Глава 7. Экспериментальное исследование и практические схемы реализации оптоэлектронного генератора ОАГ с ВОЛЗ
Целью экспериментального исследования являлось комплексное изучение схем оптоэлектронного генератора в ВЧ и СВЧ дипазонах для подтверждения теоретических положений, выдвинутых и обоснованных в диссертации. В данном разделе приводится описание экспериментальных исследований ОАГ, работающих в СВЧ диапазоне 8-10 ГГц, и ОАГ, работающих в ВЧ диапазоне : 4- 6 МГц , 30- 40МГц и 150МГц. В ВЧ диапазоне частот в рабочих образцах ОАГ были использованы следующие модулированные источники света: для диапазона 4-6МГц - светодиоды (СД) ,входящие в квантово-электронные модули, а для диапазона 30-40МГц и 150 МГц - лазерные диоды. Максимальные полосы частот модуляции СД составляли - 10 МГц, а ЛД - 200МГц, соответственно.
Описаны практические схемы реализации оптоэлектронного генератора ОАГ с ВОЛЗ.
Целью экспериментального исследования характеристик модулированных источников излучения, входящих в ОАГ, лазерных диодов (ЛД) и светодиодов (СД) было изучение их основных харктеристик , зависимости их от тока накачки и изучение влияния на частоту и амплитуду генерации ОАГ при замкнутой цепи обратной связи.
Изучение основных зависимостей СД и ЛД проводилось на общем стенде ОАГ при его разомкнутой цепи обратной связи. Исследования проводились на общем стенде, блок-схема которого показана на рис. 7.1.
Экспериментальная установка для исследования макета ОАГ ВОЛЗ была создана на лабораторном стенде. Она содержала ОАГ ВОЛЗ с волоконно-оптическим сменным трактом ( с длиной L от 2 до 600 м), частотный дискриминатор (ЧД), оптический тестер ОТ-6 для измерения мощности выходного излучения источника света, сенсорный элемент (С), блоки питания усилителя и источника света БП-1, БП-2, анализатор спектра С-4-27 и осциллограф С-1-68 для наблюдения сигнала генерации, вольтметр В-7-26, частотомер Ч-3-54 для измерения частоты генерации ОАГ ВОЛЗ, нагревательная лампа и термометр. На структурной схеме (рис.7.1 а) показано включение приборов, а на рис. 7.1 б представлен общий вид установки.
Экспериментальный макет автогенератора ОАГ ВОЛЗ в диапазоне частот 1- 10 МГц был выполнен на базе стандартных квантово-электронных модулей КЭМ-8 и КЭМ -34 (рис.7.2) и содержал блоки стабилизации напряжения усилителя и тока смещения источника света, которые были установлены в общем корпусе активной части ОАГ ВОЛЗ.
Экспериментальный образец автогенератора ОАГ ВОЛЗ в диапазоне частот 30- 40 МГц был выполнен на базе специально изготовленного блока передатчика, содержащего ЛД разных типов ИЛПН-204 или 32ДЛ103 на основе двойной гетероструктуры с длиной волны излучения 0.85 мкм.
а)
б)
Рис.7.1. Схема (а) и общий вид (б) экспериментального стенда для исследования ОАГ. Передатчик ПРД и приемник ПРМ были выполнены на основе квантово-электронных модулей (КЭМ–8). СУ- согласующие устройства, Ю- юстировочные устройства , СЛМ- селектор световодных мод.
Специально изготовленный приемный блок содержал фотодиод типа ЛФД -2 и широкополосный многокаскадный усилитель с общим коэффициентом усиления по переменной составляющей тока 102… 103, и согласованный с ним термостатированный колебательный контур -радиочастотный фильтр (РФ) , настраивающийся на частоту 30…40 МГц. Полоса РФ составляла 1…2МГц. Большой коэффициент усиления усилителя давал возможность исследовать частотные зависимости ОАГ при малых общих на проход модулях коэффициента передачи ВОЛЗ, много меньших единице.
а б
Рис.7.2 Внешний вид приемо-передающих модулей (а), увеличенный торец многомодового оптоволокна (б).
Колебательный контур в ОАГ был выполнен на базе конденсаторов типа КСО и катушки индуктивности, намотанной на керамический цилиндр. Для согласования и обеспечения малого влияния внешних электрических цепей включения (измерительной аппаратуры) автогенератор АГ содержал развязывающий усилительный каскад, выполненный на базе полевого транзистора.
(а) (б)
(в)
Рис.7.3. Общие виды лазерных диодов ИЛПН-204(а)
, 32ДЛ-103(б) и вид схемы лазерного диода с электронным модулятором(в).
В процессе экспериментальных исследований были измерены ватт-амперная характеристика (рис.7.4) светодиода СД и лазерного диода ЛД с помощью оптического тестера ОТ-6. На рис. 7.4 (а) представлены экспериментальные зависимости ВАХ Рвых (Iсм) для образцов ЛД типов 32Д-103 и ИЛПН-204 , а также на рис. 7.4(б) представлены ВАХ для светодиода СД , входящего в состав в КЭМ-34.
Были исследованы также модуляционные характеристики «на проход» передающего и приемного модулей, соединенных последовательно через короткий кусок световода ВС длиной 2 м, в диапазоне частот 0÷10 МГц и 30-40 МГц. Данные зависимости представлены на рис.7.5. Проведенные измерения позволили правильно выбрать рабочий ток источника излучения и осуществить оптическую связь выхода приемного модуля КЭМ с входом передающего модуля КЭМ. Зависимость амплитуды выходного сигнала Uвых на выходе приемного модуля КЭМ от тока смещения СД представлена на рис. 7.5 (б). Из рис. 7.5 (б) видно, что при “малом” входном сигнале Uвх ≤ 0,1 В ( на входе передающего модуля КЭМ) нелинейная зависимость амплитуды сигнала Uвых = Uвых (Iсм) «повторяет» ватт-амперную характеристику СД, а при “большом” входном сигнале Uвх = 1.0 В характеристики Uвых (Iсм) за счет возникающих «компенсирующих» эффектов близки к линейным.
Рис.7.5. Зависимости разности фазового набега Δφ(Uвх) (а) и амплитуды выходного сигнала ВОЛЗ UВЫХ(Uвх) (б) от амплитуды сигнала Uвх на входе модулятора светодиода СД сигнала для различных значений тока смещения Iсм светодиода СД (при частоте модуляции f = 10 МГц).
Были экспериментально исследованы зависимости Uвых = Uвых (Uвх ), в которых Uвх , Uвых – амплитуда напряжения колебаний на входе и выходе КЭМ. Волоконно-оптическая линия задержки состояла из передающего модулем КЭМ, опотоволокна и приемного модуля КЭМ . При этом ток смещения СД составлял Iсм = 100 мА , а частоты гармонического сигнала , подаваемого на вход передающего модуля КЭМ составляли f = {4 МГц; 10 МГц; 30 МГц},
По зависимостям Uвых (Uвх) был определен характер нелинейной характеристики ОАГ. В данном случае при малых сигналах Uвх общая нелинейная характеристика модулей КЭМ имеет характер близкий к параболическому (т.е. является “мягкой” нелинейностью).
Средняя частота генерации ОАГ регулировалась подстроечным конденсатором радиочастотного фильтра РФ (контура ) и была равна для первого макета примерно 6,4 МГц , а для второго макета - 30 МГц.
Для данных макетов также были измерены зависимости частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ с ВОЛЗ (на базе одиночного волоконно-оптического световода) при вариации тока смещения источника излучения, Эти зависимости были измерены для двух разных ВОЛЗ на базе одиночных световодов с длинами 20 м и 300 м.
На рис. 7.6 показаны экспериментальные зависимости амплитуды и разности фаз модуляции сигнала при сканировании по «раскрыву» диаграммы направленности излучения лазерного диода ЛД типа 32ДЛ-103 в двух различных взаимно ортогональных плоскостях Х (в плоскости р-n перехода ) и Y. Проводились измерения амплитуды сигнала U на выходе сканирующего ФД и разности фаз ∆φ = ∆φ(θ) сигналов, подаваемого на модулятор ЛД и измеряемого на выходе ФД. Измерения разности фаз проводились с помощью фазометра ФК-2-12. На рис. 7.6 (а) показаны зависимости амплитуды модулируемого сигнала на выходе ФД U = U(θ) , где θ- угол между оптической осью ЛД и нормалью к светочувствительной площадки ФД. При этом на вход ЛД подавался через модулятор гармонический сигнал малой амплитуды меньше 0.05 В частотой f = 30 МГц.
Анализ зависимостей U(θ) и ∆φ(θ) при различных токах смещения показывает, что диаграмма направленности излучения ЛД типа 32ДЛ-03 имеет сложный характер и сложную немонотонную зависимость от угловых смещений θ и при различных тока смещения(накачки) Iсм. При увеличении тока смещения Iсм происходит повышения температуры в оптическом резонаторе ЛД , и изменяется показатель преломления активной области. Это приводит к появлению в оптическом излучении ЛД поперечных пространственных мод излучения высших порядков. При этом диаграммы направленности выходного излучения по оптической мощности имеют «провал», что приводит к аналогичной зависимости амплитуды сигнала на выходе сканирующего ФД U(θ).
Рис.7.6. Зависимость амплитуды сигнала U (а) и разности фаз Δφ (б) на выходе фотоприемника для разных положений селектора выходного излучения лазерного диода. (Частота f = 30 МГц). Зависимость Δφ и U дана для разных токов смещения в Y –плоскости.
Экспериментальные зависимости разности фаз Δφ и амплитуды сигнала UB на выходе фотодетектора на рис. 7.7. Сканирование по углу производилось изменением положения фотодетектора (от углового смещения фотодида ФД2), размещенном на расстоянии 10мм от выходного торца оптоволокна относительно оптической оси оптоволокна. ВОЛЗ была образована лазерным диодом, оптоволокном и фотодиодом.
Рис. 7.7. Экспериментальные зависимости разности фаз Δφ и амплитуды сигнала UB на выходе фотодетектора в дальней зоне.
Показаны завивисмости разности фаз Δφ и амплитуды сигнала UB при разных значениях тока смещения лазерного диода ЛД Iсм = 66 … 70 мА. На основе изучения зависимостей дифференциальных модуляционных характеристик U (θ, Iсм) и ∆φ (θ, Iсм) при сканировании диаграмм направленности излучения для разных образцов ЛД был сделан вывод, что при возбуждении опотоволокна от ЛД эффективная задержка сигнала ,прошедшего ВОЛЗ , изменяется примерно на 10-15% от величины тока смещения и относительного пространственного расположения возбуждающего световода и ЛД. Изменения частоты генерации ОАГ вызваны малыми уходами тока смещения ЛД и являются различными для разных угловых отклонений оптической оси ВС от оптической оси ЛД. Таким образом, измеренные характеристики ВОЛЗ на базе КЭМ и световода ВС0, дают возможность оценить уходы частоты генерации ОАГ с такой ВОЛЗ от тока смещения МИС, питающих напряжений , а также позволяют правильно выбрать собственную частоту фильтра.
Одной из целей экспериментальных исследований являлось подтверждение теоретических расчетов, проведенных в главе 2, касающихся влиянию тока смещения на частоту генерации ОАГ при использовании в нем ЛД . Токи смещения в экспериментах изменялись в широком диапазоне от 0 до 80 мА и соответствоали значениям до порогового и выше порогового уровней генерации излучения ЛД. Задачей исследования являлось экспериментальное изучение зависимостей частоты f ОАГ ВОЛЗ от изменений тока смещения Iсм МИС(модулированного источника света): ЛД и СД. Для решения поставленной задачи были использованы образцы ОАГ ВОЛЗ , содержащего ЛД или СД . Для образца ОАГ с ЛД были использован макеты №2 .В него входили последовательно замкнутые в кольцо электронный ФД, усилитель, радиочастотный фильтр и модулятор, ЛД, ВОС. В качестве лазерного диода использовался ЛД на базе As–Ga с двойной гетероструктурой, модели 32 ДЛ-103 с длиной волны λ = 0,85 мкм, и ИЛПН-204 с длиной волны λ = 1,3 мкм. Волоконно-оптическая система ВОС в макете состояла из световодного смесителя мод ССМ и сменных одиночных многомодовых световодов ВС с длинами 20 м, 100 м и 300 м. Частота генерации ОАГ ВОЛЗ была приблизительно равна собственной частоте радиофильтра и составляла fг ≈ 40 МГц.
Коэффициент усиления электронного усилителя составлял Ку @ 103. В качестве ФД использовался p-i-n диод. Экспериментальные зависимости f (Iсм ) ОАГ ВОЛЗ представлены на рис. 7.9(а). При этом в образце ОАГ был использован лазерный диод ЛД типа 32ДЛ-103 и отрезок световода ВС0 длиной L = 20 м. Лазерный диод 32ДЛ-103 не имел специальных оптических согласующих узлов , а стыковался с ВС непосредственно вплотную. При этом уровень спонтанного излучения , захватываемого ВС был крайне мал , и как следствие этого радиочастотная генерации ОАГ появлялась только при токах накачки больше порогового значения. При этом зависимость при увеличении тока смещения является монотонно возрастающей.
Экспериментальные зависимости частоты генерации ОАГ f (Iсм) от тока смещения Iсм представлены на рис. 3.3.2. а и б (глава 3) для ОАГ, в котором был использован ЛД типа ИЛПН-204 (в конструкции которого содержалась оптическая система согласования излучения в виде «микролинзы»). При этом зависимости частоты f (Iсм) имеют немонотонное изменение со сменой полярности наклона зависимостей: при увеличении тока смещения от нуля до значений порогового тока - монотонно убывающие, а при увеличении тока смещения выше порогового значения - монотонно возрастающие. В отличие от предыдущего случая наличие системы согласования в ЛД позволяло получать генерацию ОАГ при токах меньше порогового значения. Анализ эффекта смены полярности крутизны ФЧХ при увеличении тока накачки изложен в главе 3 настоящей работы.
На рис. 7.9 (б) для большой длине оптоволокна 300м в зависимость f (Iсд) наблюдается скачки, которые вызван “перескоком” автоколебаний с одного типа ОАГ на другой за счет изменения общей крутизны фазочастотной характеристики СД при росте тока смещения Iсд.
Рис. 7.9. Зависимости частоты f колебания генерации оптоэлектронного генератора ОАГ от тока смещения источника излучения светодиода СД Icд при длине световода ВС0 L = 20 м (а), при длине световода ВС0 L = 300 м б).
Проведено экспериментальное исследование влияния тока смещения на частоту f (Iсм) и амплитуду U (Iсм) сигнала генерации ОАГ ВОЛЗ при использовании в различных образцах ОАГ ЛД или СД.
Эти скачки характерны при широкодиапазонной перестройки частоты ОАГ от тока смещения при условии , что геометрическая длина оптоволокна ВС L вс много больше длины волны радиочастотной генерации. Экспериментальные зависимости f(Iсм) хорошо объясняются математическими моделями модулированного источника света МИС, данными в главах 2, 3 и 4. Измеренные крутизны преобразования вариаций частоты ∆f от изменений тока смещения ∆Iсм для ОАГ ВОЛЗ со светодиодом СД составили: Sf= 150кГц/мА для оптоволокна ВС0 длиной L = 20 м , и Sf = 10 кГц/мА и для ВС0 длиной L = 300 м . Таким образом, обнаруженное впервые экспериментально и объясненное теоретическим анализом для лазерныъх диодов ЛД явления смены полярности наклона постоянной времени ЛД и крутизны наклона Sf зависимости f (Iсм) для ОАГ с ЛД дало возможность правильно выбирать рабочие токи смещения ЛД в ОАГ и амплитуду сигнала модуляции , а также оптимизировать конструкции модулятора ЛД, согласующего оптического устройства со световодом ВС0 и термостабилизирующего блока.
Рис. 7.10. Зависимости амплитуды Uвых колебания генерации ОАГ от тока смещения Iсд источника излучения светодиода : а) длина световода ВС0 L = 20 м, б) длина световода ВС0 L = 300 м.
а) б)
Рис.7.11. Выбеги частоты, длина ВС0 L = 20 м(а), L = 300 м (б) при токе смещения светодиода I сд= 120 мА.
В ОАГ были измерены «выбеги частоты» - зависимости частоты генерации ОАГ от времени после включения питания ОАГ ВОЛЗ. Данные зависимости показаны на рис. 7. 11 для различных длин световодов 20 и 300 метров и демонстрируют эффект стабилизации частоты колебаний генерации при увеличении длины оптоволокна в ВОЛЗ.
Цель экспериментального исследования: в рамках НИИОКР с РТИ были проведены работы по использованию мощного лазера для фазовой синхронизации волоконно-оптических каналов распределенной системы активной фазированной антенной решетки (АФАР). Тип лазера - ЛТИ-501. Режим лазера –непрерывный. Выходная мощность лазера –от 1 до 30 Вт. Длина волны излучения 1,06 мкм и 0,53 мкм. Тип модулятора -1) акусто-оптический модулятор (АОМ) на базе кристалла парателлурита. 2)электро-оптический модулятор на основе ниобата лития. Средняя частота генерации ОАГ- 1,0 ГГц. Долговременная стабильность частоты за час ОАГ- 10-6. Уходы разности фаз на выходах волоконно-оптическсх каналов – не хуже 2-3 град. Динамический диапазон равен 1000.
Рис.7.12. Схема фазированной СВЧ ВОЛС на базе мощного лазера и ОАГ.
В МЭИ на кафедре Радиопередающих устройств автором в соавторстве с Ильиным Ю.Б. под руководством проф. Григорьянца В.В. был реализован стенд ФГ с ОАГ, позволяющий экспериментально исследовать нелинейные эффекты в оптоволокне и производить фазовые измерения с использованием мощного неодим-ИАГ лазера мощностью до 40Вт , электро-оптического и акусто-оптического модуляторов АОМ СВЧ диапазонов. Схема экспериментальной установки фазированной СВЧ ВОЛС на базе мощного лазера и ОАГ показана на рис.7.11. Общий вид мощного лазера и акустооптического модулятора АОМ представлен на рис.7.12.
Рис.7.13. Общий вид мощного лазера и акустооптического модулятора АОМ.
/
Рис.7.14. Распределения интенсивности на выходе мощного лазера в поперечном сечении и фото «пятен» излучения при различных значений выходной мощности при длине волны 1,06 мкм.
Средняя частота модуляции мощного оптического излучения составила примерно 1 ГГц при вводимой оптической мощности в световоде ВС0 от 1 до 20 Вт. Распределения интенсивности на выходе мощного лазера в поперечном сечении и фото «пятен» излучения при различных значений выходной мощности при длине волны 1,06 мкм представлены на рис.7.14. Экспериментально исследовалась такая схема фазогенераторного метода с ОАГ для использования ее в качестве основной для разводки модулированного в каналах фазированной антенной решетки. Работы проводились по заказу РТИ и отражены в отчетах МЭИ по данной теме.
В результате экспериментальных работ доказана работоспособность перспективность схемы СВЧ ВОЛС на базе мощного лазера для системы активной фазированной антенной решетки (АФАР). Измеренные уходы разности фаз в каналах на частоте генерации 1ГГц при одномодовом режиме мощного лазера составили не более 1 градуса. Выработаны рекомендации по снижению уходов разности фаз путем стабилизации оптической частоты и мощности лазера, термической компенсации АОМ и каналов ВОЛС.
