Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Применение в ОЭГ одиночного оптического волокна (совместно с малошумящими лазером и фотодиодом) позволяет создать компактную (10 мм х100 мм х100 мм) малошумящую ВОЛЗ высокой добротности1000000 с задержкой более чем 50 мкс (при длине ВС 10 км). Потери электрической мощности передаваемого сигнала в диапазоне частот 0.1 Гц до 50 ГГц составляют при длине ВС не более нескольких километров от —10 дБ до —18 дБ. Этот невысокий уровень СВЧ потерь имеет место за счет относительно высокой крутизны преобразования в лазере, ФД, незначительного оптического затухания в оптических волокнах и направленных ответвителях. Такая ВОЛЗ является устойчивой к высоким ударным и длительным динамическим перегрузкам и ускорению (2—10 g), длительным акустическим воздействиям. У ближайшего альтернативного решения АГ СВЧ резонаторы на монокристаллах сапфира не выдерживают высоких ударных и динамических нагрузок более 100…200 Н/кв. см [140]. С другой стороны, в ВОЛЗ возможно создание задержки колебаний более чем на 50 мкс (при длине ВС 10 км). При этом за счет наращивания геометрической длины оптоволокна, увеличения мощности лазера, использовании в ВОЛЗ малошумящих лазеров удается достичь фазовых шумов ОЭГ менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1 кГц от 10 ГГц.

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

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

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

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

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