Квантовый оптоэлектронный генератор. Глава 1

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории колебаний применительно к решению и моделированию дифференциальных уравнений, полуклассическая теория лазеров, 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.

Порядок представления материала данной диссертационной работы является следующим:

1. Описание разработанной методической концепции исследования малошумящего ОЭГ ВОЛЗ на базе КЛД. Анализ результатов методов генерирования СВЧ колебаний с малыми шумами с использованием традиционных электронных генераторных схем и оптоэлектронных способов формирования СВЧ и КВЧ колебаний. Целью обзора является систематизация данных и выявление преимуществ ОЭГ с КЛД.

2. Описание и анализ различных теоретических моделей и методов изучения ОЭГ, которые наиболее эффективно решают поставленные задачи исследования. К теоретическим моделям относятся: во-первых, модель ОАГ на базе укороченных ДУ с дифференциальной ВОЛЗ. В данной модели, разработанной с учетом многолетнего опыта работы специалистов ведущей кафедры Формирования Колебаний и Сигналов МЭИ по широкому использованию методов нелинейной теории колебаний в радиоэлектронике, ВОЛЗ, состоящая из последовательно соединенных лазера КЛД, оптического волокна и фотодетектора представляется в виде линейного четырехполюсника с заданной передаточной характеристикой, а элементы, входящие в ВОЛЗ, являются линейными элементами с крутизной преобразования и описываются передаточными функциями. Во-вторых, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с прямой амплитудной модуляцией, охваченного положительной обратной связью с использованием оптического волокна, фотодетектора, узкополосного радиочастотного фильтра и нелинейного усилителя. В-третьих, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с внешней модуляцией оптического излучение электрооптическим модулятором Маха-Цендера.

ГЛАВА1. Наноструктурные оптоэлектронные генераторы (ОЭГ)

1.1. Принцип действия и функциональная схема ОЭГ

1.1.1. Оптоэлектронный генератор

(ОЭГ), схема которого показана на рис. 1.1,а является автоколебательной структурой с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) образована последовательно включенными модулируемым источником света (МИС), волоконно-оптической системой (ВОС) и фотодетектором ФД. Модулированным источником света является квантоворазмерный лазерный диод (КЛД). КЛД, о котором подробно описано в главе 3, имеет за счет квантования энергетических зон в переходе, в несколько раз (чем традиционный мезаполосковый лазерный диод) большую выходную мощность, меньший на порядок пороговый уровень тока накачки, меньшие шумы, определяемые спонтанным излучением лазера и меньшую на порядок ширину линии генерации.

В схему ОЭГ, представленную на рис. 1.1,а входят последовательно замкнутые в кольцо МИС на базе КЛД, ВОС, содержащая одно или несколько оптических волокон, ФД, нелинейный широкополосный усилитель (НУ), узкополосный радиочастотный фильтр (Ф) и ответвитель (О) для вывода радиосигнала. При этом в настоящей диссертации подлежат анализу схемы ОЭГ, которые различаются по типу модуляции: 1) ОЭГ с прямой модуляцией излучения КЛД [151] и 2) ОЭГ с внешней модуляцией излучения КЛД электрооптическим модулятором Маха-Цендера (рис. 1.1,а). Схема ОЭГ с внешней модуляцией строится на базе электрооптического модулятора Маха-Цендера (МЦ) [145,172]. При этом в одном из двух каналов МЦ используется оптическая фазовая модуляция (ФМ). Также для модуляции оптического излучения в ОЭГ может быть использован акустооптический модулятор (АОМ) с применением частотной модуляции излучения лазера. Использование разных способов (прямой или внешней) оптической модуляции и её видов: амплитудной, фазовой или частотной (АМ, ФМ, ЧМ) зависит от назначения ОЭГ.

Рис.1.1. Функциональная схема ОЭГ с разными модулированными источниками света (МИС): ОЭГ с квантоворазмерным лазерным диодом (КЛД) с прямой модуляцией и ОЭГ с КЛД с внешнем электрооптическим модулятором;

Рис. 1.2. Спектры колебаний ОЭГ на оптическом и электрическом выходах

Рис.1.3. Вид спектра автоколебаний, генерируемых ОЭГ с КЛД в стационарном режиме одночастотной генерации на частоте 8,2 ГГц (время наблюдения 1 мс).

Например, в ОЭГ высокочастотного диапазона для систем измерения параметров оптического волокна, в частности, при исследовании температурных зависимостей оптического волокна, целесообразно применять лазерный диод или светодиод (СД) с низкочастотной внутренней модуляцией. В СВЧ ОЭГ, пригодных для использования в составе систем связи в качестве, например, малошумящих устройств формирования опорных колебаний с рабочими частотами 5 … 73 ГГц, целесообразно использовать КЛД с прямой и внешней модуляцией. В сверхмалошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона (8…30 ГГц) необходимо использовать КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.

КЛД представляет собой наноструктурный сверхширокополосный мезаполосковый инжекционный полупроводниковый лазерный диод с высокими выходными показателями: мощность излучения – 10…30 мВт, ширина полосы модуляции за счет использования фотонных технологий составляет 10…40 ГГц, крутизна преобразования оптической мощности от постоянного тока накачки составляет 1мВт/10мА. КЛД является наноструктурным элементом, так в его активной части формированы слои из полупроводникового материала, имеющие размеры волны де-Бройля примено 1…10нм. С колебательной точки зрения формирование таких слоев (или квантовых зон) позволяет для электронов, являющимися активными частицами в КЛД, устроить своеобразные автоколебательные системы (АКС) или резонаторы. В таких АКС электроны начинают совершать колебательные движения в результате которых зависимость коэффициента усиления от оптического частоты имеет резко выраженные резонансные пики.

Одной из главных особенностей ОЭГ по схеме рис.1.2 является наличие одновременно существующих двух автоколебательных процессов разного диапазона: оптического и радиочастотного. На схеме рис.1.2 в ОЭГ выделены в отдельные блоки – лазер и кольцо с оптоэлектронной частью, в которое входят замкнутые НУ, Ф, О и модулятор Маха-Цендера (МЦ).

Рис.1.4. Структурная схема ОЭГ: Лазер – КЛД, МЦ – электрооптический модулятор Маха-Цендера, ОУ – оптический усилитель, ВОС – волоконно-оптический система, ФД – фотодетектор, НУ – нелинейный усилитель, Ф —радиочастотный фильтр, О – ответвитель.

Рис. 1.5. Схема малошумящего лазерного ОЭГ с прямой амплитудной модуляцией (ПАМ) КЛД с двумя оптическими каналами (ВС1 и ВС2).

1.1.2. Методическая концепция и особенности исследования ОЭГ

Выделим главные составляющие принятой нами концепции исследования:

Предметом исследования являются колебательные процессы в схемах ОАГ (с внешней и прямой модуляцией (по схемам рис.1.1, 1.2, 1.3)), в своей основе содержащие фазовые и амплитудные принципы модуляции оптического излучения. ОАГ представляет двухдиапазонную автоколебательную систему (АКС), в которой одновременно формируются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах по своим законам.

При этом, в схемах ОЭГ радиочастота модуляции КЛД много больше относительной ширины спектральной линии лазерного излучения. Кроме этого, в ОАГ происходит оптоэлектронное преобразование на фотодетекторе, по крайней мере, двух оптических гармоник в низкочастотный фототок (или радиочастотное колебание) и имеет место гетеродинное фотодетектирование (или самогетеродинирование) при квазикогерентном колебании лазера. Исследуемые схемы ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) с прямой и внешней модуляцией (а также с применением дополнительного подавления одной из трех оптических гармоник и с выравниванием амплитуд оставшихся двух гармоник) содержат в своей структуре исходную базу для применения корреляционного метода подавления фазового шума. В потенциале эти ОАГ обладают высокой степенью подавления фазового спонтанного шума лазера, электронных шумов фотодетектора и усилителя. Выдвижение и разработка данной идеи принадлежит автору диссертации [145]. Можно говорить, что в схемах ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) реализуется (наряду с использованием протяженной кварцевой ВОЛЗ для стабилизации частоты генерации и подавления фазового шума) практический коррелятор. В этом случае режим работы ОЭГ подобен работе разностного генератора, в котором, благодаря генерации на двух частотах, происходит значительное снижение СПМ фазового шума.

Главными решаемыми задачами этой части исследования являются: установление влияния параметров КЛД (тока накачки, фазового шума) и оптического волокна (геометрической длины, показателя преломления, температурной зависимости показателя преломления и др.) на характеристики колебательного радиочастотного процесса ОЭГ, установление влияния шума лазера на шум ОЭГ.

Для математического моделирования лазерного излучения КЛД используется, в частности, известная полуклассическая теория лазера с учетом фазовых соотношений напряженности электрического поля. Это вызвано следующими обстоятельствами.

1.1.3. Полуклассическая теория лазера

(или полуклассическое приближение) с учетом фазовых соотношений составляет одну из методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с активным веществом КЛД используют классические уравнения Максвелла, а свойства вещества описываются векторами поляризации и уровнем населенности носителей на верхнем энергетическом уровне. Далее показывается, что для полупроводникового КЛД три уравнения (для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней) можно свести к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей. В некоторых случаях в настоящей диссертации (например, в главе 3) для описания лазера используются балансные кинетические дифференциальные уравнения Статца де Марса, в которых связь плотности фотонов излучения КЛД и уровня разности населенностей позволяет проанализировать динамику и коэффициент передачи лазера (или КЛД). Однако, при использовании метода балансных уравнений, как всегда, теряются фазовые соотношения, которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов КЛД на радиочастотные выходные шумы ОЭГ. Еще раз необходимо отметить, что большинство анализируемых схем ОЭГ с прямой и внешней модуляцией относятся к схемам с фазовой или амплитудной модуляцией оптического излучения, а в процессе фотодетектирования с самогетеродинированием информация о поднесущей содержится в фазе оптического излучения.

На выбор моделей и их ограничений при исследовании ОЭГ влияет специфика работы КЛД: квантовая природа шума, временная и пространственная когерентность, наличие пространственного распределения по амплитуде напряженности E

(R), по фазе Ф

(R) и по флуктуациям амплитуды m (R) и фазы, соразмерность габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне с длиной волны лазера.

Подчеркнем, что главной целью исследования в этой части является анализ влияния характеристик лазера (оптической мощности вынужденного излучения, уровня спонтанного излучения, фазовых шумов лазера, добротности или постоянной времени оптического резонатора лазера, времени жизни фотонов в оптическом резонаторе КЛД, времени жизни носителей в КЛД) и характеристик оптоволоконного тракта (геометрической длины ОВ, оптических потерь излучения в ОВ и др.) на характеристики ОАГ в целом. Поэтому при анализе лазер или КЛД выделен, как главный элемент. Лазер является оптическим квантовым генератором, генерация колебаний которого осуществляется при использовании вынужденных переходов активного вещества между энергетическими уровнями. Лазер по природе генерации отличается от традиционных электронных генераторов. Он обладает особенностями, одной из которых является квантовая природа шума лазерного излучения. При этом шумы спонтанного выходного излучения лазера, которые определяются временем жизни частиц в возбужденном состоянии, в оптическом диапазоне намного превосходят тепловые шумы.

В схемах с ПАМ и внешней модуляцией малошумящий ОЭГ строится на основе использования фазовых и амплитудных принципов модуляции лазерного излучения. В этом случае фазовые шумы лазера с учетом малости всех остальных шумов НУ и ФД определяют общий уровень фазового шума ОАГ.

1.1.4. Полуклассическое приближение лазера

или КЛД составляет одну из главных методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания лазера (в главах 5 и 6), входящего в состав ОЭГ с ВОЛЗ, используются классические уравнения Максвелла, а свойства вещества или материала активного элемента описываются векторами поляризации. Особенностью подхода в полуклассическом приближении является то, что для конкретного типа лазера с узкополосным резонатором КЛД удается выразить поляризацию вещества через вектор напряженности поля. Это позволяет свести систему из трех уравнений для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей (глава 2). Укорочение такой системы уравнений дает возможность получить систему из трех уравнений для амплитуды, фазы напряженности оптических колебаний и уравнение для населенности носителей активного материала. Такой подход справедлив для процессов с постоянной времени оптического резонатора 10

…10

, которая больше постоянной времени продольной релаксации (поляризации вещества) 10

. При этом, для узкополосных полупроводниковых КЛД (с шириной линии менее 1…1000 МГц) постоянная времени оптического резонатора составляет 10

…10

секунд. Процесс установления населенности в активном веществе КЛД играет важную роль в процессе образования фазовых шумов (определяемых спонтанным шумом) и происходит с постоянной времени (или времени жизни носителей на верхнем энергетическом уровне) 10

…10

.

Описание распространения колебаний в настоящей диссертации в электронной части ОАГ в НУ, Ф и в электрических цепях ведется традиционными методами, используя аппарат теории цепей и теории нелинейных колебаний. Постоянная времени радиочастотного фильтра ОЭГ с добротностью 100…1000 на частоте, например 10 ГГц, составляет примерно 10

…10

секунд. При этом, эта постоянная времени является много большей или сравнимой с постоянной времени оптического резонатора лазера (или КЛД), которая составляет 10

…10

секунд.

Можно отметить, что в ОЭГ одновременно развиваются и наблюдаются два автоколебательных процесса в разных диапазонах: оптическом и радиочастотном с отношением частот примерно 1:2800. Иначе говоря, в ОЭГ можно выделить два различных колебательных процесса на различных частотах или говорить о различных типах генераторов – оптического квантового генератора (ОКГ) с частотой генерации примерно ?

=128 ТГц и радиочастотного генератора (РЧГ) с частотой генерации f

=1…100 ГГц. Оптический квантовый генератор, входящий в состав ОЭГ, при этом является, как бы, источником накачки для радиочастотного генератора ОАГ. Если лазер или КЛД можно выделить в ОЭГ в отдельный блок (рис. 1.2), то радиочастотный генератор (РЧГ) включает в себя лазер или КЛД. С другой стороны, ОЭГ при математическом моделировании в отдельных случаях может быть представлен схемой эквивалентного традиционного радиочастотного генератора с представлением лазера разными математическими моделями, в том числе самой простейшей: линейным или нелинейным элементом с относительно простой передаточной функцией. Например, ВОЛЗ, входящая в состав ОЭГ, может быть представлена линейным четырехполюсником, который описывается Y-матрицей с заданной входной и выходной проводимостью. В последующем анализе в главах 2 и 6 при исследовании ОЭГ используются математические модели на базе дифференциальных уравнений.

В оптическом диапазоне в малошумящих СВЧ ОЭГ поперечные размеры сечения области при фотодетектирования (или «пятна» излучения на светочувствительной площадке фотодетектора) соразмерны с длиной волны лазера. В результате интерференции на площадке фотодетектора двух оптических колебаний и фотодетектирования выделяется полезный электрический сигнал в нагрузке ФД. В отличии от радиочастотного диапазона, в котором поперечные геометрические размеры чипа детектора (например, полупроводникового диода) в 10…1000 раз и более меньше длины волны, поступающих на него электромагнитных колебаний, в оптическом диапазоне поперечные размеры светочувствительной площадки ФД (используемых в малошумящих ОЭГ, которые работают на частотах выше 0,3 ГГц) сравнимы с длиной волны лазерного излучения и составляют 1..5 мкм. В этом случае модель плоской электромагнитной волны для оптических узлов ОЭГ и фотодетекторной площадки необходимо применять с большой осторожностью.

Эти особенности являются определяющими при учете фазовых шумов ОАГ в схемах с прямой амплитудной модуляцией КЛД и внешней модуляцией модулятором Маха-Цендера.

Можно заключить, что в оптическом диапазоне фазовый шум лазера из-за перечисленных причин невозможно исключить, как это делалось во всех предыдущих работах по исследованию ОЭГ других авторов [64—70], при общем анализе фазового шума радиочастотных колебаний ОЭГ. Рассмотрим схему ОЭГ (рис.1.2) более детально.