Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Разделение ОЭ Г по топологии ВОС.ВОС на базе кварцевого одномодового ВС с малой дисперсией t д=1—3 пс/ (нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать мало дисперсионные линии задержки (ЛЗ) СВЧ радиосигналов на время T з =10—100 мкс с относительной временной дисперсией за счет ширины полосы излучаемых частот МИС t д/Tз = (2 — 6) 10 —7 (нм) -1 = (2…6) 10 —7 (30 ГГц) -1. Последнее обстоятельство делает возможным реализацию на базе узкополосных лазеров с шириной спектральной линии менее 1 МГц линий задержек ЛЗ с малым фазовым шумом на ее выходе.

Особенностью ОЭГ является использование для селекции типов колебаний ВОЛЗ на базе составных сложных ВОС (рис. 1.4а). Режекторный характер АЧХ таких ВОЛЗ позволяет осуществлять селекцию соседних типов колебаний и подавлять амплитуду паразитных типов колебаний. Методы использования сложных ВОС позволяют существенно снизить боковые составляющие соседних типов колебаний до уровня -100 — — 140 дБ/Гц. В ОЭГ осуществляется возможность получения одночастотного режима радиочастотной генерации в СВЧ диапазоне при больших временах запаздывания в ВОС Т вс=1—50 мкс. Одним из использований в ОЭГ сложных ВОС является применение в ОЭГ рециркулярных ВОС с одним или несколькими ОВ в цепи обратной связи (рис.1.4 б). Такие рециркулярные ВОЛЗ обладают узкополосной АЧХ гребенчатого вида и в несколько десятков раз могут снизить геометрическую длину оптического волокна в ОЭГ.

Рис. 1.11. Функциональные схемы ОЭГ со сложной составной ВОС с разными геометрическими длинами ОВ.

Рис. 1.12. Функциональные схемы ОЭГ с рециркулярной ВОС с разными геометрическими длинами ОВ.

Линейная топология ВОЛЗ выгодно отличается по своим прочностным характеристикам при разрушающих ударных воздействиях от монолитных кристаллов диэлектрических резонаторов РЧГ. По геометрическим своим размерам они почти совпадают. Данная прочностная характеристика для ОВ составляет 2000 Н/см 2[151] (для монолитных кристаллов типа лейкосапфира с диаметром диска 5…8 см и толщиной 1 см эта характеристика на один… два порядка меньше) может быть одной из решающих при использовании малошумящих генераторов ОЭГ в беспилотных орбитальных станциях и беспилотных летательных аппаратах, в военных применениях и др., где ударные и прочностные характеристики являются решающими.

.Рис.1.5 Эквивалентная схема автогенератора ОАГ ВОЛЗ.

Рис.1.13. Эквивалентная электрическая схема автогенератора ОЭГ с выделением лазера ОКГ и радиочастотной части генератора.

Эквивалентная электрическая схема автогенератора ОЭГ с выделением лазера ОКГ и радиочастотной части генератора (РЧГ) ОЭГ представлена на рис.1.5. На этой схеме также выделены линейная часть (ЛЧ) активного элемента АЭ и ВОЛЗ и показаны нелинейные источники токов АЭ. Для изучения частотных, амплитудных зависимостей и временных зависимостей ОЭГ в главе 2 используется математическая модель ВОЛЗ, в которой ВОЛЗ заменяется четырехполюсником с входной проводимостью равной входной проводимости модулятора Маха-Цендера (для схемы с внешней модуляцией излучения КЛД) или входной проводимости КЛД (для схемы с прямой модуляцией), выходной проводимостью равной проводимости фотодетектора ФД и коэффициентом передачи ВОЛЗ. Более сложная математическая модель, представляющая лазер полуклассическими уравнениями, учитывающая фазовые шумы оптического излучения лазера и их преобразование в радиочастотный фазовый шум ОЭГ рассмотрена в главе 6 настоящей работы.

Использование в качестве лазера в ОАГ наноструктурного квантоворазмерного лазерного диода КЛД приводит к качественно новым свойствам оптоэлектронного генератора. За счет «квантования зон в переходе», как показано в главе 3, изменяется качество оптического излучения: более чем в 100 раз снижается уровень шумовой спонтанной эмиссии, из-за чего существенно снижаются фазовые и амплитудные шумы лазера, уменьшается ширина линии оптического излучения с нескольких ГГц до нескольких кГц. Кроме того, сужается диаграмма направленности излучения, и улучшаются поляризационные характеристики.

В таблице №1.1 и на рис. 1.10 указаны экспериментальные данные характеристик основных современных оптических резонаторов [63,161 ].Как показано в таблице №1.1, наибольшей добротностью обладают дисковые резонаторы Q =8*10 9 SiO 2 Q =8*10 15 CaF 2. К их недостаткам относятся малый коэффициент ввода при стандартных условиях (менее 5% оптической мощности) и низкий порог оптической мощности, при которой начинают проявляться оптические нелинейные эффекты и большая температурная зависимость характеристик резонатора.

Наибольшей привлекательностью в лазерных системах получили резонаторы на оптических распределенных решетках Брега (FBR), для которых получено значения добротности Q =1,2*10 7. При использовании в системе фазовой подстройки оптической частоты лазера в качестве оптического дискриминатора ячейки Брега (при шаге решетки 100 нм) и при длине ячейки дискриминатора 34мм, реализована узкополосное излучение КЛД с полушириной резонансного пика 15МГц.

Таблица 1.1. Добротности и размеры различных оптических резонаторов, применяемые в лазерах и лазерных системах.

Q-добротность оптического резонатора (произведение оптической частоты на постоянную времени).

Рис.1.14. Виды оптических резонаторов и замедляющих оптических структур, применяемых в лазерах и волоконно-оптических системах.

Рис.1.15. Этапы технологического цикла создания квантоворазмерного лазерного диода КЛД с применением высокодобротных оптических дискриминаторов и резонаторов. Создание на подложке дифракционной решетки (а), получение оптического дискриминатора (резонатора) (b), сопряжение лазера и резонатора (c), готовый лазер (d).

Рис.1.16. Увеличенные изображения первичной «маски» на подложке (а) и после технологического цикла сухого осаждения дифракционной решетки оптического резонатора дискриминатора (б) с полупериодом решетки 100 нм. Изображение увеличено с помощью электронного микроскопа [125].

Рис.1.17. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

Рис.1.18. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Показана расчетная зависимость (на основе измерения фазового шума КЛД (рис. 1.17) относительной мощности излучения от отстройки от центральной частоты спектра КЛД квантоворазмерного лазерного диода без и с дискриминатором. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].