Copyright 2017 - Custom text here
 
  1. 4 Реализация оптоэлектронного генератора ОАГ в СВЧ диапазоне и его экспериментальные характеристики 

          В настоящем разделе  описываются результаты экспериментальных исследований ОАГ в СВЧ диапазоне 8 –10 ГГц. Экспериментальный макет ОАГ диапазона СВЧ был разработан и построен в гибридном исполнении, и собран полностью на отечественной элементной базе. Часть экспериментальных графиков по экспериментальным зависимостям АЧХ и ФЧХ КЛД, ватт-амперная характеристика КЛД, спектры представлены в главе 3 настоящей работы.

      В плане постановки задач экспериментальных исследований этот экспериментальный  макет ОАГ рассматривался как устройство для построения перспективных задающих  автогенераторов и гетеродина приёмо-передающих устройств радиолокационных станций (РЛС) и радиолокационных оптических станций (РОЛС) СВЧ диапазона.

Схема построения ОАГ в СВЧ диапазоне (рис. 7.15) структурно не отличается от схемы построения ОАГ в ВЧ диапазоне.  Главными особенностями при этом являются использование в качестве  модулированного источника света (МИС) квантово-размерного лазерного диода (КЛД),  с полосой модуляции частот до 12 –15 ГГц. КЛД является одномодовым одночастотным высококогерентным источником излучения со средней выходной мощностью 3-10 мВт. Второй особенностью ОАГ в СВЧ диапазоне является использование в качестве замедляющей волоконно-оптической структуры одномодового низкодисперсионного волоконного световода. Для фотодетектирования  оптического излучения в ОАГ СВЧ используется современный сверхширокополосный фотодиод (с полосой до 12 –15 ГГц). Для усиления и селекции СВЧ колебаний в ОАГ использовался СВЧ усилитель со стабилизацией напряжения питания с полосой частот примерно 1 ГГц  и   радиочастотный СВЧ фильтр на основе диэлектрического резонатора с полосой пропускания примерно 2 МГц. Собственная частота РФ составляла примерно 8.2 ГГц.   

 В экспериментальном образце ОАГ, собранном по схеме рис. 7.15, был использован  InGaAlAs/InP квантоворазмерный лазерный диод (КЛД)  с длиной волны излучения 1.3 мкм. Экспериментальные исследования оптического спектра, ватт-амперной характеристики, АЧХ и ФЧХ данного  образца КЛД были проведены на специальном стенде и описаны в главе 3. Максимальная выходная мощность квантово-размерного лазерного диода оптического излучения составляла около 10 мВт на длине волны 1310 нм.  Ширина спектральной линии лазерной генерации   составляла  около 3 нм.

В экспериментальном макете имела место широкополосная, вплоть до 12 ГГц, модуляция интенсивности лазерного излучения током смещения  КЛД.   В качестве фотодетектора был применен фотодиод ФД  на основе InGaAsР со спектральной полосой 0.8-1.5 мкм. Обратное отражение света  от торца ФД составляла -40-50 Дб.

Экспериментальный  КЛД, используемый в экспериментальном образце  ОАГ ВОЛЗ СВЧ , объединял в себе следующие функции:

-полупроводникового источника оптического излучения с высокой временнòй когерентностью и большой квантовой эффективностью  Вт/А, преобразования СВЧ колебаний компоненты тока смещения КЛД в колебания интенсивности выходного лазерного излучения;

- сверхширокополосного СВЧ модулятора интенсивности этого излучения, обладающего достаточно большой, порядка  Вт/А, крутизной модуляционной характеристики;

- активного электрооптического квазирезонансного СВЧ фильтра, обладающего способностью к широкой частотной электронной перестройке током смещения КЛД.

                На этих длинах волн хроматическая дисперсия и оптические потери в одномодового волоконного световода (ОВС) из легированного кварцевого стекла составляли  значения  пс/(нм·км) и дБ/км, соответственнона для оптического излучения КЛД с длиной волны 1.3 мкм.

В схеме ОАГ (рис. 7.15) энергия высококогерентных оптических колебаний (оптической несущей) поступает в фотоприёмник (ФП) с выхода КЛД . Полученные в фотоприёмнике радиочастотные колебания (поднесущая) проходят через усилитель (У), частотно-избирательный радиочастотный фильтр (РФ) (который является частотно-задающим элементом схемы во всем диапазоне спектральной перестройки генератора ОАГ), и направляются в этой кольцевой системе через СВЧ направленный ответвитель (НО) на СВЧ вход КЛД.  Все функциональные узлы макета ОАГ,  указанные на рис. 7.15, были последовательно и согласованно соединены друг с другом в замкнутое кольцо положительной обратной связи. При соблюдении в данной схеме условий самовозбуждения на СВЧ выходе  возникают автоколебания в СВЧ диапазоне. Регистрацию автоколебаний производилась с помощью анализатора спектра С-4-27.

Радиочастотный фильтр РФ представлял собой диэлектрический резонатор (ДР) , выполненный на керамике,  СВЧ  с  добротностью на средней частоте 8 ГГц имеющей высокую диэлектрическую проницаемость и низкие потери на СВЧ. Этот РФ был настроен на одну из своих собственных резонансных частот, равную приблизительно 8,2 ГГц. Узкая полоса фильтра примерно 7 МГц позволяла получать одночастотный режим генерации  ОАГ СВЧ с подавление боковых составляющих лучше  49дБ при разных длинах  световода ОВС  от 1 до 4640 метров. Для получения режима одночастотной генерации с подавлением боковых составляющих принимались специальные меры.    В нём выполнялось условие мягкого самовозбуждения и достигался устойчивый непрерывный режим свободной одночастотной стационарной СВЧ-генерации квазигармонической поднесущей на частоте примерно 8.2 ГГц. Экспериментально в стационарном режиме  были  исследованы  частотные зависимости ОАГ с  одиночными одномодовыми световодами различной длины (от нескольких  метров до 4,6 км).  При проведении экспериментов в качестве световода ОВС  использовались «оконцованные «световодные отрезки с длиной от 1м, 3м, 60м , 70м  и  4640 м.                                                

            При длине одиночного  мало дисперсионного ОВ  с длинами до  65 м  в системе  ОАГ возбуждались одночастотные автоколебания на частоте близкой к собственной частоте РФ 8,2 ГГц.  Измеренная выходная мощность генерируемых СВЧ колебаний поднесущей на выходе  СВЧ составлялаоколо 0.1 -1мВт.

 Были исследованы зависимости частоты ОАГ при управлении  током смещения КЛД (рабочей точки на его ватт-амперной характеристике) . Ватт-амперная характерисика (ВАХ) КЛД представлена в рис. 7.16(а).  Пороговый ток  смещения КЛД  составлял мА.  ВАХ  КЛД  во всем  диапазоне токов смещения приблизительно  близка к линейной зависимости, но имеет «излом» при токе накачки примерно 60 мА, что связано с

 

Рис. 7.15. Схема оптоэлектронного генератора ОАГ  СВЧ на основе КЛД. ЛД –квантоворазмерный лазерный диод, ФД – фотодетектор,  ВОС-волоконно-оптическая система,  НУ –нелинейный усилитель, БС1 ,БС2, БС3 –блоки стабилизации тока накачки ЛД, тока смещения ФД, и напряжения питания НУ.

 

Одномодовые оптические волокна   ООВ  тракта  подбирались по  их геометрической длине с целью подавления боковых компонент в частотном спектре генерируемой поднесущей, что позволило во всём диапазоне управления частотой автоколебаний поднесущей обеспечить режим одночастотной СВЧ-генерации. возникновением и преобладанием  в оптическом спектре излучения

Для объяснения зависимости частоты ОАГ от тока смещения КЛД на рис.3.34 приведены совместно графики экспериментальных зависимостей  АЧХ и ФЧХ КЛД для разных токов смещения, которые подробно были проанализированы в главе 3 настоящей работы . При увеличении тока смещения КЛД частота генерации увеличивается и определяется из баланса фаз «точками пересечения ФЧХ КЛД и радиочастотного фильтраРФ» .

        При увеличении длины ВС до 70 м в экспериментальных зависимостях можно было наблюдать скачки частоты (рис. 7.16 в), что связано с перестройкой частоты ОАГ  на соседние типы колебаний.    При увеличении тока смещения  КЛД частота генерации растет  значительно при малых превышениях накачки над пороговым значением  и имеет незначительный рост (стабилизацию от тока) при превышениях тока смещения над пороговым значением больше I0/I0пор =5-8, что соответствует величинам тока смещения КЛД  I0 =50-80 мА.

      Данные экспериментальные зависимости частоты f и амплитуды U генерации ОАГ СВЧ, показанные на рис. 7.16 (в) и (б), от тока смещения  хорошо согласуются с расчетами , сделанными в главе 2.

С помощью регулировки величины набега оптической фазы в оптическом фазовращателе (ОФВ) частоту генерируемой СВЧ поднесущей можно было точно настраивать на центральную частоту СВЧ фильтра РФ,

При использовании в ОАГ фильтра РФ частота генерации определялась АЧХ совместного четырехполюсника, образованного РФ и КЛД.  АЧХ и ФЧХ данного четырехполюсника изменялись при изменении тока смещения КЛД. При этом образовывался управляемый током смещения КЛД совместный фильтр СВЧ «РФ-КЛД». Управлением фильтром осуществлялось при этом  при смещении пика в АЧХ КЛД.  Поэтому можно говорить о новом типе перестраиваемого фильтра СВЧ. Роль фильтра   играл известный в балансной теории лазерной генерации квазирезонансный пик на высокочастотном краю малосигнальной амплитудно-частотной характеристики используемого квантово-размерного ЛД (рис. 3.7).

В квантово-размерных лазерных диодах, как  показано в главе 3, этот пик обусловлен специфической динамикой электрон-фотонного взаимодействия релаксационно-реактивного характера. Положение вершины этого пика(собственная частота) на оси частот, его высота и ширина зависят от многих параметров активной среды и оптического резонатора КЛД.  Собственная частота пика зависит  от величины превышения тока смещения  КЛД над его пороговым значением, которое в используемом в данной работе КЛД составляло 12 мА.  Как видно на рис. 3.7, собственная частота релаксационных колебаний, отвечающая вершине пика, перестраивалась током смещения КЛД в весьма больших широких пределах – от 1 ГГц до 9 ГГц.

Это позволило, в присутствии в схеме автогенератора по рис. 7.16  фильтра РФ с собственной частотой 8.2 ГГц и полосой примерно 2 МГц реализовать  перестройку частоты генерации  ОАГ в диапазоне  8.200-8.203 ГГц.  Измеренная экспериментальная зависимость частоты генерации (рис.7.16) от тока смещения близка к расчетной и хорошо аппроксимируется параболической зависимостью.

  При малых токах смещения   крутизна изменений зависимости    частоты генерации от тока смещения составила 0.3 МГц/мА. При больших токах смещения КЛД  5-8   крутизна изменений зависимости    частоты генерации от тока смещения составила 0.003 МГц/мА.

 Проведенные исследования позволили оптимизировать выбор тока смещения КЛД. Оптимальный ток смещения КЛД составил  60 мА.

 Были проведены исследования зависимостей частоты (рис.7.16) от тока смещения при различных длинах световода, образующего ВОС - 1, 3, 60 , 70 , 4500 м. Было установлено, что одночастотный режим генерации ОАГ во всем диапазоне токов смещения при добротности фильтра РФ близкой к 1000 получается при определенных длинах ОВ. Так, например, при длине ОВ 60 м одночастотный режим без перескоков осуществлялся во всем диапазоне токов смещений (рис.7.16,в, кривая 2), при длине оптоволокна ВС 70 м реализовался одночастотный режим с перескоком на соседний тип колебания  (рис.7.16,в). За счет узкой полосы фильтра РФ и эффекта затягивания частоты  реализовался одночастотный режим при длине ВС 4500м. Перескоки на другие типы колебания при изменении тока смещения хорошо   объясняются общей теорией автогенераторов с ОАГ с ВОЛЗ.  Графическое изображение АЧХ и ФЧХ  КЛД  и фильтра РФ, показанное на   рис. 4.34    , хорошо объясняет механизм управления частотой генерации ОАГ при изменении тока смещения.

Гистерезисных характер (малый)  зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации от тока смещения (при одночастотном режиме без перескока частоты) объясняется термодинамическими процессами в активной зоне КЛД при изменении тока смещения.

При этом вид зависимости амплитуды сигнала генерации (рис.7.16) от тока смещения при перестройке частоты в этом диапазоне была разной при разных длинах ОВ. Экспериментальные зависимости частоты и амплитуды сигнала совпадают с точностью до 20 % с расчетными зависимостями, сделанными на основании теоретической модели ОАГ    ВОЛЗ , разработанной в главах 2 и 4.  

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что возбуждение ОАГ ВОЛЗ происходило при токе смещения примерно 35 мА, в то время как пороговый ток смещения КЛД составлял 12 мА.  Это является одной из особенностей ОАГ СВЧ диапазона. Неравенство порогового тока смещения КЛД и тока смещения, при котором возникает СВЧ генерация ОАГ , объясняется тем , что при малых токах смещения не выполняется условие баланса амплитуд и фаз.  При малых токах смещения (меньших 35 мА) собственная частота   резонансного «пика» КЛД  равнялась 1- 6 ГГц (рис. 3.7) . При этом при собственной частоте РФ 8,2 ГГц условие баланса амплитуд не выполнялось, так как КЛД имел при этом  малый коэффициент передачи.    При средней частоте генерации 8,201 ГГц в экспериментальном макете была получена на интервале времени 10 мин. относительная нестабильность частоты генерируемой радиочастоты  ОАГ не хуже  при комнатной температуре. В ОАГ СВЧ при большом времени запаздывания от 1 до 25 мкс в  тракте ВОЛЗ СВЧ-модулированного оптического излучения возникает  стабилизационной эффект.

Таким образом, рассмотрены на базе АЧХ и ФЧХ КЛД и ВОС  конкретные реализации и описаны способы управления частотой  СВЧ автоколебаний  ОАГ    постоянным током накачки (смещения) КЛД , так как   ФЧХ  лазерного диода  от тока   накачки изменяется значительно.

Были изучены теоретически и экспериментально реализованы перестройки частоты от тока накачки КЛД  в СВЧ диапазонах на частотах  8,2 ГГц. При малых превышениях тока накачки над пороговым 1-2 крутизна частотной перестройки равнялась  0.2 МГц /мА , при превышениях 5-8, соответственно, менее  0.01 МГц/мА  для  средней частоты генерации 8.2ГГц.                                                                       

Рис.7.16. Экспериментальные зависимости  в оптоэлектронный генератор ОАГ СВЧ диапазона от тока смещения     а) мощности лазерного диода , б) амплитуды напряжения  автоколебаний при средней  радиочастоте автоколебаний  =8,2 ГГц, в)  радиочастоты автоколебаний     для различных длин световодов  60м (1) и 70 м (2).

Показанные на рис.7.16  экспериментальные зависимости частоты и амплитуды генерации при изменения постоянного тока накачки  КЛД имеют 10…20% совпадение с расчетными зависимостями, что означает правильный выбор математических моделей КЛД  и ОАГ.

 Таким образом, впервые в России реализована схема генерации ОАГ  ВОЛЗ  в СВЧ диапазоне на частоте 8.2 ГГц. Доказана возможность использования для создания ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне  в качестве МИС отечественного КЛД с сверхширокой полосой модуляции частот, а также отечественного сверхширокополосного фотодиода  ФД.  Измеренная экспериментальная зависимость частоты генерации от тока смещения близка к расчетной и хорошо описывается  параболической зависимостью.

 При малых токах смещения   крутизна изменений зависимости    частоты генерации от тока смещения составила 0.3 МГц/мА. При больших токах смещения КЛД  5…8   крутизна изменений зависимости    частоты генерации от тока смещения составила 0.003 МГц/мА. Проведенные исследования позволили оптимизировать выбор тока смещения КЛД.  Оптимальный ток смещения КЛД  для одночастотного режима стационарной генерации ОАГ составил  60 мА.  Сделано общее заключение о перспективности использования КЛД в качестве МИС в ОАГ в СВЧ диапазоне на частотах генерации 8- 15 ГГц.

 

                 

Рис.7.17. Экспериментальные стенд по исследованию  ОАГ ВОЛЗ, работающие в СВЧ диапазоне частот 8-12ГГц с длиной оптоволокна ОВ  4464 м .           

                         

                

                                (а)                                              (б)

 

Рис.7.18. Экспериментальные образцы ОАГ ВОЛЗ , работающие в СВЧ диапазоне частот с длиной оптоволокгна ОВ  4464 м  (а) и  100 м (б) .                                                           .                                    

Рис.7.19. Экспериментальный образец ОАГ с КЛД при прямой модуляции , работающий в СВЧ диапазоне частот 8,2ГГц с длиной ООВ  4464 м  (вид сверху).

 
На рис. 7.17 –7.19 представлены экспериментальный стенд и  образцы ОАГ с КЛД при прямой модуляции, работающие в СВЧ диапазоне частот 8,2ГГц с длиной ООВ  4464 м  и 100 м.

В процессе экспериментальных работ был разработан и исследован рабочий ОАГ с внешним модулятором Маха Цендера МЦ СВЧ диапазона.

                                 (а)

 

        

                                  (б)

 

Рис.7.20. Функциональная схема (а), общий вид (б) экспериментального образца малошумящего лазерного оптоэлектронного автогенератора ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера МЦ СВЧ диапазона.  Рабочие частоты генерации 8,2 ГГц и 10,1ГГц .

На рис.7.20 представлены  функциональная схема (а), общий вид (б) и  структурная схема (в) экспериментального образца малошумящего лазерного оптоэлектронного автогенератора ОАГ с внешним модулятором Маха Цендера МЦ СВЧ диапазона. Рабочие частоты генерации составляли 8,2 Ггц и 10,1ГГц при использовании различных радиочастотных высокодобротных фильтров РФ . На схемах рис.7.20 введены сокращения  ЛД - лазерный диод, МЦ  –электрооптический модулятор Маха-Цендера ,  ВОС - волоконно-оптический световод, ФД-фотодетектор, НУ-нелинейный усилитель, Ф- радиочастотный фильтр, О-ответвитель.

            Длина волны лазерного диода составляла примерно 1550нм. Ширина линии оптического излучения лазера составляла менее 1МГц. Мощность сигнала генерации ОАГ составляла 1,8 мВт. В ОАГ использовался модулятор Маха-Цендера  МЦ фирмы Hitachi. При этом в схеме использовались специально разработанные стабилизаторы тока смещения лазерного диода,  стабилизатор температуры лазерного диода, стабилизатор напряжения  смещения модулятора Маха Цендера, стабилизатор напряжения питания усилителя и стабилизатор тока фотодиода. 

С целью демонстрации влияния добротности радиочастотного фильтра (РФ) на СПМФШ ОАГ с модулятом Маха -Цандера (МЦ) на рис.7.21 представлены результаты измерения спектральной плотности мощности фазового шума при различных  добротностях радиочастотного фильтра РФ: 1-добротность РФ- 450, 2-добротность РФ -560, 3-добротность РФ - 900.

 

 

                                   а)                                               б)

Рис.7.21. Результаты измерения спектральной плотности мощности фазового шума при различных  добротностях радиочастотного фильтра: 1-добротность 450, 2-добротность 560,  3-добротность 900 с одиночной линией задержки на базе одного ОВ(а); и с дифференциальной ВОЛЗ на базе двух ОВ разной длины (б).

 

Экспериментальный образец малошумящего разностного лазерного автогенератора  СВЧ диапазона с частотой генерации 8,2 ГГц содержал КЛД с шириной линии не более 1МГц . КЛД  и фотодетектор имел специальные блоки стабилизации токов смещения. КЛД имел дополнительный блок термостабилизации.

Из представленных зависимостей  видно, что увеличение добротности РФ приводит к снижению СПМФШ, и при добротности РФ 1000 в схемах ОАГ с  МЦ экспериментально получены спектральная плотность мощности фазовых шумов СПМФШ  на уровне --120ДБ/Гц  при отстройке от несущей на 1 -10 кГц. При этом было отмечено ,что без введения специальных мер  уровень паразитных гармоник составлял от -80 до -30 дБ/Гц и даже выше. Разность частот между гармониками определялась геометрической длиной.

Были разработаны меры по снижению уровня паразитных гармоник при использовании дифференциальной линии задержки до уровня -100Дб/Гц  - -120Дб/Гц с использованием направленных ответвителей.

В результате принятых мер в среднем по указанному выше диапазону при отстройке от несущей на 5 -1000 кГц  экспериментально измеренный уровень фазовых шумов составлял величину менее   –115 дБн/Гц от частоты генерируемой СВЧ поднесущей.

На основе анализа экспериментальных данных и сравнения с расчетными значениями выработаны рекомендации по использованию ОАГ с МЦ в качестве малошумящего АГ в радиоэлектронной аппаратуре.