Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Имеющиеся к настоящему моменту перечисленные теоретические работы не отвечают на вопросы, касающиеся ОЭГ, так как в этих работах авторы ограничивались изучением модели ОЭГ в виде кольцевой автоколебательной системы с бездисперсионным звеном запаздывания в петле положительной обратной связи, роль которого в рамках этой модели выполняет ВОЛЗ. Лазер в такой модели не рассматривался как самостоятельный источник оптических колебаний со своими амплитудными и фазовыми шумами, а представлялся линейным идеальным пассивным элементом.

В настоящий момент отсутствует сравнение ОЭГ по техническим характеристикам с другими генераторами, не проанализированы основные достоинства такого генератора. Не проведено теоретическое и экспериментальное исследование схем ОЭГ с прямой и внешней модуляцией КЛД с учетом шумов лазера.

Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы.

Целью диссертационной работы является целенаправленный анализ и решение ряда теоретических и практических проблем, включая математическое моделирование и экспериментальное исследование, которые возникают при планомерном изучении новой научной проблемы: исследовании и создании на базе нового класса оптоэлектронных генераторов с квантоворазмерным лазерным диодом современного малошумящего компактного генератора с учетом шума спонтанного излучения КЛД и выработки рекомендаций к характеристикам элементов ОЭГ, а также разработка схем и методов проектирования ОЭГ с прямой и внешней модуляцией параметров выходного излучения. В соответствии со сформулированной целью в диссертации решаются следующие задачи:

— проведение аналитического обзора и сравнения ОЭГ по техническим характеристикам с другими малошумящими радиочастотными генераторами;

— теоретическое и экспериментальное исследование ОЭГ с учетом статических, динамических и шумовых характеристик лазера КЛД,

— построение математической модели ОЭГ в виде дифференциальных уравнений с обратной связью при учёте в ВОЛЗ лазера, как источника оптических колебаний,

— теоретическое исследование моделей для схем с прямой и внешней модуляцией для анализа стационарные режимов работы ОЭГ, переходных процессов, амплитудных и фазовых шумов в ОЭГ,

— теоретическое исследование влияние шума спонтанного излучения лазера КЛД на фазовый радиочастотный шум ОЭГ;

— разработка и изучение способов оптического и электронного управления частоты генерации, стационарных режимов работы ОЭГ;

— реализация и исследования экспериментальных образцов и экспериментальные исследования ОЭГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах;

— теоретическое и экспериментальное исследование уходов частоты генерации ОЭГ от температуры оптического волокна в ВОЛЗ;

— влияние на долговременную нестабильность частоты изменений температуры оптического волокна;

— реализация и исследование разработанных экспериментальных образцов ОЭГ и экспериментальные исследования ОЭГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории колебаний применительно к решению и моделированию дифференциальных уравнений, полуклассическая теория лазеров, теория радиотехнических цепей и сигналов, теория флуктуаций в автоколебательных системах. Кроме того, применялся метод экспериментальных исследований на действующих макетах. Обработка результатов экспериментов велась методами математической статистики.

Порядок представления материала данной диссертационной работы является следующим:

1. Описание разработанной методической концепции исследования малошумящего ОЭГ ВОЛЗ на базе КЛД. Анализ результатов методов генерирования СВЧ колебаний с малыми шумами с использованием традиционных электронных генераторных схем и оптоэлектронных способов формирования СВЧ и КВЧ колебаний. Целью обзора является систематизация данных и выявление преимуществ ОЭГ с КЛД.

2. Описание и анализ различных теоретических моделей и методов изучения ОЭГ, которые наиболее эффективно решают поставленные задачи исследования. К теоретическим моделям относятся: во-первых, модель ОАГ на базе укороченных ДУ с дифференциальной ВОЛЗ. В данной модели, разработанной с учетом многолетнего опыта работы специалистов ведущей кафедры Формирования Колебаний и Сигналов МЭИ по широкому использованию методов нелинейной теории колебаний в радиоэлектронике, ВОЛЗ, состоящая из последовательно соединенных лазера КЛД, оптического волокна и фотодетектора представляется в виде линейного четырехполюсника с заданной передаточной характеристикой, а элементы, входящие в ВОЛЗ, являются линейными элементами с крутизной преобразования и описываются передаточными функциями. Во-вторых, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с прямой амплитудной модуляцией, охваченного положительной обратной связью с использованием оптического волокна, фотодетектора, узкополосного радиочастотного фильтра и нелинейного усилителя. В-третьих, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с внешней модуляцией оптического излучение электрооптическим модулятором Маха-Цендера.

(ОЭГ), схема которого показана на рис. 1.1,а является автоколебательной структурой с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) образована последовательно включенными модулируемым источником света (МИС), волоконно-оптической системой (ВОС) и фотодетектором ФД. Модулированным источником света является квантоворазмерный лазерный диод (КЛД). КЛД, о котором подробно описано в главе 3, имеет за счет квантования энергетических зон в переходе, в несколько раз (чем традиционный мезаполосковый лазерный диод) большую выходную мощность, меньший на порядок пороговый уровень тока накачки, меньшие шумы, определяемые спонтанным излучением лазера и меньшую на порядок ширину линии генерации.

В схему ОЭГ, представленную на рис. 1.1,а входят последовательно замкнутые в кольцо МИС на базе КЛД, ВОС, содержащая одно или несколько оптических волокон, ФД, нелинейный широкополосный усилитель (НУ), узкополосный радиочастотный фильтр (Ф) и ответвитель (О) для вывода радиосигнала. При этом в настоящей диссертации подлежат анализу схемы ОЭГ, которые различаются по типу модуляции: 1) ОЭГ с прямой модуляцией излучения КЛД [151] и 2) ОЭГ с внешней модуляцией излучения КЛД электрооптическим модулятором Маха-Цендера (рис. 1.1,а). Схема ОЭГ с внешней модуляцией строится на базе электрооптического модулятора Маха-Цендера (МЦ) [145,172]. При этом в одном из двух каналов МЦ используется оптическая фазовая модуляция (ФМ). Также для модуляции оптического излучения в ОЭГ может быть использован акустооптический модулятор (АОМ) с применением частотной модуляции излучения лазера. Использование разных способов (прямой или внешней) оптической модуляции и её видов: амплитудной, фазовой или частотной (АМ, ФМ, ЧМ) зависит от назначения ОЭГ.