Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Редактор Юрий Ильин

© Александр Борцов, 2018

ISBN 978-5-4490-4470-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Выражаю искреннюю благодарность моему учителю Ильину Юрию Борисовичу за ценные советы и дискуссии

По диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Книга содержит 402 с., 137 рис., 4 табл., 172 источников.

Ключевые слова: оптоэлектронный генератор, генератор, автогенератор, лазер, лазерный диод, оптическое волокно, резонатор, фазовый шум, нанотехнология, технические характеристики, методы управления, частота.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию оптоэлектронного автогенератора (ОЭГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) в кольце положительной обратной связи. Спецификой проведенных в настоящей работе исследований оптоэлектронного генератора ОЭГ является использование в качестве модулированного источника света квантоворазмерного лазерного диода (КЛД). Квантоворазмерный лазерный диод является современным продуктом нанотехнологии, а в оптоэлектронном генераторе он является ключевым элементом. Впервые в настоящей работе оптоэлектронный генератор ОЭГ рассмотрен, как автоколебательная система, в которой развиваются два колебательных процесса в различных диапазонах: в оптическом диапазоне и в радиочастотном диапазоне. Построена ранее неизвестная теоретическая модель оптоэлектронного генератора ОАГ в форме системы нелинейных дифференциальных уравнений в обыкновенных производных с запаздывающим аргументом ВОЛЗ. Разработаны, реализованы и исследованы действующие экспериментальные образцы ОЭГ с КЛД и ВОЛЗ в СВЧ диапазоне. Рассмотрены перспективные схемы применения предложенные автором малошумящих ОЭГ в системах связи, бортовых радиолокационных станциях беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в волоконно-оптических датчиках, в волоконно-оптических линиях связи и различных измерительных комплексах.

В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка компактных малошумящих стабилизированных по частоте радиочастотных генераторов [1,2], работающих в диапазоне от 1 до 100 ГГц в интегральном или гибридном твердотельном исполнении. Подобные устройства формирования колебаний необходимы при разработке мобильной связи, систем авиационной и спутниковой связи, систем передачи информации для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), радиолокационных и оптических когерентных систем, антенно-фидерных трактов, высокоточной измерительной аппаратуры.

Имеющиеся в настоящее время известные традиционные СВЧ генераторы являются для ряда применений неприемлемыми. Традиционные генераторы с кварцевым резонатором и генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с умножением генерируемой частоты не дают возможности получить требуемый уровень спектральной плотности мощности (СПМ) фазового шума (ФШ) за счет многократного увеличения фазового шума при умножении частоты в СВЧ и КВЧ генераторных схемах. Такие известные генераторы не имеют требуемый уровень кратковременной нестабильности частоты в диапазоне частот 1… 100 ГГц.

Автогенераторы с диэлектрическим резонатором на керамических сплавах имеют явные ограничения по уровню фазовых шумов. За счет относительно низкой добротности такого резонатора, равной примерно 1000 (на частоте генерации 10 ГГц), типичный уровень фазовых шумов коммерчески доступных отечественных и зарубежных генераторов не превышает по модулю, как правило, минус 90…115 дБм/Гц при частотной отстройке 1 кГц от номинальной частоты генерации в диапазоне от 8 ГГц до 20 ГГц.

СВЧ автогенераторы со стабилизацией частоты твердотельным лейкосапфировым диэлектрическим резонатором [3] имеют на сегодняшний день самый низкий зарегистрированный уровень фазового шума — 167 дБм/Гц при отстройках от несущей на 1кГц …10 кГц при номинальной частоте порядка 10 ГГц. Рабочий диапазон частот таких генераторов составляет от 6 ГГц до 35 ГГц и имеет, как правило, дискретный диапазон частотной перестройки.

Лейкосапфировый резонатор такого генератора имеет относительно большие габаритные размеры (диаметр 30…100 мм) и вес (150…400 г). За счет больших габаритов и веса резонатора в таких генераторах частота генерации сильно зависит от механических нагрузок. Серьезным недостатком генератора с лейкосапфировым резонатором является то, что в таких генераторах, за счет относительно высокой зависимости диэлектрической проницаемости материала от температуры (10 —4 1/град), системы термостабилизации частоты являются сложными и дорогими.

Одним из альтернативных способов создания надежных компактных и малых по стоимости малошумящих автогенераторов в области частот 1…100 ГГц является применение в ОЭГ стабилизированной малошумящей волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) на основе быстродействующих кванторазмерного лазерного диода и фотодиода, а также за счет специальных низкодисперсионных оптических волокон. Данные ВОЛЗ обладают большим запаздыванием для гармонических СВЧ колебаний. Время задержки в таких ВОЛЗ составляет от 1 нс до 50 мкс (при полосе передаваемых частот до 100 ГГц!). При этом, в таких ВОЛЗ потери мощности за счет рассеяния и оптоэлектронного преобразования составляют 10…18 дБ и более в СВЧ и КВЧ диапазонах.

В лучших образцах СВЧ оптоэлектронного генератора, имеющего в кольце обратной связи подобную ВОЛЗ, уже достигнута низкая спектральная плотность мощности фазовых шумов равная -153дБн/Гц при частотных отстройках по частоте на 1кГц ÷ 10 кГц от несущей 10 ГГц [73,94, 97]. Кратковременная нестабильность частоты такого ОЭГ составляет примерно 10 —10 [73]. Сверхнизкий фазовый шум такого ОЭГ достигается за счет создания на базе ВОЛЗ высокодобротного оптоэлектронного резонатора «бегущей волны» с нагруженной эквивалентной добротностью Q = (0,2… 0,8) ·10 6 (в диапазоне частот 1…70 ГГц). В состав такой ВОЛЗ входят последовательно соединённые квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) с внешним электрооптическим модулятором Маха-Цендера (или КЛД с прямой модуляцией), волоконно-оптическая система (ВОС), состоящая из одного или нескольких оптических волокон и фотодетектор (ФД). Подробное описание конструкции ОЭГ будет дано в главе 1.

В ОЭГ с КЛД и компактными ВОЛЗ возможно получить низкую относительную кратковременную и долговременную нестабильности частоты генерируемых СВЧ автоколебаний порядка 10 —8…10 —10. В таком ОЭГ управление частотой генерации можно производить оптическими и электронными методами. ОЭГ и перспективно использовать их в радиолокационных станциях и оптических локаторах нового поколения, в сверхширокополосных регенерируемых ВОЛЗ в качестве формирователей сверхкоротких оптических импульсов и радиоимпульсных сигналов длительностью 0,01 ÷ 1 пс с малым «джиттером» (случайным уходом переднего фронта импульса), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфиденциальностью с использованием маскирующих помех [81,82].