Оптоэлектронный генератор. Автореферат.

На правах рукописи

БОРЦОВ Александр Анатольевич

ОПТОЭЛЕКТРОННыЙ  генератор с накачкой

квантоворазмерным лазерным диодОм

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2013

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты – д.т.н. ,проф.Смольский С.М.

– д.т.н. Дворников А.А.

д.ф.-м.н.,проф. Чаморовский С.И.

Ведущая организация – ОАО «Концерн ВЕГА»

Защита состоится « » 2013 г. в часов минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А - 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » ……………………… 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Курочкина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время актуальной научно-технической проблемой является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, небольших по своей массе, миниатюрных сверхмалошумящих генераторов гармонических колебаний СВЧ и КВЧ диапазона. Такие генераторы найдут широкое применение в различных перспективных радиоэлектронных устройствах и радиотехнических системах нового поколения. Таких, например, как приёмно-передающие устройства компактных бортовых радиолокаторов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), линий космической, спутниковой и мобильной связи ,системы навигации, систем формирования и обработки оптических и электронных прецизионных сигналов с длительностью импульса порядка пикосекунды, метрологической аппаратуры и т. п.

Новым и весьма перспективным направлением решения этой проблемы состоит в использовании технологических возможностей оптоэлектроники с целью разработки оптоэлектронных генераторов (ОАГ) гармонических колебаний сверхвысоких, крайне высоких частот. Позволить купить, который может себе не каждый.

Теоретические исследования СВЧ ОАГ и экспериментальные результаты измерений спектральной плотности мощности фазовых шумов в лучших образцах ОАГ, близкие к значению –147 дБ/Гц на частоте стандартной отстройки на 1 кГц от номинальной частоты генерации 10 ГГц, позволяют заключить , что такие оптоэлектронные генераторы конкурируют по своим техническим характеристикам с малошумящими генераторами с диэлектрическими СВЧ резонаторами из лейкосапфира и с генераторами с кварцевыми резонаторами.

За счет использования компактной волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) ОАГ может иметь малые габариты(менее 1000 куб.мм), массу и стоимость, высокие показатели по стойкости к большим силовым нагрузкам и ускорению. При создании перестраиваемых сверхмалошумящих оптоэлектронных генераторов в области частот 1– 70 ГГц используется в них стабилизированная активная малошумящая ВОЛЗ с запаздыванием сигнала в ней от 2 до 50 мкс и с малыми потерями электрической СВЧ мощности (не более 10 … 19 дБ). В состав ВОЛЗ входят соединенные последовательно: модулированный источник света (МИС), волоконно-оптическая система на базе одного или нескольких оптических волокон и фотодиод (ФД) (рис. 1). Модулированным источником света в ОАГ является квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) с прямой модуляцией лазерного излучения током накачки, или лазер с внешним электрооптическим модулятором, например, модулятором Маха-Цендера (МЦ) или акустооптическим модулятором (АОМ).

Появившаяся недавно современная отечественная элементная база, содержащая такие новые оптоэлектронные наноструктурные компоненты, как сверхширокополосные квантоворазмерные лазерные диоды (КЛД), и фотодиоды, позволяет реализовать сверхмалошумящие низкодисперсионные ВОЛЗ на диапазон 0.01 – 12 ГГц, и на их основе создать сверхмалошумящие, высокостабильные и управляемые по частоте автоколебательные системы, не имеющие аналогов в радиотехнике и оптике. На основе зарубежных коммерчески доступных модуляторов Маха-Цендера можно создавать СВЧ оптоэлектронные генераторы с полосами частотной перестройки до 40 ГГц и более.

Из зарубежных ученых в области экспериментальных исследований ОАГ необходимо отметить таких исследователей, как Наказава М.(1982г.), Ярив А.(1983г.), Малеки Л.(1996г.), Стив Яо(1996г.). Пионерскими теоретическими и экспериментальными исследования представляются работы отечественных авторов Ильина Ю. Б., Константинова В. Н., и Борцова А. А. . (1982г.-1993г.)(МЭИ), которые были выполнены под научным руководством проф. д.ф.-м.н. Григорьянца В.В.(МЭИ и ИРЭ АН). В этих работах проведён анализ ОАГ с ВОЛЗ в предположении малого запаса по самовозбуждению и получены обыкновенные дифференциальные уравнения автономного ОАГ с одиночным оптическим волокном в ВОЛЗ.

Построение сверхмалошумящих СВЧ автогенераторов на основе ОАГ и технология их практического использования различных областях и в вооружениях и военной специальной технике настоятельно требует ответа на многие вопросы при разработке стабилизированного по частоте ОАГ СВЧ. Например, какие способы управления частотой применять в ОАГ, как влияет температура оптического волокна ВОЛЗ на уходы частоты автоколебаний, генерируемых в ОАГ, какова должна быть геометрическая длины оптического волокна, каким должен быть выбор ширины спектральной линии оптического излучения и мощности лазера, и др.

Имеющиеся теоретические работы не отвечают на перечисленные вопросы, касающиеся ОАГ, в силу того, что в этих работах авторы ограничивались изучением модели ОАГ в виде кольцевой автоколебательной системы с бездисперсионным звеном запаздывания в петле положительной обратной связи, роль которого в рамках этой модели выполняет ВОЛЗ. Лазер в такой модели не рассматривался как самостоятельный источник оптических колебаний со своими амплитудными и фазовыми шумами, а представлялся линейным идеальным пассивным элементом и был описан относительно простой передаточной функцией.

Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование наноструктурного ОАГ, разработка и изучение способов оптического и электронного управления частоты генерации в ВЧ и СВЧ диапазонах, стационарных режимов его работы.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

-построение математической модели ОАГ в виде дифференциальных уравнений с обратной связью при учёте в ВОЛЗ сложной топологии, лазера, как источника оптических колебаний, и использование этой модели для анализа переходных процессов и шумов в ОАГ с ВОЛЗ;

-теоретическое и экспериментальное исследование температурных уходов частоты генерации ОАГ от температуры оптического волокна в ВОЛЗ при различных способах укладки оптического волокна,

-реализация и исследования экспериментального образца и экспериментальные исследования ОАГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах.

В соответствии с постановкой задачи данного диссертационного исследования изложение материала в данной диссертационной работе проводится в следующей последовательности:

- построение теоретической модели ОАГ на основе дифференциальных уравнений в схемах с прямой и внешней модуляцией лазерного излучения;

- теоретический анализ основных оптико-электронных характеристик лазера и влияние их на частотные и амплитудные характеристики ОАГ и экспериментальная проверка его результатов;

- исследование электронных и оптических методов управления частотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ при разных токах смещения и с разными НО Х– и Y – типов;

- анализ влияния шумов лазера на шумы ОАГ при прямой и внешней модуляции лазера, и установление зависимости уровня спектральной плотности мощности фазового шума ОАГ от ширины спектральной линии оптического излучения лазера ,

Методы исследования Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории колебаний применительно к решению дифференциальных уравнений, теория радиотехнических цепей и сигналов, теория флуктуаций в автоколебательных системах. Кроме того применялся метод экспериментальных исследований на действующих макетах. Обработка результатов экспериментов велась методами математической статистики.

В настоящей работе впервые ;

- На основе дифференциальных уравнений построена и проанализирована математическая модель ОАГ с учетом сложной топологии дифференциальной волоконно-оптической линии задержки . Проанализированы переходные процессы в ОАГ с ВОЛЗ.

- Предложены, теоретически и экспериментально исследованы оптические методы управления частотой генерации ОАГ с ВОЛЗ с помощью волоконно-оптических направленных ответвителей Y– и Х – типов. Разработаны рекомендации по построению схем и выбору параметров для управления частотой ОАГ при изменении тока смещения КЛД и при изменении параметров направленных ответвителей Y- и Х- типов.

- Произведено теоретическое и экспериментальное изучение ФЧХ и АЧХ КЛД при малых и больших превышениях тока накачки над пороговым значением в диапазоне частот 0.1-12 ГГц. Реализован экспериментальный ОАГ, работающий в диапазоне 8-12 ГГц и исследованы зависимости частоты от тока смещения квантово-размерного лазерного диода.

- Произведено изучение влияний на частоту генерации ОАГ изменения температуры в оптическом волокне ОВ в диапазоне температур 15-120 град.С для ОВ без полимерной оболочки , с полимерной оболочкой и ОВ в кабеле.

- На базе теоретического анализа дифференциальных уравнений ОАГ с прямой и внешней модуляцией с учетом флуктуаций лазера объяснены основные механизмы формирования спектра ОАГ и получены выражения спектральной плотности мощности фазового шума ОАГ от ширины линии оптического излучения лазера накачки, мощности, геометрической длины, коэффициента неравномерности амплитуд оптических колебаний при самогетеродинировании.

Практическая значимость.

- Проведенные теоретические и экспериментальные исследования ОАГ на частотах от 3 МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать управляемые по частоте ОАГ (путем изменения тока смещения КЛД и параметров направленных ответвителей Y– и Х – типов) для создания гетеродинов и синтезаторов частоты в ВЧ и СВЧ диапазонах.

- Экспериментальное и теоретическое исследование зависимостей частоты ОАГ от тока смещения КЛД дают возможность разработать новые эффективные способы управления и стабилизации частоты ОАГ.

- Проведенные исследования основных характеристик оптического излучения, АЧХ и ФЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц дают возможность эффективно использовать КЛД и выбирать его режимы при разработке ОАГ.

- Экспериментальное и теоретическое исследование зависимостей частоты ОАГ от температуры световода позволили выработать требования к волоконно-оптическим системам и разработать и запатентовать новые схемы стабилизации оптических резонансных систем на основе наноструктурных двухкомпонентных встречных оптических резонаторов.

- Проведенные исследования шумовых свойств ОАГ позволили выработать требования к шумовым характеристикам лазера накачки, а именно к полосе частот оптического излучения, а также разработать и запатентовать схемы снижения фазовых шумов ОАГ на основе фазовой автоподстройки с подавлением поднесущей.

-Проведенные исследования позволяют разрабатывать на основе ОАГ схемы функциональных преобразователей физических величин.

- Проведенные исследования ВОЛЗ на частотах от 3МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать перестраиваемые линии задержки радиосигнала с временем запаздывания от 0.01 мкс до 100 мкс.

-Проведенные исследования малошумящего ОАГ СВЧ диапазона с прямой амплитудной модуляцией и внешним электрооптическими модулятором Маха-Цендера со стабилизированными цепями смещений тока накачки лазерного диода, тока смещения фотодиода и рабочей точки модулятора позволяют создавать сверхмалошумящие автогенераторы СВЧ диапазона с малым уровнем СПМФШ.

Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы в практической деятельности НИИКП, РНИИКП, «Концерна Вега», ОАО «ОПТЕН», в научно-исследовательских работах МГТУ им. Баумана и учебном процессе МЭИ (ТУ), ФГУП «ИНФОРМТЕХНИКА».

Основные положения выносимые на защиту:

1. При разработке компактных стабилизированных ОАГ ВОЛЗ СВЧ на активных черехполюсниках должен, как правило, использоваться в качества лазера накачки кванторазмерный лазерный диод (КЛД) в режиме его работы с большим превышением тока накачки над пороговым значением (в 7..10 раз).

2.За счет выбора режима работы КЛД с большим превышений тока накачки над пороговым значением (в 7..10 раз) значительно снижаются нестабильности частоты, вызванные вариациями постоянного тока накачки.

3. Управление частотой в ОАГ с ВОЛЗ эффективно проводить током смещения КЛД и изменением оптических параметров направленных ответвителей Y– и Х– типов. Установленную автором колебательную зависимость радиочастоты от оптической частоты в ОАГ с Х ответвителем можно эффективно использовать для подстройки частоты в системах ОАГ с прямой и внешней модуляцией и ОАГ с ФАП.

4. Качественное изменение работы некванторазмерных ЛД до порога оптической генерации и после порога приводит к смене знака производной частотной зависимости ОАГ от тока смещения.

5. В ОАГ ВОЛЗ на основе кварцевых оптических волокон температурный коэффициент изменения частоты (ТКЧ) зависит от топологии линии. Установленную автором колебательную зависимость радиочастоты от температуры в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с Х ответвителем можно эффективно использовать для подстройки частоты в системах ОАГ с прямой и внешней модуляцией и для улучшения долговременной стабилизации частоты ОАГ.

6.Волоконно-оптическая линия задержки на основе кварцевых оптических волокон ОВ позволяет снизить уровень фазового шума ОАГ СВЧ с такой линией задержки на 7…8 дБ/Гц (для ВОЛЗ с одиночным ОВ) и на 7…20 дБ/Гц(для ВОЛЗ сложной топологии) за счет повышения эффективной добротности колебательной системы при увеличения геометрической длины ОВ, на 8…15дБ/Гц за счет выравнивания амплитуд оптических колебаний, поступающих на фотодетектор при самогетеродинирования, и на 10…15дБ/Гц за счет использования в ОАГ систем ФАП.

7.Собственный фазовый шум КЛД устанавливает предельные шумовые характеристики ОАГ СВЧ. Понимание природы и учет этого явления позволяет выполнить комплексную оптимизацию сверхмалошумящего ОАГ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: II Научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении» - Сочи, 2004; Ш Научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении» - Сочи, 4, 2005; Межотраслевая научно-техническая конференция «Стабилизация частоты» - Москва – Иваново, 1986 г.; III-я ВНТК «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» -Таллинн, 1987г.; Научно-техническая конференция «Волоконно-оптические системы передачи»- Донецк, 1988г.; Научно-техническая конференция «Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах» -Москва, 1987г.; Научно-техническая конференция «Лазерные системы и их применение» - Кострома, 2004г. ; Международный научный семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения» - Москва, 2011г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в работах [1-36], в том числе в 19 статьях , 3 авторских свидетельствах, 3 патентах, 11 тезисах докладов.

Структура и объем работы

Работа общим объемом 407 страниц состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит, помимо основного текста, 83 рисунка, библиографию из 135 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются основные цели и задачи работы, показана научная новизна, и практическая значимость полученных в работе результатов. Приведены данные об их реализации, апробации и публикации. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Изложены структура и состав работы.

В главе 1 проведен анализ современного состояния и перспективных направлений развития техники генерирования радиочастотных колебаний ВЧ и СВЧ диапазонов с использованием традиционных и оптоэлектронных методов генерирования радиочастотных колебаний. Рассмотрены главные особенности исследуемого оптоэлектронного автогенератора (рис.1) и проведено сравнение его с традиционными генераторами– АГ с кварцевыми резонаторами , АГ с ПАВ и АГ с диэлектрическими резонатором. В функциональную схему ОАГ рис.1 входят последовательно замкнутые в кольцо модулированный источник света (МИС), волоконно-оптическая система (ВОС), состоящая из системы оптических волокон, фотодиод (ФД), нелинейный широкополосный усилитель (У), радиочастотный фильтр (РФ) и ответвитель . ОАГ является автогенератором с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) является активной и образована модулированным источником света (МИС), состоящим из лазера и модулятора, ВОС и ФД. МИС в ОАГ является модулируемый квантоворазмерный лазерный диод (ЛД) или лазерный диод с внешним электро-оптическим модулятором, например, модулятором Маха-Цендера (МЦ) (модуляция интенсивности при использовании фазовой модуляции -ФМ), акусто-оптическим модулятором ( АОМ) (частотная модуляция- ЧМ) абсорбционным модулятором на эффекте Франца-Келдыша (АМ модуляция).

(а) (б)

Рис.1

Использование разных типов МИС в ОАГ зависит от назначения автогенератора. В ОАГ ВЧ диапазона в измерительных системах целесообразно применять лазерный диод ЛД (или светодиод СД) с прямой модуляцией, в ОАГ СВЧ диапазона (в устройствах формирования колебаний с частотой до 12 ГГц сигнала)- лазеры КЛД с прямой модуляцией или КЛД с внешним абсорбционным модулятором. В малошумящих и сверх малошумящих автогенераторах СВЧ диапазона 8-30ГГц необходимо использовать высококогерентные лазеры КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.

КЛД представляет собой наноструктурный сверхширокополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц.

Использование в ОАГ ключевого элемента оптической накачки наноструктурного квантово-размерного лазерного диода ЛД приводит к качественно новым свойствам. За счет «квантования зон в переходе» изменяется качество оптического излучения: более чем в 100 раз снижается уровень шумовой спонтанной эмиссий, сужается диаграмма направленности излучения, улучшаются поляризационные характеристики, снижаются фазовые и амплитудные шумы лазера, уменьшается ширина линии оптического излучения с нескольких ГГц до нескольких кГц. Улучшение качества оптического излучения лазера КЛД ведет к качественно новым показателям ОАГ в целом : сверх малым фазовым шумам, стабильности частотных характеристик, более универсальной управляемости, надежности при долговременном использовании и др.. За счет улучшения качества лазера ОАГ стал конкурентом в СВЧ диапазоне с традиционными малошумящими генераторами с резонатором на лейкосапфире.

Автором показано, что важной особенностью является то, что ОАГ для схем с прямой и внешней модуляцией представляет разностный генератор, т.е. генератор с самогетеродинированием двух когерентных коррелированных и жестко связанных по фазе оптических колебаний разных несущих частот и . Это обеспечивает в диапазоне СВЧ при выравнивании амплитуд оптических колебаний сверхмалый уровень фазовых шумов ФШ и высокую кратковременную стабильность линии генерации. Условием снижения ФШ ОАГ является малые ФШ лазера. Это условие выполняется, когда ширина спектральной линии лазера намного меньше радиочастоты генерации ОАГ , т.е. . Методологической базой проведенного исследования при анализе динамических и шумовых зависимостей ОАГ в диссертации являлось предложенное автором рассмотрение ОАГ как системы (рис.2) – лазера (или оптического квантового генератора (ОКГ)) с частотой генерации примерно ν =128 ТГц и модемного радиочастотного преобразователя (РЧП), на выходе которого происходят колебания с частотой генерации f =10ГГц. Эквивалентная электрическая схема автогенератора ОАГ представлена на рис.2. На ней выделены лазер, ВОЛЗ, фильтр и активный элемент (АЭ).

. Рис.2

В главе 2 дано описание базовых математических моделей ОАГ с прямой амплитудной модуляцией (ПАМ) и ОАГ с внешней модуляцией модулятором Маха-Цендера(МЦ).

Математическая модель ОАГ при этом представляет систему двух дифференциальных уравнений для радиочастотных автоколебаний генерации ОАГ и колебаний напряженности оптического излучения лазера оптических колебаний лазера

(1)

(2)

где - нормированная мощность лазера, - напряженность электрического поля накачки лазера, , - нелинейные зависимости активного элемента оптического усилителя и электронного усилителя соответственно,, , - «ланжевеновские» шумовые составляющая напряженности поля в лазере и электрического напряжения автоколебаний ОАГ соответственно, - коэффициенты передачи оптического усилителя в лазере, - коэффициент передачи ВОЛЗ, , - собственные частоты оптического резонатора лазера и радиочастотного фильтра РЧГ соответственно, -времена задержки в лазере и РЧГ соответственно, , -постоянные времени оптического резонатора в лазере и радиочастотного РЧ фильтра соответственно.

Показано автором, что в ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера МЦ в уравнении (2) являются зависимыми от решения уравнения для лазера, а коэффициент передачи ВОЛЗ определяется коэффициентом передачи модулятора МЦ, который зависим от оптической частотой лазера близкой к . Выявленными в данной работе особенностями ОАГ с прямой модуляцией КЛД (в малосигнальном режиме)являются: потенциально сверх малые фазовые шумы лазера и ОАГ в целом(благодаря полной оптической развязке узлов лазерного генерирования и радиочастотной модуляции), технологическая сложность конструкции ОАГ в связи с наличием модулятора Маха-Цендера.

В ОАГ с прямой модуляцией КЛД связь уравнений (1) и (2) является более сложной: в (1) параметры , , модулируются переменной составляющей тока накачки и являются зависимыми от уравнения (2),то есть уравнение (1) для лазера является уравнением с модулируемыми параметрами. Выявленными в данной работе особенностями ОАГ с прямой модуляцией КЛД( в малосигнальном режиме)являются: наличие сопутствующей частотной модуляции с низким индексом оптического излучения лазера, малый уровень амплитуды СВЧ колебаний генерации при выборе лазерного диода с малой шириной спектральной линией лазера менее 10МГц, компактность и технологическая простота конструкции.

В ОАГ спектр формируется флуктуациями, имеющими разную природу электронными шумами и спонтанным излучением лазера.

В главе 3 произведен анализ основных характеристик квантоворазмерного лазерного диода КЛД как основного элемента оптической накачки ОАГ. Проанализированы на основе ДУ структуры и эквивалентные схемы замещения обычного неквантоворазмерного ЛД и наноструктурного квантоворазмерного лазерного диода КЛД.

Теоретически и экспериментально доказано, что качественное изменение работы ЛД до порога оптической генерации и после порога- приводит к смене знака производной частотной зависимости ОАГ от тока смещения(рис.3а),. Дана интерпретация этого явления с помощью эквивалентных электрических схем замещения ЛД в режимах до и после порога оптической генерации.

Впервые отмечено, что главными преимуществами при применении в ОАГ наноструктурных КЛД является резкое снижения оптической мощности спонтанного излучение (и как следствие отсутствие участка генерации радиочастотных автоколебаний в ОАГ) при токах ниже порогового, увеличение в более чем в 10 раз мощности оптической генерации(рис.3б), что влечет за собой снижение коэффициента усиления электронного усилителя и эффективности и КПД ОАГ. К другим преимуществам использования КЛД в оптоэлектронном генераторе относятся расширение полосы частот модуляции до 12 ГГц в схемах ОАГ с прямой модуляцией КЛД, а также снижение амплитудных и фазовых шумов оптического излучения и сверх малой шириной полосы излучения КЛД ( до 1кГц) в схемах малошумящих ОАГ 8-30ГГц с модулятором Маха-Цендера.

а) б)

Рис.3

а) б)

Рис.4

Впервые теоретически и экспериментально для ОАГ СВЧ диапазона изучены АЧХ и ФЧХ КЛД. АЧХ K(f) и ФЧХ j(f), рассчитанные в режиме малого сигнала для одночастотной оптической генерации КЛД представлены на рис. 4 для разных токов смещения от 12 до 80 мА. в СВЧ диапазоне 0.1– 12 ГГц. В эксперименте использовался квантово-размерный лазерный диод InGaAlAs/InP с длиной волны излучения l= 1.3 мкм.

В результате исследований определены зависимости оптической частоты (крутизна - 10^-4 ТГц/мА) и ширины спектральной линии (1 МГц/мА) оптического излучения от тока смещения КЛД, что позволило выработать ранее неизвестные требования к КЛД в схемах ОАГ с оптическим управлением радиочастотой автоколебаний. В эксперименте использованы схемы стабилизации оптической частоты с использованием термостабилизации и стабилизацией тока.

Глава 4 посвящена чрезвычайно важным проблемам ОАГ: разработки новых способов управлению частотой автоколебаний ОАГ и проблеме повышения долговременной стабильности частоты.

Рассмотрены оптические, электронные и электронно-оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ волоконно-оптических направленных ответвителей Y – и Х – типов, управления КЛД, собственной частотой фильтра РФ f_ф, коэффициентов возбуждения световодов ВС₁ и ВС₂, соответственно. Более детально рассмотрена наиболее оптимальная для управления его радиочастотой схема оптоэлектронного генератора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ (рис.5). состоящая из оптического волокна ВС₀ и двух ( или нескольких) оптических волокон ВС₁ , ВС₂ с разными геометрическими длинами L₁ и L₂ и, соответственно, разными в них задержками T₁ и T₂, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО) Y – или X – типов, фотодиод (ФД), нелинейный широкополосный усилитель (У), радиочастотный фильтр (РФ) и ответвитель.

Рис.5

Коэффициенты возбуждения оптических волокон ВС₁ и ВС₂ и являются зависимыми от напряжения управления , и оптической частоты КЛД. Особенностью управления ОАГ является то, что изменение управляющих параметров происходит в волоконно-оптической системе ( ВОС), а частота генерации определяется не только изменением электрического управляющего напряжения , но и зависит от оптической частоты КЛД. Данный вид управления ОАГ при помощи изменения оптической частоты является для радиочастотных генераторов является новым и осуществляется электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y– и Х– типов (рис. 5). В главе 2 с целью анализа переходных процессов управления частотой ОАГ выведены укороченные дифференциальные уравнения с запаздыванием ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ при условии безинерционности активного элемента электронного усилителя, линейности МИС, ФД, световодов ВОС; распространении в отдельных световодах ВС₀, ВС₁, ВС₂ одной линейно поляризованной световой моды.

Показано, что динамика переходных процессов ОАГ сложна и многообразна: изменение коэффициентов возбуждения световодов в дифференциальной ВОЛЗ приводит к качественному новому характеру временных зависимостей, вариации времен установления частоты и амплитуды сигнала генерации, а также к срыву радиочастотных колебаний.

Важным является то, что в данных дифференциальных уравнениях учтена оптическая частота лазера, которая определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Этот учет производится в коэффициенте показателя преломления материала световедущей жилы оптического волокна, зависящего от оптической частоты . Из анализа укороченных дифференциальных уравнений получено выражение для частоты f стационарных колебаний в системе ОАГ при ее управлении током смещения (накачки) КЛД и при изменении параметров волоконно-оптической системы:

(3)

где m=1,2,3…; , – ФЧХ лазерного диода и волоконно-оптической системы, соответственно; –постоянные составляющие токов накачки, , и – постоянные составляющие напряжений управления собственной частотой фильтра, управления коэффициентами возбуждения ВС1 и ВС2 соответственно.

При исследовании способов управления частотой ОАГ путем изменения параметров волоконно-оптической системы (ВОС) (рис.6 и рис.7) был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОЛЗ на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y– и X – типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС₁ и ВС₂ в дифференциальной ВОЛЗ.

Частота стационарных колебаний в системе ОАГ СВОЛЗ с направленным ответвителем Y-типа (рис.6) при вариации ( и ) определяется при приблизительном равенстве коэффициентов и выражением :

(4)

где , Получены выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y– типа и Х– типов.

Выражение для частоты генерации в стационарном режиме ЛАГ СВОЛЗ с направленным ответвителем Х-типа (рис.7)записываются в виде:

(5)

где средняя разностная задержка , средняя задержка , ,Z –длина участка оптической связи в НО X –типа , С_св -коэффициент оптической связи . в котором -оптическая частота лазера, и –вещественные коэффициенты.

Впервые установлено, что одной из особенностей ОАГ ДВОЛЗ с Х ответвителем является связь оптической частоты КЛД с радиочастотой автоколебаний ОАГ. В ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ и направленным ответвителем НО Х-типа реализуется эффективное управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД .

Исследования показали, что частотный диапазон перестроек составляет от 1 до 20 %, а крутизна изменений частоты генерации от взаимного смещения ОВ составила от 10Гц/мкм до 10 кГц/мкм. Рассмотренные оптические методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее не рассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ. На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ, оформлены авторские свидетельства и патенты.

В главе 4 представлены результаты исследования частотных и фазовых зависимостей ОАГ при изменении температуры оптического волокна ОВ. С целью анализа параметрической нестабильности частоты ОАГ при вариации температуры оптического волокна проведено исследование фазогенераторного ОАГ (рис.8), в котором наряду с измерением температурных уходов частоты ОАГ измерялись температурные уходы разности фаз радиочастотных колебаний. К оригинальным и новым результатам исследований относится обнаружение в температурных частотной и фазовой зависимостях ОАГ колебательных вариаций (с чередованием пологих и крутых участков). Построенная автором теория температурной связи световодных мод и дифференциальных задержек объяснила характер зависимостей и были предложены новые запатентованные автором схемы использования ОАГ ДВОЛЗ для повышения долговременной стабильности и для измерения характеристик перспективных типов оптических волокон.

Показано, что относительные уходы частоты с ОАГ с одиночным одномодовым оптическим волокном, возбуждаемым одночастотным оптическим излучением с линейным типом поляризации определяется температурным коэффициентом показателя преломления световедущей жилы ВС и определяются выражением

(6)

в котором , – текущее и среднее значения температуры ОВ в оптическом волокне, соответственно. Температурный коэффициент для оптического волокна из кварцевого стекла в зависимости от легирующих добавок составляет =(1.5…15)10^-6 1/град.С.

На рис. 9 представлены зависимости частоты генерации ОАГ при изменении температуры ОВ : а)ОВ без полимерной оболочки, б)ОВ с полимерной оболочкой (длина 300 м), с)ОВ в кабеле с двойной полимерной оболочкой. К новому результату теоретических и экспериментальных исследований относится гистерезисный характер температурных частотных зависимостей (рис.9), объясняющийся не только изменением показателя преломления ОВ, но и температурными объемными расширениями двойной защитной полимерной оболочки. Результаты температурных исследований ОАГ использованы при разработке высокодобротных линий задержек и оптических микрорезонаторов для применения этих важнейших компонентов в ОАГ СВЧ и ВЧ диапазонов.

На базе проведенных температурных исследований разработан и запатентован новый вид наноструктурного ОАГ с двойным термокомпенсированным резонатором (рис.10), схема которого обеспечивает автоматического поддержание частоты в условиях длительной эксплуатации источника колебаний.

(а) (б) (в)

Рис. 9

В результате проведенных исследований показано, что оптимизированный неохлаждаемый ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ способен обеспечить нестабильность частоты порядка(1…5)10^-11 на интервале наблюдений от одной десятой до нескольких сотен секунд.

В главе 5 впервые проведен анализ работы ОАГ с прямой амплитудной модуляцией (ПАМ) КЛД током накачки в случае когерентного сложения оптических гармоник выходного излучения лазера на фотодетекторе(или в случае самогетеродинировании). Показано, что в ОАГ с ПАМ при осуществлении передачи на ФД излучения с «одной боковой оптической частотой» реализуется качественно новый малошумящий режим генерации оптоэлектронного генератора.

Новым в анализе являлось представление ОАГ как АКС, образованной лазером, охваченным цепью избирательной положительной обратной связью, которая состоит из последовательно соединенных оптического волокна, фотодиода, нелинейного усилителя и узкополосного радиочастотного фильтра. Для учета шумов КЛД в ОАГ анализ проведен на базе полуклассических уравнений лазера для амплитуды напряженности поля излучения E, инверсной населенности активной среды лазера N и фазы с учетом источников шумов лазера. В дифференциальных уравнениях переменная составляющая тока накачки лазера пропорциональна квадрату напряженности E² , умноженной на комплексный коэффициент передачи избирательной цепи обратной связи. Выведены укороченные дифференциальные уравнения ОАГ с ПАМ и изучены особенности устойчивой одночастотной и двухчастотной генерации.

ДУ ОАГ с ПАМ для медленно меняющихся амплитуды напряженности , населенности на верхнем рабочем уровне и фазы оптических колебаний лазера с учетом ланжевеновских флуктуаций , и для двухуровневой модели лазера записываются как

( 7 )

(8)

где –оптическое усиление активной среды лазера , –нормированный ток накачки ЛД , –постоянная времени электронной релаксации активной среды лазера, –собственная частота резонатора лазера, –постоянная оптического резонатора лазера , – оптическая частота генерации лазера, -постоянный коэффициент.

Путем линеаризации ДУ лазера, охваченного положительной обратной связью, в мало сигнальном режиме получены аналитические зависимости для амплитуды, частоты генерации, спектральной плотности мощности фазового шума (СПМФШ) ОАГ с КЛД при изменении превышения тока накачки над пороговым значением (рис.14).

Рис.14

В результате анализа дифференциальных уравнений установлено, что в схеме ОАГ с прямой модуляцией КЛД устойчивый предельный цикл на фазовой плоскости (Рис.12, Рис.13) одночастотных колебаний возможен в ограниченной области значений средней крутизны нелинейного усилителя НУ. Диапазон значений зависит от мультипликативной нелинейной характеристики лазерного диода, выбора рабочей точки лазера и времени задержки в ОВ.

При анализе амплитудного и фазового шумов радиочастотных колебаний ОАГ установлено, что при изменении превышения тока накачки над пороговым значением спектральная плотность мощности фазового шума (СПМФШ) ОАГ при отстройке 1-10 кГц от несущей 10ГГц изменения составляют 15-20дБ/Гц и определяется во многом изменением фазовых шумов лазера (рис.14).

Глава 6 посвящена анализу работы ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера. Проведено исследование шумовых характеристик и рассмотрено влияние ширины спектральной линии оптического излучения на фазовые шумы ОАГ. С целью уменьшения шумов ОАГ проанализирована новая, предложенная и запатентованная автором, схема ОАГ с системой фазовой автоподстройки частоты.

В рамках полуклассических уравнений дифференциальных уравнений лазера и РЧГ в мало сигнальном режиме выведены дифференциальные уравнения, позволяющие смоделировать преобразование фазовых шумов оптического излучения лазера в радиочастотные фазовые шумы ОАГ.

Представлены схема (рис.14) и схема замещения(рис.15) и вид (рис.17) экспериментального образца малошумящего разностного лазерного оптоэлектронного автогенератора ОАГ СВЧ диапазона(ЛД-лазерный диод, МЦ–электро-оптический модулятор Маха-Цендера , ВОС- волоконно-оптический световод, ФД-фотодетектор, НУ-нелинейный усилитель, Ф- радиочастотный фильтр, О-ответвитель).

Рис.16

В процессе установления автоколебаний в замкнутой системе ОАГ формируется гармонический радиочастотный сигнал на частоте с шумами. Радиочастотные шумы в ОАГ, обусловленные шумами лазера, можно интерпретировать как преобразование флуктуаций. В оптической части ОАГ модулятором МЦ и оптическим волокном образован интерферометр МЦ с разными геометрическими длинами плеч. Интерферометр совместно с фотодиодом преобразует частотный(или фазовый) шум лазера в шумы фототока. В главе установлено, что шум на выходе ОАГ, который характеризуется спектральной плотностью мощности фазового шума (СПМФШ), определяется шумом электронного усилителя , дробовым шумом ФД и фазовыми шумами лазера . Причем на практике ФШ лазера преобладают над и при использовании КЛД c шириной линии кГц, pin-фотодиодов и современных SiGe биполярных транзисторов, которые обеспечивают низкий фликкер шум на частотах 10…20ГГц. С целью анализа шумов в ОАГ и их снижения, используя дифференциальные уравнения (1), получено приближенное выражение для СПМФШ ОАГ при частотной отстройки от радиочастотной поднесущей

(7)

где является коэффициентом подавления шумов и тем меньше, чем больше время задержки в канале ВОЛЗ , мощность лазерного излучения и коэффициент передачи в замкнутом кольце ОАГ ,при этом равен.

СПМ фазового шума лазера в (7) равна

, (8)

где -коэффициент передачи по мощности ВОЛЗ, образованной модулятором, оптическим волокном и фотодетектором, , -постоянные коэффициенты. Выражение (7) и (8) устанавливают связь с шириной спектральной линии излучения лазера , задержкой ВС и мощности лазера. Из (7) и (8) следует важный вывод: если фазовые шумы лазера меньше фазовых шумов в электронной части, то наибольший выигрыш в подавлении электронных шумов в кольцевой системе ОАГ , получается при мощностях лазера в диапазоне от 20 мВт до 1 Вт, времени задержки от 10 до 50 мкс (то есть при длинах ОВ 2 и 10 км соответственно). В выражении (7) коэффициент учитывает уменьшение шума в ОАГ при гетеродинировании за счет выравнивания амплитуды спектральных оптических составляющих на ФД, например, за счет управления оптической мощностью в оптических каналах модулятора МЦ. Коэффициент определяется коэффициентом корреляции для оптических излучений, распространяющихся по разным каналам МЦ, и зависит от произведения разницы задержек в оптических каналах модулятора МЦ и ширины спектральной линии лазерного излучения .

……………..

Рис.17

В выражении (7) коэффициент подавление учитывает снижение фазового шума в ОАГ при самогетеродинировании на ФД за счет выравнивания амплитуды спектральных оптических составляющих, например, за счет управления оптической мощностью в оптических каналах модулятора МЦ.

Показано, что система ФАП в ОАГ значительно снижает (более чем в 10 раз) требования к ширине спектральной линии лазера и длине волоконного световода. При введении кольца ФАП в ОАГ было получено существенное более чем на 15 Дб /Гц уменьшения уровня фазовых шумов на частоте генерации 8-10 ГГц.

Рис.18

В главе 7 приведены результаты экспериментальных исследований реализованных схем управляемых по частоте ОАГ (током смещения КЛД) в ВЧ и СВЧ диапазонах на частотах 3-50 МГц и 8 – 12ГГц (рис.18). В главе 7 дается описание схем применения ОАГ в различных областях: системах связи, измерительных системах, радиолокации, датчиках и др. Исследованы зависимости амплитуды, частоты генерации ОАГ от тока смещения(рис. 19) КЛД, при которых изменяется мощность лазера P, в одночастотном режим при средней частоте генерации 8.2 ГГц..

Рис.19

Установлено, что при увеличении длины малодисперсионного одномодового оптического волокна в ВОЛЗ от 60м до 4460 м (соответствует задержкам сигнала в ВОЛЗ от 5 нс до 22.3 мкс) и больших превышениях тока смещения I =60-75 мА над пороговым I_пор (примерно I /I_пор =5– 8) крутизна изменений частоты генерации f_г ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается примерно в 30 – 1000 раз и составляет менее 0.03 –1 кГц/мА. Показано, что в ОАГ в СВЧ диапазоне происходит стабилизация частоты за счет использования ВОЛЗ с большим временем запаздывания.

В Заключении подводится итог проделанной работы и сформулированы выводы.

Выводы

В целом в диссертации развит нетрадиционный подход к анализу работы оптоэлектронного генератора, как системы двух генераторов оптического и радиочастотного диапазона, что позволило развить теорию ОАГ при прямой и внешней модуляцией с самогетеродинированием оптического излучения квантоворазмерного лазерного диода. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан комплекс оптоэлектронных методов генерирования и управления частотой высокостабильных СВЧ колебаний ОАГ с минимальным уровнем фазового шума выходного сигнала без применения криогенного охлаждения, составляющих теоретическую основу современной техники генерирования прецизионных СВЧ колебаний ОАГ. Решены следующие задачи:

1.Предложено использовать в оптоэлектронном генераторе квантоворазмерный лазерный диод для создания малошумящих ОАГ СВЧ диапазона. Впервые в мире разработаны и запатентованы конструкции ОАГ на этой основе.

2.Разработаны новые методы управления частотой в ОАГ с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки в ВЧ и СВЧ диапазонах эффективно осуществляется оптическими способами с использованием направленных ответвителей Y- и Х- типов и электронным способом при изменении тока смещения КЛД. Предложено использовать данный вид управления частотой ОАГ в системах стабилизации оптической частоты лазеров и волоконно-оптических системах скрытой передачи информации.

3. Проведенные исследования ФЧХ и АЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц при токах смещения КЛД от 10 до 80 мА определили допустимый рабочий диапазон токов смещения КЛД – (60 – 75 мА), при котором достигаются минимальные уходы частоты ОАГ от малых вариаций тока смещения. Сделаны рекомендации по выбору режимов работы КЛД при использовании их для разработки управляемых ВОЛЗ СВЧ сигнала поднесущей, содержащих НО Y – и Х – типов, с временами запаздывания от 0,01мкс до 100 мкс. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований ОАГ и его элементов (КЛД, ВОС) на частотах до 12 ГГц сделаны рекомендации по созданию управляемых по частоте ОАГ СВЧ диапазона для построения специальных задающих генераторов, имеющих два выхода – электронный и оптический.

4. Обнаружена и использована для улучшения долговременной стабильности частоты малошумящих ОАГ гистерезисная и колебательная зависимости частоты ОАГ от температуры кварцевого оптического волокна ОВ. Проанализированы вклады уходов частоты при вариации температуры ОВ показателя преломления кварцевых световедущей жилы и оболочки, температурного коэффициента расширения защитной полимерной оболочки при различных способах укладки ОВ, геометрической длины ОВ.

5. Впервые разработан теоретический подход по исследованию спектральной плотности мощности фазового шума ОАГ (с внешним электрооптическим модулятором и с прямой модуляцией) как автоколебательной системы, содержащей эквивалентный радиочастотный генератор, накачиваемый лазером. Впервые при теоретическом анализе ОАГ было объяснено влияние фазового шума оптического излучения лазера на радиочастотный фазовый шум ОАГ.

6. На базе сделанных теоретических и экспериментальных исследований ОАГ с электрооптическим модулятором Маха-Цендера на частотах 8 – 10 ГГц разработаны методы создания малошумящих ОАГ СВЧ диапазона.

7. Создание и анализ теоретической модели ОАГ с модулятором Маха –Цендера выявило, что спектральная плотность мощности фазового шума СВЧ автоколебаний определяется фазовым шумом лазера и шириной линии оптического излучения лазера, мощностью лазера, задержкой в оптическом волокне. Снижение СПМФШ более чем 10 дБ/Гц обеспечивается выравниванием оптической мощности в каналах модулятора Маха-Цендера.

8. В результате исследований сделан вывод, что для обеспечения уровня спектральной плотности фазового шума ОАГ менее -130дБ/Гц на частоте 10 ГГц при отстройке 1 кГц ширина спектральной линии оптического излучения коммерчески доступных лазеров (при его выходной мощности не менее 10мВт) должна составлять менее 1-10 кГц.

9.Разработаны и реализованы экспериментально схемы различных типов малошумящих автогенераторов с волоконно-оптической линией задержки со стабилизированными электрическими цепями тока смещения лазерного диода, напряжения смещения рабочей точки электрооптического модулятора и тока смещения фотодиода.

10. Разработанные оптоэлектронные генераторы диапазона сантиметровых волн на базе квантоворазмерных лазерных диодов, стабилизированные волоконно-оптической линией задержки и с самогетеродинированием, обеспечивают при комнатной температуре на отстройке 1 кГц от несущей фазовый шум выходного колебания на уровне:

–примерно –120 дБ/Гц в простейших вариантах с лазерами (с шириной линии оптического излучения до 1 МГц) и использовании ОВ с задержкой от 2 до 10 мкс,

–примерно –130 дБ/Гц при использовании КЛД (с шириной линии оптического излучения до 3 кГц) и использовании ОВ с задержкой от 10 до 50 мкс,

–примерно –150…–160 дБ/Гц при использовании КЛД (с шириной линии оптического излучения менее 5 кГц) и использовании ОВ с задержкой от 10 до 50 мкс при комплексной оптимизации ОАГ, применении с фазовой автоподстройкой его частоты.

Представленные в диссертации научные результаты, положения и рекомендации позволяют заявить об открытии нового направления в области компактных прецизионных источников СВЧ и КВЧ колебаний.

Список публикаций

1. Борцов А. А., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Расчет квазистационарного режима импульсных твердотельных оптических квантовых генераторов // Труды ин-та / Московский энергетический институт. – 1982. – Вып. 579. – С.79–82

2. Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Передаточная функция составной волоконно-оптической линии задержки // Радиотехника. – 1988.– № 8. – С.8–10.

3. Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Перестройка частоты автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989г. – № 3 . – С.68–70 .

4. Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Влияние эффективности возбуждения световодов на частоту автогенератора с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989 г. – № 7. – С.84–89.

5. А.с.№1538265 СССР, МКИ³ H03K 9/00А. Устройство функционального преобразования в частоту / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. и др. (СССР). – 9 c.

6. А. с. №1506508 СССР, МКИ³ H 03C 3/00. Формирователь частотно-модулируемых сигналов / Белов Л. А., Борцов А. А. и др. (СССР). – 7 с.

7. А. с. №1485750 СССР, МКИ³ H 03 K 9/00А. Волоконно-оптический датчик физических величин / Бабкина Т. В., Борцов А. А. и др. (СССР). – 8 с.

8. Патент на изобретение №2282302 RU, МПК³ 7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. – 10 с. 2004г.

9. Патент на полезную модель № 44902 RU, МПК⁷ Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированных сигналов / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. – 2 с. 2005г.

10.Патент на полезную модель №103431 RU, МПК³ Н03 . Наноструктурный формирователь частотно-модулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. – 2 с. 2010г.

11.Борцов А. А., Григорьянц В. В. и др. Частотные и фазовые характеристики автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Стабилизация частоты: Сб. докл. – М., 1986. – С.63–67.

12.Борцов А. А., Гайдук М.А. , Григорьянц В. В. Передача мощного лазерное излучение через волоконные световоды с целью воздействия на медико-биологические объекты // Электрофизические проблемы создания диагностической и медицинской аппаратуры: Сб. докл. – М., 1982. – С.19.

13.Борцов А. А., Жердецкий В.Н., Механошин Б. И., Чудаков О.П. Световодно-лазерное устройство в стоматологии // Современные проблемы хирургической стоматологии: Сб. – Минск, 1985. – С.36–37.

14.Бабкина Т. В., Борцов А. А., и др. – Использование автогенератора с волоконно-оптической линией задержки для контроля качества изготовления многомодовых световодов // Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации: – Тез. докл. III-ей ВНТК .– Таллинн, 1987. – С. 87–88 .

15.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. и др. - Измерительные устройства на основе лазерного автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Применение лазеров в технологии, системах передачи и обработки информации: Тез. докл. III-ей ВНТК. –Таллинн, 1987.– С. 99 – 100 .

16.Борцов А. А. Фазочастотная и амплитудно-частотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез.докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 87 – 91.

17.Борцов А. А. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконно-оптической линией задержки // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. научн.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 35–38.

18.Борцов А. А. Экспериментальное и теоретическое исследования фазочастотной и амплитудно-частотной характеристик мезаполоскового лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. науч.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 39–41.

19.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Оптически и электрически перестраиваемый оптоэлектронный автогенератор СВЧ с ЖИГ-фильтром //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14-21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 79–81.

20.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Новый малошумящий генератор СВЧ с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14 –21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 70–71.

21.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Разностный оптоэлектронный автогенератор СВЧ с крайне низким уровнем фазовых шумов // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С.84–86.

22.Борцов А. А. Управление частотой в оптоэлектронном автогенераторе // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. – Сочи, 2004 г. – С.87.

23.Борцов А. А. Оптоэлектронный автогенератор СВЧ как задающий генератор в радиолокационных комплексах. // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. III-ой научн.-техн. конф. – Сочи, 2005 г. – С.34–35.

24.Борцов А. А. Фазовая автоподстройка частоты в оптоэлектронном автогенераторе.//Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. III-ой научн.-техн. конф. – Сочи, 2005 г. – С.36.

25.Борцов А. А. Управляемые по частоте оптоэлектронные автогенераторы СВЧ и ВЧ диапазона с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук –Москва,2005г. – С.357.

26.Борцов А.А. Управляемые по частоте оптоэлектронные автогенераторы СВЧ и ВЧ диапазона с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук –Москва, 2005г. – С.18.

27.Борцов А. А. Фазочастотная и амплитудно-частотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиотехника . 9 – 2006 г. –С.43 – 47.

28.Борцов А.А Ильин Ю.Б. Оптоэлектроника и нанофотоника -стратегические направления развития наукоёмких технологий в России// Россия: Ключевые проблемы и решения: - Труды Х Международной науч. конф., ИНИОН РАН, Москва,2009г. ,-С.23-25.

29. Борцов А.А Ильин Ю.Б. Нанотехнология и проблемы создания наноструктурных малошумящих лазерных генераторов//Россия: Ключевые проблемы и решения - Труды Х Международной науч. конф., ИНИОН РАН –Москва, 2009г. ,С.26-27.

30.Борцов А.А., Ильин Ю.Б. Влияние ширины спектральной линии излучения лазера на спектральную плотность мощности фазового шума радиочастотных колебаний лазерного автогенератора // Радиотехника. 2 ,2010. - С. 21-31.

31.Борцов А.А. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконно-оптической линией задержки  // Радиотехника. 6 ,2010. - С. 29-35.

32.Борцов А.А. Малошумящий лазерный оптоэлектронный автогенератор с системой фазовой автоподстройки // Радиотехника . 6 ,2011. - С. 42-49.

33. Борцов А.А. , Ильин Ю. Б. Влияние ширины  спектральной линии излучения лазера на спектральную плотность мощности фазового шума лазерного оптоэлектронного втогенератора .//Современные полупроводниковые источники оптического излучения( Advanced Semiconductor Light Emitters):, 16 мая 2011 г. Тез. докл. Международного семинара, МИРЭА – Москва, 2011. – С.15-20.

34.Борцов А.А. Лазерный оптоэлектронный автогенератор с малым уровнем спектральной плотности мощности фазового шума//Нелинейный мир.6 -2011.-С.359-368.

35.Борцов А.А. Технологии создания сверхмалошумящих прецизионных СВЧ-генераторов на основе лазерного оптоэлектронного автогенератора//Наукоемкие технологии.9,2011 . –С.33-40.

36.Борцов А.А. Влияние добротности лазера на фазовые шумы в оптоэлектронном генераторе с предельно малой спектральной плотностью мощности фазовых шумов//Электромагнитные волны.11, 2012 . –С.57-65.

Подписано в печать Зак. Тир. П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ СВЧ И ВЧ ДИАПАЗОНА С ПОДКАЧКОЙ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель профессор, кандидат технических наук, Лауреат Государственной премии СССР Капранов М.В. МОСКВА 2005 АННОТАЦИЯ Диссертация посвящена исследованию способов управления частотой генерации оптоэлектронного автогенератора (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом (КЛД), работающего в СВЧ диапазоне (8-12 ГГц), а также в ВЧ диапазоне (5-100МГц). Особенностью ОАГ является то, что в качестве модулированного источника света (МИС) используется квантово-размерного лазерный диод (КЛД). В работе впервые проведен анализ различных методов оптического и электронного управления частотой ОАГ с ВОЛЗ с КЛД. Особое внимание уделено рассмотрению методов управления частотой ОАГ ВОЛЗ при изменении условий возбуждения составной дифференциальной ВОЛЗ , а также током смещения квантово-размерного лазерного диода. Проведен теоретический и экспериментальный анализ ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода. Исследованы коэффициенты передачи КЛД, его АЧХ и ФЧХ с учетом различных превышений тока накачки над пороговым значением. Построена теоретическая модель ОАГ на основе дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью (ЗОС) с учетом сложной топологии ВОЛЗ и изменяющихся коэффициентов возбуждения оптических каналов ВОЛЗ. Реализованы экспериментальные образцы ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне, а также в ВЧ диапазоне. На основании теоретических и экспериментальных исследований методов управления частотой генерации ОАГ ВОЛЗ с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом сделаны выводы по оптимизации параметров ОАГ с ВОЛЗ, по использованию в ОАГ оптических направленных ответвителей Y- и X- типов, по выбору токов смещения КЛД, оптимизации параметров световодов. Экспериментальные исследования показали эффективность применения ОАГ ВОЛЗ в современных радиотехнических и оптоэлектронных системах в качестве управляемых источников высокостабильных колебаний, подтвердили достоверность полученных теоретических результатов, и основанных на них рекомендаций по улучшению статических и динамических характеристик ОАГ ВОЛЗ. . . . . ОГЛАВЛЕНИЕ . Стр. ВВЕДЕНИЕ ……………..……………………………..………………… 7 ГЛАВА1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПТО-ЭЛЕКТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА-РЕПЕТИТОРА (ОАГР) НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ………………...…………………… 24 1.1 Принцип действия ОАГ. Функциональная схема репетитора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ…………………………………… …. 24 1.2 Определение коэффициентов передачи элементов ОАГ ВОЛЗ………… 29 1.3 Уравнения ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ ………….………………. 35 1.4 Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на основе укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием …………………………… 46 1.5 Анализ укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием автономного ОАГ ВОЛЗ …………………………………………………. 54 1.6 Анализ переходных процессов в ОАГ ВОЛЗ. Время установления частоты и амплитуды генерации ОАГ ВОЛЗ………………………………… 61 1.7 Анализ управления частотой сигнала генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ в стационарном режиме………..………....71 1.8 Параметрическая и долговременная нестабильность частоты репетитора ОАГ с ВОЛЗ…………………………………………………………..…………… 89 1.9 Краткие выводы к Главе 1……………………………………………… 93 ГЛАВА 2. УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ГЕНЕРАЦИИ репетитора ОАГ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТОКА СМЕЩЕНИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНОГО МЕЗА-ПОЛОСКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДИОДА (КЛД) ………………………. ….99 2.1.Квантово-размерный лазерный диод (КЛД) в репетиторе ОАГ…………………….. 99 2.2 Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи КЛД………110 2.3 Управление частотой ОАГ при изменении тока смещения ЛД в высокочастотном ( ВЧ) диапазоне…………………………...……………… .133 2.4 Краткие выводы к главе 2 ………………………….………………….. 153 ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ОАГ НА БАЗЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО – ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ………………………………………………………………… 166 3.1 Управление радиочастотой репетитора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, построенной на базе направленного ответвителя Y -типа……………… 166 3.2 Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с оптическим направленным ответвителем Х-типа……………………………………… 186 3.3 Управление радиочастотой ОАГ на базе одиночных регулярных световодов………………………………………………………………… 211 3.4 Краткие выводы к главе 3……………………………………………... 240 Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ репетитора ОАГ с ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ ДИАПАЗОНАХ.………………………………………………… …. 243 4.1 Экспериментальные исследования характеристик модулированного источника излучения: лазерного диода и светодиода………………………243 4.2 Влияние на частоту генерации ОАГ изменений постоянного тока смещения с лазерного диода и тока смещения светодиода ………………...261 4.3 Экспериментальное исследование характеристик ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе направленного ответвителя Х– типа ……...…….……………………………………………… ……. 275 4.4 Экспериментальные исследования функциональных преобразователей электрических тока и напряжения на основе ОАГ ВОЛЗ……………… ..... 282 4.5 Реализация ОАГ в СВЧ диапазоне и его экспериментальные характеристики. Перспективы применения ОАГ в СВЧ и КВЧ диапазонах в радиолокационных и радиооптических бортовых и наземных станциях…………….………………………………………………………….. 292 4.6 Краткие выводы к главе 4……………………………………………… ..311 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………… 317 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………. 322 ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………….. 334 ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, компактных малошумящих стабилизированных радиочастотных генераторов-репетиторов[1,2], работающих в диапазоне от 3 до 600 ГГц в гибридном и, интегральном исполнении, обладающих широкой спектральной перестройкой. Подобные устройства формирования колебаний в диапазонах сантиметровых (СМВ) и миллиметровых (ММВ) длин волн необходимы при построении современных радиолокационных систем и антенно-фидерных трактов, спутниковых и космических линий связи, создании высококачественной аппаратуры в измерительной технике. Использующиеся в настоящий момент в радиотехнических системах известные генераторы-репетиторы СВЧ являются для многих решаемых задач неприемлемыми. Так автогенераторы-репетиторы на диэлектрических резонаторах на керамике, имеют ограничения по уровню фазовых шумов (за счет относительно низкой добротности резонатора), по диапазону частот до 20 ГГц и сильно подвержены изменению ускорения (10-7-10-8). Генераторы СВЧ колебаний на лейкосапфире [3], являющиеся на сегодняшний день самыми «малошумящими» (имеющими малый уровень фазового шума), имеют существенное ограничение по рабочему диапазону частот ( 6 – 12 ГГц), а также имеют дискретный ограниченный диапазон частотной перестройки, относительно большие размеры и вес резонатора. Кварцевые генераторы с умножением частоты не дают возможности получить достаточно высокие характеристики по спектральной плотности фазового шума и кратковременной стабильности частоты в диапазоне 8- 100 ГГц за счет многократного умножения частоты. Одним из способов создания перестраиваемых малошумящих генераторов-репетиторов в области частот 5- 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной линии задержки с запаздыванием сигнала в ней от 2 до 10 мкс с малыми эффективными потерями электрической мощности от 3 до 10 дБ. При этом в таком автогенераторе за счет создания в колебательной системе высокой эквивалентной добротности (200-800)103 получается низкая спектральная плотность фазовых шумов (-140Дб/Гц и менее при отстройке по частоте от несущей 10кГц), а кратковременная нестабильность частоты такого оптоэлектронного автогенератора-репетитора (ОАГ) не хуже 10-10. Линия задержки в ОАГ реализуется на базе волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ). В состав ВОЛЗ входят последовательно соединенные–модулированный источник света (МИС) – лазерный диод, волоконно-оптическая система (ВОС) (в простейшем случае одиночный волоконно-оптический световод) и фотодиод (ФД). Появившаяся недавно современная отечественная элементная база оптоэлектронных компонент - сверхширокополосные квантово-размерные лазерные диоды и фотодиоды на основе InGaPAs позволяет реализовать малошумящие линии задержки в диапазонах 1- 12 ГГц и на их основе создать малошумящие, высокостабильные и широко перестраиваемые по частоте автоколебательные системы. Современные оптоэлектронные компоненты (электро-оптические абсорбционные и полимерные модуляторы) позволяют уже сейчас реализовать ОАГ в диапазоне 5 -200 ГГц. Предельный частотный диапазон ограничен частотой фотодетектирования -600 ГГц. За счет стабилизированной ВОЛЗ ОАГ в СВЧ диапазоне обладает высокими показателями долговременной и кратковременной нестабильности 10-10-10-11 частоты ОАГ, обусловленными высокой добротностью колебательной системы (200 -400) 103 в диапазоне 2 – 100 ГГц. Кроме того, в ОАГ имеется уникальная возможность производить управление частотой в нем оптическими и электронными методами, изменяя ток накачки ЛД и собственную частоту радиочастотного фильтра. Однако данный тип генераторов-репетиторов недостаточно теоретически и экспериментально изучен. В России не было создано экспериментального макета ОАГ в диапазоне частот 1-10 ГГц. Имеющиеся работы не дают возможности определить его основные свойства, методы управления частотой, факторы, влияющие на стабильность частоты АГ. Актуальными на данный момент являются теоретическое и экспериментальное исследования перестройки частоты за счет изменения тока смещения квантово-размерного лазерного диода, изучение ФЧХ и АЧХ такого КЛД, экспериментальное и теоретическое изучение оптических методов перестройки, вывод и решение для ОАГ укороченных дифференциальных уравнений с учетом составных ВОЛЗ для определения времен переходных процессов при вариации параметров ВОЛЗ. В качестве цепи обратной связи в ОАГ используются ВОЛЗ и оптические или волоконно-оптические резонаторы. Важным достоинством ВОЛЗ и волоконно-оптических фильтров является то, что их характеристики могут синтезироваться в зависимости от назначения ОАГ. Так, в частности, изменяя топологию и параметры световодов ВОЛЗ ( геометрические длины, входящих в него ВС, количество ВС и виды оптических связей между ВС) можно получать необходимые амплитудно-частотные характеристики ВОЛЗ и фильтров на их основе, входные и выходные импедансы, величины задержек электрического высокочастотного (ВЧ) и сверх высокочастотного (СВЧ) сигнала и т.д. Применение той или иной ВОЛЗ в ОАГ зависит от назначения проектируемого ОАГ ВОЛЗ. Так, например, если необходим перестраиваемый ОАГ ВОЛЗ, то предпочтительней использовать ВОЛЗ, а при создании высокостабильных источников гармонических колебаний можно использовать волоконно-оптические резонаторы. Перспективным представляется применение репетиторов ОАГ ВОЛЗ в оптических и радио локационных системах, системах дальней радиосвязи, в синтезаторах частоты, в датчиках различных физических величин, функциональных генераторах, в преобразователях одного вида генерации в другой, например, оптической генерации лазеров в радиочастотную генерацию, в системах стабилизации оптического излучения и др. Высокие эксплутационные характеристики репетиторов ОАГ ВОЛЗ позволяют им успешно конкурировать в области СВЧ 5- 100 ГГц с традиционными кварцевыми с умножением частоты и АГ СВЧ с диэлектрическими резонаторами, в том числе на резонаторах из лейкосапфира. Наличие оптического канала в ВОЛЗ, малые вес и габариты таких ОАГ делают возможным их использование в оптических доплеровских бортовых локаторах для обнаружения малозаметных целей на дальностях 50- 70 км. Другим их перспективным применением ОАГ в качестве функциональные преобразователи (ФП) физических величин. Благодаря наличию помехозащищенной от влияния сильных электромагнитных полей ВОЛЗ в цепи обратной связи ОАГ их можно использовать как функциональные преобразователи физических величин, например, давления, электромагнитных полей , электрических напряжения и тока , температуры и др. с высокими характеристиками по динамическому диапазону чувствительности . ОАГ ВОЛЗ, являясь узлом выше перечисленных сложных оптоэлектронных и радиотехнических систем, могут работать в различных режимах: непрерывной генерации высокостабильных колебаний; внешней синхронизации; различных видов модуляции колебания, в том числе манипуляции. В зависимости от режима работы можно выделить два основных типа репетитора ОАГ ВОЛЗ - автономный и неавтономный (управляемый), то есть находящийся под внешним воздействием. Внешнее воздействие, которое может быть приложено к ОАГ, могут быть как электрического характера (ток, напряжение, поле) и изменять параметры цепей АГ или ВОЛЗ, так носить механическую природу. Современные требования к управлению частотой автогенераторов ставят задачу создания ОАГ с заданными динамическими характеристиками наряду с требованиями по стабильности колебания, технологичности изготовления, виброустойчивости, перестраиваемости. Внешнее воздействие на ВОЛЗ приводит за счет изменения параметров, входящих в него КЛД, волоконно-оптической системы (ВОС ), оптических элементов к изменению параметров автоколебания ( частоты, амплитуды и фазы сигнала генерации ). Используя внешние электронные воздействия на ВОЛЗ, можно эффективно управлять частотой, амплитудой и фазой сигнала генерации. В связи с этим становится актуальным исследования схем построения управляемых по частоте ОАГ, в которых главным элементом управления выступает ВОЛЗ. Поскольку КЛД, ВОС, входящие в ВОЛЗ, являются сложными для математического описания их коэффициентов передачи компонентами, существует актуальная задача описания коэффициентов передачи и их зависимости от изменений параметров. Применение репетитора ОАГ ВОЛЗ в качестве математического датчика физических величин, режимах частотной, фазовой модуляции ставит задачу определения индексов модуляции, при которых уровень искажений не превышает заданного. Важно дать практические рекомендации по улучшению характеристик ОАГ ВОЛЗ. Перед разработчиком нового класса приборов на базе репетитора ОАГ стоит ряд актуальных нерешенных задач в известной литературе: анализ зависимостей ФЧХ и АЧХ КЛД при больших превышениях накачки над порогом (от 5до 8); влияние на радиочастоту параметров дифференциальной СВОЛЗ и оптических устройств связи направленных ответвителей Y- и X- типов; влияние на характеристики радиочастотного сигнала коэффициента оптической связи в направленных ответвителях и световодах. Сложность построения математической модели ОАГ ВОЛЗ состоит в его особенности - наличию в его структуре оптического квантового генератора света - лазерного диода. Характеристики лазера влияют на частотные характеристики ОАГ , так например, существует связь оптической полосы генерации лазера с радиочастотной полосой генерации ОАГ. Решение всех этих перечисленных задач, даже не поставленных в известной литературе, дает ключ для построения стабилизированного по частоте ОАГ с рекордными на сегодняшний день характеристиками. Теоретические работы по исследованию репетитора автоколебательных систем (АКС) с запаздыванием ОС (ЗОС) [4-31] появились задолго до выхода в свет первых работ, посвященнных ОАГ ВОЛЗ. Развитие методов матиматики решения дифференциальных уравнений с запаздыванием численными методами [32-45] с применением компьютеров вывели исследования таких АГ на качественно новый уровень. Теоретически изученными АГ с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОАГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхостных акустических волнах (АГ ПАВ) [19-25, 40,41 ]. Эти работы создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) - ОАГ ВОЛЗ. Бурные исследования в 70-х –80-х годах прошлого века волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических световодов с низкими оптическими потерями [42–44] дали импульс к началу использования волоконно-оптических линий задержек в автогенераторах [45-52]. В последние 15 лет появились работы [46-52] российских авторов, посвященные теоретическим и экспериментальным исследованиям ОАГ ВОЛЗ. В последние 5 -7 лет появились работы по экспериментальному и теоретическому исследованию и разработке современных быстродействующих оптоэлектронных компонент: лазеров, опто-электронных модуляторов, фотодиодов, а также оптоэлектронных и волоконно-оптических систем с быстродействием 0.01 –100 пс, с полосами радиочастот модуляции до 18 –200 ГГц [ 53- 106 ]. В том числе за рубежом ведутся исследования оптоэлектронных автогенераторов (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки [57,61,63-66,73], которые работают в СВЧ диапазоне от 3ГГц – до 39 ГГц. Стимулом ведение этих исследований является перспективность использования ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве опорных генераторов в электронных и оптических РЛС нового поколения, в сверх быстродействующих ВОЛЗ (в качестве формирователей сверх коротких оптических импульсов 0.01-1 пс с малым «джиттером» (с малом дрожанием переднего фронта импульса ), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфидициальностью передаваемой информации с использованием маскирующих передаваемых помех [81,82]. В этих работах [81,82] исследовался ОАГ с ВОЛЗ в автоколебательном режиме стохастической генерации. Работы по исследованию ОАГ с ВОЛЗ и их компонентов в ВЧ и СВЧ диапазоне проводятся в настоящее время также и в России [114-134]. В настоящее время в России группой Курносова В.Д. ведутся исследования и разработка современных отечественных квантово-размерных лазерных диодов(КЛД) и фотодиодов , позволяющих осуществлять радиочастотную модуляцию и демодуляцию в ВОЛЗ до 12 ГГц [102-103]. С появлением сверх широкополосных отечественных КЛД стало возможным реализация ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне 8 –12 ГГц [115-120,131,132]. Дальнейшие перспективы разработки ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах, связаны с современными разработками оптоэлектронных устройств и фотонных технологий [135]. Из зарубежных авторов по экспериментальному исследованию ОАГ необходимо отметить таких исследоватей, как Наказава М. , Ярив А., Малеки Л., Стив Яо. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы отечественных авторов Григорьянца В. В. , Уткина Г. М., Ильина Ю. Б., Константинова В. Н. , Капранова М. В., Прокофьева В. А. , Дворникова А. А., в которых ОАГ ВОЛЗ и автоколебательные системы с ВОЛЗ анализируются на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. Однако в большинстве из них анализируются стационарные режимы ОАГ без учета сложных коэффициентов передачи КЛД и ВОС. Отсутствуют работы , в которых описываются управляемые по частоте ОАГ , где главным элементом управления является ВОЛЗ. Отсутствуют работы по теоретическому и экспериментальному исследованию управляемых по частоте ОАГ, в которых используются дифференциальные ВОЛЗ на базе Y - и X - направленных оптических ответвителей (НО). Хотя в известной литературе существуют работы [73] , в которых описываются экспериментальное результаты стабилизации частоты ОАГ на основе дифференциальных ВОЛЗ на базе направленных ответвителей. Отсутствуют также работы по влиянию параметров волоконно-оптического тракта и ширины линии генерации оптического излучения МИС , входящего в ОАГ , хотя данная проблема для ОАГ является очень важной , так как ее решение позволяет сформировать требования к МИС и параметром волоконно-оптического тракта (длине, дисперсии, коэффициентам анизотропности ВС и т.п.), для оптимизации управляемых по частоте стабилизированных ОАГ. Отсутствуют также работы по изучению динамических характеристик ОАГ ВОЛЗ, не проанализированы дифференциальные уравнения дл ОАГ, не изучены время переходных процессов автоколебаний ОАГ с дифференциальными ВОЛЗ, использование которых является перспективным. Использование таких ОАГ благодаря подавлению соседних типов колебаний из-за режекции ДВОЛЗ является перспективным. Также нет работ по анализу влияния на частоту генерации температуры ВОС. Круг решаемых в известных работах по теории ОАГ не может удовлетворить современные требования разработчиков . Следует отметить, что стремление получить результаты в аналитическом виде , как правило , приводит к необходимости значительного упрощения модели ОАГ ВОЛЗ, моделей ВОС и КЛД. Это зачастую является причиной того, что большинство особенностей работы ОАГ ВОЛЗ не учитывается, и в конечном итоге могут быть получены даже качественно неверные результаты. Последнее связано с тем , что ВОЛЗ обладают рядом особенностей. Таких как - наличие в качестве МИС (источника оптического излучения) -КЛД с определенной шириной полосы генерации излучения , зависимости АЧХ и ФЧХ КЛД от тока накачки , дисперсионный характер по оптическим частота МИС запаздывания в протяженном волоконно-оптическом тракте; распределенный характер возбуждения ВС и приема светового излучения ФД; наличие в компонентах оптических НО Х -типа оптической распределенной связи между каналами, наличие оптической связи между разными оптическими модами и распространяющимися типами световых излучений с разными задержками и т.п. Причем все это связано в неразрывное целое, представляющее ВОЛЗ. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы [ 46,52,55 ] , в которых ОАГ ВОЛЗ анализируется на основании укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. В этих работах , из разложения управляющего сопротивления ОАГ ВОЛЗ в ряд Тейлора по малому запасу по самовозбуждению и малой частотной расстройке ( относительно собственной частоты резонансной системы) получены довольно простые дифференциальные уравнения для автономного ОАГ ВОЛЗ с одиночным волоконно-оптическим световодом без учета оптической связи излучений внутри ВОС, без учета ширины полосы генерации МИС. Однако, на практике применяются режимы работы ОАГ с запасами по самовозбуждению соизмеримыми и даже больше единицы , а ВОЛЗ могут представлять сложные структуры , например, на базе дифференциальных ВОС, а используемые в ВОЛЗ КЛД работать в СВЧ диапазоне. Можно предположить, что точность определяемых по УДУ статических и динамических характеристик ОАГ существенно зависит от запаса по самовозбуждению, ширины линии излучения МИС, а также количества учитываемых световодов разной длины в ВОС. Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение управления частотой ОАГ, работающего в диапазоне СВЧ частот 8-12 ГГц, а также диапазоне ВЧ частот 5- 100 МГц. Исследование методов оптического и электронного управления частотой с помощью изменения условий возбуждения составной ВОС и током смещения квантово-размерного лазерного диода (КЛД). Исследование ФЧХ и АЧХ квантово-размерного ЛД. На основании исследования дифференциальных уравнений и уравнений баланса фаз и амплитуд ОАГ ВОЛЗ, коэффициентов передачи КЛД, ВОС провести анализ применения ОАГ ВОЛЗ в режимах управления частотой колебаний , дать практические рекомендации по использованию электронных методов управления частотой ОАГ ВОЛЗ. Провести исследования в качестве основных схем для управления частотой генерации ОАГ на базе дифференциальных ВОС с направленными ответвителями Х и Y - типов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи : - построение теоретической модели перестраиваемого по частоте ОАГ с учетом сложной топологии ЛЗ, работы КЛД в диапазоне СВЧ и ВЧ при разных превышениях тока накачки над пороговым значением , ширины полосы источника излучения, дисперсии световода . - проведение теоретического и экспериментального изучения ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода (КЛД) с учетом различных превышений тока накачки над пороговым значением; - теоретическое и экспериментальное изучение оптических методов управления частотой генерации в ОАГ с различными ВОС : на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем Y- типа, на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем Х -типа, на базе одиночных многомодовых регулярных и, а также ВОЛЗ со сложной топологией. Выработка рекомендаций на основе анализа различных ВОЛЗ перестраиваемых ОАГ и выбору компонент. - построение теоретической модели ОАГ на основе УДУ с ЗОС с учетом сложной топологии ВОЛЗ и использование этой модели для анализа переходных процессов в ОАГ с ДВОЛЗ , расчет динамических характеристик ОАГ ДВОЛЗ с учетом особенностей работы ДВОЛЗ и без ограничений на величину запаса по самовозбуждению; - реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в диапазоне 8-12 ГГц; - теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей частоты от тока смещения квантово размерного лазерного диода (КЛД); - реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в ВЧ диапазоне 4-50 МГц. В соответствии с поставленными задачами изложение материала в работе проводится в следующей последовательности. В главе 1 дано описание функциональной схемы ОАГ и базовой математической модели ОАГ. В схему ОАГ входят, последовательно замкнутые в кольцо, модулированный источник света (МИС) – квантоворазмерный лазерный диод (КЛД), волоконно-оптическая система ВОС на базе одномодового мало дисперсионного световода ВС0 или составной ВОС на базе двух (или нескольких ВС1……ВСn ) c разными длинами, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО ) Y – или X- типов, сверхширокополосного СВЧ фотодиода (ФД), нелинейного широкополосного усилителя (У), радиочастотного фильтра (РФ). КЛД представляет собой сверх широкополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц. Волоконно-оптическая система (ВОС) в ОАГ построена на базе кварцевых одномодовых волоконных световодов с малой дисперсией tд=1-3 пс/(нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать в ОАГ мало дисперсионную линию задержки СВЧ радиосигналов с временем запаздывания Tз=10-100 мкс с относительной временной дисперсией tд /Tз = (2 – 6) 10-7( нм)-1 за счет ширины полосы излучаемого оптического излучения КЛД . Одной из особенностей ОАГ является то ,что селекция радиочастотных типов колебаний может осуществляется в ВОС. ВОС на базе структуры одномодовых ВС0 …, ВСn разной длины L1 …,Ln соединенных между собой волоконно- оптическими направленными ответвителями (НО) Y - или Х - типов позволяют формировать совместно с КЛД и ФД перестраиваемые режекторные и полосовые узкополосные фильтры. Фотодетектором в ВОЛЗ ОАГ является сверхширокополосный СВЧ полупроводниковый фотодиод на основе InGaAs структуры. В главе рассмотрен автогенератор ОАГ ,в котором дифференциальная волоконно-оптическая система ВОС образована системой последовательно соединенных одного волоконно-оптического световода ВС0 и двух световодов ВС1 и ВС2, с разными геометрическими длинами L1 L2 и ,соответственно, разными в них задержками T1 и T2. Коэффициенты возбуждения световодов ВС1 и ВС2 составляют А и В равны А =P1/P0 и В =P2/P0 , где P1 ,P2– оптические мощности вводимые в световоды ВС1 и ВС2 соответственно, а Р0= P1 +P2. Синусоидальный радиосигнал Iлд(j?), поступающий на вход КЛД лазерного диода, модулирует по интенсивности оптическое излучение КЛД. В ВОС, образованной системой из одного ВС0 и двух ВС1 и ВС2 осуществляется задержка светового сигнала на среднее время Т. На выходе фотодетектора получается радиосигнал с током равным IФ(j?). При прохождении нелинейного усилителя У, сигнал имеет усиление с появлением радиочастотных составляющих (гармоник) в его спектре. При прохождении радиочастотного фильтра РФ с собственной частотой fф и постоянной времени Тф гармоники выше первой подавляются и на выходе РФ имеем синусоидальное радиоколебание задержанное по времени. При соблюдении баланса амплитуд и фаз в такой системе возникают автоколебания с частотой f=fг и амплитудой U(t) . При взаимном изменении оптических мощностей вводимых в световоды ВС1 и ВС2 P1 ,P2 суммарный фазовый сдвиг сигнала огибающей в такой дифференциальной ВОС изменяется, а следовательно, изменяется частота генерации ОАГ .Реализация изменений оптических мощностей P1 ,P2 в ОАГ может осуществляться механически или электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y- и Х- типа. Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на базе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) для автогенератора (АГ) с запаздывающей обратной связью (ЗОС) составлена для медленно меняющихся амплитуды и фазы квазигармонического сигнала с учетом использования в ОАГ составной дифференциальной ВОЛЗ и ВОЛЗ со сложной топологией. Важным моментом при составлении УДУ ОАГ является снятие ограничений на величину запаса по самовозбуждению. Особенностью данных ДУЗ является учет в них параметра оптической частоты ? =?л МИС КЛД, который определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Этот учет производится в коэффициенте показателя преломления материала Nвс(?) световедущей жилы световодов ,зависящего от оптической частоты КЛД ?л , коэффициентах возбуждения A ,B и оптической связи световодов Cсв. Исследования ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ (ДВОЛЗ) на базе УДУ с ЗОС выявили особенности зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации при изменении коэффициентов возбуждения световодов в переходном и стационарном режимах работы ОАГ. Изменения коэффициентов возбуждения световодов в ДВОС приводят к изменению характера временных зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ. Получено из анализа уравнений УДУ выражение для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ при ее управлением током накачки квантоворазмерного ЛД и параметрами ВОС. В главе 2 с целью исследования управления ОАГ при изменении тока смещения КЛД произведены анализ математической модели квантоворазмерного лазерного диода и изучение его коэффициента передачи от постоянного тока накачки (смещения). При этом изучены особенности фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) (КЛД) для одночастотного и многочастотного режимов оптической генерации КЛД. Ранее ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода в частотном диапазоне 1-12 ГГц не исследовались. Одной из целей исследования КЛД являлось получение зависимостей ФЧХ и АЧХ для модели КЛД, с учетом многих оптических частот его генерации. Получено теоретическое объяснение влияния появляющихся в излучении КЛД дополнительных оптических гармоник на суммарную ФЧХ и АЧХ при больших токах превышения над пороговым значением. Изложены результаты экспериментальных исследований ФЧХ и АЧХ квантоворазмерного ЛД в СВЧ диапазоне (1-12 ГГц) при различных токах накачки ,а также при управления радиочастотой генерации ОАГ в диапазоне 8- 12 ГГц током накачки ЛД. В эксперименте использовался квантово-размерный InGaAlAs/InP лазерный диод с длиной волны излучения 1.3 мкм. Анализ полученных экспериментально спектрограмм оптического спектра генерации КЛД для разных токов смещения показал, что при превышениях порогового тока смещения примерно в два раза, оптическая генерация КЛД является многочастотной. Из экспериментальных и теоретических исследований зависимостей ФЧХ, АЧХ КЛД при разных токах накачки сделан вывод , что крутизна фазовых сдвигов в ФЧХ за счет малых вариаций тока смещения КЛД при токах больше 60 мА на два порядка меньше, чем при токах смещения 20-35 мА. При этом при рабочих токах смещения КЛД больше 60мА, вариации радиочастоты генерации ОАГ за счет малых изменений токов смещения снижаются на два порядка. Сделанные выводы из теоретического и экспериментального исследования характеристик КЛД использованы в качестве рекомендаций по выбору параметров и режимов экспериментального образца ОАГ на базе КЛД. Исследование ФЧХ и АЧХ КЛД дали возможность расчета зависимости частоты генерации от тока смещения КЛД. В главе 3 рассмотрены оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ направленных ответвителей Y- и Х – типов. При рассмотрении способов управление частотой ОАГ путем изменений параметров ВОС был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОС на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y - и X- типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС1 и ВС2 в дифференциальной ВОС. В результате теоретического анализа получены приближенные выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y-типа и Х типов. Показано, что при использовании в ДВОС НО Х-типа существует зависимость коэффициента оптической связи Ссв от оптической частоты излучения МИС КЛД Ссв =С0 (1+С1 ?л), в котором С0 и С1 –вещественные коэффициенты, зависящие от показателей преломлений материала световодов, граничной среды и их геометрических размеров. Поэтому в ОАГ с дифференциальной ВОС и НО Х-типа реализуется управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД ?л. В результате исследования зависимостей частоты и амплитуды генерации ОАГ при вариации параметров ВОС получены новые, ранее неизвестные в литературе, закономерности изменения частоты в ОАГ (линейный -при использовании НО Y-типа и вариации коэффициентов возбуждения в одном оптическом канале, квазилинейный- при использовании НО Yтипа и вариации коэффициентов возбуждения в двух оптических каналах, и периодический sin(CвсZ) (при использовании НО Х-типа посредством продольной оптической связи). Рассмотренные методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ, На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ оформлены авторские свидетельства и патенты. В главе 4 дается описание экспериментальных исследований ОАГ ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ диапазонах , а также результаты исследований влияния на частоту генерации тока смещения лазерного диода при малых и больших превышения накачки над пороговым значение. Особое место занимают описания результатов и их обсуждение экспериментальных исследований лазерного диода в ВЧ диапазоне. Из экспериментальных исследований разработанных на базе ОАГ ВОЛЗ функциональных преобразователей (ФП) физических величин (электрических тока и напряжения) сделаны выводы по их использованию в энергетических системах. Описаны экспериментальные исследования ОАГ с дифференциальными ВОС на базе двух световодов разной длины и направленных ответвителей (НО)Y – и Х-типа. Впервые в ОАГ с НО Х-типа были измерены периодические зависимости частоты сигнала генерации при перестройки частоты оптическим методом . Показано, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами , проведенными в третьей главе. Экспериментально реализованы схемы управляемых по частоте ОАГ ВОЛЗ током смещения КЛД в СВЧ и ВЧ диапазонах на частотах 8 - 12 ГГц и 5- 50 МГц, соответственно. Экспериментально показывается, что при больших превышениях тока смещения Iсм =60-75 мА (Iсм /Iсмпор =5-8) над пороговым значением Iсмпор крутизна изменений частоты генерации ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается в 30- 100 раз ( чем при малых токах смещения) и составляет менее 10 кГц/мА для средних частот генерации ОАГ 8 – 12 ГГц. В Заключении подводится итог проделанной работы. После анализа системы ОАГ, проведенного в данной работе, сформулированы выводы. В конце работы представлен список использованной литературы. {mospagebreak} УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ СВЧ И ВЧ ДИАПАЗОНОВ С ПОДКАЧКОЙ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук МОСКВА - 2005 Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета) Научный руководитель – к.т.н., профессор КАПРАНОВ Михаил Владимирович Официальные оппоненты – д.т.н., профессор СМОЛЬСКИЙ Сергей Михайлович к.т.н., доцент МУСЯНКОВ Михаил Иванович Ведущая организация – ОАО «Концерн радиостроения «Вега» Защита состоится « » июня 2005 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А - 402. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ). С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан « » мая 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Курочкина Т.И. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, компактных, малошумящих, высокостабильных радиочастотных генераторов, работающих в СВЧ диапазоне от 3 до 600 ГГц в гибридном и интегральном исполнении, обладающих широкой спектральной перестройкой. Подобные устройства формирования колебаний в диапазонах сантиметровых и миллиметровых длин волн необходимы при построении современных радиолокационных систем и антенно-фидерных трактов, спутниковых и космических линий связи, создании высококачественной аппаратуры для измерительной техники. Использующиеся в настоящий момент в радиотехнических системах известные генераторы СВЧ являются для многих решаемых задач неприемлемыми. Так, автогенераторы на диэлектрических резонаторах имеют ограничения по уровню фазовых шумов по диапазону частот до 20 ГГц. Одним из способов создания перестраиваемых малошумящих генераторов в области частот 5 – 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) с запаздыванием сигнала в ней от 2 до 10 мкс с малыми потерями электрической мощности от 1 до 10 дБ. В состав ВОЛЗ входят последовательно соединенные – модулированный источник света (МИС) – квантово-размерный лазерный диод (КЛД), волоконно-оптическая система (ВОС) на базе одного или нескольких волоконно-оптических световодов и фотодиод (ФД) (рис.1). Появившаяся недавно современная отечественная элементная база оптоэлектронных компонент – сверхширокополосные квантово-размерные лазерные диоды (КЛД) и фотодиоды – позволяет реализовать малошумящие малодисперсионные ВОЛЗ в диапазонах 0.01 – 12 ГГц и на их основе создать малошумящие, высокостабильные и управляемые по частоте автоколебательные системы. Появляется возможность производить эффективное управление частотой ОАГ оптическими методами в дифференциальной волоконно-оптической линии задержки (ДВОЛЗ) и электронными методами, изменяя ток накачки КЛД и параметры радиочастотного фильтра (РФ). Высокие эксплутационные характеристики ОАГ с ВОЛЗ позволяют им успешно конкурировать в области СВЧ и КВЧ (5 – 100 ГГц) с традиционными автогенераторами. Наличие оптического канала в ОАГ с ВОЛЗ, их малые вес и габариты делают их перспективными в качестве опорных генераторов в доплеровских оптических бортовых локаторах, а также в качестве функциональных преобразователей физических величин. Однако в настоящее время данный тип генераторов недостаточно теоретически и экспериментально изучен. Из зарубежных ученых в области экспериментальных исследований ОАГ необходимо отметить таких исследователей, как Наказава М., Ярив А., Малеки Л., Стив Яо. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы отечественных авторов Григорьянца В.В., Уткина Г. М., Ильина Ю. Б., Константинова В. Н., Прокофьева В. А., Дворникова А. А., в которых ОАГ с ВОЛЗ анализируется на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. В этих работах путем разложения управляющего сопротивления ОАГ с ВОЛЗ в ряд Тейлора в области малого запаса по самовозбуждению получены простые дифференциальные уравнения автономного ОАГ с ВОЛЗ, содержащей одиночный волоконно-оптический световод. Вместе с тем, на практике применяются режимы работы ОАГ с большими запасами по самовозбуждению. ВОЛЗ в ОАГ могут представлять собой сложные волоконно-оптические структуры, например, составные дифференциальные ВОЛЗ. Используемые в ВОЛЗ в качестве МИС КЛД могут работать в СВЧ диапазоне. Управление частотой ОАГ в дифференциальных ВОЛЗ можно осуществлять изменением тока накачки КЛД, изменением оптических параметров волоконно-оптических направленных ответвителей различных типов, а также изменением оптической частоты КЛД. Имеющиеся работы по исследованию ОАГ не дают возможности определять основные свойства и зависимости характеристик ОАГ при управлении частотой генерации перечисленными электронными и оптическими методами. Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы. Цель и задачи работы Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование способов оптического и электронного управления частотой генерации ОАГ с помощью изменения условий возбуждения дифференциальной ВОЛЗ и тока смещения квантово-размерного лазерного диода при работе ОАГ в ВЧ и СВЧ диапазонах 3– 50 МГц и 1–12 ГГц соответственно. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи: -построение математической модели ОАГ на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) с запаздывающей обратной связью (ЗОС) с учетом сложной топологии ВОЛЗ, без ограничения на величину запаса по самовозбуждению и использование этой модели для анализа переходных процессов в ОАГ с ДВОЛЗ; -проведение теоретического и экспериментального исследования ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода; -теоретическое и экспериментальное исследование оптических методов управления частотой генерации в ОАГ с дифференциальными ВОЛЗ с разными направленными ответвителями (НО) Y – и Х – типов; -реализация экспериментального образца и экспериментальные исследования ОАГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах. В соответствии с поставленными задачами изложение материала в работе проводится в следующей последовательности: -построение теоретической модели ОАГ на основе УДУ с ЗОС с учетом сложной топологии ВОЛЗ; -теоретический и экспериментальный анализ ФЧХ и АЧХ КЛД; -исследование оптических методов управления частотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с разными НО Х– и Y – типов; -экспериментальные исследования ОАГ в ВЧ и СВЧ диапазонах. Методы исследования Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории нелинейных колебаний применительно к решению дифференциальных укороченных уравнений с запаздывающей обратной связью. Новые научные результаты, полученные в диссертации. - На основе УДУ с ЗОС построена математическая модель ОАГ с учетом сложной топологии волоконно-оптической линии задержки (из двух или несколько световодов разной длины, возбуждаемых в разной степени). На основании построенной программы в системе MatLab проанализированы переходные процессы в ОАГ с ВОЛЗ. - Произведено теоретическое и экспериментальное изучение ФЧХ и АЧХ КЛД при малых и больших превышениях тока накачки над пороговым значением в диапазоне частот 0.1-12 ГГц. - Теоретически и экспериментально исследованы оптические методы управления частотой генерации ОАГ с ВОЛЗ с помощью волоконно- оптических направленных ответвителей Y– и Х – типов. - Реализован экспериментальный макет ОАГ, работающий в диапазоне 8-12 ГГц и исследованы зависимости частоты от тока смещения квантово-размерного лазерного диода. - На основании теоретического и экспериментального анализа разработаны рекомендации по построению схем и выбору параметров для управления частотой ОАГ при изменении тока смещения КЛД и при изменении параметров направленных ответвителей Y- и Х- типов. Практическая значимость. - Проведенные теоретические и экспериментальные исследования ОАГ на частотах от 3 МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать управляемые по частоте ОАГ (путем изменения тока смещения КЛД и параметров направленных ответвителей Y– и Х – типов) для создания гетеродинов и синтезаторов частоты в ВЧ и СВЧ диапазонах. - Экспериментальное и теоретическое исследование зависимостей частоты ОАГ от тока смещения КЛД дают возможность разработать новые эффективные способы управления и стабилизации частоты ОАГ. - Проведенные исследования АЧХ и ФЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц дают возможность эффективно использовать КЛД и выбирать его режимы при разработке ОАГ. -Проведенные исследования позволяют разрабатывать на основе ОАГ схемы функциональных преобразователей физических величин. - Проведенные исследования ВОЛЗ на частотах от 3МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать перестраиваемые линии задержки радиосигнала с временем запаздывания от 0.01 мкс до 100 мкс. Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы в практической деятельности НИИКП, в научно-исследовательских работах МГТУ им. Баумана и учебном процессе МЭИ (ТУ). Положения выносимые на защиту. -Математическая модель ОАГ с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки с направленными ответвителями Y– и Х– типов на базе укороченных дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью. -Математическая модель квантово-размерного лазерного диода на основе дифференциальных уравнений, результаты исследования АЧХ и ФЧХ КЛД при различных токах смещения. -Результаты исследований методов управления частотой ОАГ с ДВОЛЗ током смещения КЛД и изменением оптических параметров направленных ответвителей Y– и Х– типов. -Результаты исследований зависимостей частоты генерации ОАГ, работающих в ВЧ и СВЧ диапазонах от изменений параметров схемы. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: II Научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении» - Сочи, 2004; Межотраслевая научно-техническая конференция «Стабилизация частоты» - Москва – Иваново, 1986 г.; III-я ВНТК «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» -Таллинн, 1987г.; Научно-техническая конференция «Волоконно-оптические системы передачи»- Донецк, 1988г.; Научно-техническая конференция «Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах» -Москва, 1987г.; Научно-техническая конференция «Лазерные системы и их применение» - Кострома, 2004г. Публикации Основные результаты диссертации изложены в работах [1-17], в том числе в 4 статьях , 3 авторских свидетельствах, 1 патенте, 9 тезисах докладов. Структура и объем работы Работа общим объемом 338 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит, помимо основного текста, 83 рисунка, библиографию из 135 наименований. Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются основные цели и задачи работы. В главе 1 дано описание функциональной схемы ОАГ (рис.1) и базовой математической модели ОАГ. В схему ОАГ рис.1 входят последовательно замкнутые в кольцо модулированный источник света (МИС) – квантово-размерный лазерный диод, дифференциальная волоконно-оптическая система (ДВОС), состоящая из световода ВС0 и двух ( или нескольких) световодов ВС1 , ВС2 с разными геометрическими длинами L1 и L2 и, соответственно, разными в них задержками T1 и T2, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО) Y – или X – типов, фотодиод (ФД), нелинейный широкополосный усилитель (ШПУ), радиочастотный фильтр (РФ) и ответвитель ОТ. КЛД представляет собой сверхширокополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц. Рис.1 Функциональная схема ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ . Коэффициенты возбуждения световодов ВС1 и ВС2 А и В равны А =P1/P0 и В =P2/P0 , где P1 , P2 – оптические мощности, вводимые в световоды ВС1 и ВС2 , соответственно, а Р0= P1 +P2. Синусоидальный радиосигнал Iм(j2? f) , поступающий на вход МИС лазерного диода, модулирует c частотой f по интенсивности его оптическое излучение. В ДВОС, образованной системой из световодов ВС0, ВС1 и ВС2 , осуществляется задержка светового сигнала на среднее время Т. На выходе фотодетектора ФД получается радиосигнал с током равным IФд(j2? f ). При выполнении баланса амплитуд и фаз в такой системе ОАГ возникают автоколебания с определенной радиочастотой f=fг и амплитудой U. При взаимном изменении оптических мощностей P1 , P2, вводимых в световоды ВС1 и ВС2 суммарный фазовый сдвиг сигнала огибающей в такой дифференциальной ВОС изменяется , а следовательно, изменяется частота генерации ОАГ fг. Реализация изменений оптических мощностей P1 и P2 в ОАГ может осуществляться механически или электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y– и Х– типов (рис. 1). Математическая модель ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) для автогенератора с запаздывающей обратной связью составлена для медленно меняющихся амплитуды U и фазы ? квазигармонического сигнала: Tф (dU(t)/dt) = R [AS1 U(t-t1)cos?1 + BS2 U(t-t2)cos?2] - U(t) (1) Tф U(t) (d?/dt) = R [ ? AS1 U(t- t 1)sin?1 + BS2 U(t-t2)sin?2] + +2? ( fф - f0) Tф U(t) где Ф1,Ф2 -текущие фазовые набеги, Ф1=2? ??(fф - fо) - ?(t) + ? (t –t1), Ф2=2? ??(fф - fо) - ?(t) + ? (t –t2), t1 = T – (T1-T2)/2, t2 = T + (T1-T2)/2, Т= (Т1+Т2)/2, ? = (T1-T2)/2, S1=S(U(t + t1)), S2=S(U(t - t2)); fф ,Tф – собственная частота и постоянная времени РФ, соответственно; fо – опорная частота колебаний; R– модуль управляющего сопротивления на частоте близкой к fф; S – средняя крутизна вольт-амперной характеристики активного элемента ШПУ (S = g1•U? – g2•U? , где g1, g2 - постоянные коэффициенты). Времена задержек светового сигнала в световодах ВС0, ВС1 и ВС2 – T0 , T1 , T2 ,соответственно, равны Т0= L0 N(?)/c,T1=L1 N(?)/c, T2=L2 N(?)/c, где c-скорость света в свободном пространстве, ? =?л – оптическая частота МИС КЛД, N(?) – показатель преломления световедущей жилы световода. При этом в УДУ произведен учет характеристик дифференциальной и сложной по топологии ВОЛЗ. Важным новым моментом при составлении УДУ ОАГ является снятие ограничений на необходимость малого запаса по самовозбуждению. Особенностью данных уравнений является учет в них параметра оптической частоты КЛД ? =?л , который определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Показано, что изменения коэффициентов возбуждения световодов в ДВОЛЗ приводят к изменению характера временных зависимостей установления частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ. Из анализа УДУ получено выражение для частоты fг стационарных колебаний в системе ОАГ (рис.1) при ее управлении током смещения КЛД и при изменении параметров ВОС: fг =(fф( Iу ) •Tф + m)/[Tф + Т0 + ? л(fф, I0)/fф +? вос(fф, А(I1),В(I2))/fф ] (2) где m=1,2,3…; ?лд(fф, I0), ?вос(fф ,(I1),В(I2)) – ФЧХ лазерного диода и волоконно-оптической системы, соответственно; I0 , Iу , I1 , I2 –постоянные составляющие токов управления КЛД, собственной частотой фильтра РФ fф, коэффициентов возбуждения световодов ВС1 и ВС2, соответственно. В главе 2 с целью исследования управления частотой генерации ОАГ током смещения квантово-размерного лазерного диода произведены анализ математической модели КЛД и зависимостей его коэффициента передачи от тока смещения. При этом изучены особенности ФЧХ и АЧХ КЛД для одночастотного и многочастотного режимов оптической генерации КЛД. АЧХ K(f) и ФЧХ ?(f), рассчитанные в режиме малого сигнала для одночастотной оптической генерации КЛД представлены на рис.3 для разных токов смещения от 12 до 80 мА. Изложены результаты экспериментальных исследований ФЧХ и АЧХ квантово-размерного ЛД в СВЧ диапазоне 0.1– 12 ГГц при различных токах смещения. В эксперименте использовался квантово-размерный лазерный диод InGaAlAs/InP с длиной волны излучения ?= 1.3 мкм. Экспериментально установлено, что при больших токах накачки КЛД работает в режиме многочастотной оптической генерации (рис.3). На основе исследований КЛД выработаны рекомендации по выбору параметров и режимов экспериментального образца ОАГ на базе КЛД. Рис.2 Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные(пунктирные) зависимости АЧХ и ФЧХ КЛД для разных токов смещения I=I0 КЛД. Рис.3 Экспериментальные ватт–амперная характеристика и оптические спектры КЛД для разных токов смещения I и выходной оптической мощности Р. В главе 3 рассмотрены оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ волоконно-оптических направленных ответвителей Y – и Х – типов. При исследовании способов управления частотой ОАГ путем изменения параметров волоконно-оптической системы (ВОС) (рис.4 и рис.5) был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОЛЗ на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y– и X – типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС1 и ВС2 в дифференциальной ВОЛЗ. Получены выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y– типа и Х– типов. Рис.4 Расчетные и экспериментальные зависимости (б) амплитуды U и частоты f генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Y - типа. Выражение для частоты генерации в стационарном режиме ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленным ответвителем Х-типа (рис.5) записываются в виде: f г =(fф Tф + m)/(Tф+Т0+T+ ? ? cos2 (2Cсв?Z)) (3) где Z –длина участка оптической связи в НО X –типа , Ссв -коэффициент оптической связи. Показано, что при использовании в ДВОЛЗ НО Х-типа существует зависимость коэффициента оптической связи Ссв от оптической частоты излучения МИС КЛД : Ссв =С0 (1+С1 ?л), где С0 и С1 –вещественные коэффициенты, зависящие от показателей преломлений материала световодов, граничной среды и их геометрических размеров. Рис.5 Экспериментальные (сплошные линии) и расчетная (пунктирная линия ) зависимости (б) амплитуды и частоты генерации ОАГ с ДВОЛЗ с НО Х-типа. Установлено, что одной из особенностей ОАГ является связь оптической частоты КЛД с радиочастотой автоколебаний ОАГ. В ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ и направленным ответвителем НО Х-типа реализуется управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД ?л. Исследования ДВОЛЗ показали, что частотный диапазон перестроек составляет от 1 до 20 %, а крутизна изменений частоты генерации от взаимного смещения световодов составила от 10Гц/мкм до 10 кГц/мкм . Рассмотренные оптические методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ. На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ, оформлены авторские свидетельства и патент [5-8]. Рис.5 Экспериментальные зависимости ватт-амперной характеристики (ВАХ) КЛД Р(I)(а) , амплитуды U(I) (а) и частоты f(I) (б) генерации ОАГ в СВЧ диапазоне . В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований реализованных схем управляемых по частоте ОАГ (током смещения КЛД) в ВЧ и СВЧ диапазонах на частотах 3-50 МГц и 8 – 12ГГц. Исследованы зависимости частоты генерации ОАГ от тока смещения КЛД (рис. 5) в одночастотном режиме при средней частоте генерации 8.2 ГГц. Установлено, что при увеличении длины малодисперсионного одномодового световода в ВОЛЗ до 60 – 4460 м (соответствует задержкам сигнала в ВОЛЗ 5 нс – 22.3 мкс) и больших превышениях тока смещения I =60-75 мА над пороговым Iпор (примерно I /Iпор =5– 8) крутизна изменений частоты генерации fг ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается примерно в 30 – 1000 раз и составляет менее 0.03 –1 кГц/мА . Показано, что в ОАГ в СВЧ диапазоне происходит стабилизация частоты за счет использования ВОЛЗ с большим временем запаздывания. В Заключении подводится итог проделанной работы и сформулированы выводы. Выводы. 1.Управление частотой в ОАГ с дифференциальными ВОС в диапазоне 0-12 ГГц можно проводить оптическими методами с использованием направленных ответвителей Y- и Х- типов и электронными методами при изменении тока смещения КЛД. 2. Проведенный анализ на основе укороченных дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью позволил выявить новые закономерности зависимостей перестройки частоты от управляющих параметров: линейную, квазилинейную (для НО Y-типа) и периодическую (для НО Х– типа). 3. Анализ ОАГ с дифференциальной ВОС с НО X-типа выявили новый вид управления радиочастотой ОАГ при изменении оптической частоты КЛД. Предложено использовать данный вид управления частотой ОАГ в системах стабилизации оптической частоты лазеров и волоконно-оптических системах скрытой передачи информации. 4. Проведенные исследования ФЧХ и АЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц при токах смещения КЛД от 10 до 80 мА определили допустимый рабочий диапазон токов смещения КЛД – (60 – 75 мА), при котором достигаются минимальные уходы частоты ОАГ от малых вариаций тока смещения. Сделаны рекомендации по выбору режимов работы КЛД при использовании их для разработки управляемых ВОЛЗ СВЧ сигнала поднесущей, содержащих НО Y – и Х – типов, с временами запаздывания от 0,01мкс до 100 мкс. 5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований ОАГ и его элементов (КЛД, ВОС) на частотах до 12 ГГц сделаны рекомендации по созданию управляемых по частоте ОАГ СВЧ диапазона для построения специальных опорных автогенераторов, имеющих два выхода – электронный и оптический. Список публикаций 1. , Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Расчет квазистационарного режима импульсных твердотельных оптических квантовых генераторов // Труды ин-та / Московский энергетический институт. – 1982. – Вып. 579. – С.79–82 2. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Передаточная функция составной волоконно-оптической линии задержки // Радиотехника. – 1988.– № 8. – С.8–10. 3. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Перестройка частоты автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989г. – № 3 . – С.68–70 . 4. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Влияние эффективности возбуждения световодов на частоту автогенератора с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989 г. – № 7. – С.84–89. 5. А.с.№1538265 СССР, МКИ3 H03K 9/00А. Устройство функционального преобразования в частоту / ., Ильин Ю. Б. и др. (СССР). – 9 c. 6. А. с. №1506508 СССР, МКИ3 H 03C 3/00. Формирователь частотно-модулируемых сигналов / Белов Л. А., . и др. (СССР). – 7 с. 7. А. с. №1485750 СССР, МКИ3 H 03 K 9/00А. Волоконно-оптический датчик физических величин / Бабкина Т. В., и др. (СССР). – 8 с. 8. Патент по заявке №2004134384 RU, МПК3 7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированного сигнала / , Ильин Ю. Б. – 10 с. 9. , Григорьянц В. В. и др. Частотные и фазовые характеристики автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Стабилизация частоты: Сб. докл. – М., 1986. – С.63–67. 10. Бабкина Т. В., , и др. – Использование автогенератора с волоконно-оптической линией задержки для контроля качества изготовления многомодовых световодов // Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации: – Тез. докл. III-ей ВНТК .– Таллинн, 1987. – С. 87–88 . 11. , Ильин Ю. Б. и др. - Измерительные устройства на основе лазерного автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Применение лазеров в технологии, системах передачи и обработки информации: Тез. докл. III-ей ВНТК. –Таллинн, 1987.– С. 99 – 100 . 12. Фазочастотная и амплитудночастотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез.докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 87 – 91. 13. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконно-оптической линией задержки // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. научн.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 35–38. 14. Экспериментальное и теоретическое исследования фазочастотной и амплитудно-частотной характеристик мезаполоскового лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. науч.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 39–41. 15. , Ильин Ю. Б. Оптически и электрически перестраиваемый опто-электронный автогенератор СВЧ с ЖИГ-фильтром //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14-21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 79–81. 16. , Ильин Ю. Б. Новый малошумящий генератор СВЧ с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14 –21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 70–71. 17. , Ильин Ю. Б. Разностный опто-электронный автогенератор СВЧ с крайне низким уровнем фазовых шумов // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С.84–86. Подписано в печать Зак. Тир. П.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13