. On the spectral characteristic of optical fiber, the
output power is normalized to 100%, and is shown in relative units. In absolute
units the power of the luminescence modified samples was around 0,3-0,4mW.
The studying and determination the concentration of doped elements in
modified samples were carried out by means electron microanalyzer at the Institute
of Geology and Geophysics of Academy of science of Republic of Uzbekistan.
Established that, the vacuum synthesis under the moderate substrate
temperatures (150-200°C) are allowing to obtain the modified optical fibers and
planar light guides with suppressed erbium clusterization and free erbium ions
concentration up to (10
20
-10
21
) cm
-3
. Optical losses in the created optical structure
are less than 0,15dB/cm. This proves the prospects of using vacuum modification
techniques in order to create the optical amplifiers with high efficiency.
73
Also shows that the luminescent properties of the activator in such kind of
non-fusing glasses with a high content of erbium ions favorably differ from the
properties of the activator in the same glasses after melting. Fig. 7 shows the
luminescent characteristics of samples after heating in a muffle furnace and the
changes in luminescence kinetics of erbium ions.
Fig. 7. Kinetics of changing the luminescence spectrums of a modified optical fiber with
Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
composition
Here, 1 - without heating (melting), 2 - after heating (melting temperature
400°C), 3 - after heating (melting temperature 700°C).
Fig.7 shows the melting of a glass modified with erbium ions causes
clustering of erbium. As a result of thermal processing the luminescence spectrum
of modified optical samples is became wider and up-conversion processes in the
energy transitions kinetics of active erbium ions could be observed. Such kind of
properties are also demonstrated the examples modified by Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
-
Al
2
O
3
composition. The spectral characteristics of modified fibers are measured by
entering a laser beam to the input of optical fiber and at the same time when an
external pump turned on.
In measurement equipment as the signal source were implemented
semiconductor laser with a maximum output power 5mW at a wavelength of 1540
nm. For modified optical fibers the pumping are carried out by the laser with
maximal output power 250 mW and 980 nm wavelength or with xenon lamp
radiation obtained from infra red filter at 980 nm wavelength.
74
Then the samples were examined for luminescent and amplifying properties
depending on the different concentration of alloying elements (fig. 8).
Fig. 8. The luminescence spectrums of optical fiber modified with different concentrations
(Er
2
O
3
- SiO
x
- Al
2
O
3
) of alloying elements
Here, 1-optical medium modified with 10 mol.% Al
2
O
3
and 3000 ppm Er
2
O
3
concentration, 2- optical medium modified with 1,5 mol.% Al
2
O
3
and 3000 ppm
Er
2
O
3
concentration.
As seen from fig. 10 the sample - 1 is demonstrated a high level of
luminescence intensity relative to the sample - 2. This phenomenon is explained by
the greater concentration of the additional alloying element of Al
2
O
3
. According to
the experimental results can be concluded that increasing the concentration of
aluminum oxide in the erbium modified multicomponent composition suppresses
clustering of erbium ions thereby allows increasing the photoluminescence
intensity. On the spectral characteristic the output power of an optical fiber is
normalized to 100% and is shown in relative units. The power luminescence of
modified samples is approximately in the 0,3-0,4mW range.
Based on the conducted experiments and measurements were built the relation
the quantum efficiency of the short distance fiber amplifiers from the erbium ions
and aluminum impurities concentration (table 1). This relation table could be used
to optimize the amplification parameters of short distance erbium doped fiber
amplifiers.
The table is representing results the amplification efficiency measuring of
planar light guide. All output signal values are given in relative units. For the unit
«1» accepted the maximum gain obtained at the maximal doping of aluminum and
at the optimal doping mode of erbium oxide.
75
Table 1
The results of measurements the quantum efficiency of the modified samples as
an optical light amplifiers
Despite the fact at high concentrations of erbium oxide relative amplification
efficiency decreases, but in current case the quantum efficiency is not decrease.
This effect can be explained by large number of emitting centers of erbium ions
after co-evaporation with aluminum oxide. Summarize, we can make a conclusion
as the additional co-deposition erbium ions with aluminum oxides allows to reduce
a length of active fiber and bring it to 5-10 cm without changing the amplification
gain.
The fifth chapter of dissertation
«Development short-distance optical fiber
amplifiers based on modified optical mediums»
is devoted to the methods of
creating short-distance optical fiber amplifiers. In this chapter the experimental
processes of creation planar optical amplifiers for integrated optical systems are
described. Also current chapter the calculation of parameters of short-distance
optical amplifiers for spectral multiplexed systems is considered. The main
advantages of the short-distance optical amplifiers are the high concentration of
active rare earth ions in the modified area.
In the fifth chapter were proposed two methods of manufacturing short-
distance optical amplifiers. The first proposed method is manufacturing of short-
distance optical fiber amplifiers with using locally modified optical fibers by
implementing a method of thermal deposition. As mentioned vacuum deposited
optical structures on the local modified optical fiber allow amplifying the optical
signal up to 8 dB on a 4 cm surface. Optical amplifiers based on locally modified
optical fibers do not require complex adjustment schemes for adjusting current
amplifiers with optical fibers of DWDM system.
The second method is creation short-distance optical amplifiers for integrated
optical systems by depositing modified multi-component thin films to the surface
of the polished substrate of silicon monocrystal (fig. 9). The process of building a
multilayer (SiO
x
- GeO
2
- Er
2
O
3
) optical film was held in a vacuum atmosphere.
According to the experimental results, obtained nanostructures with high
76
concentrations of active erbium ions (10
20
- 10
21
) cm
-3
are able efficiently amplify
an optical signal up to 6dB/cm.
Fig. 9. The block diagram of manufacturing process short-distance fiber amplifiers for
integrated optics systems
Here, 1 - silicon monocrystal substrate, 2 - a layer of oxidized silicon;
3 - formed in the core layer of the planar waveguide alloyed layer, 4 - tantalum
boats for evaporation alloying materials, 5 - refractory boat from titanium diboride
(TiB
2
), heated by an electron beam, 6 - flaps, 7- trajectory of the electron beam,
8 - hot cathode.
For measurement purposes of spectral characteristics and amplification
parameters of short distance-fiber amplifiers were implemented the following
connection diagrams shown in fig. 10.
Fig. 10. The block diagram of optical devices connection for the measurement amplification
gain of optical amplifier
Here, 1 - signal source (generator of a DC current), 2 - semiconductor laser,
3- optical variable attenuator, 4 - 980 nm wavelength interference filter, 5 - xenon
lamp connected to the power supply with adjustable AC control, 6 - short-distance
optical amplifier, 7 - spectrum analyzer (OSA).
77
Table 2 represents the experimental results of amplification characteristics
created short-distance optical amplifiers.
Table 2
The measurement results of amplifying properties of short-distance
optical amplifiers
Pumping (%)
50%
100%
50%
100%
Input power of
optical signal
(dBm)
Output power of optical signal
(dBm)
Signal gain (dB)
-30
-10,1
-7,2
19,9
22,8
-25
-7,1
-4,8
17,9
20,2
-20
-3,8
-1,5
16,2
18,5
-15
-1,6
1,1
13,4
16,1
-10
-0,5
2,2
9,5
12,2
-5
1
2,9
6
7,9
According to the obtained results, when a pumping power is half - 50% of its
100% value, for the low signals -30dBm, the gain of an optical amplifier will be
equal to 12,02 dB. When a pump signal is equal to the maximum value - 100%, for
the input signals at a range - 30dBm, the gain of optical amplifier is equal to
15,68dB. It is explained by the amplifying property of erbium-doped optical
amplifier is directly proportional to the pump power. But when the input signal
continues to grow the amplification gain of erbium doped optical amplifier stops
and the amplifier starts to switch in to the saturation mode. This effect is common
to all erbium doped optical amplifiers. Fig. 11 represents
comparative
characteristics of modern amplifiers and created short distance optical amplifiers.
Fig. 11. Spectral characteristics of modern EDFA amplifier (modified section of optical
fiber - 2 m) and short-distance amplifier (modified section - 6cm)
78
Here, 1 - amplified optical radiation λ = 1550 nm (
P
S,OUT
), 2 - automatic
spontaneous emission level of erbium ions (
P
ASE
), 3 - luminescence peak of erbium
ions on wavelength λ = ~1550 nm.
Short-distance optical amplifiers modified section length is equal 6 cm and
the quantity of active erbium ions during the pumping processing can reach (10
20
-
10
21
) cm
-3
. For modern EDFA amplifiers created by known modification methods
of axial deposition such concentration value of erbium ions could be achieved on
the length of the modified optical fiber sections more than 4 m. According to the
experimental results were presented in table 2 the short-distance optical amplifiers
based on modified optical mediums have a possibility of amplifying optical signals
in the 10-15dB range. As seen on fig.11 the parameter of
P
ASE
for short distance
optical amplifiers is significantly lower compared with modern EDFA amplifiers.
Respectively for short distance optical amplifiers the noise-figure will be lower
than EDFA amplifiers. In this case, the noise - figure of short distance optical
amplifier is
NF=
1-2dB. In conclusion we can say that for DWDM link OSNR
budget the short distance optical amplifiers will be more prospective. Moreover,
the peak of erbium luminescence of short-distance optical amplifiers during the
pumping becomes smoothed and amplified signals spectrums become linear. Such
effect contributes to linearization of DWDM group signals.
CONCLUSION
The main obtained results during the researches are follows:
1. It is established that, by the method of vacuum thermal evaporation could
be obtained optically homogeneous dielectric erbium oxide Er
2
O
3
thin film
structures with a high concentration of active erbium ions (10
20
-10
21
cm
-3
) with a
high degree of transparency (~80%) in the visible and infra red bands and also
have a high resistivity value ~10
9
Ohm cm.
2. Additional doping erbium oxide (Er
2
O
3
) with aluminum oxide (Al
2
O
3
)
promotes the suppression the erbium ions clustering which lead to decrease up-
conversion and modified samples fabricated by means of vacuum thermal
deposition methods have an extremely high concentration of active erbium ions up
to (10
20
-10
21
cm
-3
) in a small active modified section (2-5 cm) have been
experimentally proved.
3. By controlled vacuum thermal deposition Er
2
O
3
- SiO
2
-Al
2
O
3
and Er
2
O
3
-
Yb
2
O
3
- SiO
2
- Al
2
O
3
planar optical waveguides on a local fragment of the optical
fiber have been manufactured. It is established that, pumping of locally modified
mediums with 980 nm wavelength radiation the deposited films are excited
infrared radiation at ~1540 nm which represents practical importance for FOCN.
4. Amplification properties of Er
2
O
3
- SiO
2
-Al
2
O
3
and Er
2
O
3
- Yb
2
O
3
- SiO
2
-
Al
2
O
3
planar optical structures created by vacuum controlled thermal deposition on
an optical fiber fragment and on silicon substrates (SIO
2
) are investigated. In
modified optical structures obtained by vacuum deposition methods the melting
treatments causes clustering of erbium ions. As a result in the modified samples the
79
luminescence spectrum becomes wider and occurring up-conversion processes in
the photoluminescence kinetics.
5. Light emitting properties of modified planar samples with direct transverse
optical pumping (based on xenon lamp at 980 nm) are studied. It is established that
additional doping erbium (Er) with ytterbium (Yb) promotes the narrowing
luminescence spectrum bandwidth. This phenomenon is explained by the fact that,
ytterbium ions transfer their energy to the erbium ions during the transition to a
lower energy level.
6. Proved that the optical structures modified by vacuum deposition methods
demonstrate the maximum intensity of the photoluminescence (Er
+3
) ions at room
temperature (
T =
300K). Observed result explained by the fact modifying optical
structure on the optical fiber or silicon substrate is directly formed from the
deposited phase, avoiding melting stage. Furthermore, using the dopants as Al and
SiO can create higher concentrations of the optically active ions Er, compared with
chemical modifying methods or magnetron sputtering.
7. Modified optical fibers and planar optical structures for creation sensors,
optical detectors and optical fiber amplifiers implementing in FOCN are
manufactured. It is revealed, that deposited multicomponent optical structures have
adjustment efficiency with fiber core around 65% to 75%. As a result of this
adjustment increases the efficiency of the laser transitions «fiber core – modified
medium - fiber core» providing effective signal gain around 5-10 dB from locally
modified section size 2-5 cm.
8. Short-distance optical amplifiers for DWDM systems based on modified
optical structures on base silicon substrate have been fabricated. Such kind of
optical amplifiers have the opportunity to amplify a DWDM group optical signal in
the range of C-Band (1529 - 1565 nm). The group signal at the output of this
amplifier is adjusted and linearized without implementing broadband smoothing
filters.
9. Its is experimentally proved that short distance optical amplifiers based on
the modified optical mediums with an extremely high concentration of active rare
earth ions have a low noise-figure parameter which increases the overall budget of
OSNR (Optical signal noise ratio) DWDM systems.
ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙХАТИ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
LIST OF PUBLISHED WORKS
I бўлим (I часть; I part)
1. Inogamov A.M., Radjabov T.D. Modified thin-film fabrication method
using vacuum thermal evaporation and vacuum synthesis: application to
preparation of Er-doped fiber amplifiers// International Journal of Innovation and
Applied Studies, 2014. – vol. 5, N 1. – pp. 16-22, (5) Global Impact Factor, IF =
0.786, (23) Sсientific Journal Impact Factor, IF = 3.5.
2. Inogamov A.M. Improving spectral efficiency of short-distance Er
3+
modified optical fiber amplifiers by implementing acousto-optic tunable filters//
80
International Journal of Engineering Research and General Science, 2015. – vol. 3,
N 1. – pp. 970-975, (5) Global Impact Factor, IF = 0.564, (23) Sсientific Journal
Impact Factor, IF = 3.843.
3. Radjabov T.D., Inogamov A.M. Ion modification of optical materials with
application of vacuum technologies// Проблемы информатики и энергетики. –
Ташкент, 2012. – № 6. – С. 67-70, (05.00.00, № 5).
4. Radjabov T.D., Inogamov A.M. Application of acoustic-optical rebuild
filters for optimize the spectral characteristics of EDFA// Инфокоммуникации:
сети-технологии-решения. – Ташкент, 2013. – № 2(26). – С. 13-16, (05.00.00,
№ 2).
5. Radjabov T.D., Inogamov A.M. Preparation processes of short - distance
erbium doped fiber amplifiers// Инфокоммуникации: сети-технологии-
решения. –Ташкент, 2015. – № 1. – С. 13-16, (05.00.00, № 2).
6. Патент РУз №04944. Способ изготовления заготовки активированных
оптических волокон/ Раджабов Т.Д., Иногамов А.М., Камардин А.И.,
Симонов А.А., Давронбеков Д.А., Таженов К.Е.// Расмий ахборотнома. –
2014. - №4.
7. Иногамов А.М. Стандарт CDMA 2000 1x EV-DO в сотовых сетях 3G//
Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2007. – № 3. – С. 34-36, (05.00.00, № 10).
8. Иногамов А.М. Особенности радиоинтерфейса стандарта CDMA2000
1x EV-DO// Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2007. – № 4. – С. 34-36, (05.00.00, №
10).
9. Раджабов Т.Д., Иногамов А.М. Использование микрокольцевых
резонаторов для организации связи с волновым мультиплексированием
(WDM) в ВОЛС// Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2010. – № 1. – С. 38-40,
(05.00.00, № 10).
10. Иногамов А.М. Возможности построения высокоскоростных
волоконно-оптических линий связи// Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2010. – № 4.
– С. 83-87, (05.00.00, № 10).
11.
Раджабов
Т.Д.,
Иногамов
А.М.
Особенности
построения
высокоскоростных WDM сетей в волоконно-оптических сетях передачи
информации// Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2012. – № 1. – С. 22-25, (05.00.00,
№ 10).
12. Иногамов А.М. Повышение эффективности оптических усилителей
на основе модифицированных оптических волокон//Доклады Академии Наук
Республики Узбекистан. – Ташкент, 2013. – № 2. – С. 14-17, (05.00.00, № 9).
II бўлим (II часть; II part)
13.
Иногамов
А.М.
Применение
вакуумного
осаждения
для
изготовления модифицированных оптических материалов используемых в
ВОЛС// Естественные и технические науки. – Москва, 2013. – № 5 (67). – С.
30-36.
14. Раджабов Т.Д., Симонов А.А., Иногамов А.М. Применение
вакуумного осаждения для изготовления волоконно-оптических модулей и
81
усилителей// Научно-техническая конференция с участием зарубежных
специалистов «Вакуумная наука и техника»: Материалы конференции. –
Москва, 2010. – С. 258-261.
15. Симонов А.А., Раджабов Т.Д., Иногамов А.М. Вакуумное
регулируемое осаждение многокомпонентных оптических пленок на
фрагменты волоконных световодов// XX-юбилейная научно-техническая
конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и
техника»: Материалы конференции. – Москва, 2013. – С. 192-194.
16. Radjabov T.D., Hakimov Z.T, Inogamov A.M. Application of acoustic-
optical rebuilding filters for optimize the spectral characteristics of fiber-optical
communication networks// Fourth IEEE International Conference on Application
of Information and Communication Technologies. – Tashkent, 2010. – pp. 45-49.
17. Inogamov A.M. Prospects of Using Optical Amplifiers in Fiber Optic
Communication Systems// International Conference on IT Promotion in Asia. –
Tashkent, 2011. – pp. 187-189.
18. Inogamov A.M. Adoption of the networks (3G) in Uzbekistan on basis
radio interface IMT-MC// Fourth IEEE and IFIP International Conference in
central Asia on Internet: Works. – Tashkent, 2008. – pp. 40-44.
19. Inogamov A.M. Using photoluminescent properties of rare-earth elements
in a fiber optic communication system (FOCS)// International IEEE conference in
Central Asia on Internet. - Tashkent, 2013. – pp. 46-47.
20. Иногамов А.М. Новый стандарт радиоинтерфейса IMT – MC в
Узбекистане// Шестая Международная научно – техническая конференция
студентов, аспирантов и молодых специалистов государств участников РСС/
«Техника и технология связи»: Труды. – Ташкент, 2008. – С. 115-117.
21. Иногамов А.М. Теоретические предпосылки использования
солитонной технологии в ВОЛС// Фан ва таълимда ахборот-коммуникация
технологиялари: Сб. статей науч. тех. конф. – Ташкент, 2010. – С. 21-25.
22. Иногамов А.М. Модифицированные оптические волокна и
применение их в ВОЛС// Проблемы информационных технологий и
телекоммуникаций: Сборник докладов. – Ташкент, 2012. – С. 160-162.
23. Раджабов Т.Д., Иногамов А.М. Перспективы использования
оптических усилителей нового поколения// Проблемы информационных
технологий и телекоммуникаций: Сборник докладов. – Ташкент, 2012. –
С.178 - 181.
24. Раджабов Т.Д., Иногамов А.М. Использование фотолюминесцентных
свойств редкоземельных элементов в ВОЛС// Актуальные проблемы
развития инфокоммуникаций и информационного общества. – Ташкент,
2012. – С. 27-31.
25. Раджабов Т.Д., Иногамов А.М. Ионная обработка оптических
волокон редкоземельными элементами// VII Международная научная
конференция «Приоритетные направления в области науки и технологии в
XXI веке»: Сборник статей, том-2. – Ташкент, 2014. – С. 234-237.
82
Автореферат «ТАТУ хабарлари» журнали таҳририятида таҳрирдан
ўтказилди. (22.01.2016 йил).
Босишга рухсат этилди: 25.01.2016 й.
Бичими 60х84 1/8. «Times Uz» гарнитураси. Офсет усулида босилди.
Шартли босма табоғи 4,5. Нашр босма табоғи 4,5. Тиражи 100. Буюртма: № 8
«Top Image Media» босмахонасида чоп этилди.
Тошкент шаҳри, Я. Ғуломов кўчаси, 74-уй
83
84
