Оптоэлектронный генератор с КЛГ. Глава1. 1.3, 1.4
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.
- 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.
Типколебательной системы
|
Волоконно-оптическая линия задержки с модулятором на кристалле LiNbO3 ,
|
Диэлектрическийтороидальный 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 генерациик 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 Sα(f), Вт/Гц и фазового Sφ(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.