Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

В настоящее время техника генерации ВЧ и СВЧ колебаний с малыми шумами достаточно развита. Рынок коммерчески доступных различных генераторов существуют как в России, так и за рубежом.

К широко востребованным малогабаритным моделям генераторов относятся кварцевые и ПАВ генераторы без умножения и с умножением частоты, генераторы с ЖИГ- резонатором, генераторы на диодах Ганна, малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами на керамике и с диэлектрическими резонаторами на волнах шепчущей галереи на кристалле лейко-сапфира и др. Такие генераторы применяются для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах, компьютерной технике, навигационных системах и др.. Некоторые специальные задачи по долговременной стабилизации частоты решаются с использованием цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, которые также являются коммерчески доступными, хотя и относительно дорогими устройствами. Появились работы по компактным стандартам частоты [159]. В последнее время в системах связи, а также в радиоэлектронных системах малогабаритных беспилотных летательных аппаратов БПЛА на частотах 2…60 ГГц растет потребность в генераторах СВЧ и КВЧ диапазона в миниатюрном исполнении. В научной печати появились работы по исследованию оптоэлектронных методов генерации в СВЧ и КВЧ диапазонах с применением лазерной, волоконно-оптической и микрорезонаторной технологий. Для сравнения основных характеристик ОАГ с традиционными электронными и оптоэлектронными генераторами в таблице 1.2 представлены их технические характеристики. К этим характеристикам относятся: частота несущей, диапазон перестройки, долговременная стабильность частоты, спектральная плотность мощности фазового шума — СПМФШ, габаритные размеры. В данной таблице 1.1 представлены основные типы генераторов и введены для них следующие обозначения 1- АГ КР — автогенератор с кварцевым резонатором, 2- АГ ПАВР — автогенератор с резонатором на поверхностных акустических волнах, 3- АГ ДКР — автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из керамических сплавов, 4- АГ ДДРлС- автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из лейкосапфира, 5 —АГ ЖИГ- автогенератор с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ), 6- О ЭГ ВОЛЗ —автогенератор с волоконно-оптической линии задержки, 7- О ЭГ ОДР — автогенератор с оптическим дисковым резонатором. 8- Лазер ФСК —лазерный фемтосекундный синтезатор, 9- КСЧ на Cz- квантовом стандарте частоты на ячейке цезия. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии автогенераторов с различными типами резонаторов их можно условно разделить на акустические (КР [9] и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР и ДДРлС [8]) и оптоэлектронные (ВОЛЗ, оптические дисковые резонаторы ОДР [3,7]). Генераторы лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК и квантовый стандарт частоты КСЧ по методам формирования радиочастотных колебаний также можно отнести к оптоэлектронным генераторам.

Таблица 1.2. Характеристики автогенераторов.

В таблице 1.2 приняты сокращения: «СПМФШ» — спектральная плотность мощности фазовых шумов на отстройке 1 кГц /10кГц от несущей 10ГГц. «Долг. нестаб. Частоты» -долговременная нестабильность частоты. «Диап. перестр.» — Диапазон перестройки частоты. «Комм. название» -Коммерческое название.

В квантовом стандарте частоты КСЧ преобразование оптической частоты, которая равна примерно 200 ГГц, в радиочастоту 6,4 ГГц производится с использованием квантовых резонансных свойств атома цезия Cz. В генераторе Лазер ФСК преобразование оптической частоты 438ТГц в частоту 10ГГц производится с использованием биений на фотодетекторе двух «фазированных» оптических частот.

С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в кварцевом КР и ПАВ резонаторами (или линиями задержки). Это приводит к снижению их добротности резонаторов в диапазоне СВЧ. Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС.

Основным недостатком диэлектрического резонатора из лейкосапфира ДДРлС является его сильная зависимость резонансной частоты и фазо-частотной характеристики от температуры (температурная нестабильность резонансной частоты резонатора из лейкосапфира ДДРлС примерно составляет 10 —4 1/град С и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь материала).