Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

На рис.1.15 видно, что с повышением частоты добротность кварцевого КР и ПАВ резонаторов уменьшается из-за потерь акустической волны в материале резонатора, изготовленного из кварца. Для оптоэлектронного генератора О ЭГ добротность ВОЛЗ, которую можно вычислить как, где — средняя частота генерации О ЭГ, — время задержки колебаний (сигнала) в ВОЛЗ, является линейно нарастающей функцией. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии Повтор!) резонаторы автогенераторов можно разделить на акустические (КР и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР, ОбР и ДДРлС) и оптоэлектронные (ВОЛЗ и ОДР). С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в «акустоэлектронных» кварцевом КР и ПАВ резонаторах и это приводит к снижению их добротности на СВЧ. Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС. Основным недостатком ДДРлС является сильная зависимость резонансной частоты и фазочастотной характеристики от температуры (собственный температурный коэффициент частоты генератора из лейкосапфира ТКЧ составляет). Альтернативным способом увеличения добротности автоколебательных систем является использование механизмов оптоэлектронного преобразования и применение ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов ОДР. Добротность ВОЛЗ на частотах 5—100 ГГц составляет примерно …10 6.

Рис.1.31. Максимальные размеры резонаторов и линии задержки, применяемых в современных в стабильных О ЭГ и автогенераторах СВЧ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек ОВ по годам. Время задержки в ВОЛЗ 50 мкс. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 —Обр- объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейко-сапфира, 6 —ЖИГР-резонатор, 7-ВОЛЗ —волоконно-оптическая линия задержки (время задержки в ВОЛЗ равно 10—50 мкс), 8- ОДР — оптический дисковый резонатор.

Рис.1.32. Максимальные размеры линии задержки, применяемых в современных в стабильных О ЭГ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек оптического волокна ОВ по годам. Зависимость размера резонатора по годам Время задержки в ВОЛЗ равно 50 мкс.

В настоящее время добротность (которую примерно можно оценить отношением собственной частоты фильтра на частоте генерации лазера к ширине резонансного пика по уровню 0.7) оптических дисковых резонаторов ОДР, при которой не проявляются нелинейные оптические эффекты, составляет. Габаритные размеры ОДР, в которых осуществляется режим передачи одной поперечной оптической моды, приближаются к размерам несколько десятков длин оптических волн или несколько десятков микрон. Нелинейные оптические эффекты такие, как трех- и четырех-фотонное взаимодействие, брюлльеновское рассеяние и др. носят пороговый характер и в дисковых оптических резонаторах проявляются из-за высокой плотности мощности в поперечном сечении (порядка более 50мВт/мкм 2) в сверхмалых микрообъемах резонатора. За счет высокой плотности мощности в ОДР резко повышается температура материала из-за поглощения излучения в кварце или парателлурите, что приводит к сложности температурной стабилизации такого резонатора.

Отметим, что в ВОЛЗ с геометрической длиной оптического волокна 1 … 5 км полезный объем (в котором распространяется излучение в режиме одной поперечной моды) составляет не более одного кубического сантиметра.

Автор настоящей диссертации является инициатором идеи использования для изготовления малогабаритных ВОЛЗ СВЧ генераторов для нагрева опорной трубки в диапазоне от 1000° C до 1950° C, с сокращением времени установления требуемой температуры трубки и с повышенной точностью подстройки температуры [173]. Автором настоящей диссертации получен патент на изобретение №2537523 от 10 ноября 2014 г. (заявка№2013141980 от 13 сентября 2013 г.) «Радиационно-стойкий волоконный световод, способ повышения радиационной стойкости его изготовления». Прогресс технологий изготовления заготовок для ОВ с использованием автоматизированных методов высокотемпературного прогрева заготовок кварцевого стекла, легированного азотом, синхронное перемещение плазменных столбов вдоль заготовок с применением стабилизированных СВЧ генераторов [173] приведет к созданию сверх миниатюрных ВОЛЗ с общими габаритами менее 0.5 см 3с эффективной задержкой более 50мкс при полосе передаваемых колебаний 1…100ГГц.

Для сравнения на рис.1.16 и рис.1.17 представлены размеры и виды волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ с оптическим волокном ОВ длиной 10 км с размерами, которые применяются в ОАГ.

Рис.1.33. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 10 км с размерами 100 х 100х20 куб. мм.

Рис.1.34. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 10 км с размерами 100х100х20 куб. мм (б).

Рис.1.35. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 1 км с размерами 20 мм х100мм (в).

Заметим (рис.1.16 и рис.1.17), что геометрические размеры ВОЛЗ длиной 10 км с задержкой 50 мкс составляют примерно 100х100х20 куб. мм., а размеры оптического дискового резонатора ОДР — 100х100х100 куб. мкм. Рекордно малые размеры ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов позволяют производить генераторы СВЧ и КВЧ диапазонов в миниатюрном исполнении с относительно высокими характеристиками по шумам и перестройке частоты.

Централ

Рис.1.36. Экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов (АГ) с различными типами резонаторов и АГ с волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) центральная (средняя) частота генерации АГ 10ГГц. F — отстройка по радиочастоте от центральной частоты генерации [147]. 1-КР-кварцевый резонатор, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 7-ВОЛЗ — ОАГ с ВОЛЗ с МЦ (задержка в ВОЛЗ 90 мкс), 9-ДДРстР — Дисковый диэлектрический специально стабилизированный резонатор, 10-ФСК — фемто секундный синтезатор, на базе высоко стабилизированного лазера и делителя частоты.

На современном этапе развития техники О ЭГ габаритные размеры ВОЛЗ почти совпадают с габаритными размерами дискового диэлектрического резонатора из лейкосапфира с частотами генерации в диапазоне 10…12ГГц.

Отметим, что ВОЛЗ обладают относительно малыми размерами и линейной топологией (оптическое волокно укладывается виток за витком на дисковую бобину). Полезный объем ОВ составляет 10…20% от общего объема ВОЛЗ. Поэтому в ВОЛЗ относительно просто производить стабилизацию по температуре, чем в резонаторах на лейкосапфире. За счет специальных способов укладки оптического волокна [147] достигается хорошая механическая прочность ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ намного меньше, чем монолитные кристаллы из лейкосапфира, имеющие примерно такие же габаритные размеры как максимальные размеры ВОЛЗ, подвержены разрушительным ударным нагрузкам с ускорением в несколько g , которые бывают при эксплуатации радиоэлектронных систем, размещаемых в летательных аппаратах и БПЛА. То есть необходимо отметить данное особое важное свойство линий задержек в О ЭГ с ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ и генераторы в целом менее подвержены механическим, акустическим воздействиям и ударным нагрузкам, чем автогенераторы с дисковым диэлектрическим резонатором из монокристалла лейкосапфира. На рис. 1.18 представлены экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов традиционных электронных и оптоэлектронных генераторов различных типов.