Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Из представленных зависимостей [145] (рис. 1.18) анализа можно заключить, что О ЭГ с ВОЛЗ конкурентоспособен с известными электронными автогенераторами и по шумам пока уступают в области отстройки 1 кГц от несущей 10ГГц на 10—15 дБ/Гц автогенератору на сапфире АГ ДДРлС.

В сравнении (рис. 1.18) [145] с автогенераторами с резонаторами КР и ПАВ, О ЭГ с ВОЛЗ имеет выигрыш на 10…20дБ/Гц в области частотных отстроек 1=10 кГц от несущей 10ГГц. ФСК генератор является бесспорным лидером в области малых отстроек 0,001—0,1Гц. Необходимо отметить, что в настоящее время в оптоэлектронном генераторе О ЭГ не реализованы потенциально возможные сверх малые фазовые шумы и сверх малая компактная конструкция.

На рис. 1.19 и 1.20 представлены экспериментальные результаты [156] спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов на ДКР и внешний вид ДДРлС (рис. 1.20а).

1.37. Результаты измерений спектральной плотности мощности фазовых шумов S (F) = L (F) малошумящего автогенератора с диэлектрическим керамическим резонатором [156].

Рис.1.38. Общий вид генератора с резонатором из лейкосапфира АГ ДДрС (а)

(а)

Рис.1.39. Генератор с резонатором из лейкосапфира АГ ДДрС, результаты измерений его спектральной плотности мощности фазовых шумов ( S (F) =L (F ), дБм/Гц) (б) (синия линия). Красная линия на графике —фазовые шумы измерительной аппаратуры или предельно измеряемые фазовые шумы в данной схеме измерения [153].

Из проведенного анализа можно заключить, что ОАГ с ВОЛЗ по всем основным характеристикам способен конкурировать с известными электронными автогенераторами АГ ДКР и АГ ДДРлС. Хотя О ЭГ ВОЛЗ по СПМ фазового шума проигрывает в области частотных отстроек 1…10кГц от номинальной частоты несущей 10ГГц на 5—15 дБ/Гц автогенератору с резонатором из лейкосапфира АГ ДДРлС, тем не менее, у ОАГ ВОЛЗ есть вполне ощутимые преимущества: более низкая (почти на два порядка) зависимость частоты от температурных изменений и более высокая механическая стойкость и почти на порядок более низкая зависимость частоты от механических нагрузок [145].

Наряду с электронными методами формирования колебаний успешно развиваются оптоэлектронные методыформирования прецизионных радиочастотных автоколебаний в диапазонах СВЧ и КВЧ. Основное отличие от традиционных электронных методов использование в них электромагнитного излучения оптического диапазона частот с длинами волн 0,4…2,0 мкм.

Можно выделить помимо исследуемого в данной работе лазерного оптоэлектронного генератора, который можно отнести к модемному типу, несколько видов таких формирователей СВЧ и КВЧ колебаний: квантовый стандарт частоты КСЧ, лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК на базе высокостабилизированного лазера и делителя частоты, синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ и лазерный генератор с оптической синронизацией двух лазеров [156].

Коммерчески доступный квантовый стандарт частоты КСЧ на ячейке Цезия, обладающий долговременной стабильностью частоты 10 -12, имеет большие габариты и вес и не является генератором, который можно использовать в бортовой аппаратуре БПЛА и специальных летательных аппаратах. Одним из главных элементов, как и в ОАГ в КСЧ является лазер. Он используется для подстройки радиочастоты генерации к средней частоте линии поглощения ячейки Cz. От характеристик лазера, включая ширину спектральной линии лазерной генерации, которая составляет примерно 1МГц, и уровня ФШ лазера во многом зависит работа КСЧ в целом и его фазовые шумы, в частности. Последнее замечание касается и ОАГ ВОЛЗ. И эти два прибора являются в этом смысле похожими. На рис 1.21 представлены зависимости спектральной плотности фазовых шумов S (F) КСЧ (а) и кратковременной нестабильности частоты ( T с — время усреднения (наблюдения или интегрирования)) (б). Из представленных графиков видно, что кратковременная нестабильность частоты на стандартных отстройках 1кГц от номинальной частоты несущей 4,6 ГГц не очень удовлетворительная и составляет -50..70дБ/Гц [158].

Для размещения в БПЛА и специальных аппаратах в последнее время ведутся исследования и разработка компактного КСЧ [158]. На рис.1.22 а и б) представлены конструкция и функциональная схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия Сz [158].. На рис. 1.22 введены следующие обозначения «5 МГц КГ» — кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор работающий на частоте 530Гц, «10кГц» — генератор, работающий на частоте 10кГц.

На рис.1.22 в) и г) показаны диаграмма рабочих энергетических уровней цезия и рубидия соответственно с оптической накачкой. Особенностью современных ячеек с цезием и рубидием является их компактность. Размеры блока КСЧ, содержащего капсулу с цезием, помещенную в постоянное магнитного поле, и расположенную межлу лазером с длиной волны 0,85 мкм и фотодетектором, составляют 20х20х50мм. При этом выходная мощность радиочастотных колебаний с частотой 4,6 ГГц, снимаемых с ячейки цезия составляет менее 0,1 мкВт, долговременная стабильность — 10 —10. В схеме КСЧ колебания с частотой 4,6 ГГц, выделяются резонатором, в который помещают ячейку цезия. Данные колебания подаются на модулятор. С помощью модулятора происходит управление оптической частотой лазера. В компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты колебания формируются почти по похожей схеме управления, как и в КСЧ на цезии. Можно резюмировать, что в компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты происходит настройка с помощью «входного» лазерного излучения с длиной волны 0,795мкм (с частотой генерации 373ТГц) на «выходную» радиочастоту 6,8ГГц (рис.1.21в). Здесь с некоторой оговоркой, что КСЧ представляет «черный ящик», можно говорить о преобразовании лазерного излучения 373ТГц в радиочастоту 6,8ГГц.

(а) (б)

Рис. 1.40. Экспериментальные результаты измерения спектральной плотности фазовых шумов S (F) коммерческого квантового стандарта частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (а). Экспериментальные результаты измерения кратковременной нестабильности частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (б). Кривые на графиках соответствуют: 1 — КСЧ в режиме свободной генерации, 2 — КСЧ с системой частотной автоподстройки, 3- КСЧ с системой фазовой синхронизации. T с — время усреднения [158].).