Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

В синтезаторе с оптическим микрорезонатором (СОМ), схема которого показана на рис.1.24, производится синтезрадиочастотных колебаний 10 ГГц и 89 ГГц .Основным принципом формирование так же, как и в ФСК, является двухчастотное оптическое преобразование с самогетеродинированием излучения на фотодетекторе в колебания СВЧ. Именно за счет самогетеродинирования в схеме СОМ получается относительно низкий уровень (хотя и не рекордный) СПМ фазового шума и кратковременная нестабильность частоты 10 ГГц.

Рис.1.45. Схема формирования радиочастотных колебаний 10 ГГц и 89 ГГц в синтезаторе с оптическим микрорезонатором СОМ (а) — в оптическом частотном синтезаторе на базе микротороида (б) с использованием нелинейного оптического преобразования [158].

Отличительной особенностью СОМ является использование в этой схеме для формирования двух оптических частот нелинейного оптического преобразования в оптическом микрорезонаторе, вид которого приведен на рис.1.22 б. На вход микрорезонатора, оптическая добротность (то есть отношение собственной оптической частоты к ширине резонансного пика по уровню 0.7) которого составляет 10 9, поступает оптическое излучение относительно высокой мощности 200мВт от узкополосного с ультра низкими оптическими фазовыми шумами лазера (длина волны равна 1,55мкм и ширина спектральной линии 3кГц), .

Рис.1.46. Спектр оптического излучения на выходе оптического кольцевого резонатора микротороида. Показаны составляющая лазера накачки и оптические гармоники. Разница длин волн между соседними гармониками составляет примерно 0,71нм (что соответствует разнице частот соседних гармоник примерно 85,7 ГГц) [158].

Благодаря большой оптической мощности 200 мВт и узкой спектральной линии оптического излучения 3кГц на выходе микротороида формируется многочастотные колебания, спектр которых изображен на рис.1.24. В такой схеме на частоте 8,57 ГГц получена кратковременная стабильность частоты равная 10 —12. Лазерный блок накачки состоит из высококогерентного лазера с шириной линии 3 кГц, синхронизируемого более мощного лазера и оптического усилителя с автоподстройкой частоты. СОМ, как видно из описания его функциональной схемы, также относится к оптоэлектронным устройствам формирования радиочастотных колебаний и в нем происходит преобразование оптических частот 200 ТГц в колебания частотой 10ГГц. Фазовые шумы радиочастотных колебаний в таком устройстве определяются фазовыми шумами лазера. В этом устройстве мы видим также много общего с ОАГ ВОЛЗ, например, выделение колебания поднесущей в фототоке фотодетектора.

Наряду с описанными схемами для формирования СВЧ и КВЧ колебаний с гетеродинированием также используют схему взаимной синхронизации двух лазерных диодов ЛД1 и ЛД2, разность оптических частот которых составляет формируемую частоту колебания, например 10 ГГц. Для синхронизации данных лазерных диодов ЛД1 и ЛД2 используют или непрерывный многочастотных лазер или лазер с пассивной или активной синхронизацией продольных мод [158]. Также можно отметить схемы формирования радиочастотных колебаний с частотой 40 ГГц с использованием нелинейного эффекта Брюллиена в специальном дырчатом оптическом волокне ОВ. Поперечное сечение такого приведено на рис.1.14 [159].

Таблица №1.3. Методы формирования колебаний в радиочастотных генераторох РЧГ, лазерах (ОКГ) и оптоэлектронном генераторе ОЭГ.

В таблица №1.3 введены следующие сокращения: ФК-фотонные кристаллы параметр инверсии заселенностей, h —постоянная Планка, — постоянная Больцмана, — температура в град Кельвина, -фактор усиления, -добротность резонатора, — мощность генератора,,частотная отстройка от несущей, — оптическая частота генерации лазера или ОКГ, — оптическая частота генерации, -энергия одного кванта, — фактор оптического усиления, — оптическая мощность лазера или ОКГ, — добротность оптического резонатора, — отстройка частоты от оптической несущей.

Результатом анализа различных генераторных схем и их характеристик является информация, приведенная в таблице 1.3, в которой произведено сравнение методов формирования колебаний радиочастотного и оптического диапазонов. Анализ данных представленных в таблице 1.3 показывает, что ОАГ является по своим характеристикам модемным генератором с самогетеродинированием, в котором можно использовать наряду с традиционными электронными резонаторами, фильтры и линии задержки, так оптические линии задержки и резонаторы. Фазовые шумы, СПМ ФШ в такой автоколебательной системе ОЭГ определяются фазовыми шумами лазера, определяемыми спонтанным излучением, «электронными» шумами фотодетектора и нелинейного усилителя. Отметим, что для традиционных автогенераторов и оптических квантовых генераторов уже определены в многочисленных работах [2,92] базовые фундаментальные соотношения связи естественной ширины линии генерации и СПМФШ с основными характеристиками автоколебательных систем. Для ОАГ ВОЛЗ, который является результатом синтеза двух колебательных процессов, лежащих в оптическом и радиочастотном диапазонах (или двух генераторов) такие соотношения определены в работах автора настоящей диссертации и изложены в разделах глав 5 и 6. Это и является одной из задач последующего анализа ОАГ ВОЛЗ.