Борцов Александр Анатольевич, Борцов А.А., А.А.Борцов "Оптоэлектронный генератор с накачкой квантоворазмерным лазером"

 Диссертация на звание доктора технических наук. 

Оптоэлектронный генератор является устройством, которое способно производить автоколебания с частой 1 ГГц...60 ГГц и при этом обладает малыми габаритами и весом. Габариты и вес данного прибора определяются резонатором. Поскольку в оптоэлектронном генераторе производиться преобразование радиочастоты в оптическую частоту, стабильность автоколебаний такого генератора определяется стабильностью резонатора нат оптической частоте. Длина волны оптической частоты в 10000 раз меньше длины волны радиочастотных колебаний. Следовательно, при большой задержке колебаний в цепи запаздывания  в потенциале в оптоэлектронном генераторе получаем большой выигрыш в сверх малом размере и весе резонатора или линии задержки.   

1.3 Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор

Использование в качестве лазера в ОАГ наноструктурного квантоворазмерного лазерного диода КЛД приводит к качественно новым свойствам оптоэлектронного генератора. За счет «квантования зон в переходе» изменяется качество оптического излучения: более чем в 100 раз снижается уровень шумовой спонтанной эмиссии, из-за чего существенно  снижаются фазовые и амплитудные шумы лазера, уменьшается ширина линии оптического излучения с нескольких ГГц до нескольких кГц. Кроме того, сужается диаграмма направленности излучения, и улучшаются поляризационные характеристики. 

Рис.1. 6. Этапы технологического цикла создания квантоворазмерного лазерного диода КЛД с применением высокодобротных оптических дискриминаторов и резонаторов . Создание на подложке дифракционной решетки(а), получение оптического дискриминатора (резонатора )   (b), сопряжение лазера и резонатора (c), готовый лазер (d).

 

В таблице 1.1 и на рис. 1.7 указаны экспериментальные данные характеристик  основных современных оптических резонаторов [ 63,161  ]. Как показано в таблице1.1 наибольшей добротностью обладают дисковые резонаторы Q=8*10⁹  SiO₂    Q=8*10¹⁵   CaF₂ . К их недостаткам относятся малый коэффициент ввода при стандартных условиях(менее 5% оптической мощности)  и низкий порог оптической мощности , при которой начинают проявляться оптические нелинейные эффекты и большая температурная зависимость характеристик резонатора .

Таблица 1.1.  Добротности и размеры различных  оптических резонаторов ,применяемые в лазерах и лазерных системах.

	Постоянная времени больше	Объем куб.мкм	Фабри-Перо	Решетка Брэга FBG	Дисковые оптические резонаторы	Фотонные кристаллы
Добротные	1 пс	10000	Q=2000  Зеркала	Q=1,2*106 FBG	Q=7000 Q=130000 Q=520000(Painter)	Q=6*105 (Noda)
Высоко добротные	1 нс	1000	Q=107 Суперзеркала (Кимбл)	Q=1,2*107 FBG (шаг 100нм) длина ячейки 34мм	Q=2*109 Дисковый(Vahala) SiO2 Q=8*109 SiO2
Сверх добротные	1 мкс	100			Q=8*1015 CaF2(Ильченко)

Q-добротность оптического резонатора (произведение оптической частоты на постоянную времени).

Рис.1. 7.  Виды оптических резонаторов и замедляющих оптических структур, применяемых в  лазерах и волоконно-оптических системах.

 

Рис.1.8. Увеличенные изображения первичной «маски» на подложке  (а) и после технологического цикла сухого осаждения дифракционной решетки оптического резонатора дискриминатора  (б) с полупериодом решетки 100 нм. Изображение увеличено с помощью электронного микроскопа [125].

 

  Наибольшей привлекательностью в  лазерных системах получили резонаторы на оптических распределенных решетках FBR, для которых  получено значения добротности Q=1,2*10⁷. При использовании в системе фазовой  подстройки оптической частоты лазера в качестве оптического дискриминатора ячейки FBG (при шаге решетки 100нм) и  при длине ячейки дискриминатора 34мм, реализована узкополосное излучение КЛД с полушириной  резонансного пика 15МГц. 

Рис.1.9.  Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для  уменьшения фазового шума КЛД ( а) и расчетная зависимость  (на основе измерения фазового шума КЛД (а)) относительной мощности излучения от отстройки от центральной частоты спектра КЛД (б) квантоворазмерного лазерного диода без и с дискриминатором. Кривая 1- КЛД без дискриминатора. Кривая 2 –КЛД  с  использованием высокодобротного резонатора на основе  высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

 

Данное обстоятельство накладывает ограничения при использовании высокодобротных оптических резонаторов для реализации сверхминиатюрных устройств. Так как при малых размерах такого резонатора (радиус диска 1мм и площадь поперечного сечения световедущего слоя 10² кв.мкм) и относительно высокой добротности порядка Q=10⁷ (эквивалентная длина 2м) нелинейные эффекты начинают проявляться при вводимой мощности порядка несколько микроватт.

Поэтому к перспективным методам создания миниатюрного резонатора относится поиск решений по микроминиатюризации линейной волоконно-оптической линии задержки. Например, при длине ОВ в несколько км при длине волны 1,55 мкм  пороговая мощность составляет примерно 100-200 мВт.

                                 а)                                                б)

Рис.1. 10. Четыре физических эффекта, влияющие на формирование лазерного излучения (а) в волоконном лазере,   схема прецизионного  волоконного лазера (б) с активными оптическими средами  на основе эрбия (или иттербия) с лазерной накачкой  с шириной линии оптического излучения 1кГц и  результаты измерения относительного шума интенсивности RIN волоконного лазера (в) при  различных отстройках от оптической несущей F [154].ОВВ-одномодовое оптическое волокно, П-поляризаторы.

 

            

        В последнее время появились коммерчески доступные электро-оптические модуляторы Маха-Цендера в планарном исполнении (рис.1.11) с высокими характеристиками: малым управляющим полуволновым напряжением 0,3-1 В, высокой вводимой оптической мощностью –до 50мВт, с малыми потерями оптической мощности  -3дБ. На рис.1.12 представлен дисковый фазовый электро- оптический модулятор(а) с управляющим напряжением менее 0,01В  и  оптический тороидный резонатор (б) с добротностью порядка10⁶.  

Рис.1.11 Планарное исполнение электро-оптического модулятора Маха                   .

а)                                                      б)

Рис.1.11 Планарное исполнение электро-оптического модулятора Маха –Цендера (а) (длина секции МЦ 10мм) и его  АЧХ(б) для трех разных значений оптических потерь в оптическом канале модулятора,  длина волны лазера нм.

                   

                                 (а)                                                            (б)

Рис.1.12  Дисковый электро-оптический модулятор (радиус диска 2мм) на кристалле LiNbO₃ [157] (а) и оптический нано-тороидный резонатор (радиус диска 50мкм) из SiO₂(б) с добротностью более 1000000[165] .

 

На базе современных КЛД и модуляторов разработаны  новые интегрированные элементы фотоники с оптическими усилителями и микрорезонаторами. На рис.1.13 представлен  коммерчески доступный интегрированный модуль. На рис.1.14 показаны  профили коммерческих «дырчатых» оптических волокон ОВ с наноразмерной структурой световедущей жилы.

 

                                      

Рис.1.13. Интегрированный модуль: квантово-размерный лазер (с шириной линии излучения 1МГц ) с модулятором  Маха-Цендера с полосой частот модуляции 15ГГц с полуволновым напряжением 2В .

.

Рис.1.14. Профили коммерческих микроструктуированных «дырчатых» оптических волокон ОВ с наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Такие ОВ используются в оптоэлектронных формирователях СВЧ и КВЧ  колебаний для получения второй гармоники по оптической частоте при нелинейном оптическом преобразовании.    

Производятся коммерчески доступные зарубежные и отечественные фотодиоды с шириной полосы  12 ГГц, 18 ГГц и 50ГГц.  Их собственные  выходные фазовые шумы фототока  являются   сверх малыми и составляют   менее  -120…-130 дБ/Гц при отстройки 1…10 кГц от номинальной частоты в СВЧ диапазоне [140].  Конструкция фотодиода позволяет сопрягать его с оптическим волокном.    Коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД составляет до 0,5 А/Вт.  Одной из особенностей современных фотодиодов СВЧ диапазона является малый размер светочувствительной площадки ФД. Размеры ее примерно совпадают с размерами длины волны поступающего оптического излучения. Это накладывает  ограничения при           математическом моделировании на выбор модели в виде плоской волны лазерного излучения, поступающего на площадку ФД. Необходимо учитывать, что  на площадку ФД  поступает, в общем случае не осесимметричная плоская волна, амплитуда и фаза которой не постоянны при изменении координат х и y в поперечном сечении.

В последнее время зарубежными фирмами созданы конструкции фотодиодов с разделением каналов для когерентного фотодетектирования, с оптическими и электронными усилителями, с использованием избирательных оптических фильтров для подавления шумов спонтанного излучения лазера и др..  Перечисленные характеристики новых элементов для оптоэлектронных генераторов позволяют сделать вывод о качественно новом уровне развития техники оптоэлектронной генерации в целом и высоких характеристик ОАГ, которые сделали их  конкурентно способными с традиционными автогенераторами.

1. 4. Cравнение характеристик ОАГ с другими традиционными генераторами

В настоящее время техника генерации ВЧ и СВЧ колебаний с малыми шумами достаточно развита. Рынок коммерчески доступных различных генераторов существуют как в России,  так и за рубежом.

 К широко востребованным малогабаритным моделям генераторов относятся  кварцевые и ПАВ генераторы без умножения и с умножением частоты, генераторы с ЖИГ- резонатором,  генераторы на диодах Ганна, малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами на керамике и с диэлектрическими резонаторами на волнах шепчущей галереи на кристалле лейко-сапфира и др. Такие генераторы применяются для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах, компьютерной технике, навигационных системах и др.. Некоторые специальные задачи по долговременной стабилизации частоты решаются с использованием цезиевых и рубидиевых  стандартов частоты, которые также  являются коммерчески доступными, хотя и относительно дорогими устройствами.   Появились работы по компактным стандартам частоты [159]. В последнее время в системах связи, а также в радиоэлектронных системах  малогабаритных беспилотных летательных аппаратов  БПЛА на частотах 2…60 ГГц растет потребность в генераторах СВЧ и КВЧ диапазона в миниатюрном исполнении. В научной печати появились работы по исследованию оптоэлектронных методов генерации   в СВЧ и КВЧ диапазонах с применением лазерной, волоконно-оптической и микрорезонаторной технологий.   Для сравнения  основных характеристик  ОАГ с традиционными электронными и оптоэлектронными генераторами в таблице 1.2 представлены их технические характеристики.              К этим характеристикам относятся: частота несущей, диапазон перестройки, долговременная стабильность частоты, спектральная плотность мощности фазового шума - СПМФШ, габаритные размеры. В данной таблице 1.1 представлены основные типы генераторов и введены для них  следующие обозначения  1- АГ КР - автогенератор с  кварцевым резонатором, 2- АГ ПАВР - автогенератор с резонатором на поверхностных акустических волнах, 3- АГ ДКР- автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором  из керамических сплавов, 4- АГ ДДРлС- автогенератор с дисковым  диэлектрическим резонатором из лейкосапфира, 5 –АГ  ЖИГ- автогенератор с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ),  6- ОАГ   ВОЛЗ –автогенератор с волоконно-оптической линии задержки,       7- ОАГ   ОДР -  автогенератор с оптическим дисковым резонатором. 8- Лазер ФСК –лазерный фемтосекундный синтезатор,   9-   КСЧ на Cz- квантовом стандарте частоты на ячейке цезия.    По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии  автогенераторов с различными типами резонаторов их можно условно разделить на акустические (КР [9] и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР и ДДРлС [ 8 ]) и оптоэлектронные (ВОЛЗ , оптические дисковые резонаторы ОДР[ 3,7]).  Генераторы лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК и квантовый стандарт частоты КСЧ по методам формирования радиочастотных колебаний  также можно отнести  к оптоэлектронным генераторам.

 

 

Таблица 1.2. Характеристики автогенераторов.      

	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Тип автогене-ратора	АГ КР	АГ ПАВР	АГ ДКР	АГ ДДРлС	АГ ЖИГ	ОАГ ВОЛЗ	ОАГ ОДР	Лазер. ФСК	КСЧ на Cz
Название	OCXO A260 MTI	SAO	DRO PLO-3000	SBox	YIG	OEWave, КВАНТ	OEO	FSC	HP 5071
Частота несущей, ГГц	(0,032- 30)10-3	0,3 - 2	10 -22	10	7 и 32	1-  33	1-  22	10	4,8
Диапазон перестр., ГГц	фикс.	0,01	12	0,01	2,0и8,0	14	14	Фикс.	фикс.
Долговр. нестаб. частоты	10-9	10-7	10-6	10-7	10-5	10-7	10-7	10-7	10-13
СПМФШ  ,  Дбн/Гц	-115/-145	-118/-149	-110/       -115	-140/        -160	-74/-98	-129/-153	-86/   -100	-140/  -145	-120/ -145
Размеры, мм	38*50*50	53*56*56	53*50*27	53*50*27	25* 25*25	80*50*30	5*5*5	200* 450* 550	135* 425* 523

 

В таблице 1.2 приняты сокращения: «СПМФШ»  - спектральная плотность мощности фазовых шумов на отстройке   1 кГц /10кГц от несущей 10ГГц. «Долг. нестаб. Частоты» -долговременная нестабильность частоты. «Диап. перестр.» -  Диапазон перестройки частоты. «Комм. название» -Коммерческое название .

В квантовом стандарте частоты КСЧ преобразование оптической частоты, которая равна примерно 200ГГц, в радиочастоту 6,4 ГГц производится с использованием квантовых резонансных свойств атома цезия Cz. В генераторе Лазер ФСК преобразование оптической частоты 438ТГц в частоту 10ГГц   производится с использованием биений на фотодетекторе двух «фазированных» оптических частот .

          С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь  в кварцевом КР и ПАВ  резонаторами (или линиями задержки). Это приводит к  снижению их добротности резонаторов в диапазоне СВЧ.  Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый  диэлектрический резонатор из лейкосапфира  ДДРлС.

      Основным недостатком диэлектрического резонатора из лейкосапфира ДДРлС является его сильная зависимость резонансной частоты и фазо-частотной характеристики от температуры (температурная нестабильность резонансной частоты резонатора из лейкосапфира ДДРлС примерно составляет 10^-4  1/град С и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости , тангенса угла потерь материала ).

Заметим для сравнения, что в ОАГ в отличие от генератора на лейкосапфировом резонаторе  применяется  стабилизированная ВОЛЗ на оптическом кварцевом волокне. Собственная нестабильность  частоты генератора ОАГ (без внешних устройств подстроек частоты) составляет        10^-5…10^-6 1/град С [95] и определяется температурной зависимостью показателя преломления кварца от температуры. Частотный диапазон перестройки ОАГ ВОЛЗ с внешней модуляцией с модулятором Маха-Цендера составляет от 1 до 22 ГГц и перекрывает диапазоны других типов генераторов [76].

Генератором, имеющим наилучшую долговременную стабильность частоты, является первичный цезиевый стандарт частоты (, например, производства фирмы НP модель Agilent 5071A). Следует отметить, что  стоимость таких коммерческих генераторов приближается к  нескольким десяткам тысячам долларов США в зависимости от комплектации.

 

 

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем  АКС различных автогенераторов.

Тип колебательной системы	Волоконно-оптическая линия задержки  с модулятором на кристалле  LiNbO3 ,	Диэлектрический тороидальный резонатор на  из СВЧ керамики  или дисковой тороидальный  резонатор из лейкосапфира	Резонатор на ПАВ монокристалл кварца или LiNbO3	Кварцевый пъезо- электрический  резонатор
Cпектральная плотность мощности фазового шума на отстройке       на 1 кГц от рабочей частоты, дБн/Гц	-(130÷135)	-(115/145)	-(105÷110)	-(100÷110)
Диапазон относительной электронной перестройки частоты	(2÷3)·10-3	(2÷3)·10-1/(2÷3)·10-5	(2÷3)·10-4	(2÷3)·10-4
Долговременная стабильность частоты	(2÷3)·10-6	(2÷3)·10-6	(1÷2)·10-5	(2÷3)·10-8

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем  АКС различных автогенераторов АГ.(Продолжение).

Чувствительность частоты генерации к циклическим механическим нагрузкам(вибрациям), о.е.	(1,5÷5,0)·10-10	2,0·10-9	-	1·10-11÷1·10-9
Чувствительность частоты к ускорению носителя (1 кГц), о.е.	2·10-28÷1,5·10--24	-	-	3·10-27÷1·10--23
Стойкость ЛЗ или резонатора  к высоким механическим ударам (Н/кв..см).	2000-5000 Высокая линейная топология ВОЛЗ и сверхмалые размеры микрорезонатора	100-200 Низкая -                      Большие размеры резонатора 100х100х20мм	2000-5000 Высокая             малыми размерами резонатора 100х100х20мм	2000-5000 Высокая малые размеры резонатора 100х100х20мм

 

   Спектральная плотность мощности фазового шума (СПМФШ) автогенераторов является наиболее удобной характеристикой, которая отражает его шумовые свойства. Шумы в генераторе участвуют в формировании  его спектральной линии генератора. Большинство известных методов измерения шумов оказываются непригодными в отношении опорного генератора из-за их неспособности анализировать предельно узкополосные сигналы. Шумы генераторов удобнее описывать с помощью таких понятий, как спектральные плотности мощности амплитудного S_α(f), Вт/Гц и фазового S_φ(f), рад²/Гц шумов, которые являются функциями частоты анализа  f . Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора определяет кратковременную нестабильность частоты генератора. Так с  лучшей кратковременной нестабильностью  является малошумящий автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из  лейкосапфира (ДДРлС), частота генерации около 10- 12 ГГц  [3].  

 Перестраиваемые электронно в широком диапазоне частот  ЖИГ-генераторы и генераторы на диодах Ганна имеют большую выходную мощность 40…400мВт [ 3 ], малые массо-габаритные размеры (20х40х40 куб. мм)  и малую стоимость 300- 3000 долларов США  и в этом отношении имеют преимущества перед малошумящими генераторами (МШГ) на ДР и МШГ из лейкосапфира.  Но данные генераторы имеют низкую кратковременную и  долговременную стабильность частоты и обладают низким качеством чистоты спектра. Их СПМФШ составляет - 50-70 Дб/Гц при стандартной отстройке 10 кГц от несущей в диапазоне2…8  ГГц.

К более экономичным моделям относятся генераторы на диэлектрических резонаторах из керамики (ДКР). Их СПМФШ при частотной отстройке на 10 кГц от несущей в диапазоне 2…22 ГГц составляет – - 100…- 90 Дбм/Гц [145]. Их стоимость составляет от 2000 до 15000 долларов США. ПАВ –генераторы с  умножением частоты по своим техническим характеристикам   занимают промежуточное место – между кварцевыми генераторами и генераторами с ДР. Их стоимость  составляет от 100 до 7000 долларов США.

              СПМ фазовых шумов в традиционных электронных генераторах определяются добротностью резонатора или линии задержки.  Общие габариты автогенератора зависят от размеров резонаторов, так как применяемые в автогенераторах активные элементы  транзисторы имеют габаритные размеры в 100 и 1000 раз  меньше, чем размеры резонаторов.

Для сравнения  на рис.1.14 а  представлены  нагруженные добротности резонаторов традиционных автогенераторов и ОАГ с ВОЛЗ, а на  рис.1.14б нормированные на время задержки  потери мощности при распространении колебаний.  Из анализа на рис.1.14 а) и б) добротностей  резонаторов  (и линий задержек) и нормированных на время задержки  потерь мощности при распространении сигнала(колебаний) сделаем выводы:  использование ОАГ с ВОЛЗ в качестве малошумящих генераторов должно иметь несомненные преимущества перед генераторами с КР и ПАВР на частотах выше 5…7ГГц [40],  ОАГ с ВОЛЗ становится конкуретным на частотах выше 5…7ГГц с генератором на лейкосапфире, и ОАГ с ВОЛЗ имеет преимущества перед генератором на лейкосапфире на частотах 12…70 ГГц и выше[3].  

м

                                  а)                                        б)

Рис.1.15. а) Добротности резонаторов  и линии задержки, применяемых в современных  стабильных автогенераторах ВЧ и СВЧ. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 -объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый  диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 6 –ЖИГР-резонатор из иттрий аллюминиевого граната,  7-ВОЛЗ –волоконно-оптическая линия задержки(время задержки 50 мкс), 8- ОДР -  оптический дисковый резонатор. б) Нормированные на время задержки  потери мощности при распространении сигнала(колебаний) в 1,2- в радиочастотных кабелях РК-50 и РК-75; в 3,4- в акустических кристаллах в кварце SiO₂ Y- и Z-срезов; 5.6-рэлеевская упругая волна и продольная волна  в кристалле LiNbO₃ (без учета потерь на электроакустических преобразователях); 7,8- продольная волна и поверхностная волна «шепчущей галереи» в лейкосапфире ; 9 – потери в оптическом волокне (потери примерно 0,2дБ/км на длинах волн 1,3мкм и 1,55мкм);  10,11- при разных потерях в ВОЛЗ с учетом потерь на электронно-оптическое в кванотоворазмерном лазерном диоде и оптоэлектронное преобразование в фотодетекторе ФД и потерь  на стыковку оптического волокна ОВ с лазерным диодом и фотодетектором  ФД.

 

На рис.1.15 видно, что с повышением частоты добротность кварцевого КР и ПАВ резонаторов уменьшается из-за потерь акустической волны в материале резонатора, изготовленного из кварца.   Для оптоэлектронного генератора ОАГ  добротность ВОЛЗ, которую можно вычислить как , где  - средняя частота генерации ОАГ, - время задержки колебаний (сигнала) в ВОЛЗ, является линейно нарастающей функцией. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии  резонаторы автогенераторов можно разделить на акустические (КР  и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР, ОбР и ДДРлС) и оптоэлектронные (ВОЛЗ и ОДР).  С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь  в «акустоэлектронных» кварцевом КР и ПАВ  резонаторах и это приводит к  снижению их добротности на СВЧ.  Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый  диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС. Основным недостатком ДДРлС является  сильная зависимость резонансной частоты и фазочастотной характеристики от температуры (собственный температурный коэффициент частоты генератора из лейкосапфира ТКЧ составляет ). Альтернативным способом  увеличения добротности автоколебательных систем является использование механизмов оптоэлектронного преобразования и применение ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов ОДР.   Добротность ВОЛЗ на частотах 5-100 ГГц  составляет примерно …10⁶.

 

                     а)                                                      б)

Рис.1.16. Максимальные размеры резонаторов  и линии задержки, применяемых в современных  в стабильных ОАГ и автогенераторах СВЧ (а). График  изменения максимальных габаритных размеров катушек ОВ по годам. Зависимость размера резонатора по годам (время задержки 50мкс) (б) 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах,  3 –Обр- объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый  диэлектрический резонатор из лейко- сапфира, 6 –ЖИГР-резонатор,  7-ВОЛЗ –волоконно-оптическая линия задержки(время задержки в ВОЛЗ равно 10-50 мкс),       8- ОДР -  оптический дисковый резонатор .

В настоящее время добротность оптических дисковых резонаторов ОДР при которой не проявляются нелинейные оптические  эффекты составляет . Нелинейные оптические эффекты такие, как трех- и четырех-фотонное взаимодействие, брюллиеновское рассеяние идр.       носят пороговый характер и в дисковых оптических резонаторах проявляются из-за высокой плотности мощности в сверхмалых микрообъемах резонаторов. Габаритные размеры ОДР приближаются к размерам несколько десятков длин оптических волн или несколько десятков микрон.                                                                       

Для сравнения на рис.1.16 и рис.1.17  представлены размеры и  виды волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ  с оптическим волокном ОВ длиной 10 км с размерами, которые применяются в   ОАГ.

     

                а)  б)  /                                                       

                                     в)

Рис.1.17.  Вид ВОЛЗ  с ОВ длиной 10 км с размерами 100 х 100х20 куб.мм (а). Вид ВОЛЗ  с ОВ длиной 10 км с размерами 100х100х20 куб.мм  (б). Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 1 км с размерами 20 мм х100мм (в).

 

Заметим (рис.1.16 и  рис.1.17), что геометрические размеры ВОЛЗ длиной 10 км с задержкой 50 мкс составляют примерно  100х100х20 куб.мм., а размеры оптического дискового резонатора ОДР – 100х100х100 куб. мкм.  Рекордно малые размеры ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов позволяют производить генераторы  СВЧ и КВЧ диапазонов в миниатюрном  исполнении с относительно высокими характеристиками по шумам и перестройке частоты.

Централ

Рис.1.18. Экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S(F) малошумящих автогенераторов (АГ) с различными типами  резонаторов  и АГ с волоконно-оптической  линии задержки (ВОЛЗ) центральная (средняя) частота генерации АГ 10ГГц. F – отстройка по радиочастоте от центральной частоты генерации [147] .   1-КР-кварцевый резонатор,  4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый  диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 7-ВОЛЗ – ОАГ с ВОЛЗ с МЦ( задержка в ВОЛЗ 90 мкс),   9-ДДРстР – Дисковый диэлектрический специально стабилизированный  резонатор , 10-ФСК - фемто секундный синтезатор,  на базе высоко стабилизированного лазера и делителя частоты.  

 

На современном этапе развития техники ОАГ габаритные размеры ВОЛЗ почти совпадают с габаритными размерами дискового  диэлектрического резонатора из лейкосапфира  с частотами генерации в диапазоне 10…12ГГц . 

  Отметим, что ВОЛЗ обладают относительно малыми размерами и линейной топологией (оптическое волокно укладывается виток за витком на дисковую бобину). Полезный объем ОВ составляет 10…20% от общего объема ВОЛЗ.     Поэтому  в ВОЛЗ относительно просто производить  стабилизацию по температуре, чем в резонаторах на лейкосапфире. За счет специальных способов укладки оптического волокна [147] достигается хорошая механическая прочность ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ намного меньше, чем монолитные кристаллы из лейкосапфира, имеющие примерно такие же габаритные размеры как максимальные размеры ВОЛЗ,  подвержены разрушительным ударным нагрузкам с ускорением в несколько g, которые бывают при эксплуатации радиоэлектронных систем, размещаемых в летательных аппаратах и БПЛА. То есть необходимо отметить данное особое важное свойство линий задержек в ОАГ с ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ и генераторы в целом  менее подвержены механическим, акустическим воздействиям и ударным нагрузкам, чем автогенераторы с дисковым  диэлектрическим резонатором из монокристалла  лейкосапфира. На рис. 1.18 представлены экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S(F) малошумящих автогенераторов традиционных электронных и оптоэлектронных генераторов различных типов.

 Из представленных зависимостей [145] (рис. 1.18) анализа можно заключить, что ОАГ с ВОЛЗ конкурентоспособен с известными электронными автогенераторами  и по шумам пока уступают в области отстройки 1 кГц от несущей 10ГГц на 10-15 дБ/Гц   автогенератору на сапфире АГ ДДРлС.

 В сравнении (рис. 1.18)  [145]  с автогенераторами  с резонаторами КР и ПАВ, ОАГ с ВОЛЗ имеет выигрыш на 10…20дБ/Гц в области частотных отстроек 1=10 кГц от несущей 10ГГц. ФСК генератор является бесспорным лидером в области малых отстроек 0,001-0,1Гц. Необходимо отметить, что  в  настоящее время в оптоэлектронном генераторе ОАГ не реализованы потенциально возможные сверх малые фазовые шумы и  сверх малая  компактная конструкция.

Электронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний. Генераторы с кварцевыми (КР), диэлектрическими ( ДКР) резонаторами и  генераторы с резонатором на поверхностных акустических волнах ( ПАВР ) 

  На рис. 1.19 и 1.20 представлены экспериментальные результаты [156] спектральной плотности фазовых шумов S(F) малошумящих автогенераторов на ДКР  и   внешний вид ДДРлС (рис. 1.20а).                                              

………..

1.19.  Результаты измерений спектральной плотности мощности фазовых шумов S(F)=L(F) малошумящего автогенератора с диэлектрическим керамическим резонатором  [156].

 

                                              

                                                (а)                                               

              

                                            (б)                                                                              

Рис.1.20  Общий вид  генератора с резонатором из лейкосапфира АГ ДДрС(а) и результаты измерений его спектральной плотности мощности  фазовых шумов( S(F)=L(F), дБм/Гц) (б)  (синия линия). Красная линия на графике  –фазовые шумы измерительной аппаратуры или предельно измеряемые фазовые шумы в данной схеме измерения  [153].

 

       Из проведенного  анализа можно заключить, что ОАГ с ВОЛЗ по всем основным характеристикам  способен конкурировать с известными электронными автогенераторами АГ ДКР и АГ  ДДРлС. Хотя ОАГ ВОЛЗ   по СПМ фазового шума проигрывает в области частотных отстроек 1…10кГц от номинальной частоты несущей  10ГГц на 5-15 дБ/Гц автогенератору с резонатором из лейкосапфира АГ ДДРлС, тем не менее у ОАГ ВОЛЗ есть вполне ощутимые преимущества: более низкая (почти на два порядка) зависимость частоты от температурных изменений и более высокая механическая стойкость и почти на порядок более низкая зависимость частоты от механических нагрузок  [145].

\begin{document} %\selectlanguage{english} %%% remove comment delimiter ('%') and select language if required \noindent Коэффициент передачи такой ВОС определяется как \noindent \begin{equation} \label{GrindEQ__2_9_} K_{BC} (j\omega )=M_{0} {\rm \; }K_{BC0} (j\omega ){\rm \; }[A{\rm \; }K_{BC1} (j\omega )+B{\rm \; }K_{BC2} (j\omega )]\; \; \; \; \; \; {\rm \; } \end{equation} \noindent где $K_{BC0} (j\omega )$,$K_{BC1} (j\omega )$, $K_{BC2} (j\omega )$ - коэффициенты передачи световодов ВС${}_{0}$ , ВС${}_{1}$, ВС${}_{2}$, соответственно, \textit{A}, \textit{B} -коэффициенты возбуждения ВС${}_{1}$ и ВС${}_{2}$, соответственно, а \textit{M${}_{0}$} -коэффициент оптических потерь на согласование ВС${}_{0}$ , ВС${}_{1}$ , ВС${}_{0}$световодов, соответственно. \noindent \end{document}  

Борцов Александр Анатольевич, Борцов А.А., А.А.Борцов "Оптоэлектронный генератор с накачкой квантоворазмерным лазером"

 Диссертация на звание доктора технических наук.