Copyright 2017 - Custom text here

 

"Оптоэлектронный генератор с накачкой квантоворазмерным лазером"

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

 Диссертация на звание доктора технических наук. 

 

Оптоэлектронный генератор относиться к классу устройств, в которых применяются традиционные электронные элементы нелинейный усилитель и радиочастотный полосовой фильтр, так и элементы оптоэлектроники или фотоники. Переход с радионесуще на оптическую несущую обеспечивает большой выигрыш в габаритах и массе резонатора автоколебательной системы при создании добротности  линии задержки на уровне миллион. Но переход от радиочастотных колебаний к  оптическим является с точки зрения традиционной радиоэлектроники и радиотехники новым и требует осмысления и дополнительных исследований.

 

 

ГЛАВА1. Наноструктурные оптоэлектронные генераторы (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ)

Принцип действия и функциональная схема ОАГ с ВОЛЗ

 

Оптоэлектронный генератор  ОАГ,  схема которого показана на рис. 1.1,  является автогенератором с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки ВОЛЗ образована последовательно замкнутыми модулируемым источником света (МИС), волоконно-оптической системой ВОС и фотодектором ФД. Модулированным источником света является  квантоворазмерный  лазерный диод (КЛД).

В схему оптоэлектронного генератора ОАГ,  представленную на рис. 1.1, входят последовательно замкнутые в кольцо модулированный источник света на базе квантоворазмерного лазерного диода (КЛД), волоконно-оптическая система (ВОС), содержащая одно или несколько оптических волокон, фотодетектор (ФД), нелинейный широкополосный усилитель (У), узкополосный радиочастотный фильтр (РФ)  и ответвитель (О).     При этом в настоящей работе подлежат анализу схемы ОАГ, которые различаются  по типу модуляции: ОАГ с  прямой модуляцией излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД    и  ОАГ  с внешней модуляцией излучения КЛД электрооптическим модулятором Маха -Цендера  (рис. 1.1). Схема ОАГ с внешней модуляцией строится на базе  электрооптического модулятора Маха-Цендера (МЦ). При этом  в одном из каналов МЦ  используется оптическая фазовая модуляция (ФМ).   Также для модуляции оптического излучения в  ОАГ  может быть использован     акустооптический модулятор (АОМ) с применением частотной модуляции излучения лазера.  Использование разных способов (прямой или внешней) оптической модуляции и её видов амплитудной, фазовой и частотной (АМ, ФМ, ЧМ) зависит от назначения ОАГ оптоэлектронного генератора.

                                       (а)

                                оптоэлектронный генератор, Борцов А.А. (б)                                              (в)               

Рис.1.1. Функциональная схема ОАГ: (а) с разными модулированными источниками света (МИС). ОАГ с квантоворазмерным лазерным диодом КЛД  с прямой модуляцией  и  ОАГ  с КЛД  с внешнем электрооптическим модулятором. (б) спектры колебаний ОАГ на оптическом и электрическом выходах, (в) вид спектра автоколебаний, генерируемых ОАГ с КЛД в стационарном режиме одночастотной генерации на частоте 8,2ГГц (время наблюдения 1мс) .

 

Например, в ОАГ высокочастотного (ВЧ) диапазона для систем измерения параметров оптического волокна, в частности, при исследовании температурных зависимостей оптического волокна, целесообразно  применять лазерный диод или светодиод (СД) с низкочастотной внутренней модуляцией. В СВЧ ОАГ, пригодных для использования в составе систем связи в качестве, например, малошумящих устройств формирования опорных колебаний с рабочими частотами  5 ГГц … 73ГГц,  целесообразно использовать квантоворазмерные лазерные диоды, КЛД с прямой и внешней модуляцией. В сверхмалошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона (8-30ГГц) необходимо использовать КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера .

КЛД представляет собой наноструктурный сверхширокополосный мезаполосковый инжекционный полупроводниковый лазерный диод, с высокими выходными показателями: мощность излучения – 10…30мВт,   ширина полосы частот модуляции за счет использования фотонных технологий  составляет 10…40 ГГц, крутизна преобразования оптической мощности от постоянного тока накачки   составляет 1мВт/10мА.

Одной из главных особенностей  ОАГ (рис.1.2 ) является  наличие  двух  автоколебательных процессов разного диапазона: оптического и радиочастотного.  На схеме рис.1.2 в оптоэлектронном генераторе ОАГ выделены в отдельные блоки -  лазер и кольцо оптоэлектронной частью, в которое входят замкнутые в кольцо нелинейный усилитель НУ, радиочастотный фильтр Ф, ответвитель О  и модулятор Маха-Цендера (МЦ).

            оптоэлектронный генератор, Борцов А.А. .

Рис.1.2. Схема оптоэлектронного генератора ОАГ: Лазер - КЛД, МЦ - электрооптический  модулятор Маха-Цендера, ОУ-оптический усилитель ,ВОС - волоконно-оптический система, ФД - фотодетектор, НУ - нелинейный усилитель, Ф –радиочастотный фильтр, О - ответвитель.

                      оптоэлектронный генератор, Борцов А.А.

Рис. 1.3. Схема малошумящего лазерного автогенератора ОАГ с  прямой амплитудной модуляцией (ПАМ )КЛД с двумя оптическими каналами.

 

Методическая концепция и особенности исследования ОАГ. Выделим главные составляющие концепции исследования:

Предметом исследования являются колебательные процессы в схемах ОАГ (с внешней и прямой модуляцией (рис.1.1,1.2,1.3)) в своей основе содержащие фазовые и амплитудные принципы модуляции оптического излучения.  ОАГ  представляет  двух диапазонную автоколебательную систему (АКС), в которой формируются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах.  

При этом в схемах ОАГ  радиочастота модуляции КЛД много больше ширины спектральной  линии лазерного излучения. Кроме этого, В ОАГ происходит оптоэлектронное преобразование на фотодетекторе, по крайней мере, двух оптических гармоник в фототок (или радиочастотное колебание) и  имеет место гетеродинное фотодетектирования (или самогетеродинирование) при квазикогерентном колебании лазера. Исследуемые  схемы ОАГ (рис.1.1,1.2,1.3)) с прямой и внешней модуляции ( а также с применением дополнительного подавления одной из трех оптических гармоник и выравниванием амплитуд оставшихся двух гармоник) содержат в своем схемном решении базу для применения корреляционного  метода  подавления фазового шума.  В потенциале эти схемы ОАГ обладают высокой степенью подавления фазового спонтанного  шума лазера,  электронных шумов фотодетектора  и усилителя. Выдвижение и разработка  данной идеи принадлежит автору [145].  Можно говорить, что в схемах ОАГ (рис.1.1,1.2, 1.3) реализуется (наряду с использованием  протяженной кварцевой  ВОЛЗ для стабилизации частоты генерации и подавления фазового шума)  коррелятор. В этом случае режим работы  ОАГ подобен работе  разностного генератора, в котором благодаря генерации на двух частотах  происходит  значительное снижение СПМ фазового шума.                  

Главными решаемыми задачами исследования являются: установление влияния параметров лазера КЛД (тока накачки, фазового шума) и оптического волокна (геометрической длины, показателя преломления, температурной зависимости показателя преломления  и др.) на характеристики колебательного радиочастотного процесса ОАГ, установление влияния шума лазера  на шум ОАГ.

Для математического моделирования лазерного излучения КЛД используется в частности полуклассическая теория лазера   с учетом фазовых соотношений напряженности поля. Это  вызвано следующим.

Полуклассическая теория лазера (или полуклассическое приближение) с учетом фазовых соотношений составляет одну из методических основ работы. Это означает, что для описания взаимодействия  ЭМП с активным веществом лазера КЛД используют классические уравнения Максвелла, а свойства вещества описываются векторами поляризации и уровнем населенности носителей на верхнем энергетическом уровне. Далее показывается, что для полупроводникового КЛД возможно три  уравнения (для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней) свести к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей. В некоторых случаях в настоящей работе (глава 3) для описания лазера используются балансные кинетические дифференциальные  уравнения Статца де Марса, в которых связь плотности  фотонов излучения лазера и уровня разности населенностей позволяет проанализировать динамику и коэффициент передачи лазера (или КЛД).  Однако при использовании метода балансных  уравнений теряются фазовые соотношения, которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов лазера на радиочастотные шумы ОАГ. Еще раз  необходимо отметить, что большинство  анализируемых схем ОАГ с прямой и внешней модуляцией  относятся к схемам с фазовой или амплитудной  модуляцией оптического излучения, а в процессе фотодетектирования с самогетеродинированием информация о поднесущей содержитс я в фазе оптического излучения.

На выбор моделей и  ограничений в них  при исследовании ОАГ влияет специфика лазера КЛД: квантовая природа шума, временная и пространственная когерентность, наличие пространственного распределения по амплитуде напряженности  E0(R), по фазе Ф0(R) и по флуктуациям амплитуды m(R) и фазы ,  соразмерность с длиной волны лазера габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне.

Подчеркнем, что главной целью исследования является анализ влияния характеристик лазера (оптической мощности вынужденного излучения, уровня спонтанного излучения, фазовых шумов лазера, добротности или постоянной времени оптического резонатора лазера, времени жизни фотонов в оптическом резонаторе КЛД, времени жизни носителей в КЛД) и характеристик оптоволоконного тракта (геометрической длины оптического волокна (ОВ), оптических потерь излучения  в ОВ и др. ) на характеристики оптоэлектронного генератора ОАГ в целом. Поэтому при анализе лазер или квантоворазмерный лазерный диод выделен, как главный элемент. Лазер является оптическим квантовым генератором,  генерации колебаний которого осуществляется при использовании вынужденных переходов активного вещества с  энергетических уровней. Лазер по  природе генерации  отличается от электронных традиционных генераторов. Он  обладает особенностями, одной из которых является квантовая природа шума лазерного излучения. При этом спонтанные шумы выходного излучения лазера, которые определяются временем жизни частиц в возбужденном состоянии, в оптическом диапазоне намного превосходят тепловые шумы.

В схемах с прямой амплитудной модуляцией ПАМ и внешней модуляцией малошумящий ОАГ строится на основе использования фазовых  и амплитудных принципов модуляции лазерного излучения. В этом случае фазовые шумы лазера с учетом малости всех остальных шумов нелинейного усилителя и фотодетектора (ФД)  определяют общий уровень фазового шума ОАГ.

Полуклассическое приближение лазера или КЛД составляет одну из главных методических основ работы.  Это означает, что для описания лазера ( в главах 5 и 6), входящего в состав  ВОЛЗ ОАГ, используется  классические уравнения Максвелла, а свойства вещества или материала активного элемента описываются векторами поляризации.  Особенностью подхода в полуклассическом приближении является то, что для конкретного типа лазера с узкополосным резонатором кванторазмерного лазерного диода КЛД удается выразить поляризацию вещества через вектор напряженности. Это позволяет свести систему из трех уравнений для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей (глава 2). Укорочение такой системы уравнений дает возможность получить систему из трех уравнений для амплитуды,  фазы напряженности оптических колебаний и уравнение для населенности носителей активного материала.   Такой подход справедлив для процессов с постоянной времени оптического резонатора 10-11…10-6  большей   )постоянной времени продольной релаксации (поляризации вещества)               10-12. При этом для узкополосных  полупроводниковых квантоворазмерных лазерных диодов (с шириной линии менее 1…1000МГц)  постоянная времени оптического резонатора составляет  10-9   …10-6   секунд. Процесс установления населенности в активном веществе лазерах КЛД играет важную роль в процессе образования фазовых шумов (определяемых спонтанным шумом) и происходит с постоянной  времени (или времени жизни носителей на верхнем энергетическом уровне) 10-9…10-8.

 Описание распространения колебаний в настоящей работе в электронной части ОАГ в нелинейном усилителе, радиочастотном фильтре и электрических цепях ведется традиционными методами, используя аппарат теории цепей и   теории колебаний.  Постоянная времени радиочастотного фильтра ОАГ с добротностью 100…1000 на частоте, например 10 ГГц, составляет примерно  10-8  …10-7   секунд. При этом постоянная времени радиочастотного фильтра  является много большей или сравнима с  постоянной  времени оптического резонатора лазера (или КЛД), которая составляет  10-12…10-6    секунд.

   Можно отметить, что  в оптоэлектронном генераторе  ОАГ развиваются и наблюдаются два  автоколебательных процесса в  разных  диапазонах: оптическом и радиочастотном с отношением частот примерно  1:2800. То есть в  ОАГ можно выделить   два различных колебательных процесса на различных частотах или говорить о различных  типах генераторов – оптического квантового генератора (ОКГ) с  частотой генерации примерно ν0=128 ТГц    и радиочастотного генератора (РЧГ) с  частотой генерации f0 =1…100ГГц. Оптический квантовый генератор, входящий в состав ОАГ, при этом является источником накачки для радиочастотного генератора ОАГ. Если лазер или КЛД  можно выделить в оптоэлектронном генераторе ОАГ в отдельный блок (рис. 1.2), то радиочастотный генератор (РЧГ) включает в себе лазер или КЛД. С другой стороны, оптоэлектронный генератор ОАГ при математическом моделировании в отдельных случаях может быть представлен схемой эквивалентного традиционного радиочастотного генератора с представлением лазера разными математическими моделями, в том числе самой простейшей линейным или нелинейным элементом с относительно простой передаточной функцией. Например, ВОЛЗ, входящая в состав ОАГ, может быть представлена линейным четырехполюсником, который описывается Y-матрицей с заданной входной и выходной проводимостью.    В последующем анализе в главах 2 и 6 при исследовании ОАГ  используются модели на базе дифференциальных уравнений. 

   Спектры двух колебательных процессов в ОАГ формируются флуктуациями, имеющими разную природу, а конечная ширина спектральной линии радиочастотной генерации ОАГ определяется параметрами двух резонансных систем – оптического резонатора лазера и радиочастотного фильтра, входящих в состав ОАГ. Интересной особенностью ОАГ является то, что спектр радиочастотных колебаний генерации формируется не только шумами имеющими электронную природу, но и фазовыми флуктуациями оптического излучения лазера, которые имеют квантовую природу и определяются  спонтанным излучением лазера.

В оптическом диапазоне в малошумящих СВЧ ОАГ поперечные размеры сечения области при фотодетектирования (или «пятна» излучения на светочувствительной площадке фотодетектора) соразмерны с длиной волны лазера. В результате интерференции на площадке фотодетектора  двух оптических колебаний и фотодетектирования выделяется полезный  электрический сигнал в нагрузке ФД. В отличии от радиочастотного диапазона, в котором поперечные геометрические размеры чипа детектора ( например, полупроводникового диода) в 10…1000 раз и более меньше длины волны, поступающих на него  электромагнитных колебаний, в оптическом диапазоне поперечные размеры светочувствительной площадки ФД, (используемых в  малошумящих ОАГ, которые работают на частотах выше 0,3ГГц), сравнимы с длиной волны лазерного излучения   и составляют 1..5мкм.  В этом случае модель плоской электромагнитной  волны для оптических узлов ОАГ и фотодетекторной площадке необходимо применять с большой осторожностью. 

Эти особенности являются определяющими при учете фазовых шумов ОАГ в схемах с прямой амплитудной модуляцией КЛД и внешней модуляцией модулятором Маха-Цендера.

Можно заключить, что в оптическом диапазоне фазовый шум лазера из-за перечисленных причин невозможно исключить, как это делалось  во всех предыдущих работах по исследованию ОАГ других авторов [64-70],  при общем анализе фазового шума радиочастотных колебаний  ОАГ.

Рассмотрим схему ОАГ (рис.1.2) более детально. Лазер или квантоворазмерный лазерный диод КЛД, входящий в состав ОАГ (рис.1.2), образован замкнутыми в кольцо оптическим нелинейным усилителем ОУ, узкополосным оптическим фильтром ОФ и оптической линией задержки ОЛЗ .

Оптическая частота генерации  в лазере (или КЛД) определяется, (при выполнении условий самовозбуждения) исходя из уравнений баланса фаз стационарных  оптических колебаний :

 

,                                                       (1.1),

 

где – фазочастотная характеристика (ФЧХ) нелинейного оптического усилителя,  – фазочастотная характеристика узкополосного оптического фильтра (ОФ) с собственной частотой  и постоянной времени ;  -– набег фазы в остальной части блок-схемы лазера, помимо оптического фильтра и нелинейного усилителя; - управляющее напряжение, подаваемое на оптический фильтр для изменения его собственной оптической частоты,  .

ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера (рис.1.2), с другой стороны, представляет  радиочастотный генератор (РЧГ), который  образован лазером и замкнутыми в кольцо электрооптическим модулятором Маха-Цендера МЦ, волоконно-оптическим световодом  ВС, фотодетектором ФД, нелинейным усилителем НУ, узкополосным радиочастотным фильтром Ф. Радиочастота генерации  в радиочастотном генераторе ОАГ  определяется при выполнении условий самовозбуждения, исходя из уравнений баланса фаз стационарных автомодуляционных колебаний:

 

                              (1.2),

 

где - фазочастотная характеристика (ФЧХ) модулятора МЦ, - управляющее напряжение на модуляторе МЦ;  - фазочастотная характеристика остальной части волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ), содержащей модулятор МЦ, волоконно-оптическую систему (ВОС) и фотодиод ФД, с общим групповым временем  оптической задержки в этой части ;   - фазочастотная характеристика узкополосного радиочастотного фильтра (Ф) с собственной резонансной частотой  и постоянной времени ;  - набег фазы в широкополосном электронном нелинейном усилителе НУ, .

В такой схеме (рис.1.2) лазер, с одной стороны, осуществляет энергетическую накачку   радиочастотного автогенератора РЧГ, а с другой стороны является главным элементом ВОЛЗ.

Оптическое излучение (несущая) лазера поступает на вход оптического модулятора (МЦ), в котором излучение модулируется электрическим сигналом . Далее оптическое  излучение через оптический модулятор, и волоконно-оптическую систему ВОС поступает на светочувствительную площадку фотодетектора ФД (или оптический вход  фотодетектора). Полученные в нагрузке    фотодетектора ФД радиочастотные колебания (поднесущая) проходят через транзисторный нелинейный усилитель (НУ), частотно-избирательный фильтр (РФ) и направляются по этой кольцевой системе через СВЧ направленный ответвитель (О) на управляющий СВЧ вход модулятора (МЦ).

При выполнении условий самовозбуждения ОАГ в “электронной” части его схемы (где именно есть ) такого автогенератора  возникают автомодуляционные СВЧ радиочастотные колебания электрического напряжения , мгновенное напряжение которого равно

 

                                                   (1.3),

 

где   – амплитуда  автоколебаний управляющего (модулирующего) СВЧ напряжения на входе модулятора МЦ или выходе фильтра Ф,  – радиочастота генерируемых стационарных автоколебаний, – начальная фаза напряжения ug(t) постоянный фазовый сдвиг. При использовании в МИС квантоворазмерного лазерного диода (КЛД), управляемого CВЧ компонентой тока смещения, имеет место прямая амплитудная модуляция АМ, и как следствие модуляция по интенсивности излучения лазера. 

Рассмотрим особенности СВЧ генерации в ОАГ при формировании модулированного лазерного излучения с малым индексом модуляции на выходе МИС для случая,  когда ширина спектра излучения лазера  намного меньше радиочастоты  поднесущей: . На выходе МИС спектр модулированного  оптического излучения представляет собой  определённый эквидистантный набор составляющих, отстоящих друг от друга на частоту поднесущей (частоту модуляции) . Ограничимся рассмотрением «режима с двумя боковыми», т.е. только трёх оптических спектральных составляющих), оптические частоты которых равны, соответственно,  , , . Две из этих оптических частот  и  разнесёны от центральной оптической частоты лазера  на частоту поднесущей .

В дальнейшем изложении при описании работы рассмотрим ОАГ с МИС, в котором модулятором в ОАГ является оптический фазовый модулятор (или как принято его называть за рубежом модулятор интенсивности) Маха –Цендера МЦ .

Модулятор Маха-Цендера представляет собой два оптических канала ОК1 и ОК2 в виде двух полосковых оптических волноводов, соединенных на входе и выходе оптическими Y–ответвителями (рис. 1.1а). Входной Y –ответвитель распределяет,  лазерное излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля   по этим двум оптическим каналам. В ОК2 излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля  модулируется за счёт линейного электрооптического эффекта по оптической фазе СВЧ напряжением с выхода Ф входным радиочастотным сигналом. В ОК1 излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля  не модулируется. Групповое время задержки  на выходе ОК2 относительно входа МЦ зависит от мгновенного значения управляющего напряжения: . На выходе ОК1 время задержки сохраняется постоянным Оптическое излучение с выходов ОК1  и ОК2 с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля, соответственно, и  объединяются (складываются) в выходном X- ответвителе и поступают на вход одиночного световода ВОС, в котором задерживаются на групповое время  и, пройдя через него, поступают на светочуствительную площадку фотодетектора ФД .

В общем случае выходное излучение  с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля, соответственно, и  каналов ОК1 и ОК2  модулятора МЦ, могут поступать на вход фотодетектора не по одному общему световоду, а каждое (из этих двух излучений) - по своему отдельному световоду ВС1 и ВС2, соответственно. Тогда разность в задержке будет равна

                                   (1.4).

 

В случае, когда волоконно-оптическая система образована одиночным протяженным оптическим волокном ВС (от 100 м до 1 км и более) . В общем случае оптические волокна, входящие в состав ВОЛЗ,  являются дисперсионными оптическими линиями задержки, то есть  время задержки в них является функцией  оптической частоты . В окрестности средней частоты генерации лазера  зависимость задержки TВС от оптической частоты  ν  является приближённо линейной:

 

                               (1.5),

 

где  – крутизна запаздывания  определяется поляризационной, модовой, материальной и волноводной дисперсией ВС во временной области и пространственной дисперсией ВС и составляет, в среднем, для современных одномодовых оптических волокон величину . Таким образом, в общем случае  ОАГ представляет собой автоколебательную систему с диссипацией, в состав которой входит дисперсионная линия задержки. Но учитывая, что для работы в малошумящих ОАГ используются узкополосные лазеры с шириной спектральной линии 1кГц…1МГц, дисперсией оптического волокна   при анализе ОАГ пренебрегаем. Влияние дисперсии оптического волокна при использовании высокодисперсионных ОВ  в ОАГ рассмотрены в главе 6 настоящей работы.

Управление частотой генерации  в рассматриваемой системе ОАГ с ВОЛЗ  поясняется, исходя из уравнений баланса фаз стационарных автомодуляционных колебаний [2,3]:

 

,              (1.7)

                            

где –фазочастотная характеристика ВОС,  – фазочастотная характеристика (ФЧХ) узкополосного фильтра (Ф)  с собственной частотой  и постоянной времени ; - набег фазы в остальной, помимо фильтра, широкополосной электронной части  ОАГ СВОЛЗ, включая лазер и фотодиод.

При изменении ФЧХ ВОС при вариации  коэффициентов возбуждения А и B,  частота ОАГ СВОЛЗ изменяется. Частота стационарных колебаний в системе ОАГ СВОЛЗ с направленным ответвителем Y-типа (рис.1.3) при вариации   и  определяется при приблизительном равенстве коэффициентов  и   выражением [2-4]:

 

                         (1.9)

 

где ,    ., , , - задержки колебаний в оптических волокнах ВС0, ВС1 и ВС2  соответственно(рис.1.3). Управление  частотой в системе с направленным ответвителем Y-типа, как показанов главе 4, производится изменением коэффициента А и В а в одном из световодов  ВС1 или ВС2. Из выражения (1.9) следует, при коэффициентах  =1 и    =0, что частота ОАГ зависима от времени задержки в ВОЛЗ. При больших задержках частота генерации ОАГ стабилизируется за счет большого времени запаздывания в кольце обратной связи ВОЛЗ.   Сверх низкий фазовый шум оптоэлектронного генератора ОАГ достигается за счет создания на базе ВОЛЗ высокодобротного оптоэлектронного резонатора “бегущей волны” с нагруженной эквивалентной добротностью Q = (0,2… 0,8)·10(в диапазоне частот 1…70ГГц).

 

  1. 2. Технические особенности и достоинства ОАГ с внешней и прямой модуляции в схемах с самогетеродинированием.

ОАГ можно подразделить   по типу модулированного источника света МИС - с лазерами, ширина полосы которых много меньше и  больше  радиочастоты модуляции  f.  При выполнении условия  при частотной или фазовой модуляции лазерного излучения  ОАГ является системой с когерентным фото гетеродинированием или разностным генератором. В таком  разностном генераторе возможно осуществить режим  самогетеродинирования оптического излучения  при фотодетектировании  и произвести   эффективное подавлением  шумов, имеющих электронную и оптическую  природу. Схемы построения ОАГ  различают по способу модуляции лазерного излучения и фотодетектированию.  В ОАГ с внешней модуляцией и с прямой амплитудной модуляцией используется фазовая и амплитудная (соответственно) модуляция лазерного излучения и последующее фотодетектирование по крайней мере двух оптических колебаний. Одно из оптических колебаний фазомодулированное сигналом радиочастотной  поднесущей.   По способу  фотодетектирования эти схемы относятся к схемам с гетеродинным фотодетектированием. В схемах традиционного гетеродинного фотодетектирования, использующиеся в лазерной локации, при приеме внешнего оптического излучения модулированное по фазе(или частоте) колебание принимается посредством  использования внешнего оптического генератора или гетеродина, оптические колебания которого поступают на светочувствительную площадку фотодетектора вместе с внешним принимаемым оптическим колебанием. В ОАГ с внешней и прямой модуляцией используется самогетеродинирование, то есть сбиваются на площадке фотодетектора  два (или три)  оптических колебания (или гармоники с частотами 1)  , ,  , или 2) с частотами ,   ) , которые поступают от  одного лазера КЛД.

При фотоприеме лазерного излучения происходит  перенос фазовые флуктуации  колебаний   лазера  в  фазовые флуктуации  радиочастотных колебаний. Наиболее важным достоинством  гетеродинного преобразования является способность сохранения информацию о фазе оптического колебания и перенос ее в электрический сигнал фототока ФД.

В результате  самогетеродинирования в нагрузке фотодетектора выделяются радиочастотная поднесущая и фазовые шумы  лазера КЛД, выступающего в роли  гетеродина (или «самогетеродина»), а спектр колебаний сигнала фототока (при условии малости собственных шумов фотодетектора и шумов усилителя) повторяет форму спектра оптических колебаний напряженности поля сигнальной волны, но со сдвигом по частоте вниз, ровно на частоту лазера -гетеродина. В спектральном представлении это можно выразить так: спектр оптического сигнала(или СПМ АМ и ФМ шумов) почти без изменений сдвигается в область спектра радиочастоты поднесущей f0, а при конечной ширине спектра лазера - гетеродина спектр радиочастоты поднесущей  f0 (электрического сигнала) дополнительно уширяется.

ОАГ, как  источник колебаний  нового типа, обладает преимуществом  по совместному  использование новейших твердотельных компонентов и элементов оптоэлектроники  и акустооптики, оптических волокон  и традиционной элементной базы СВЧ/КВЧ техники.

Применение в ОАГ одиночного оптического волокна (совместно с малошумящими лазером и фотодиодом)  позволяет создать компактную (10мм х100мм х100мм)  малошумящую  ВОЛЗ высокой добротности 1000000 с задержкой более чем 50 мкс (при длине ВС 10 км).   Потери электрической  мощности передаваемого сигнала в диапазоне частот 0.1Гц до 50ГГц составляют при длине ВС не более нескольких километров от –10 дБ до –18 дБ. Этот невысокий уровень СВЧ потерь имеет место за счет относительно высокой крутизны преобразования в лазере, фотодиоде, незначительного оптического затухания в оптических волокнах и направленных ответвителях. Такая ВОЛЗ является устойчивой  к высоким ударным и длительным динамическим перегрузкам и ускорению (2-10 g) , длительным  акустическим воздействиям. У ближайшего альтернативного решения  АГ СВЧ резонаторы на монокристаллах сапфира не выдерживают высоких ударных и динамических нагрузок более 100…200 Н/кв.см [140]. С другой стороны, в  ВОЛЗ возможно создание  задержки колебаний более чем на 50 мкс (при длине ВС 10 км). При  этом  за счет наращивания геометрической длины оптоволокна, увеличения мощности лазера, использовании в ВОЛЗ малошумящих лазеров удается  достичь  фазовых шумов ОАГ менее  -120Дб/Гц при частотной отстройке на 1кГц от 10 ГГц.

Получение СВЧ фазовой модуляции оптического излучения стало возможным с появлением электрооптических фазовых модуляторов СВЧ колебаний. Эффективное снижение фазового шума в ОАГ  происходит за счет использования ВОЛЗ с большим временем задержки (10…50мкс на колебаний с частотой 8…12ГГц ), а также за счет использования когерентного фотодетектирования и самогетеродинирования двух по разному задержанных оптических колебаний.  Возможность получить компенсацию ФШ при самогетеродинировании   обусловлено высоким отношением частоты оптической несущей 128ТГц к частоте радио поднесущей 10ГГц которое составляет 12800. Получение в ОАГ на СВЧ поднесущей 10 ГГц спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов менее  -120Дб/Гц при частотной отстройке на 1кГц от 10 ГГц .

ОАГ с самогетеродинированием, как  генератор,  содержащий в кольце обратной связи коррелятор фазовых флуктуаций. Особенностью ОАГ с прямой и внешней модуляцией является то, что при использовании в ОАГ ВОЛЗ с двумя оптическими волокнами или , двумя оптическими каналами (как в случае с ОАГ с модулятором Маха-Цендера МЦ) и организации в оптических фильтров , предназначенных для подавления одной их гармоник и выравнивании амплитуд неподавленных гармоник с помощью аттенюаторов. В этом случае схема ОАГ с ВОЛЗ такого вида содержит  частотный дискриминатор или коррелятор (рис. 1.3А). Метод частотного дискриминатора применяется в радиотехнике и оптолектронике для измерения фазовых шумов и спектров лазеров. Этот метод является разновидностью метода фазового детектора с тем отличием, что здесь не требуется опорный источник. Рис. 1.3А иллюстрирует принцип метода частотного дискриминатора, использующего линию задержки. Здесь сигнал от генератора Г разделяется на два канала. Сигнал одного канала задерживается относительно другого на время Т2-Т1. Линия задержки преобразует флуктуации частоты во флуктуации фазы. Настройкой линии задержки или фазосдвигателя устанавливается квадратурный фазовый сдвиг сигналов(то есть разность фаз между колебаниями в каналах равна 90 градусов), поступающих на входы смесителя (фазового детектора).

 

Рис. 1.3А.  Функциональная схема, иллюстрирующая принципы метода коррелятора и частотного дискриминатора в ОАГ с прямой(а) и внешней модуляцией (б)на базе модулятора Маха-Цендера МЦ и в схеме с прямой амплитудной модуляцией при подавлении одной из гармоник. Г- радиочастотный генератор, А1, А2 –аттенюаторы , линии задержки с временами задержки с временем запаздывания Т1 и Т2, соответственно,См- смеситель ,ФНЧ- фильтр нижних частот , У –малошумящий усилитель , Ан –анализатор. АЧХ и ФЧХ оптического фильтра, предназначенного для подавления одной из оптических гармоник(в). Спектры гармоник на входе и выходе оптического фильтра ОФ1(г). Схема коррелятора (д).

Затем фазовый детектор преобразует флуктуации фазы во флуктуации напряжения, которые затем могут быть интерпретированы анализатором спектра в полосе модулирующего сигнала как частотный шум.  Частотный шум затем преобразуется в значения фазового шума испытуемого устройства.  Этот метод прекрасно используется для автогенераторов, таких как « LC генераторы» или генераторы на объёмных резонаторах [140].

Представленные схемы генераторов ОАГ на рис. 1.1, 1.2 и 1.3 содержат  описываемую схему (рис.1.3А), иллюстрирующую принципы метода коррелятора и частотного дискриминатора. В ОАГ в качестве опорного генератора используется лазер, в качестве линии задержки оптическое волокно или каналы модулятора Маха-Цендера, в качестве фазового детектора выступает фотодетектор ФД.

 При малых относительных задержках (рис. 1.1, 1.2 и 1.3) дисперсия фаз на выходе фазового детектора (или в фототоке фотодетектора)  определяется, как показано в [ 165 ],

 

   , (1.9.1.1)     

или , как следствие,                              

 ,                                             (1.9.1)

   

где , - дисперсии флуктуаций оптической фазы излучений, соответственно,  на входе  оптических каналах ОК1 и ОК2 (рис.1.1-1.3),  - автокорреляционная функция случайного процесса ,  - естественная ширина спектральной линии излучения опорного генератора (лазера) (приблизительно равна обратной величине постоянной времени оптического фильтра лазера  ),  - разность задержек в каналах фазового детектора (или оптических каналах ОК1 и ОК2 модулятора МЦ и ВОС) (рис.1.1-1.3),  - фазовый сдвиг,  ,-частота генерации лазера,  - коэффициент неравномерности возбуждения  оптических каналов: , оптическая мощность излучения  в  первом и втором оптических каналах ОК1 и ОК2 (рис.1.1-1.3) , соответственно.  Необходимым условием снижения шума является подавление одной из трех оптических  гармоник.

 При учете в (1.9.1.1),что  ,тогда              ………………………………………………………………………(1.9.1.2)           .    

 1)При учете в (1.9.1.2),что    и     ,тогда                                                                                

   , (1.9.1.3)       

2)При учете в (1.9.1.3),что  при и   ,тогда

   , (1.9.1.4)       

3)При учете в (1.9.1.2),что    и    ,тогда

            ,     (1.9.1.5)       

 4) При учете в (1.9.1.2),что  ,  и     ,     ,тогда

     , (1.9.1.6)  .

5) При учете в (1.9.1.2),что присутствует третья неподавленная гармоника с амплитудой   и( -коэффициент учета  этой гармоники), ,  и     ,     ,тогда

     ,                                                        (1.9.1.6)  .

 

1.При большой разнице Т2-Т1  , то есть много большей (в 1000 и более раз) постоянной времени резонатора   (и периода колебания генератора Г-лазера), частотный дискриминатор выступает, как преобразователь частотных флуктуаций генератора в фазовые флуктуации. При этом .

2. При малой разнице Т21   , то есть сравнимой  с  постоянной времени резонатора   (и периодом колебания генератора Г), частотный дискриминатор выступает , как коррелятор или  подавитель  фазовых флуктуаций     и . Степень подавления определяется шириной линии лазера,  точностью выравнивания каналов по оптической мощности (или коэффициентом  неравномерности возбуждения оптических каналов), а также степенью неоднородности каналов , которая влияет на относительные фазовые задержки в поперечном сечении канала. В оптическом диапазоне неоднородность показателя преломления и микро неоднородности  являются определяющими на качество подавления фазовых флуктуаций. Учет фазовой неоднородности в поперечном сечении производится  коэффициент неравномерности, зависящий от поперечной неоднородности .

Например, в ОАГ с лазером с шириной линии 3 кГц, относительной задержкой в модуляторе Маха-Цендера с, с, и , как показано в главе 5 и 6, значение автокорреляционной функции при отстройках по частоте от оптической несущей 1кГц…1МГц,  с точностью до третьего  знака после запятой     . При выравнивании мощности в оптических каналах с точностью  =0,1 из (1.9.1) следует, что  дисперсия флуктуаций фаз в фототоке фотодетектора ФД   и меньше исходной снижение более, чем в  десять раз. В ОАГ существует возможность организации фазовой модуляции оптического излучения лазера в оптическом канале. Отметим, что малые собственные фазовые шумы на выходе ВОЛЗ от -110 до – 140дБ/Гц , которые определяются фазовыми шумами лазера . Фазовые шумы квантоворазмерных  лазеров  на частотной отстройке на (1÷10) кГц составляют -100… -120 дБ/Гц и, соответственно, длина когерентности составляет до 50 км.

Самогетероденирование в ОАГ с применением модулятора Маха-Цендера (рис.1.1), за счет коррелированности лазерных шумов, как показано в главе 6, дает возможность подавить на 10…15 дБ/Гц фазовый шум ОАГ, обусловленный продетектированными шумами лазера.

Возможность, даваемая оптическими аттенюаторами, при самогетеродинировании на ФД достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10-1…10-3) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителях ВОЛЗ. Это позволяет уменьшить фазовые шумы лазера до значений электронных шумов.

          В ОАГ с КЛД с прямой и внешней модуляцией существует  возможность за счет гетеродинирования значительно снизить фазовые шумы в ОАГ. Для  снижение фазовых шумов за счет самогетеродинирования необходимо подавить третью гармонику, применять  узкополосный лазер. Снижение шумов фазовых в этом случае зависит от точности выравнивания мощности в оптических каналах, не только временной, но и пространственной когерентности источника в поперечном сечении

Интеграция в будущие оптические и оптоэлектронные системы. ОАГ  потенциально имеет два и более различных выходных /входных разъёмов (портов, или терминалов) – оптический и электрический СВЧ. Наличие двух выходов расширяет его функциональные возможности применения в оптоэлектронных системах будущих поколений устройств генерирования. С электрического СВЧ выхода колебания СВЧ поднесущей поступают на входы потребителей сигнала - умножителей, усилителей, модуляторов и регистрирующие устройства (анализатор спектра, частотомеры и др.). С оптического выхода СВЧ модулированное/немодулированное оптическое излучение КЛД при необходимости подаётся в оптические каналы передачи данных, в схемы оптической обработки информации и др. При использовании оптического выхода обеспечивается полная гальваническая и СВЧ развязка оптоэлектронного генератора ОАГ с его выходной нагрузкой. Например, с оптического выхода ОАГ сигнал следует передать к внешнему, вне схемы ОАГ второй фотодетектор ФД другого устройства. не стоящий в кольце ОАГ, и с выхода второго ФД поступить на выходной усилитель. Такая  гальваническая оптическая развязка значительно ( на 10…20дБ) снижает уровень шумов ОАГ, вызванными внешними источниками шума и сигналом, отраженным от нагрузки.

Новые методы оптического и оптоэлектронного управления радиочастотой автогенератора.  Одним из важных достоинств ОАГ является возможность управления его генерируемой радиочастотой –оптическими и оптоэлектронными  методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентованы [119-124], теоретически и экспериментально  исследованы новые виды управления радиочастотой ОАГ, в том числе  при изменении тока накачки и оптической частоты лазера. Управление радиочастотой ОАГ осуществляется также при изменении ФЧХ волоконно-оптической линии задержки при вариации  коэффициентов возбуждения А и B,  частота ОАГ с ВОЛЗ изменяется. Одним из важных достоинств ОАГ выявленных в настоящей работе является расширение возможности управления его радиочастотой  – чисто оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и различные волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентован, теоретически и экспериментально  исследован новый вид управления радиочастотой ОАГ при изменении оптической частоты лазера.

Нелинейности в ОАГ. ОАГ представляет генератор с универсальным набором нелинейностей. Помимо «традиционной» нелинейности электронного усилителя, в петле обратной связи ОАГ при прохождении колебаний необходимо иметь в виду, что существуют в потенциале  нелинейности фотодиода,  лазера,  модулятора и нелинейность  волоконно-оптического световода. В ОАГ присутствуют различные виды нелинейностей: квадратичная и кубическая  (лазерный диод с внутренней модуляцией током накачки и фотодиод), косинусоидальная (модулятор Маха-Цендера) и другие.   Например, косинусоидальную  нелинейность модулятора МЦ можно использовать  для умножения в четное число раз поднесущей частоты колебаний [156]. В работе   [157] представлен анализ и результаты экспериментальных исследований схемы по передачи сигнала с сверхнизким уровнем шума (-100Дбн/Гц при отстройке от несущей на 1Гц). 

Нелинейность в  протяженных кварцевых одномодовых оптических волокннах  (ОВ) с геометрической длиной от 1 км до 12 км проявляется при создании больших плотностей мощности в жиле ОВ 20…500мВт/1кв.мкм,  при средних непрерывных мощностях излучения КЛД 20-200мВт. Пороговый уровень мощности, при котором начинают проявляться нелинейные эффекты, зависит от типа и длины оптического волокна, введенной мощности лазерного излучения в оптическое волокно, ширины спектральной линии генерации КЛД и параметров эффективного сечения ОВС [27]. Наиболее изученными являются многофотонные нелинейные эффекты, возникающие  за счет прямого и обратного рассеяния Брюллиена [ 155 ]. Увеличить пороговую мощность нелинейных оптических эффектов  в 10…20 раз можно путем использования в ВОЛЗ специальных микроструктуированных ОВ, поперечные сечения которых представлены на рис.1.14. В оптических дисковых резонаторах (ОДР) диаметром 1…10 мм при вводимых в них  мощностях 10…100мкВт оптического излучения  проявляется  их нелинейность. При этом нелинейные эффекты  не только вызывают спектральные стохастические шумы колебаний, но высокую температурную нестабильность собственной частоты ОДР. Это не дает возможности применять  ОДР в ОАГ в качестве пассивных высокодобротных резонаторов и  фильтров в ВОЛЗ.

Дисперсионная ВОЛЗ в ОАГ. Волоконно-оптическая линия задержки в общем является дисперсионной, то есть ее задержка зависит от оптической частоты колебаний, генерируемых лазера. Современные малодисперсионные ВС характеризуются спектральной погонной задержкой порядка (1 ÷ 10)пс /(нм км). С другой стороны, есть специальные дисперсионные ВС позволяющие реализовать как отрицательную так и положительную дисперсию с 100-1000 пс /(нм км).

 Дисперсия линии задержки приводит к искажению спектра, появлению в спектре радиочастотного сигнала генерации дополнительных из-за сочетания с нелинейными эффектами в ОВС паразитных составляющих, что сопровождается с увеличением ширины спектральной линии лазера. Однако их уровень проявляется, к показано в главе 6, в малодисперсионных ОВ при ширине спектральной линии оптического излучения МИС более 500МГц и  длинах ОВ более 10 км.

Типы ОАГ по составу модулированного источника света МИС. Использование разных типов МИС в ОАГ зависит от назначения автогенератора. Например, в ОАГ ВЧ диапазона ( в измерительных ВО системах) целесообразно применять лазерный диод ЛД (или СД) с низкочастотной внутренней модуляцией, в ОАГ СВЧ диапазона  (в устройствах формирования для систем связи) - экономичных  КЛД с внутренней модуляцией или КЛД с внешним абсорбционным модулятором . В  малошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона 8-30ГГц  используются  КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.  

Разделение  ОАГ по топологии ВОС.  ВОС на базе кварцевого одномодового ВС с малой дисперсией tд=1-3 пс/(нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать мало дисперсионные линии задержки (ЛЗ)  СВЧ радиосигналов на время Tз=10-100 мкс с относительной временной дисперсией за счет ширины полосы излучаемых частот  МИС  tд /Tз = (2 – 6) 10-7  ( нм)-1 =(2-6)10-7  (30 ГГц) -1. Последнее обстоятельство делает возможным  реализацию на базе узкополосных лазеров с шириной спектральной линии менее 1МГц  линий задержек ЛЗ  с малым фазовым шумом на ее выходе.

       Особенностью ОАГ является использование для селекции типов колебаний  ВОЛЗ на базе составных сложных ВОС  (рис. 1.4а) . Режекторный характер АЧХ таких ВОЛЗ позволяет осуществлять селекцию  соседних типов колебаний и подавлять  амплитуду паразитных типов    колебаний .  Методы использования сложных ВОС позволяют существенно снизить боковые составляющие соседних типов колебаний до уровня  -100 – - 140дБ/Гц.  В ОАГ  осуществляется возможность получения одночастотного режима радиочастотной генерации в СВЧ диапазоне   при больших временах запаздывания в ВОС Твс =1-50 мкс. Одним из использований в ОАГ   сложных ВОС является применение в ОАГ рециркулярных ВОС с одним или несколькими ОВ в цепи  обратной связи (рис.1.4 б).  Такие рециркулярные ВОЛЗ обладают узкополосной АЧХ гребенчатого вида и в несколько десятков  раз могут снизить геометрическую длину оптического волокна в ОАГ.

а)  оптоэлектронный генератор, Борцов А.А.                                                        б)

Рис. 1.4  Функциональные схемы ОАГ со сложной составной  ВОС (а) и рециркулярной ВОС(б) с разными геометрическими длинами ОВ.

 

       Линейная топология ВОЛЗ выгодно отличается по своим прочностным характеристикам при разрушающих ударных  воздействиях от  монолитных кристаллов диэлектрических резонаторов РЧГ.  По геометрическим своим размерам они почти совпадают. Данная прочностная характеристика  для ОВ составляет 2000н/кВ.см (для монолитных  кристаллов типа лейкосапфира с диаметром   диска 5…8 см и толщиной 1см эта характеристика  на один…два порядка меньше) может быть одной из решающих при использовании малошумящих генераторов ОАГ в беспилотных орбитальных станциях и беспилотных летательных аппаратах , в военных применениях и др., где ударные и прочностные характеристики являются решающими .    

           оптоэлектронный генератор, Борцов А.А.                                           .        

Рис.1.5 Эквивалентная схема автогенератора ОАГ ВОЛЗ.

 

    Эквивалентная  электрическая схема автогенератора ОАГ с выделением лазера ОКГ и радиочастотной части генератора (РЧГ) ОАГ  представлена на рис.1.5. На этой схеме также  выделены линейная часть (ЛЧ) активного элемента  АЭ  и ВОЛЗ и показаны нелинейные источники токов АЭ.   Для изучения  частотных,  амплитудных зависимостей и временных зависимостей ОАГ в главе 2 используется математическая модель ВОЛЗ,  в  которой ВОЛЗ заменяется четырехполюсником с входной проводимостью равной входной проводимости модулятора Маха-Цендера (для схемы с внешней модуляцией излучения КЛД ) или входной проводимости КЛД (для схемы с прямой модуляции), выходной проводимостью равной проводимости фотодетектора ФД  и  коэффициентом передачи ВОЛЗ.     Более сложная математическая модель, представляющая лазер полуклассическими уравнениями, учитывающая фазовые шумы оптического излучения лазера и их преобразование в радиочастотный  фазовый шум ОАГ  рассмотрена в главе 6 настоящей работы.

 

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

 Диссертация на звание доктора технических наук.