Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Одним из альтернативных способов создания надежных компактных и малых по стоимости малошумящих автогенераторов в области частот 1…100 ГГц является применение в ОЭГ стабилизированной малошумящей волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) на основе быстродействующих кванторазмерного лазерного диода и фотодиода, а также за счет специальных низкодисперсионных оптических волокон. Данные ВОЛЗ обладают большим запаздыванием для гармонических СВЧ колебаний. Время задержки в таких ВОЛЗ составляет от 1 нс до 50 мкс (при полосе передаваемых частот до 100 ГГц!). При этом, в таких ВОЛЗ потери мощности за счет рассеяния и оптоэлектронного преобразования составляют 10…18 дБ и более в СВЧ и КВЧ диапазонах.

В лучших образцах СВЧ оптоэлектронного генератора, имеющего в кольце обратной связи подобную ВОЛЗ, уже достигнута низкая спектральная плотность мощности фазовых шумов равная -153дБн/Гц при частотных отстройках по частоте на 1кГц ÷ 10 кГц от несущей 10 ГГц [73,94, 97]. Кратковременная нестабильность частоты такого ОЭГ составляет примерно 10 —10 [73]. Сверхнизкий фазовый шум такого ОЭГ достигается за счет создания на базе ВОЛЗ высокодобротного оптоэлектронного резонатора «бегущей волны» с нагруженной эквивалентной добротностью Q = (0,2… 0,8) ·10 6 (в диапазоне частот 1…70 ГГц). В состав такой ВОЛЗ входят последовательно соединённые квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) с внешним электрооптическим модулятором Маха-Цендера (или КЛД с прямой модуляцией), волоконно-оптическая система (ВОС), состоящая из одного или нескольких оптических волокон и фотодетектор (ФД). Подробное описание конструкции ОЭГ будет дано в главе 1.

В ОЭГ с КЛД и компактными ВОЛЗ возможно получить низкую относительную кратковременную и долговременную нестабильности частоты генерируемых СВЧ автоколебаний порядка 10 —8…10 —10. В таком ОЭГ управление частотой генерации можно производить оптическими и электронными методами. ОЭГ и перспективно использовать их в радиолокационных станциях и оптических локаторах нового поколения, в сверхширокополосных регенерируемых ВОЛЗ в качестве формирователей сверхкоротких оптических импульсов и радиоимпульсных сигналов длительностью 0,01 ÷ 1 пс с малым «джиттером» (случайным уходом переднего фронта импульса), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфиденциальностью с использованием маскирующих помех [81,82].

Однако данный тип перспективных ОЭГ недостаточно теоретически и экспериментально изучен. Не объяснены главные причины сверхмалого значения фазового шума радиочастотного колебания генерации при использовании в ОЭГ ВОЛЗ прямой и внешней схем модуляции КЛД. В России до 2004 года не было создано ни одного действующего лабораторного образца экспериментального макета ОЭГ в диапазоне частот 2…12 ГГц и выше. За рубежом в начале 2000-х годов с появлением коммерческих СВЧ электрооптических модуляторов появились экспериментальные работы Малеки и Стива Яо (Калтех) и др. авторов по исследованию ОЭГ с внешней модуляцией с использованием электрооптического модулятора Маха-Цендера. В этих работах, наряду с успешными экспериментальными результатами по СПМ ФШ, не была все-таки построена теория ОЭГ с флуктуациями. Не было показано, как влияет фазовый шум лазера, определяемый его спонтанными шумами, на радиочастотный СПМ ФШ ОЭГ в целом. Не обсуждается упоминание о роли фазового шума лазера, входящего в состав ОЭГ в работах зарубежных авторов [61,69,70,74,75,94]. Указанные обстоятельства явились одним из стимулов для подготовки и проведения исследований данной диссертации в период с 2005 по 2014 гг.

Имеющиеся работы (опубликованные книги, статьи и материалы докладов) по исследованию ОЭГ [52—64] не дают сразу возможности определить основные свойства ОЭГ в СВЧ диапазоне, методы управления частотой, выделить и проанализировать факторы, влияющие на нестабильность частоты генерации и фазовый шум ОЭГ. Одним из достоинство настоящей работы является, по мнению автора, построение физической и инженерной теории оптоэлектронного генератора с учетом флуктуаций и объяснение влияния фазовых шумов спонтанного оптического излучения лазера на процесс формирования радиочастотных результирующих фазовых шумов ОЭГ при целенаправленной генерации в радиочастотном диапазоне.

Отметим, что ОЭГ относится, с точки зрения классической теории колебаний, к генераторам с запаздывающей обратной связью (ЗОС) [4—31], [32—45]. Теоретически изученными автогенераторами с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОЭГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхностных акустических волнах (АГ ПАВ) [19—25, 40,41]. Эти исследовании создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) — ОЭГ ВОЛЗ, исследованиям которого посвящена данная диссертационная работа.