Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

На выбор моделей и их ограничений при исследовании ОЭГ влияет специфика работы КЛД: квантовая природа шума, временная и пространственная когерентность, наличие пространственного распределения по амплитуде напряженности E 0 ( R ), по фазе Ф 0 ( R ) и по флуктуациям амплитуды m ( R ) и фазы , соразмерность габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне с длиной волны лазера .

Подчеркнем, что главной целью исследования в этой части является анализ влияния характеристик лазера (оптической мощности вынужденного излучения, уровня спонтанного излучения, фазовых шумов лазера, добротности или постоянной времени оптического резонатора лазера, времени жизни фотонов в оптическом резонаторе КЛД, времени жизни носителей в КЛД) и характеристик оптоволоконного тракта (геометрической длины ОВ, оптических потерь излучения в ОВ и др.) на характеристики ОАГ в целом. Поэтому при анализе лазер или КЛД выделен, как главный элемент. Лазер является оптическим квантовым генератором, генерация колебаний которого осуществляется при использовании вынужденных переходов активного вещества между энергетическими уровнями. Лазер по природе генерации отличается от традиционных электронных генераторов. Он обладает особенностями, одной из которых является квантовая природа шума лазерного излучения. При этом шумы спонтанного выходного излучения лазера, которые определяются временем жизни частиц в возбужденном состоянии, в оптическом диапазоне намного превосходят тепловые шумы.

В схемах с ПАМ и внешней модуляцией малошумящий ОЭГ строится на основе использования фазовых и амплитудных принципов модуляции лазерного излучения. В этом случае фазовые шумы лазера с учетом малости всех остальных шумов НУ и ФД определяют общий уровень фазового шума ОАГ.

или КЛД составляет одну из главных методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания лазера (в главах 5 и 6), входящего в состав ОЭГ с ВОЛЗ, используются классические уравнения Максвелла, а свойства вещества или материала активного элемента описываются векторами поляризации. Особенностью подхода в полуклассическом приближении является то, что для конкретного типа лазера с узкополосным резонатором КЛД удается выразить поляризацию вещества через вектор напряженности поля. Это позволяет свести систему из трех уравнений для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей (глава 2). Укорочение такой системы уравнений дает возможность получить систему из трех уравнений для амплитуды, фазы напряженности оптических колебаний и уравнение для населенности носителей активного материала. Такой подход справедлив для процессов с постоянной времени оптического резонатора 10 —11…10 —6, которая больше постоянной времени продольной релаксации (поляризации вещества) 10 —12. При этом, для узкополосных полупроводниковых КЛД (с шириной линии менее 1…1000 МГц) постоянная времени оптического резонатора составляет 10 —9 …10 —6 секунд. Процесс установления населенности в активном веществе КЛД играет важную роль в процессе образования фазовых шумов (определяемых спонтанным шумом) и происходит с постоянной времени (или времени жизни носителей на верхнем энергетическом уровне) 10 —9…10 —8.

Описание распространения колебаний в настоящей диссертации в электронной части ОАГ в НУ, Ф и в электрических цепях ведется традиционными методами, используя аппарат теории цепей и теории нелинейных колебаний. Постоянная времени радиочастотного фильтра ОЭГ с добротностью 100…1000 на частоте, например 10 ГГц, составляет примерно 10 —8 …10 —7 секунд. При этом, эта постоянная времени является много большей или сравнимой с постоянной времени оптического резонатора лазера (или КЛД), которая составляет 10 —12…10 —6 секунд.

Можно отметить, что в ОЭГ одновременно развиваются и наблюдаются два автоколебательных процесса в разных диапазонах: оптическом и радиочастотном с отношением частот примерно 1:2800. Иначе говоря, в ОЭГ можно выделить два различных колебательных процесса на различных частотах или говорить о различных типах генераторов — оптического квантового генератора (ОКГ) с частотой генерации примерно ν 0 =128 ТГц и радиочастотного генератора (РЧГ) с частотой генерации f 0=1…100 ГГц. Оптический квантовый генератор, входящий в состав ОЭГ, при этом является, как бы, источником накачки для радиочастотного генератора ОАГ. Если лазер или КЛД можно выделить в ОЭГ в отдельный блок (рис. 1.2), то радиочастотный генератор (РЧГ) включает в себя лазер или КЛД. С другой стороны, ОЭГ при математическом моделировании в отдельных случаях может быть представлен схемой эквивалентного традиционного радиочастотного генератора с представлением лазера разными математическими моделями, в том числе самой простейшей: линейным или нелинейным элементом с относительно простой передаточной функцией. Например, ВОЛЗ, входящая в состав ОЭГ, может быть представлена линейным четырехполюсником, который описывается Y-матрицей с заданной входной и выходной проводимостью. В последующем анализе в главах 2 и 6 при исследовании ОЭГ используются математические модели на базе дифференциальных уравнений.

В оптическом диапазоне в малошумящих СВЧ ОЭГ поперечные размеры сеченияобласти при фотодетектирования (или «пятна» излучения на светочувствительной площадке фотодетектора) соразмерны с длиной волны лазера.В результате интерференции на площадке фотодетектора двух оптических колебаний и фотодетектирования выделяется полезный электрический сигнал в нагрузке ФД. В отличии от радиочастотного диапазона, в котором поперечные геометрические размеры чипа детектора (например, полупроводникового диода) в 10…1000 раз и более меньше длины волны, поступающих на него электромагнитных колебаний, в оптическом диапазоне поперечные размеры светочувствительной площадки ФД (используемых в малошумящих ОЭГ, которые работают на частотах выше 0,3 ГГц) сравнимы с длиной волны лазерного излучения и составляют 1..5 мкм. В этом случае модель плоской электромагнитной волны для оптических узлов ОЭГ и фотодетекторной площадки необходимо применять с большой осторожностью.

Эти особенности являются определяющими при учете фазовых шумов ОАГ в схемах с прямой амплитудной модуляцией КЛД и внешней модуляцией модулятором Маха-Цендера.

Можно заключить, что в оптическом диапазоне фазовый шум лазера из-за перечисленных причин невозможно исключить, как это делалось во всех предыдущих работах по исследованию ОЭГ других авторов [64—70], при общем анализе фазового шума радиочастотных колебаний ОЭГ. Рассмотрим схему ОЭГ (рис.1.2) более детально.