CC BY
18
УДК 535.3
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОЛИМЕРНОЙ НАНОФОТОНИКЕ
ДЛЯ СИНТЕЗА СЕНСОРНЫХ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
Александр Викторович Бритвин
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Никита Сергеевич Никитенко
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, ведущий инженер, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Виктор Федорович Плюснин
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
ул. Институтская, 3, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-23-85, e-mail: [email protected]
Арсений Викторович Поважаев
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, младший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Борис Викторович Поллер
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
В докладе рассматривается возможность создания полимерных структур для разработки сенсорных элементов и элементов телекоммуникационных систем. Рассматривается применение планарных волноводов с добавками люминофора в качестве датчиков акустических сигналов. Также рассматривается возможность применения планарных волноводов в качестве приемной антенны для передачи видео информации в телекоммуникационных системах.
Ключевые слова: планарно-волоконная оптика, люминесценция, датчик, телекоммуникационные системы.
RESEARCH ON POLYMER NANOPHOTONIC FOR SYNTHESIS OF SENSOR AND TELECOMMUNICATION DEVICES
Alexander V. Britvin
Institute of Laser Physic SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Nikita S. Nikitenko
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Leading Engineer, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Victor F. Plyusnin
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 3, Institutskaya St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)333-23-85, e-mail: [email protected]
Arseniy V. Povazhaev
Institute of Laser Physic SB RAS, 15 B, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Boris V. Poller
Institute of Laser Physic SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Head of Laboratory, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
The report considers the possibility of creating polymer structures for the creation of sensory elements and elements of telecommunication systems. The application of planar waveguides with phosphor additives as sensors of acoustic signals is considered. We also consider the possibility of using planar waveguides as a receiving antenna for the transmission of video information in telecommunication systems.
Key words: planar-fiber optics, luminescence, sensor, telecommunication systems.
Развитие физики полимеров и нанооптики является базой для развития полимерной нанофотоники, включающей в себя исследования полимерных структур (пленки, волокна и др.) в состав которых вводятся различные наночастицы и квантовые излучатели в виде молекул люминофоров [1-3], также в состав полимерной нанофотоники входят жидкокристаллические полимеры как преобразователи параметров оптических пучков.
Размещение молекул люминофоров в пленках изоптических полимеров открывает возможность преобразования по спектру и во времени оптических импульсных информационных сигналов, падающих на поверхность пленки.
Введение в полимерную пленку также специальных микро- и наночастиц позволяет регистрировать изменения параметров физических полей, воздействующих на эти частицы и на саму пленку [4-7].
Модель полимерной сенсорной структуры - мультисенсора, реагирующей на магнитные и акустические сигналы представлена на рис. 1.
ПВ
АС (J,Af)
•с*. Евых (Аг)
M (х, у}
ЛИ (Е, Ai)
нанослои
о о ° ° Ж ° № ~ - -Q
V//////////////////////////7f//////A
подложка
Рис. 1. Структура мультисенсора:
ПВ - планарный полимерный волновод; МЧ - микрочастица; ЛИ - лазерный импульс; ЛМ - люминофор; АС - акустический сигнал.
Принцип работы этого мультисенсора заключается в преобразовании падающих на поверхность планарного волновода лазерных импульсов с облученностью Ег и длиной волны Х], на длину волны Х2 и модуляцией выходного сигнала внешним воздействием (например, акустическим сигналом) на волновод и изменяющим характеристики распространения оптического сигнала в нем, и создающие облученность Евых(Х2) на входе фотоприемника лазерного приемопередающего блока. Нанослой на поверхности планарного волновода наносится для улучшения эксплуатационных характеристик и расширения функциональных возможностей.
За счет переизлучения принимаемого импульса люминофором (элементы в десятки нанометров) с квантовой эффективностью п и временем преобразования Тпи в волноводе распространяется за счет полного внутреннего отражения оптический сигнал с выходной мощностью Рг на торце световода.
Для исследованных нами полимерных планарных волноводов [2] усиление Кдв облученности составило Кпв=Евых/ЕУФИ > 70.
Известно, что большинство молекул полимера имеет вытянутую структуру длиной до нескольких тысяч нанометров с диаметром в десятки нанометров.
Микрочастица (из немагнитных материалов) размером от нескольких микрон до сотен нанометров в полимерной матрице образует упруго-резонансную структуру, по-разному реагирующую на акустические колебания из-за разных значений модулей упругости материалов и разных скоростей распространения акустического сигнала в материалах. В результате будут происходить смещения микрочастиц под действием акустического сигнала, что приведет к изменению характеристик распространения вторичного излучения от атомов и молекул люминофоров в полимерной матрице до выходного торца волновода. Также, при соответствующем закреплении тонкого планарного волновода длиной Ь акустический сигнал будет приводить к колебаниям выходного торца волновода, параметры которых будут зависеть от интенсивности и частоты колебаний. Для этих целей разработаны акустические сенсоры на планарных волноводах толщиной от 50 мкм до 80 мкм, имеющие чувствительность до 25 дБ в области сотен Гц.
Микрочастицы из магнитных материалов (железо, никель и т.п.) в полимерном планарном волноводе образуют ансамбли, согласованно реагирующие на изменение магнитного поля и влияющие на траектории распространения внутренних и выходных оптических импульсов. Исследования показывают [9], что торцы прозрачных планарных полимерных волноводов длиной 30 мм и толщиной в десятки мкм с магнитными частицами размером менее 450 нм также смещаются на несколько мм при воздействии полей до сотен микротесла, что открывает возможность одновременного контроля акустических и магнитных сигналов.
В общем случае чувствительность мультисенсора определяется концентрацией микро и наночастиц - пМЧ , их площадью БМЧ и расположением плоскости отражения А и самой частицы в планарном волноводе.
Обнаружено квазилинейная зависимость величины отклонения торца полимерной микропленки с магнитными наночастицами от величины внешнего
магнитного поля. При угловом смещении частицы размером в 1000 нм на 100 нм, угол отражения излучения люминесценции изменится на десятки минут, соответственно изменяются параметры Евых(Л,2) и М {х, у}. Тогда общее выражение для оценки влияния акустического сигнала интенсивностью Ji вызывающее микроперемещения частиц на единицы и десятки нанометров - Ali:
Евых fe ^ ^z) = {Е W} {Ali }пмч (x, y, z) •f • КПВ (1)
где Кпв - коэффициент передачи планарного волновода без микрочастиц, пмч(х,у,2) - концентрация частиц в объеме волновода; f - фактор формы частицы.
При известных спектральных и временных параметрах акустического сигнала чувствительность мультисенсора может быть значительно улучшена за счет выбора люминофора с соответствующим временем переизлучения и соответствующих временных параметров лазерного импульса.
Также для измерения характеристик тепловых полей в зоне расположения сенсоров может быть использован известный эффект изменения кинетики люминесценции при изменении температуры, на основании которого разработаны люминофорные датчики на диапазон от минус 200 до плюс 200 градусов Цельсия [4]. В этом случае, необходимо контролировать временные параметры входных лазерных и выходных оптических импульсов.
Имеется также возможность контроля параметров внешней атмосферы за счет использования во внешней оболочке полимерного волновода полимеров, изменяющих коэффициент преломления при появлении опасных газов, таких как, например метан. При этом в волноводе будут изменяться условия полного внутреннего отражения, что приведет к изменению параметров выходных оптических импульсов [5].
Сенсорные модули на основе полимерных оптических элементов могут быть реализованы в объеме нескольких кубических сантиметров и получать энергию за счет передающего оптического луча. Экспериментальный образец макета сенсора представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид элемента макета сенсора с двумя микропленками
2
толщиной по 100 мкм и площадью по 15 мм
Испытания показали, экспериментальную оценку чувствительности по постоянному полю элемента сенсора около 300 мкТл/мкм или около 80 мкВ/мкТл.
Ожидаемая оценка чувствительности для оптимизированного элемента микросенсора с растровым измерителем и точным усилителем может составить десятки нанотесла в градиентном режиме. По сейсмическому сигналу получена оценка чувствительности микросенсора до 2 мкВс/мкм.
Принципиальное отличие рассматриваемых нами методов построения сенсорных устройств заключается в том, что в чувствительном элементе не используются электрические цепи, сам элемент выполняется из полимерных материалов: микропленки; оптические волноводы; корпуса. Эта особенность позволяет значительно увеличить помехоустойчивость измерений, снизить габариты и энергопотребление.
В общем случае связь между чувствительностью или обнаружительной способностью у и характеристиками исследуемого микросенсора на микропленке определяется следующими параметрами [9]. Параметры микропленки: длина, ширина, толщина, модуль Юнга полимера, характеристики нанослоев на поверхности пленки, конфигурация пленки (прямоугольная, трапеция, овал и др.), изменение толщины пленки, наличие перетяжек. Параметры ансамбля микро и наночастиц: средний диаметр, плотность g, магнитные характеристики. Координатные характеристики расположения частиц в микропленке - зависимость концентрации частиц на единицу объема от координат центра объема.
Исследование телекоммуникационных свойств полимерных волноводных структур с люминофорами для приема сигналов от удаленного ультрафиолетового передатчика показывает, что пропускная способность линии связи Спр. в первую очередь зависит от времени переизлучения оптического импульса люминофором Тлм и временем распространения преобразованных импульсов до фотоприемника - Т распр.
Учитывая, что мощность принятого сигнала Рс зависит от квантовой эффективности люминофора q, то в общем случае пропускная способность (без учета фоновой помехи) полимерной люминофорной антенны будет определяться соотношением
С пр.= ^ (Рвх ) [ 1/ (Т лм+ Т распр. )]}.
Так как в полимерной структуре можно использовать несколько люминофоров на разные длины волн с Тлм в несколько нс, то суммарная пропускная способность линии может достигать десяти Гбит/с.
Возможная структура полимерной планарно-волоконной антенны для оп-торадиоволнового заоблачного ретранслятора лазерных сигналов со спутника представлена на рис. 3.
Для создания лазерных телекоммуникаций управления малыми БПЛА была разработана и испытана УФ линия передачи цветных видеосигналов между БПЛА. Для формирования УФ сигналов использовались отечественные образцы УФ диодов, разработанные АО «НИИПП» с участием ИЛФ СО РАН и
ЗАО «СКБ». Макетный образец полимерной антенны для приема УФ цветных видеосигналов представлен на рис. 4.
1 - оптический анализатор
2 - оптический усилитель
3 - оптоэлектронный блок
4 - оптический коммуникатор
5 - матрица лазеров
6 - модулятор
Рис. 3. Пленочная антенна для опторадиоволнового ретранслятора
Рис. 4. Макет полимерной антенны для приема сигнала телекоммуникационных систем
Применение данного вида полимерных антенн позволяет получить необходимые диаграммы приема сигналов во время движения БПЛА и обеспечить высокую помехоустойчивость лазерной телекоммуникации к естественным и искусственным помехам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полимерные нанокомпозиты. Под ред. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. - М. : Техносфера, 2011. - 688 с.
2. Новотный Лукас, Хехт Берт. Основы нанооптики. Пер. с англ. / Под ред. В. В. Са-марцева. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 484 с.
3. Баника Ф.-Г. Химические и биологические сенсоры: основы и применения. - М. : Техносфера, 2014. - 880 с.
4. Поллер Б. В. Ультрафиолетовые лазерные информационные системы. Состояние и перспективы развития // ГЕ0-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск : СГГА, 2005. Т. 6, ч. . - С. 21-24.
5. Бритвин А. В., Поллер А. Б., Поллер Б. В., Кусакина А. Е. Характеристики преобразования оптических сигналов в полимерных пленках с люминофорами, с наночастицами железа // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотех-нологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА,
2012. Т. 2. - С. 22-26.
6. Структура и функциональные возможности лазерной информационно-сенсорной системы для дистанционного контроля объектов в труднодоступных зонах / А. В. Бритвин, А. Б. Поллер, Б. В. Поллер, Ю. И. Щетинин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. 19-й Междунар. науч.-техн. конф., Воронеж, 16-18 апр. 2013 г. - Воронеж: САКВОЕЕ,
2013. - Т. 1. - С. 178-184.
7. Бритвин А. В., Жумагулов Б. Т., Калимолдаев М. Н и др. // Комплексные системы мониторинга нефтепроводов на базе лазерных и пленочных технологий, Т-Сошш: Телекоммуникации и транспорт. - № 3. - 2013. - С. 51-54.
8. Бритвин А. В., Глушков Г. С., Никитенко. Н. С. и др. Вопросы построения и результаты экспериментальных исследований средств лазерно-радиоволновой наземно-космической связи и мониторинга // III всероссийская научно-техническая конференция «Системы связи и радионавигации», г. Красноярск, 22-23 сентября, 2016. - С. 387-390.
9. Алексеев Д.В., Бритвин А. В., Орлов С. Г.и др.О свойствах полимерных планарных и волоконных оптических волноводов с микрочастицами и перетяжками // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. - Т. 4, ч. 2. - С. 22-26.
10. Характеристики энергоинформационной модели и методов построения телекоммуникационной и квантово-криптографической лазерной системы спутниковой связи / Б. Д. Борисов, А. В. Бритвин, А. В. Зверев и др. // Проблемы информатики. - № 1. - 2013. -С. 69-75.
11. О характеристиках опторадиоволновых ретрансляторов для лазерных наземно-космических сетей и линий связи в условиях облачности / А. В. Бритвин, С. И. Коняев, Б. В. Поллер, Ю. И. Щетинин // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. -С. 64-68.
© А. В. Бритвин, Н. С. Никитенко, В. Ф. Плюснин, А. В. Поважаев, Б. В. Поллер, 2018
