Copyright 2017 - Custom text here
 

ГЛАВА6. Анализ работы  оптоэлектронного  генератора с внешним модулятором Маха –Цендера

В главе проведен анализ   лазерного оптоэлектронного автогенератора (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) как системы двух автогенераторов оптического и радиочастотного диапазонов. Один из автогенераторов - лазер является накачкой для второго – радиочастотного автогенератора. Изучено формирования спектра генерации радиочастотных колебаний ОАГ с учетом влияний параметров оптического излучения лазера –ширины спектральной линии излучения  и его  мощности.

  1. 1. Общая постановка задачи исследования ОАГ с модулятором Маха-Цендера

Лазерный оптоэлектронный автогенератор (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) является перспективным источником СВЧ и КВЧ колебаний.  ОАГ может использоваться в качестве задающего генератора в устройствах радио- и оптических локационных комплексах, а также в системах формирования и обработки оптических и электронных прецизионных сигналов, например, с  длительностью импульса порядка пикосекунды. ОАГ, выполненный на базе оптических микрорезонаторов  имеет малые габариты, вес и стоимость.  Экспериментальные результаты измерений спектральной плотности фазовых шумов такого автогенератора, равные  -147 дБ/Гц  на частоте генерации 10 ГГц  при стандартной отстройке 1 кГц ,  позволяют заключить, что ОАГ   является вторичным стандартом частоты  и уже сейчас конкурирует с малошумящими СВЧ генераторами с диэлектрическими резонаторами    на кристаллах  сапфира на частотах генерации 8 – 70 ГГц. В настоящее время разрабатываются методы фазовой стабилизации автоколебаний ОАГ.  Вместе с тем вопрос влияния  параметров оптического излучения лазера или лазерного диода базового элемента ОАГ  на спектральные  характеристики генерации радиочастотных колебаний мало изучен.

            В данном разделе проводится анализ работы ОАГ с электро-оптическим модулятором Маха-Цендера с целью получения в такой схеме предельно малых радиочастотных фазовых шумов. В начале проводится изучения особенностей схемы  и характеристик модулятора   Маха-Цендера .

     Подчеркнем, что  в этом разделе ОАГ  рассмотрен как система  двух различных  типов генераторов – оптического квантового генератора (ОКГ) с   частотой генерации примерно ν0=200 ТГц    и радиочастотного генератора (РЧГ) с  частотой генерации f0 =4–100ГГц. Оптический квантовый генератор при этом является источником накачки для радиочастотного генератора.

 

  1. 2. Устройство и принцип работы ОАГ с модулятором Маха Цендера

ОАГ состоит из двух автоколебательных систем – оптического квантового генератора ОКГ или  лазера (лазерного диода ЛД) и радиочастотного автогенератора РЧГ (рис.6.1). Лазер является накачкой для радиочастотного автогенератора РЧГ. РЧГ образован, последовательно замкнутыми к кольцо обратной связи  электрооптическим   модулятором (МЦ), волоконно-оптической системой (ВОС),  фотодиодом (ФД), нелинейным усилителем (НУ), радиочастотным узкополосным фильтром(Ф) и ответвителем(О).

 ОАГ можно рассматривать как автогенератор  с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки(ВОЛЗ) РЧ сигнала  образована модулированным источником света (МИС), состоящим из лазера и модулятора, ВОС и ФД. МИС в ОАГ может являться модулируемый квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) или лазер с внешним электро-оптическим модулятором, например, модулятором Маха-Цендера (рис.6.1 и 6.2.). 

                                                           а)

 

                                                (б)

Рис.6.1. Схемы ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера МЦ  с выделением модулятора МЦ(а) и выделением лазера (б).ЛД -лазерный диод, МЦ  –электро-оптический модулятор Маха-Цендера ,  ВОС- волоконно-оптический световод, ФД-фотодетектор, НУ-нелинейный усилитель, Ф- радиочастотный фильтр, М-модулятор, О-ответвитель .

 

 

Рис.6.2. Общий вид  экспериментального образца малошумящего лазерного оптоэлектронного генератора  СВЧ диапазона. Средняя частота генерации 8…10 ГГц.

 

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 поступает на вход  фотодетектора (ФД). Полученные на выходе фотодетектора радиочастотные колебания (поднесущая) проходят через нелинейный усилитель (НУ), частотно-избирательный фильтр (Ф) и направляются по этой кольцевой системе через ответвитель (О)  на СВЧ вход модулятора МЦ.

В  системе ОАГ при выполнении условий самовозбуждения в   электронной части такого автогенератора  возникают радиочастотные колебания . При этом на электронный вход МЦ с выхода нелинейного усилителя через ответвитель О в процессе генерации автоколебаний поступает  радиочастотный сигнал,  мгновенное напряжение которого

 

  ,                                                 (6.1)                                                                             

где – амплитуда  автоколебаний на входе модулятора МЦ или выходе фильтра Ф, –  радиочастота автоколебаний, – постоянный фазовый сдвиг.

Отметим, что если  ширина спектра лазера намного меньше радиочастоты поднесущей , на выходе модулятора в малосигнальном режиме формируется модулированное излучение. Это оптическое излучение представляет собой по спектру сумму трех  когерентных оптических несущих, частоты которых равны, соответственно,   , , . Две из этих оптических частот   и  разнесёны от центральной оптической частоты лазера  на частоту поднесущей . 

В дальнейшем изложении рассмотрим ОАГ с модулятором МЦ, в котором лазер  является высококогерентным источником оптического излучения и  , а модулятором в ОАГ является оптический фазовый модулятор Маха –Цендера (МЦ).

Модулятор Маха-Цендера  представляет собой  два полосковых оптических волновода, соединенных на входе Y и выходе Х – оптическими направленными ответвителями (НО) (рис.6.3).  Входной   Y –ответвитель,  выполняет функцию делителя излучения лазера напряженностью электрического поля  на два оптических канала ОК1 и ОК2.

 

         Рис.6.3. Схема расположений оптических каналов и электродов в электро-оптическом модуляторе Маха-Цендера СВЧ диапазона .

 

 

Рис.6.4 Схема размещения в электро-оптическом модуляторе Маха-Цендера СВЧ диапазона оптических каналов и направленных  оптических ответвителей Y (НО Y) и Х (НО Х)  типов, и их вид в продольном сечении. 

 

В  ОК2 излучение модулируется входным радиочастотным сигналом напряжением по оптической фазе, и временная задержка оптического колебания на выходе ОК2 относительно входа МЦ составляет . На выходе  ОК1 временная задержка сохраняется постоянной и равной . Далее оптические излучения с выходов первого ОК1 и второго  ОК2   оптических каналов  благодаря второму выходному  Х –  ответвителюпоступают на вход ВОС, в которой задерживаются на время   и далее поступают на фотодетектора ФД.

 

 

Рис.6.5. Схема расположений оптических каналов в электро-оптическом модуляторе Маха-Цендера СВЧ диапазона (а), и их вид в поперечном сечении (б) , (в). 

 

                                                      а)

                    б)                                                                      в)

Рис.6.6. Распределение интенсивности оптического излучения с длиной волны 1,55 мкм в оптических каналах ОК1 и ОК2 в модуляторе Маха-Цендера СВЧ диапазона в продольном сечении (а) и в поперечном сечении на выходе МЦ(б) и выходе оптического волокна(в). В ОВ поступает максимальная интенсивность света с выхода МЦ, часть излучения с минимальной  интенсивностью поступает на вспомогательный ФД.

       Влияние на СПМ ФШ нерегулярности оптических каналов МЦ и пространственной когерентности  лазера. Представленные фото (рис.6.6.)  изменений распределений интенсивности оптического излучения в оптических каналах ОК1 и ОК2 в модуляторе Маха-Цендера СВЧ на рис.6.6. являются достаточно информативными. Из анализа распределений интенсивности следует ряд важных выводов: оптические каналы МЦ неоднородны и неидеальны, излучение в МЦ  сильно рассеивается  на границах сред, форма  излучения в ближней зоне на выходе МЦ  близка к эллипсу, благодаря сложению когерентных излучений рассеивающихся на границах каналов  с учетом фазовых задержек наблюдаются зоны минимумов  в виде темных окружностей, расположенных вдоль каналов ОК1 и ОК2 с периодом близким к длине волны излучения. Кроме этого , отметим ,что

для компенсации фазовых флуктуаций лазера необходимо выполнить условие равенства с точностью менее 0,1…0,001 интенсивностей на выходах первого и второго каналов в поперечных сечениях по раскрыву. В противном случае компенсации флуктуаций не производится. Следует учесть , что детектирование оптического происходит на площадке ФД . Условие равенства интенсивностей в поперечном сечении с указанными точностями требуют выполнение  жестких требований к неоднородности  материала и уходам геометрических размеров каналов в современных модуляторах МЦ.

Таким образом, существенным отличием гетеродинирования в оптическом диапазоне от аналогичной операции в радиодиапазоне является следующее. В оптическом диапазоне размеры зоны фотодетектирования соразмерны с длиной волны лазера. В радиодиапазоне геометрические размеры зоны детектирования двух электромагнитных  колебаний при гетеродинировании нетрудно выполнить    существенно меньше длине волны радиоколебаний, участвующих в процессе их сложения. За счет этого компенсация флуктуаций при гетеродинировании в радиодиапазоне выполняется при выравнивании мощностей колебаний.  

Сказанное выше можно проиллюстрировать тем, что в результате сложения на площадке фотодетектора оптических излучений, прошедших по соответствующим разным оптическим каналам МЦ и обладающих   спектральными плотностями СПМ и в фототоке фотодетектора ФД получаем:

 

 ,

 

где , - СПМ флуктуаций оптической фазы излучений соотвественно в оптических каналах ОК1 и ОК2,  - автокорреляционная функция случайного процесса ,  - естественная ширина спектральной линии излучения лазера(приблизительно равна обратной величине постоянной времени оптического фильтра лазера  ), , - СПМ флуктуаций оптической фазы излучений соответственно в оптических каналах ОК1 и ОК2,  - разность задержек в каналах МЦ и ВОС,  - коэффициент неравномерности возбуждения оптических каналов: , оптическая мощность излучения в первом и втором оптических каналах ОК1 и ОК2 , соответственно.

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

  1. Но при малой разнице Т21 , то есть сравнимой с  постоянной времени резонатора   (и периодом колебания генератора Г), частотный дискриминатор выступает, как идеальный подавитель  фазовых флуктуаций . Степень подавления определяется 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.

     Учтем, что, во-первых, закон изменения интенсивности излучения поступающего от лазера на вход модулятора МЦ в поперечном сечении близок  «гауссовой зависимости»( рис.6.7), а  фазовые задержки когерентного излучения, имеют разностный фазовый сдвиг по поперечному сечению (рис. 6.7). Закон изменения разностного фазового сдвига в поперечном сечении близок к параболическому.  Из-за неточностей изготовления оптических волноводных каналов МЦ и пространственного изменения показателя преломления материала при поступлении на вход Х ответвителя оптические излучения неиндентичны по значению интенсивности в поперечном сечении и фазовым сдвигам. Из-за этого при сложении с учетом фазовых сдвигов на выходе МЦ максимум интенсивности смещается. Заметим, что интенсивность спонтанного излучения, поступающего на вход МЦ, в несколько десятков раз меньше интенсивности когерентного излучения ( примерно 10-3  …10-4 для современных квантово-размерных лазеров).     Интенсивность спонтанного излучения, поступающего на вход МЦ, распределена равномерно по поперечному сечению. Флуктуации фазы оптического излучения определяется именно спонтанным излучением лазера.  Из-за неоднородности каналов отношение в поперечном сечении интенсивности спонтанного излучения к  интенсивности когерентного излучения на входе и выходе не совпадают. Это приводит к разбалансу уровней флуктуации фазы в каналах ОК1 и ОК2 . Уровень спонтанного излучения в каналах по поперечному сечению R остается почти неизменным, а уровень интенсивности оптического излучения P(R) в поперечном сечении каналов оптического излучения в каналах , поступающего на площадку ФД, из-за неоднородностей меняется. 

Рис.6.7А. Планарный волновод (а) и модель его диэлектрической структуры , поперечное сечение (б) . Область волновода ограничена в пределах                         по  х    [-d/2, d/2], и по   y  [- l/2, l/2].

 

Для описания несимметричного распределения диэлектрической проницаемости  была использована модель так называемого слоя Эпштейна.[171]. Для направления вдоль оси y  модель слоя Эпштейна была принята следующая аппроксимация зависимости

 

где -параметр ширины волновода (рис.6.7А). Тогда для основной моды в несимметричном волноводе [172] имеем распределение по напряженности  ЭМП, полученное из решения волноводного уравнения 

,

-амплитуда ,  - фаза напряженности ЭМП. При этом

,

,

где - гиперболический косинус ,  -действительная  часть и  - мнимая часть выражений:

 

,

,

 

где  коэффициент оптического ограничения =0,8. Это иллюстрируется приведенными результатами расчета на рис. 6.7 при следующих значениях     =S10=0.9 ,  =ee3=5.1,   =ee1=4.999   уровень спонтанного излучения Esp=0.001 ; параметры симметрии

 a10=3.19*(ee3-ee1)/S10=3.19*(5.1-4.999)/ 0.9=0,3576 ,

  a20=3.2*(ee3-ee1)/S10=3.2*(5.1-4.999)/ 0.9= 0,3591 , где - оптическая длина волны.

      Сделаем вывод в результате: при несимметричности оптических  каналов (за счет неоднородности  диэлектрической постоянной) 10-3   возможно добиться снижения интегрального значения фазового шума в ОАГ с МЦ примерно в   40 раз. Уменьшение значения   неоднородности  диэлектрической постоянной в каналах МЦ должно привести к большему подавлению фазового шума. 

                        а)                       б)                          в)                                   г)

Рис.6.7. Распределение интенсивности P оптического излучения по поперечному сечению,  разностного фазового сдвига Ф и уровня флуктуации оптической фазы с длиной волны 1,55 мкм в оптических каналах ОК1 и ОК2 в модуляторе Маха-Цендера СВЧ диапазона и в поперечном сечении на входе МЦ (а), на выходе оптических каналов ОК1 (б) и ОК2 (в), на площадке ФД (г). Общий выигрыш в подавлении фазового шума при несимметричных оптических каналах  в оптических каналах МЦ составляет 40 раз (или  коэффициент подавления ФШ равен 2.5*10-2 ) при нессимтричности оптических каналов 10-3  .

 

                                  а)

                         

                                      б)

Рис.6.8. Различные виды модулятора МЦ (а) и (б) с  электродами, подведенными к оптическим каналам ОК1 и ОК2 в электро-оптическом модуляторе Маха-Цендера (МЦ) СВЧ диапазона.

                              

Рис.6.9.Схема расположения электродов, подводимых к оптическим каналам ОК1 и ОК2 в электрооптическом модуляторе Маха-Цендера (МЦ) СВЧ диапазона.

 

Как видно из рис. 6.3 – рис.6.8 , планарная конструкция современных модуляторов СВЧ с шириной полосы до 15- 20ГГц является ярким проявлением инженерным наработок в области СВЧ техники и фотонике конца 20 и начала 21 века. Для повышения эффективности современных СВЧ модуляторов в них электроды смещения и СВЧ электроды  напыляются «сверху» оптических каналов (рис.6.8), поперечное расстояние между этими каналами сокращают до двадцати микрон.  При этом длина каналов составляет около 2000мкм, а длина электродов около 1000мкм (рис.6.7). Электроды, которые обеспечивают постоянное смещение напыляют непосредственно вблизи  Y направленного ответвителя (рис.6.8). В некоторых моделях модуляторов МЦ для повышения эффективности модуляции  между подложкой и оптическими каналами формируют специальный  «тонкий электронно-дырочной p-n» слой.  На упрощенной схеме модулятора МЦ (рис.6.9) в поперечном сечении показаны емкость Сpn  p-n перехода ,образованная между оптическими каналами ОК1 и ОК2 и подложкой, межэлектродная емкость Ссрs,образованная между электродами, подведенными к каналам ОК1 и ОК2, и сопротивление Rpn

Для работы модулятора МЦ СВЧ  требуется поляризованное излучение высоко когерентного  одночастотного лазера.  Квантово-размерные лазерные диоды с поляризатором являются такими источниками излучения.

Выходные излучения и   первого и второго каналов модулятора МЦ, в общем случае, могут поступать на вход фотодетектора и через разные волоконные световоды ВС1 и ВС2 тогда разница в задержке равна

                                                                 (6.2)

В случае, когда волоконно-оптическая система ВОС образована  одиночным протяженным волоконным световодом (ВС), разница в задержке определяется как .   

Необходимо подчеркнуть, что волоконная оптическая линия задержки в ОАГ является мало дисперсионной, то есть  время задержки в ВС является функцией  оптической частоты . ОАГ с МЦ представляет замкнутую автоколебательную систему  с диссипацией, в состав которой входит мало дисперсионная линия задержки. Специальные конструкции МЦ позволяют осуществлять не только управление рабочей точкой МЦ, но и управление оптическими  мощностями в каналах ОК1 и ОК2.  На эффективность модуляции МЦ оказывает не только временная, но и пространственная  когерентность  лазера.