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).
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.
