УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ СВЧ И ВЧ ДИАПАЗОНА С ПОДКАЧКОЙ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель профессор, кандидат технических наук, Лауреат Государственной премии СССР Капранов М.В. МОСКВА 2005 АННОТАЦИЯ Диссертация посвящена исследованию способов управления частотой генерации оптоэлектронного автогенератора (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом (КЛД), работающего в СВЧ диапазоне (8-12 ГГц), а также в ВЧ диапазоне (5-100МГц). Особенностью ОАГ является то, что в качестве модулированного источника света (МИС) используется квантово-размерного лазерный диод (КЛД). В работе впервые проведен анализ различных методов оптического и электронного управления частотой ОАГ с ВОЛЗ с КЛД. Особое внимание уделено рассмотрению методов управления частотой ОАГ ВОЛЗ при изменении условий возбуждения составной дифференциальной ВОЛЗ , а также током смещения квантово-размерного лазерного диода. Проведен теоретический и экспериментальный анализ ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода. Исследованы коэффициенты передачи КЛД, его АЧХ и ФЧХ с учетом различных превышений тока накачки над пороговым значением. Построена теоретическая модель ОАГ на основе дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью (ЗОС) с учетом сложной топологии ВОЛЗ и изменяющихся коэффициентов возбуждения оптических каналов ВОЛЗ. Реализованы экспериментальные образцы ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне, а также в ВЧ диапазоне. На основании теоретических и экспериментальных исследований методов управления частотой генерации ОАГ ВОЛЗ с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом сделаны выводы по оптимизации параметров ОАГ с ВОЛЗ, по использованию в ОАГ оптических направленных ответвителей Y- и X- типов, по выбору токов смещения КЛД, оптимизации параметров световодов. Экспериментальные исследования показали эффективность применения ОАГ ВОЛЗ в современных радиотехнических и оптоэлектронных системах в качестве управляемых источников высокостабильных колебаний, подтвердили достоверность полученных теоретических результатов, и основанных на них рекомендаций по улучшению статических и динамических характеристик ОАГ ВОЛЗ. . . . . ОГЛАВЛЕНИЕ . Стр. ВВЕДЕНИЕ ……………..……………………………..………………… 7 ГЛАВА1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПТО-ЭЛЕКТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА-РЕПЕТИТОРА (ОАГР) НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ………………...…………………… 24 1.1 Принцип действия ОАГ. Функциональная схема репетитора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ…………………………………… …. 24 1.2 Определение коэффициентов передачи элементов ОАГ ВОЛЗ………… 29 1.3 Уравнения ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ ………….………………. 35 1.4 Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на основе укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием …………………………… 46 1.5 Анализ укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием автономного ОАГ ВОЛЗ …………………………………………………. 54 1.6 Анализ переходных процессов в ОАГ ВОЛЗ. Время установления частоты и амплитуды генерации ОАГ ВОЛЗ………………………………… 61 1.7 Анализ управления частотой сигнала генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ в стационарном режиме………..………....71 1.8 Параметрическая и долговременная нестабильность частоты репетитора ОАГ с ВОЛЗ…………………………………………………………..…………… 89 1.9 Краткие выводы к Главе 1……………………………………………… 93 ГЛАВА 2. УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ГЕНЕРАЦИИ репетитора ОАГ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТОКА СМЕЩЕНИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНОГО МЕЗА-ПОЛОСКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДИОДА (КЛД) ………………………. ….99 2.1.Квантово-размерный лазерный диод (КЛД) в репетиторе ОАГ…………………….. 99 2.2 Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи КЛД………110 2.3 Управление частотой ОАГ при изменении тока смещения ЛД в высокочастотном ( ВЧ) диапазоне…………………………...……………… .133 2.4 Краткие выводы к главе 2 ………………………….………………….. 153 ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ОАГ НА БАЗЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО – ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ………………………………………………………………… 166 3.1 Управление радиочастотой репетитора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, построенной на базе направленного ответвителя Y -типа……………… 166 3.2 Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с оптическим направленным ответвителем Х-типа……………………………………… 186 3.3 Управление радиочастотой ОАГ на базе одиночных регулярных световодов………………………………………………………………… 211 3.4 Краткие выводы к главе 3……………………………………………... 240 Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ репетитора ОАГ с ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ ДИАПАЗОНАХ.………………………………………………… …. 243 4.1 Экспериментальные исследования характеристик модулированного источника излучения: лазерного диода и светодиода………………………243 4.2 Влияние на частоту генерации ОАГ изменений постоянного тока смещения с лазерного диода и тока смещения светодиода ………………...261 4.3 Экспериментальное исследование характеристик ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе направленного ответвителя Х– типа ……...…….……………………………………………… ……. 275 4.4 Экспериментальные исследования функциональных преобразователей электрических тока и напряжения на основе ОАГ ВОЛЗ……………… ..... 282 4.5 Реализация ОАГ в СВЧ диапазоне и его экспериментальные характеристики. Перспективы применения ОАГ в СВЧ и КВЧ диапазонах в радиолокационных и радиооптических бортовых и наземных станциях…………….………………………………………………………….. 292 4.6 Краткие выводы к главе 4……………………………………………… ..311 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………… 317 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………. 322 ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………….. 334 ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, компактных малошумящих стабилизированных радиочастотных генераторов-репетиторов[1,2], работающих в диапазоне от 3 до 600 ГГц в гибридном и, интегральном исполнении, обладающих широкой спектральной перестройкой. Подобные устройства формирования колебаний в диапазонах сантиметровых (СМВ) и миллиметровых (ММВ) длин волн необходимы при построении современных радиолокационных систем и антенно-фидерных трактов, спутниковых и космических линий связи, создании высококачественной аппаратуры в измерительной технике. Использующиеся в настоящий момент в радиотехнических системах известные генераторы-репетиторы СВЧ являются для многих решаемых задач неприемлемыми. Так автогенераторы-репетиторы на диэлектрических резонаторах на керамике, имеют ограничения по уровню фазовых шумов (за счет относительно низкой добротности резонатора), по диапазону частот до 20 ГГц и сильно подвержены изменению ускорения (10-7-10-8). Генераторы СВЧ колебаний на лейкосапфире [3], являющиеся на сегодняшний день самыми «малошумящими» (имеющими малый уровень фазового шума), имеют существенное ограничение по рабочему диапазону частот ( 6 – 12 ГГц), а также имеют дискретный ограниченный диапазон частотной перестройки, относительно большие размеры и вес резонатора. Кварцевые генераторы с умножением частоты не дают возможности получить достаточно высокие характеристики по спектральной плотности фазового шума и кратковременной стабильности частоты в диапазоне 8- 100 ГГц за счет многократного умножения частоты. Одним из способов создания перестраиваемых малошумящих генераторов-репетиторов в области частот 5- 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной линии задержки с запаздыванием сигнала в ней от 2 до 10 мкс с малыми эффективными потерями электрической мощности от 3 до 10 дБ. При этом в таком автогенераторе за счет создания в колебательной системе высокой эквивалентной добротности (200-800)103 получается низкая спектральная плотность фазовых шумов (-140Дб/Гц и менее при отстройке по частоте от несущей 10кГц), а кратковременная нестабильность частоты такого оптоэлектронного автогенератора-репетитора (ОАГ) не хуже 10-10. Линия задержки в ОАГ реализуется на базе волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ). В состав ВОЛЗ входят последовательно соединенные–модулированный источник света (МИС) – лазерный диод, волоконно-оптическая система (ВОС) (в простейшем случае одиночный волоконно-оптический световод) и фотодиод (ФД). Появившаяся недавно современная отечественная элементная база оптоэлектронных компонент - сверхширокополосные квантово-размерные лазерные диоды и фотодиоды на основе InGaPAs позволяет реализовать малошумящие линии задержки в диапазонах 1- 12 ГГц и на их основе создать малошумящие, высокостабильные и широко перестраиваемые по частоте автоколебательные системы. Современные оптоэлектронные компоненты (электро-оптические абсорбционные и полимерные модуляторы) позволяют уже сейчас реализовать ОАГ в диапазоне 5 -200 ГГц. Предельный частотный диапазон ограничен частотой фотодетектирования -600 ГГц. За счет стабилизированной ВОЛЗ ОАГ в СВЧ диапазоне обладает высокими показателями долговременной и кратковременной нестабильности 10-10-10-11 частоты ОАГ, обусловленными высокой добротностью колебательной системы (200 -400) 103 в диапазоне 2 – 100 ГГц. Кроме того, в ОАГ имеется уникальная возможность производить управление частотой в нем оптическими и электронными методами, изменяя ток накачки ЛД и собственную частоту радиочастотного фильтра. Однако данный тип генераторов-репетиторов недостаточно теоретически и экспериментально изучен. В России не было создано экспериментального макета ОАГ в диапазоне частот 1-10 ГГц. Имеющиеся работы не дают возможности определить его основные свойства, методы управления частотой, факторы, влияющие на стабильность частоты АГ. Актуальными на данный момент являются теоретическое и экспериментальное исследования перестройки частоты за счет изменения тока смещения квантово-размерного лазерного диода, изучение ФЧХ и АЧХ такого КЛД, экспериментальное и теоретическое изучение оптических методов перестройки, вывод и решение для ОАГ укороченных дифференциальных уравнений с учетом составных ВОЛЗ для определения времен переходных процессов при вариации параметров ВОЛЗ. В качестве цепи обратной связи в ОАГ используются ВОЛЗ и оптические или волоконно-оптические резонаторы. Важным достоинством ВОЛЗ и волоконно-оптических фильтров является то, что их характеристики могут синтезироваться в зависимости от назначения ОАГ. Так, в частности, изменяя топологию и параметры световодов ВОЛЗ ( геометрические длины, входящих в него ВС, количество ВС и виды оптических связей между ВС) можно получать необходимые амплитудно-частотные характеристики ВОЛЗ и фильтров на их основе, входные и выходные импедансы, величины задержек электрического высокочастотного (ВЧ) и сверх высокочастотного (СВЧ) сигнала и т.д. Применение той или иной ВОЛЗ в ОАГ зависит от назначения проектируемого ОАГ ВОЛЗ. Так, например, если необходим перестраиваемый ОАГ ВОЛЗ, то предпочтительней использовать ВОЛЗ, а при создании высокостабильных источников гармонических колебаний можно использовать волоконно-оптические резонаторы. Перспективным представляется применение репетиторов ОАГ ВОЛЗ в оптических и радио локационных системах, системах дальней радиосвязи, в синтезаторах частоты, в датчиках различных физических величин, функциональных генераторах, в преобразователях одного вида генерации в другой, например, оптической генерации лазеров в радиочастотную генерацию, в системах стабилизации оптического излучения и др. Высокие эксплутационные характеристики репетиторов ОАГ ВОЛЗ позволяют им успешно конкурировать в области СВЧ 5- 100 ГГц с традиционными кварцевыми с умножением частоты и АГ СВЧ с диэлектрическими резонаторами, в том числе на резонаторах из лейкосапфира. Наличие оптического канала в ВОЛЗ, малые вес и габариты таких ОАГ делают возможным их использование в оптических доплеровских бортовых локаторах для обнаружения малозаметных целей на дальностях 50- 70 км. Другим их перспективным применением ОАГ в качестве функциональные преобразователи (ФП) физических величин. Благодаря наличию помехозащищенной от влияния сильных электромагнитных полей ВОЛЗ в цепи обратной связи ОАГ их можно использовать как функциональные преобразователи физических величин, например, давления, электромагнитных полей , электрических напряжения и тока , температуры и др. с высокими характеристиками по динамическому диапазону чувствительности . ОАГ ВОЛЗ, являясь узлом выше перечисленных сложных оптоэлектронных и радиотехнических систем, могут работать в различных режимах: непрерывной генерации высокостабильных колебаний; внешней синхронизации; различных видов модуляции колебания, в том числе манипуляции. В зависимости от режима работы можно выделить два основных типа репетитора ОАГ ВОЛЗ - автономный и неавтономный (управляемый), то есть находящийся под внешним воздействием. Внешнее воздействие, которое может быть приложено к ОАГ, могут быть как электрического характера (ток, напряжение, поле) и изменять параметры цепей АГ или ВОЛЗ, так носить механическую природу. Современные требования к управлению частотой автогенераторов ставят задачу создания ОАГ с заданными динамическими характеристиками наряду с требованиями по стабильности колебания, технологичности изготовления, виброустойчивости, перестраиваемости. Внешнее воздействие на ВОЛЗ приводит за счет изменения параметров, входящих в него КЛД, волоконно-оптической системы (ВОС ), оптических элементов к изменению параметров автоколебания ( частоты, амплитуды и фазы сигнала генерации ). Используя внешние электронные воздействия на ВОЛЗ, можно эффективно управлять частотой, амплитудой и фазой сигнала генерации. В связи с этим становится актуальным исследования схем построения управляемых по частоте ОАГ, в которых главным элементом управления выступает ВОЛЗ. Поскольку КЛД, ВОС, входящие в ВОЛЗ, являются сложными для математического описания их коэффициентов передачи компонентами, существует актуальная задача описания коэффициентов передачи и их зависимости от изменений параметров. Применение репетитора ОАГ ВОЛЗ в качестве математического датчика физических величин, режимах частотной, фазовой модуляции ставит задачу определения индексов модуляции, при которых уровень искажений не превышает заданного. Важно дать практические рекомендации по улучшению характеристик ОАГ ВОЛЗ. Перед разработчиком нового класса приборов на базе репетитора ОАГ стоит ряд актуальных нерешенных задач в известной литературе: анализ зависимостей ФЧХ и АЧХ КЛД при больших превышениях накачки над порогом (от 5до 8); влияние на радиочастоту параметров дифференциальной СВОЛЗ и оптических устройств связи направленных ответвителей Y- и X- типов; влияние на характеристики радиочастотного сигнала коэффициента оптической связи в направленных ответвителях и световодах. Сложность построения математической модели ОАГ ВОЛЗ состоит в его особенности - наличию в его структуре оптического квантового генератора света - лазерного диода. Характеристики лазера влияют на частотные характеристики ОАГ , так например, существует связь оптической полосы генерации лазера с радиочастотной полосой генерации ОАГ. Решение всех этих перечисленных задач, даже не поставленных в известной литературе, дает ключ для построения стабилизированного по частоте ОАГ с рекордными на сегодняшний день характеристиками. Теоретические работы по исследованию репетитора автоколебательных систем (АКС) с запаздыванием ОС (ЗОС) [4-31] появились задолго до выхода в свет первых работ, посвященнных ОАГ ВОЛЗ. Развитие методов матиматики решения дифференциальных уравнений с запаздыванием численными методами [32-45] с применением компьютеров вывели исследования таких АГ на качественно новый уровень. Теоретически изученными АГ с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОАГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхостных акустических волнах (АГ ПАВ) [19-25, 40,41 ]. Эти работы создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) - ОАГ ВОЛЗ. Бурные исследования в 70-х –80-х годах прошлого века волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических световодов с низкими оптическими потерями [42–44] дали импульс к началу использования волоконно-оптических линий задержек в автогенераторах [45-52]. В последние 15 лет появились работы [46-52] российских авторов, посвященные теоретическим и экспериментальным исследованиям ОАГ ВОЛЗ. В последние 5 -7 лет появились работы по экспериментальному и теоретическому исследованию и разработке современных быстродействующих оптоэлектронных компонент: лазеров, опто-электронных модуляторов, фотодиодов, а также оптоэлектронных и волоконно-оптических систем с быстродействием 0.01 –100 пс, с полосами радиочастот модуляции до 18 –200 ГГц [ 53- 106 ]. В том числе за рубежом ведутся исследования оптоэлектронных автогенераторов (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки [57,61,63-66,73], которые работают в СВЧ диапазоне от 3ГГц – до 39 ГГц. Стимулом ведение этих исследований является перспективность использования ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве опорных генераторов в электронных и оптических РЛС нового поколения, в сверх быстродействующих ВОЛЗ (в качестве формирователей сверх коротких оптических импульсов 0.01-1 пс с малым «джиттером» (с малом дрожанием переднего фронта импульса ), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфидициальностью передаваемой информации с использованием маскирующих передаваемых помех [81,82]. В этих работах [81,82] исследовался ОАГ с ВОЛЗ в автоколебательном режиме стохастической генерации. Работы по исследованию ОАГ с ВОЛЗ и их компонентов в ВЧ и СВЧ диапазоне проводятся в настоящее время также и в России [114-134]. В настоящее время в России группой Курносова В.Д. ведутся исследования и разработка современных отечественных квантово-размерных лазерных диодов(КЛД) и фотодиодов , позволяющих осуществлять радиочастотную модуляцию и демодуляцию в ВОЛЗ до 12 ГГц [102-103]. С появлением сверх широкополосных отечественных КЛД стало возможным реализация ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне 8 –12 ГГц [115-120,131,132]. Дальнейшие перспективы разработки ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах, связаны с современными разработками оптоэлектронных устройств и фотонных технологий [135]. Из зарубежных авторов по экспериментальному исследованию ОАГ необходимо отметить таких исследоватей, как Наказава М. , Ярив А., Малеки Л., Стив Яо. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы отечественных авторов Григорьянца В. В. , Уткина Г. М., Ильина Ю. Б., Константинова В. Н. , Капранова М. В., Прокофьева В. А. , Дворникова А. А., в которых ОАГ ВОЛЗ и автоколебательные системы с ВОЛЗ анализируются на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. Однако в большинстве из них анализируются стационарные режимы ОАГ без учета сложных коэффициентов передачи КЛД и ВОС. Отсутствуют работы , в которых описываются управляемые по частоте ОАГ , где главным элементом управления является ВОЛЗ. Отсутствуют работы по теоретическому и экспериментальному исследованию управляемых по частоте ОАГ, в которых используются дифференциальные ВОЛЗ на базе Y - и X - направленных оптических ответвителей (НО). Хотя в известной литературе существуют работы [73] , в которых описываются экспериментальное результаты стабилизации частоты ОАГ на основе дифференциальных ВОЛЗ на базе направленных ответвителей. Отсутствуют также работы по влиянию параметров волоконно-оптического тракта и ширины линии генерации оптического излучения МИС , входящего в ОАГ , хотя данная проблема для ОАГ является очень важной , так как ее решение позволяет сформировать требования к МИС и параметром волоконно-оптического тракта (длине, дисперсии, коэффициентам анизотропности ВС и т.п.), для оптимизации управляемых по частоте стабилизированных ОАГ. Отсутствуют также работы по изучению динамических характеристик ОАГ ВОЛЗ, не проанализированы дифференциальные уравнения дл ОАГ, не изучены время переходных процессов автоколебаний ОАГ с дифференциальными ВОЛЗ, использование которых является перспективным. Использование таких ОАГ благодаря подавлению соседних типов колебаний из-за режекции ДВОЛЗ является перспективным. Также нет работ по анализу влияния на частоту генерации температуры ВОС. Круг решаемых в известных работах по теории ОАГ не может удовлетворить современные требования разработчиков . Следует отметить, что стремление получить результаты в аналитическом виде , как правило , приводит к необходимости значительного упрощения модели ОАГ ВОЛЗ, моделей ВОС и КЛД. Это зачастую является причиной того, что большинство особенностей работы ОАГ ВОЛЗ не учитывается, и в конечном итоге могут быть получены даже качественно неверные результаты. Последнее связано с тем , что ВОЛЗ обладают рядом особенностей. Таких как - наличие в качестве МИС (источника оптического излучения) -КЛД с определенной шириной полосы генерации излучения , зависимости АЧХ и ФЧХ КЛД от тока накачки , дисперсионный характер по оптическим частота МИС запаздывания в протяженном волоконно-оптическом тракте; распределенный характер возбуждения ВС и приема светового излучения ФД; наличие в компонентах оптических НО Х -типа оптической распределенной связи между каналами, наличие оптической связи между разными оптическими модами и распространяющимися типами световых излучений с разными задержками и т.п. Причем все это связано в неразрывное целое, представляющее ВОЛЗ. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы [ 46,52,55 ] , в которых ОАГ ВОЛЗ анализируется на основании укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. В этих работах , из разложения управляющего сопротивления ОАГ ВОЛЗ в ряд Тейлора по малому запасу по самовозбуждению и малой частотной расстройке ( относительно собственной частоты резонансной системы) получены довольно простые дифференциальные уравнения для автономного ОАГ ВОЛЗ с одиночным волоконно-оптическим световодом без учета оптической связи излучений внутри ВОС, без учета ширины полосы генерации МИС. Однако, на практике применяются режимы работы ОАГ с запасами по самовозбуждению соизмеримыми и даже больше единицы , а ВОЛЗ могут представлять сложные структуры , например, на базе дифференциальных ВОС, а используемые в ВОЛЗ КЛД работать в СВЧ диапазоне. Можно предположить, что точность определяемых по УДУ статических и динамических характеристик ОАГ существенно зависит от запаса по самовозбуждению, ширины линии излучения МИС, а также количества учитываемых световодов разной длины в ВОС. Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение управления частотой ОАГ, работающего в диапазоне СВЧ частот 8-12 ГГц, а также диапазоне ВЧ частот 5- 100 МГц. Исследование методов оптического и электронного управления частотой с помощью изменения условий возбуждения составной ВОС и током смещения квантово-размерного лазерного диода (КЛД). Исследование ФЧХ и АЧХ квантово-размерного ЛД. На основании исследования дифференциальных уравнений и уравнений баланса фаз и амплитуд ОАГ ВОЛЗ, коэффициентов передачи КЛД, ВОС провести анализ применения ОАГ ВОЛЗ в режимах управления частотой колебаний , дать практические рекомендации по использованию электронных методов управления частотой ОАГ ВОЛЗ. Провести исследования в качестве основных схем для управления частотой генерации ОАГ на базе дифференциальных ВОС с направленными ответвителями Х и Y - типов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи : - построение теоретической модели перестраиваемого по частоте ОАГ с учетом сложной топологии ЛЗ, работы КЛД в диапазоне СВЧ и ВЧ при разных превышениях тока накачки над пороговым значением , ширины полосы источника излучения, дисперсии световода . - проведение теоретического и экспериментального изучения ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода (КЛД) с учетом различных превышений тока накачки над пороговым значением; - теоретическое и экспериментальное изучение оптических методов управления частотой генерации в ОАГ с различными ВОС : на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем Y- типа, на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем Х -типа, на базе одиночных многомодовых регулярных и, а также ВОЛЗ со сложной топологией. Выработка рекомендаций на основе анализа различных ВОЛЗ перестраиваемых ОАГ и выбору компонент. - построение теоретической модели ОАГ на основе УДУ с ЗОС с учетом сложной топологии ВОЛЗ и использование этой модели для анализа переходных процессов в ОАГ с ДВОЛЗ , расчет динамических характеристик ОАГ ДВОЛЗ с учетом особенностей работы ДВОЛЗ и без ограничений на величину запаса по самовозбуждению; - реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в диапазоне 8-12 ГГц; - теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей частоты от тока смещения квантово размерного лазерного диода (КЛД); - реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в ВЧ диапазоне 4-50 МГц. В соответствии с поставленными задачами изложение материала в работе проводится в следующей последовательности. В главе 1 дано описание функциональной схемы ОАГ и базовой математической модели ОАГ. В схему ОАГ входят, последовательно замкнутые в кольцо, модулированный источник света (МИС) – квантоворазмерный лазерный диод (КЛД), волоконно-оптическая система ВОС на базе одномодового мало дисперсионного световода ВС0 или составной ВОС на базе двух (или нескольких ВС1……ВСn ) c разными длинами, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО ) Y – или X- типов, сверхширокополосного СВЧ фотодиода (ФД), нелинейного широкополосного усилителя (У), радиочастотного фильтра (РФ). КЛД представляет собой сверх широкополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц. Волоконно-оптическая система (ВОС) в ОАГ построена на базе кварцевых одномодовых волоконных световодов с малой дисперсией tд=1-3 пс/(нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать в ОАГ мало дисперсионную линию задержки СВЧ радиосигналов с временем запаздывания Tз=10-100 мкс с относительной временной дисперсией tд /Tз = (2 – 6) 10-7( нм)-1 за счет ширины полосы излучаемого оптического излучения КЛД . Одной из особенностей ОАГ является то ,что селекция радиочастотных типов колебаний может осуществляется в ВОС. ВОС на базе структуры одномодовых ВС0 …, ВСn разной длины L1 …,Ln соединенных между собой волоконно- оптическими направленными ответвителями (НО) Y - или Х - типов позволяют формировать совместно с КЛД и ФД перестраиваемые режекторные и полосовые узкополосные фильтры. Фотодетектором в ВОЛЗ ОАГ является сверхширокополосный СВЧ полупроводниковый фотодиод на основе InGaAs структуры. В главе рассмотрен автогенератор ОАГ ,в котором дифференциальная волоконно-оптическая система ВОС образована системой последовательно соединенных одного волоконно-оптического световода ВС0 и двух световодов ВС1 и ВС2, с разными геометрическими длинами L1 L2 и ,соответственно, разными в них задержками T1 и T2. Коэффициенты возбуждения световодов ВС1 и ВС2 составляют А и В равны А =P1/P0 и В =P2/P0 , где P1 ,P2– оптические мощности вводимые в световоды ВС1 и ВС2 соответственно, а Р0= P1 +P2. Синусоидальный радиосигнал Iлд(j?), поступающий на вход КЛД лазерного диода, модулирует по интенсивности оптическое излучение КЛД. В ВОС, образованной системой из одного ВС0 и двух ВС1 и ВС2 осуществляется задержка светового сигнала на среднее время Т. На выходе фотодетектора получается радиосигнал с током равным IФ(j?). При прохождении нелинейного усилителя У, сигнал имеет усиление с появлением радиочастотных составляющих (гармоник) в его спектре. При прохождении радиочастотного фильтра РФ с собственной частотой fф и постоянной времени Тф гармоники выше первой подавляются и на выходе РФ имеем синусоидальное радиоколебание задержанное по времени. При соблюдении баланса амплитуд и фаз в такой системе возникают автоколебания с частотой f=fг и амплитудой U(t) . При взаимном изменении оптических мощностей вводимых в световоды ВС1 и ВС2 P1 ,P2 суммарный фазовый сдвиг сигнала огибающей в такой дифференциальной ВОС изменяется, а следовательно, изменяется частота генерации ОАГ .Реализация изменений оптических мощностей P1 ,P2 в ОАГ может осуществляться механически или электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y- и Х- типа. Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на базе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) для автогенератора (АГ) с запаздывающей обратной связью (ЗОС) составлена для медленно меняющихся амплитуды и фазы квазигармонического сигнала с учетом использования в ОАГ составной дифференциальной ВОЛЗ и ВОЛЗ со сложной топологией. Важным моментом при составлении УДУ ОАГ является снятие ограничений на величину запаса по самовозбуждению. Особенностью данных ДУЗ является учет в них параметра оптической частоты ? =?л МИС КЛД, который определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Этот учет производится в коэффициенте показателя преломления материала Nвс(?) световедущей жилы световодов ,зависящего от оптической частоты КЛД ?л , коэффициентах возбуждения A ,B и оптической связи световодов Cсв. Исследования ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ (ДВОЛЗ) на базе УДУ с ЗОС выявили особенности зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации при изменении коэффициентов возбуждения световодов в переходном и стационарном режимах работы ОАГ. Изменения коэффициентов возбуждения световодов в ДВОС приводят к изменению характера временных зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ. Получено из анализа уравнений УДУ выражение для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ при ее управлением током накачки квантоворазмерного ЛД и параметрами ВОС. В главе 2 с целью исследования управления ОАГ при изменении тока смещения КЛД произведены анализ математической модели квантоворазмерного лазерного диода и изучение его коэффициента передачи от постоянного тока накачки (смещения). При этом изучены особенности фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) (КЛД) для одночастотного и многочастотного режимов оптической генерации КЛД. Ранее ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода в частотном диапазоне 1-12 ГГц не исследовались. Одной из целей исследования КЛД являлось получение зависимостей ФЧХ и АЧХ для модели КЛД, с учетом многих оптических частот его генерации. Получено теоретическое объяснение влияния появляющихся в излучении КЛД дополнительных оптических гармоник на суммарную ФЧХ и АЧХ при больших токах превышения над пороговым значением. Изложены результаты экспериментальных исследований ФЧХ и АЧХ квантоворазмерного ЛД в СВЧ диапазоне (1-12 ГГц) при различных токах накачки ,а также при управления радиочастотой генерации ОАГ в диапазоне 8- 12 ГГц током накачки ЛД. В эксперименте использовался квантово-размерный InGaAlAs/InP лазерный диод с длиной волны излучения 1.3 мкм. Анализ полученных экспериментально спектрограмм оптического спектра генерации КЛД для разных токов смещения показал, что при превышениях порогового тока смещения примерно в два раза, оптическая генерация КЛД является многочастотной. Из экспериментальных и теоретических исследований зависимостей ФЧХ, АЧХ КЛД при разных токах накачки сделан вывод , что крутизна фазовых сдвигов в ФЧХ за счет малых вариаций тока смещения КЛД при токах больше 60 мА на два порядка меньше, чем при токах смещения 20-35 мА. При этом при рабочих токах смещения КЛД больше 60мА, вариации радиочастоты генерации ОАГ за счет малых изменений токов смещения снижаются на два порядка. Сделанные выводы из теоретического и экспериментального исследования характеристик КЛД использованы в качестве рекомендаций по выбору параметров и режимов экспериментального образца ОАГ на базе КЛД. Исследование ФЧХ и АЧХ КЛД дали возможность расчета зависимости частоты генерации от тока смещения КЛД. В главе 3 рассмотрены оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ направленных ответвителей Y- и Х – типов. При рассмотрении способов управление частотой ОАГ путем изменений параметров ВОС был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОС на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y - и X- типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС1 и ВС2 в дифференциальной ВОС. В результате теоретического анализа получены приближенные выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y-типа и Х типов. Показано, что при использовании в ДВОС НО Х-типа существует зависимость коэффициента оптической связи Ссв от оптической частоты излучения МИС КЛД Ссв =С0 (1+С1 ?л), в котором С0 и С1 –вещественные коэффициенты, зависящие от показателей преломлений материала световодов, граничной среды и их геометрических размеров. Поэтому в ОАГ с дифференциальной ВОС и НО Х-типа реализуется управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД ?л. В результате исследования зависимостей частоты и амплитуды генерации ОАГ при вариации параметров ВОС получены новые, ранее неизвестные в литературе, закономерности изменения частоты в ОАГ (линейный -при использовании НО Y-типа и вариации коэффициентов возбуждения в одном оптическом канале, квазилинейный- при использовании НО Yтипа и вариации коэффициентов возбуждения в двух оптических каналах, и периодический sin(CвсZ) (при использовании НО Х-типа посредством продольной оптической связи). Рассмотренные методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ, На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ оформлены авторские свидетельства и патенты. В главе 4 дается описание экспериментальных исследований ОАГ ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ диапазонах , а также результаты исследований влияния на частоту генерации тока смещения лазерного диода при малых и больших превышения накачки над пороговым значение. Особое место занимают описания результатов и их обсуждение экспериментальных исследований лазерного диода в ВЧ диапазоне. Из экспериментальных исследований разработанных на базе ОАГ ВОЛЗ функциональных преобразователей (ФП) физических величин (электрических тока и напряжения) сделаны выводы по их использованию в энергетических системах. Описаны экспериментальные исследования ОАГ с дифференциальными ВОС на базе двух световодов разной длины и направленных ответвителей (НО)Y – и Х-типа. Впервые в ОАГ с НО Х-типа были измерены периодические зависимости частоты сигнала генерации при перестройки частоты оптическим методом . Показано, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами , проведенными в третьей главе. Экспериментально реализованы схемы управляемых по частоте ОАГ ВОЛЗ током смещения КЛД в СВЧ и ВЧ диапазонах на частотах 8 - 12 ГГц и 5- 50 МГц, соответственно. Экспериментально показывается, что при больших превышениях тока смещения Iсм =60-75 мА (Iсм /Iсмпор =5-8) над пороговым значением Iсмпор крутизна изменений частоты генерации ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается в 30- 100 раз ( чем при малых токах смещения) и составляет менее 10 кГц/мА для средних частот генерации ОАГ 8 – 12 ГГц. В Заключении подводится итог проделанной работы. После анализа системы ОАГ, проведенного в данной работе, сформулированы выводы. В конце работы представлен список использованной литературы. {mospagebreak} УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ ОПТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ СВЧ И ВЧ ДИАПАЗОНОВ С ПОДКАЧКОЙ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук МОСКВА - 2005 Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета) Научный руководитель – к.т.н., профессор КАПРАНОВ Михаил Владимирович Официальные оппоненты – д.т.н., профессор СМОЛЬСКИЙ Сергей Михайлович к.т.н., доцент МУСЯНКОВ Михаил Иванович Ведущая организация – ОАО «Концерн радиостроения «Вега» Защита состоится « » июня 2005 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А - 402. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ). С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан « » мая 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Курочкина Т.И. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, компактных, малошумящих, высокостабильных радиочастотных генераторов, работающих в СВЧ диапазоне от 3 до 600 ГГц в гибридном и интегральном исполнении, обладающих широкой спектральной перестройкой. Подобные устройства формирования колебаний в диапазонах сантиметровых и миллиметровых длин волн необходимы при построении современных радиолокационных систем и антенно-фидерных трактов, спутниковых и космических линий связи, создании высококачественной аппаратуры для измерительной техники. Использующиеся в настоящий момент в радиотехнических системах известные генераторы СВЧ являются для многих решаемых задач неприемлемыми. Так, автогенераторы на диэлектрических резонаторах имеют ограничения по уровню фазовых шумов по диапазону частот до 20 ГГц. Одним из способов создания перестраиваемых малошумящих генераторов в области частот 5 – 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) с запаздыванием сигнала в ней от 2 до 10 мкс с малыми потерями электрической мощности от 1 до 10 дБ. В состав ВОЛЗ входят последовательно соединенные – модулированный источник света (МИС) – квантово-размерный лазерный диод (КЛД), волоконно-оптическая система (ВОС) на базе одного или нескольких волоконно-оптических световодов и фотодиод (ФД) (рис.1). Появившаяся недавно современная отечественная элементная база оптоэлектронных компонент – сверхширокополосные квантово-размерные лазерные диоды (КЛД) и фотодиоды – позволяет реализовать малошумящие малодисперсионные ВОЛЗ в диапазонах 0.01 – 12 ГГц и на их основе создать малошумящие, высокостабильные и управляемые по частоте автоколебательные системы. Появляется возможность производить эффективное управление частотой ОАГ оптическими методами в дифференциальной волоконно-оптической линии задержки (ДВОЛЗ) и электронными методами, изменяя ток накачки КЛД и параметры радиочастотного фильтра (РФ). Высокие эксплутационные характеристики ОАГ с ВОЛЗ позволяют им успешно конкурировать в области СВЧ и КВЧ (5 – 100 ГГц) с традиционными автогенераторами. Наличие оптического канала в ОАГ с ВОЛЗ, их малые вес и габариты делают их перспективными в качестве опорных генераторов в доплеровских оптических бортовых локаторах, а также в качестве функциональных преобразователей физических величин. Однако в настоящее время данный тип генераторов недостаточно теоретически и экспериментально изучен. Из зарубежных ученых в области экспериментальных исследований ОАГ необходимо отметить таких исследователей, как Наказава М., Ярив А., Малеки Л., Стив Яо. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы отечественных авторов Григорьянца В.В., Уткина Г. М., Ильина Ю. Б., Константинова В. Н., Прокофьева В. А., Дворникова А. А., в которых ОАГ с ВОЛЗ анализируется на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. В этих работах путем разложения управляющего сопротивления ОАГ с ВОЛЗ в ряд Тейлора в области малого запаса по самовозбуждению получены простые дифференциальные уравнения автономного ОАГ с ВОЛЗ, содержащей одиночный волоконно-оптический световод. Вместе с тем, на практике применяются режимы работы ОАГ с большими запасами по самовозбуждению. ВОЛЗ в ОАГ могут представлять собой сложные волоконно-оптические структуры, например, составные дифференциальные ВОЛЗ. Используемые в ВОЛЗ в качестве МИС КЛД могут работать в СВЧ диапазоне. Управление частотой ОАГ в дифференциальных ВОЛЗ можно осуществлять изменением тока накачки КЛД, изменением оптических параметров волоконно-оптических направленных ответвителей различных типов, а также изменением оптической частоты КЛД. Имеющиеся работы по исследованию ОАГ не дают возможности определять основные свойства и зависимости характеристик ОАГ при управлении частотой генерации перечисленными электронными и оптическими методами. Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы. Цель и задачи работы Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование способов оптического и электронного управления частотой генерации ОАГ с помощью изменения условий возбуждения дифференциальной ВОЛЗ и тока смещения квантово-размерного лазерного диода при работе ОАГ в ВЧ и СВЧ диапазонах 3– 50 МГц и 1–12 ГГц соответственно. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи: -построение математической модели ОАГ на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) с запаздывающей обратной связью (ЗОС) с учетом сложной топологии ВОЛЗ, без ограничения на величину запаса по самовозбуждению и использование этой модели для анализа переходных процессов в ОАГ с ДВОЛЗ; -проведение теоретического и экспериментального исследования ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода; -теоретическое и экспериментальное исследование оптических методов управления частотой генерации в ОАГ с дифференциальными ВОЛЗ с разными направленными ответвителями (НО) Y – и Х – типов; -реализация экспериментального образца и экспериментальные исследования ОАГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах. В соответствии с поставленными задачами изложение материала в работе проводится в следующей последовательности: -построение теоретической модели ОАГ на основе УДУ с ЗОС с учетом сложной топологии ВОЛЗ; -теоретический и экспериментальный анализ ФЧХ и АЧХ КЛД; -исследование оптических методов управления частотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с разными НО Х– и Y – типов; -экспериментальные исследования ОАГ в ВЧ и СВЧ диапазонах. Методы исследования Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории нелинейных колебаний применительно к решению дифференциальных укороченных уравнений с запаздывающей обратной связью. Новые научные результаты, полученные в диссертации. - На основе УДУ с ЗОС построена математическая модель ОАГ с учетом сложной топологии волоконно-оптической линии задержки (из двух или несколько световодов разной длины, возбуждаемых в разной степени). На основании построенной программы в системе MatLab проанализированы переходные процессы в ОАГ с ВОЛЗ. - Произведено теоретическое и экспериментальное изучение ФЧХ и АЧХ КЛД при малых и больших превышениях тока накачки над пороговым значением в диапазоне частот 0.1-12 ГГц. - Теоретически и экспериментально исследованы оптические методы управления частотой генерации ОАГ с ВОЛЗ с помощью волоконно- оптических направленных ответвителей Y– и Х – типов. - Реализован экспериментальный макет ОАГ, работающий в диапазоне 8-12 ГГц и исследованы зависимости частоты от тока смещения квантово-размерного лазерного диода. - На основании теоретического и экспериментального анализа разработаны рекомендации по построению схем и выбору параметров для управления частотой ОАГ при изменении тока смещения КЛД и при изменении параметров направленных ответвителей Y- и Х- типов. Практическая значимость. - Проведенные теоретические и экспериментальные исследования ОАГ на частотах от 3 МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать управляемые по частоте ОАГ (путем изменения тока смещения КЛД и параметров направленных ответвителей Y– и Х – типов) для создания гетеродинов и синтезаторов частоты в ВЧ и СВЧ диапазонах. - Экспериментальное и теоретическое исследование зависимостей частоты ОАГ от тока смещения КЛД дают возможность разработать новые эффективные способы управления и стабилизации частоты ОАГ. - Проведенные исследования АЧХ и ФЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц дают возможность эффективно использовать КЛД и выбирать его режимы при разработке ОАГ. -Проведенные исследования позволяют разрабатывать на основе ОАГ схемы функциональных преобразователей физических величин. - Проведенные исследования ВОЛЗ на частотах от 3МГц до 12 ГГц позволяют разрабатывать перестраиваемые линии задержки радиосигнала с временем запаздывания от 0.01 мкс до 100 мкс. Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы в практической деятельности НИИКП, в научно-исследовательских работах МГТУ им. Баумана и учебном процессе МЭИ (ТУ). Положения выносимые на защиту. -Математическая модель ОАГ с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки с направленными ответвителями Y– и Х– типов на базе укороченных дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью. -Математическая модель квантово-размерного лазерного диода на основе дифференциальных уравнений, результаты исследования АЧХ и ФЧХ КЛД при различных токах смещения. -Результаты исследований методов управления частотой ОАГ с ДВОЛЗ током смещения КЛД и изменением оптических параметров направленных ответвителей Y– и Х– типов. -Результаты исследований зависимостей частоты генерации ОАГ, работающих в ВЧ и СВЧ диапазонах от изменений параметров схемы. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: II Научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении» - Сочи, 2004; Межотраслевая научно-техническая конференция «Стабилизация частоты» - Москва – Иваново, 1986 г.; III-я ВНТК «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» -Таллинн, 1987г.; Научно-техническая конференция «Волоконно-оптические системы передачи»- Донецк, 1988г.; Научно-техническая конференция «Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах» -Москва, 1987г.; Научно-техническая конференция «Лазерные системы и их применение» - Кострома, 2004г. Публикации Основные результаты диссертации изложены в работах [1-17], в том числе в 4 статьях , 3 авторских свидетельствах, 1 патенте, 9 тезисах докладов. Структура и объем работы Работа общим объемом 338 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит, помимо основного текста, 83 рисунка, библиографию из 135 наименований. Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются основные цели и задачи работы. В главе 1 дано описание функциональной схемы ОАГ (рис.1) и базовой математической модели ОАГ. В схему ОАГ рис.1 входят последовательно замкнутые в кольцо модулированный источник света (МИС) – квантово-размерный лазерный диод, дифференциальная волоконно-оптическая система (ДВОС), состоящая из световода ВС0 и двух ( или нескольких) световодов ВС1 , ВС2 с разными геометрическими длинами L1 и L2 и, соответственно, разными в них задержками T1 и T2, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО) Y – или X – типов, фотодиод (ФД), нелинейный широкополосный усилитель (ШПУ), радиочастотный фильтр (РФ) и ответвитель ОТ. КЛД представляет собой сверхширокополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц. Рис.1 Функциональная схема ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ . Коэффициенты возбуждения световодов ВС1 и ВС2 А и В равны А =P1/P0 и В =P2/P0 , где P1 , P2 – оптические мощности, вводимые в световоды ВС1 и ВС2 , соответственно, а Р0= P1 +P2. Синусоидальный радиосигнал Iм(j2? f) , поступающий на вход МИС лазерного диода, модулирует c частотой f по интенсивности его оптическое излучение. В ДВОС, образованной системой из световодов ВС0, ВС1 и ВС2 , осуществляется задержка светового сигнала на среднее время Т. На выходе фотодетектора ФД получается радиосигнал с током равным IФд(j2? f ). При выполнении баланса амплитуд и фаз в такой системе ОАГ возникают автоколебания с определенной радиочастотой f=fг и амплитудой U. При взаимном изменении оптических мощностей P1 , P2, вводимых в световоды ВС1 и ВС2 суммарный фазовый сдвиг сигнала огибающей в такой дифференциальной ВОС изменяется , а следовательно, изменяется частота генерации ОАГ fг. Реализация изменений оптических мощностей P1 и P2 в ОАГ может осуществляться механически или электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y– и Х– типов (рис. 1). Математическая модель ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) для автогенератора с запаздывающей обратной связью составлена для медленно меняющихся амплитуды U и фазы ? квазигармонического сигнала: Tф (dU(t)/dt) = R [AS1 U(t-t1)cos?1 + BS2 U(t-t2)cos?2] - U(t) (1) Tф U(t) (d?/dt) = R [ ? AS1 U(t- t 1)sin?1 + BS2 U(t-t2)sin?2] + +2? ( fф - f0) Tф U(t) где Ф1,Ф2 -текущие фазовые набеги, Ф1=2? ??(fф - fо) - ?(t) + ? (t –t1), Ф2=2? ??(fф - fо) - ?(t) + ? (t –t2), t1 = T – (T1-T2)/2, t2 = T + (T1-T2)/2, Т= (Т1+Т2)/2, ? = (T1-T2)/2, S1=S(U(t + t1)), S2=S(U(t - t2)); fф ,Tф – собственная частота и постоянная времени РФ, соответственно; fо – опорная частота колебаний; R– модуль управляющего сопротивления на частоте близкой к fф; S – средняя крутизна вольт-амперной характеристики активного элемента ШПУ (S = g1•U? – g2•U? , где g1, g2 - постоянные коэффициенты). Времена задержек светового сигнала в световодах ВС0, ВС1 и ВС2 – T0 , T1 , T2 ,соответственно, равны Т0= L0 N(?)/c,T1=L1 N(?)/c, T2=L2 N(?)/c, где c-скорость света в свободном пространстве, ? =?л – оптическая частота МИС КЛД, N(?) – показатель преломления световедущей жилы световода. При этом в УДУ произведен учет характеристик дифференциальной и сложной по топологии ВОЛЗ. Важным новым моментом при составлении УДУ ОАГ является снятие ограничений на необходимость малого запаса по самовозбуждению. Особенностью данных уравнений является учет в них параметра оптической частоты КЛД ? =?л , который определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Показано, что изменения коэффициентов возбуждения световодов в ДВОЛЗ приводят к изменению характера временных зависимостей установления частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ. Из анализа УДУ получено выражение для частоты fг стационарных колебаний в системе ОАГ (рис.1) при ее управлении током смещения КЛД и при изменении параметров ВОС: fг =(fф( Iу ) •Tф + m)/[Tф + Т0 + ? л(fф, I0)/fф +? вос(fф, А(I1),В(I2))/fф ] (2) где m=1,2,3…; ?лд(fф, I0), ?вос(fф ,(I1),В(I2)) – ФЧХ лазерного диода и волоконно-оптической системы, соответственно; I0 , Iу , I1 , I2 –постоянные составляющие токов управления КЛД, собственной частотой фильтра РФ fф, коэффициентов возбуждения световодов ВС1 и ВС2, соответственно. В главе 2 с целью исследования управления частотой генерации ОАГ током смещения квантово-размерного лазерного диода произведены анализ математической модели КЛД и зависимостей его коэффициента передачи от тока смещения. При этом изучены особенности ФЧХ и АЧХ КЛД для одночастотного и многочастотного режимов оптической генерации КЛД. АЧХ K(f) и ФЧХ ?(f), рассчитанные в режиме малого сигнала для одночастотной оптической генерации КЛД представлены на рис.3 для разных токов смещения от 12 до 80 мА. Изложены результаты экспериментальных исследований ФЧХ и АЧХ квантово-размерного ЛД в СВЧ диапазоне 0.1– 12 ГГц при различных токах смещения. В эксперименте использовался квантово-размерный лазерный диод InGaAlAs/InP с длиной волны излучения ?= 1.3 мкм. Экспериментально установлено, что при больших токах накачки КЛД работает в режиме многочастотной оптической генерации (рис.3). На основе исследований КЛД выработаны рекомендации по выбору параметров и режимов экспериментального образца ОАГ на базе КЛД. Рис.2 Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные(пунктирные) зависимости АЧХ и ФЧХ КЛД для разных токов смещения I=I0 КЛД. Рис.3 Экспериментальные ватт–амперная характеристика и оптические спектры КЛД для разных токов смещения I и выходной оптической мощности Р. В главе 3 рассмотрены оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ волоконно-оптических направленных ответвителей Y – и Х – типов. При исследовании способов управления частотой ОАГ путем изменения параметров волоконно-оптической системы (ВОС) (рис.4 и рис.5) был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОЛЗ на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y– и X – типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС1 и ВС2 в дифференциальной ВОЛЗ. Получены выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y– типа и Х– типов. Рис.4 Расчетные и экспериментальные зависимости (б) амплитуды U и частоты f генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Y - типа. Выражение для частоты генерации в стационарном режиме ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленным ответвителем Х-типа (рис.5) записываются в виде: f г =(fф Tф + m)/(Tф+Т0+T+ ? ? cos2 (2Cсв?Z)) (3) где Z –длина участка оптической связи в НО X –типа , Ссв -коэффициент оптической связи. Показано, что при использовании в ДВОЛЗ НО Х-типа существует зависимость коэффициента оптической связи Ссв от оптической частоты излучения МИС КЛД : Ссв =С0 (1+С1 ?л), где С0 и С1 –вещественные коэффициенты, зависящие от показателей преломлений материала световодов, граничной среды и их геометрических размеров. Рис.5 Экспериментальные (сплошные линии) и расчетная (пунктирная линия ) зависимости (б) амплитуды и частоты генерации ОАГ с ДВОЛЗ с НО Х-типа. Установлено, что одной из особенностей ОАГ является связь оптической частоты КЛД с радиочастотой автоколебаний ОАГ. В ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ и направленным ответвителем НО Х-типа реализуется управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД ?л. Исследования ДВОЛЗ показали, что частотный диапазон перестроек составляет от 1 до 20 %, а крутизна изменений частоты генерации от взаимного смещения световодов составила от 10Гц/мкм до 10 кГц/мкм . Рассмотренные оптические методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ. На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ, оформлены авторские свидетельства и патент [5-8]. Рис.5 Экспериментальные зависимости ватт-амперной характеристики (ВАХ) КЛД Р(I)(а) , амплитуды U(I) (а) и частоты f(I) (б) генерации ОАГ в СВЧ диапазоне . В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований реализованных схем управляемых по частоте ОАГ (током смещения КЛД) в ВЧ и СВЧ диапазонах на частотах 3-50 МГц и 8 – 12ГГц. Исследованы зависимости частоты генерации ОАГ от тока смещения КЛД (рис. 5) в одночастотном режиме при средней частоте генерации 8.2 ГГц. Установлено, что при увеличении длины малодисперсионного одномодового световода в ВОЛЗ до 60 – 4460 м (соответствует задержкам сигнала в ВОЛЗ 5 нс – 22.3 мкс) и больших превышениях тока смещения I =60-75 мА над пороговым Iпор (примерно I /Iпор =5– 8) крутизна изменений частоты генерации fг ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается примерно в 30 – 1000 раз и составляет менее 0.03 –1 кГц/мА . Показано, что в ОАГ в СВЧ диапазоне происходит стабилизация частоты за счет использования ВОЛЗ с большим временем запаздывания. В Заключении подводится итог проделанной работы и сформулированы выводы. Выводы. 1.Управление частотой в ОАГ с дифференциальными ВОС в диапазоне 0-12 ГГц можно проводить оптическими методами с использованием направленных ответвителей Y- и Х- типов и электронными методами при изменении тока смещения КЛД. 2. Проведенный анализ на основе укороченных дифференциальных уравнений с запаздывающей обратной связью позволил выявить новые закономерности зависимостей перестройки частоты от управляющих параметров: линейную, квазилинейную (для НО Y-типа) и периодическую (для НО Х– типа). 3. Анализ ОАГ с дифференциальной ВОС с НО X-типа выявили новый вид управления радиочастотой ОАГ при изменении оптической частоты КЛД. Предложено использовать данный вид управления частотой ОАГ в системах стабилизации оптической частоты лазеров и волоконно-оптических системах скрытой передачи информации. 4. Проведенные исследования ФЧХ и АЧХ КЛД в диапазоне частот до 12 ГГц при токах смещения КЛД от 10 до 80 мА определили допустимый рабочий диапазон токов смещения КЛД – (60 – 75 мА), при котором достигаются минимальные уходы частоты ОАГ от малых вариаций тока смещения. Сделаны рекомендации по выбору режимов работы КЛД при использовании их для разработки управляемых ВОЛЗ СВЧ сигнала поднесущей, содержащих НО Y – и Х – типов, с временами запаздывания от 0,01мкс до 100 мкс. 5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований ОАГ и его элементов (КЛД, ВОС) на частотах до 12 ГГц сделаны рекомендации по созданию управляемых по частоте ОАГ СВЧ диапазона для построения специальных опорных автогенераторов, имеющих два выхода – электронный и оптический. Список публикаций 1. , Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Расчет квазистационарного режима импульсных твердотельных оптических квантовых генераторов // Труды ин-та / Московский энергетический институт. – 1982. – Вып. 579. – С.79–82 2. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Передаточная функция составной волоконно-оптической линии задержки // Радиотехника. – 1988.– № 8. – С.8–10. 3. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Перестройка частоты автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989г. – № 3 . – С.68–70 . 4. , Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Влияние эффективности возбуждения световодов на частоту автогенератора с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989 г. – № 7. – С.84–89. 5. А.с.№1538265 СССР, МКИ3 H03K 9/00А. Устройство функционального преобразования в частоту / ., Ильин Ю. Б. и др. (СССР). – 9 c. 6. А. с. №1506508 СССР, МКИ3 H 03C 3/00. Формирователь частотно-модулируемых сигналов / Белов Л. А., . и др. (СССР). – 7 с. 7. А. с. №1485750 СССР, МКИ3 H 03 K 9/00А. Волоконно-оптический датчик физических величин / Бабкина Т. В., и др. (СССР). – 8 с. 8. Патент по заявке №2004134384 RU, МПК3 7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированного сигнала / , Ильин Ю. Б. – 10 с. 9. , Григорьянц В. В. и др. Частотные и фазовые характеристики автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Стабилизация частоты: Сб. докл. – М., 1986. – С.63–67. 10. Бабкина Т. В., , и др. – Использование автогенератора с волоконно-оптической линией задержки для контроля качества изготовления многомодовых световодов // Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации: – Тез. докл. III-ей ВНТК .– Таллинн, 1987. – С. 87–88 . 11. , Ильин Ю. Б. и др. - Измерительные устройства на основе лазерного автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Применение лазеров в технологии, системах передачи и обработки информации: Тез. докл. III-ей ВНТК. –Таллинн, 1987.– С. 99 – 100 . 12. Фазочастотная и амплитудночастотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез.докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 87 – 91. 13. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконно-оптической линией задержки // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. научн.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 35–38. 14. Экспериментальное и теоретическое исследования фазочастотной и амплитудно-частотной характеристик мезаполоскового лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц // Лазерные системы и их применение: Тез. докл. науч.-техн. конф. 28 –30 июня 2004 г. – Кострома, 2004. – С. 39–41. 15. , Ильин Ю. Б. Оптически и электрически перестраиваемый опто-электронный автогенератор СВЧ с ЖИГ-фильтром //Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14-21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 79–81. 16. , Ильин Ю. Б. Новый малошумящий генератор СВЧ с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14 –21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С. 70–71. 17. , Ильин Ю. Б. Разностный опто-электронный автогенератор СВЧ с крайне низким уровнем фазовых шумов // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С.84–86. Подписано в печать Зак. Тир. П.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13