Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Рис.1.30. Нормированные на время задержки потери мощности при распространении сигнала (колебаний) в 1,2- в радиочастотных кабелях РК-50 и РК-75; в 3,4- в акустических кристаллах в кварце SiO 2 Y- и Z-срезов; 5.6-рэлеевская упругая волна и продольная волна в кристалле LiNbO 3 (без учета потерь в электроакустических преобразователях); 7,8- продольная волна и поверхностная волна «шепчущей галереи» в лейкосапфире; 9 — потери в оптическом волокне (потери примерно 0,2дБ/км на длинах волн 1,3мкм и 1,55мкм); 10,11- при разных потерях в ВОЛЗ с учетом потерь на электронно-оптическое в кванотоворазмерном лазерном диоде и оптоэлектронное преобразование в фотодетекторе ФД и потерь на стыковку оптического волокна ОВ с лазерным диодом и фотодетектором ФД.

На рис.1.15 видно, что с повышением частоты добротность кварцевого КР и ПАВ резонаторов уменьшается из-за потерь акустической волны в материале резонатора, изготовленного из кварца. Для оптоэлектронного генератора О ЭГ добротность ВОЛЗ, которую можно вычислить как, где — средняя частота генерации О ЭГ, — время задержки колебаний (сигнала) в ВОЛЗ, является линейно нарастающей функцией. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии Повтор!) резонаторы автогенераторов можно разделить на акустические (КР и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР, ОбР и ДДРлС) и оптоэлектронные (ВОЛЗ и ОДР). С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в «акустоэлектронных» кварцевом КР и ПАВ резонаторах и это приводит к снижению их добротности на 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 ДДРлС является сильная зависимость резонансной частоты и фазочастотной характеристики от температуры (собственный температурный коэффициент частоты генератора из лейкосапфира ТКЧ составляет). Альтернативным способом увеличения добротности автоколебательных систем является использование механизмов оптоэлектронного преобразования и применение ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов ОДР. Добротность ВОЛЗ на частотах 5—100 ГГц составляет примерно …10 6.

Рис.1.31. Максимальные размеры резонаторов и линии задержки, применяемых в современных в стабильных О ЭГ и автогенераторах СВЧ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек ОВ по годам. Время задержки в ВОЛЗ 50 мкс. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 —Обр- объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейко-сапфира, 6 —ЖИГР-резонатор, 7-ВОЛЗ —волоконно-оптическая линия задержки (время задержки в ВОЛЗ равно 10—50 мкс), 8- ОДР — оптический дисковый резонатор.

Рис.1.32. Максимальные размеры линии задержки, применяемых в современных в стабильных О ЭГ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек оптического волокна ОВ по годам. Зависимость размера резонатора по годам Время задержки в ВОЛЗ равно 50 мкс.

В настоящее время добротность (которую примерно можно оценить отношением собственной частоты фильтра на частоте генерации лазера к ширине резонансного пика по уровню 0.7) оптических дисковых резонаторов ОДР, при которой не проявляются нелинейные оптические эффекты, составляет. Габаритные размеры ОДР, в которых осуществляется режим передачи одной поперечной оптической моды, приближаются к размерам несколько десятков длин оптических волн или несколько десятков микрон. Нелинейные оптические эффекты такие, как трех- и четырех-фотонное взаимодействие, брюлльеновское рассеяние и др. носят пороговый характер и в дисковых оптических резонаторах проявляются из-за высокой плотности мощности в поперечном сечении (порядка более 50мВт/мкм 2) в сверхмалых микрообъемах резонатора. За счет высокой плотности мощности в ОДР резко повышается температура материала из-за поглощения излучения в кварце или парателлурите, что приводит к сложности температурной стабилизации такого резонатора.

Отметим, что в ВОЛЗ с геометрической длиной оптического волокна 1 … 5 км полезный объем (в котором распространяется излучение в режиме одной поперечной моды) составляет не более одного кубического сантиметра.

Автор настоящей диссертации является инициатором идеи использования для изготовления малогабаритных ВОЛЗ СВЧ генераторов для нагрева опорной трубки в диапазоне от 1000° C до 1950° C, с сокращением времени установления требуемой температуры трубки и с повышенной точностью подстройки температуры [173]. Автором настоящей диссертации получен патент на изобретение №2537523 от 10 ноября 2014 г. (заявка№2013141980 от 13 сентября 2013 г.) «Радиационно-стойкий волоконный световод, способ повышения радиационной стойкости его изготовления». Прогресс технологий изготовления заготовок для ОВ с использованием автоматизированных методов высокотемпературного прогрева заготовок кварцевого стекла, легированного азотом, синхронное перемещение плазменных столбов вдоль заготовок с применением стабилизированных СВЧ генераторов [173] приведет к созданию сверх миниатюрных ВОЛЗ с общими габаритами менее 0.5 см 3с эффективной задержкой более 50мкс при полосе передаваемых колебаний 1…100ГГц.