Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Наряду с описанными схемами для формирования СВЧ и КВЧ колебаний с гетеродинированием также используют схему взаимной синхронизации двух лазерных диодов ЛД1 и ЛД2, разность оптических частот которых составляет формируемую частоту колебания, например 10 ГГц. Для синхронизации данных лазерных диодов ЛД1 и ЛД2 используют или непрерывный многочастотных лазер или лазер с пассивной или активной синхронизацией продольных мод [158]. Также можно отметить схемы формирования радиочастотных колебаний с частотой 40 ГГц с использованием нелинейного эффекта Брюллиена в специальном дырчатом оптическом волокне ОВ. Поперечное сечение такого приведено на рис.1.14 [159].

Таблица №1.3. Методы формирования колебаний в радиочастотных генераторох РЧГ, лазерах (ОКГ) и оптоэлектронном генераторе ОЭГ.

В таблица №1.3 введены следующие сокращения: ФК-фотонные кристаллы параметр инверсии заселенностей, h —постоянная Планка, — постоянная Больцмана, — температура в град Кельвина, -фактор усиления, -добротность резонатора, — мощность генератора,,частотная отстройка от несущей, — оптическая частота генерации лазера или ОКГ, — оптическая частота генерации, -энергия одного кванта, — фактор оптического усиления, — оптическая мощность лазера или ОКГ, — добротность оптического резонатора, — отстройка частоты от оптической несущей.

Результатом анализа различных генераторных схем и их характеристик является информация, приведенная в таблице 1.3, в которой произведено сравнение методов формирования колебаний радиочастотного и оптического диапазонов. Анализ данных представленных в таблице 1.3 показывает, что ОАГ является по своим характеристикам модемным генератором с самогетеродинированием, в котором можно использовать наряду с традиционными электронными резонаторами, фильтры и линии задержки, так оптические линии задержки и резонаторы. Фазовые шумы, СПМ ФШ в такой автоколебательной системе ОЭГ определяются фазовыми шумами лазера, определяемыми спонтанным излучением, «электронными» шумами фотодетектора и нелинейного усилителя. Отметим, что для традиционных автогенераторов и оптических квантовых генераторов уже определены в многочисленных работах [2,92] базовые фундаментальные соотношения связи естественной ширины линии генерации и СПМФШ с основными характеристиками автоколебательных систем. Для ОАГ ВОЛЗ, который является результатом синтеза двух колебательных процессов, лежащих в оптическом и радиочастотном диапазонах (или двух генераторов) такие соотношения определены в работах автора настоящей диссертации и изложены в разделах глав 5 и 6. Это и является одной из задач последующего анализа ОАГ ВОЛЗ.

1. ОЭГ представляет двухдиапазонную автоколебательную систему, в которой развиваются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах. Исследуемые в работе методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в своей основе используют фазовую (амплитудную или частотную) оптическую модуляцию несущей. Процесс фотодетектирования с выделением в фототоке поднесущей с фазовыми шумами в этих схемах ОЭГ с прямой и внешней модуляции является процессом гетеродинирования или самогетеродинирования. Одной из решаемых в работе задач является вопрос о том, как шум лазера влияет на радиочастотный шум ОЭГ. Поэтому для математического моделирования КЛД в диссертации используется полуклассическая теории. При использовании метода балансных (кинетических) уравнений лазера теряются фазовые соотношения , которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов лазера на радиочастотные шумы ОЭГ. Еще раз необходимо отметить, что большинство анализируемых схем ОЭГ с прямой и внешней модуляцией относятся к схемам с фазовой или амплитудной модуляцией оптического излучения, а в процессе фотодетектирования с самогетеродинированием информация о поднесущей содержится в фазе оптического излучения.

2. В настоящей диссертации главным объектом исследования является ОЭГ. Одной из задач исследования является понимание основных механизмов работы его сложной автоколебательной системы (АКС), которые определяют фазовый шум ОЭГ. При этом основное внимание уделено не столько электронной части ОЭГ (она хорошо разработана в традиционных радиочастотных генераторах), а влиянию характеристик лазерного излучения на частоту и амплитуду генерации ОЭГ, а также влиянию характеристик амплитудного и фазового шума лазерного спонтанного излучения на радиочастотный фазовый шум ОЭГ.

3. Решение поставленных в работе задач по исследованию ОЭГ необходимо согласовать с учетом специфики лазерного излучения, которая связана с квантовой природой шума, временной и пространственной когерентностью, наличием пространственного распределения по амплитуде напряженности E 0 ( R ), по фазе Ф 0 ( R ) и по флуктуациям амплитуды m ( R ) и фазы , соразмерностью с длиной волны лазера габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне .

4. Используемые в ОЭГ методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в потенциале обладают высокой степенью подавления фазового шума лазера, с одной стороны, за счет использования протяженного низкодисперсионного оптического волокна , узкополосного лазерного излучения КЛД, а, с другой стороны, с методами компенсации фазового шума при самогетеродинировании на ФД, передачи по оптическому каналу двух оптических гармоник (с подавлением третьей оптической гармоники) и выравнивании этих гармоник по амплитуде.

5. Подход к рассмотрению ОЭГ, как системы, где развиваются два автоколебательных процесса оптического и радиочастотного диапазона с рассеянием, преобразованием энергий и учетом генерирования в лазере шума спонтанного излучения, является новым и эффективным. Такой подход дает возможность проанализировать влияние элементов лазера на радиочастотные шумы ОЭГ, исследовать управление радиочастотой генератора ОЭГ оптической частотой лазера (и наоборот обеспечить управление оптической частотой лазера, изменяя радиочастоту ОЭГ), в дальнейшем изучить синхронизацию ОЭГ внешним оптическим источником излучения, производить анализ систем фазовой автоподстройки ОЭГ модулированными лазерными колебаниями, исследовать ОЭГ в качестве задающего генератора СВЧ для различных лазерных систем, например, для лазера с синхронизацией продольных мод с длительностью импульса 1..10 пс с малым «джиттером» и т. п.