Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Рис. 1.5. Схема малошумящего лазерного ОЭГ с прямой амплитудной модуляцией (ПАМ) КЛД с двумя оптическими каналами (ВС1 и ВС2).

Выделим главные составляющие принятой нами концепцииисследования:

Предметом исследования являются колебательные процессы в схемах ОАГ (с внешней и прямой модуляцией (по схемам рис.1.1, 1.2, 1.3)), в своей основе содержащие фазовые и амплитудные принципы модуляции оптического излучения. ОАГ представляет двухдиапазонную автоколебательную систему(АКС), в которой одновременно формируются колебания в оптическом и радиочастотном диапазонах по своим законам.

При этом, в схемах ОЭГ радиочастота модуляции КЛД много больше относительной ширины спектральной линии лазерного излучения. Кроме этого, в ОАГ происходит оптоэлектронное преобразование на фотодетекторе, по крайней мере, двух оптических гармоник в низкочастотный фототок (или радиочастотное колебание) и имеет место гетеродинное фотодетектирование (или самогетеродинирование) при квазикогерентном колебании лазера. Исследуемые схемы ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) с прямой и внешней модуляцией (а также с применением дополнительного подавления одной из трех оптических гармоник и с выравниванием амплитуд оставшихся двух гармоник) содержат в своей структуре исходную базу для применения корреляционного метода подавления фазового шума. В потенциале эти ОАГ обладают высокой степенью подавления фазового спонтанного шума лазера, электронных шумов фотодетектора и усилителя. Выдвижение и разработка данной идеи принадлежит автору диссертации [145]. Можно говорить, что в схемах ОЭГ (рис.1.1, 1.2, 1.3) реализуется (наряду с использованием протяженной кварцевой ВОЛЗ для стабилизации частоты генерации и подавления фазового шума) практический коррелятор . В этом случае режим работы ОЭГ подобен работе разностного генератора, в котором, благодаря генерации на двух частотах, происходит значительное снижение СПМ фазового шума.

Главными решаемыми задачами этой части исследования являются: установление влияния параметров КЛД (тока накачки, фазового шума) и оптического волокна (геометрической длины, показателя преломления, температурной зависимости показателя преломления и др.) на характеристики колебательного радиочастотного процесса ОЭГ, установление влияния шума лазера на шум ОЭГ.

Для математического моделирования лазерного излучения КЛД используется, в частности, известная полуклассическая теория лазера с учетом фазовых соотношений напряженности электрического поля. Это вызвано следующими обстоятельствами.

(или полуклассическое приближение) с учетом фазовых соотношений составляет одну из методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с активным веществом КЛД используют классические уравнения Максвелла, а свойства вещества описываются векторами поляризации и уровнем населенности носителей на верхнем энергетическом уровне. Далее показывается, что для полупроводникового КЛД три уравнения (для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней) можно свести к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей. В некоторых случаях в настоящей диссертации (например, в главе 3) для описания лазера используются балансные кинетические дифференциальные уравнения Статца де Марса, в которых связь плотности фотонов излучения КЛД и уровня разности населенностей позволяет проанализировать динамику и коэффициент передачи лазера (или КЛД). Однако, при использовании метода балансных уравнений, как всегда, теряются фазовые соотношения , которые являются главными при анализе влияния фазовых шумов КЛД на радиочастотные выходные 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.

На выбор моделей и их ограничений при исследовании ОЭГ влияет специфика работы КЛД: квантовая природа шума, временная и пространственная когерентность, наличие пространственного распределения по амплитуде напряженности E 0 ( R ), по фазе Ф 0 ( R ) и по флуктуациям амплитуды m ( R ) и фазы , соразмерность габаритных размеров оптических каналов и площадки ФД в СВЧ диапазоне с длиной волны лазера .