Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров


Основными стратегическими направлениями развития современной лазерной техники, которые в значительной степени определяют национальную безопасность, являются создание высокоскоростных и защищенных средств оптической связи и нового поколения комплексов высокоточного оружия, управляемых лазерными системами. Определяющими компонентами этих систем являются полупроводниковые источники излучения (лазеры, суперлюминесцентные и светоизлучающие диоды, передающие оптические модули) и фотоприемные устройства.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 1
Участок создания зеркал полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковый лазер – один из самых сложных с точки зрения технологии прибор, к которому предъявляются высокие требования по точности и параметрам. К примеру, сегодня институт переходит к созданию перспективных каскадных лазеров, для которых требуется изготовление структур, толщина которых составляет всего несколько единиц нанометров. Владимир Александрович Симаков (руководитель направления полупроводниковых лазеров и технологий в «Полюсе»), чтобы объяснить трудность стоящей задачи, приводит следующее сравнение: «Вот представьте бутерброд, размером с Московскую область. При этом толщина активного слоя должна быть 1 см – ни больше, ни меньше. Более того, слой должен быть однородным и иметь заданный состав. Не будет задан состав, не будет излучения на требуемой длине волны – это физика. А если не будет требуемой длины волны, вы не сможете использовать лазер для накачки твердотельных лазеров, где надо попасть в интервал длин волн 808±3 нм».

Рис.1 Мощные импульсные одноэлементные лазерные диоды (905 нм)
ПараметрыДЛ-120CVD-682950PGAUIS16SPLPL90
ПолюсLaser Diode Incorporated
USA
High Power Devices
USA
Perkin Elmer
USA
Osram
Германия
Мощность импульса излучения, Вт2525252225
Размер области излучения, мкм100400380400200
Длительность импульса излучения, нс10050200160100
Частота повторения импульсов излучения, кГц30202510

Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 2 Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 3
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 4
Рис.2 Создание мощных импульсных одноэлементных лазерных диодов ДЛ-120 (905 нм) позволило увеличить прицельную дальность поражения ПТРК «Корнет-ЭМ»
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 5
Рис.3 Повышение выходной мощности лазеров
В твердотельном лазере есть активный элемент, зеркала, образующие резонатор, модулятор (допустим, электроили акустооптический затвор, который будет задавать частоту повторений), блок питания и т. д. Все это можно разобрать по частям, изучить, заменить. Полупроводниковый же лазер представляет собой единую конструкцию, в которой объединены и активный элемент, и резонатор, и система накачки. Его нельзя разложить на составляющие, нельзя заменить отдельные элементы – только лазер целиком.

С другой стороны, если удалось создать полупроводниковый лазер с требуемыми характеристиками, то эксплуатация его проще, чем у твердотельного лазера. Ведь, с точки зрения схемотехники, полупроводниковый лазер – это диод (его так и называют – «лазерный диод»). Можно собрать электрическую схему, подключить туда лазерный диод, и он заработает. К примеру, во всех известных медицинских приборах таких, как «Узор» («Восход-КРЛЗ»), «МИЛТА», «РИКТА», «Витязь» (МИЛТА-ПКП-ГИТ), «Мустанг» («Техника»), «ЛИТА» (ВНИИМП), «Азор» и многих других, стоит один и тот же излучатель серии ЛПИ, разработанный на «Полюсе». «Сложно сделать уникальный лазер, а все остальное сделать проблемы нет», – комментирует В.А. Симаков.

Таблица 1. Сравнительные характеристики серийно выпускаемых лазеров импульсного режима работы и изделия ЛПИ-122
№ п/пНаименование параметра, единица измеренияИзделие
ЛПИ-101ЛПИ-102ЛПИ-121ЛПИ-122
1 Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт не менее 4 Вт в конусе с углом при вершине 40° в НКУ не менее 3 Вт в конусе с углом при вершине 40°в НКУ не менее 6 Вт в конусе с углом при вершине 40° в НКУ не менее 20 Вт в конусе с углом при вершине 30° в диапазоне температур от минус 50ºС до плюс 65ºС
2Размер излучающей области, мкм450450400200
3Частота повторения импульсов лазерного излучения, кГц661230
4Средняя наработка до отказа, количество импульсов5 х 1086 х 1084 х 1091011
5Неравномерность интенсивности излучения по ширине области накачки, %Не заданоНе заданоНе заданоНе более 30 %


Выполнение качественной разработки и организации последующего серийного выпуска полупроводниковых лазеров возможно только при наличии современной высокотехнологичной базы: от выращивания эпитаксиальных наногетероструктур и формирования активных элементов (чипов) до изготовления законченных приборов и их тестирования в соответствии с требованиями заказчика. НИИ «Полюс» разрабатывает и производит широкую номенклатуру изделий: от мощных импульсных полупроводниковых лазеров с высокой энергетической яркостью для систем управления малоразмерными скоростными объектами до широкополосных (1–12 ГГц) волоконно-оптических передающих и приемных модулей для управления фазированными антенными решетками и высокостабильных источников накачки космических атомных стандартов частоты системы ГЛОНАСС.

Полупроводниковые источники излучения систем управления высокоточного оружия

Необходимость управления движением скоростных и малоразмерных реактивных боеприпасов в условиях пониженной видимости требует разработки полупроводниковых лазеров с повышенной яркостью и мощностью излучения, работающих на повышенных (несколько десятков кГц) частотах повторения световых импульсов. В большинстве практически важных применений средняя мощность импульса лазерного излучения должна составлять десятки ватт. При этом для снижения массогабаритных показателей оптических систем, используемых для формирования оптического луча малой расходимости, требуется, чтобы размер тела излучения полупроводниковых лазеров составлял 100–200 мкм, а основной поток генерируемой световой энергии был сконцентрирован в конусе с углом при вершине не более 30 градусов. Необходимость круглосуточной работы оптических средств накладывает дополнительные требования по ресурсу работы лазеров. Реально эта величина достигает 1011 импульсов.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 6
Рис.4 Создание мощных импульсных многоэлементных решеток лазерных диодов ИЛПИ-135 (850 нм-100Вт) позволило разработать неконтактно-контактные лазерные взрыватели с непрерывной круговой диаграммой излучения с адаптивным временем подрыва ЗРК «Сосна», что обеспечивает гарантированное уничтожение любой малоразмерной цели
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 7
Рис.5 Морской зенитный ракетно-артилерийский комплекс ближнего рубежа обороны «Пальма» для практически гарантированного поражения всех средств воздушного нападения, в том числе противокарабельных ракет, атакующих корабль, на малых и сверхмалых высотах.
Наибольшие успехи достигнуты при разработке и организации серийных поставок мощных импульсных полупроводниковых лазеров. В качестве показателя уровня технологии на рисунке 1 представлены сравнительные характеристики изделия ДЛ-120 (главный конструктор В.П. Коняев) разработки НИИ «Полюс» и лучших образцов мировых лидеров в данной области.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 8
Рис.6 Создание излучателей ИЛПИ-131 (870нм-1000Вт) позволило создать принципиально новую систему дистанционного управления временем подрыва малокалиберных боеприпасов комплексов «ДеривацияПВО» Результаты автономных предварительных испытаний показали увеличение эффективности поражения более чем в 8 раз.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 9
Рис.8 Принцип работы эпитаксиальноинтегрированного лазера
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 10
Рис.7 Конструкция активного элемента
ДЛ-120 ни в чем не уступает американским и немецким лазерам. Но «Полюс» обеспечивает ряд сложнейших требований, обусловленных эксплуатацией изделий в реальных условиях. Следует отметить, что за последние годы поставлено заказчикам несколько тысяч изделий. Можно сказать, что искусство превратили в технологию. Наиболее показательным применением этих изделий являются высокоэффективный ракетный комплекс «Корнет», разработанный ЦНИИ «Точмаш» и Тульским КБ приборостроения (рис. 2).

Достигнутый в последние годы значительный прогресс в технологии изготовления полупроводниковых лазеров в НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха и многолетний опыт совместных работ с Тульским КБ Приборостроения и Калужским заводом «Восход» позволили разработать лазер ЛПИ-122 (главный конструктор В.А. Симаков), в состав которого входят мощный лазерный диод и источник импульсов тока накачки, и подготовить его серийное производство. Сравнительные характеристики серийно выпускаемых лазеров импульсного режима работы и изделия ЛПИ-122 приведены в таблице 1.

Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что изделие ЛПИ-122 значительно превосходит серийные лазеры по импульсной мощности излучения, частоте повторения импульсов излучения и надежности при значительно меньшем размере излучающей области в сочетании с высокой однородностью распределения излучения и степенью поляризации излучения. В совокупности это означает, что разработано комплектующее изделие межотраслевого применения с высокой степенью востребованности и готовности к серийному производству.

На сегодняшний день поставлена задача поднять до ста раз энергетический потенциал изделий данного класса. В результате проведенных работ по всем направлениям повышения мощности излучения (рис. 3) были созданы двумерные наборные матрицы лазерных диодов. Основные технические решения нашли конкретное применение при разработке излучателей ИЛПИ-135, ИЛПИ-131 (главный конструктор Ю.П. Коваль), которые используются в составе комплексов «Сосна», «Пальма», «Деривация» (рис. 4–6).

Дальнейший прогресс оптико-электронных средств высокоточного вооружения требует в несколько раз увеличить энергетический потенциал излучателей при минимально возможном размере излучающей области. Реально необходимо обеспечить более 1000 Вт/мм2. НИИ «Полюс» делает ставку на создание излучателей на основе эпитаксиально-интегрированных наногетероструктур (рис. 7 и 8). В едином процессе эпитаксиального роста последовательно формируются несколько лазерных гетероструктур, соединенных посредством туннельного перехода. Достигнуто увеличение квантовой эффективности лазерных диодов с двумя активными областями в 1,7– 2,0 раза, с тремя – в 2,5–3,0 раза, с четырьмя – в 3,4–4,0 раза.

Это позволяет создать и производить в необходимом количестве источники лазерного излучения мощностью более 1000 Вт/мм2, что более чем в 100 раз превышает результаты, полученные на обычных конструкциях лазерных диодов. Достигнутые результаты обсуждались на международных конференциях и опубликованы в известных изданиях, что в очередной раз подтверждает высокий уровень разработок института (рис. 9).
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 11
Вадим Павлович Коняев
Проведенные работы позволили создать унифицированный ряд полупроводниковых лазеров различных спектральных диапазонов, включенных в перечень разрешенных к применению изделий ЭКБ (рис. 10).

В последние годы достигнут значительный прогресс в создании мощных непрерывных полупроводниковых лазеров, что позволило провести разработку и обеспечить поставку потребителям нескольких тысяч излучателей ИЛПН-133 (главный конструктор В.П. Коняев) (рис. 11).
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 12
Рис. 9 Достигнуты рекордные значения (Физика и техника полупроводников, 2010, т.44, №2, с.251-255)
Полупроводниковые источники излучения для системы ГЛОНАСС

За последние 15–20 лет в жизнь буквально ворвалось техническое новшество, сразу получившее глобальное распространение и самое широкое применение, причем не только для сложных научных и технологических целей, но и активно востребованное на бытовом уровне. Этим новшеством является Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Глобальность систем обеспечивается функционированием на орбитах набора видимых из любой точки Земли спутников, непрерывно передающих высокоточные измерительные сигналы. Тем самым вокруг нашей планеты создано как бы информационное координатно-временное поле, находясь в котором, пользователь с помощью специального приемника может черпать из него данные о своем положении в пространстве и времени.

Базовым прибором, обеспечивающим высокоточное навигационное и временное обеспечение глобальных систем позиционирования, является стандарт частоты на основе атомно-лучевой трубки (АЛТ). Серийно выпускаемые в настоящее время АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний практически достигли предела совершенствования. Значительное улучшение характеристик АЛТ возможно за счет принципиально новой схемы лазерного возбуждения и регистрации атомного пучка.

Использование оптических методов в атомно-лучевых трубках позволяет заменить магнитную селекцию атомов по состояниям более эффективными методами – оптической накачкой и оптическим детектированием. В результате упрощается геометрия и конструкция прибора, снижается его вес, существенно повышается эффективность использования рабочего вещества и амплитуды выходного сигнала.

Наиболее перспективными для использования в АЛТ являются одночастотные полупроводниковые излучатели, которые отличаются исключительно малыми весом, габаритами, простотой накачки и высокой эффективностью преобразования электрической энергии в когерентное излучение в диапазоне длин волн 850–895 нм, охватывающих область резонансных оптических переходов в атомах цезия.

В перспективных требованиях к системе ГЛОНАСС до 2030 года определяют требование по эквивалентной погрешности дальности на уровне приблизительно 0,15 метра. Это требование достижимо при условии развития бортовых стандартов частоты космического аппарата ГЛОНАСС, в том числе достижения суточной нестабильности на уровне не более 5·10–15 и менее. Уверенно можно говорить о повышении точностных характеристик при использовании оптических методов в 5 раз по сравнению с существующими (стоящими на дежурстве) АЛТ с магнитной селекцией. В целом неточность таких промышленных бортовых стандартов частоты составит не более 1 с за 100 млн. лет.

Рис. 10
Наименование параметра, единица измеренияМодель полупроводникового лазера
32ДЛ-52632ДЛ-526-132ДЛ-526-243ДЛ-527
Длина волны лазерного излучения, нмλ870-930940-9701030-10701540-1560
Длина импульса лазерного излучения, нсt100100100100
Частота повторения импульсов излучения, ГцF5000500050005000
Средняя мощность импулься лазерного излучения, ВтP100010001000100
Размер области излучения, мкм1000х10001000х10001000х10001000х1000


В последние годы проведена СЧ ОКР «Разработка образцов высокостабильных излучателей на длины волн 780 нм, 794,7 нм и 852 нм на основе одночастотных полупроводниковых лазеров с шириной линии генерации не более 10 МГц для космических квантовых стандартов частоты» (В.Д. Курносов и А.В. Иванов), рисунок 12.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 13 Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 14
Рис. 11 Создание высокоэффективного полупроводникового излучателя ИЛПН-133 (1060 нм)решило задачу резкого улучшения эксплуатационных характеристик прицела наводчика БМД-4М «Бахча» за счет замены твердотельного лазера на АИГ: Nd с принудительным охлаждением. Улучшение надежности и массагабаритных показателей позволило разместить в боевом отделении систему тепловидения для ведения боевых действий ночью.
Схематично конструкция активного элемента лазера с дифракционной решеткой и коллимирующей оптикой представлена на рис. 13. Принцип работы излучателя заключается в селекции типов колебаний резонатора лазерного диода (ЛД) за счет применения брэгговской решетки. На грань кристалла ЛД, обращенной к решетке, наносилось просветляющее покрытие, на противоположную грань наносилось защитное покрытие.

Создание ЭКБ для высокоскоростных и защищенных средств связи

Аналоговые оптоэлектронные модули для ВОЛС

Для диапазона частот модуляции 1–12 ГГц единственным способом реализации технических требований для систем специального назначения, предназначенных для передачи информации на расстояния более 100 м, является применение волоконно-оптических линий связи, так как потери на один километр в коаксиальном кабеле составляют 1500–2000 дБ, а в волоконно-оптическом кабеле не превышают 0,5–1,0 дБ.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 15
Рис. 12 Высокостабильный лазерный излучатель для накачки атомных космических стандартов частоты ГЛОНАСС
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 16
Андрей Викторович Иванов
Эти достоинства волоконно-оптических линий передачи СВЧ сигналов позволяют в перспективных корабельных АФАР перенести часть СВЧ аппаратуры из антенных постов в рубочные помещения. Обусловленное этим снижение массы и габаритов антенных постов будет способствовать скрытности и устойчивости корабля. При этом возникает возможность упрощения решения ряда задач как в СВЧ технике, так и в технологии изготовления. В частности, в системах с АФАР могут быть упрощены задачи: деления СВЧ мощности сигналов, возбуждение передающих модулей АФАР путем использования оптико-волоконных делителей вместо трудоемких и тяжелых волноводных; управления фазой этих СВЧ сигналов (фазовращатели) на основе коммутируемых отрезков ВОЛС. С учетом малых потерь в ВОЛС и их помехоустойчивости оптоволоконные делители мощности и фазовращатели могут быть исключены из состава АФАР и размещены в рубочных помещениях, где значительно меньше влияние дестабилизирующих факторов. Технические решения, реализованные на основе техники ВОЛС, нашли применение в зарубежных корабельных АФАР, например, в комплексе «SMART».

Новая перспективная аппаратура РЭБ должна решать задачу повышения неуязвимости объектов ВВТ (воздушных, наземных, надводных) от поражения средствами современного высокоточного оружия. Наиболее перспективным способом ее решения является формирование высокоэффективной ложной цели для электронных систем обнаружения, сопровождения и поражения за счет управляемой имитации радиолокационных эхо-сигналов обнаружения и сопровождения. При этом принятый сигнал обнаружения переизлучается с заданными спектральной характеристикой и временной задержкой для имитации сигнала ложной цели.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 17
Рис. 13. Схематичное изображение конструкции активного элемента лазера с дифракционной решеткой и коллимирующей оптикой
Среди современных устройств кратковременного запоминания радиосигналов можно выделить волоконно-оптические линии задержки (ВОЛЗ), в состав которых входят передающий и приемный оптические модули (ПОМ-ПРОМ) и катушка оптического волокна заданной длины. Принцип работы волоконнооптических линий задержки (рис. 15 и 16) заключается в следующем: принятый аналоговый информационный электрический сигнал модулирует оптический сигнал быстродействующего лазерного диода, имеющего оптоволоконный выход излучения в катушку с одномодовым оптическим волокном определенной длины, выходной конец которой состыкован с быстродействующим фотоприемником, осуществляющим обратное преобразование оптического сигнала в аналоговый модулированный сигнал. Длина оптического волокна определя ет величину времени задержки, которое может составлять десятки микросекунд (на 1 м волокна – 5 нс) при общей длине отрезка волокна 1–4 км. При этом реализуемы ВОЛЗ с несколькими отводами для переключения времени задержки сигнала. Малый вес и габариты одномодового оптического волокна (внешний диаметр волокна 250 мкм, диаметр намотки катушки 10 см, вес 1 км оптоволокна около 33 г) и приемопередающих оптических модулей определяют малые габариты и вес волоконно-оптического тракта и ВОЛЗ в целом, что в сочетании с высокими помехозащищенностью и скрытностью передачи информации обуславливает принципиальные преимущества такого вида ЛЗ.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 18
Рис.14 Удаленные антенные позиции
Волоконно-оптические линии задержки радиосигналов СВЧ-диапазона в сравнении с существующими аналоговыми и цифровыми устройствами запоминания и воспроизведения радиосигналов обладают следующими преимуществами:

  • сверхширокая полоса пропускания, низкие искажения сигнала, малые габариты, вес, высокая помехозащищенность и скрытность;
  • масса и габариты ВОЛЗ не менее чем на порядок ниже аналогичных характеристик запоминания и воспроизведения радиосигналов на аналоговых и цифровых линиях задержки; энергопотребление ВОЛЗ на 1–2 порядка меньше энергопотребления цифровых линий задержки СВЧ-сигналов;
  • использование ВОЛЗ не требует преобразования несущей частоты радиосигнала и применения сверхбыстродействующих микросхем аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования;
  • в спектре выходного сигнала ВОЛЗ отсутствуют побочные гармоники преобразования частоты, шумы квантования и дискретизации, что облегчает решение проблемы электромагнитной совместимости с радиоэлектронными средствами на борту летательного аппарата и повышает энергетические характеристики помеховых воздействий.

Указанные преимущества определяют следующие основные области применения комплекта широкополосных ПОМ и ПРОМ для ВОЛЗ в технике РЭП:

  • создание устройств формирования ложных радиолокационных эхо-сигналов для активных радиолокационных ложных целей для защиты воздушных, наземных и надводных объектов;
  • создание устройств кратковременного запоминания частоты для формирователей помеховых сигналов малогабаритной техники РЭП;
  • передача СВЧ-сигналов на значительные расстояния, например, для буксируемых активных радиолокационных ловушек.

Приоритетным является использование ВОЛЗ для создания аппаратуры помех для беспилотных летательных аппаратов, передатчиков помех одноразового использования и забрасываемых передатчиков помех.

Основными элементами, входящим в состав волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), являются передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) и приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ). Коэффициент передачи ПОМ-ПРОМ в этом диапазоне частот составляет величину минус 25 дБ – минус 30 дБ и определяется потерями на преобразование электрического сигнала в оптический, потерями на ввод и вывод излучения из одномодового волокна, потерями в оптическом разъеме, потерями на обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Сегодняшний этап этой работы – разработка и организация серийного производства принципиально новых малошумящих оптоэлектронных модулей (ПОМ и ПРОМ) с полосой модуляции 1–10 ГГц для волоконно-оптических систем передачи широкополосных аналоговых сигналов СВЧ-диапазона с компенсацией потерь преобразования для применения в перспективных и модернизируемых фазированных антенных решетках (ФАР), АФАР различного базирования с фазостабильными волоконнооптическими каналами контроля и диаграммообразования, в аппаратуре спутниковой связи, в дистанционно управляемых наземных постах разведки и целеуказания, в перспективной аппаратуре РЭБ.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 19
Рис. 15 ФАР с оптическим диаграммообразующим устройством
Задача компенсации этих потерь решена за счет введения в состав ПОМ и ПРОМ малошумящих усилителей (МШУ) сигнала. Усилители сигнала, необходимые для компенсации потерь преобразования, разработаны ЗАО «НПП «Планета Аргалл», г. Великий Новгород, по ЧТЗ, согласованному с АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха». Созданы передающие оптические модули ПОМ-28–1 и ПОМ-28–2 и приемные оптические модули ПРОМ-16–1 и ПРОМ16–2 (главный конструктор А.В. Иванов) (рис. 17–20).
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 20
Рис. 16 Использование буксируемых средств РЭБ
Цифровые оптоэлектронные модули для ВОЛС

Решающий успех ведения боевых действий в современных условиях в значительной мере определяется уровнем информационного обеспечения стационарных и мобильных развертываемых командных пунктов управления. Оперативность и адекватность принятия решений прямо зависят от возможности доступа к различного рода информации в необходимом объеме за минимально возможное время. Разработка новых высокоточных систем вооружения и модернизация существующих типов ВВТ обусловили значительный рост информационных потоков. При этом существующие системы обмена данными с ограниченной пропускной способностью уже не соответствуют современным требованиям. В настоящее время проводятся интенсивные исследования по разработке новых, нестандартных технологий передачи информации на основе широкого применения волоконно-оптических средств передачи информации и совершенствования в целом технических характеристик связных технологий. В связи с этим разработка современной оптоэлектронной элементной базы для цифровых локальных информационных сетей (ЛИС) является актуальной задачей.

В НИИ «Полюс» разработаны и освоены в опытном производстве оптоэлектронные передающий ПОМ–24 и приемный ПРОМ–12 (главный конструктор А.В. Иванов), (рис. 21) модули для волоконно-оптических локальных информационных сетей кольцевой топологической структуры построения со скоростью передачи данных до 120 Мбит/c.

Назначение ПОМ–24 – преобразование цифровых электрических сигналов в оптические. В качестве активного элемента в ПОМ-24 использован СИД с широким спектром излучения на основе двойной гетероструктуры соединений InP/ InGaAsP.

Назначение ПРОМ–12 – преобразование оптических сигналов в выходные цифровые электрические сигналы. В качестве активного элемента в ПРОМ-12 использован p-i-n фотодиод с активным диаметром 70 мкм на основе двойной гетероструктуры соединений InP/InGaAs.

Принципиальным отличием разработанных ПОМ и ПРОМ от выпускавшихся ранее модулей является высокая готовность к совместимости с существующими проводными цифровыми системами передачи информации. Для решения этой задачи при разработке конструкции модулей в состав ПОМ был введен цифровой модулятор, а в состав ПРОМ –усилитель и формирователь выходных уровней, выполненные по гибридно-интегральной технологии. В результате при установке ПОМ в цифровой тракт передачи данных ЛИС обеспечивается непосредственное электронно-оптическое преобразование входных электрических ТТЛ импульсов в импульсы излучения с длиной волны 1310 нм. В ПРОМ происходит обратное оптоэлектронное преобразование импульсов излучения в выходные электрические сигналы в уровнях ТТЛ.

Полупроводниковые источники накачки малогабаритных всепогодных твердотельных лазеров для систем дальнометрии и целеуказания

НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха ведет разработку и производство наземных лазерных целеуказателей-дальномеров (ЛЦД) с середины 70-х годов прошлого века. За прошедшее время разработано 4 поколения ЛЦД, последняя разработка ОКР «Визир» по созданию унифицированных ЛЦД для межвидового применения завершена в декабре 2009 года.

Все существующие типы разработанных ЛЦД (1Д15, 1Д20, 1Д22, 1Д22С, 1Д22М, 1Д26, 1Д26М, 1Д29) базируются на применении в качестве излучающего канала твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Совершенствование ТТХ ЛЦД в течение прошедших 30 лет велось в направлении снижения массогабаритных характеристик, повышения дальности действия, снижения энергопотребления, развития многофункциональности, комплексирования со средствами наблюдения и вычислительной техники.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 21
Рис. 17
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 22
Рис. 18
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 23
Рис. 19
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 24
Рис. 20 Зависимости коэффициента шума Кш (зеленая) и передачи Кп для ПОМ-28-1 и ПрОМ-16-1
Опыт последней проведенной разработки в ОКР «Визир» показал, что в настоящее время достигнут предел по миниатюризации аппаратуры класса ЛЦД при использовании ламповой накачки в лазерном канале.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 25 Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 26
Рис. 21 Приемный (ПрОМ-12) и передающий (ПОМ-24) цифровые (TTL) модули для мобильных командных нунктов (до 120 Мбит/с)
Например, типовое значение массы приемопередатчика, включающего лазерный канал подсветки и дальномера, приемный канал дальномера и дневной визирный канал с кратностью не менее 10 составляет порядка 6–7 кг, в которых собственно лазерный канал, включающий лазерный излучатель с ламповой накачкой, блок охлаждения лазерного излучателя, передающий телескоп, управляющую и питающую электронику, имеет массу до 3–4 кг.

Указанная масса по результатам проведенных государственных испытаний уже является критичной при применении вариантов наземного ЛЦД (1Д29–2, 1Д29–3) подразделениями специального назначения и абсолютно неприемлема при создании бортового оборудования для легких беспилотных летательных аппаратов (БЛА).

В то же время отсутствие таких БЛА, оснащенных компактным средством лазерного целеуказания, создает значительные ограничения в применении, например, высокоточных артиллерийских средств поражения с полуактивным лазерным наведением.

Действительно, при дальности стрельбы 20–25 км (управляемый артиллерийский снаряд типа «Краснополь») максимальная дальность подсвета наземного ЛЦД составляет 5–7 км. При реализации в перспективе дальности стрельбы до 50 км разница становится критической. Исходя из этого, давно назрела необходимость доставки средств лазерного целеуказания ближе к удаленной цели с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Но для оснащения легкого БЛА таким средством требуется кардинальное снижение массы и энергопотребления лазерного канала, что в настоящее время может быть реализовано при сохранении или улучшении его выходных параметров только с применением накачки другого типа – накачки полупроводниковыми лазерными излучателями.
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 27
Юрий Петрович Коваль
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 28
Сергей Михайлович Сапожников
Определенным недостатком полупроводниковых излучателей является сильная, примерно 0,3 нм/град., зависимость длины волны излучения от температуры, что требует их термостабилизации. При создании лабораторного и технологического оборудования это не является проблемой и решается применением термоэлектрических охладителей Пельтье, но требует значительного энергопотребления и увеличивает массу излучателя. Реальное же применение в системах дальнометрии и целеуказания на БЛА требует создания твердотельных излучателей массой 200–300 грамм, обеспечивающих энергию лазерных импульсов до 50 мДж при длительности 5–10 нс и частоте повторения до 20 Гц и работающих в диапазоне температуры от минус 500С до плюс 500С. С целью решения данной задачи проведен комплекс работ по созданию источников накачки (рис. 22) твердотельных лазеров и созданы решетки лазерных диодов:


  • 32ДЛ-523 (ОКР «Квант-3», главный конструктор В.А. Симаков) – многоспектральная решетка лазерных диодов, не требующая термостабилизации в диапазоне рабочих температур;
  • 32ДЛ-525А, 32ДЛ-525 Б (ОКР «Наногетероструктура», главный конструктор В.А. Симаков) – многоспектральная решетка лазерных диодов повышенной мощности;
  • гетеролазер ИЛПИ-138–1 (ОКР «Квант-17», главный конструктор С.М. Сапожников) – мощные гетеролазеры с повышенным ресурсом работы для систем полупроводниковой накачки ТЛ на основе АИГ: Nd3+;
  • гетеролазер ИЛПИ-138–2 (ОКР «Квант-17», главный конструктор Сапожников С.М.) – мощные гетеролазеры с повышенным ресурсом работы для систем полупроводниковой накачки ТЛ на основе стекла, легированного ионами Er, Yb.

В таблице 2 представлены основные технические характеристики разработанных изделий.

Таблица 2
Модель Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт, не менее Амплитуда импульсов тока накачки, А, не более Частота повторения импульсов излучения, Гц Длительность импульса лазерного излучения, мкс Длина волны лазерного излучения, нм (при Ткорп=20°С) Размер области излучения, мм Диапазон рабочих температур, °С
Параметры измеряются при температуре 20±3 °С
ИЛПИ-138–1 (ОКР «Квант-17»)250011022200808±45х10-50…50
ИЛПИ-138–2 (ОКР «Квант-17»)10007052500940±205х10-50…+50
32ДЛ-525А (ОКР «Наногетеро структура»)1300130202508075х4,5-40…+50
32ДЛ-525Б250025020200795…81210х5-40…+50
Параметры измеряются без стабилизации температуры
32ДЛ-523–1 (ОКР «Квант-3»)18007020100795±3, 809±3, 826±310х5 или 5х10-60…+65

Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 29
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 30
Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 31 Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров. Фото 32
Рис. 22. Образцы разработанных изделий для накачки активных элементов ТЛ
Для оценки технического уровня в таблице 3 приведены сравнительные характеристики гетеролазера ИЛПИ-138– 1 с аналогичным зарубежным образцом фирмы Lasertel (США) – Laser array LT5500 (S4), а также сравнительные характеристики изделия РЛД 32ДЛ-523 с зарубежным образцом фирмы Lasertel (США) – QD-Q1412-B (n).

Из данных, приведенных в таблице 3, видно, что по совокупности параметров оцениваемые изделия соответствуют техническому уровню зарубежных образцов. Основная разница заключается в оптической мощности, снимаемой с единичной линейки лазерных диодов, входящей в РЛД.

Таблица 3
Наименование параметра, ед. измеренияЗначение показателей
Гетеролазер ИЛПИ-138–1Зарубеж ный аналог LT-5500 (S4)Изделие 32ДЛ-523Зарубеж ный аналог QD-Q1412-B (n)Изделие 32ДЛ-525АИзделие 32ДЛ-525Б
1. Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт250024001500120013002500
2. Длина волны лазерного излучения, нм808808795, 808, 826790–820807795–812
3. Размер области излучения, мм5х1010х2,95х1010х3,635х4,510х5
4. Количество ЛЛД в решетке24936121212
5. Амплитуда импульсов тока накачки, А1063006095130250
6. Рабочее напряжение, В441660242222
7. Длительность импульса лазерного излучения, мкс200300100200250200
8. Частота повторения импульсов излучения, Гц2020201002020
9. КПД, %53,65041,7584545
10. Диапазон рабочих температур, °С-50…+50-40…+70-50…+65-40…+75-40…+50-40….+50
11. Тип накачкипоперечнаяпоперечнаяпоперечнаяпродольнаяпродольнаяпоперечная


В заключение отметим, что сегодня сочетание слов нанотехнологии, фотоника, инновации, привычные при обсуждении приоритетных направлений инновационного развития страны с экранов телевизоров, в НИИ «Полюс» понятны и активно реализуемы более 30 лет. Как показано выше, на предприятии создан уникальный комплекс высоких технологий, позволяющий выполнять на современном научно-техническом уровне сложнейшие задания и разрабатывать продукцию, иногда не имеющую зарубежных аналогов. Этого удается добиваться благодаря наличию собственной технологической базы и высококвалифицированного персонала. Именно это позволяет НИИ «Полюс» вести новые работы аналогично академическим институтам и производить в необходимом количестве изделия аналогично серийным заводам.
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1