Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Рис.1.1. Функциональная схема ОЭГ с разными модулированными источниками света (МИС): ОЭГ с квантоворазмерным лазерным диодом (КЛД) с прямой модуляцией и ОЭГ с КЛД с внешнем электрооптическим модулятором;

Рис. 1.2. Спектры колебаний ОЭГ на оптическом и электрическом выходах

Рис.1.3. Вид спектра автоколебаний, генерируемых ОЭГ с КЛД в стационарном режиме одночастотной генерации на частоте 8,2 ГГц (время наблюдения 1 мс).

Например, в ОЭГ высокочастотного диапазона для систем измерения параметров оптического волокна, в частности, при исследовании температурных зависимостей оптического волокна, целесообразно применять лазерный диод или светодиод (СД) с низкочастотной внутренней модуляцией. В СВЧ ОЭГ, пригодных для использования в составе систем связи в качестве, например, малошумящих устройств формирования опорных колебаний с рабочими частотами 5 … 73 ГГц ,целесообразно использовать КЛД с прямой и внешней модуляцией. В сверхмалошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона (8…30 ГГц) необходимо использовать КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.

КЛД представляет собой наноструктурный сверхширокополосный мезаполосковый инжекционный полупроводниковый лазерный диод с высокими выходными показателями: мощность излучения — 10…30 мВт, ширина полосы модуляции за счет использования фотонных технологий составляет 10…40 ГГц, крутизна преобразования оптической мощности от постоянного тока накачки составляет 1мВт/10мА. КЛД является наноструктурным элементом, так в его активной части формированы слои из полупроводникового материала, имеющие размеры волны де-Бройля примено 1…10нм. С колебательной точки зрения формирование таких слоев (или квантовых зон) позволяет для электронов, являющимися активными частицами в КЛД, устроить своеобразные автоколебательные системы (АКС) или резонаторы. В таких АКС электроны начинают совершать колебательные движения в результате которых зависимость коэффициента усиления от оптического частоты имеет резко выраженные резонансные пики.

Одной из главных особенностей ОЭГ по схеме рис.1.2 является наличие одновременно существующих двух автоколебательных процессов разного диапазона: оптического и радиочастотного. На схеме рис.1.2 в ОЭГ выделены в отдельные блоки — лазер и кольцо с оптоэлектронной частью, в которое входят замкнутые НУ, Ф, О и модулятор Маха-Цендера (МЦ).

Рис.1.4. Структурная схема ОЭГ: Лазер — КЛД, МЦ — электрооптический модулятор Маха-Цендера, ОУ — оптический усилитель, ВОС — волоконно-оптический система, ФД — фотодетектор, НУ — нелинейный усилитель, Ф —радиочастотный фильтр, О — ответвитель.

Рис. 1.5. Схема малошумящего лазерного ОЭГ с прямой амплитудной модуляцией (ПАМ) КЛД с двумя оптическими каналами (ВС1 и ВС2).

Выделим главные составляющие принятой нами концепцииисследования:

Предметом исследования являются колебательные процессы в схемах ОАГ (с внешней и прямой модуляцией (по схемам рис.1.1, 1.2, 1.3)), в своей основе содержащие фазовые и амплитудные принципы модуляции оптического излучения. ОАГ представляет двухдиапазонную автоколебательную систему(АКС), в которой одновременно формируются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах по своим законам.

При этом, в схемах ОЭГ радиочастота модуляции КЛД много больше относительной ширины спектральной линии лазерного излучения. Кроме этого, в ОАГ происходит оптоэлектронное преобразование на фотодетекторе, по крайней мере, двух оптических гармоник в низкочастотный фототок (или радиочастотное колебание) и имеет место гетеродинное фотодетектирование (или самогетеродинирование) при квазикогерентном колебании лазера. Исследуемые схемы ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) с прямой и внешней модуляцией (а также с применением дополнительного подавления одной из трех оптических гармоник и с выравниванием амплитуд оставшихся двух гармоник) содержат в своей структуре исходную базу для применения корреляционного метода подавления фазового шума. В потенциале эти ОАГ обладают высокой степенью подавления фазового спонтанного шума лазера, электронных шумов фотодетектора и усилителя. Выдвижение и разработка данной идеи принадлежит автору диссертации [145]. Можно говорить, что в схемах ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) реализуется (наряду с использованием протяженной кварцевой ВОЛЗ для стабилизации частоты генерации и подавления фазового шума) практический коррелятор . В этом случае режим работы ОЭГ подобен работе разностного генератора, в котором, благодаря генерации на двух частотах, происходит значительное снижение СПМ фазового шума.

Главными решаемыми задачами этой части исследования являются: установление влияния параметров КЛД (тока накачки, фазового шума) и оптического волокна (геометрической длины, показателя преломления, температурной зависимости показателя преломления и др.) на характеристики колебательного радиочастотного процесса ОЭГ, установление влияния шума лазера на шум ОЭГ.

Для математического моделирования лазерного излучения КЛД используется, в частности, известная полуклассическая теория лазера с учетом фазовых соотношений напряженности электрического поля. Это вызвано следующими обстоятельствами.

(или полуклассическое приближение) с учетом фазовых соотношений составляет одну из методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с активным веществом КЛД используют классические уравнения Максвелла, а свойства вещества описываются векторами поляризации и уровнем населенности носителей на верхнем энергетическом уровне. Далее показывается, что для полупроводникового КЛД три уравнения (для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней) можно свести к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей. В некоторых случаях в настоящей диссертации (например, в главе 3) для описания лазера используются балансные кинетические дифференциальные уравнения Статца де Марса, в которых связь плотности фотонов излучения КЛД и уровня разности населенностей позволяет проанализировать динамику и коэффициент передачи лазера (или КЛД). Однако, при использовании метода балансных уравнений, как всегда, теряются фазовые соотношения , которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов КЛД на радиочастотные выходные 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.