Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Лазер, входящий в состав ОЭГ (рис.1.2), представим, как оптический генератор бегущей волны. Лазер образован замкнутыми в кольцо оптическим усилителем ОУ, узкополосным оптическим фильтром ОФ и оптической линией задержки (ОЛЗ).

ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера (рис.1.2), с другой стороны, представляет радиочастотный генератор (РЧГ), который образован лазером и замкнутыми в кольцо электрооптическим модулятором Маха-Цендера (МЦ), волоконно-оптическим световодом (ВС), ФД, НУ, узкополосным РФ.

В такой схеме (рис.1.2) лазер, с одной стороны, осуществляет энергетическую накачку радиочастотного автогенератора РЧГ, а с другой стороны является главным элементом ОЭГ с ВОЛЗ.

Оптическое излучение (несущая частота) лазера поступает на вход модулятора МЦ, в котором излучение модулируется электрическим сигналом. Далее оптическое излучение через оптический модулятор, и ВОС поступает на светочувствительную площадку ФД (или оптический вход ФД). Полученные в низкочастотной нагрузке ФД радиочастотные колебания (поднесущая) проходят через транзисторный НУ, частотно-избирательный РФ и направляются внутри этой кольцевой системы через СВЧ направленный ответвитель (О) на управляющий СВЧ вход модулятора МЦ.

Рассмотрим особенности СВЧ генерации в ОЭГ при формировании модулированного лазерного излучения с малым индексом модуляции на выходе МИС для случая, когда ширина спектра излучения лазера намного меньше радиочастоты поднесущей. На выходе МИС спектр модулированного оптического излучения представляет собой определённый эквидистантный набор составляющих, отстоящих друг от друга на частоту поднесущей (частоту модуляции). Ограничимся рассмотрением «режима с двумя боковыми», т.е. только тр ёх оптических спектральных составляющих, оптические частоты которых равны, cсоответственно v 1= v 0 -f 0, v 2= v 0,v 3= v 0 +f 0.

Две из этих оптических частот v 1 и v 3 разнесёны от центральной оптической частоты лазера v 0на частоту поднесущей f 0 .

В дальнейшем изложении мы рассмотрим ОЭГ с МИС, в котором модулятором в ОЭГ является оптический фазовый модулятор (или как принято его называть за рубежом — модулятор интенсивности) МЦ.

Модулятор МЦ представляет собой два оптических канала ОК 1и ОК 2в виде двух полосковых оптических волноводов, соединенных на входе и выходе оптическими Y—ответвителями (рис. 1.1а). Входной Y —ответвитель распределяет лазерное излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля по этим двум оптическим каналам. В ОК 2излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля модулируется за счёт линейного электрооптического эффекта по оптической фазе СВЧ напряжением с выхода Ф входным радиочастотным сигналом. В ОК 1 излучение этой компоненты не модулируется. Групповое время задержки на выходе ОК 2 относительно входа МЦ зависит от мгновенного значения управляющего напряжения. На выходе ОК 1время задержки сохраняется постоянным. Оптическое излучение с выходов ОК 1 и ОК 2 с напряженностями электрической компоненты электромагнитного поля, соответственно, и объединяются (складываются) в выходном X — ответвителе и поступают на вход одиночного световода ВОС, в котором задерживаются на групповое время и, пройдя через него, поступают на светочувствительную площадку фотодетектора ФД.

Таким образом, в общем случае ОЭГ представляет собой автоколебательную систему с диссипацией, в состав которой входит дисперсионная линия задержки. Но, учитывая, что для работы в малошумящих ОЭГ используются узкополосные лазеры с шириной спектральной линии 1 кГц…1 МГц, дисперсией оптического волокна при анализе ОЭГ пренебрегаем. Влияние дисперсии оптического волокна при использовании высокодисперсионных ОВ в ОЭГ рассмотрены в главе 6 настоящей диссертации.

При изменении ФЧХ ВОС, при вариации коэффициентов возбуждения оптических волокон разной длины, входящих в состав ВОЛЗ, А и B частота ОЭГ с ВОЛЗ изменяется. Автором предложены [116—118,146] и запатентованы новые способы управления радиочастотой ОЭГ с помощью оптических и оптоэлектронных методов [119—124].

ОЭГ можно подразделить по типу МИС — с лазерами, ширина полосы которых много меньше и много больше радиочастоты модуляции f . При выполнении условия при частотной или фазовой модуляции лазерного излучения ОЭГ является системой с когерентным фотогетеродинированием или разностным генератором. В таком разностном генераторе возможно осуществить режим самогетеродинирования оптического излучения при фотодетектировании и произвести эффективное подавлением шумов, имеющих электронную и оптическую природу. Физика выигрыша поясняется «очищением спектра» разностного от двух оптических гармоник продетектированного фотодетектором колебания также, как это происходит при традиционном гетеродинном приеме. Далее в одном из разделов этой главы физика этого эффекта в ОЭГ описана более подробно. Схемы построения ОЭГ различают по способу модуляции лазерного излучения и фотодетектированию. В ОЭГ с внешней модуляцией и с ПАМ используется фазовая и амплитудная (соответственно) модуляция лазерного излучения и последующее фотодетектирование, по крайней мере, двух оптических колебаний. Одно из оптических колебаний модулировано по фазе сигналом радиочастотной поднесущей. По способу фотодетектирования эти схемы относятся к схемам с гетеродинным фотодетектированием. В схемах традиционного гетеродинного фотодетектирования, использующихся в лазерной локации, при приеме внешнего оптического излучения модулированное по фазе (или частоте) колебание принимается посредством использования внешнего оптического генератора или гетеродина, оптические колебания которого поступают на светочувствительную площадку ФД вместе с внешним принимаемым оптическим колебанием. В ОЭГ с внешней и прямой модуляцией используется самогетеродинирование , то есть сбиваются на площадке фотодетектора два (или три) оптических колебания (или гармоники с частотами 1),, ,или 2) с частотами, ,которые поступают от одного КЛД.

Н аиболее важным достоинством гетеродинного преобразования является способность сохранения информации о фазе оптического колебания и перенос ее в электрический сигнал фототока ФД. Но при этом при фотоприеме лазерного излучения КЛД происходит перенос фазовых флуктуаций колебаний лазера, определяемых его спонтанным излучением , в фазовые флуктуации радиочастотных колебаний.