Оптоэлектронные устройства преобразовывают электрическую энергию в световую и обратно. Это возможно благодаря оптическому модулятору, который находится внутри — прибору, регулирующему световой сигнал. В нем есть волновод («трубка» для света) и металлический электрод, который им управляет. Из-за контакта этих двух компонентов друг с другом возникает потеря сигнала вплоть до 100 децибелов для некоторых типов волн. Это означает почти полное затухание — так появляются сбои в телевизоре и неполадки с интернетом, а если оптическая связь используется для навигации дронов, — и вовсе потеря управления. Ученые Пермского Политеха и ПНППК разработали метод, который позволяет уменьшить затухание света в оптических системах в сотни раз и за счет этого сократить количество технических неполадок.
Статья опубликована в журнале «Известия вузов. Приборостроение». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» при поддержке Министерства науки и высшего образования России.
Самый простой пример использования оптических технологий — телекоммуникации и интернет. Когда мы отправляем фото в соцсеть, телефон превращает его в электрические сигналы. Они передаются по оптическим устройствам, попадая в модулятор, который переводит их в световые импульсы. Затем свет «летит» на большие расстояния. В конце пути другой модулятор превращает свет обратно в электричество, а фото появляется у получателя. Подобные технологии связи также применяют в навигационных системах, современном медицинском оборудовании, в качестве датчиков, например, для мониторинга температуры и напряжений в экстремальных условиях.
– Внутри такого прибора находится волновод, состоящий в нашем случае из тонких волокон ниобата лития. По ним как по трубке передается свет. Металлический электрод контролирует его. Несмотря на тесную связь элементов, их совместное действие ослабляет сигнал света, так как металл поглощает проходящий сквозь него световой поток. Поэтому, когда импульс движется «на выход» и преобразуется обратно в электричество, происходят частичные потери. В некоторых случаях они могут достигать 100 дБ/см для одного типа световых волн, что означает практически полную потерю сигнала, – рассказывает Анна Булатова, аспирантка кафедры общей физики ПНИПУ, инженер-исследователь ПНППК.
Чтобы снизить потерю сигнала, между волноводом и электродом ставят тонкий материал, не проводящий ток. Такой слой по-простому называют «буферным». Его оптимальная толщина составляет 800–850 нанометров, но точных данных о том, как именно она влияет на проводимость, на текущий момент нет. Ученые Пермского Политеха и ПНППК подробно изучили этот вопрос и нашли оптимальные параметры для повышения эффективности оптических устройств.
– Результаты исследования потерь сигнала при различной толщине буферного слоя показали, что оптимальное значение — не больше 0,8 мкм, так как в противном случае волновод начнет трескаться и перестанет выполнять свою функцию. При толщине 0,8 мкм потери света становятся практически незначительными и снижаются до 0,03 дБ/см. В сравнении с зафиксированными случаями потерь до 100 дБ/см, то есть практически полного затухания, 0,03 дБ/см почти не влияет на передачу сигнала. Так, установленная оптимальная толщина в случае с телекоммуникациями позволяет обеспечить бесперебойную работу телевидения и интернета без внезапного отключения сети, – комментирует Виктор Криштоп, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, главный научный сотрудник ПНППК, доктор физико-математических наук.
Исследование ученых ПНИПУ и ПНППК помогло выявить идеальную толщину буферного слоя, которая позволит оптическим устройствам функционировать с минимальными потерями света. Это особенно важно для телекоммуникаций, сенсоров, медицинской техники и других сфер, где активно применяется оптоволоконная передача. Результаты эксперимента подтверждены тремя независимыми методами расчетов.