Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Получение СВЧ фазовой модуляции оптического излучения стало возможным с появлением электрооптических фазовых модуляторов СВЧ колебаний. Эффективное снижение фазового шума в ОЭГ происходит за счет использования ВОЛЗ с большим временем задержки (10…50 мкс для колебаний с частотой 8…12 ГГц), а также за счет использования когерентного фотодетектирования и самогетеродинирования двух по разному задержанных оптических колебаний. Возможность получить компенсацию ФШ при самогетеродинировании обусловлено высоким отношением частоты оптической несущей 128 ТГц к частоте радио поднесущей 10 ГГц, которое составляет 12800 .Получение в ОЭГ на СВЧ поднесущей 10 ГГц спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1кГц от 10 ГГц является вполне реализуемым.

Особенностью ОЭГ с прямой и внешней модуляцией является то, что при использовании в ОЭГ ВОЛЗ с двумя оптическими волокнами или c двумя оптическими каналами (как в случае с ОЭГ с модулятором МЦ) и организации в оптических фильтров происходит подавление одной их гармоник и выравнивание амплитуд неподавленных гармоник с помощью аттенюаторов. В этом случае ОЭГ с ВОЛЗ такого вида содержит частотный дискриминатор или коррелятор (рис. 1.3А). Метод частотного дискриминатора применяется в радиотехнике и оптоэлектронике для измерения фазовых шумов и спектров лазеров. Этот метод является разновидностью метода фазового детектора с тем отличием, что здесь не требуется опорный источник. Рис. 1.3А иллюстрирует принцип метода частотного дискриминатора, использующего линию задержки. Здесь сигнал от генератора Г разделяется на два канала. Сигнал одного канала задерживается относительно другого на время Т 2- Т 1. Линия задержки преобразует флуктуации частоты во флуктуации фазы. Настройкой линии задержки или фазосдвигателя устанавливается квадратурный фазовый сдвиг сигналов (то есть разность фаз между колебаниями в каналах равна 90 градусов), поступающих на входы смесителя (ФД).

Рис. 1.10. Схема и диаграммы, иллюстрирующие принцип работы коррелятора и частотного дискриминатора в ОЭГ на основе двухканального модулятора Маха Цендера при прямой амплитудной модуляцией и подавлении одной из оптических гармоник. Г- радиочастотный генератор, А1, А2 — аттенюаторы; линии задержки с временами задержки имеют времена запаздывания Т1 и Т2, соответственно, См — смеситель, ФНЧ- фильтр нижних частот, У —малошумящий усилитель, Ан —анализатор.

Затем фазовый детектор преобразует флуктуации фазы во флуктуации напряжения, которые затем могут быть интерпретированы анализатором спектра в полосе модулирующего сигнала как частотный шум. Частотный шум затем преобразуется в значения фазового шума испытуемого устройства. Этот метод прекрасно используется для автогенераторов, таких как « LC генераторы» или генераторы на объёмных резонаторах [140].

Представленные схемы генераторов ОЭГ на рис. 1.1, 1.2 и 1.3 содержат описываемую схему (рис.1.3А), иллюстрирующую принципы метода коррелятора и частотного дискриминатора. В ОЭГ в качестве опорного генератора используется лазер, в качестве линии задержки оптическое волокно или каналы модулятора Маха-Цендера, в качестве фазового детектора выступает фотодетектор ФД.

Необходимым условием снижения шума является подавление одной из трех оптических гармоник.

1.При большой разнице Т 2- Т 1,то есть много большей (в 1000 и более раз) постоянной времени резонатора (и периода колебания генератора Г-лазера), частотный дискриминатор выступает, как преобразователь частотных флуктуаций генератора в фазовые флуктуации. При этом коэффициент корреляции стремится к нулю.

2. При малой разнице задержек Т 2-Т 1 , то есть сравнимой с постоянной времени резонатора (и периодом колебания генератора Г), частотный дискриминатор выступает, как коррелятор или подавитель фазовых флуктуаций коэффициент корреляции стремится к 1. Степень подавления определяется шириной линии лазера, точностью выравнивания каналов по оптической мощности (или коэффициентом неравномерности возбуждения оптических каналов), а также степенью неоднородности каналов, которая влияет на относительные фазовые задержки в поперечном сечении канала. В оптическом диапазоне неоднородность показателя преломления и микро неоднородности являются определяющими на качество подавления фазовых флуктуаций. Учет фазовой неоднородности в поперечном сечении производится коэффициент неравномерности, зависящий от поперечной неоднородности.

При выравнивании мощности в оптических каналах с точностью 0,1 из приведённой формулы следует, что дисперсия флуктуаций фаз в фототоке фотодетектора ФД меньше исходной снижение более, чем в десять раз. В ОАГ существует возможность организации фазовой модуляции оптического излучения лазера в оптическом канале.

Отметим, что малые собственные фазовые шумы на выходе ВОЛЗ от -110 до — 140дБ/Гц, которые определяются фазовыми шумами лазера. Фазовые шумы квантоворазмерных лазеров на частотной отстройке на (1 ÷10) кГц составляют -100… -120 дБ/Гц и, соответственно, длина когерентности составляет до 50 км.

Возможность, даваемая оптическими аттенюаторами, при самогетеродинировании на ФД достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10 —1…10 —3) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителях ВОЛЗ. Это позволяет уменьшить фазовые шумы лазера до значений электронных шумов.

В ОЭГ с КЛД с прямой и внешней модуляцией существует возможность за счет самогетеродинирования более чем на один порядок снизить фазовые шумы в ОЭГ, которые определяются квантовой природой спонтанного излучения.

Из анализа приведенных формул следует, что для снижение фазовых шумов за счет самогетеродинирования необходимо подавить «третью» или одну из «боковых оптических гармоник», применять узкополосный лазер. Снижение фазовых шумов за счет самогетеродинирования в этом случае зависит от точности выравнивания мощности в оптических каналах, не только временной, но и пространственной когерентности источника в поперечном сечении.

Самогетеродинирование в ОЭГ с применением модулятора МЦ (рис.1.1), за счет коррелированности лазерных шумов, как показано в главе 6, дает возможность подавить на 10…15 дБ/Гц фазовый шум ОЭГ, обусловленный продетектированными шумами лазера.

Возможность, предоставляемая оптическими аттенюаторами при самогетеродинировании на ФД, позволяет достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10 —1…10 —3) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителях ВОЛЗ. Это позволяет скомпенсировать или уменьшить фазовые шумы лазера, определяемые спонтанным излучением лазера, до значений электронных шумов.