eng
Электрооптические модуляторы (ЭОМ) на основе ниобата лития (LiNbO3) обеспечивают не только уникальное сочетание функциональных характеристик, но и стабильную работу в жестких условиях. В статье приведены результаты тестовых испытаний на возможность эксплуатации ЭОМ на основе LiNbO3 в условиях космического пространства.
Теги: electro-optic modulators fiber optics gyroscopes волоконно-оптические гироскопы электрооптические модуляторы
О
птоэлектронная техника, ее функциональные узлы и компоненты все активнее используются в высокотехнологичных отраслях промышленности. В особенности это относится к технике, эксплуатирующейся в космосе, которая требует универсальности и надежности оптоэлектронных систем для реализации множества важнейших функций, необходимых для безопасного и длительного функционирования.
Во многих оптоэлектронных системах, работающих на борту космических аппаратов, используются модуляторы света, являющиеся ключевым компонентом для модуляции фазы и интенсивности различных источников света с разными длинами волн. В частности, электрооптические модуляторы (ЭОМ) на основе ниобата лития (LiNbO3) обеспечивают не только уникальное сочетание производительности, но и стабильную работу в жестких условиях космического пространства.
LiNbO3- и другие модуляторы
Модуляторы на основе ниобата лития – одни из многих оптоэлектронных модуляторов, разработанных за последние годы. Модуляторы на основе других материалов (InP, GaAs) также использовались для изготовления внешних модуляторов. Первоначально развитию разработок в области их создания способствовала потребность в них рынка оптоволоконных телекоммуникационных систем, когда требовалась более высокая скорость модуляции. На сегодняшний день использование электрооптических модуляторов (ЭОМ) не ограничивается телекоммуникационными системами. Преимущества и недостатки основных серийно производимых оптических модуляторов представлены в табл. 1. С первого взгляда очевидно, что ЭОМ на основе ниобата лития – наиболее оптимальные модуляторы в отношении производительности, функциональности и стоимости.
В сфере космической техники высокая надежность LiNbO3-модуляторов, подтверждаемая безотказной работой в течение многих часов, позволяет утверждать, что данная технология является наиболее передовой. Кроме того, дополнительными преимуществами LiNbO3-модуляторов, наряду с большим опытом их использования во многих приложениях и успешными сертификационными испытаниями (например, в Telcordia), являются широкая пропускная способность (от 780 нм до 2500 нм) и большая ширина полосы частот модуляции (более 40 ГГц). Благодаря превосходной производительности LiNbO3-модуляторы используются в самых разнообразных космических технологиях, включая навигацию, противорадиолокацию, телекоммуникацию, системы считывания и др.
Применение LiNbO3-модуляторов в космосе
Волоконно-оптические гироскопы
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) – это высокопроизводительные датчики (рис.1), применяемые в системах навигации. В настоящее время доказано, что в отношении производительности они могут обойти классические лазерные гироскопы. Помимо этого, ВОГ более компактны, обладают меньшими значениями массогабаритных характеристик и более приемлемы по цене. В настоящий момент системы с точностью порядка 0,001 °C/ч и лучше стали коммерчески доступными, а навигационные системы на основе ВОГ используются в спутниках с 2010 года. В эти модули ВОГ интегрированы разработанные под заказ фазовые LiNbO3-модуляторы.
Системы межспутниковой связи
Внедрение систем межспутниковой связи началось в 90-е годы с использованием лазерных диодов с прямой модуляцией, работающих на длинах волн порядка 820–850 нм. С появлением волоконных лазеров, работающих в ближней ИК-области спектра, а также благодаря доступности LiNbO3-модуляторов в этой полосе частот, стало возможным устанавливать связь между космическими аппаратами, используя более эффективную модуляцию (рис.2). Это позволило увеличить скорость передачи данных и уменьшить коэффициент битовой ошибки.
Оптические приборы для научных задач
Свет может быть использован для измерения большинства физических величин, поэтому многие научные спутники оснащены оптическими приборами. В качестве примера можно назвать несколько объединенных внешних модуляторов, в частности, проект GRACE-FO (The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on). Его цель – картирование силы земного тяготения. Проект GRACE-FO по изучению климата и гравитационных возмущений – это продукт сотрудничества между NASA и Геолого-геофизическим научно-исследовательским центром Германии. GRACE-FO является продолжением первоначальной миссии GRACE1. GRACE-FO создается для улучшения уже довольно высокой точности измерительной системы GRACE1.
Основная задача проектов серии GRACE – измерение флуктуации силы тяготения над земной поверхностью. Одним из результатов работы проекта стала карта распределения гравитационного поля, обновляемая каждые 30 дней. Таким образом, система GRACE1 показывает величину гравитации не только в зависимости от координаты, но и от времени.
В системе GRACE1 для формирования карты гравитации используется метод объединения информации с двух практически одинаковых спутников. Один спутник следует за другим по той же орбите, при этом происходит постоянное измерение расстояния между спутниками с использованием устройств, работающих в СВЧ-диапазоне. Два спутника GRACE-FO будут работать принципиально по той же схеме с использованием излучателей в том же микроволновом диапазоне, что и в GRACE1, однако планируется запуск дополнительной экспериментальной системы с использованием лазеров, что гипотетически позволит улучшить точность измерения расстояния между спутниками в 20 раз. Фазовые модуляторы будут использоваться для стабилизации резонаторов в оптической системе. Запуск спутников намечен на 2017 год.
Микроволновая фотоника для бортовых спутниковых подсистем (проект)
За последние несколько лет производителями спутниковых систем связи были проанализированы инновационные концепции так называемой полезной нагрузки (аппаратуры космических аппаратов), основанной на технологиях фотоэлектроники. За это время были разработаны несколько типов архитектуры бортовых спутниковых подсистем, охватывающие различные области применения, включая аналоговые усилители на базе фотонных устройств, а также тюнеры для продвинутых антенных устройств, в которых реализованы цифровые методы формирования диаграммы направленности. Работу подобной архитектуры обеспечивают фотонные подсистемы, выполняющие вспомогательные дополняющие функции, способные заменить и расширить возможности радиочастотных подсистем. В число этих функций входят:
оптическая генерация/распределение излучения от гетеродинов;
преобразование (повышение или понижение) радиочастот;
маршрутизация µ-волновых сигналов в трансляторах;
интеграция фотоэлектронных устройств в системы формирования диаграммы направленности луча;
оптическая выборка для аналого-цифрового преобразования.
Оптические модуляторы играют ключевую роль в реализации указанных функций. К примеру, эффективное оптическое распределение сигнала от опорных генераторов требует низкой флуктуации фазы генератора, а также достаточной мощности источника оптического излучения для передачи сигнала нескольким приемникам. Метод передачи высокочастотного сигнала по ВОЛС через модуляцию тока накачки лазера (прямой метод) не осуществим на высоких частотах. В такой ситуации требуется внешний электрооптический модулятор. В частности, на рис.3 представлена схема метода оптической двухполосной модуляции с подавлением несущей частоты. В ней используется лазер с непрерывным излучением высокой мощности, а также ЭОМ, настроенный таким образом, что излучение на выходе имеет низкую интенсивность. При управлении модулятором с помощью опорного СВЧ-сигнала с частотой ωОГ/2 оптический сигнал на выходе содержит две полосы боковых частот. Частота сигнала с фотоприемника соответствует ωОГ.
Также использование ЭОМ (рис.4) позволяет повышать или понижать частоту радиосигнала. Кроме широкой полосы пропускания и возможности изоляции неограниченного количества входных портов важной особенностью ЭОМ является способность выполнять одновременно несколько частотных преобразований. Данная концепция проиллюстрирована на рис.5, где сигнал от оптического генератора с разными частотами подается на мультиплексор. В итоге, подавая на ЭОМ сигнал опорной частоты и усиленный сигнал от мультиплексора, на выходе после демультиплексирования получают набор сигналов с частотами, величины которых соответствуют разнице частот опорного сигнала и сигнала оптического генератора.
Тестовые эксперименты для получения разрешения использовать модуляторы в условиях космического пространства
Однако хорошие технические параметры не являются достаточным условием для использования ЭОМ в космосе. Необходимы еще и комплексные испытания. Они включают в себя радиационные испытания, испытания на ударопрочность и вибростойкость, климатические испытания, имитирующие эксплуатацию в условиях вакуума, циклические испытания в условиях высокой влажности и изменяющихся температур, тест на накопление статического электричества, проверку герметичности, количественный анализ выделяемых веществ из материалов, входящих в состав ЭОМ, разрушающий физический анализ. Результаты по всем проведенным экспериментам приведены в табл. 2.
LiNbO3-модуляторы производства Photline для космоса
За последние годы в компании Photline были проведены интенсивные тестовые эксперименты и разработаны методы улучшения конструкции ЭОМ для эксплуатации в условиях космического пространства.
В 2014 году в корпорацию NASA компания поставила восемь модуляторов, двое из которых интегрированы в систему GRACE-FO (напомним, ее запуск намечен на 2017 год, рис.6). Данные модуляторы планируется встроить в конструкцию уже действующих оптоволоконных гироскопов.
Кроме того, в 2014 году Photline подписала крупный контракт с компанией TESAT-SPACECOM (рис.7) по разработке и поставке модуляторов для терминалов лазерной связи, которые должны использоваться в системах межспутниковой связи.
птоэлектронная техника, ее функциональные узлы и компоненты все активнее используются в высокотехнологичных отраслях промышленности. В особенности это относится к технике, эксплуатирующейся в космосе, которая требует универсальности и надежности оптоэлектронных систем для реализации множества важнейших функций, необходимых для безопасного и длительного функционирования.
Во многих оптоэлектронных системах, работающих на борту космических аппаратов, используются модуляторы света, являющиеся ключевым компонентом для модуляции фазы и интенсивности различных источников света с разными длинами волн. В частности, электрооптические модуляторы (ЭОМ) на основе ниобата лития (LiNbO3) обеспечивают не только уникальное сочетание производительности, но и стабильную работу в жестких условиях космического пространства.
LiNbO3- и другие модуляторы
Модуляторы на основе ниобата лития – одни из многих оптоэлектронных модуляторов, разработанных за последние годы. Модуляторы на основе других материалов (InP, GaAs) также использовались для изготовления внешних модуляторов. Первоначально развитию разработок в области их создания способствовала потребность в них рынка оптоволоконных телекоммуникационных систем, когда требовалась более высокая скорость модуляции. На сегодняшний день использование электрооптических модуляторов (ЭОМ) не ограничивается телекоммуникационными системами. Преимущества и недостатки основных серийно производимых оптических модуляторов представлены в табл. 1. С первого взгляда очевидно, что ЭОМ на основе ниобата лития – наиболее оптимальные модуляторы в отношении производительности, функциональности и стоимости.
В сфере космической техники высокая надежность LiNbO3-модуляторов, подтверждаемая безотказной работой в течение многих часов, позволяет утверждать, что данная технология является наиболее передовой. Кроме того, дополнительными преимуществами LiNbO3-модуляторов, наряду с большим опытом их использования во многих приложениях и успешными сертификационными испытаниями (например, в Telcordia), являются широкая пропускная способность (от 780 нм до 2500 нм) и большая ширина полосы частот модуляции (более 40 ГГц). Благодаря превосходной производительности LiNbO3-модуляторы используются в самых разнообразных космических технологиях, включая навигацию, противорадиолокацию, телекоммуникацию, системы считывания и др.
Применение LiNbO3-модуляторов в космосе
Волоконно-оптические гироскопы
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) – это высокопроизводительные датчики (рис.1), применяемые в системах навигации. В настоящее время доказано, что в отношении производительности они могут обойти классические лазерные гироскопы. Помимо этого, ВОГ более компактны, обладают меньшими значениями массогабаритных характеристик и более приемлемы по цене. В настоящий момент системы с точностью порядка 0,001 °C/ч и лучше стали коммерчески доступными, а навигационные системы на основе ВОГ используются в спутниках с 2010 года. В эти модули ВОГ интегрированы разработанные под заказ фазовые LiNbO3-модуляторы.
Системы межспутниковой связи
Внедрение систем межспутниковой связи началось в 90-е годы с использованием лазерных диодов с прямой модуляцией, работающих на длинах волн порядка 820–850 нм. С появлением волоконных лазеров, работающих в ближней ИК-области спектра, а также благодаря доступности LiNbO3-модуляторов в этой полосе частот, стало возможным устанавливать связь между космическими аппаратами, используя более эффективную модуляцию (рис.2). Это позволило увеличить скорость передачи данных и уменьшить коэффициент битовой ошибки.
Оптические приборы для научных задач
Свет может быть использован для измерения большинства физических величин, поэтому многие научные спутники оснащены оптическими приборами. В качестве примера можно назвать несколько объединенных внешних модуляторов, в частности, проект GRACE-FO (The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on). Его цель – картирование силы земного тяготения. Проект GRACE-FO по изучению климата и гравитационных возмущений – это продукт сотрудничества между NASA и Геолого-геофизическим научно-исследовательским центром Германии. GRACE-FO является продолжением первоначальной миссии GRACE1. GRACE-FO создается для улучшения уже довольно высокой точности измерительной системы GRACE1.
Основная задача проектов серии GRACE – измерение флуктуации силы тяготения над земной поверхностью. Одним из результатов работы проекта стала карта распределения гравитационного поля, обновляемая каждые 30 дней. Таким образом, система GRACE1 показывает величину гравитации не только в зависимости от координаты, но и от времени.
В системе GRACE1 для формирования карты гравитации используется метод объединения информации с двух практически одинаковых спутников. Один спутник следует за другим по той же орбите, при этом происходит постоянное измерение расстояния между спутниками с использованием устройств, работающих в СВЧ-диапазоне. Два спутника GRACE-FO будут работать принципиально по той же схеме с использованием излучателей в том же микроволновом диапазоне, что и в GRACE1, однако планируется запуск дополнительной экспериментальной системы с использованием лазеров, что гипотетически позволит улучшить точность измерения расстояния между спутниками в 20 раз. Фазовые модуляторы будут использоваться для стабилизации резонаторов в оптической системе. Запуск спутников намечен на 2017 год.
Микроволновая фотоника для бортовых спутниковых подсистем (проект)
За последние несколько лет производителями спутниковых систем связи были проанализированы инновационные концепции так называемой полезной нагрузки (аппаратуры космических аппаратов), основанной на технологиях фотоэлектроники. За это время были разработаны несколько типов архитектуры бортовых спутниковых подсистем, охватывающие различные области применения, включая аналоговые усилители на базе фотонных устройств, а также тюнеры для продвинутых антенных устройств, в которых реализованы цифровые методы формирования диаграммы направленности. Работу подобной архитектуры обеспечивают фотонные подсистемы, выполняющие вспомогательные дополняющие функции, способные заменить и расширить возможности радиочастотных подсистем. В число этих функций входят:
оптическая генерация/распределение излучения от гетеродинов;
преобразование (повышение или понижение) радиочастот;
маршрутизация µ-волновых сигналов в трансляторах;
интеграция фотоэлектронных устройств в системы формирования диаграммы направленности луча;
оптическая выборка для аналого-цифрового преобразования.
Оптические модуляторы играют ключевую роль в реализации указанных функций. К примеру, эффективное оптическое распределение сигнала от опорных генераторов требует низкой флуктуации фазы генератора, а также достаточной мощности источника оптического излучения для передачи сигнала нескольким приемникам. Метод передачи высокочастотного сигнала по ВОЛС через модуляцию тока накачки лазера (прямой метод) не осуществим на высоких частотах. В такой ситуации требуется внешний электрооптический модулятор. В частности, на рис.3 представлена схема метода оптической двухполосной модуляции с подавлением несущей частоты. В ней используется лазер с непрерывным излучением высокой мощности, а также ЭОМ, настроенный таким образом, что излучение на выходе имеет низкую интенсивность. При управлении модулятором с помощью опорного СВЧ-сигнала с частотой ωОГ/2 оптический сигнал на выходе содержит две полосы боковых частот. Частота сигнала с фотоприемника соответствует ωОГ.
Также использование ЭОМ (рис.4) позволяет повышать или понижать частоту радиосигнала. Кроме широкой полосы пропускания и возможности изоляции неограниченного количества входных портов важной особенностью ЭОМ является способность выполнять одновременно несколько частотных преобразований. Данная концепция проиллюстрирована на рис.5, где сигнал от оптического генератора с разными частотами подается на мультиплексор. В итоге, подавая на ЭОМ сигнал опорной частоты и усиленный сигнал от мультиплексора, на выходе после демультиплексирования получают набор сигналов с частотами, величины которых соответствуют разнице частот опорного сигнала и сигнала оптического генератора.
Тестовые эксперименты для получения разрешения использовать модуляторы в условиях космического пространства
Однако хорошие технические параметры не являются достаточным условием для использования ЭОМ в космосе. Необходимы еще и комплексные испытания. Они включают в себя радиационные испытания, испытания на ударопрочность и вибростойкость, климатические испытания, имитирующие эксплуатацию в условиях вакуума, циклические испытания в условиях высокой влажности и изменяющихся температур, тест на накопление статического электричества, проверку герметичности, количественный анализ выделяемых веществ из материалов, входящих в состав ЭОМ, разрушающий физический анализ. Результаты по всем проведенным экспериментам приведены в табл. 2.
LiNbO3-модуляторы производства Photline для космоса
За последние годы в компании Photline были проведены интенсивные тестовые эксперименты и разработаны методы улучшения конструкции ЭОМ для эксплуатации в условиях космического пространства.
В 2014 году в корпорацию NASA компания поставила восемь модуляторов, двое из которых интегрированы в систему GRACE-FO (напомним, ее запуск намечен на 2017 год, рис.6). Данные модуляторы планируется встроить в конструкцию уже действующих оптоволоконных гироскопов.
Кроме того, в 2014 году Photline подписала крупный контракт с компанией TESAT-SPACECOM (рис.7) по разработке и поставке модуляторов для терминалов лазерной связи, которые должны использоваться в системах межспутниковой связи.
Отзывы читателей
