Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

В результате самогетеродинирования в нагрузке фотодетектора выделяются радиочастотная поднесущая и фазовые шумы КЛД, выступающего в роли гетеродина (или «самогетеродина»), а спектр колебаний сигнала фототока (при условии малости собственных шумов ФД и шумов НУ) повторяет форму спектра оптических колебаний напряженности поля сигнальной волны, но со сдвигом по частоте вниз ровно на частоту лазера-гетеродина. В спектральном представлении это можно выразить так: спектр оптического сигнала (или СПМ АМ и ФМ шумов) почти без изменений сдвигается в область спектра радиочастоты поднесущей f 0, а при конечной ширине спектра лазера-гетеродина спектр радиочастоты поднесущей f 0(электрического сигнала) дополнительно уширяется.

Задачей подраздела являетсядля разных КГ (лазеров на рубине и неодиме, полупроводниковых КГ и КЛД) установления зависимости отношения уровня спонтанного излучения к уровню вынужденного излучения лазера на его выходе. По существу ниже обоснуем и докажем следующее положение:главным вкладом в формирование фазового шума (ФШ) в ОЭГ является вклад СИ лазера (или КЛД), а спектральная плотность мощности (СПМ) ФШ определяется отношением уровня СИ к уровню вынужденного лазерного излучения, который зависит, главным образом, от отношения населенностей активных носителей на верхнем «излучательном» уровне к общему количеству населенности носителей. Ширина линии СПМ ФШ определяется интенсивностью СИ, которая зависит от времени жизни носителей на излучательном уровне.

Подчеркнем, что влияние на формирование фазовых шумов ОЭГ шума СИ, которое обусловлено наличием относительно большого уровня спонтанного излучения (СИ), является одним из главных отличительных свойств оптических квантовых генераторов (КГ) от традиционных электронных генераторов. Как известно, уровень спонтанного излучения имеет кубическую зависимость от частоты излучения фотонов [оптика Алехин] и в оптическом диапазоне значительно превышает шум, обусловленный тепловыми факторами (от температуры), который пропорционален kT (где k- постоянная Больцмана, T- температура в Кельвинах), фликкер шум и дробовый шум, традиционно исследуемые в радиофизике. Подробнее вопрос о ФШ ОЭГ рассмотрен в главах 3,5и 6. Здесь мы обоснуем основные соотношения.

В ОЭГ по сравнению с традиционными радиотехническими автогенераторами, исследуемыми в теории колебаний, появляется новый малоисследованный в радиофизическом смысле источник шума — шум, обусловленный продетектированным ФД спонтанным излучением лазера КЛД. Для когерентных систем формирования и гетеродинного фотодетектирования, к которым относится ОЭГ, шум СИ является определяющим, так как его уровень значительно превосходит электронные собственные шумы ФД, НУ. Малое исследование СИ и не выделение его в качестве отдельного особенного квантового шума в большинстве импульсных оптоэлектронных системах, которые широко используются в ВОЛС, объясняется тем, что в них обычно используется импульсном режим работы лазера или КЛД детектирование в широком ряде случаев идет без использования гетеродинирования. В системах передачи информации, например, в обычных импульсных ВОЛС на площадку ФД (в ОЭГ на ФД поступает большой сигнал) на ФД поступает малый сигнал и детектируется импульсная мощность излучения, а шумы в ВОЛС определяются шумами фотоприемника.

Сложность моделирования и исследования шума, обусловленного спонтанным излучением КЛД, объясняется тем, что спонтанное излучение (СИ) имеет чисто квантовую природу. Под квантовой природой здесь имеются ввиду «постулаты», доказываемые в рамках теории квантовой механики, об энергетических уровнях атома, при переходе с высшего «излучательного» энергетического уровня E 2 на низший уровень E 1частица (атом или электрон при рекомбинировании) излучает квант света hv = E 2 — E 1 ( v -оптическая частота, h -постоянная Планка),происходит вынужденное излучение при взаимодействии частицы с э-м полем излучения с частотой этого поля и с одинаковой фазой внешнего э-м излучения, а также необходимо учитывать процесс самопроизвольного спонтанное излучение. Корректное математическое описание СИ возможно при использовании аппарата квантовой механики. Напомним, что спонтанное и вынужденное излучение невозможно описать в рамках обычной электродинамики (ЭД). Например, при ускоренном движении электрона по орбите вокруг ядра не происходит излучения света, хотя по законам ЭД в этом случае должна излучаться в пространство э-м волна. Оперирование квантомеханическими уравнениями довольно сложно, и как показывает практика теоретических исследований ОКГ [Микаэлян], для точного описания процессов в ОКГ достаточно использования полуклассической модели в дипольном приближении. Как было уже сказано, что в данной работе для анализа СПМ ФШ ОЭГ используется именно такая полуклассическая модель лазера в дипольном приближении (главы3,5,6). Если в рамках этой полуклассической модели (ПКМ) лазера проводить исследование ФШ ОЭГ, необходимо дополнить традиционную ПКМ, построенную для напряженности электрического поля лазерного вынужденного излучения источником шума, также в размерности напряженности электрического поля прямо пропорциональной уровню СИ в квазистационарном состоянии.

Рис. 1.6. Твердотельный лазер на рубине (или на неодиме Nd +3) с оптической накачкой.

Рис.1.7. Твердотельный полупроводниковый лазер с накачкой электрическим током.

Рис.1.8. Схемы энергетических уровней на КГ на рубине трехуровневая (а), четырех уровневая КГ на неодиме (б), зонная структура сильно

Рис.1.9. Вид квантоворазмерной зоны (вверху) и схема энергетических уровней (внизу) квантово-размерного лазерного диода (КЛД) на основе InGaAs.

ОЭГ, как источник колебаний нового типа, обладает преимуществом по совместному использование новейших твердотельных компонентов и элементов оптоэлектроники и акустооптики, оптических волокон и традиционной элементной базы СВЧ/КВЧ техники.

Применение в ОЭГ одиночного оптического волокна (совместно с малошумящими лазером и фотодиодом) позволяет создать компактную (10 мм х100 мм х100 мм) малошумящую ВОЛЗ высокой добротности1000000 с задержкой более чем 50 мкс (при длине ВС 10 км). Потери электрической мощности передаваемого сигнала в диапазоне частот 0.1 Гц до 50 ГГц составляют при длине ВС не более нескольких километров от —10 дБ до —18 дБ. Этот невысокий уровень СВЧ потерь имеет место за счет относительно высокой крутизны преобразования в лазере, ФД, незначительного оптического затухания в оптических волокнах и направленных ответвителях. Такая ВОЛЗ является устойчивой к высоким ударным и длительным динамическим перегрузкам и ускорению (2—10 g), длительным акустическим воздействиям. У ближайшего альтернативного решения АГ СВЧ резонаторы на монокристаллах сапфира не выдерживают высоких ударных и динамических нагрузок более 100…200 Н/кв. см [140]. С другой стороны, в ВОЛЗ возможно создание задержки колебаний более чем на 50 мкс (при длине ВС 10 км). При этом за счет наращивания геометрической длины оптоволокна, увеличения мощности лазера, использовании в ВОЛЗ малошумящих лазеров удается достичь фазовых шумов ОЭГ менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1 кГц от 10 ГГц.