Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

1. ОЭГ представляет двухдиапазонную автоколебательную систему, в которой развиваются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах. Исследуемые в работе методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в своей основе используют фазовую (амплитудную или частотную) оптическую модуляцию несущей. Процесс фотодетектирования с выделением в фототоке поднесущей с фазовыми шумами в этих схемах ОЭГ с прямой и внешней модуляции является процессом гетеродинирования или самогетеродинирования. Одной из решаемых в работе задач является вопрос о том, как шум лазера влияет на радиочастотный шум ОЭГ. Поэтому для математического моделирования КЛД в диссертации используется полуклассическая теории. При использовании метода балансных (кинетических) уравнений лазера теряются фазовые соотношения , которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов лазера на радиочастотные шумы ОЭГ. Еще раз необходимо отметить, что большинство анализируемых схем ОЭГ с прямой и внешней модуляцией относятся к схемам с фазовой или амплитудной модуляцией оптического излучения, а в процессе фотодетектирования с самогетеродинированием информация о поднесущей содержится в фазе оптического излучения.

2. В настоящей диссертации главным объектом исследования является ОЭГ. Одной из задач исследования является понимание основных механизмов работы его сложной автоколебательной системы (АКС), которые определяют фазовый шум ОЭГ. При этом основное внимание уделено не столько электронной части ОЭГ (она хорошо разработана в традиционных радиочастотных генераторах), а влиянию характеристик лазерного излучения на частоту и амплитуду генерации ОЭГ, а также влиянию характеристик амплитудного и фазового шума лазерного спонтанного излучения на радиочастотный фазовый шум ОЭГ.

3. Решение поставленных в работе задач по исследованию ОЭГ необходимо согласовать с учетом специфики лазерного излучения, которая связана с квантовой природой шума, временной и пространственной когерентностью, наличием пространственного распределения по амплитуде напряженности E 0 ( R ), по фазе Ф 0 ( R ) и по флуктуациям амплитуды m ( R ) и фазы , соразмерностью с длиной волны лазера габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне .

4. Используемые в ОЭГ методы прямой и внешней модуляции лазерного узкополосного излучения КЛД (с дополнительным подавлением оптических гармоник) в потенциале обладают высокой степенью подавления фазового шума лазера, с одной стороны, за счет использования протяженного низкодисперсионного оптического волокна , узкополосного лазерного излучения КЛД, а, с другой стороны, с методами компенсации фазового шума при самогетеродинировании на ФД, передачи по оптическому каналу двух оптических гармоник (с подавлением третьей оптической гармоники) и выравнивании этих гармоник по амплитуде.

5. Подход к рассмотрению ОЭГ, как системы, где развиваются два автоколебательных процесса оптического и радиочастотного диапазона с рассеянием, преобразованием энергий и учетом генерирования в лазере шума спонтанного излучения, является новым и эффективным. Такой подход дает возможность проанализировать влияние элементов лазера на радиочастотные шумы ОЭГ, исследовать управление радиочастотой генератора ОЭГ оптической частотой лазера (и наоборот обеспечить управление оптической частотой лазера, изменяя радиочастоту ОЭГ), в дальнейшем изучить синхронизацию ОЭГ внешним оптическим источником излучения, производить анализ систем фазовой автоподстройки ОЭГ модулированными лазерными колебаниями, исследовать ОЭГ в качестве задающего генератора СВЧ для различных лазерных систем, например, для лазера с синхронизацией продольных мод с длительностью импульса 1..10 пс с малым «джиттером» и т. п.

6. В результате сделанного обзора и анализа различных генераторов можно заключить, что уровень фазовых шумов ОЭГ приближается к фазовым шумам «самого малошумящего генератора» на лейкосапфире. Разница на частотах СВЧ диапазона 8…12 ГГц составляет примерно 5…15 дБ/Гц. Но при этом ОЭГ имеет более широкий потенциальный рабочий СВЧ диапазон до 70…100 ГГц при сохранении малости фазовых шумов. Принципиальным является то, что ОЭГ с ВОЛЗ имеет потенциальные возможности снижения фазовых шумов за счет оптимизации лазера и ВОЛЗ в целом. Другими важными преимуществами ОЭГ по сравнению с генератором на лейкосапфире являются более высокие прочностные характеристики за счет применения протяженной уложенной кольцами структура ВОЛЗ, потенциальные меньшие вес и габариты полезного объема ВОЛЗ, в котором распространяется лазерное излучение в ОВ. Полезный объем ВОЛЗ составляет менее одного кубического сантиметра при применении в ВОЛЗ одного километра длины оптического волокна. На два порядка менее слабая зависимость ФЧХ ВОЛЗ от температуры, более сильная на порядок (и более) стойкость к внешним механическим воздействиям и ускорениям за счет линейной топологии укладки тонкой нити кварцевого оптоволокна на катушку в ВОЛЗ.