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

 Диссертация на звание доктора технических наук. 

Оптоэлектронный генератор является базовым элементом будущей оптоэлектроники. Он востребован в качестве задающего генератора в беспилотных летательных аппаратах БПЛА, в которых существуют ряд ограничений на вес и габариты основных блоков.

В БПЛА входят помимо задающего малошумящего генератора, автопилот, схема слежения за курсом летающего объекта, определитель скорости, гироскоп, магнитный компас, серверы управления закрылок, изменяющие напрвления полета, батарея питания.

При жестких требованиях к массе и габаритам и фазовым шумам  задающего генератора, применение оптоэлектронного генератора крайне целесообразно.

В данном разделе работы производиться сравнение оптоэлектронного генератора с другими оптоэлектронными устройствами, которые способны производить автоколеьбания с малым фазовым шумом. 

неиндексируемый текст

1. 1.5. Современные оптоэлектронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний

Наряду с электронными методами формирования колебаний успешно развиваются оптоэлектронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний в диапазонах СВЧ и КВЧ. Основное отличие от традиционных электронных методов использование  в них электромагнитного излучения оптического диапазона частот с длинами волн 0,4...2,0 мкм.

 Можно выделить помимо  исследуемого в данной работе лазерного оптоэлектронного генератора, который можно отнести к модемному типу, несколько видов таких формирователей СВЧ и КВЧ колебаний: квантовый стандарт частоты КСЧ, лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК  на базе высокостабилизированного лазера и делителя частоты, синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ и лазерный генератор с оптической синронизацией двух лазеров [156].

Коммерческие крупногабаритные и компактные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой  -  КСЧ на ячейке Цезия  и КСЧ на Rb.  Коммерчески доступный  квантовый стандарт частоты КСЧ на ячейке цезия , обладающий долговременной стабильностью частоты 10 ^-12,  имеет большие габариты и вес и не является генератором, который можно использовать в бортовой аппаратуре БПЛА и специальных летательных аппаратах. Одним из главных элементов, как и в ОАГ в КСЧ является лазер. Он используется для подстройки радиочастоты генерации к средней частоте линии поглощения ячейки Cz. От характеристик лазера, включая ширину спектральной линии лазерной генерации, которая составляет примерно 1МГц, и уровня ФШ лазера  во многом зависит работа КСЧ в целом и его фазовые шумы в частности. Последнее замечание касается и ОАГ ВОЛЗ. И эти два прибора являются в этом смысле похожими.  На рис 1.21 представлены  зависимости спектральной плотности фазовых шумов S(F) КСЧ (а) и кратковременной нестабильности частоты (T_с – время усреднения (наблюдения или интегрирования)) (б). Из представленных графиков видно, что кратковременная нестабильность частоты на стандартных отстройках 1кГц от номинальной частоты несущей 4,6 ГГц не очень удовлетворительная и составляет -50..70дБ/Гц [158].

Для размещения в БПЛА и специальных аппаратах в последнее время ведутся исследования и разработка  компактного КСЧ [158]. На рис.1.22 а и б) представлены конструкция и функциональная схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия Сz [158]. . На рис. 1.22  введены следующие обозначения «5 МГц КГ»- кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» –смеситель, фазовый детектор, «530Гц»- генератор работающий на частоте 530Гц , «10кГц»- генератор, работающий на частоте 10кГц.

  На рис.1.22 в) и г) показаны диаграмма рабочих энергетических уровней цезия и рубидия соответственно с оптической накачкой.  Особенностью современных ячеек с цезием и рубидием является их компактность. Размеры блока КСЧ, содержащего капсулу с цезием, помещенную в постоянное магнитного поле, и расположенную межлу лазером с длиной волны 0,85 мкм и фотодетектором, составляют 20х20х50мм. При этом выходная мощность радиочастотных  колебаний с частотой 4,6 ГГц, снимаемых с ячейки цезия составляет менее 0,1 мкВт, долговременная стабильность- 10^-10. В схеме КСЧ колебания с частотой 4,6 ГГц, выделяются резонатором, в который помещают  ячейку цезия. Данные колебания подаются на модулятор. С помощью модулятора  происходит управление оптической частотой лазера. В компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты колебания формируются почти по похожей схеме управления, как и в КСЧ на цезии.  С некоторым допущением можно сказать, что в компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты происходит преобразование светового излучения с длиной волны 0,795мкм (с частотой генерации 373ТГц ) в радиочастоту 6,8ГГц (рис.1.21в).

                                       (а)                                                                 (б)                              

Рис. 1.21.     Экспериментальные результаты  измерения спектральной плотности фазовых шумов S(F) коммерческого  квантового стандарта частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (а). Экспериментальные результаты  измерения кратковременной нестабильности частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (б). Кривые на графиках соответствуют: 1 - КСЧ в режиме свободной генерации , 2 - КСЧ с системой частотной автоподстройки , 3- КСЧ с системой фазовой синхронизации. T_с – время усреднения [158]. ).

     

                                        (а)                                                    

                                       (б)                                  

                                                   (в)                                                                      (г)                                         

 Рис.1.22.  Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ»-кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» –смеситель ,фазовый детектор, «530Гц»- генератор частотой 530Гц , «10кГц»- генератор частотой 10кГц.       а) Схема ячейки с цезием. б) Энергетические уровни цезия при оптической накачке.  в) Энергетические уровни рубидия при оптической накачке [158].  

                                         

В схеме лазерного синтезатора ФСК  используется стабилизированный лазер, выполненный на базе лазера (оптическая частота генерации v_o= 456ТГц, длина волны 658нм) со стабилизирующим высокодобротным резонатором Фабри-Перо  и фемтосекундный лазер, работающий в режиме синхронизации продольных мод ( «мод-локинга»). Управление оптической частотой с использованием высокодобротного  оптического резонатора Фабри-Перо обеспечивает ширину спектральной линии оптического излучения задающего лазера 0,2 Гц, что является рекордным показателем.   СПМФШ оптического излучения лазера частотой 456ТГц составляет при отстройке от оптической несущей  1Гц – 17Дб/Гц [131]. В основе построения ФСК, схема которого показана на рис. 1.23, лежит принцип формирования радиочастотных колебаний путем сложения на площадке ФД двух синхронизируемых оптических колебаний, разнесенных по частоте на 1ГГц. Современные лазеры, работающие в таком режиме, обычно строятся по схеме, показанной на рис. 1.23. В данную схему входят последовательно замкнутые в кольцо    амплитудный электрооптический модулятор  (или абсорбционная ячейка с насыщением), полосовой оптический фильтр, направленный изолятор и активный нелинейный оптический элемент усиления излучения. На рис.1.23 также показаны  виды оптического спектра на выходе   фемтосекундного лазера и радиочастотного спектра на выходе ФСК.                                          

Схема ФСК представляет идеальный оптоэлектронный делитель оптической частоты 456ТГц (длина волны в воздухе 0,65мкм) на число N=53200. На выходе «делителя» формируется радиочастотный сигнал 10ГГц, спектральная плотность мощности которого на частоте отстройки 1Гц составила - 112 дБм/Гц. Данный результат при  частотной отстройке от радиочастотной несущей на величины от 1 до 300 Гц  является рекордным. Данный синтезатор превосходит по фазовым шумам на -50 дБ лучшие коммерческие  микроволновые генераторы с резонатором на лейко-сапфире. Измеренный временной «джитер» (временные уходы фронта импульса за счет флуктуаций) составил 0,8 фемтосекунд. ). Схема ФСК представляет  опто-электронный  преобразователь излучения оптической частоты 456ТГц  в радиочастотные колебания 10ГГц по схеме фотодетектирования двухчастотного оптического колебания.  

               

Рис.1.23. Схема экспериментальной установки фемтосекундного синтезатора ФСК для формирования автоколебаний на частоте 10ГГц  со сверхнизким уровнем  спектральной плотности фазовых шумов S(F) . «АПЧ»- автоматическая подстройка оптической частоты лазера[153].

 

     Отметим, что благодаря использованию лазера с малыми фазовыми шумами с высокостабилизированным оптическим резонатором, в ФСК было получены рекордные сверх малые фазовые шумы радиочастотных колебаний. На частоте 10ГГц при отстройке 0,001кГц от радиочастотной несущей их уровень составил менее - 110дБм/Гц. Столь предельно малые фазовые шумы низкочастотные объясняются не только малыми фазовыми шумами задающего лазера, но и предельно малой восприимчивостью  оптического резонатора фемтосекундного лазера к низкочастотным шумам за счет малых геометрических размерах.  

           Синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ.

В синтезаторе с оптическим микрорезонатором СОМ , схема которого показана на рис.1.23а, производится  синтез радиочастотных колебаний 10 ГГц и 89 ГГц . Основным принципом формирование также, как и в ФСК, является двухчастотное оптическое преобразование излучения на фотодетекторе в колебания СВЧ.

(а)

 

                                                                           (б)                                                                                                                                                                

Рис.1.22.  Схема формирования радиочастотных колебаний 10 ГГц и     89 ГГц в синтезаторе с оптическим микрорезонатором СОМ(а)  –в оптическом частотном синтезаторе на базе микротороида (б) с использованием нелинейного оптического преобразования [158].

 

     Отличительной особенностью является  использование в этой схеме для формирования двух оптических частот  нелинейного оптического преобразования в оптическом микрорезонаторе, вид которого приведен  на рис.1.22 б. На вход микрорезонатора, оптическая добротность которого составляет 10⁹,  поступает оптическое излучение относительно высокой мощности 200мВт от узкополосного лазера (   длина волны  равна 1,55мкм и  ширина спектральной линии 3кГц),_.                                                   

                                                 .               

                                                                        .                                                                .                                        

Рис.1.23. Спектр оптического излучения на выходе оптического кольцевого резонатора микротороида.  Показаны составляющая лазера накачки и оптические гармоники.  Разница длин волн между соседними гармониками составляет  примерно 0,71нм (что соответствует разнице частот соседних гармоник примерно 85,7 ГГц )[158].

 

Благодаря большой оптической мощности 200мВт и узкой спектральной линии оптического излучения 3кГц на выходе микротороида формируется   многочастотные колебания, спектр которых изображен на рис.1.24.  В такой схеме на частоте 8,57 ГГц получена кратковременная стабильность частоты равная 10^-12. Лазерный блок накачки состоит из высоко когерентного лазера с шириной линии 3кГц, синхронизируемого более мощного лазера и оптического усилителя с автоподстройкой частоты.  СОМ, как видно из описания его функциональной схемы, также относится к оптоэлектронным устройствам формирования радиочастотных колебаний и в нем происходит преобразование оптических частот  200ТГц в колебания частотой 10ГГц. Фазовые шумы радиочастотных колебаний в таком устройстве определяются фазовыми шумами лазера. В этом устройстве мы видим также много общего с ОАГ ВОЛЗ, например, выделение колебания поднесущей в фототоке фотодетектора.

Наряду с описанными схемами для  формирования СВЧ и КВЧ колебаний также используют схему взаимной синхронизации двух лазерных диодов ЛД1 и ЛД2, разность оптических частот которых составляет формируемую частоту колебания, например 10ГГц . Для синхронизации данных  лазерных диодов ЛД1 и ЛД2 используют или непрерывный многочастотных лазер или лазер с пассивной или активной синхронизацией продольных мод [ 158 ]. Также можно отметить схемы формирования радиочастотных колебаний с частотой 40ГГц с использованием нелинейного эффекта Брюллиена в специальном дырчатом оптическом волокне ОВ. Поперечное сечение такого приведено на рис.1.14 [ 159 ] .

Таблица 1.3. Методы формирования колебаний в радиочастотных генераторох РЧГ, лазерах (ОКГ) и оптоэлектронном генераторе ОАГ.

	Традиционные Радиочастот-ные генераторы РЧГ	ОАГ  как лазер,охваченный положи-тельной обратной связью	Лазер или Оптический квантовый генератор  ОКГ
Частоты генерации  и	=0,001-100 ГГц	=0,001-100ГГц ТГц	ТГц
Основная схема построения	РЧ генератор Ван-дер-Поля	генератор Ван-дер-Поля +ВОЛЗ	ОКГ- генератор  Ван-дер-Поля
Резонаторы и ЛЗ    их добротность и  постоянные времени	Электронные:КР,ПАВ,ДКР,ЖИГ, ДКРСр.   ,	Электронные:КР,ПАВ,ДКР,ЖИГ,ДКРср}  Оптические: Ф-П,ОРмкт,ВС,БР(брэгга), РБР,ФК} +ВОЛЗ+ЯчСz	Оптические{Ф-П, ОРмкт,  ВОС, ВС+РБР(брэгга), РБР,ФК}
Естественная ширина спектральной линии РЧ и лазерной генерации		Определяется шумами лазера, имеющими квантовую природу, и шумами электронного усилителя.
Активные элементы    и их шумы	Электронный усилитель  {Тепловой шум  и дробовый шум,  фликкер шум(1/f) и др.}	Электронный усилитель+лазер +ФД {Спонтанный квантовый шум}+{шум ФД}+ {Тепловой шум и дробовый шум, фликкер шум(1/f)}	Активная оптическая среда с инверсной населенностью. Спонтанный квантовый шум, Шумы носителей,тока накачки, .
Ограничения по улучшению добротности АКС	Дисперсия и потери звуковой волны резонатора	Дисперсия света ВОЛЗ, Нелинейные эффекты в ОР, тепловые эффекты	Дисперсия ОУ и лазера, ВОС
	СПМФШ определяется фазовыми шумами лазера, электронного усилителя и фотодетектора.

 

В таблице 1.3 введены следующие сокращения и обозначения: ФК-фотонные кристаллы  параметр инверсии заселенностей, h–постоянная Планка,  - постоянная Больцмана,  - температура в град Кельвина , -фактор усиления,  -добротность резонатора ,  - мощность генератора ,  ,частотная отстройка от несущей ,  - оптическая частота генерации лазера или ОКГ,  - оптическая частота генерации ,  -энергия одного кванта ,  - фактор оптического усиления ,  - оптическая мощность лазера или ОКГ ,  - добротность оптического резонатора,  - отстройка частоты от оптической несущей.

         Результатом анализа различных генераторных схем и их характеристик является информация, приведенная в таблице № 1.3, в которой произведено  сравнение методов формирования колебаний радиочастотного и оптического диапазонов. Анализ данных представленных в таблице № 1.3 показывает, что ОАГ является по своим характеристикам модемным генератором, в котором можно использовать наряду с традиционными электронными резонаторами, фильтры и линии задержки, так оптические линии задержки и резонаторы. Фазовые шумы и СПМФШ в такой автоколебательной системе ОАГ определяются  электронными фазовыми шумами лазера,  фотодетектора  и электронного усилителя. Если для РЧГ  и ОКГ уже  определены в многочисленных работах базовые фундаментальные соотношения связи естественной ширины линии и СПМФШ  с основными характеристиками автоколебательных систем, то для ОАГ ВОЛЗ, который является результатом синтеза двух колебательных процессов, лежащих в оптическом и радиочастотном диапазонах (или двух генераторов) такие соотношения необходимо определить. Это и является одной из задач последующего анализа ОАГ ВОЛЗ.   

Выводы к главе 1.

1. ОАГ  представляет  двух диапазонную автоколебательную систему (АКС), в которой развиваются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах.   Исследуемые в работе методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в своей основе используют фазовую (амплитуднуюили частотную ) оптическую модуляцию несущей. Процесс фотодетектирования с выделением в фототоке поднесущей с фазовыми шумами в этих схемах ОАГ  с прямой и внешней модуляции является процессом гетеродинирования или самогетеродинирования. Одной из  решаемых в работе  задач является вопрос о том, как шум лазера влияет на радиочастотный шум ОАГ. Поэтому  для математического моделирования лазера КЛД в диссертации используется в полуклассическая теории. При использовании метода балансных (кинетических) уравнений лазера 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 содержится в фазе оптического излучения.

2. В настоящей диссертации главным объектом исследования является ОАГ. Одной из задач исследования является понимание основных механизмов работы его сложной автоколебательной системы (АКС), которые определяют фазовый шум  ОАГ. При этом основное внимание уделено не столько электронной части ОАГ ( она хорошо разработана в традиционных радиочастотных генераторах), а, влиянию характеристик  лазерного излучения  на частоту и амплитуду генерации ОАГ, а также влиянию характеристик амплитудного и фазового шума лазерного излучения на радиочастотный фазовый  шум  ОАГ.
3. Решение поставленных в работе задач по исследованию ОАГ необходимо согласовать с учетом специфики лазерного излучения, которая связана с квантовой природой шума, временной и пространственной когерентностью, наличием 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.

4. Используемые в ОАГ методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в потенциале обладают высокой степенью подавления фазового шума лазера, с одной стороны, за счет использования протяженного низкодисперсионного оптического волокна, узкополосного лазерного излучения КЛД,  а , с другой стороны, с методами компенсации фазового шума при самогетеродинировании на ФД,   передачи по оптическому каналу  двух оптических гармоник ( с подавлением третьей оптической гармоники) и выравнивании этих гармоник по амплитуде. 

5. Подход к рассмотрению ОАГ, как системы, где развиваются два автоколебательных процесса оптического и радиочастотного диапазона  с потерей (рассеянием) и преобразованием энергий, является новым и эффективным. Такой подход  дает возможность проанализировать влияние элементов лазера на радиочастотные шумы ОАГ,  исследовать  управление  радиочастотой  генератора ОАГ оптической частотой лазера ( и наоборот обеспечить управление  оптической частотой лазера, изменяя радиочастоту  ОАГ), в дальнейшем изучить синхронизацию ОАГ внешним оптическим источником излучения, производить анализ систем фазовой автоподстройки ОАГ модулированными лазерными колебаниями, исследовать ОАГ в качестве задающего генератора СВЧ для различных  лазерных систем, например, для лазера с синхронизацией продольных мод  с длительностью импульса 1..10пс с малым «джитером» и  т.п.

6. В результате сделанного обзора и анализа различных генераторов можно заключить, что уровень фазовых шумов ОАГ приближается к  фазовым шумам   самого малошумящего генератору на лейкосапфире. Разница на  частотах СВЧ диапазона  8…12ГГц составляет примерно 5…15 дБ/Гц. Но при этом ОАГ имеет более широкий потенциальный рабочий СВЧ диапазон до 70 ГГц при сохранении малости фазовых  шумов. Принципиальным является то, что ОАГ с ВОЛЗ имеет потенциальные возможности снижения фазовых шумов за счет оптимизации лазера и ВОЛЗ в целом.  Другими преимуществами ОАГ по сравлению с генератором на лейкосапфире являются меньшие вес и габариты полезного объема ВОЛЗ. На два порядка  менее слабая зависимость ФЧХ ВОЛЗ   от температуры, более сильная на порядок (и более) стойкость к внешним механическим воздействиям и ускорениям за счет линейной топологии укладки тонкой нити кварцевого оптоволокна на катушку в ВОЛЗ.

7. Результатом анализа различных генераторных схем и их характеристик можно заключить, что ОАГ является по своим характеристикам модемным генератором, в котором можно использовать наряду с традиционными электронными резонаторами, фильтры и линии задержки, так оптические линии задержки и резонаторы. Фазовые шумы в такой автоколебательной системе ОАГ определяются электронными фазовыми шумами лазера,  фотодетектора  и электронного усилителя.

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

    Диссертация на звание доктора технических наук.