Программно-аппаратный комплекс получения и обработки оптических рефлектограмм интегрально-оптических схем в частотной области Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019- Стендовые

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ РЕФЛЕКТОГРАММ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ

Шевцов Д.И.1, Пономарев Р.С.1, Барков Ф.Л.2, Бочкова С.Д.2'3, Владимирова Д.Б.3,

Константинов Ю.А.2*

1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь

2 Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН, г. Пермь 3 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь

* E-mail: yuri. al. konstantinov@ro. ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16168

Современное производство интегрально-оптических схем требует создания недеструктивного модифицированного метода высокоразрешающего распределенного рефлектометрического исследования фундаментальных процессов, протекающих в канальных волноводах различных типов, позволяющего получать объективные данные о флуктуациях показателя преломления и температурах в различных точках волновода, пригодные как для использования в качестве исходных для моделирования, так и для верификации иных моделей.

Таким образом, ставится задача - создание программно-аппаратного комплекса получения и обработки оптических рефлектограмм в частотной области. Макет, на котором проводилось исследование (рис. 1), состоит из стабилизированного узкополосного перестраивающегося с частотой порядка 10 Гц источника излучения, делителей, исследуемого образца, аналого-цифрового преобразователя и блока программной обработки. Подобные подходы достаточно хорошо описаны в литературе [4-6], данный стенд создавался с нуля для гибкой вариации параметров измерений. Исследуемый образец - интегрально-оптическая схема с отражателем внутри [1].

Рис.1 Макет испытательного стенда. 1 - перестраиваемый узкополосный источник излучения; 2,3,7 - делители, 4 - исследуемый образец; 5 - торцы волокна; 8 - фотоприемник

Опыт показал, что после первичных преобразований (в данном случае - преобразования Фурье) сигнал представляется достаточно защумленным. Было сделано предположение, что отражения, получаемые от элементов исследуемого образца, описываются известной функцией, зависящей от особенностей срабатывания фотодетектора, характеристик волновода и других технических и физических параметров, в то время как шумовая флуктуация формируется на стадии оцифровки и обработки сигнала. Для того, чтобы отделить полезный сигнал от шумовой компоненты, таким образом, необходима та самая функция, с которой требуется сличение полезного сигнала. На основе визуального сопоставления подобных всплесков, представленных в научной литературе [2], был выбран вейвлет Добеши [3]. Вейвлет Добеши (ОЬ) относится к семейству вейвлетов с компактным носителем и наибольшим числом нулевых моментов, что делает этот вейвлет применимым для анализа сигналов различной природы. Известно, что с возрастанием числа нулевых моментов возрастает гладкость вейвлета. Ортогональные вейвлеты Добеши с компактными носителями - это единственное ортогональное семейство базисных вейвлет-функций, которое имеет минимальный размер носителя при заданном числе нулевых моментов. Однако вейвлеты Добеши несимметричны относительно нуля и не имеют аналитической формы, коэффициенты этого вейвлет-преобразования рассчитываются итерационно. Именно набор весовых коэффициентов определяет разновидность вейвлет-преобразования Добеши и является его основной конечной импульсной характеристикой. Преобразование масштаба (скейлинговая функция) и непосредственно сам вейвлет Добеши определяются следующими соотношениями:

322 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

ВКВО-2019 Стендовые

cp(t) = V2£hkv(2t - к),

к=1 n

W(t) = 42£ gk@(2t - к).

к=1

Рис.2 Полученный после БПФ (изрезанный) и отфильтрованный (сглаженный) сигналы (4 вариации)

В ходе обработки сигналов данным вейвлетом было установлено, что всплески на образце, относящиеся к шумовой флуктуации, действительно легко удаляются фильтрацией. Это видно по областям 1 и 2 на всех четырех графиках. Участки, не охваченные областями 1 и 2, менее подвержены изменению. При гибких настройках фильтра можно подавить «входные» и «выходные» пики (левый -верхний график), отвечающие за стыковку интегрально-оптической схемы с оптическим волокном, гипертрофировав отражения внутри чипа. Несмотря на то, что проверка показаний стенда на аттестованном OFDR не выявила столь крупного отражения в центре интегрально-оптической схемы, авторы склонны предполагать, что некоторый дефект все же имеет место и отчетливо просматривается только после вейвлет-обработки сигнала. Аномально нарастающая по длине оптическая мощность может свидетельствовать об особенной геометрии канала волновода. Более основательные выводы можно будет сделать только после набора статистики по данному методу.

Авторы выражают благодарность инженеру лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН Клоду Д. за неоценимую помощь в проведении экспериментов и плодотворные дискуссии. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 19-48590018 р_а.

Литература

1. L. Thylen, L. Wosinski / Integrated photonics in the 21st century / Photonics Research / Vol. 2, Issue 2, pp. 75-81 (2014) https://doi.org/10.1364/PRJ.2.000075

2. Пономарев Р.С, Шевцов Д.И. / Опыт применения оптической рефлектометрии в производстве интегрально-оптических схем / Сб. трудов Всероссийской конференции «Оптическая рефлектометрия-2018», г. Пермь, с. 33-45

3. I. Daubechies/ Ten Lectures on Wavelets/https://doi.org/10.1137/L9781611970104

4. K. Yüksel, M.Wuilpart, V. Moeyaert, P.Megret / Optical frequency domain reflectometry: A review (INVITED) / 10.1109/ICT0N. 2009.5185111 /ICTON 2009: 11th International Conference on Transparent Optical Networks

5. B.J. Soller, D.K. Gifford, M.S. Wolfe, M.E. Froggatt / High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies / Optics Express Vol. 13, Issue 2, pp. 666-674 (2005) https://doi. org/10.1364/OPEX. 13.000666

6. Барков Ф.Л., Константинов Ю.А., Бочкова С.Д., Смирнов А.С., Бурдин В.В., Кривошеев А.И., Носова Е.А., Сметанников О.Ю., "Моделирование метода поляризационной оптической рефлектометрии в частотной области анизотропных волоконных световодов, подверженных осевому кручению", Квантовая электроника, 49:5 (2019), 514-517 [Quantum Electron., 49:5 (2019), 514-517]

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 323