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.
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.
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).
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.
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 .
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.
