Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

(ОЭГ), схема которого показана на рис. 1.1,а является автоколебательной структурой с запаздывающей обратной связью, в котором волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) образована последовательно включенными модулируемым источником света (МИС), волоконно-оптической системой (ВОС) и фотодетектором ФД. Модулированным источником света является квантоворазмерный лазерный диод (КЛД). КЛД, о котором подробно описано в главе 3, имеет за счет квантования энергетических зон в переходе, в несколько раз (чем традиционный мезаполосковый лазерный диод) большую выходную мощность, меньший на порядок пороговый уровень тока накачки, меньшие шумы, определяемые спонтанным излучением лазера и меньшую на порядок ширину линии генерации.

В схему ОЭГ, представленную на рис. 1.1,а входят последовательно замкнутые в кольцо МИС на базе КЛД, ВОС, содержащая одно или несколько оптических волокон, ФД, нелинейный широкополосный усилитель (НУ), узкополосный радиочастотный фильтр (Ф) и ответвитель (О) для вывода радиосигнала. При этом в настоящей диссертации подлежат анализу схемы ОЭГ, которые различаются по типу модуляции: 1) ОЭГ с прямой модуляцией излучения КЛД [151] и 2) ОЭГ с внешней модуляцией излучения КЛД электрооптическим модулятором Маха-Цендера (рис. 1.1,а). Схема ОЭГ с внешней модуляцией строится на базе электрооптического модулятора Маха-Цендера (МЦ) [145,172]. При этом в одном из двух каналов МЦ используется оптическая фазовая модуляция (ФМ). Также для модуляции оптического излучения в ОЭГ может быть использован акустооптический модулятор (АОМ) с применением частотной модуляции излучения лазера. Использование разных способов (прямой или внешней) оптической модуляции и её видов: амплитудной, фазовой или частотной (АМ, ФМ, ЧМ) зависит от назначения ОЭГ.

Рис.1.1. Функциональная схема ОЭГ с разными модулированными источниками света (МИС): ОЭГ с квантоворазмерным лазерным диодом (КЛД) с прямой модуляцией и ОЭГ с КЛД с внешнем электрооптическим модулятором;

Рис. 1.2. Спектры колебаний ОЭГ на оптическом и электрическом выходах

Рис.1.3. Вид спектра автоколебаний, генерируемых ОЭГ с КЛД в стационарном режиме одночастотной генерации на частоте 8,2 ГГц (время наблюдения 1 мс).

Например, в ОЭГ высокочастотного диапазона для систем измерения параметров оптического волокна, в частности, при исследовании температурных зависимостей оптического волокна, целесообразно применять лазерный диод или светодиод (СД) с низкочастотной внутренней модуляцией. В СВЧ ОЭГ, пригодных для использования в составе систем связи в качестве, например, малошумящих устройств формирования опорных колебаний с рабочими частотами 5 … 73 ГГц ,целесообразно использовать КЛД с прямой и внешней модуляцией. В сверхмалошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона (8…30 ГГц) необходимо использовать КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.

КЛД представляет собой наноструктурный сверхширокополосный мезаполосковый инжекционный полупроводниковый лазерный диод с высокими выходными показателями: мощность излучения — 10…30 мВт, ширина полосы модуляции за счет использования фотонных технологий составляет 10…40 ГГц, крутизна преобразования оптической мощности от постоянного тока накачки составляет 1мВт/10мА. КЛД является наноструктурным элементом, так в его активной части формированы слои из полупроводникового материала, имеющие размеры волны де-Бройля примено 1…10нм. С колебательной точки зрения формирование таких слоев (или квантовых зон) позволяет для электронов, являющимися активными частицами в КЛД, устроить своеобразные автоколебательные системы (АКС) или резонаторы. В таких АКС электроны начинают совершать колебательные движения в результате которых зависимость коэффициента усиления от оптического частоты имеет резко выраженные резонансные пики.

Одной из главных особенностей ОЭГ по схеме рис.1.2 является наличие одновременно существующих двух автоколебательных процессов разного диапазона: оптического и радиочастотного. На схеме рис.1.2 в ОЭГ выделены в отдельные блоки — лазер и кольцо с оптоэлектронной частью, в которое входят замкнутые НУ, Ф, О и модулятор Маха-Цендера (МЦ).

Рис.1.4. Структурная схема ОЭГ: Лазер — КЛД, МЦ — электрооптический модулятор Маха-Цендера, ОУ — оптический усилитель, ВОС — волоконно-оптический система, ФД — фотодетектор, НУ — нелинейный усилитель, Ф —радиочастотный фильтр, О — ответвитель.