"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.
Управление частотой генерации в оптоэлектронном генераторе есть актуальная задача при его использовании в системах передачи информации, радиолокации, в беспилотных летательных аппаратах, БПЛА, в качестве задающего генератора.
Помимо традиционных способов изменения частоты таких, как изменение собственной частоты электронного фильтра, в ОАГ имеются ряд новых способов управления частотой. К ним относятся управление частотой с помощью вариаций коэффициентов возбуждения разных плеч в волоконно-оптической линии задержки, изменение частоты с помощью тока накачки лазера, изменение собственной частоты оптического фильтра резонатора лазера, управление с помощтью Х-ответвителя в волоконно-оптической линии задержки, изменение модового состава в ВОЛЗ и другие.
Все эти способы управления частотой оптоэлектронного генератора изучены и приведено сравнение. С другой стороны, все рассмотренные факторы влияющие на изменение частоты генерации надо иметь в виду при разработке задающих генераторов. Эти факторы влияют на долговременную нестабильность частоты оптоэлектронного генератора.
Глава 4. Управление частотой оптоэлектронного генератора с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки
Одним из способов увеличения диапазона управления является переход от одиночных оптических волокон в ВОЛЗ к структурам на базе двух оптических волокон разной длины, соединенных на входе с помощью Х- или Y – направленных ответвителей. Такие ВОЛЗ называют дифференциальными. В этой главе наряду с управлением частотой ОАГ рассмотрен важный вопрос долговременной нестабильности частоты ОАГ с ВОЛЗ на базе протяженных кварцевых оптических волокон. Показывается, что использование дифференциальных ВОЛЗ улучшает долговременную нестабильность частоты ОАГ. Рассмотрение вопроса перестройки частоты в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, созданной на базе X- и Y- ответвителей, является актуальной еще и потому, что в ОАГ с внешней модуляцией используется модулятор Маха-Цендера, схема которого содержит два световода (или оптические каналы) разной длины , соединенные X- и Y- направленными ответвителями.
В этом разделе конкретизируются схемы управления ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ ( ДВОЛЗ) на базе одномодовых и маломодовых оптических волокон (ВС), а также рассмотрены особенности расчета частоты и амплитуды генерации при учете сложных направленных ответвителей (НО) Y - типа.
а)
б)
Рис. 4.1. Функциональная схема управления частотой ОАГ ДВОЛЗ с направленным ответвителем Y-типа (а). 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 (б).
Рассмотрим схему управления частотой ОАГ (рис.4.1 ) в которую входят, последовательно замкнутые в кольцо МИС – лазерный диод (ЛД), ДВОЛЗ, образованная световодами ВС0, световодами разной длины ВС1 и ВС2, фотодиод (ФД), электронный нелинейный усилитель НУ, радиочастотный полосовой фильтр (ПФ). Причем световоды ВС0, ВС1 и ВС2 соединены как показано на рис.4.1 с помощью оптического направленного ответвителя Y – типа ( НО Y - типа).
Направленный ответвитель НО Y - типа может быть образован с помощью одномодового или маломодового оптических волокон , а также может образован стыковкой ВС0 ,ВС1 и ВС2, с промежутком между световодами. Промежуток между световодами заполняется воздухом или оптическим материалом. В главе 2 настоящей работы было показано, что изменяя коэффициенты возбуждения световодов ВС1 и ВС2 , можно эффективно управлять временем запаздывания в такой ДВОЛЗ, а следовательно, частотой генерации ОАГ.
На рис. 4.1. представлена схема размещения в электрооптическом 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 (б). Модулятор Маха-Цендера , собранный также по схеме дифференциальной ВОЛЗ, представляет собой два полосковых оптических волновода разной длины, соединенных на входе Y и выходе Х – оптическими направленными ответвителями (НО) (рис.4.1 б). Входной Y –ответвитель, выполняет функцию делителя излучения лазера напряженностью электрического поля на два оптических канала ОК1 и ОК2. Размещенный на выходе Х ответвитель служит для собирания и направления оптического излучения, выходящих из каналов ОК1 и ОК2, в оптический канал, размещенный после Х ответвителя и последующего направления излучения на фотодетектор.
Проведем результаты анализа управления радиочастотой ОАГ с дифференциальной, ВОЛЗ (ДВОЛЗ), образованной одномодовыми световодами, и соединеными, как показано на рис. 4.1. В кандидатской Борцова А.А. [ 140 ] рассмотрен и проанализирован коэффициент передачи такой ДВОЛЗ ЌB(jω) управления коэффициентами возбуждения ВС1 и ВС2 .
(а) (б)
Рис. 4.2. Расчетные зависимости частоты (а) и амплитуды (б) генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Y-типа .
Выражение для коэффициента передачи такой ДВОЛЗ K(jω) представлено следующим выражением:
K(jω) = α(r)K1(jω) + β(r)K2(jω) ,
где K1(jω) = exp[- α01(L0 + L1) - jωτ0(L0 + L1)],
K2(jω) = exp[- α02(L0 + L2) - jωτ0(L0 + L2)],
где α(r), β(r) - коэффициенты возбуждения соответственно ВС‑1 и ВС‑2, τ0 – погонная задержка света τ0 =n/с, n -показатель преломления материала световедущей жилы световодов ВС0,ВС1 ,ВС2, с-скорость света , α01, α02 - погонные потери света в ВС‑1 и ВС‑2, соответственно.
В главе 1 в кандидатской Борцова А.А. [ 140 ] показаны результаты расчета нормированной кривой коэффициента передачи ДВОЛЗ |ЌB(jω)|=|KB(jω)|/[SЛSФμ exp (–γ0L0)] и φ(ω) , полученные в предположении отсутствия потерь света в световодах ВС1 и ВС2, когда γ1L1= γ2L2 » 0. При изменении коэффициента возбуждения световода ВС1 α =А от 0 до 1 АЧХ ДВОЛЗ деформируется и имеет гребенчатый характер с ярко выраженными минимумами при w(Т2-Т1)=wDТ=p+2pn; ФЧХ ДВОЛЗ для значений a»0.5 характеризуется наличием периодически повторяющихся крутых участков, вырождающихся в скачки на p при a=0,5. В области значений wDТ<p/2 ФЧХ близка к линейной зависимости, что важно учитывать при построении ВОД на базе ОАГ ДВОЛЗ. Следует отметить, что в предельных случаях (a=0 и a=1) ФЧХ ДВОЛЗ представляет собой прямые линии j = wT1 и j = wT2.
На рис. 4.2 (б) показан вид регулировочных кривых частотной перестройки автоколебаний ОАГ ДВОЛЗ
С учетом полученных коэффициентов передачи ДВОЛЗ решение укороченных уравнений ОАГ дает возможность получить зависимости частоты и амплитуды генерации колебаний от внешнего воздействия и найти области устойчивой стационарной генерации системы ОАГ с ДВОЛЗ.
Кривые частотной перестройки автоколебаний ОАГ ДВОЛЗ в общем случае являются нелинейными функциями параметра α=А, а для α»0.5 в пренебрежении малой неизохронностью генератора частота ОАГ с ДВОЛЗ
где ТК – постоянная времени радиочастотного фильтра ПФ (или РФ ), m = 1,2, 3,...Полученные зависимости обнаруживают ряд особенностей поведения fг исследуемого автогенератора, важных для построения ВОД. Перестройка его частоты, как видно из (4.1), возможна за счет изменений не только длин ВС0, ВС1 и ВС2, но и за счет изменений коэффициента возбуждения a (или b). Данное обстоятельство особенно привлекательно, поскольку способы модуляции таких параметров, как a и b за счет управляющих сенсорным элементом воздействий vв(t) хорошо разработаны в технике амплитудных волоконно-оптических датчиков (ВОД).
Рис.4.3. Схема управления ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Y-типа в разрыве (а), и расчетные и экспериментальные зависимости частоты и амплитуды генерации ОАГ с ВОЛЗ с НО Y-типа при механической перестройки. Гребенчатый вид |KB(jω)| ДВОЛЗ накладывает особенности на режим генерации при индикации воздействия в устройствах такого типа. На рис. 4.2(а, б) показаны графики зависимостей fг(a) и U(fг) при a = var, построенные для разных значений коэффициента усиления малых сигналов по разомкнутому кольцу исследуемого автогенератора c. Увеличение c приводит к качественному изменению кривой U(fг), а при малых значениях c наблюдается зонная генерация.
Рис.4.4. Схема управления частотой генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Y -типа (а) и зависимости частоты и амплитуды генерации (б) от механической перестройки в разрыве ВОС.
При увеличении c сопутствующая паразитная амплитудная модуляция сигнала генерации уменьшается. При использовании ОАГ ДВОЛЗ в качестве перестраиваемого источника радиочастотных колебаний , а также в качестве функционального преобразователя физических величин необходимо иметь в виду, что максимальная крутизна преобразования Sfг = Dfг/Da (Dfг, Da -малые приращения fг и a) имеет место при a, близких к 0.5 (рис. 4.2,а). При этом характеристика преобразования близка к линейной.
Модуляция частоты АГ таким способом (рис.4.3 а) сопровождается относительно малой паразитной модуляцией амплитуды, так как из-за прямой взаимной связи мощностей света Р1 и Р2, возбуждаемых в BС1 и ВС2, общая мощность Р=Р1+Р2 при изменении Δх остается почти постоянной.
Другой способ модуляции частоты рассматриваемого АГ, при котором стыковка и юстировка торцов осуществляются заметно проще, состоит в создании потерь оптического излучения лишь в одном из световодов ВС1 или в ВС2 при разъюстировке торцов в месте разрыва одного из них (рис.4.4). При таком способе сопутствующая амплитудная модуляция проявляется сильнее, чем при способе на рис.4.3, поскольку взаимная связь Р1 и Р2 отсутствует.
Для изучения управления частотой генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, рассмотрим схему ОАГ ВОЛЗ с направленным ответвителем (НО) Х -типа. Направленный ответвитель Х-типа относится к оптическим замедляющим системам с распределенной оптической связью. Оптическая связь между световодами в таком НО происходит на определенном участке много большем оптической длины излучения КЛД 1.55мкм, но при этом длина участка связи много меньше геометрической длины ОВ. Как правило, длина участка связи между оптическими каналами составляет 0,5…3мм.
Заметим, что благодаря распределенной оптической связи на оптическом участке малой длины, направленный оптический ответвитель Х-типа представляет собой не только элемент деления оптической мощности между разными каналами. Оптический ответвитель Х-типа представляет оптический фильтр с «гребенчатой» зависимостью модуля коэффициента передачи оп оптической и радиочастоте. Перестройка такого фильтра возможна при изменении показателя преломления на границе раздела каналов.
Перестраивая параметры НО Х-типа, можно изменять коэффициенты возбуждения световодов разной длины, образующей ДВОЛЗ, а , следовательно, через запаздывание в волоконно-оптической системе эффективно управлять частотой генерации ОАГ .
На рис.4.5 показана схема ОАГ с направленным волоконно-оптическом ответвителя X-типа.
Рис.4.5. Схема управления частотой генерации ОАГ с помощью направленного оптического ответвителя X-типа.
Рис.4.6. Схема направленного оптического ответвителя X-типа.
Данный способ управления частотой f = f (ξ) от параметра управления ξ в ОАГ отличается от метода управления в ОАГ на базе НО Y -типа . Благодаря связи оптических мощностей Р1 и Р2 в ВС1 и ВС2 , соответственно, в волоконно-оптическом направленном X- ответвителе световые потоки с мощностями Р1 и Р2 являются взаимно связанными друг с другом. Благодаря этому зависимость частоты генерации ОАГ f = f (ξ) из-за механизма взаимной оптической связи P1,2 ~ cos2 (ξ) становится периодической от ξ,
т.е. f ~ cos2 (ξ). При этом мощность P на выходе НО в ВС1 изменяется по закону P1 ~ cos2 (ξ), а частота на ОАГ СВОЛЗ изменяется также по закону f ~ cos2 (ξ). Рассмотренные в предыдщих разделах
вида управления являются квази линейными методами перестройки частоты f = f (ξ) ≈ a·ξ + b, где a и b постоянные коэффициенты.
Частота генерации ОАГ с ВОЛЗ при малых изменениях аргументов функций арктангенсов получаем выражение
(4.9)
АЧХ и ФЧХ дифференциальной ВОЛЗ для разных коэффициентах оптической связи представлена на рис. 4.7 . Зависимости АЧХ рассчитаны для следующих значений параметров световодов L1= 9.3 м , Т1= 4.7 10 -8 c ,A=0.5 B=1-A, L2= 13.3 м , Т2= 6.7*10-8 c , T=(Т1+Т2)/2=5.7 10-8 c . Как показано на рис. 4.7 , АЧХ и ФЧХ ДВОЛЗ с НО Х-типа является отличной от аналогичных АЧХ и ФЧХ с НО Y – типа. Ее главной особенностью является периодическая зависимость от произведения коэффициента оптической связи на длину граничного участка СсвZ при фиксированной частоте модуля и аргумента коэффициента передачи ДВОЛЗ.
Из выведенных зависимостей для частоты генерации ОАГ с НО Х-типа следует, что при линейном законе изменении коэффициента оптической связи Ссв в направленном ответвителе НО Х- типа закон изменения частоты генерации ОАГ СВОЛЗ является периодическим, период которого определяется произведением Ссв ·Z.
Зависимость коэффициента оптической связи от оптической частоты определяется выражением
Ссв=С0 (1+С1 ν), (4.10)
в котором С0 и С1 –вещественные коэффициенты , зависящие от показателей преломлений материала световодов , граничной среды и их геометрических размеров. Данная линейная зависимость является приближением для относительно узкого диапазона оптических частот. Для широкого диапазона оптических частот для НО Х-типа данная зависимость может быть немонотонной.
Перспективным способом управления частотой генерации ОАГ СВОЛЗ является изменение коэффициента оптической связи Ссв за счет вариации оптической частоты ν МИС, поскольку данный коэффициент пропорционален оптической частоте ν. Способы изменения оптической частоты в традиционных оптических квантовых генераторах хорошо разработаны. Ее производят, например, в лазерном диоде путем изменения тока смещения, в твердотельных лазерах с оптической накачкой - изменением центральной частоты внешнего или внутреннего узкополосного оптического фильтра.
Рис. 4.7. АЧХ и ФЧХ дифференциальной составной ВОЛЗ с направленным ответвителем НО Х-типа для одномодового оптического волокна ОВС для разных коэффициентов оптической связи : СZ = 1; 4; 5; 5.5; 7.
Другой особенностью ОАГ с СВОЛЗ с НО Х- типа является изменение частоты радиочастотной генерации ОАГ при изменении оптической частоты лазера КЛД .
Так как крутизна преобразования оптической частотной генерации при разном выборе оптической частоты лазера КЛД является разной за счет «косинусоидальной» зависимости от оптичечской частоты, то крутизна перестройки радиочастоты за счет изменения оптической частоты является разной при разном выборе центральной частоты генерации лазера КЛД. Данное указанное свойство ОАГ с направленным ответвителем НО Х типа, который выступает здесь как оптический частотный дискриминатор, рекомендуется использовать в системах ОАГ для регистрации спектра оптических излучений лазера, а также в схемах скрытого (маскирующего) оптического управления радиочастотой удаленного автогенератора ОАГ ВОЛЗ.
Таким образом, в ОАГ ВОЛЗ с ответвителями Y и Х типа частота генерации управляется за счет изменения внутренних параметров ответвителя( изменением коэффициентом возбуждения мощности в разные каналы ОВ разной длины, ), посредством изменения показателя преломления оптического материала и за счет изменения оптической частоты.
Параметрическая нестабильность частоты ОАГ от температуры при больших задержках в оптическом волокне ВС более 0,5 мкс (геометрическая длина оптического волокна 100 м) определяется, главным образом ,температурными изменениями параметров световода.
Процесс нагрева оптоволокна ОВ (или ВС), находящемся в ненапряженном состоянии со свободной укладкой нити . Рассмотрим воздействие температуры на одиночный волоконный световод со свободной укладкой нити в бухту или намотанное на катушку. Процесс нагрева оптоволокна, находящегося в ненапряженном состоянии со свободной укладкой нити, описывается термодинамической системой уравнений при рассмотрении неоднородного цилиндрического тела с геометрической длиной L (рис.4.9) . На рис. 4.9 показано поперечное (а) и продольное (б) сечения отрезка оптоволокна ОВ в свободном состоянии. На рис. 4.9 отмечены кварцевая световедущая жила, кварцевая отражающая оболочка, и полимерная защитная оболочка, соответственно, с диаметрами =аж, =ао , =апо.
При квазистатическом изменении оптоволокна считаем распределение температуры по его объему равномерным и пренебрежем воздействием на него микроизгибов и макроизгибов, возникающих на поверхности оптоволокна при воздействии температуры. Тогда приращения от воздействия температуры показателей преломления жилы и оболочки и геометрической длины оптоволокна записываются в виде
, ,
И (4.11)
В выражении (4.11) температурные константы показателей преломления жилы и оболочки, соответственно, , и и составляют для кварцевого волокна , . Заметим , что для оптического волокна из плавленого кварца, производимого без специальных добавок, температурные константы показателей преломления жилы и оболочки ниже на порядок кристаллического кварца. Путем введения специальных добавок из германия и бора, удается довести температурные константы показателей преломления кварцевых жилы и оболочки до значений . Температурные константы линейных изменений (уширения) геометрических длин кварцевой жилы геометрической длины оболочки , и линейных изменений (уширения) полимерной оболочки составляют .
Для дальнейшего анализа введем весовые коэффициенты и , которые зависят от относительного объема занимаемого кварцевой жилой, и полимерной оболочкой. При можно считать, что
(4.12)
(4.13)
Рис. 4.8. Поперечное и продольное сечения оптического волокна (или волоконного световода ВС) .
Выражение для частоты генерации ОАГ, состоящего из замкнутых в кольцо квантоворазмерного лазерного диода КЛД, оптического волокна ОВ, фотодетектора ФД, нелинейного усилителя НУ, радиочастотного фильтра Ф при температурном воздействии на одиночное оптическое волокна в ВОЛЗ определяется выражением, полученным для схемы ОАГ , из решения уравнения для баланса фаз,
(4.14)
=1,2,3 , - время задержки в оптическом волокне ОВ, -постоянная времени радиочастотного фильтра Ф, - постоянная времени фотодетектора ФД , - постоянная времени КЛД, - постоянная времени нелинейного усилителя НУ, - собственная частота радиочастотного фильтра ОАГ.
При учете, что при воздействии температуры на ОАГ задержка в ВС намного превышает задержку и ее температурные изменения, и выполняются условия время задержки в ВС много больше суммы задержек в других элементах ОАГ и отклонения времени задержки в ВС много больше суммарных отклонений во всех компонентах ОАГ .
При этих условиях относительные вариации частоты ОАГ определяются как
(4.15) Для расчета зависимости частоты ОАГ от температуры следует использовать формулу
(4.16)
Учитывая относительные вариации задержки в ВС и частоты ОАГ при вариации температуры в диапазоне температур от 15 до 150 град С, хорошо описывается выражениями
(4.17)
и
( 4.18)
Подставляя в данное выражение конкретные значения температурных коэффициентов получаем
(4.19)
Из приведенных выше выражений видно, что показатель преломления жилы оптического волокна ВС определяет главную тенденцию в частотных зависимостях ОАГ. С повышением температуры оптического волокна ВС от 15 до 150 град С частота генерации ОАГ уменьшается по закону близкому к линейной зависимости. Линейность зависимости определяется отношением диаметров кварцевой оболочки и полимерной оболочки одиночного ОВ. Если толщина защитной полимерной оболочки соразмерна с толщиной кварцевой оболочки, то при этом толщина защитной полимерной оболочки определяет эффективные удлинения ВС.
При использовании в ОАГ относительно малых отрезков оптического волокна , например, длиной 50…150 м рекомендуется учитывать постоянную времени высокодобротное фильтра и .
Относительные уходы частоты с ОАГ с одиночным одномодовым ВС, возбуждаемым одночастотным оптическим излучением с одним типом поляризации определяется температурным коэффициентом показателя преломления световедущей жилы ВС и определяются выражением
(4.20)
в котором , – текущее и среднее значения температуры световодов в ВОС , соответственно. Температурный коэффициент для чистого кварцевого стекла составляет [140], температурный коэффициент для кварцевого стекла с различными компенсирующими добавками германия и бора с различными концентрациями составляет [140]. При стабилизации относительных изменений температуры оптического волокна , например, до значений 10-1 - 10-3 в ОАГ с одиночным ВС ожидаемая нестабильность частоты составит ОАГ составит
(4.21)
При этом в диапазоне изменений температур -40 +40 град С при использовании термо компесации реализуются относительные изменения частоты ОАГ . Современный уровень стабилизации температуры в ограниченных объемах от 1 до 50 кубических сантиметров позволяют производить контроль и стабилизировать температуру на уровне одного микроградуса по Цельсию, то есть до уровня относительных изменений температуры при 2 градусах по Цельсию до уровней от 10-3 до 10-6 . В ОАГ с одиночным ВС достижимый уровень стабилизации частоты составляет меньше ,чем 10-8 .
Параметрическая и долговременная нестабильность частоты ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ.
Одним из способов снижения относительных температурных уходов частоты ОАГ является применение в нем дифференциальной ВОЛЗ. Основным принципом стабилизации при изменении температуры при этом является использование участков значительного уменьшение крутизны фазочастотной характеристики от температурных изменений составной дифференциальной ВОЛЗ на базе двух или нескольких оптических волокон разной длины. При этом для заданной частоты генерации ОАГ подбираются, напрмер, два оптических волокна разной длины ОВ в ВОЛЗ ОАГ таким образом, что общая фазочастотная зависимость ВОЛЗ имеет на определенных участках малую крутизну изменения от температуры. В свою очередь температура термостата ОВ , например, 25 град С должна сохраняется постоянной и подстраивается при внешних изменениях температуры.
Влияние малых квазистатических вариаций параметров ОАГ с ВОЛЗ на базе двух оптических волокон разной длины ВС1 и ВС2 (при учете, что время задержки в ВОС много больше постоянной времени фильтра РФ) на его частоту при малой неизохронности ОАГ и при условии не выполнения равенства В=1-А, (т.е. А+В не равно 1), описывается соотношением
, (4.22)
в котором - относительные уходы собственной частоты радиочастотного фильтра РФ за счет действия температуры , = – средняя задержка в дифференциальной ВОС, - относительные уходы средней задержки в ВОЛЗ на базе двух оптических волокон разной длины за счет температуры , = - относительные уходы разностной задержки в ВОС τ1 = Т1 − Т2 за счет температуры , где Т1, Т2 – время задержки в ВС1 и ВС2, соответственно. Из данного выражения следует, что малые температурные уходы средней задержки в ВОЛЗ на базе двух оптических волокон разной длины компенсируются надлежащим выбором коэффициентов возбуждения A и B. Из приведенного выражения видно, что второе слагаемое, отвечающее за уменьшение частоты генерации ОАГ ВОЛЗ при увеличении температуры отрицательное, а третье слагаемое, отвечающее за относительные изменения разностной задержки.
Из этого выражения вытекает условие температурной компенсации в ОАГ ДВОЛЗ
.
Из этого выражения вытекает условие температурной компенсации
Анализ параметрической зависимости от температурных изменений в (4.22) позволяет заключить, что в ОАГ с дифференциальной СВОЛЗ возможно получения высоких показателей долговременной зависимости частоты благодаря наличию в волоконно-оптической системе ВОС , по крайней мере, двух оптических волокон разной длины .
Функциональная схема фазогенераторного ОАГ показана на рис.4.10.В нее входят ОАГ ВОЛЗ, и дополнительно , подсоединенный к нему через оптический селектор мод(ОСЛ) и световод ВС1 фотодиод ФД1. ОАГ образован последовательно замкнутыми в кольцо лазерным диодом (ЛД) (или МИС), оптическим смесителем(ОС), световодом ВС0, оптическим селектором ОСЛ ,фотодиодом ФД2, нелинейным усилителем НУ , фильтром Ф и ответвителем О. В данную схему входят измерительные устройства, фазометр (« »), частомер («f») и вольтметр(«U») . При этом фазометр, измеряет разность фаз радиочастотных колебаний , которые поступают с фотодиодов ФД1 и ФД1, частотомер и вольтметр измеряют частоту и амплитуду радиочастотных колебаний ОАГ соответственно. Основной принцип состоит в использовании совместно с измерением частоты f и амплитуды автоколебаний ОАГ фазовых измерений (разности фаз ) дифференциальных задержек оптических излучений на выходе световода ВС0.
Рис.4.10. Схема оптоэлектронного генератора с применением «фазогенераторного метода» измерения разности фаз.
Разработанный автором [120-122] фазогенераторный метод применялся автором для комплексного исследования кварцевых оптических волокон при изменении температуры в пределах 0…150 град С. Также на базе этого метода были построены датчики и функциональные преобразователи (ФП) физических величин (температуры, давления, электрического напряжения, механических напряжений) , а были проведены исследования пространственных диаграммы направленности источников света - лазеров, лазерных диодов и светодиодов.
ФГ метод может быть использован не только для измерения дифференциальных задержек разных групп световодных мод в многомодовых и маломодовых оптических волокнах, но и применен для изучения пространственных, поляризационных, дисперсионных и нелинейных характеристик одномодовых ВС. С помощью данного метода можно исследовать пространственную и временную когерентность оптических источников излучения, изучать «спекловую» интерференционную картину на выходе ВС, измерить характеристики пространственных оптических фильтров.
При разработке метода были определены аналитические зависимости параметров разности фаз радиочастотных автоколебаний от параметров волоконно-оптического тракта ОАГ ВОЛЗ. При этом есть фазы радиочастотных колебаний на выходах ФД1 и ФД2 соответственно, а , - обобщенные характеристические параметры оптических групп излучений, поступающие соответственно на светочувствительные площадки ФД1 и ФД2.
Для оптического селектора ОСЛ, выделяющего световодные моды, параметр определяется, например, для оптического волокна , которое имеет ступенчатый профиль показателя преломления, как отношение ,где - максимальный угол(числовая апертура) распространения светового излучения на выходе оптического волокна ВС0 относительно оси оптического волокна , -угол распространения светового излучения группы вырожденной группы мод на выходе ВС0 относительно оси ВС.
При вычислении разности фаз значения , , и - являются постоянными в процессе изменения величины при условии , что .При увеличении значения величина , так как селектирующая площадка будет выходить из апертуры светового излучения ВС0.
На рис. 4.11. представлены экспериментальные зависимости частоты генерации (а) и разности фаз (б) оптоэлектронного генератора ОАГ ,собранного по схеме рис.4.10, при изменении температуры оптического волокна ВС в воздушном термостате. При этом многомодовое оптическое волокно не имело полимерной оболочки и имело геометрическую длину 100 м, относительной отношение показателя преломления сердцевины и оболочки составляло 0,01, диаметр жилы составлял 50мкм.
Рис. 4.11. Экспериментальные зависимости частоты (а) и разности фаз (б) ОАГ при изменении температуры ВС в воздушном термостате, световод без полимерной оболочки длиной 100 м. На рис. (б) показаны зависимости разности фаз для разных положений оптического селектора 0, - 5, +5, -7,5 градусов относительно оптической оси оптического волокна ВС на его выходе.
На основе представленных экспериментальных графиков на рис. 4.11 можно сделать следующие выводы: температурная нестабильность частоты ОАГ является кварцевой, то есть определяется показателем преломления кварцевой световедущей жилы, которая для оптического волокна из плавленого кварца составляет 10-51/град С . Отклонения от линейного закона зависимости частоты связаны с явлением связи мод и перераспределением оптического излучения между световедущей жилой ОВ и его кварцевой оболочкой. Эти периодические отклонения от линейной зависимости более заметны на фазовых зависимостях, показанных на рис. 4.11б. По этим зависимостям было установлено, что крутизна температурных изменений коэффициента связи мод одиночного волокна длиной 100 метров составляет 10-3…10-2 1/град. При использовании в ВОЛЗ ОАГ специального одномодового оптического волокна длиной 4,6 км в эксперименте была получена на частоте генерации ОАГ 8,2 ГГц нестабильность частоты генерации ОАГ 10-6 1/град. Точность измерения температуры составляла 0,1 град С , а точность измерения частоты составляла 10-6 .
К другому оригинальному результату теоретических и экспериментальных исследований относится гистерезисный характер температурных частотных зависимостей (рис.4.13), объясняющийся не только изменением показателя преломления световода, но и температурными объемными расширениями двойной защитной полимерной оболочки. Снижение весовых коэффициентов до значений 10-2 возможно, если уменьшить толщину защитной полимерной оболочки до 1-2 мкм ( или не производя формирования полимерной оболочки ВС при технологическом цикле изготовления ВС), температурная нестабильность частоты ОАГ является кварцевой, то есть определяется показателем преломления кварцевой световедущей жилы10-5…10-6 . Стабилизация температуры ВС до значений =10-3 приводит к нестабильности частоты ОАГ = 10-8.
Рис. 4.12. Схемы термпературной компенсированного ОАГ. ОР1,ОР2 –оптические резонаторы, М –электрооптический модулятор.
На основе анализа теоретических и экспериментальных результатов данного явления автором были разработаны и запатентованы схемы температурной компенсированного ОАГ (рис.4.12) [124]. Снижение температурной нестабильности ОАГ рекомендуется производить, используя методы термокомпенсации ВС . Отбором весовых коэффициентов и кварцевой жилы и оболочки достигается снижение температурного коэффициента показателя преломления жилы ВС до значений = 10-6 - 10-7 , например, в процессе изготовления ВС за счет добавления в кварцевую жилу элементов германия и бора и их окислов, подбором взаимно компенсирующих добавок в жилу и оболочку ВС.
(а) (б) (в) .
Рис. 4.13. Зависимость частоты генерации ОАГ при изменении температуры ВС , а) ВС без полимерной оболочки, б) ВС с полимерной оболочкой (длина 300 м), с ) ВС кабель с двойной полимерной оболочкой.
Вариантом температурной компенсации является использование в ОАГ дифференциальной ВОЛЗ. Одним из способов компенсации уходов частоты ОАГ за счет температуры является применение схем подстройки с внешними стабильными кварцевых генераторов или квантовыми стандартами частоты на парах цезия.
В главе 4 настоящей работы в результате исследований анализа управления частотой генерации ОАГ с дифференциальных СВОЛЗ на базе 2-х световодов разной длины, соединенных по своим входам направленным ответвителем Y- или Х -типа. Сделаны следующие выводы .
Использование селекции по оптической частоте в ВОС с НО Y -типом для управления частотой ОАГ возможно при наличии дополнительного оптического частотного пространственного селектора., например, оптического дисперсионного кристалла , устанавливаемого в разрыв между ВС. Крутизна управления радиочастотой при этом составляет 10-4-10-7 Гц/нм и существенно зависит от выбора селектора.
При линейном законе изменении коэффициента оптической связи Ссв в направленном ответвителе НО Х- типа закон изменения частоты генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ является периодическим, период которого определяется произведением Ссв ·Z. В свою очередь , коэффициент оптической связи является зависимым от оптической частоты МИС КЛД νл и определяется выражением Ссв =С0 (1+С1 νл), в котором С0 и С1 –вещественные коэффициенты , зависящие от показателей преломлений материала световодов , граничной среды и их геометрических размеров. Таким образом, показано ,что одной из особенностей ОАГ является связь оптической частоты КЛД с радиочастотой автоколебаний ОАГ.
Произведенный теоретический и экспериментальный анализ схем управления частотой генерации ОАГ на основе направленных оптических ответвителей Y- и Х-типа, показал, что частотный диапазон перестроек составляет от 1 до 20 %, а крутизна изменений частоты генерации от смещения ВС составила от 10Гц/мкм до 10 кГц/мкм ,коэффициент нелинейных искажений в частотных зависимостях составил менее 2%.
В результате исследования зависимостей частоты и амплитуды генерации ОАГ при вариации параметров ВОС получены новые, ранее неизвестные в литературе, закономерности изменения частоты в ОАГ (линейный -при использовании НО Y-типа и вариации коэффициентов возбуждения в одном оптическом канале , квазилинейный- при использовании НО Yтипа и вариации коэффициентов возбуждения в двух оптических каналах, и периодический (при использовании НО Х-типа посредством продольной оптической связи). Рассмотренные методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ . На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ оформлены авторские свидетельства и патенты .
Показано, что долговременная нестабильность частоты ОАГ с использованием «специальных» ВС может достигать значения 10-8. Для осуществления высокостабильной генерации можно использовать относительно низкодобротный резонансный фильтр РФ(и недорогой по стоимости) и стабильную ВОЛЗ с большим временем запаздывания 10-25 мкс, например, на базе одиночного световода. При этом выигрыш в стабильности частоты определяется отношением задержки сигнала в оптической части ВОЛЗ ОАГ к постоянной времени РФ. Этот выигрыш , составляет 20 – 300 раз. Существует возможность благодаря системы ОАГ ВОЛЗ улучшить показатели генерации электронных высокостабильных малошумящих генераторов СВЧ, работающих при комнатных температурах на принципе затягивания частоты с высокодобротными резонаторами при этом не прибегая к сложным дорогим методам фазовых автоподстроек в СВЧ диапазоне.
. Снижение весовых коэффициентов до значений 10-2 , уменьшая толщину защитной полимерной оболочки до 1-2 мкм ( или не производя формирования полимерной оболочки ВС при технологическом цикле изготовления ВС), температурная нестабильность частоты ОАГ является кварцевой , то есть определяется показателем преломления кварцевой световедущей жилы10-5 . Стабилизация температуры ВС до значений =10-3 приведет к нестабильности ОАГ = 10-8 .. Снижение температурной нестабильности ОАГ рекомендуется производить ,используя методы температурной компенсации оптического волокна отбором весовых коэффициентов и кварцевой жилы и оболочки достигается снижение температурного коэффициента показателя преломления жилы ВС до значений = 10-6 - 10-7 , например, в процессе изготовления ВС за счет добавления в кварцевую жилу элементов германия и бора и их окислов, подбором взаимно компенсирующих добавок в жилу и оболочку оптического волокна. Вариантом температурной компенсации является использование в ОАГ дифференциальной ВОЛЗ на базе двух или нескольких оптических волокон разной длины.
