Квантовый оптоэлектронный генератор

Глава 1. Принципы построения

Александр Борцов

Редактор Юрий Ильин

© Александр Борцов, 2018

ISBN 978-5-4490-4470-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Выражаю искреннюю благодарность моему учителю Ильину Юрию Борисовичу за ценные советы и дискуссии

По диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Книга содержит 402 с., 137 рис., 4 табл., 172 источников.

Ключевые слова: оптоэлектронный генератор, генератор, автогенератор, лазер, лазерный диод, оптическое волокно, резонатор, фазовый шум, нанотехнология, технические характеристики, методы управления, частота.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию оптоэлектронного автогенератора (ОЭГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) в кольце положительной обратной связи. Спецификой проведенных в настоящей работе исследований оптоэлектронного генератора ОЭГ является использование в качестве модулированного источника света квантоворазмерного лазерного диода (КЛД). Квантоворазмерный лазерный диод является современным продуктом нанотехнологии, а в оптоэлектронном генераторе он является ключевым элементом. Впервые в настоящей работе оптоэлектронный генератор ОЭГ рассмотрен, как автоколебательная система, в которой развиваются два колебательных процесса в различных диапазонах: в оптическом диапазоне и в радиочастотном диапазоне. Построена ранее неизвестная теоретическая модель оптоэлектронного генератора ОАГ в форме системы нелинейных дифференциальных уравнений в обыкновенных производных с запаздывающим аргументом ВОЛЗ. Разработаны, реализованы и исследованы действующие экспериментальные образцы ОЭГ с КЛД и ВОЛЗ в СВЧ диапазоне. Рассмотрены перспективные схемы применения предложенные автором малошумящих ОЭГ в системах связи, бортовых радиолокационных станциях беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в волоконно-оптических датчиках, в волоконно-оптических линиях связи и различных измерительных комплексах.

Введение

В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка компактных малошумящих стабилизированных по частоте радиочастотных генераторов [1,2], работающих в диапазоне от 1 до 100 ГГц в интегральном или гибридном твердотельном исполнении. Подобные устройства формирования колебаний необходимы при разработке мобильной связи, систем авиационной и спутниковой связи, систем передачи информации для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), радиолокационных и оптических когерентных систем, антенно-фидерных трактов, высокоточной измерительной аппаратуры.

Имеющиеся в настоящее время известные традиционные СВЧ генераторы являются для ряда применений неприемлемыми. Традиционные генераторы с кварцевым резонатором и генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с умножением генерируемой частоты не дают возможности получить требуемый уровень спектральной плотности мощности (СПМ) фазового шума (ФШ) за счет многократного увеличения фазового шума при умножении частоты в СВЧ и КВЧ генераторных схемах. Такие известные генераторы не имеют требуемый уровень кратковременной нестабильности частоты в диапазоне частот 1… 100 ГГц.

Автогенераторы с диэлектрическим резонатором на керамических сплавах имеют явные ограничения по уровню фазовых шумов. За счет относительно низкой добротности такого резонатора, равной примерно 1000 (на частоте генерации 10 ГГц), типичный уровень фазовых шумов коммерчески доступных отечественных и зарубежных генераторов не превышает по модулю, как правило, минус 90…115 дБм/Гц при частотной отстройке 1 кГц от номинальной частоты генерации в диапазоне от 8 ГГц до 20 ГГц.

СВЧ автогенераторы со стабилизацией частоты твердотельным лейкосапфировым диэлектрическим резонатором [3] имеют на сегодняшний день самый низкий зарегистрированный уровень фазового шума — 167 дБм/Гц при отстройках от несущей на 1кГц …10 кГц при номинальной частоте порядка 10 ГГц. Рабочий диапазон частот таких генераторов составляет от 6 ГГц до 35 ГГц и имеет, как правило, дискретный диапазон частотной перестройки.

Лейкосапфировый резонатор такого генератора имеет относительно большие габаритные размеры (диаметр 30…100 мм) и вес (150…400 г). За счет больших габаритов и веса резонатора в таких генераторах частота генерации сильно зависит от механических нагрузок. Серьезным недостатком генератора с лейкосапфировым резонатором является то, что в таких генераторах, за счет относительно высокой зависимости диэлектрической проницаемости материала от температуры (10—4 1/град), системы термостабилизации частоты являются сложными и дорогими.

Одним из альтернативных способов создания надежных компактных и малых по стоимости малошумящих автогенераторов в области частот 1…100 ГГц является применение в ОЭГ стабилизированной малошумящей волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) на основе быстродействующих кванторазмерного лазерного диода и фотодиода, а также за счет специальных низкодисперсионных оптических волокон. Данные ВОЛЗ обладают большим запаздыванием для гармонических СВЧ колебаний. Время задержки в таких ВОЛЗ составляет от 1 нс до 50 мкс (при полосе передаваемых частот до 100 ГГц!). При этом, в таких ВОЛЗ потери мощности за счет рассеяния и оптоэлектронного преобразования составляют 10…18 дБ и более в СВЧ и КВЧ диапазонах.

В лучших образцах СВЧ оптоэлектронного генератора, имеющего в кольце обратной связи подобную ВОЛЗ, уже достигнута низкая спектральная плотность мощности фазовых шумов равная -153дБн/Гц при частотных отстройках по частоте на 1кГц ÷ 10 кГц от несущей 10 ГГц [73,94, 97]. Кратковременная нестабильность частоты такого ОЭГ составляет примерно 10—10 [73]. Сверхнизкий фазовый шум такого ОЭГ достигается за счет создания на базе ВОЛЗ высокодобротного оптоэлектронного резонатора «бегущей волны» с нагруженной эквивалентной добротностью Q = (0,2… 0,8) ·10^6 (в диапазоне частот 1…70 ГГц). В состав такой ВОЛЗ входят последовательно соединённые квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) с внешним электрооптическим модулятором Маха-Цендера (или КЛД с прямой модуляцией), волоконно-оптическая система (ВОС), состоящая из одного или нескольких оптических волокон и фотодетектор (ФД). Подробное описание конструкции ОЭГ будет дано в главе 1.

В ОЭГ с КЛД и компактными ВОЛЗ возможно получить низкую относительную кратковременную и долговременную нестабильности частоты генерируемых СВЧ автоколебаний порядка 10—8…10—10. В таком ОЭГ управление частотой генерации можно производить оптическими и электронными методами. ОЭГ и перспективно использовать их в радиолокационных станциях и оптических локаторах нового поколения, в сверхширокополосных регенерируемых ВОЛЗ в качестве формирователей сверхкоротких оптических импульсов и радиоимпульсных сигналов длительностью 0,01 ÷ 1 пс с малым «джиттером» (случайным уходом переднего фронта импульса), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфиденциальностью с использованием маскирующих помех [81,82].

Однако данный тип перспективных ОЭГ недостаточно теоретически и экспериментально изучен. Не объяснены главные причины сверхмалого значения фазового шума радиочастотного колебания генерации при использовании в ОЭГ ВОЛЗ прямой и внешней схем модуляции КЛД. В России до 2004 года не было создано ни одного действующего лабораторного образца экспериментального макета ОЭГ в диапазоне частот 2…12 ГГц и выше. За рубежом в начале 2000-х годов с появлением коммерческих СВЧ электрооптических модуляторов появились экспериментальные работы Малеки и Стива Яо (Калтех) и др. авторов по исследованию ОЭГ с внешней модуляцией с использованием электрооптического модулятора Маха-Цендера. В этих работах, наряду с успешными экспериментальными результатами по СПМ ФШ, не была все-таки построена теория ОЭГ с флуктуациями. Не было показано, как влияет фазовый шум лазера, определяемый его спонтанными шумами, на радиочастотный СПМ ФШ ОЭГ в целом. Не обсуждается упоминание о роли фазового шума лазера, входящего в состав ОЭГ в работах зарубежных авторов [61,69,70,74,75,94]. Указанные обстоятельства явились одним из стимулов для подготовки и проведения исследований данной диссертации в период с 2005 по 2014 гг.

Имеющиеся работы (опубликованные книги, статьи и материалы докладов) по исследованию ОЭГ [52—64] не дают сразу возможности определить основные свойства ОЭГ в СВЧ диапазоне, методы управления частотой, выделить и проанализировать факторы, влияющие на нестабильность частоты генерации и фазовый шум ОЭГ. Одним из достоинство настоящей работы является, по мнению автора, построение физической и инженерной теории оптоэлектронного генератора с учетом флуктуаций и объяснение влияния фазовых шумов спонтанного оптического излучения лазера на процесс формирования радиочастотных результирующих фазовых шумов ОЭГ при целенаправленной генерации в радиочастотном диапазоне.

Отметим, что ОЭГ относится, с точки зрения классической теории колебаний, к генераторам с запаздывающей обратной связью (ЗОС) [4—31], [32—45]. Теоретически изученными автогенераторами с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОЭГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхностных акустических волнах (АГ ПАВ) [19—25, 40,41]. Эти исследовании создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) — ОЭГ ВОЛЗ, исследованиям которого посвящена данная диссертационная работа.

Интенсивные исследования в 70-х — 80-х годах прошлого века волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических волокон с низкими оптическими потерями [42—44] дали импульс к началу использования ВОЛЗ в автоколебательных системах [45—52], [46—52].

В последние десятилетия были выполнены работы по экспериментальному и теоретическому исследованию современных быстродействующих оптоэлектронных компонентов: лазеров, электрооптических модуляторов, фотодиодов, а также оптоэлектронных и волоконно-оптических систем с быстродействием 0,01 — 100 пс, с полосами частот модуляции до (18 ÷ 200) ГГц [53—106]. Такие работы дали импульс для проведения исследований оптоэлектронных генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов [57,61,63—66,73]. Работы по разработке и исследованию компонентов, используемых в ОАГ, активно проводятся в России [114—134]. В настоящее время в России группой Курносова В. Д. (ФГУП ПОЛЮС, Москва) ведутся исследования и разработка современных отечественных квантоворазмерных лазерных диодов (КЛД) и фотодиодов, позволяющих осуществлять модуляцию и демодуляцию на модулирующих частотах до 12 ГГц [102—103]. С появлением подобных сверхширокополосных отечественных КЛД стала возможной практическая разработка ОАГ ВОЛЗ в диапазоне до 12 ГГц [115—120,131,132]. Дальнейшие перспективы разработки ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах, связаны с современными разработками оптоэлектронных устройств и фотонных нанотехнологий [135]. В последнее время в России появились работы по экспериментальному исследованию оптоэлектронного генератора группы проф. Белкина М. Е., что говорит об актуальности проблемы создания малошумящего оптоэлектронного генератора с ВОЛЗ [111].

Из зарубежных ученых в области экспериментальных исследований оптоэлектронного генератора ОАГ необходимо отметить публикации таких исследователей, как Наказава М. (Япония, 1982г.), Ярив А. (Калтех,1983г.), Малеки Л. (Калтех,1996г.), Стив Яо (Калтех,1996г.), Шумахер (Израиль,2005), Чен Ли (Республика Корея, 2008). Пионерскими теоретическими и экспериментальными исследованиями представляются работы отечественной российской «квантовой» группы МЭИ в составе Ильина Ю. Б., Константинова В. Н. и Борцова А. А., которые были выполнены в 1981—1993 гг. под научным руководством проф. д.ф.-м. н. Григорьянца В. В. (МЭИ и ИРЭ РАН) [51,52,57,114—122]. В этих работах проведён анализ ОЭГ с ВОЛЗ, который в этих работах назывался лазерным автогенератором с ВОЛЗ или ЛАГ ВОЛЗ. Анализ оптоэлектронного генератора был проведен в предположении малого запаса по самовозбуждению и получены обыкновенные дифференциальные уравнения автономного ОЭГ с одиночным оптическим волокном (ОВ) в ВОЛЗ и были сформулированы основные концепции построения ОЭГ, как стабилизированного автогенератора на основе протяженного оптического волокна (ОВ). Одним из принципиально новых утверждений этой российской квантовой группы (и актуальными на сегодня) являлось доказанное положение, что малошумящий ОАГ может работать без радиочастотного усилителя. Этой квантовой группой с непосредственным участием автора настоящей диссертации, были впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования ОЭГ и опубликованы работы [51,52,57,114—122] об использовании в таком генераторе составных (на базе нескольких оптических волокон), дифференциальных ВОЛЗ и рециркулярных (нерекурсивных и рекурсивных) ВОЛЗ. Были разработаны новые способы управления частотой ОЭГ и доказано, что использование ВОЛЗ приводит к уменьшению кратковременной и долговременной нестабильности частоты ОЭГ [114—118].

На современном этапе ведутся интенсивные исследования за рубежом по созданию сверхкомпактного малошумящего генератора на базе ОЭГ с ВОЛЗ, предназначенного для бортового применения в малогабаритных БПЛА и других системах передачи информации. Построение сверхмалошумящих СВЧ автогенераторов на основе ОЭГ в различных областях техники, в вооружениях и военной специальной технике настоятельно требует ответа на многие вопросы. К ним можно отнести, в первую очередь, следующие. Какие должны быть в малошумящем ОЭГ по величине фазовые шумы КЛД? Какая должна быть в малошумящем ОЭГ по величине ширина спектральной линии и мощность КЛД? Какова взаимосвязь оптических фазовых шумов лазера и радиочастотных фазовых шумов ОАГ, какие способы управления частотой необходимо применять в ОЭГ с ВОЛЗ, как влияет температура оптического волокна ВОЛЗ на уходы частоты автоколебаний в ОЭГ, какова должна быть геометрическая длина оптического волокна и многие другие.

Имеющиеся к настоящему моменту перечисленные теоретические работы не отвечают на вопросы, касающиеся ОЭГ, так как в этих работах авторы ограничивались изучением модели ОЭГ в виде кольцевой автоколебательной системы с бездисперсионным звеном запаздывания в петле положительной обратной связи, роль которого в рамках этой модели выполняет ВОЛЗ. Лазер в такой модели не рассматривался как самостоятельный источник оптических колебаний со своими амплитудными и фазовыми шумами, а представлялся линейным идеальным пассивным элементом.

В настоящий момент отсутствует сравнение ОЭГ по техническим характеристикам с другими генераторами, не проанализированы основные достоинства такого генератора. Не проведено теоретическое и экспериментальное исследование схем ОЭГ с прямой и внешней модуляцией КЛД с учетом шумов лазера.

Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы.

Целью диссертационной работы является целенаправленный анализ и решение ряда теоретических и практических проблем, включая математическое моделирование и экспериментальное исследование, которые возникают при планомерном изучении новой научной проблемы: исследовании и создании на базе нового класса оптоэлектронных генераторов с квантоворазмерным лазерным диодом современного малошумящего компактного генератора с учетом шума спонтанного излучения КЛД и выработки рекомендаций к характеристикам элементов ОЭГ, а также разработка схем и методов проектирования ОЭГ с прямой и внешней модуляцией параметров выходного излучения. В соответствии со сформулированной целью в диссертации решаются следующие задачи:

— проведение аналитического обзора и сравнения ОЭГ по техническим характеристикам с другими малошумящими радиочастотными генераторами;

— теоретическое и экспериментальное исследование ОЭГ с учетом статических, динамических и шумовых характеристик лазера КЛД,

— построение математической модели ОЭГ в виде дифференциальных уравнений с обратной связью при учёте в ВОЛЗ лазера, как источника оптических колебаний,

— теоретическое исследование моделей для схем с прямой и внешней модуляцией для анализа стационарные режимов работы ОЭГ, переходных процессов, амплитудных и фазовых шумов в ОЭГ,

— теоретическое исследование влияние шума спонтанного излучения лазера КЛД на фазовый радиочастотный шум ОЭГ;

— разработка и изучение способов оптического и электронного управления частоты генерации, стационарных режимов работы ОЭГ;

— реализация и исследования экспериментальных образцов и экспериментальные исследования ОЭГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах;

— теоретическое и экспериментальное исследование уходов частоты генерации ОЭГ от температуры оптического волокна в ВОЛЗ;

— влияние на долговременную нестабильность частоты изменений температуры оптического волокна;

— реализация и исследование разработанных экспериментальных образцов ОЭГ и экспериментальные исследования ОЭГ с ВОЛЗ, работающих в СВЧ и ВЧ диапазонах.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы общие аналитические и качественные методы теории колебаний применительно к решению и моделированию дифференциальных уравнений, полуклассическая теория лазеров, теория радиотехнических цепей и сигналов, теория флуктуаций в автоколебательных системах. Кроме того, применялся метод экспериментальных исследований на действующих макетах. Обработка результатов экспериментов велась методами математической статистики.

Порядок представления материала данной диссертационной работы является следующим:

1. Описание разработанной методической концепции исследования малошумящего ОЭГ ВОЛЗ на базе КЛД. Анализ результатов методов генерирования СВЧ колебаний с малыми шумами с использованием традиционных электронных генераторных схем и оптоэлектронных способов формирования СВЧ и КВЧ колебаний. Целью обзора является систематизация данных и выявление преимуществ ОЭГ с КЛД.

2. Описание и анализ различных теоретических моделей и методов изучения ОЭГ, которые наиболее эффективно решают поставленные задачи исследования. К теоретическим моделям относятся: во-первых, модель ОАГ на базе укороченных ДУ с дифференциальной ВОЛЗ. В данной модели, разработанной с учетом многолетнего опыта работы специалистов ведущей кафедры Формирования Колебаний и Сигналов МЭИ по широкому использованию методов нелинейной теории колебаний в радиоэлектронике, ВОЛЗ, состоящая из последовательно соединенных лазера КЛД, оптического волокна и фотодетектора представляется в виде линейного четырехполюсника с заданной передаточной характеристикой, а элементы, входящие в ВОЛЗ, являются линейными элементами с крутизной преобразования и описываются передаточными функциями. Во-вторых, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с прямой амплитудной модуляцией, охваченного положительной обратной связью с использованием оптического волокна, фотодетектора, узкополосного радиочастотного фильтра и нелинейного усилителя. В-третьих, модель на базе полуклассических уравнений КЛД с внешней модуляцией оптического излучение электрооптическим модулятором Маха-Цендера.

ГЛАВА1. Наноструктурные оптоэлектронные генераторы (ОЭГ)

1.1. Принцип действия и функциональная схема ОЭГ

1.1.1. 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.

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

1.1.2. Методическая концепция и особенности исследования ОЭГ

Выделим главные составляющие принятой нами концепции исследования:

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.

1.1.3. Полуклассическая теория лазера

(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.

Подчеркнем, что главной целью исследования в этой части является анализ влияния характеристик лазера (оптической мощности вынужденного излучения, уровня спонтанного излучения, фазовых шумов лазера, добротности или постоянной времени оптического резонатора лазера, времени жизни фотонов в оптическом резонаторе КЛД, времени жизни носителей в КЛД) и характеристик оптоволоконного тракта (геометрической длины ОВ, оптических потерь излучения в ОВ и др.) на характеристики ОАГ в целом. Поэтому при анализе лазер или КЛД выделен, как главный элемент. Лазер является оптическим квантовым генератором, генерация колебаний которого осуществляется при использовании вынужденных переходов активного вещества между энергетическими уровнями. Лазер по природе генерации отличается от традиционных электронных генераторов. Он обладает особенностями, одной из которых является квантовая природа шума лазерного излучения. При этом шумы спонтанного выходного излучения лазера, которые определяются временем жизни частиц в возбужденном состоянии, в оптическом диапазоне намного превосходят тепловые шумы.

В схемах с ПАМ и внешней модуляцией малошумящий ОЭГ строится на основе использования фазовых и амплитудных принципов модуляции лазерного излучения. В этом случае фазовые шумы лазера с учетом малости всех остальных шумов НУ и ФД определяют общий уровень фазового шума ОАГ.

1.1.4. Полуклассическое приближение лазера

или КЛД составляет одну из главных методических основ настоящей диссертации. Это означает, что для описания лазера (в главах 5 и 6), входящего в состав ОЭГ с ВОЛЗ, используются классические уравнения Максвелла, а свойства вещества или материала активного элемента описываются векторами поляризации. Особенностью подхода в полуклассическом приближении является то, что для конкретного типа лазера с узкополосным резонатором КЛД удается выразить поляризацию вещества через вектор напряженности поля. Это позволяет свести систему из трех уравнений для напряженности поля лазера, поляризации активного вещества и разности населенностей энергетических уровней к системе из двух уравнений для напряженности поля и разности населенностей (глава 2). Укорочение такой системы уравнений дает возможность получить систему из трех уравнений для амплитуды, фазы напряженности оптических колебаний и уравнение для населенности носителей активного материала. Такой подход справедлив для процессов с постоянной времени оптического резонатора 10—11…10—6, которая больше постоянной времени продольной релаксации (поляризации вещества) 10—12. При этом, для узкополосных полупроводниковых КЛД (с шириной линии менее 1…1000 МГц) постоянная времени оптического резонатора составляет 10—9 …10—6 секунд. Процесс установления населенности в активном веществе КЛД играет важную роль в процессе образования фазовых шумов (определяемых спонтанным шумом) и происходит с постоянной времени (или времени жизни носителей на верхнем энергетическом уровне) 10—9…10—8.

Описание распространения колебаний в настоящей диссертации в электронной части ОАГ в НУ, Ф и в электрических цепях ведется традиционными методами, используя аппарат теории цепей и теории нелинейных колебаний. Постоянная времени радиочастотного фильтра ОЭГ с добротностью 100…1000 на частоте, например 10 ГГц, составляет примерно 10—8 …10—7 секунд. При этом, эта постоянная времени является много большей или сравнимой с постоянной времени оптического резонатора лазера (или КЛД), которая составляет 10—12…10—6 секунд.

Можно отметить, что в ОЭГ одновременно развиваются и наблюдаются два автоколебательных процесса в разных диапазонах: оптическом и радиочастотном с отношением частот примерно 1:2800. Иначе говоря, в ОЭГ можно выделить два различных колебательных процесса на различных частотах или говорить о различных типах генераторов — оптического квантового генератора (ОКГ) с частотой генерации примерно ν_0=128 ТГц и радиочастотного генератора (РЧГ) с частотой генерации f_0 =1…100 ГГц. Оптический квантовый генератор, входящий в состав ОЭГ, при этом является, как бы, источником накачки для радиочастотного генератора ОАГ. Если лазер или КЛД можно выделить в ОЭГ в отдельный блок (рис. 1.2), то радиочастотный генератор (РЧГ) включает в себя лазер или КЛД. С другой стороны, ОЭГ при математическом моделировании в отдельных случаях может быть представлен схемой эквивалентного традиционного радиочастотного генератора с представлением лазера разными математическими моделями, в том числе самой простейшей: линейным или нелинейным элементом с относительно простой передаточной функцией. Например, ВОЛЗ, входящая в состав ОЭГ, может быть представлена линейным четырехполюсником, который описывается Y-матрицей с заданной входной и выходной проводимостью. В последующем анализе в главах 2 и 6 при исследовании ОЭГ используются математические модели на базе дифференциальных уравнений.

В оптическом диапазоне в малошумящих СВЧ ОЭГ поперечные размеры сечения области при фотодетектирования (или «пятна» излучения на светочувствительной площадке фотодетектора) соразмерны с длиной волны лазера. В результате интерференции на площадке фотодетектора двух оптических колебаний и фотодетектирования выделяется полезный электрический сигнал в нагрузке ФД. В отличии от радиочастотного диапазона, в котором поперечные геометрические размеры чипа детектора (например, полупроводникового диода) в 10…1000 раз и более меньше длины волны, поступающих на него электромагнитных колебаний, в оптическом диапазоне поперечные размеры светочувствительной площадки ФД (используемых в малошумящих ОЭГ, которые работают на частотах выше 0,3 ГГц) сравнимы с длиной волны лазерного излучения и составляют 1..5 мкм. В этом случае модель плоской электромагнитной волны для оптических узлов ОЭГ и фотодетекторной площадки необходимо применять с большой осторожностью.

Эти особенности являются определяющими при учете фазовых шумов ОАГ в схемах с прямой амплитудной модуляцией КЛД и внешней модуляцией модулятором Маха-Цендера.

Можно заключить, что в оптическом диапазоне фазовый шум лазера из-за перечисленных причин невозможно исключить, как это делалось во всех предыдущих работах по исследованию ОЭГ других авторов [64—70], при общем анализе фазового шума радиочастотных колебаний ОЭГ. Рассмотрим схему ОЭГ (рис.1.2) более детально.

1.1.5. Лазер и Кванторазменый лазерный диод

Лазер, входящий в состав ОЭГ (рис.1.2), представим, как оптический генератор бегущей волны. Лазер образован замкнутыми в кольцо оптическим усилителем ОУ, узкополосным оптическим фильтром ОФ и оптической линией задержки (ОЛЗ).

ОАГ с внешним модулятором Маха-Цендера (рис.1.2), с другой стороны, представляет радиочастотный генератор (РЧГ), который образован лазером и замкнутыми в кольцо электрооптическим модулятором Маха-Цендера (МЦ), волоконно-оптическим световодом (ВС), ФД, НУ, узкополосным РФ.

В такой схеме (рис.1.2) лазер, с одной стороны, осуществляет энергетическую накачку радиочастотного автогенератора РЧГ, а с другой стороны является главным элементом ОЭГ с ВОЛЗ.

Оптическое излучение (несущая частота) лазера поступает на вход модулятора МЦ, в котором излучение модулируется электрическим сигналом. Далее оптическое излучение через оптический модулятор, и ВОС поступает на светочувствительную площадку ФД (или оптический вход ФД). Полученные в низкочастотной нагрузке ФД радиочастотные колебания (поднесущая) проходят через транзисторный НУ, частотно-избирательный РФ и направляются внутри этой кольцевой системы через СВЧ направленный ответвитель (О) на управляющий СВЧ вход модулятора МЦ.

Рассмотрим особенности СВЧ генерации в ОЭГ при формировании модулированного лазерного излучения с малым индексом модуляции на выходе МИС для случая, когда ширина спектра излучения лазера намного меньше радиочастоты поднесущей. На выходе МИС спектр модулированного оптического излучения представляет собой определённый эквидистантный набор составляющих, отстоящих друг от друга на частоту поднесущей (частоту модуляции). Ограничимся рассмотрением «режима с двумя боковыми», т.е. только трёх оптических спектральных составляющих, оптические частоты которых равны, cсоответственно v_1= v_0-f0, v_2= v0, v_3= v_0+f0.

Две из этих оптических частот v_1 и v_3 разнесёны от центральной оптической частоты лазера v_0 на частоту поднесущей f_0.

В дальнейшем изложении мы рассмотрим ОЭГ с МИС, в котором модулятором в ОЭГ является оптический фазовый модулятор (или как принято его называть за рубежом — модулятор интенсивности) МЦ.

Модулятор МЦ представляет собой два оптических канала ОК_1 и ОК_2 в виде двух полосковых оптических волноводов, соединенных на входе и выходе оптическими Y—ответвителями (рис. 1.1а). Входной Y —ответвитель распределяет лазерное излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля по этим двум оптическим каналам. В ОК_2 излучение с напряженностью электрической компоненты электромагнитного поля модулируется за счёт линейного электрооптического эффекта по оптической фазе СВЧ напряжением с выхода Ф входным радиочастотным сигналом. В ОК_1 излучение этой компоненты не модулируется. Групповое время задержки на выходе ОК_2 относительно входа МЦ зависит от мгновенного значения управляющего напряжения. На выходе ОК_1 время задержки сохраняется постоянным. Оптическое излучение с выходов ОК_1 и ОК_2 с напряженностями электрической компоненты электромагнитного поля, соответственно, и объединяются (складываются) в выходном X — ответвителе и поступают на вход одиночного световода ВОС, в котором задерживаются на групповое время и, пройдя через него, поступают на светочувствительную площадку фотодетектора ФД.

Таким образом, в общем случае ОЭГ представляет собой автоколебательную систему с диссипацией, в состав которой входит дисперсионная линия задержки. Но, учитывая, что для работы в малошумящих ОЭГ используются узкополосные лазеры с шириной спектральной линии 1 кГц…1 МГц, дисперсией оптического волокна при анализе ОЭГ пренебрегаем. Влияние дисперсии оптического волокна при использовании высокодисперсионных ОВ в ОЭГ рассмотрены в главе 6 настоящей диссертации.

При изменении ФЧХ ВОС, при вариации коэффициентов возбуждения оптических волокон разной длины, входящих в состав ВОЛЗ, А и B частота ОЭГ с ВОЛЗ изменяется. Автором предложены [116—118,146] и запатентованы новые способы управления радиочастотой ОЭГ с помощью оптических и оптоэлектронных методов [119—124].

1.2. Технические особенности и достоинства ОЭГ с внешней и прямой модуляцией в схемах с самогетеродинированием

ОЭГ можно подразделить по типу МИС — с лазерами, ширина полосы которых много меньше и много больше радиочастоты модуляции f. При выполнении условия при частотной или фазовой модуляции лазерного излучения ОЭГ является системой с когерентным фотогетеродинированием или разностным генератором. В таком разностном генераторе возможно осуществить режим самогетеродинирования оптического излучения при фотодетектировании и произвести эффективное подавлением шумов, имеющих электронную и оптическую природу. Физика выигрыша поясняется «очищением спектра» разностного от двух оптических гармоник продетектированного фотодетектором колебания также, как это происходит при традиционном гетеродинном приеме. Далее в одном из разделов этой главы физика этого эффекта в ОЭГ описана более подробно. Схемы построения ОЭГ различают по способу модуляции лазерного излучения и фотодетектированию. В ОЭГ с внешней модуляцией и с ПАМ используется фазовая и амплитудная (соответственно) модуляция лазерного излучения и последующее фотодетектирование, по крайней мере, двух оптических колебаний. Одно из оптических колебаний модулировано по фазе сигналом радиочастотной поднесущей. По способу фотодетектирования эти схемы относятся к схемам с гетеродинным фотодетектированием. В схемах традиционного гетеродинного фотодетектирования, использующихся в лазерной локации, при приеме внешнего оптического излучения модулированное по фазе (или частоте) колебание принимается посредством использования внешнего оптического генератора или гетеродина, оптические колебания которого поступают на светочувствительную площадку ФД вместе с внешним принимаемым оптическим колебанием. В ОЭГ с внешней и прямой модуляцией используется самогетеродинирование, то есть сбиваются на площадке фотодетектора два (или три) оптических колебания (или гармоники с частотами 1),,, или 2) с частотами,, которые поступают от одного КЛД.

Наиболее важным достоинством гетеродинного преобразования является способность сохранения информации о фазе оптического колебания и перенос ее в электрический сигнал фототока ФД. Но при этом при фотоприеме лазерного излучения КЛД происходит перенос фазовых флуктуаций колебаний лазера, определяемых его спонтанным излучением, в фазовые флуктуации радиочастотных колебаний.

В результате самогетеродинирования в нагрузке фотодетектора выделяются радиочастотная поднесущая и фазовые шумы КЛД, выступающего в роли гетеродина (или «самогетеродина»), а спектр колебаний сигнала фототока (при условии малости собственных шумов ФД и шумов НУ) повторяет форму спектра оптических колебаний напряженности поля сигнальной волны, но со сдвигом по частоте вниз ровно на частоту лазера-гетеродина. В спектральном представлении это можно выразить так: спектр оптического сигнала (или СПМ АМ и ФМ шумов) почти без изменений сдвигается в область спектра радиочастоты поднесущей f_0, а при конечной ширине спектра лазера-гетеродина спектр радиочастоты поднесущей f_0 (электрического сигнала) дополнительно уширяется.

1.3 Спонтанное излучение лазера КЛД и его роль в формирование шумов ОЭГ

Задачей подраздела является для разных КГ (лазеров на рубине и неодиме, полупроводниковых КГ и КЛД) установления зависимости отношения уровня спонтанного излучения к уровню вынужденного излучения лазера на его выходе. По существу ниже обоснуем и докажем следующее положение: главным вкладом в формирование фазового шума (ФШ) в ОЭГ является вклад СИ лазера (или КЛД), а спектральная плотность мощности (СПМ) ФШ определяется отношением уровня СИ к уровню вынужденного лазерного излучения, который зависит, главным образом, от отношения населенностей активных носителей на верхнем «излучательном» уровне к общему количеству населенности носителей. Ширина линии СПМ ФШ определяется интенсивностью СИ, которая зависит от времени жизни носителей на излучательном уровне.

Подчеркнем, что влияние на формирование фазовых шумов ОЭГ шума СИ, которое обусловлено наличием относительно большого уровня спонтанного излучения (СИ), является одним из главных отличительных свойств оптических квантовых генераторов (КГ) от традиционных электронных генераторов. Как известно, уровень спонтанного излучения имеет кубическую зависимость от частоты излучения фотонов [оптика Алехин] и в оптическом диапазоне значительно превышает шум, обусловленный тепловыми факторами (от температуры), который пропорционален kT (где k- постоянная Больцмана, T- температура в Кельвинах), фликкер шум и дробовый шум, традиционно исследуемые в радиофизике. Подробнее вопрос о ФШ ОЭГ рассмотрен в главах 3,5и 6. Здесь мы обоснуем основные соотношения.

В ОЭГ по сравнению с традиционными радиотехническими автогенераторами, исследуемыми в теории колебаний, появляется новый малоисследованный в радиофизическом смысле источник шума — шум, обусловленный продетектированным ФД спонтанным излучением лазера КЛД. Для когерентных систем формирования и гетеродинного фотодетектирования, к которым относится ОЭГ, шум СИ является определяющим, так как его уровень значительно превосходит электронные собственные шумы ФД, НУ. Малое исследование СИ и не выделение его в качестве отдельного особенного квантового шума в большинстве импульсных оптоэлектронных системах, которые широко используются в ВОЛС, объясняется тем, что в них обычно используется импульсном режим работы лазера или КЛД детектирование в широком ряде случаев идет без использования гетеродинирования. В системах передачи информации, например, в обычных импульсных ВОЛС на площадку ФД (в ОЭГ на ФД поступает большой сигнал) на ФД поступает малый сигнал и детектируется импульсная мощность излучения, а шумы в ВОЛС определяются шумами фотоприемника.

Сложность моделирования и исследования шума, обусловленного спонтанным излучением КЛД, объясняется тем, что спонтанное излучение (СИ) имеет чисто квантовую природу. Под квантовой природой здесь имеются ввиду «постулаты», доказываемые в рамках теории квантовой механики, об энергетических уровнях атома, при переходе с высшего «излучательного» энергетического уровня E_2 на низший уровень E_1 частица (атом или электрон при рекомбинировании) излучает квант света hv = E_2 — E_1 (v-оптическая частота, h-постоянная Планка),происходит вынужденное излучение при взаимодействии частицы с э-м полем излучения с частотой этого поля и с одинаковой фазой внешнего э-м излучения, а также необходимо учитывать процесс самопроизвольного спонтанное излучение. Корректное математическое описание СИ возможно при использовании аппарата квантовой механики. Напомним, что спонтанное и вынужденное излучение невозможно описать в рамках обычной электродинамики (ЭД). Например, при ускоренном движении электрона по орбите вокруг ядра не происходит излучения света, хотя по законам ЭД в этом случае должна излучаться в пространство э-м волна. Оперирование квантомеханическими уравнениями довольно сложно, и как показывает практика теоретических исследований ОКГ [Микаэлян], для точного описания процессов в ОКГ достаточно использования полуклассической модели в дипольном приближении. Как было уже сказано, что в данной работе для анализа СПМ ФШ ОЭГ используется именно такая полуклассическая модель лазера в дипольном приближении (главы3,5,6). Если в рамках этой полуклассической модели (ПКМ) лазера проводить исследование ФШ ОЭГ, необходимо дополнить традиционную ПКМ, построенную для напряженности электрического поля лазерного вынужденного излучения источником шума, также в размерности напряженности электрического поля прямо пропорциональной уровню СИ в квазистационарном состоянии.

Рис. 1.6. Твердотельный лазер на рубине (или на неодиме Nd+3) с оптической накачкой.

Рис.1.7. Твердотельный полупроводниковый лазер с накачкой электрическим током.

Рис.1.8. Схемы энергетических уровней на КГ на рубине трехуровневая (а), четырех уровневая КГ на неодиме (б), зонная структура сильно

Рис.1.9. Вид квантоворазмерной зоны (вверху) и схема энергетических уровней (внизу) квантово-размерного лазерного диода (КЛД) на основе InGaAs.

1.4. Элементы оптоэлектроники и СВЧ/КВЧ техники в ОЭГ

ОЭГ, как источник колебаний нового типа, обладает преимуществом по совместному использование новейших твердотельных компонентов и элементов оптоэлектроники и акустооптики, оптических волокон и традиционной элементной базы СВЧ/КВЧ техники.

Применение в ОЭГ одиночного оптического волокна (совместно с малошумящими лазером и фотодиодом) позволяет создать компактную (10 мм х100 мм х100 мм) малошумящую ВОЛЗ высокой добротности 1000000 с задержкой более чем 50 мкс (при длине ВС 10 км). Потери электрической мощности передаваемого сигнала в диапазоне частот 0.1 Гц до 50 ГГц составляют при длине ВС не более нескольких километров от —10 дБ до —18 дБ. Этот невысокий уровень СВЧ потерь имеет место за счет относительно высокой крутизны преобразования в лазере, ФД, незначительного оптического затухания в оптических волокнах и направленных ответвителях. Такая ВОЛЗ является устойчивой к высоким ударным и длительным динамическим перегрузкам и ускорению (2—10 g), длительным акустическим воздействиям. У ближайшего альтернативного решения АГ СВЧ резонаторы на монокристаллах сапфира не выдерживают высоких ударных и динамических нагрузок более 100…200 Н/кв. см [140]. С другой стороны, в ВОЛЗ возможно создание задержки колебаний более чем на 50 мкс (при длине ВС 10 км). При этом за счет наращивания геометрической длины оптоволокна, увеличения мощности лазера, использовании в ВОЛЗ малошумящих лазеров удается достичь фазовых шумов ОЭГ менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1 кГц от 10 ГГц.

Получение СВЧ фазовой модуляции оптического излучения стало возможным с появлением электрооптических фазовых модуляторов СВЧ колебаний. Эффективное снижение фазового шума в ОЭГ происходит за счет использования ВОЛЗ с большим временем задержки (10…50 мкс для колебаний с частотой 8…12 ГГц), а также за счет использования когерентного фотодетектирования и самогетеродинирования двух по разному задержанных оптических колебаний. Возможность получить компенсацию ФШ при самогетеродинировании обусловлено высоким отношением частоты оптической несущей 128 ТГц к частоте радио поднесущей 10 ГГц, которое составляет 12800. Получение в ОЭГ на СВЧ поднесущей 10 ГГц спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1кГц от 10 ГГц является вполне реализуемым.

1.5. ОЭГ с самогетеродинированием как генератор, содержащий в кольце обратной связи коррелятор фазовых флуктуаций

Особенностью ОЭГ с прямой и внешней модуляцией является то, что при использовании в ОЭГ ВОЛЗ с двумя оптическими волокнами или c двумя оптическими каналами (как в случае с ОЭГ с модулятором МЦ) и организации в оптических фильтров происходит подавление одной их гармоник и выравнивание амплитуд неподавленных гармоник с помощью аттенюаторов. В этом случае ОЭГ с ВОЛЗ такого вида содержит частотный дискриминатор или коррелятор (рис. 1.3А). Метод частотного дискриминатора применяется в радиотехнике и оптоэлектронике для измерения фазовых шумов и спектров лазеров. Этот метод является разновидностью метода фазового детектора с тем отличием, что здесь не требуется опорный источник. Рис. 1.3А иллюстрирует принцип метода частотного дискриминатора, использующего линию задержки. Здесь сигнал от генератора Г разделяется на два канала. Сигнал одного канала задерживается относительно другого на время Т_2-Т_1. Линия задержки преобразует флуктуации частоты во флуктуации фазы. Настройкой линии задержки или фазосдвигателя устанавливается квадратурный фазовый сдвиг сигналов (то есть разность фаз между колебаниями в каналах равна 90 градусов), поступающих на входы смесителя (ФД).

Рис. 1.10. Схема и диаграммы, иллюстрирующие принцип работы коррелятора и частотного дискриминатора в ОЭГ на основе двухканального модулятора Маха Цендера при прямой амплитудной модуляцией и подавлении одной из оптических гармоник. Г- радиочастотный генератор, А1, А2 — аттенюаторы; линии задержки с временами задержки имеют времена запаздывания Т1 и Т2, соответственно, См — смеситель, ФНЧ- фильтр нижних частот, У —малошумящий усилитель, Ан —анализатор.

Затем фазовый детектор преобразует флуктуации фазы во флуктуации напряжения, которые затем могут быть интерпретированы анализатором спектра в полосе модулирующего сигнала как частотный шум. Частотный шум затем преобразуется в значения фазового шума испытуемого устройства. Этот метод прекрасно используется для автогенераторов, таких как « LC генераторы» или генераторы на объёмных резонаторах [140].

Представленные схемы генераторов ОЭГ на рис. 1.1, 1.2 и 1.3 содержат описываемую схему (рис.1.3А), иллюстрирующую принципы метода коррелятора и частотного дискриминатора. В ОЭГ в качестве опорного генератора используется лазер, в качестве линии задержки оптическое волокно или каналы модулятора Маха-Цендера, в качестве фазового детектора выступает фотодетектор ФД.

Необходимым условием снижения шума является подавление одной из трех оптических гармоник.

1.При большой разнице Т_2-Т1, то есть много большей (в 1000 и более раз) постоянной времени резонатора (и периода колебания генератора Г-лазера), частотный дискриминатор выступает, как преобразователь частотных флуктуаций генератора в фазовые флуктуации. При этом коэффициент корреляции стремится к нулю.

2. При малой разнице задержек Т_2-Т_1, то есть сравнимой с постоянной времени резонатора (и периодом колебания генератора Г), частотный дискриминатор выступает, как коррелятор или подавитель фазовых флуктуаций коэффициент корреляции стремится к 1. Степень подавления определяется шириной линии лазера, точностью выравнивания каналов по оптической мощности (или коэффициентом неравномерности возбуждения оптических каналов), а также степенью неоднородности каналов, которая влияет на относительные фазовые задержки в поперечном сечении канала. В оптическом диапазоне неоднородность показателя преломления и микро неоднородности являются определяющими на качество подавления фазовых флуктуаций. Учет фазовой неоднородности в поперечном сечении производится коэффициент неравномерности, зависящий от поперечной неоднородности.

При выравнивании мощности в оптических каналах с точностью 0,1 из приведённой формулы следует, что дисперсия флуктуаций фаз в фототоке фотодетектора ФД меньше исходной снижение более, чем в десять раз. В ОАГ существует возможность организации фазовой модуляции оптического излучения лазера в оптическом канале.

Отметим, что малые собственные фазовые шумы на выходе ВОЛЗ от -110 до — 140дБ/Гц, которые определяются фазовыми шумами лазера. Фазовые шумы квантоворазмерных лазеров на частотной отстройке на (1÷10) кГц составляют -100… -120 дБ/Гц и, соответственно, длина когерентности составляет до 50 км.

Возможность, даваемая оптическими аттенюаторами, при самогетеродинировании на ФД достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10—1…10—3) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителях ВОЛЗ. Это позволяет уменьшить фазовые шумы лазера до значений электронных шумов.

В ОЭГ с КЛД с прямой и внешней модуляцией существует возможность за счет самогетеродинирования более чем на один порядок снизить фазовые шумы в ОЭГ, которые определяются квантовой природой спонтанного излучения.

Из анализа приведенных формул следует, что для снижение фазовых шумов за счет самогетеродинирования необходимо подавить «третью» или одну из «боковых оптических гармоник», применять узкополосный лазер. Снижение фазовых шумов за счет самогетеродинирования в этом случае зависит от точности выравнивания мощности в оптических каналах, не только временной, но и пространственной когерентности источника в поперечном сечении.

Самогетеродинирование в ОЭГ с применением модулятора МЦ (рис.1.1), за счет коррелированности лазерных шумов, как показано в главе 6, дает возможность подавить на 10…15 дБ/Гц фазовый шум ОЭГ, обусловленный продетектированными шумами лазера.

Возможность, предоставляемая оптическими аттенюаторами при самогетеродинировании на ФД, позволяет достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10—1…10—3) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителях ВОЛЗ. Это позволяет скомпенсировать или уменьшить фазовые шумы лазера, определяемые спонтанным излучением лазера, до значений электронных шумов.

Получение СВЧ фазовой модуляции оптического излучения стало возможным с появлением электрооптических фазовых модуляторов СВЧ колебаний. Эффективное снижение фазового шума в ОЭГ происходит за счет использования ВОЛЗ с большим временем задержки (10…50 мкс для колебаний с частотой 8…12 ГГц), а также за счет использования когерентного фотодетектирования и самогетеродинирования двух по разному задержанных оптических колебаний. Возможность получить компенсацию ФШ при самогетеродинировании обусловлено высоким отношением частоты оптической несущей 128 ТГц к частоте радио поднесущей 10 ГГц, которое составляет 12800. Получение в ОЭГ на СВЧ поднесущей 10 ГГц спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов менее -120 Дб/Гц при частотной отстройке на 1кГц от 10 ГГц является вполне реализуемым.

1.6. Интеграция в будущие оптические и оптоэлектронные системы

ОЭГ потенциально имеет два и более различных выходных /входных разъёмов (портов, или терминалов) — оптический и электрический (СВЧ). Наличие двух выходов расширяет его функциональные возможности применения в оптоэлектронных системах будущих поколений устройств генерирования. С электрического СВЧ выхода колебания СВЧ поднесущей поступают на входы потребителей сигнала — умножителей частоты, усилителей, модуляторов и на регистрирующие устройства (анализатор спектра, частотомеры и др.). С оптического выхода СВЧ модулированное/немодулированное оптическое излучение КЛД при необходимости подаётся в оптические каналы передачи данных, в схемы оптической обработки информации и др. При использовании оптического выхода обеспечивается полная гальваническая и СВЧ развязка ОЭГ с его выходной нагрузкой. Например, с оптического выхода ОЭГ сигнал следует передать к внешнему (вне схемы ОАГ) второму ФД другого устройства не стоящего в кольце ОЭГ, и с выхода второго ФД сигнал может поступать на выходной усилитель. Такая гальваническая оптическая развязка значительно (на 10…20 дБ) снижает уровень шумов ОЭГ, вызванными внешними источниками шума и сигналом, отраженным от нагрузки.

1.7. Новые методы оптического и оптоэлектронного управления радиочастотой автогенератора

Одним из важных достоинств ОЭГ является возможность управления его генерируемой радиочастотой оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентованы [119—124], теоретически и экспериментально исследованы новые виды управления радиочастотой ОЭГ, в том числе при изменении тока накачки и оптической частоты лазера. Управление радиочастотой ОЭГ осуществляется также при изменении ФЧХ волоконно-оптической линии задержки при вариации коэффициентов возбуждения А и B, частота ОЭГ с ВОЛЗ изменяется. Одним из важных достоинств ОЭГ выявленных в настоящей работе является расширение возможности управления его радиочастотой чисто оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и различные волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентован, теоретически и экспериментально исследован новый вид управления радиочастотой ОЭГ при изменении оптической частоты лазера.

1.8. Нелинейности в ОЭГ

ОЭГ представляет генератор с различными видами нелинейностей. Помимо «традиционной» нелинейности электронного усилителя, в петле обратной связи ОЭГ при прохождении колебаний необходимо иметь в виду, что существуют в потенциале нелинейности фотодиода, лазера, модулятора и нелинейность волоконно-оптического световода. В ОЭГ присутствуют различные виды нелинейностей: квадратичная и кубическая (лазерный диод с внутренней модуляцией током накачки и фотодиод), косинусоидальная (модулятор Маха-Цендера) и другие. Например, косинусоидальную нелинейность модулятора МЦ можно использовать для умножения в четное число раз поднесущей частоты колебаний [156]. В работе [157] представлен анализ и результаты экспериментальных исследований схемы по передачи сигнала с сверхнизким уровнем шума (-100Дбн/Гц при отстройке от несущей на 1Гц).

1.8.1. Нелинейность в протяженных кварцевых одномодовых оптических волокнах

с геометрической длиной от 1 км до 12 км проявляется при создании больших плотностей мощности в жиле ОВ 20…500мВт/1кв. мкм, при средних непрерывных мощностях излучения КЛД 20—200мВт. Пороговый уровень мощности, при котором начинают проявляться нелинейные эффекты, зависит от типа и длины оптического волокна, введенной мощности лазерного излучения в оптическое волокно, ширины спектральной линии генерации КЛД и параметров эффективного сечения ОВС [27]. Наиболее изученными являются многофотонные нелинейные эффекты, возникающие за счет прямого и обратного рассеяния Брюллиена [155]. Увеличить пороговую мощность нелинейных оптических эффектов в 10…20 раз можно путем использования в ВОЛЗ специальных микроструктуированных ОВ, поперечные сечения которых представлены на рис.1.14. В оптических дисковых резонаторах (ОДР) диаметром 1…10 мм при вводимых в них мощностях 10…100мкВт оптического излучения проявляется их нелинейность. При этом нелинейные эффекты не только вызывают спектральные стохастические шумы колебаний, но высокую температурную нестабильность собственной частоты ОДР. Это не дает возможности применять ОДР в ОЭГ в качестве пассивных высокодобротных резонаторов и фильтров в ВОЛЗ.

1.8.2.Дисперсионная ВОЛЗ в ОЭГ

Волоконно-оптическая линия задержки, в общем, является дисперсионной, то есть ее задержка зависит от оптической частоты колебаний, генерируемых лазером. Современные малодисперсионные оптические волокна (ОВ) характеризуются спектральной погонной задержкой порядка (1 ÷ 10) пс/ (нм км). С другой стороны, есть специальные дисперсионные ОВ, позволяющие реализовать как отрицательную, так и положительную дисперсию с 100—1000 пс / (нм км).

Дисперсия линии задержки приводит к искажению спектра, появлению в спектре радиочастотного сигнала генерации дополнительных (из-за сочетания с нелинейными эффектами в ОВС) паразитных составляющих, что сопровождается увеличением ширины спектральной линии лазера. Однако их уровень проявляется, как показано в главе 6, в малодисперсионных ОВ при ширине спектральной линии оптического излучения МИС более 500 МГц и длинах ОВ более 10 км.

Типы ОЭГ по составу модулированного источника света МИС. Использование разных типов МИС в ОЭГ зависит от назначения автогенератора. Например, в ОЭГ ВЧ диапазона (в измерительных ВО системах) целесообразно применять лазерный диод ЛД (или СД) с низкочастотной внутренней модуляцией, в ОЭГ СВЧ диапазона (в устройствах формирования для систем связи) — экономичных КЛД с внутренней модуляцией или КЛД с внешним абсорбционным модулятором. В малошумящих автогенераторах СВЧ и КВЧ диапазона 8—30 ГГц используются КЛД с внешним модулятором Маха-Цендера.

Разделение ОЭГ по топологии ВОС. ВОС на базе кварцевого одномодового ВС с малой дисперсией tд=1—3 пс/ (нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать мало дисперсионные линии задержки (ЛЗ) СВЧ радиосигналов на время Tз=10—100 мкс с относительной временной дисперсией за счет ширины полосы излучаемых частот МИС tд /Tз = (2 — 6) 10—7 (нм) -1 = (2…6) 10—7 (30 ГГц) -1. Последнее обстоятельство делает возможным реализацию на базе узкополосных лазеров с шириной спектральной линии менее 1 МГц линий задержек ЛЗ с малым фазовым шумом на ее выходе.

Особенностью ОЭГ является использование для селекции типов колебаний ВОЛЗ на базе составных сложных ВОС (рис. 1.4а). Режекторный характер АЧХ таких ВОЛЗ позволяет осуществлять селекцию соседних типов колебаний и подавлять амплитуду паразитных типов колебаний. Методы использования сложных ВОС позволяют существенно снизить боковые составляющие соседних типов колебаний до уровня -100 — — 140 дБ/Гц. В ОЭГ осуществляется возможность получения одночастотного режима радиочастотной генерации в СВЧ диапазоне при больших временах запаздывания в ВОС Твс =1—50 мкс. Одним из использований в ОЭГ сложных ВОС является применение в ОЭГ рециркулярных ВОС с одним или несколькими ОВ в цепи обратной связи (рис.1.4 б). Такие рециркулярные ВОЛЗ обладают узкополосной АЧХ гребенчатого вида и в несколько десятков раз могут снизить геометрическую длину оптического волокна в ОЭГ.

Рис. 1.11. Функциональные схемы ОЭГ со сложной составной ВОС с разными геометрическими длинами ОВ.

Рис. 1.12. Функциональные схемы ОЭГ с рециркулярной ВОС с разными геометрическими длинами ОВ.

Линейная топология ВОЛЗ выгодно отличается по своим прочностным характеристикам при разрушающих ударных воздействиях от монолитных кристаллов диэлектрических резонаторов РЧГ. По геометрическим своим размерам они почти совпадают. Данная прочностная характеристика для ОВ составляет 2000 Н/см^2 [151] (для монолитных кристаллов типа лейкосапфира с диаметром диска 5…8 см и толщиной 1 см эта характеристика на один… два порядка меньше) может быть одной из решающих при использовании малошумящих генераторов ОЭГ в беспилотных орбитальных станциях и беспилотных летательных аппаратах, в военных применениях и др., где ударные и прочностные характеристики являются решающими.

.Рис.1.5 Эквивалентная схема автогенератора ОАГ ВОЛЗ.

Рис.1.13. Эквивалентная электрическая схема автогенератора ОЭГ с выделением лазера ОКГ и радиочастотной части генератора.

Эквивалентная электрическая схема автогенератора ОЭГ с выделением лазера ОКГ и радиочастотной части генератора (РЧГ) ОЭГ представлена на рис.1.5. На этой схеме также выделены линейная часть (ЛЧ) активного элемента АЭ и ВОЛЗ и показаны нелинейные источники токов АЭ. Для изучения частотных, амплитудных зависимостей и временных зависимостей ОЭГ в главе 2 используется математическая модель ВОЛЗ, в которой ВОЛЗ заменяется четырехполюсником с входной проводимостью равной входной проводимости модулятора Маха-Цендера (для схемы с внешней модуляцией излучения КЛД) или входной проводимости КЛД (для схемы с прямой модуляцией), выходной проводимостью равной проводимости фотодетектора ФД и коэффициентом передачи ВОЛЗ. Более сложная математическая модель, представляющая лазер полуклассическими уравнениями, учитывающая фазовые шумы оптического излучения лазера и их преобразование в радиочастотный фазовый шум ОЭГ рассмотрена в главе 6 настоящей работы.

1.9. Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор

Использование в качестве лазера в ОАГ наноструктурного квантоворазмерного лазерного диода КЛД приводит к качественно новым свойствам оптоэлектронного генератора. За счет «квантования зон в переходе», как показано в главе 3, изменяется качество оптического излучения: более чем в 100 раз снижается уровень шумовой спонтанной эмиссии, из-за чего существенно снижаются фазовые и амплитудные шумы лазера, уменьшается ширина линии оптического излучения с нескольких ГГц до нескольких кГц. Кроме того, сужается диаграмма направленности излучения, и улучшаются поляризационные характеристики.

В таблице №1.1 и на рис. 1.10 указаны экспериментальные данные характеристик основных современных оптических резонаторов [63,161]. Как показано в таблице №1.1, наибольшей добротностью обладают дисковые резонаторы Q=8*10^9 SiO_2 Q=8*10^15 CaF_2. К их недостаткам относятся малый коэффициент ввода при стандартных условиях (менее 5% оптической мощности) и низкий порог оптической мощности, при которой начинают проявляться оптические нелинейные эффекты и большая температурная зависимость характеристик резонатора.

Наибольшей привлекательностью в лазерных системах получили резонаторы на оптических распределенных решетках Брега (FBR), для которых получено значения добротности Q=1,2*10^7. При использовании в системе фазовой подстройки оптической частоты лазера в качестве оптического дискриминатора ячейки Брега (при шаге решетки 100 нм) и при длине ячейки дискриминатора 34мм, реализована узкополосное излучение КЛД с полушириной резонансного пика 15МГц.

Таблица 1.1. Добротности и размеры различных оптических резонаторов, применяемые в лазерах и лазерных системах.

Q-добротность оптического резонатора (произведение оптической частоты на постоянную времени).

Рис.1.14. Виды оптических резонаторов и замедляющих оптических структур, применяемых в лазерах и волоконно-оптических системах.

Рис.1.15. Этапы технологического цикла создания квантоворазмерного лазерного диода КЛД с применением высокодобротных оптических дискриминаторов и резонаторов. Создание на подложке дифракционной решетки (а), получение оптического дискриминатора (резонатора) (b), сопряжение лазера и резонатора (c), готовый лазер (d).

Рис.1.16. Увеличенные изображения первичной «маски» на подложке (а) и после технологического цикла сухого осаждения дифракционной решетки оптического резонатора дискриминатора (б) с полупериодом решетки 100 нм. Изображение увеличено с помощью электронного микроскопа [125].

Рис.1.17. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

Рис.1.18. Экспериментальные результаты измерения фазового шума излучения квантоворазмерного лазерного диода КЛД с дискриминатором на основе высокодобротной дифракционной решетки, которая применяется для уменьшения фазового шума КЛД. Показана расчетная зависимость (на основе измерения фазового шума КЛД (рис. 1.17) относительной мощности излучения от отстройки от центральной частоты спектра КЛД квантоворазмерного лазерного диода без и с дискриминатором. Кривая 1 — КЛД без дискриминатора. Кривая 2 —КЛД с использованием высокодобротного резонатора дискриминатора на основе высокодобротной дифракционной решетки. Время анализа 1мс (б) [161].

Данное (какое?) обстоятельство накладывает ограничения при использовании высокодобротных оптических резонаторов для реализации сверхминиатюрных устройств. Так как при малых размерах такого резонатора (радиус диска 1 мм и площадь поперечного сечения световедущего слоя 10^2 кв. мкм) и относительно высокой добротности порядка Q=10^7 (эквивалентная длина 2 м), нелинейные эффекты начинают проявляться при вводимой мощности порядка несколько микроватт.

Поэтому к перспективным методам создания миниатюрного резонатора относится поиск решений по микроминиатюризации линейной волоконно-оптической линии задержки. Например, при длине ОВ в несколько км при длине волны 1,55 мкм пороговая мощность составляет примерно 100—200 мВт.

Рис.1. 19. Четыре физических эффекта, влияющие на формирование лазерного излучения (а) в волоконном лазере. Схема волоконного лазера с использованием в качестве активного рабочего вещества одномодового оптического волокна активированного ионами эрбия Er или иттерия Y (б). ОВВ-одномодовое оптическое волокно, П-поляризаторы.

Рис.1. 20. Результаты измерения относительного шума интенсивности RIN прецизионного волоконного лазера с шириной линии оптического излучения 1 кГц при различных отстройках (1 и 2) от оптической несущей F [154].

В последнее время появились коммерчески доступные электро-оптические модуляторы Маха-Цендера в планарном исполнении (рис.1.11) с высокими характеристиками: малым управляющим полуволновым напряжением 0,3—1 В, высокой вводимой оптической мощностью — до 50мВт, с малыми потерями оптической мощности -3дБ. На рис.1.12 представлен дисковый фазовый электро- оптический модулятор (а) с управляющим напряжением менее 0,01В и оптический тороидный резонатор (б) с добротностью порядка10^6.

Рис.1.11 Планарное исполнение электро-оптического модулятора Маха.

Рис.1.21. Планарное исполнение электрооптического модулятора Маха —Цендера (а) с длиной секции МЦ 10мм.

Рис.1.22. Экспериментальная амплитудно-частотная характеристика АЧХ электрооптического модулятора Маха —Цендера для трех разных значений погонных оптических потерь (1- 0.2 дБ/cм,2- 0.1 дБ/cм,3- 0.01 дБ/cм) в оптическом канале модулятора при длине волны лазера 1550 нм.

Рис.1.23. Дисковый электрооптический модулятор с радиусом диска 2 мм, созданный на кристалле LiNbO_3 [157].

Рис.1.24. Оптический нанотороидный резонатор (радиус диска 50мкм) из SiO_2 с добротностью более 1000000 [165].

На базе современных КЛД и модуляторов разработаны новые интегрированные элементы фотоники с оптическими усилителями и микрорезонаторами. На рис.1.12 представлен коммерчески доступный интегрированный модуль. На рис.1.13 показаны профили коммерческих «дырчатых» оптических волокон ОВ с наноразмерной структурой световедущей жилы.

Рис.1.25. Интегрированный модуль: квантово-размерный лазер (с шириной линии излучения 1МГц) с модулятором Маха-Цендера с полосой частот модуляции 15ГГц с полуволновым напряжением 2В.

Рис.1.26. Профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Рис.1.27. Профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Рис.1.28. Увеличенный профиль коммерческого микроструктуированного «дырчатого» оптического волокна ОВ с микро-и наноразмерной структурой световедущей сердцевины [158].

Такие ОВ используются в оптоэлектронных формирователях СВЧ и КВЧ колебаний для получения второй гармоники по оптической частоте при нелинейном оптическом преобразовании.

Производятся коммерчески доступные зарубежные и отечественные фотодиоды с шириной полосы 12 ГГц, 18 ГГц и 50ГГц [102]. Их собственные выходные фазовые шумы фототока являются сверхмалыми и составляют менее -120… -130 дБ/Гц при отстройки 1…10 кГц от номинальной частоты в СВЧ диапазоне [140]. Конструкция фотодиода позволяет сопрягать его с оптическим волокном. Коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД составляет до 0,5 А/Вт. Одной из особенностей современных фотодиодов СВЧ диапазона является малый размер светочувствительной площадки ФД. Размеры ее примерно совпадают с размерами длины волны поступающего оптического излучения. Это необходимо иметь в виду при математическом моделирование ВОЛЗ. При учете в модели электромагнитного лазерного излучения в виде плоской волны, поступающего на площадку ФД, необходимо учитывать, что на площадку ФД поступает, в общем случае не осесимметричная плоская волна. На ФД поступает волна электромагнитного лазерного излучения, амплитуда и фаза которой не постоянны при изменении координат х и y в поперечном сечении.

Созданы конструкции фотодиодов с разделением каналов для когерентного фотодетектирования [103,104], с оптическими и электронными усилителями, с использованием избирательных оптических фильтров для подавления шумов спонтанного излучения лазера и др.. Перечисленные характеристики новых элементов для оптоэлектронных генераторов позволяют сделать вывод о качественно новом уровне развития техники оптоэлектронной генерации в целом и высоких характеристик ОАГ, которые сделали их конкурентно способными с традиционными автогенераторами.

1.10. Cравнение характеристик ОЭГ с другими традиционными генераторами

В настоящее время техника генерации ВЧ и СВЧ колебаний с малыми шумами достаточно развита. Рынок коммерчески доступных различных генераторов существуют как в России, так и за рубежом.

К широко востребованным малогабаритным моделям генераторов относятся кварцевые и ПАВ генераторы без умножения и с умножением частоты, генераторы с ЖИГ- резонатором, генераторы на диодах Ганна, малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами на керамике и с диэлектрическими резонаторами на волнах шепчущей галереи на кристалле лейко-сапфира и др. Такие генераторы применяются для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах, компьютерной технике, навигационных системах и др.. Некоторые специальные задачи по долговременной стабилизации частоты решаются с использованием цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, которые также являются коммерчески доступными, хотя и относительно дорогими устройствами. Появились работы по компактным стандартам частоты [159]. В последнее время в системах связи, а также в радиоэлектронных системах малогабаритных беспилотных летательных аппаратов БПЛА на частотах 2…60 ГГц растет потребность в генераторах СВЧ и КВЧ диапазона в миниатюрном исполнении. В научной печати появились работы по исследованию оптоэлектронных методов генерации в СВЧ и КВЧ диапазонах с применением лазерной, волоконно-оптической и микрорезонаторной технологий. Для сравнения основных характеристик ОАГ с традиционными электронными и оптоэлектронными генераторами в таблице 1.2 представлены их технические характеристики. К этим характеристикам относятся: частота несущей, диапазон перестройки, долговременная стабильность частоты, спектральная плотность мощности фазового шума — СПМФШ, габаритные размеры. В данной таблице 1.1 представлены основные типы генераторов и введены для них следующие обозначения 1- АГ КР — автогенератор с кварцевым резонатором, 2- АГ ПАВР — автогенератор с резонатором на поверхностных акустических волнах, 3- АГ ДКР — автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из керамических сплавов, 4- АГ ДДРлС- автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из лейкосапфира, 5 —АГ ЖИГ- автогенератор с резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ), 6- ОЭГ ВОЛЗ —автогенератор с волоконно-оптической линии задержки, 7- ОЭГ ОДР — автогенератор с оптическим дисковым резонатором. 8- Лазер ФСК —лазерный фемтосекундный синтезатор, 9- КСЧ на Cz- квантовом стандарте частоты на ячейке цезия. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии автогенераторов с различными типами резонаторов их можно условно разделить на акустические (КР [9] и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР и ДДРлС [8]) и оптоэлектронные (ВОЛЗ, оптические дисковые резонаторы ОДР [3,7]). Генераторы лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК и квантовый стандарт частоты КСЧ по методам формирования радиочастотных колебаний также можно отнести к оптоэлектронным генераторам.

Таблица 1.2. Характеристики автогенераторов.

В таблице 1.2 приняты сокращения: «СПМФШ» — спектральная плотность мощности фазовых шумов на отстройке 1 кГц /10кГц от несущей 10ГГц. «Долг. нестаб. Частоты» -долговременная нестабильность частоты. «Диап. перестр.» — Диапазон перестройки частоты. «Комм. название» -Коммерческое название.

В квантовом стандарте частоты КСЧ преобразование оптической частоты, которая равна примерно 200 ГГц, в радиочастоту 6,4 ГГц производится с использованием квантовых резонансных свойств атома цезия Cz. В генераторе Лазер ФСК преобразование оптической частоты 438ТГц в частоту 10ГГц производится с использованием биений на фотодетекторе двух «фазированных» оптических частот.

С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в кварцевом КР и ПАВ резонаторами (или линиями задержки). Это приводит к снижению их добротности резонаторов в диапазоне СВЧ. Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС.

Основным недостатком диэлектрического резонатора из лейкосапфира ДДРлС является его сильная зависимость резонансной частоты и фазо-частотной характеристики от температуры (температурная нестабильность резонансной частоты резонатора из лейкосапфира ДДРлС примерно составляет 10—4 1/град С и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь материала).

Заметим для сравнения, что в ОАГ в отличие от генератора на лейкосапфировом резонаторе применяется стабилизированная ВОЛЗ на оптическом кварцевом волокне. Собственная нестабильность частоты генератора ОАГ (без внешних устройств подстроек частоты) составляет 10—5…10—6 1/град С [95] и определяется температурной зависимостью показателя преломления кварца от температуры. Частотный диапазон перестройки ОАГ ВОЛЗ с внешней модуляцией с модулятором Маха-Цендера составляет от 1 до 22 ГГц и перекрывает диапазоны других типов генераторов [76].

Генератором, имеющим наилучшую долговременную стабильность частоты, является первичный цезиевый стандарт частоты (Agilent 5071 A фирмы НP). Следует отметить, что стоимость таких коммерческих генераторов приближается к нескольким десяткам тысячам долларов США в зависимости от комплектации.

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем АКС различных автогенераторов.

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем АКС различных автогенераторов АГ. (Продолжение).

Спектральная плотность мощности фазового шума (СПМФШ) автогенераторов является наиболее удобной характеристикой, которая отражает его шумовые свойства. Шумы в генераторе участвуют в формировании его спектральной линии генератора. Большинство известных методов измерения шумов оказываются непригодными в отношении опорного генератора из-за их неспособности анализировать предельно узкополосные сигналы. Шумы генераторов удобнее описывать с помощью таких понятий, как спектральные плотности мощности амплитудного Sα (f), Вт/Гц и фазового Sφ (f), рад^2/Гц шумов, которые являются функциями частоты анализа f. Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора определяет кратковременную нестабильность частоты генератора. Так с лучшей кратковременной нестабильностью является малошумящий автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из лейкосапфира (ДДРлС), частота генерации около 10- 12 ГГц [3].

Перестраиваемые электронно в широком диапазоне частот ЖИГ-генераторы и генераторы на диодах Ганна имеют большую выходную мощность 40…400мВт [3], малые массо-габаритные размеры (20х40х40 куб. мм) и малую стоимость 300- 3000 долларов США и в этом отношении имеют преимущества перед малошумящими генераторами (МШГ) на ДР и МШГ из лейкосапфира. Но данные генераторы имеют низкую кратковременную и долговременную стабильность частоты и обладают низким качеством чистоты спектра. Их СПМФШ составляет — 50—70 Дб/Гц при стандартной отстройке 10 кГц от несущей в диапазоне2…8 ГГц.

К более экономичным моделям относятся генераторы на диэлектрических резонаторах из керамики (ДКР). Их СПМФШ при частотной отстройке на 10 кГц от несущей в диапазоне 2…22 ГГц составляет — — 100… — 90 Дбм/Гц [145]. Их стоимость составляет от 2000 до 15000 долларов США. ПАВ —генераторы с умножением частоты по своим техническим характеристикам занимают промежуточное место — между кварцевыми генераторами и генераторами с ДР. Их стоимость составляет от 100 до 7000 долларов США.

СПМ фазовых шумов в традиционных электронных генераторах определяются добротностью резонатора или линии задержки. Общие габариты автогенератора зависят от размеров резонаторов, так как применяемые в автогенераторах активные элементы (транзисторы) имеют габаритные размеры в 100 и 1000 раз меньше, чем размеры резонаторов.

Для сравнения на рис.1.14 а представлены нагруженные добротности резонаторов традиционных автогенераторов и ОАГ с ВОЛЗ, а на рис.1.14б нормированные на время задержки потери мощности при распространении колебаний. Из анализа на рис.1.14 а) и б) добротностей резонаторов (и линий задержек) и нормированных на время задержки потерь мощности при распространении сигнала (колебаний) сделаем выводы: использование ОАГ с ВОЛЗ в качестве малошумящих генераторов должно иметь несомненные преимущества перед генераторами с КР и ПАВР на частотах выше 5…7 ГГц [40], ОАГ с ВОЛЗ становится конкуретным на частотах выше 5…7 ГГц с генератором на лейкосапфире, и ОАГ с ВОЛЗ имеет преимущества перед генератором на лейкосапфире на частотах 12…70 ГГц и выше [3].

м

Рис.1.29. Добротности резонаторов и линии задержки, применяемых в современных стабильных автогенераторах ВЧ и СВЧ. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 -объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 6 —ЖИГР-резонатор из иттрий аллюминиевого граната, 7-ВОЛЗ — волоконно-оптическая линия задержки (время задержки 50 мкс), 8 — ОДР — оптический дисковый резонатор.

Рис.1.30. Нормированные на время задержки потери мощности при распространении сигнала (колебаний) в 1,2- в радиочастотных кабелях РК-50 и РК-75; в 3,4- в акустических кристаллах в кварце SiO_2 Y- и Z-срезов; 5.6-рэлеевская упругая волна и продольная волна в кристалле LiNbO_3 (без учета потерь в электроакустических преобразователях); 7,8- продольная волна и поверхностная волна «шепчущей галереи» в лейкосапфире; 9 — потери в оптическом волокне (потери примерно 0,2дБ/км на длинах волн 1,3мкм и 1,55мкм); 10,11- при разных потерях в ВОЛЗ с учетом потерь на электронно-оптическое в кванотоворазмерном лазерном диоде и оптоэлектронное преобразование в фотодетекторе ФД и потерь на стыковку оптического волокна ОВ с лазерным диодом и фотодетектором ФД.

На рис.1.15 видно, что с повышением частоты добротность кварцевого КР и ПАВ резонаторов уменьшается из-за потерь акустической волны в материале резонатора, изготовленного из кварца. Для оптоэлектронного генератора ОЭГ добротность ВОЛЗ, которую можно вычислить как, где — средняя частота генерации ОЭГ, — время задержки колебаний (сигнала) в ВОЛЗ, является линейно нарастающей функцией. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии Повтор!) резонаторы автогенераторов можно разделить на акустические (КР и ПАВР), электромагнитные (ЖИГР, ДКР, ОбР и ДДРлС) и оптоэлектронные (ВОЛЗ и ОДР). С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в «акустоэлектронных» кварцевом КР и ПАВ резонаторах и это приводит к снижению их добротности на СВЧ. Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС. Основным недостатком ДДРлС является сильная зависимость резонансной частоты и фазочастотной характеристики от температуры (собственный температурный коэффициент частоты генератора из лейкосапфира ТКЧ составляет). Альтернативным способом увеличения добротности автоколебательных систем является использование механизмов оптоэлектронного преобразования и применение ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов ОДР. Добротность ВОЛЗ на частотах 5—100 ГГц составляет примерно …10^6.

Рис.1.31. Максимальные размеры резонаторов и линии задержки, применяемых в современных в стабильных ОЭГ и автогенераторах СВЧ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек ОВ по годам. Время задержки в ВОЛЗ 50 мкс. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 —Обр- объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейко-сапфира, 6 —ЖИГР-резонатор, 7-ВОЛЗ —волоконно-оптическая линия задержки (время задержки в ВОЛЗ равно 10—50 мкс), 8- ОДР — оптический дисковый резонатор.

Рис.1.32. Максимальные размеры линии задержки, применяемых в современных в стабильных ОЭГ. График изменения максимальных габаритных размеров катушек оптического волокна ОВ по годам. Зависимость размера резонатора по годам Время задержки в ВОЛЗ равно 50 мкс.

В настоящее время добротность (которую примерно можно оценить отношением собственной частоты фильтра на частоте генерации лазера к ширине резонансного пика по уровню 0.7) оптических дисковых резонаторов ОДР, при которой не проявляются нелинейные оптические эффекты, составляет. Габаритные размеры ОДР, в которых осуществляется режим передачи одной поперечной оптической моды, приближаются к размерам несколько десятков длин оптических волн или несколько десятков микрон. Нелинейные оптические эффекты такие, как трех- и четырех-фотонное взаимодействие, брюлльеновское рассеяние и др. носят пороговый характер и в дисковых оптических резонаторах проявляются из-за высокой плотности мощности в поперечном сечении (порядка более 50мВт/мкм^2) в сверхмалых микрообъемах резонатора. За счет высокой плотности мощности в ОДР резко повышается температура материала из-за поглощения излучения в кварце или парателлурите, что приводит к сложности температурной стабилизации такого резонатора.

Отметим, что в ВОЛЗ с геометрической длиной оптического волокна 1 … 5 км полезный объем (в котором распространяется излучение в режиме одной поперечной моды) составляет не более одного кубического сантиметра.

Автор настоящей диссертации является инициатором идеи использования для изготовления малогабаритных ВОЛЗ СВЧ генераторов для нагрева опорной трубки в диапазоне от 1000° C до 1950° C, с сокращением времени установления требуемой температуры трубки и с повышенной точностью подстройки температуры [173]. Автором настоящей диссертации получен патент на изобретение №2537523 от 10 ноября 2014 г. (заявка№2013141980 от 13 сентября 2013 г.) «Радиационно-стойкий волоконный световод, способ повышения радиационной стойкости его изготовления». Прогресс технологий изготовления заготовок для ОВ с использованием автоматизированных методов высокотемпературного прогрева заготовок кварцевого стекла, легированного азотом, синхронное перемещение плазменных столбов вдоль заготовок с применением стабилизированных СВЧ генераторов [173] приведет к созданию сверх миниатюрных ВОЛЗ с общими габаритами менее 0.5 см^3 с эффективной задержкой более 50мкс при полосе передаваемых колебаний 1…100ГГц.

Для сравнения на рис.1.16 и рис.1.17 представлены размеры и виды волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ с оптическим волокном ОВ длиной 10 км с размерами, которые применяются в ОАГ.

Рис.1.33. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 10 км с размерами 100 х 100х20 куб. мм.

Рис.1.34. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 10 км с размерами 100х100х20 куб. мм (б).

Рис.1.35. Вид ВОЛЗ с ОВ длиной 1 км с размерами 20 мм х100мм (в).

Заметим (рис.1.16 и рис.1.17), что геометрические размеры ВОЛЗ длиной 10 км с задержкой 50 мкс составляют примерно 100х100х20 куб. мм., а размеры оптического дискового резонатора ОДР — 100х100х100 куб. мкм. Рекордно малые размеры ВОЛЗ и оптических дисковых резонаторов позволяют производить генераторы СВЧ и КВЧ диапазонов в миниатюрном исполнении с относительно высокими характеристиками по шумам и перестройке частоты.

Централ

Рис.1.36. Экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов (АГ) с различными типами резонаторов и АГ с волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) центральная (средняя) частота генерации АГ 10ГГц. F — отстройка по радиочастоте от центральной частоты генерации [147]. 1-КР-кварцевый резонатор, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 7-ВОЛЗ — ОАГ с ВОЛЗ с МЦ (задержка в ВОЛЗ 90 мкс), 9-ДДРстР — Дисковый диэлектрический специально стабилизированный резонатор, 10-ФСК — фемто секундный синтезатор, на базе высоко стабилизированного лазера и делителя частоты.

На современном этапе развития техники ОЭГ габаритные размеры ВОЛЗ почти совпадают с габаритными размерами дискового диэлектрического резонатора из лейкосапфира с частотами генерации в диапазоне 10…12ГГц.

Отметим, что ВОЛЗ обладают относительно малыми размерами и линейной топологией (оптическое волокно укладывается виток за витком на дисковую бобину). Полезный объем ОВ составляет 10…20% от общего объема ВОЛЗ. Поэтому в ВОЛЗ относительно просто производить стабилизацию по температуре, чем в резонаторах на лейкосапфире. За счет специальных способов укладки оптического волокна [147] достигается хорошая механическая прочность ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ намного меньше, чем монолитные кристаллы из лейкосапфира, имеющие примерно такие же габаритные размеры как максимальные размеры ВОЛЗ, подвержены разрушительным ударным нагрузкам с ускорением в несколько g, которые бывают при эксплуатации радиоэлектронных систем, размещаемых в летательных аппаратах и БПЛА. То есть необходимо отметить данное особое важное свойство линий задержек в ОЭГ с ВОЛЗ. Такие ВОЛЗ и генераторы в целом менее подвержены механическим, акустическим воздействиям и ударным нагрузкам, чем автогенераторы с дисковым диэлектрическим резонатором из монокристалла лейкосапфира. На рис. 1.18 представлены экспериментальные результаты спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов традиционных электронных и оптоэлектронных генераторов различных типов.

Из представленных зависимостей [145] (рис. 1.18) анализа можно заключить, что ОЭГ с ВОЛЗ конкурентоспособен с известными электронными автогенераторами и по шумам пока уступают в области отстройки 1 кГц от несущей 10ГГц на 10—15 дБ/Гц автогенератору на сапфире АГ ДДРлС.

В сравнении (рис. 1.18) [145] с автогенераторами с резонаторами КР и ПАВ, ОЭГ с ВОЛЗ имеет выигрыш на 10…20дБ/Гц в области частотных отстроек 1=10 кГц от несущей 10ГГц. ФСК генератор является бесспорным лидером в области малых отстроек 0,001—0,1Гц. Необходимо отметить, что в настоящее время в оптоэлектронном генераторе ОЭГ не реализованы потенциально возможные сверх малые фазовые шумы и сверх малая компактная конструкция.

1.11.Электронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний

Генераторы с кварцевыми (КР), диэлектрическими резонаторами (ДКР) и генераторы с резонатором на поверхностных акустических волнах (ПАВР)

На рис. 1.19 и 1.20 представлены экспериментальные результаты [156] спектральной плотности фазовых шумов S (F) малошумящих автогенераторов на ДКР и внешний вид ДДРлС (рис. 1.20а).

1.37. Результаты измерений спектральной плотности мощности фазовых шумов S (F) =L (F) малошумящего автогенератора с диэлектрическим керамическим резонатором [156].

Рис.1.38. Общий вид генератора с резонатором из лейкосапфира АГ ДДрС (а)

(а)

Рис.1.39. Генератор с резонатором из лейкосапфира АГ ДДрС, результаты измерений его спектральной плотности мощности фазовых шумов (S (F) =L (F), дБм/Гц) (б) (синия линия). Красная линия на графике —фазовые шумы измерительной аппаратуры или предельно измеряемые фазовые шумы в данной схеме измерения [153].

Из проведенного анализа можно заключить, что ОАГ с ВОЛЗ по всем основным характеристикам способен конкурировать с известными электронными автогенераторами АГ ДКР и АГ ДДРлС. Хотя ОЭГ ВОЛЗ по СПМ фазового шума проигрывает в области частотных отстроек 1…10кГц от номинальной частоты несущей 10ГГц на 5—15 дБ/Гц автогенератору с резонатором из лейкосапфира АГ ДДРлС, тем не менее, у ОАГ ВОЛЗ есть вполне ощутимые преимущества: более низкая (почти на два порядка) зависимость частоты от температурных изменений и более высокая механическая стойкость и почти на порядок более низкая зависимость частоты от механических нагрузок [145].

1.12. Современные оптоэлектронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний

Наряду с электронными методами формирования колебаний успешно развиваются оптоэлектронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний в диапазонах СВЧ и КВЧ. Основное отличие от традиционных электронных методов использование в них электромагнитного излучения оптического диапазона частот с длинами волн 0,4…2,0 мкм.

Можно выделить помимо исследуемого в данной работе лазерного оптоэлектронного генератора, который можно отнести к модемному типу, несколько видов таких формирователей СВЧ и КВЧ колебаний: квантовый стандарт частоты КСЧ, лазерный фемтосекундный синтезатор ФСК на базе высокостабилизированного лазера и делителя частоты, синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ и лазерный генератор с оптической синронизацией двух лазеров [156].

1.12.1. Компактные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой — КСЧ на ячейке Цезия и КСЧ на Rb.

Коммерчески доступный квантовый стандарт частоты КСЧ на ячейке Цезия, обладающий долговременной стабильностью частоты 10 -12, имеет большие габариты и вес и не является генератором, который можно использовать в бортовой аппаратуре БПЛА и специальных летательных аппаратах. Одним из главных элементов, как и в ОАГ в КСЧ является лазер. Он используется для подстройки радиочастоты генерации к средней частоте линии поглощения ячейки Cz. От характеристик лазера, включая ширину спектральной линии лазерной генерации, которая составляет примерно 1МГц, и уровня ФШ лазера во многом зависит работа КСЧ в целом и его фазовые шумы, в частности. Последнее замечание касается и ОАГ ВОЛЗ. И эти два прибора являются в этом смысле похожими. На рис 1.21 представлены зависимости спектральной плотности фазовых шумов S (F) КСЧ (а) и кратковременной нестабильности частоты (Tс — время усреднения (наблюдения или интегрирования)) (б). Из представленных графиков видно, что кратковременная нестабильность частоты на стандартных отстройках 1кГц от номинальной частоты несущей 4,6 ГГц не очень удовлетворительная и составляет -50..70дБ/Гц [158].

Для размещения в БПЛА и специальных аппаратах в последнее время ведутся исследования и разработка компактного КСЧ [158]. На рис.1.22 а и б) представлены конструкция и функциональная схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия Сz [158].. На рис. 1.22 введены следующие обозначения «5 МГц КГ» — кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор работающий на частоте 530Гц, «10кГц» — генератор, работающий на частоте 10кГц.

На рис.1.22 в) и г) показаны диаграмма рабочих энергетических уровней цезия и рубидия соответственно с оптической накачкой. Особенностью современных ячеек с цезием и рубидием является их компактность. Размеры блока КСЧ, содержащего капсулу с цезием, помещенную в постоянное магнитного поле, и расположенную межлу лазером с длиной волны 0,85 мкм и фотодетектором, составляют 20х20х50мм. При этом выходная мощность радиочастотных колебаний с частотой 4,6 ГГц, снимаемых с ячейки цезия составляет менее 0,1 мкВт, долговременная стабильность — 10—10. В схеме КСЧ колебания с частотой 4,6 ГГц, выделяются резонатором, в который помещают ячейку цезия. Данные колебания подаются на модулятор. С помощью модулятора происходит управление оптической частотой лазера. В компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты колебания формируются почти по похожей схеме управления, как и в КСЧ на цезии. Можно резюмировать, что в компактном рубидиевом квантовом стандарте частоты происходит настройка с помощью «входного» лазерного излучения с длиной волны 0,795мкм (с частотой генерации 373ТГц) на «выходную» радиочастоту 6,8ГГц (рис.1.21в). Здесь с некоторой оговоркой, что КСЧ представляет «черный ящик», можно говорить о преобразовании лазерного излучения 373ТГц в радиочастоту 6,8ГГц.

(а) (б)

Рис. 1.40. Экспериментальные результаты измерения спектральной плотности фазовых шумов S (F) коммерческого квантового стандарта частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (а). Экспериментальные результаты измерения кратковременной нестабильности частоты КСЧ на ячейке Цезия Cz (б). Кривые на графиках соответствуют: 1 — КСЧ в режиме свободной генерации, 2 — КСЧ с системой частотной автоподстройки, 3- КСЧ с системой фазовой синхронизации. Tс — время усреднения [158].).

Рис.1.41. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Схема ячейки с цезием. [158]

(а)

Рис.1.42. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Схема ячейки с цезием. [158]

Рис.1.43. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Энергетические уровни цезия (слева) и рубидия (справа) при оптической накачке [158].

1.12.2.Лазерный синтезатор ФСК

В лазерном синтезаторе ФСК используется стабилизированный лазер, выполненный на базе лазера (оптическая частота генерации vo= 456ТГц, длина волны 658нм) со стабилизирующим высокодобротным резонатором Фабри-Перо и фемтосекундный лазер, работающий в режиме синхронизации продольных мод лазера (или «мод-локинга»). Управление оптической частотой с использованием высокодобротного оптического резонатора Фабри-Перо обеспечивает ширину спектральной линии оптического излучения задающего лазера 0,2 Гц, что является рекордным показателем. СПМФШ оптического излучения лазера частотой 456 ТГц составляет при отстройке от оптической несущей 1 Гц — 17 Дб/Гц [131]. В основе построения ФСК, схема которого показана на рис. 1.23, лежит принцип формирования радиочастотных колебаний путем сложения на площадке ФД двух синхронизируемых оптических колебаний, разнесенных по частоте на 1 ГГц. Современные лазеры, работающие в таком режиме, обычно строятся по схеме, показанной на рис. 1.23. В данную схему входят последовательно замкнутые в кольцо амплитудный электрооптический модулятор (или абсорбционная ячейка с насыщением), полосовой оптический фильтр, направленный изолятор и активный нелинейный оптический элемент усиления излучения. На рис.1.23 также показаны виды оптического спектра на выходе фемтосекундного лазера и радиочастотного спектра на выходе ФСК.

Схема ФСК представляет идеальный оптоэлектронный делитель-преобразователь оптической частоты 456ТГц (длина волны в воздухе 0,65мкм) на число N=53200. На выходе «делителя» формируется радиочастотный сигнал 10 ГГц, спектральная плотность мощности (СПМ) фазового шума которого на частоте отстройки 1 Гц составила — 112 Дбм/Гц. Данный результат при частотной отстройке от радиочастотной несущей на величины от 1 до 300 Гц является рекордным. Данный синтезатор превосходит по фазовым шумам на -50 Дб лучшие коммерческие микроволновые генераторы с резонатором на лейко-сапфире. Измеренный временной «джиттер» (временные уходы фронта импульса за счет флуктуаций) составил 0,8 фемтосекунд). Схема ФСК представляет оптоэлектронный преобразователь излучения оптической частоты 456ТГц в радиочастотные колебания 10ГГц по схеме фотодетектирования двухчастотного оптического колебания с использованием самогетеродинирования на площадке ФД. Именно в результате самогетеродинирования в схеме ФСК получен рекордный уровень СПМ фазовых шумов.

Рис.1.44. Схема экспериментальной установки фемтосекундного синтезатора ФСК для формирования автоколебаний на частоте 10 ГГц со сверхнизким уровнем спектральной плотности фазовых шумов S (F). «АПЧ» — автоматическая подстройка оптической частоты лазера [153].

Отметим, что благодаря использованию лазера с малыми фазовыми шумами с высокостабилизированным оптическим резонатором, в ФСК было получены рекордные сверхмалые фазовые шумы радиочастотных колебаний. На частоте 10 ГГц при отстройке 0,001 кГц от радиочастотной несущей их уровень составил менее — 110 дБм/Гц. Столь предельно малые фазовые шумы низкочастотные объясняются не только малыми фазовыми шумами задающего лазера, но и предельно малой восприимчивостью оптического резонатора фемтосекундного лазера к низкочастотным шумам за счет малых геометрических размерах.

1.12.3.Синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ

В синтезаторе с оптическим микрорезонатором (СОМ), схема которого показана на рис.1.24, производится синтез радиочастотных 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.

Выводы к главе 1

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.

7. Одним из результатов анализа различных оптоэлектронных схем создания высокостабильных колебаний, является такой вывод, что современные оптические микрорезонаторы (Брега, диски и др.) можно использовать в ОЭГ только в качестве оптических дискриминаторов подстройки ФАП и ЧАП оптической частоты лазеров, из-за низких порогов на вводимую мощность оптического излучения (5…20 мкВт), которые связаны с нелинейными оптическими эффектами.

8. Коренным моментом при производстве стабильных генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов является оправданный переход от полностью радиочастотного генератора РЧГ и от полностью оптического генератора ОКГ и к гибридной схеме ОЭГ, содержащей и оптическую, и радиочастотную части. Только в этом случае появляется возможность высокоэффективного селективного подавления паразитных гармоник, отстоящих от полезной на интервале менее 1…100 кГц радиочастотными высокодобротными фильтрами при увеличении геометрической длины оптической линии задержки порядка 2…10 км.

Фундаментальными причина такого ограничения являются то, что добротность радиочастотных фильтров СВЧ и КВЧ ограничена миллионом (из-за роста потерь в материале при снижении длины волны), а добротность оптических фильтров (без присутствия нелинейных эффектов) ограничена 10…1000 из-за высокой плотности мощности в следствии малости длины волны примерно 1 мкм. Как следствие такого перехода к гибридной схеме ОЭГ, возникают неизбежные потери мощности, циркулирующей в кольце генератора. При двойном оптоэлектронном преобразовании мощность снижается не менее, чем в 10 раз.

Вдобавок возникают дополнительные фазовые шумы спонтанного излучения лазера, которые с учетом преобразования существенно выше естественных электронных шумов. Тем не менее, развитие технологии квантоворазмерных малошумящих КЛД с подстройкой оптической фазы с использованием высокодобротнх микрорезонаторов (с шириной линии менее 10 МГц на оптической несущей) (ФШ менее -100дБ/Гц), и производство коммерчески доступных низкодисперсионных оптических волокон длиной 2…10км, намотанных на компактные бобины (с габаритаными размерами 5смх5смх5см) гарантирует революционный прорыв в области стабильных генераторов СВЧ и КВЧ.

9. Результатом анализа различных генераторных схем и их характеристик можно заключить, что ОЭГ 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 в такой автоколебательной системе ОЭГ определяются спонтанными шумами лазера, электронными фазовыми шумами лазера, фотодетектора и электронного нелинейного усилителя.

Список источников

1. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. — М.: Наука, 1981. 568 с..

2. Жалуд В., Кулешов В. Н.. Шумы в полупроводниковых устройствах. Под общей редакцией А.К.Нарышкина. — М.: Советсткое радио,1977г.-416 с.

3. Царапкин Д. П. —Методы генерирования СВЧ колебаний с минимальным уровнем фазовых шумов: Диссертация на соискание доктора технических наук. — М., 2004. —413 с.

4. Гоноровский И. С. К теории автогенераторов с запаздывающей обратной связью // Радиотехника. — 1958. — т. 13. — №5. — С. 19—36.

5. Понкратов В. С. Стационарные режимы автогенератора с запаздывающей обратной связью // Изв. вузов МВ ССО СССР. Сер. Радиотехника. — 1958. — Т.1. -№6. —С. 705—714.

6. Попов В. Н., Щербак В. И. Многочастотный автоколебательный режим в автогенераторе с задержанной обратной связью // Изв. Ленинградского электротехнического института. -1974. —Вып. 158. — С. 75—83.

7. Дихтярь В. Б. Анализ условий генерации гармонического сигнала в СВЧ усилителях с линией задержки в цепи ОС // Радиотехника и электроника. — 1975. — Т.20. — №10. — С. 2101—2112.

8. Парыгин В. Н., Гассаб Х. К теории генератора с оптической линией задержки // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. Физика, астрономия. — 1975. — Т.16. — №6. — С. 659—665.

9.Козловский К. Н., Пешехонов С. П. Автогенератор с запаздыванием // Ч.1. — НДШВ, Радиотехника и электроника. — 1959. — №2. — С.138—151.

10. Козловский К. Н., Пешехонов С. П. Автогенератор с запаздыванием // Ч.2. — Изв. вузов СССР. Сер. Радиотехника. — 1960. — №4. — С.453—462.

11. Перепелятник П. А. Автоколебания в автогенераторе с запаздыванием // Радиотехника и электроника. — 1961. — Т.6. — №10. — С. 1601—1608.

12. Рубаник В. П. Колебания квазилинейных систем с запаздыванием. — М.: Наука, 1969, — 288 с.

13.Азьян Ю. М., Мкртумов А. С. Устойчивость многочастотных колебаний в генераторе с запаздывающей обратной связью // Вест. Моск. Ун-та. Сер. Физика, астрономия.- 1976. — т.17. -№4. — С. 452—460.

14. Белюстина Л. Н. О возбуждении автоколебаний в нелинейной системе фазовой автоподстройки частоты с запаздывающим аргументом // Изв. вузов МВ и ССО СССР. Сер. Радиофизика. — 1960. —т.3. — №5. — С. 909—911.

15. Азьян Ю. М., Мигулин В. В. об автоколебаниях в системе с запаздывающей обратной связью// Радиотехника и электроника. — 1956. — т. 1. — №4. — С. 418—427.

16. Бовшеверов В. М. о некоторых колебательных задачах, приводящих к функциональным уравнениям // ЖТФ. — 1936. — т.6. — №9 — С. 1480—1488

17. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Несинусоидальные режимы генератора на основе многочастотного резонатора поверхностных акустических волн // Радиотехника и электроника. — 1985. — т.30. — №3. — С. 604—611.

18. Рождественский А. Н. Использование метода интегральных уравнений при анализе выборов на поверхностных акустических волнах // Вопросы теории и практического использования поверхностных акустических волн: Межведомственный тематический сборник / Моск. энерг. Ин-т. — 1983. — вып. 22. — С.16—22.

19. Дворников А. А., Ковалёв С. С. Воздействие слабомодулированного колебания на ПАВ генератор // Вопросы теории и практического использования поверхностных акустических волн: Межведомственный тематический сборник / Моск. энерг. Ин-т. — 1983. — вып. 22. — С.55—61.

20. Дихтярь В. Б., Кислов В. Я. Расчет колебаний автогенераторов с внешней запаздывающей обратной связью временным методом // Радиотехника и электроника. — 1977. — Т.23. — №10. — С. 2141—2147

21. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. К теории синхронизированного автогенератора на акустических поверхностных волнах // Радиотехника и электроника. — 1981. — Т.26. — №11. — С. 2321—2327.

22. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. К теории автогенераторов с линией задержки на акустических поверхностных волнах в цепи обратной связи // Радиотехника и электроника. — 1979. — Т.24. — №12. — С. 2511—2520.

23. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. — М.: Радио и связь, 1983. — 136 с..

24. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / П.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др., Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. — М.: Радио и связь,1982. —408 с..

25.Уткин Г. М. Автоколебательные системы и волновые усилители. — М.: Советское радио, 1978. —272 с..

26.Уткин Г. М. Автоколебательные системы с одной и двумя степенями свободы. — М.: Изд. МЭИ, 1980. —54 с.

27. Богачёв В. М., Смольский С. М. Исследование автоколебательных систем методом символических укороченных уравнений: Учеб. пособие для вузов по курсу « Теория колебаний». — М.: Изд. МЭИ, 1980. —95 с..

28. Капранов М. В., Кулешов В. Н., Уткин Г. М. Теория колебаний в радиотехнике. — М.: Наука, 1984 г. — 320 с.

29. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Советское радио, 1977. —608 с..

30. Котельников В. А., Николаев А. М. Основы радиотехники. — М.: Связьиздат, 1954.

31. Рябов Ю. А. Об аппроксимации решений нелинейных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом // Тр. семинара по теории диф. уравн. с откл. арг. -1965. -№3. —С. 165—185.

32.Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров. — Пер. с англ. — М.: Наука, 1977. —831 с..

33.Васильева А. Б. Асимптоматика решений дифференциально — разностных уравнений в случае малого отклонения аргумента // вычислительная математика и математическая физика. — 1962. — №2. — С. 768—786.

34. Карташёв В. Г. Основы теории дискретных аналогов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. —109 с..

35. Карташёв А. П., Рождественский Б. Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. — М.: Наука, 1979. 288 с.

36. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практич. рук. Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. 238 с..

37. Мак-Кракен Д. Д., Дорн У. С. Численные методы и программирование на ФОРТРАНЕ: Изд. 2-е. Пер. с англ. — М.: Мир, 1970. 235 с..

38. Хемминг Р. В. Численные методы для научных работников и инженеров: Изд. 2-е. Пер. с англ. — М.: Мир, 1977,451 с..

39. Бригэм О. Быстрое преобразование Фурье 1 -ВЦП. — №1360. — М., 64 с..

40. Огурцов В. И. О внешней синхронизации автогенератора с линией задержки на акустических поверхностных волнах // Тр./ Моск. энерг. ин-т. — 1979. — Вып. 431. — С. 42—46.

41. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Автогенератор на линии задержки акустических поверхностных волн с внешней синхронизацией // Тр./ Моск. энерг. ин-т. — 1980. — Вып. 455. — С. 66—72.

42. Бабкина Т. В., Григорьянц В. В., Смирнов В. Б. частотно-импульсные характеристики волоконных световодов. // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. — М.: ВИНИТИ,1982. — т. 29. С. 3—46.

43. Нефёдов И. Е., Шевченко В. В. Передаточные характеристики многомодовых волоконных световодов. Теория./ Радиотехника и электроника — 1985. -30, №1. —С. 34—40.

44. Нефёдов И. Е., Шевченко В. В. Передаточные характеристики многомодовых волоконных световодов. Примеры./ Радиотехника и электрон. — 1985. -30, №2. —С. 251—258.

45. Григорьянц В. В., Дворников А. А., Ильин Ю. Б. и др. Генерация радиосигналов в системе « лазер — оптическая линия задержки». // Квантовая электроника -1984. -11, №4. — С.766—775.

46. Дворников А. А., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Об одночастотных режимах автогенератора с волоконно-оптической линией задержки в цепи обратной связи.// Радиотехника и электроника. — 1984. -29, №11. —С. 2234—2242.

47. Скляров О. К. Волоконно-оптическая линия задержки: А.С. №1205095 СССР. Заявл. 15.08.84 №3781819/24—10. опуб. в Б.Н.,1986, №2, МКИ С 02 В 6/36.

48. Беловолов М. И., Дианов Е. М., Карпов В. И. Запоминающие устройства на волоконных световодах.// Тр. ИОФАН. -1987. -5. —С.114—125.

49. Гуляев Ю. В., Дмитриенко В. В., Львова М. В. Волоконно-оптический элемент хранения информации.// Письма в ЖТФ. -1986. -12, №6. —С. 350—354.

50. Парыгин В. Н., Гассеб Х. К теории генератора с оптической линией задержки.// Весн. МГУ. Сер. Физика, астрономия. -1975. -16, №6. —С.659—665.

51. Бабкина Т. В., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. и др. ВОЛС, замкнутая в кольце, как волоконно-оптический датчик с частотной индикацией воздействия.// В сб.: 12 Всес. конф. по когерентной и нелинейной оптике. Тезисы докладов. —М., 1985. —С. 462—463.

52. Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н., Прокофьев В. А. Параметрическая стабильность автомодуляционных колебаний автогенератора с волоконно-оптической линией задержки». // Квантовая электроника -1986. -10, №5. — С.566—575.

53. Sang-Shin L., Sean M. Garener, Chuyanov V. Optical intensity modulator based on a novel electrooptic polymer incorporating a high μβ chromophore. // IEEE Journal of quantum electronics. — May 2000.-№5.- vol.36.-P/ 347—355

54. Cohen D.A., Levi A.F.J.. Microphotonic components for a mm-wave receiver.// Solid-State Electronics.-2001-№45-P.495—505.

55. Seeds Alwyn J.. Microwavephotonics.// IEEE Transactions on microwave theory and techniques.-2002.-№3.-vol.50.-P. 445—461.

56. Cohen D.A., Hossein-Zadeh M., Levi A.F.J.. High-Q microphotonic electro-optic modulator.// Solid-State Electronics.-2001-№45-P.1577—1589.

57. Grigor’yants V.V., Il’in YU. B.. Laser optical fibre heterodyne interferometer with frequency indicating of the phase shift of a light signal in an optical waveguide.// Optical and quantum electronics.-1989.-№21.-P.423—427.

58. Langley L.N., Elkin M.D., Edge C.. Packaged semiconductor laser optial phase-locked loop (OPLL) for photonic generation, processing and transmission of microwave signals.// IEEE Transactions on microwave theory and techniques.-1999.-№7.-vol.47.P.93—99

59. McNeilage C., Ivanov E.N., Stockwell P.R., Searls J.H..// IEEE Frequency control symposium.-1998.-vol.10., P.347—352

60. Ilchenko V., Kossakovski D., Solomatine I., Eliyahu D.. Electrooptically tunable photonic microresonators and photonic bandgap waveguide coupling for micro-optoelectronic oscillators.// Conference «GOMACTechnology». — 2003, — P.541—547

61. Huang S., Tu M., Yao S., Maleki L.. A «Turnkey» optoelectronic oscillator with low acceleration sensitivity.// IEEE/EIA Int. Frequency Control Symposium.-2000.-P.269—271

62. Ougazzaden A., Lentz C.W.and other. 40Gb/s tandem electro-absorption modulator.// IEEE Photonics technology letters.-1999.-№2.-vol.11.-P.451—455

63. Ilchenko V.S.,and et. Coupling light from a high-Q microsphere resonstor using a UV-induced surface grating// Physics Review, vol. A57, —2000, -P.R2293.

64. Kanter G.S., Capofreddi P., Behtash S., Gandhi A.. Electronic equalization for extending the reach of electro-absorption modulator based transponders.// Optical Society of America.№3—2000, — P.97—98.

64. Steve Yao X., Maleki L.. Dual microwave and optical oscillator.// Optics Letters.-1997.-№24.-vol.22., -P.57—59

65. Yu Ji, Steve Yao X., Maleki L.. Ultra low phase noise compact-sized optoelectronic oscillator.// Jet Propulsion Laboratory. Optics Letters.-2001.-№2.-vol.22., -P.37—45

66. Lau K.Y., Yariv A.. Self-sustained picosecond pulse generation in a GaAlAs laser at an electrically tunable repetition rate by optoelectronic feedback.// Applied Physics Letters.-1984.-№45.-vol.15, -P.23—29

67. Peng X., Song F., Jiang S.and other. Fiber-taper-coupled L-band Er3+-doped tellurite glass microsphere laser.// Applied Physics Letters.-2003.-№10.-vol.82., -P.45—47

68. Chen D., Bhattacharya D., Tsap B., Fetterman H.R.. High-Frequency polymer modulators with integrated finline transitions and low V-π. // IEEE Photonics technology letters.-1999.-№1.-vol.11., -P.57—59

69. Stockwell P., McNeilage C., Mossammaparast M., Green D.M.. 3-Axis vibration performance of a compact sapphire microwave oscillator.// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2002.-№8.-vol.46., -P.199—123

70. Yao X.Steve. Brillouin selective sideband amplification of microwave photonic signals.// IEEE Photonics technology letters.-1998.-№1.-vol.10., -P.43—49

71. Arft C., Yankelevich D.R., Knoesen A.. In-line fiber evanescent field electrooptic modulators.// Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials.-2000.-№1.-vol.9., -P.67—72

72. Donval A., Toussaere E., Hierle R., Zyss J.. Polarization insensitive electrooptic polymer modulator.// Journal of Applied Physics.-2002.-№8.-vol.89.p.203—212

73. Steve Yao X., Maleki L..Dual microwave and optical oscillator.// Optics Letters.-1997.-№24.-vol.22., -P.37—46

74. Fetterman H.R., Ali M.E., Bhattacharya D.. Epitaxial lift-off attachment technologies for high frequency power hemts.// Final report 1997—1998 for MICRO Project, -Р.97—146.

75. Shen P., Davies P.A.. Millimetre wave generation using an optical comb generator with optical phase-locked loops.// ALMA memo.-2002.-№439, -Р.236—239.

76. Ribeiro K.L., Ivanov E.N., Blair D.G.. Improvements in the noise floor of the gravitational wave antenna niobe.// Meas. Sci. Technol.-1998.-Р.1273—1279

77. Woode R.A., Ivanov E.N.,. Tobar M.E. Application of the interferometric noise measurement technique for the study of intrinsic fluctuations in microwave isolators.// Meas. Sci. Technol.-1998.-Р.1593—1599.

78. Hwang Wol-Yon, Kim Jang-Joo. Polymeric optical intensity modulator optimized in quasi-single mode operation.// Applied Physics Letters.-1996.-№69.-vol.11., — Р.98—101

79. Shimotsu S., Oikawa S., Mitsugi N.. Development of millimeter-wave optical modulators.// Technical report.-1999.-№5.-vol.40.,Р.235—242

80. Ohman F., Bischoff S., Tromborg B., Mork J.. Noise and regeneration in semiconductor waveguides with saturable gain and absorption.// IEEE Journal of Quantum Electronics.-2004.-№3.-vol.40.,Р.131—137

81. Wiggeren G.D.Van, Roy R.. Optical communication with chaotic waveforms.// Physical Review Letters.-1998.-№16.-vol.81.,Р.89—99

82Ashwin. P., Terry J.R.. Blowout bifurcation in a system of coupled chaotic lasers.// Physical Review Letters.-1998.-№6.-vol.58, Р.235—243

83. Mossammaparast M., C.McNeilage, P.Stockwell, J.H.Searls, M.E.Suddaby. Low phase noise division from X-band 640 MHz.// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2001.-№6.-vol.41.,Р.9—15

84. Oh I., Yegnanarayanan S., Jalali B.. High-Resolution microwave phonon spectroscopy of dispersion-shifted fiber.// IEEE Photonics Technology Letters.-2002.-№3.-vol.14.,Р.89—97

85. Shi Y., Zhang Ch., Zhang H., Bechtel J.H., Dalton L.R., Robinson B.H..// Low (sub-1-volt) halfwave voltage polymeric electro-optic modulators achieved by controlling chromophore shape.// Science.-2000.-№7.-vol.288.,Р.99—124

86. Grigor’yants V.V., Dvornikov A.A., Il’in Yu. B., Konstantinov V.N..// A laser diode with feedback using a fibre delay line as a stable-frequency signal generator and potential fibre sensor.// Optical and Quantum Electronics.-1985.- №17.-Р.263—267.

87. Ilchenko V.S., Gorodetsky M.L., Yao X.Steve, Maleki L.. Microtorus: a high finesse microcavity with whispering-gallery modes.// IEEE Photonics Technology Letters.-2003.-№2.-vol.15.,Р.189—197

88. Robinson B.H., Dalton L.R.. Monte Carlo statistical mechanical simulations of the competition of intermolecular electrostatic and poling-field interactions in defining macroscopic electro-optic activity for organic chromophore/polymer materials.// J.Phys.Chem.-2000.-№20.-vol.104.,Р.57—68

89. Wang C.H., Woodford J.N., Zhang C., Dalton L.R.. Resonant and nonresonant hyper-Rayleigh scattering of charge-transfer chromophores.// Journal of Applied Physics.-2001.-№8.-vol.89.,P.76—79

90. Егоров В. Н., Воловиков А. С..Измерение тензора диэлектрической проницаемости сапфира при температуре от 93 до 343 К.// Известия вузов. Радиофизика.-2001.-№11.- т. XLIV.,С.45—49

91. Dick G.J., Santiago D.G., Wang R.T.. Temperature compensated sapphire resonator for ultra-stable oscillator capability at temperatures above 77 kelvin.// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2000.-№7.-vol.42.,Р.19—25

92. Dick G.J., Wang R.T.. Stability and phase noise tests of two cryo-cooled sapphire oscillators.// TMO Progress Report, -1999,v.42—1542.Р.34—45

93. Dick G.J., Wang R.T.. Design of a cryocooled sapphire oscillator for the cassini Ka-Band experiment.// TMO Progress Report 42—134.-1998.,Р.176—189

94. Yao X.Steve, Huang Sh., Maleki L.. Optical Pulse Synthesis using Brillouin selective sideband amplification.// Optical and Quantum Electronics.-1999.- №15.-Р.163—167.

95. Goano M., Bertazzi F., Caravelli P., Ghione G.. A General conformal-mapping approach to the optimum electrode design of coplanar waveguides with arbitrary cross section.// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2001.-№9.-vol.49.,Р.99—121

96. Shima K., Mitsugi N., Nagata H.. Surface precipitates on single crystal LiNbO_3 after CHF_3 plasma.// Journal of Materials Research.-1998.-№3.-vol.13.,Р.59—65

97. Lee H.-M., Hwang W.-Y., Oh M.-Ch., Kim J.-J.. High performance electro-optic polymer waveguide device.// Applied Physics Letters.-1997.-№26.-vol.71.,Р.42—48

98. Bach L., W. Kaizer and et.// Enhanced direct —modulated bandwidth of 37 GHz by a multi-section laser with a coupled-cavity-injection-grating design// Electronic Letters 30th October 2003, Vol.39,№22,Р.31—32

99. Leaf A. Jiang, Matthew E. Grein and et. // Ultra low noise semiconductor mode locked lasers for OTDM applifications//OFC-2001,2001,Р.1—3

100. Dongsoo Bang, Jongin Shim and et. High-Temperature and high-speed operation of a 1.3 mkm uncooled InGaAsP-InP DFB laser// IEEE Photonics technology letters, vol.14,№9, September 2002,Р.1240—1242.

101. KrestenYvind, David Larson, and et. // Low-jitter and high power 40 GHz all active mode locked lasers- IEEE Photonics technology letters, vol.16,№4,April, 2004,Р.975—977.

102. Иванов А. В., Курносов В. Д., Курносов К. В. и др. Влияние паразитных элементов мезаполоскового лазера на его амплитудно-частотную характеристику.-Квантовая электроника 33, №5 (2003), С.425—429

103. Курносов В. Д., Курносов К. В., Чернов Р. В.. Амплитудно-частотная характеристика мезаполоскового кванторазмерного лазера.- Квантовая электроника 32, 303, 2002г.,С.341—347

104. БратчиковА. Н., Воскресенский Д. И., Садеков Т. А. Теоретические и экспериментальные результаты исследования фазостабильного волоконного канала с удаленным гетеродинированием // Сб. Антенны, 2000, №3 (46),С.5—16

105.Tsai C.Y., Shih F.P., Sung T.L., Wu T.Y., Chen C.H., High-speed operation uncooled DFB laser// IEEE J. Quantum Electron., 33, 2084, 1997.,Р.98—109

106.Lin G, Chuang S.L.// IEEE J. Quantum Electron., 37, 1283, 2001.,Р.55—59

107. Унгер Х.-Г.— Планарные и волоконные оптические волоноводы, -Мир, Москва,1980г.,656 с.

108. Семенов Н. А.-Оптические кабели связи. Теория и расчет.-Радиои связь, Москва, 1981г., 151с.

109. Шатров А. Д. Статистика лучей в многомодовых нерегулярных оптических волокнах. «Изв. вузов. Радиофизика», 1977, 20,№8,С.1153—1164.

111. Шатров А. Д. Распространение света в нерегулярном фокусирующем волокне со случайной азимутальной симметрией. «Радиотехника и электроника», 1979, 24, №4, С.663—667.

112. Беланов А. С., Григорьянц В. В., Потапов В. Т., Шатров А. Д..-Передача оптических сигналов по световодам, -В сборнике Итоги науки и техники, серия Радиотехника, том30, Москва,1984г.,С.3—90

113. Елисеев П. Т., Введение в физику инжекционных лазеров.-Главная ред. Физ. мат. литературы.-«Наука» -Москва,1983г.,С.294

114. Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н.- Формирование и обработка сигналов в устройствах на основе волоконных световодов, -в сборнике Итоги науки и техники, серия Связь, том 1, Москва,1988г., С.115—161107.А.А.

115.Борцов А. А., 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

116.Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б., Константинов В. Н. Передаточная функция составной волоконно-оптической линии задержки // Радиотехника. — 1988.— №8. — С.8—10.

117.Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Перестройка частоты автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. — 1989г. — №3. — С.68—70.

118.Борцов А. А., 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.

119.А.с.№1538265 СССР, МКИ^3 H03K 9/00А. Устройство функционального преобразования в частоту / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. и др. (СССР). — 9 c.

120.А. с. №1506508 СССР, МКИ^3 H 03C 3/00. Формирователь частотно-модулируемых сигналов / Белов Л. А., Борцов А. А. и др. (СССР). — 7 с.

121.А. с. №1485750 СССР, МКИ^3 H 03 K 9/00А. Волоконно-оптический датчик физических величин / Бабкина Т. В., Борцов А. А. и др. (СССР). — 8 с.

122.Патент на изобретение №2282302 RU, МПК^3 7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. — 10 с. 2004г.

123.Патент на полезную модель №44902 RU, МПК^7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированных сигналов / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. — 2 с. 2005г.

124.Патент на полезную модель №103431 RU, МПК^3 Н03. Наноструктурный формирователь частотно-модулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. — 2 с. 2010г.

125.Борцов А. А., Григорьянц В. В. и др. Частотные и фазовые характеристики автогенератора с волоконно-оптической линией задержки // Стабилизация частоты: Сб. докл. — М., 1986. — С.63—67.

126.Борцов А. А., Гайдук М. А., Григорьянц В. В. и др. Мощное лазерное излучение и влияние его характеристикв волоконно-онно-оптической линией задержки // С: Сб. докл. — М., 1986. — С.63—67.

127.Борцов А. А., Гайдук М. А., Григорьянц В. В. и др. Применение мощного лазерного излучение в хирургии // С: Сб. докл. — М., 1986. — С.68—69.

128.Борцов А. А., Механошин Б. И. и др. Применение мощного лазерного излучение в стоматологии // С: Сб. докл. — Минск, 1987. — С.38—42.

129.Бабкина Т. В., Борцов А. А., 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.

130.Борцов А. А., 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.

131.Борцов А. А. 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.

132.Борцов А. А. 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.

133.Борцов А. А. 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.

134.Борцов А. А., 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.

135.Борцов А. А., 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.

136.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Разностный оптоэлектронный 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.

137.Борцов А. А. Управление частотой в оптоэлектронном автогенераторе // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. II-ой научн.-техн. конф. — Сочи, 2004 г. — С.87.

138.Борцов А. А. Оптоэлектронный автогенератор СВЧ как задающий генератор в радиолокационных комплексах. // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. III-ой научн.-техн. конф. — Сочи, 2005 г. — С.34—35.

139.Борцов А. А. Фазовая автоподстройка частоты в оптоэлектронном автогенераторе.//Радиооптические технологии в приборостроении: Тез. докл. III-ой научн.-техн. конф. — Сочи, 2005 г. — С.36.

140.Борцов А. А. Управляемые по частоте оптоэлектронные автогенераторы СВЧ и ВЧ диапазона с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук —Москва,2005г. — С.357.

141.Борцов А. А. Управляемые по частоте оптоэлектронные автогенераторы СВЧ и ВЧ диапазона с подкачкой квантово-размерным лазерным диодом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук —Москва, 2005г. — С.18.

142.Борцов А. А. Фазочастотная и амплитудно-частотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиотехника. 9 — 2006 г. —С.43 — 47.

143.Борцов А.А Ильин Ю. Б. Оптоэлектроника и нанофотоника -стратегические направления развития наукоёмких технологий в России// Россия: Ключевые проблемы и решения: — Труды Х Международной науч. конф., ИНИОН РАН, Москва,2009г., -С.23—25.

144.Борцов А.А Ильин Ю. Б. Нанотехнология и проблемы создания наноструктурных малошумящих лазерных генераторов//Россия: Ключевые проблемы и решения — Труды Х Международной науч. конф., ИНИОН РАН —Москва, 2009г.,С.26—27.

145. Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Влияние ширины спектральной линии излучения лазера на спектральную плотность мощности фазового шума радиочастотных колебаний лазерного автогенератора // Радиотехника. 2, 2010. — С. 21—31.

146.Борцов А. А. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. 6,2010. — С. 29—35.

147.Борцов А. А. Малошумящий лазерный оптоэлектронный автогенератор с системой фазовой автоподстройки // Радиотехника. 6,2011. — С. 42—49.

148.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Влияние ширины спектральной линии излучения лазера на спектральную плотность мощности фазового шума лазерного оптоэлектронного автогенератора.//Современные полупроводниковые источники оптического излучения (Advanced Semiconductor Light Emitters):, 16 мая 2011 г. Тез. докл. Международного семинара, МИРЭА — Москва, 2011. — С.15—20.

149.Борцов А. А. Лазерный оптоэлектронный автогенератор с малым уровнем спектральной плотности мощности фазового шума//Нелинейный мир.6 -2011.-С.359—368.

150.Борцов А. А. Технологии создания сверхмалошумящих прецизионных СВЧ-генераторов на основе лазерного оптоэлектронного автогенератора//Наукоемкие технологии.9, 2011. —С.33—40.

151.Борцов А. А. Влияние добротности лазера на фазовые шумы в оптоэлектронном генераторе с предельно малой спектральной плотностью мощности фазовых шумов//Электромагнитные волны.11, 2012. —С.57—65.

152. Слепов Н. Н.. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи.-М.: Радио и связь,2000г., 403c.

153. J.J. McFerran, Ivanov E. N. and et. // Low-noise synthesis of microwave signals from an optical source, Electronic Letters.,№11,v. 41, 2005,Р.57—59.

154. Yimscok Kim and et. // Er-doped fiber frequency comb with mHz

relative linewidth, Electronic Letters.,№11,v. 41, 2005,Р.71—79.

155. Yuichi Takushima and et. // Linewidth of mode combs of passively and actively mode-locked semiconductor laser diodes, №11,v. 41, 2005,Р.7—11

156. K.-H. Lee and et. //A 30-GHz self-injection-locked oscillator having a long optical delay line for phase-noise reduction, IEEE Photonic Technology Letters.,№11, 2007,Р.256—258.

157. C.W. Nelson and et. // Microwave optoelectronic oscillator with optical gain, IEEE, №12,v. 31, 2007,Р.152—157.

158. J. Kishing and et. // Optical-pumping in laser-pumped, all-optical microwave frequences, J. Opt. Soc. Am.,№11,v. 18, 2001,Р.1247—1249.

159. A. Brannon and et. // Self-injection locking of microwave oscillator by use of for-wave mixing in atomic vapor, Electronic Letters.,№11,v. 41, 2005,Р.177—181.

160. G.F.Shen and et. // Microwave millimeter-wave generation using multi-wavelenght photonic crystal fibe brillouin laser, Progress in electromagnetic research.,№80, 2008,Р.307—320.

161. M. Poulin and et. //Compact narrow linewidth semiconductor laser module, Electronic Letters., №11,v. 41, 2009, Р.7—9.

162. Лэкс М. Флуктуации и когерентные явления.-М.:Мир,1974г.,352с.

163. Лебедев А. К. Теория лазера. -М.: МЭИ, 1998г.,125с.

164. Физика полупроводниковых лазеров, под ред. Х. Такумы, -М.: Мир, -1989г., 321с.

165. Примеры и задачи по статистической радиотехники под ред В.И.Тихонова.- М.: Советсткое Радио, 1970г., 600с.

166. Ривлин А. Н. Полупроводниковые лазеры,.- М.: Наука, 1970г., 260с.

167. Волноволная оптоэлектроника/Под ред. Т. Тамура. М.: Мир,1991.574 с.

168. Устинов А. В. «Волноводные свойства и диаграмма направленности излучения квантоворазмерных гетеролазеров» диссертация 2001г канд. Физ. мат наук.

169. Peterman K. // IEEE J. Quantum Electron., №7,v. 15, 1979, Р.88—89.

170. Штыков В. В. Квантовая радиофизика. — М.: Издательский центр» Академия», 2009. -336 с.

171.EpsteinP. S. Reflection of waves in an inhomogeneous absorbing medium.-Proc.Nat.Acad.Science,1930,v.16, p.227—637

172. Интегральная оптика. -Новосибирск: Наука,1986 г. -231 с.

173.Борцов А. А., Ильин Ю. Б., Карачев А. А. и др. Патент на изобретение №2537523 от 10 ноября 2014 г. (заявка№2013141980 от 13 сентября 2013 г.) «Радиационно-стойкий волоконный световод, способ повышения радиационной стойкости его изготовления»,

174. Портнов Э. Л., Соколов С. А., Зубилевич А. Л. Оптические направляющие среды и

пассивные компоненты ВОЛС. Учебное пособие. М. МТУСИ. 2005.

175. Э.Л.Портнов. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. М. Горячая линия — Телеком. 2007.

Приложение 1. Патенты Борцова А. А. по теме оптоэлектронный генератор.

Content

Квантовый оптоэлектронный генератор
Глава 1. Принципы построения
Александр Борцов

Введение

ГЛАВА1. Наноструктурные оптоэлектронные генераторы (ОЭГ)

1.1. Принцип действия и функциональная схема ОЭГ

1.1.1. Оптоэлектронный генератор

1.1.2. Методическая концепция и особенности исследования ОЭГ

1.1.3. Полуклассическая теория лазера

1.1.4. Полуклассическое приближение лазера

1.1.5. Лазер и Кванторазменый лазерный диод

1.2. Технические особенности и достоинства ОЭГ с внешней и прямой модуляцией в схемах с самогетеродинированием

1.3 Спонтанное излучение лазера КЛД и его роль в формирование шумов ОЭГ

1.4. Элементы оптоэлектроники и СВЧ/КВЧ техники в ОЭГ

1.5. ОЭГ с самогетеродинированием как генератор, содержащий в кольце обратной связи коррелятор фазовых флуктуаций

1.6. Интеграция в будущие оптические и оптоэлектронные системы

1.7. Новые методы оптического и оптоэлектронного управления радиочастотой автогенератора

1.8. Нелинейности в ОЭГ

1.8.1. Нелинейность в протяженных кварцевых одномодовых оптических волокнах

1.8.2.Дисперсионная ВОЛЗ в ОЭГ

1.9. Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор

1.10. Cравнение характеристик ОЭГ с другими традиционными генераторами

1.11.Электронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний Генераторы с кварцевыми (КР), диэлектрическими резонаторами (ДКР) и генераторы с резонатором на поверхностных акустических волнах (ПАВР)

1.12. Современные оптоэлектронные методы формирования прецизионных радиочастотных автоколебаний

1.12.1. Компактные квантовые стандарты частоты с оптической накачкой — КСЧ на ячейке Цезия и КСЧ на Rb.

1.12.3.Синтезатор с оптическим микрорезонатором СОМ

Выводы к главе 1

Список источников

Приложение 1. Патенты Борцова А. А. по теме оптоэлектронный генератор.