Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Данное (какое?) обстоятельство накладывает ограничения при использовании высокодобротных оптических резонаторов для реализации сверхминиатюрных устройств. Так как при малых размерах такого резонатора (радиус диска 1 мм и площадь поперечного сечения световедущего слоя 10 2 кв. мкм) и относительно высокой добротности порядка Q=10 7 (эквивалентная длина 2 м), нелинейные эффекты начинают проявляться при вводимой мощности порядка несколько микроватт.

Поэтому к перспективным методам создания миниатюрного резонатора относится поиск решений по микроминиатюризации линейной волоконно-оптической линии задержки. Например, при длине ОВ в несколько км при длине волны 1,55 мкм пороговая мощность составляет примерно 100—200 мВт.

Рис.1. 19. Четыре физических эффекта, влияющие на формирование лазерного излучения (а) в волоконном лазере. Схема волоконного лазера с использованием в качестве активного рабочего вещества одномодового оптического волокна активированного ионами эрбия Er или иттерия Y (б). ОВВ-одномодовое оптическое волокно, П-поляризаторы.

Рис.1. 20. Результаты измерения относительного шума интенсивности RIN прецизионного волоконного лазера с шириной линии оптического излучения 1 кГц при различных отстройках (1 и 2) от оптической несущей F [154].

В последнее время появились коммерчески доступные электро-оптические модуляторы Маха-Цендера в планарном исполнении (рис.1.11) с высокими характеристиками: малым управляющим полуволновым напряжением 0,3—1 В, высокой вводимой оптической мощностью — до 50мВт, с малыми потерями оптической мощности -3дБ. На рис.1.12 представлен дисковый фазовый электро- оптический модулятор (а) с управляющим напряжением менее 0,01В и оптический тороидный резонатор (б) с добротностью порядка10 6.

Рис.1.11 Планарное исполнение электро-оптического модулятора Маха.

Рис.1.21. Планарное исполнение электрооптического модулятора Маха —Цендера (а) с длиной секции МЦ 10мм.

Рис.1.22. Экспериментальная амплитудно-частотная характеристика АЧХ электрооптического модулятора Маха —Цендера для трех разных значений погонных оптических потерь (1- 0.2 дБ/cм,2- 0.1 дБ/cм,3- 0.01 дБ/cм) в оптическом канале модулятора при длине волны лазера 1550 нм.

Рис.1.23. Дисковый электрооптический модулятор с радиусом диска 2 мм, созданный на кристалле LiNbO 3 [157].

Рис.1.24. Оптический нанотороидный резонатор (радиус диска 50мкм) из SiO 2с добротностью более 1000000 [165] .

На базе современных КЛД и модуляторов разработаны новые интегрированные элементы фотоники с оптическими усилителями и микрорезонаторами. На рис.1.12 представлен коммерчески доступный интегрированный модуль. На рис.1.13 показаны профили коммерческих «дырчатых» оптических волокон ОВ с наноразмерной структурой световедущей жилы.

Рис.1.25. Интегрированный модуль: квантово-размерный лазер (с шириной линии излучения 1МГц) с модулятором Маха-Цендера с полосой частот модуляции 15ГГц с полуволновым напряжением 2В.

Рис.1.26. Профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Рис.1.27. Профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Рис.1.28. Увеличенный профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Такие ОВ используются в оптоэлектронных формирователях СВЧ и КВЧ колебаний для получения второй гармоники по оптической частоте при нелинейном оптическом преобразовании.

Производятся коммерчески доступные зарубежные и отечественные фотодиоды с шириной полосы 12 ГГц, 18 ГГц и 50ГГц [102]. Их собственные выходные фазовые шумы фототока являются сверхмалыми и составляют менее -120… -130 дБ/Гц при отстройки 1…10 кГц от номинальной частоты в СВЧ диапазоне [140]. Конструкция фотодиода позволяет сопрягать его с оптическим волокном. Коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД составляет до 0,5 А/Вт. Одной из особенностей современных фотодиодов СВЧ диапазона является малый размер светочувствительной площадки ФД. Размеры ее примерно совпадают с размерами длины волны поступающего оптического излучения. Это необходимо иметь в виду при математическом моделирование ВОЛЗ. При учете в модели электромагнитного лазерного излучения в виде плоской волны, поступающего на площадку ФД, необходимо учитывать, что на площадку ФД поступает, в общем случае не осесимметричная плоская волна. На ФД поступает волна электромагнитного лазерного излучения, амплитуда и фаза которой не постоянны при изменении координат х и y в поперечном сечении.

Созданы конструкции фотодиодов с разделением каналов для когерентного фотодетектирования [103,104], с оптическими и электронными усилителями, с использованием избирательных оптических фильтров для подавления шумов спонтанного излучения лазера и др.. Перечисленные характеристики новых элементов для оптоэлектронных генераторов позволяют сделать вывод о качественно новом уровне развития техники оптоэлектронной генерации в целом и высоких характеристик ОАГ, которые сделали их конкурентно способными с традиционными автогенераторами.

В настоящее время техника генерации ВЧ и СВЧ колебаний с малыми шумами достаточно развита. Рынок коммерчески доступных различных генераторов существуют как в России, так и за рубежом.

К широко востребованным малогабаритным моделям генераторов относятся кварцевые и ПАВ генераторы без умножения и с умножением частоты, генераторы с ЖИГ- резонатором, генераторы на диодах Ганна, малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами на керамике и с диэлектрическими резонаторами на волнах шепчущей галереи на кристалле лейко-сапфира и др. Такие генераторы применяются для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах, компьютерной технике, навигационных системах и др.. Некоторые специальные задачи по долговременной стабилизации частоты решаются с использованием цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, которые также являются коммерчески доступными, хотя и относительно дорогими устройствами. Появились работы по компактным стандартам частоты [159]. В последнее время в системах связи, а также в радиоэлектронных системах малогабаритных беспилотных летательных аппаратов БПЛА на частотах 2…60 ГГц растет потребность в генераторах СВЧ и КВЧ диапазона в миниатюрном исполнении. В научной печати появились работы по исследованию оптоэлектронных методов генерации в СВЧ и КВЧ диапазонах с применением лазерной, волоконно-оптической и микрорезонаторной технологий. Для сравнения основных характеристик ОАГ с традиционными электронными и оптоэлектронными генераторами в таблице 1.2 представлены их технические характеристики. К этим характеристикам относятся: частота несущей, диапазон перестройки, долговременная стабильность частоты, спектральная плотность мощности фазового шума — СПМФШ, габаритные размеры. В данной таблице 1.1 представлены основные типы генераторов и введены для них следующие обозначения 1- АГ КР — автогенератор с кварцевым резонатором, 2- АГ ПАВР — автогенератор с резонатором на поверхностных акустических волнах, 3- АГ ДКР — автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из керамических сплавов, 4- АГ ДДРлС- автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из лейкосапфира, 5 —АГ ЖИГ- автогенератор с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ), 6- О ЭГ ВОЛЗ —автогенератор с волоконно-оптической линии задержки, 7- О ЭГ ОДР — автогенератор с оптическим дисковым резонатором. 8- Лазер ФСК —лазерный фемтосекундный синтезатор, 9- КСЧ на Cz- квантовом стандарте частоты на ячейке цезия. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии автогенераторов с различными типами резонаторов их можно условно разделить на акустические (КР [9] и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР и ДДРлС [8]) и оптоэлектронные (ВОЛЗ, оптические дисковые резонаторы ОДР [3,7]). Генераторы лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК и квантовый стандарт частоты КСЧ по методам формирования радиочастотных колебаний также можно отнести к оптоэлектронным генераторам.