Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Однако данный тип перспективных ОЭГ недостаточно теоретически и экспериментально изучен. Не объяснены главные причины сверхмалого значения фазового шума радиочастотного колебания генерации при использовании в ОЭГ ВОЛЗ прямой и внешней схем модуляции КЛД. В России до 2004 года не было создано ни одного действующего лабораторного образца экспериментального макета ОЭГ в диапазоне частот 2…12 ГГц и выше. За рубежом в начале 2000-х годов с появлением коммерческих СВЧ электрооптических модуляторов появились экспериментальные работы Малеки и Стива Яо (Калтех) и др. авторов по исследованию ОЭГ с внешней модуляцией с использованием электрооптического модулятора Маха-Цендера. В этих работах, наряду с успешными экспериментальными результатами по СПМ ФШ, не была все-таки построена теория ОЭГ с флуктуациями. Не было показано, как влияет фазовый шум лазера, определяемый его спонтанными шумами, на радиочастотный СПМ ФШ ОЭГ в целом. Не обсуждается упоминание о роли фазового шума лазера, входящего в состав ОЭГ в работах зарубежных авторов [61,69,70,74,75,94]. Указанные обстоятельства явились одним из стимулов для подготовки и проведения исследований данной диссертации в период с 2005 по 2014 гг.

Имеющиеся работы (опубликованные книги, статьи и материалы докладов) по исследованию ОЭГ [52—64] не дают сразу возможности определить основные свойства ОЭГ в СВЧ диапазоне, методы управления частотой, выделить и проанализировать факторы, влияющие на нестабильность частоты генерации и фазовый шум ОЭГ. Одним из достоинство настоящей работы является, по мнению автора, построение физической и инженерной теории оптоэлектронного генератора с учетом флуктуаций и объяснение влияния фазовых шумов спонтанного оптического излучения лазера на процесс формирования радиочастотных результирующих фазовых шумов ОЭГ при целенаправленной генерации в радиочастотном диапазоне.

Отметим, что ОЭГ относится, с точки зрения классической теории колебаний, к генераторам с запаздывающей обратной связью (ЗОС) [4—31], [32—45]. Теоретически изученными автогенераторами с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОЭГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхностных акустических волнах (АГ ПАВ) [19—25, 40,41]. Эти исследовании создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) — ОЭГ ВОЛЗ, исследованиям которого посвящена данная диссертационная работа.

Интенсивные исследования в 70-х — 80-х годах прошлого века волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических волокон с низкими оптическими потерями [42—44] дали импульс к началу использования ВОЛЗ в автоколебательных системах [45—52], [46—52].

В последние десятилетия были выполнены работы по экспериментальному и теоретическому исследованию современных быстродействующих оптоэлектронных компонентов: лазеров, электрооптических модуляторов, фотодиодов, а также оптоэлектронных и волоконно-оптических систем с быстродействием 0,01 — 100 пс, с полосами частот модуляции до (18 ÷ 200) ГГц [53—106]. Такие работы дали импульс для проведения исследований оптоэлектронных генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов [57,61,63—66,73]. Работы по разработке и исследованию компонентов, используемых в ОАГ, активно проводятся в России [114—134]. В настоящее время в России группой Курносова В. Д. (ФГУП ПОЛЮС, Москва) ведутся исследования и разработка современных отечественных квантоворазмерных лазерных диодов (КЛД) и фотодиодов, позволяющих осуществлять модуляцию и демодуляцию на модулирующих частотах до 12 ГГц [102—103]. С появлением подобных сверхширокополосных отечественных КЛД стала возможной практическая разработка ОАГ ВОЛЗ в диапазоне до 12 ГГц [115—120,131,132]. Дальнейшие перспективы разработки ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах, связаны с современными разработками оптоэлектронных устройств и фотонных нанотехнологий [135]. В последнее время в России появились работы по экспериментальному исследованию оптоэлектронного генератора группы проф. Белкина М. Е., что говорит об актуальности проблемы создания малошумящего оптоэлектронного генератора с ВОЛЗ [111].

Из зарубежных ученых в области экспериментальных исследований оптоэлектронного генератора ОАГ необходимо отметить публикации таких исследователей, как Наказава М. (Япония, 1982г.), Ярив А. (Калтех,1983г.), Малеки Л. (Калтех,1996г.), Стив Яо (Калтех,1996г.), Шумахер (Израиль,2005), Чен Ли (Республика Корея, 2008). Пионерскими теоретическими и экспериментальными исследованиями представляются работы отечественной российской «квантовой» группы МЭИ в составе Ильина Ю. Б., Константинова В. Н. и Борцова А. А., которые были выполнены в 1981—1993 гг. под научным руководством проф. д.ф.-м. н. Григорьянца В. В. (МЭИ и ИРЭ РАН) [51,52,57,114—122]. В этих работах проведён анализ ОЭГ с ВОЛЗ, который в этих работах назывался лазерным автогенератором с ВОЛЗ или ЛАГ ВОЛЗ. Анализ оптоэлектронного генератора был проведен в предположении малого запаса по самовозбуждению и получены обыкновенные дифференциальные уравнения автономного ОЭГ с одиночным оптическим волокном (ОВ) в ВОЛЗ и были сформулированы основные концепции построения ОЭГ, как стабилизированного автогенератора на основе протяженного оптического волокна (ОВ). Одним из принципиально новых утверждений этой российской квантовой группы (и актуальными на сегодня) являлось доказанное положение, что малошумящий ОАГ может работать без радиочастотного усилителя. Этой квантовой группой с непосредственным участием автора настоящей диссертации, были впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования ОЭГ и опубликованы работы [51,52,57,114—122] об использовании в таком генераторе составных (на базе нескольких оптических волокон), дифференциальных ВОЛЗ и рециркулярных (нерекурсивных и рекурсивных) ВОЛЗ. Были разработаны новые способы управления частотой ОЭГ и доказано, что использование ВОЛЗ приводит к уменьшению кратковременной и долговременной нестабильности частоты ОЭГ [114—118].

На современном этапе ведутся интенсивные исследования за рубежом по созданию сверхкомпактного малошумящего генератора на базе ОЭГ с ВОЛЗ, предназначенного для бортового применения в малогабаритных БПЛА и других системах передачи информации. Построение сверхмалошумящих СВЧ автогенераторов на основе ОЭГ в различных областях техники, в вооружениях и военной специальной технике настоятельно требует ответа на многие вопросы. К ним можно отнести, в первую очередь, следующие. Какие должны быть в малошумящем ОЭГ по величине фазовые шумы КЛД? Какая должна быть в малошумящем ОЭГ по величине ширина спектральной линии и мощность КЛД? Какова взаимосвязь оптических фазовых шумов лазера и радиочастотных фазовых шумов ОАГ, какие способы управления частотой необходимо применять в ОЭГ с ВОЛЗ, как влияет температура оптического волокна ВОЛЗ на уходы частоты автоколебаний в ОЭГ, какова должна быть геометрическая длина оптического волокна и многие другие.