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.

ОЭГ потенциально имеет два и более различных выходных /входных разъёмов (портов, или терминалов) — оптический и электрический (СВЧ). Наличие двух выходов расширяет его функциональные возможности применения в оптоэлектронных системах будущих поколений устройств генерирования. С электрического СВЧ выхода колебания СВЧ поднесущей поступают на входы потребителей сигнала — умножителей частоты, усилителей, модуляторов и на регистрирующие устройства (анализатор спектра, частотомеры и др.). С оптического выхода СВЧ модулированное/немодулированное оптическое излучение КЛД при необходимости подаётся в оптические каналы передачи данных, в схемы оптической обработки информации и др. При использовании оптического выхода обеспечивается полная гальваническая и СВЧ развязка ОЭГ с его выходной нагрузкой. Например, с оптического выхода ОЭГ сигнал следует передать к внешнему (вне схемы ОАГ) второму ФД другого устройства не стоящего в кольце ОЭГ, и с выхода второго ФД сигнал может поступать на выходной усилитель. Такая гальваническая оптическая развязка значительно (на 10…20 дБ) снижает уровень шумов ОЭГ, вызванными внешними источниками шума и сигналом, отраженным от нагрузки.

Одним из важных достоинств ОЭГ является возможность управления его генерируемой радиочастотой оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентованы [119—124], теоретически и экспериментально исследованы новые виды управления радиочастотой ОЭГ, в том числе при изменении тока накачки и оптической частоты лазера. Управление радиочастотой ОЭГ осуществляется также при изменении ФЧХ волоконно-оптической линии задержки при вариации коэффициентов возбуждения А и B , частота ОЭГ с ВОЛЗ изменяется. Одним из важных достоинств ОЭГ выявленных в настоящей работе является расширение возможности управления его радиочастотой чисто оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и различные волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентован, теоретически и экспериментально исследован новый вид управления радиочастотой ОЭГ при изменении оптической частоты лазера.

ОЭГ представляет генератор с различными видами нелинейностей. Помимо «традиционной» нелинейности электронного усилителя, в петле обратной связи ОЭГ при прохождении колебаний необходимо иметь в виду, что существуют в потенциале нелинейности фотодиода, лазера, модулятора и нелинейность волоконно-оптического световода. В ОЭГ присутствуют различные виды нелинейностей: квадратичная и кубическая (лазерный диод с внутренней модуляцией током накачки и фотодиод), косинусоидальная (модулятор Маха-Цендера) и другие. Например, косинусоидальную нелинейность модулятора МЦ можно использовать для умножения в четное число раз поднесущей частоты колебаний [156]. В работе [157] представлен анализ и результаты экспериментальных исследований схемы по передачи сигнала с сверхнизким уровнем шума (-100Дбн/Гц при отстройке от несущей на 1Гц).

с геометрической длиной от 1 км до 12 км проявляется при создании больших плотностей мощности в жиле ОВ 20…500мВт/1кв. мкм, при средних непрерывных мощностях излучения КЛД 20—200мВт. Пороговый уровень мощности, при котором начинают проявляться нелинейные эффекты, зависит от типа и длины оптического волокна, введенной мощности лазерного излучения в оптическое волокно, ширины спектральной линии генерации КЛД и параметров эффективного сечения ОВС [27]. Наиболее изученными являются многофотонные нелинейные эффекты, возникающие за счет прямого и обратного рассеяния Брюллиена [155]. Увеличить пороговую мощность нелинейных оптических эффектов в 10…20 раз можно путем использования в ВОЛЗ специальных микроструктуированных ОВ, поперечные сечения которых представлены на рис.1.14. В оптических дисковых резонаторах (ОДР) диаметром 1…10 мм при вводимых в них мощностях 10…100мкВт оптического излучения проявляется их нелинейность. При этом нелинейные эффекты не только вызывают спектральные стохастические шумы колебаний, но высокую температурную нестабильность собственной частоты ОДР. Это не дает возможности применять ОДР в ОЭГ в качестве пассивных высокодобротных резонаторов и фильтров в ВОЛЗ.

Волоконно-оптическая линия задержки, в общем, является дисперсионной, то есть ее задержка зависит от оптической частоты колебаний, генерируемых лазером. Современные малодисперсионные оптические волокна (ОВ) характеризуются спектральной погонной задержкой порядка (1 ÷10) пс/ (нм км). С другой стороны, есть специальные дисперсионные ОВ, позволяющие реализовать как отрицательную, так и положительную дисперсию с 100—1000 пс / (нм км).

Дисперсия линии задержки приводит к искажению спектра, появлению в спектре радиочастотного сигнала генерации дополнительных (из-за сочетания с нелинейными эффектами в ОВС) паразитных составляющих, что сопровождается увеличением ширины спектральной линии лазера. Однако их уровень проявляется, как показано в главе 6, в малодисперсионных ОВ при ширине спектральной линии оптического излучения МИС более 500 МГц и длинах ОВ более 10 км.

Типы ОЭГ по составу модулированного источника света МИС.Использование разных типов МИС в ОЭГ зависит от назначения автогенератора. Например, в ОЭГ ВЧ диапазона (в измерительных ВО системах) целесообразно применять лазерный диод ЛД (или СД) с низкочастотной внутренней модуляцией, в ОЭГ СВЧ диапазона (в устройствах формирования для систем связи) — экономичных КЛД с внутренней модуляцией или КЛД с внешним абсорбционным модулятором. В малошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона 8—30 ГГц используются КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.