Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Радиофоонные генераоры 12
1.1 Волоконно-оптические радиофотонные генераторы 12
1.2 Интегральные радиофотонные генераторы 19
1.3 Электронное управление генераторами 23
1.3.2 Электрическое управление 27
1.4 Нелинейные явления в кольцевых резонаторах бегущей волны 29
ГЛАВА 2 Еория управляемых кольцевых опоэлекронных
2.1 Спектр собственных колебаний кольцевых оптоэлектронных резонаторов 34
2.2 Особенности формирования спектра гибридных кольцевых оптоэлектронных резонаторов 41
2.3 Магнитное управление кольцевыми оптоэлектронными резонаторами 47
2.4 Двойное электронное управление кольцевыми оптоэлектронными
ГЛАВА 3 Еория многокольцевых опоэлекронных СВЧ
3.1 Спектр собственных колебаний многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с параллельным соединением колец 65
3.2 Спектр собственных колебаний многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным соединением колец 69
3.3 Особенности формирования частотного спектра многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным и параллельным
3.3.1 Общие особенности передаточных характеристик многокольцевых оптоэлектронных резонаторов 76
3.3.2 Исследование подавления гармоник спектра в многокольцевых оптоэлектронных резонаторах
3.3.3 Добротность многокольцевых оптоэлектронных резонаторов 90
3.4 Электронное управление многокольцевыми оптоэлектронными
ГЛАВА 4 Эксперименальное исследование элекронно управляемого опоэлекронного генераора 100
4.1 Исследование электронно-управляемого оптоэлектронного генератора 100
4.2 Исследование двухкольцевого оптоэлектронного резонатора на основе волоконно-оптических и спин-волновой линий задержки 0
ГЛАВА 5 Еория сационарных нелинейных явлений в радиофоонных кольцевых резонаорах 115
5.1 Нелинейное дисперсионное уравнение для кольцевого многочастотного резонатора 116
5.2 Нелинейное эволюционное уравнение для кольцевого многочастотного
5.3 Исследование передаточных характеристик микрокольцевого
- Электронное управление генераторами
- Особенности формирования спектра гибридных кольцевых оптоэлектронных резонаторов
- Особенности формирования частотного спектра многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным и параллельным
- Исследование двухкольцевого оптоэлектронного резонатора на основе волоконно-оптических и спин-волновой линий задержки
Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс активных и пассивных оптических элементов открывает широкие перспективы для их использования в электронных цепях и позволяет создавать новые радиоэлектронные устройства с рабочими характеристиками, ранее недостижимыми для традиционной электроники. Одним из наиболее динамически развивающихся направлений современной радиоэлектроники является радиофотоника (в англоязычной литературе – microwave photonics) [1]. Формирование радиофотоники обусловлено слиянием двух научных направлений – фотоники и сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники. Это слияние способствует использованию преимуществ фотонных технологий для обеспечения функциональных особенностей СВЧ систем, которые очень сложно или даже невозможно получить непосредственно в радиочастотной области. В частности, радиофотоника успешно применяет различные методы, используемые в СВЧ технике, для улучшения работы сетей и систем телекоммуникаций [2]. В качестве примеров можно назвать различные СВЧ радиофотонные элементы и устройства, такие как фазовращатели, фильтры, генераторы СВЧ колебаний и другие.
К настоящему времени в области СВЧ радиофотоники сформировалось два наиболее обширных направления, которые можно условно именовать как волоконно-оптическая радиофотоника [3] и интегральная радиофотоника [4].
Непрерывное развитие информационных и телекоммуникационных
систем приводит к необходимости поиска новых способов генерации
широкополосных сигналов СВЧ диапазона, обеспечивающих высокую
спектральную чистоту генерируемого сигнала и его стабильность в заданном
диапазоне частот. Поэтому одними из перспективных устройств СВЧ
радиофотоники являются перестраиваемые высокостабильные
оптоэлектронные генераторы (ОЭГ) СВЧ колебаний, работающие в частотном диапазоне от сотен мегагерц до сотен гигагерц [5].
Благодаря своим уникальным особенностям последние два десятилетия радиофотонные кольцевые ОЭГ привлекают пристальное внимание исследователей. При этом большинство исследований имеют, в основном, прикладной характер и касаются изучения монохроматической генерации СВЧ-сигнала и спектра его фазовых шумов. В таких исследованиях особое внимание уделяется поиску различных способов снижения фазового шума. Наиболее очевидным способом является увеличение добротности резонансного элемента
путем увеличения времени задержки, что в свою очередь приводит к уменьшению расстояния между собственными резонансными частотами и, следовательно, к увеличению числа дополнительных паразитных гармоник в спектре генерации.
Для подавления дополнительных боковых гармоник возможно использование высокодобротных частотно-избирательных элементов [6]. Другой перспективной технологией, позволяющей подавлять побочные гармоники, является использование схем с параллельным или последовательным соединением колец в многокольцевом СВЧ-генераторе [7].
Дополнительным способом подавления боковых гармоник является использование дисперсионных линий задержки как в оптическом, так и в радиоэлектронном тракте. Дисперсионные линии задержки в составе кольцевых СВЧ-генераторов обеспечивают зависящий от частоты вклад в условие баланса фаз. Одним из примеров дисперсионных линий задержки СВЧ диапазона являются спин-волновые линии задержки (ЛЗ) [8]. Спин-волновые ЛЗ, благодаря природе спиновых волн, выполняют функцию управляемого фильтра в ОЭГ. Кроме спин-волновых ЛЗ, перспективно использовать ЛЗ на слоистых феррит-сегнетоэлектрических структурах, что позволяет реализовывать одновременно магнитную и электрическую перестройку спектра генерации.
К моменту начала работы над диссертацией особенности формирования спектра многокольцевых СВЧ-генераторов, содержащих дисперсионные ЛЗ на волнах разной природы, оставались неизученными. Были мало изучены способы управления частотой генерации при помощи управляемых дисперсионных линий задержки. Нерешенной научной проблемой оставалось описание нелинейных стационарных явлений, связанных с генерацией сигнала в радиофотонных СВЧ-генераторах.
Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей формирования спектра радиофотонных кольцевых СВЧ-генераторов с электронным управлением.
Кольцевые СВЧ-генераторы до порога генерации представляют собой активные кольцевые резонаторы, поэтому в соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования были:
-
Разработка общей теории спектра оптоэлектронных многокольцевых резонаторов с параллельным соединением линий задержки и последовательным соединением кольцевых резонаторов.
-
Исследование спектра кольцевых резонаторов, содержащих дисперсионные и бездисперсионные линии задержки.
-
Теоретическое и экспериментальное исследования особенностей подавления нежелательных резонансных гармоник, а также электрического и магнитного управления частотой генерации.
-
Исследование нелинейных свойств радиофотонных кольцевых СВЧ-резонаторов. Объектом исследования является оптоэлектронный кольцевой генератор
на дисперсионных линиях задержки.
Предметом исследования являются особенности формирования спектра оптоэлектронных кольцевых генераторов на дисперсионных линиях задержки до порога генерации и за порогом генерации.
Методы исследования, применяемые в диссертации, заключаются в использовании общепринятых методов и подходов радиофизики, математической физики и физики колебаний и волн. В частности, при теоретическом исследовании формирования спектра оптоэлектронных многокольцевых резонаторов использовался метод парциальных волн, а для получения нелинейного эволюционного уравнения был использован метод огибающих.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов и выводов подтверждается корректным использованием методов математической физики, а также сравнением результатов разработанной теории с экспериментальными данными. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Построена теория управляемых кольцевых резонаторов, содержащих произвольное число последовательно или параллельно соединенных колец, включающих в себя линии задержки на волнах различной природы.
-
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования частотных спектров управляемых кольцевых оптоэлектронных резонаторов, построенных на ферритовых и мультиферроидных линиях задержки.
-
Исследована перестройка частоты генерации в зависимости от внешних электрического и магнитного полей.
-
Выведено эволюционное уравнение, описывающее нелинейные волны в кольцевых резонаторах с учетом четырех-волновых параметрических процессов. Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы,
позволили сформулировать основные научные положения:
-
Дисперсионные линии задержки сверхвысокочастотного сигнала, находящиеся в цепи обратной связи оптоэлектронного кольцевого резонатора, реализуют подавление побочных гармоник в спектре генерации.
-
Перестройка частоты генерации оптоэлектронного кольцевого генератора, построенного на ферритовых или мультиферроидных линиях задержки, при изменении управляющих магнитного и электрического полей происходит скачками, величина которых равна частотному расстоянию между резонансными гармониками.
-
Максимальное подавление побочных гармоник оптоэлектронного генератора реализуется при параллельном соединении оптических линий задержки при соотношении их длин 1 к 2 и равном делении мощности между ними.
-
Нелинейное затухание стабилизирует резонансные частоты многочастотного спектра оптического кольцевого резонатора, препятствуя их бистабильному поведению при увеличении циркулирующей мощности. Практическая значимость полученных результатов состоит в
следующем.
-
Предложена теоретическая база для расчета спектров оптоэлектронных многокольцевых резонаторов с параллельным и последовательным соединением дисперсионных линий задержки. Полученные результаты могут быть использованы для разработки малошумящих оптоэлектронных СВЧ-генераторов.
-
Показано, что многокольцевые резонаторы с параллельным соединением колец позволяют максимально подавить побочные гармоники спектра генерации, а с последовательным соединением колец позволяют также увеличить добротность резонансных гармоник.
-
Получено нелинейное эволюционное уравнение, позволяющее описывать работу оптоэлектронных кольцевых генераторов в запороговом режиме их функционирования.
-
Созданы оригинальные программы, позволяющие численно рассчитывать передаточные характеристики оптоэлектронных кольцевых резонаторов с линейными и нелинейными дисперсионными элементами. Апробация работы. Результаты диссертационной работы были
представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, на международной конференции «PIERS» (Россия, Санкт-
Петербург, 2017 г.), международной магнитной конференции «Intermag» (Ирландия, Дублин, 2017 г.), международной конференции по электромагнитной совместимости «EMC compo» (Россия, Санкт-Петербург, 2017 г.), на международной конференции по микроволновым устройствам, системам и технологиям “The European Microwave Conference” (Нидерланды, Амстердам, 2012 г., Франция, Париж, 2015 г., Германия, Нюренберг, 2017 г.), на международной конференции «Wave Electronics And Its Applications In The Information And Telecommunication Systems XIX» (Россия, Санкт-Петербург,
2016 г.), на всероссийской научно-технической конференции
«Микроэлектроника СВЧ» (Россия, Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2015, 2016 и
2017 гг.), на всероссийской молодёжной конференции по физике и астрономии
«ФизикА.СПб» (Россия, Санкт-Петербург, 2014, 2015, 2016 г.), на 6-м
международном молодежном форуме «Инженеры будущего» (Россия, Ижевск,
2016 г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в научных журналах и тезисы к 10 докладам на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований. Основной текст изложен на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка.
Электронное управление генераторами
Одним из способов построения управляемого ОЭГ является использование перестраиваемой оптической ЛЗ или управляемого микрорезонатора из ниобата лития [52, 53]. Как было отмечено ранее, другим перспективным способом является использование магнитоуправляемых СВЧ-фильтров на дисперсионных спин-волновых ЛЗ. Как известно из работ [34, 54, 55], время задержки в спин-волновых ЛЗ изменяется от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от параметров магнитной плёнки и геометрии антенн. Кроме того, частотный диапазон существования спиновых волн перестраивается под воздействием внешнего магнитного поля, что позволяет спин-волновым ЛЗ выполнять функцию не только дисперсионной ЛЗ, но и перестраиваемого СВЧ-фильтра[21В, 56].
Одним из недостатков как магнитноперестраиваемых СВЧ-фильтров, так и спин-волновых ЛЗ является низкая скорость перестройки частоты генерации и высокое энергопотребление. Перспективной технологией, позволяющей отказаться от медленной магнитной перестройки, сохранив при этом ключевые особенности характерные для спин-волновых линий задержки (СВЛЗ), является использование мультиферроиков. Особенностью мультиферроидных материалов является возможность двойного электронного управления (магнитного и электрического) их электрофизическими параметрами, а, следовательно, и рабочими характеристиками приборов, построенных на их основе [57-61]. Рассмотрим подробно конструкцию ОЭГ, использующего плёночную СВЛЗ. Конструкция такого ОЭГ представлена на рисунке 1.9.
Принцип действия планарной СВЛЗ, одновременно играющей роль широкополосного перестраиваемого СВЧ фильтра, основан на явлении распространения спиновых волн в ферритовых пленках. В таких пленках в зависимости от направления внешнего магнитного поля возможно распространение так называемы обратных объёмных спиновых волн (ООСВ), прямых объёмных спиновых волн (ПОСВ) и поверхностных спиновых волн (ПСВ). ПОСВ распространяются в плёнках с нормальным намагничиванием. В то время как для касательно намагниченных плёнок характерны ООСВ и ПСВ. ПСВ представляют собой волны, распространяющиеся поперечно приложенному постоянному магнитному полю, а ООСВ являются волнами, распространяющиеся вдоль магнитного поля. Дисперсия ООСВ описывается следующим соотношением [20]: со2 юя г СОЯ + ІОд l-exp(- L) (1.5) где ksw - продольное волновое число, соя =2л;у10Я0, сом =2л;уі0М0 М = 2.8-1010с-1-Т-1, HQ — напряжённость внешнего магнитного поля, MQ намагниченность насыщения, a L - толщина ферритовой пленки. Для ПОСВ дисперсионное уравнение имеет следующий вид [20]: СО2 = (Оя (Оя + (Ом 1 і S L (1.6) случае ПСВ закон дисперсии описывается соотношением [20]: со2=соя(соя+сом) + ( 1-ехр( -2 /.)) . (1.7) Декремент пространственного затухания спиновых волн определяется следующим образом [20] ос (со) 271 у АН g V (1.8) где АЯ- полуширина кривой ферромагнитного резонанса, а Vа = d(d/dksw групповая скорость соответствующего типа спиновых волн. Для расчета передаточных характеристик СВЛЗ пренебрегая характеристиками антенн можно использовать формулу tfsw=201og10(exp(-aSM,(a )Z,)) [55]. Для расчета передаточных характеристик с учетом возбуждения и приема спиновых волн необходимо использовать модель, разработанную в работе [62]. Результаты экспериментального исследования ОЭГ, выполненного в работе [56], приведены на рисунке 1.10.
Из рисунка видно, что путем изменения внешнего магнитного поля в пределах от 804 Э до 2129 Э возможно получить перестройку частоты в диапазоне 4-8 ГГц. В этом же диапазоне фазовый шум составлял около -124 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц и -140 дБ/Гц при отстройке от несущей на 100 кГц. аким образом, перестройка частоты генерации на октаву не приводила к ухудшению фазового шума.
Другой способ создания ОЭГ с электронным управлением заключается в использовании в качестве ЛЗ слоистой феррит-сегнетоэлектрической (мультиферроидной) структуры [22В]. Преимуществами использования СВЧ линий задержки на слоистых структурах феррит-сегнетоэлектрик являются увеличение скорости управления и уменьшение энергопотребления. Одним из способов создания таких структур является комбинация ферритовых и сегнетоэлектрических слоев. В гетероструктурах распространяются электромагнитно-спиновые волны. еория дипольно-обменного спектра электромагнитно-спиновых волн, распространяющихся в произвольно намагниченных слоистых структурах, содержащих ферромагнитный и диэлектрический (сегнетоэлектрический) слои, была описана в работах [63, 64]. Общая электродинамическая теория, описывающая распространение квази-электромагнитно-спиновых волн в многослойных феррит-сегнетоэлектрических структурах, содержащих несколько ферритовых слоев, была развита в работе [65В]. Исходя из этой теории, простейшее дисперсионное уравнение для двухслойной феррит-сегнетоэлектрической структуры имеет следующий вид: (1.9) где к - продольное волновое число электромагнитно-спиновых волн, к0 = - поперечное волновое число в свободном пространстве, Kd = -к - поперечное волновое число для диэлектрического (сегнетоэлектрического) слоя, к/= 2[і0г0г/[і1-к2 - поперечное волновое число для ферритового слоя, ad толщина диэлектрического (сегнетоэлектрического) слоя, af - толщина ферритового слоя, i1 = (i2-а2)/1, (соя(соя +сом)-со2)(со27 -со2) диагональная компонента тензора магнитной проницаемости, а а = СОСОд/2/7 юя -со ) гиротропная компонента тензора магнитной проницаемости.
Приложение внешнего электрического поля к двуслойной феррит-сегнетоэлектрической структуре приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического слоя. В частности, для пленок титаната бария-стронция зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего электрического поля может быть аппроксимирована следующим выражением [66] d(E) = ed(0)-KE2 (В/мкм), (1.10) где i(0) - диэлектрическая проницаемость в отсутствии внешнего электрического поля, а К - эмпирический коэффициент, описывающий нелинейную чувствительность сегнетоэлектрика к воздействию электрического ПОЛЯ.
Особенности формирования спектра гибридных кольцевых оптоэлектронных резонаторов
Рассмотрим подробнее формирование спектра резонансных частот на примере кольцевого резонатора, выполненного в виде оптического планарного микроволновода. Размеры таких резонаторов в зависимости от необходимой ОСД варьируются от десятков миллиметров до десятков микрометров, поэтому далее такие резонаторы будем называть микрокольцевыми. Как было показано в главе 1, одним из наиболее перспективных материалов для интегральных радиофотонных устройств, выполненных на микрокольцевых резонаторах, является нитрид кремния (SiNx). ипичные микрокольцевые резонаторы реализуются при помощи микроволноводов из SiNx, которые для повышения контрастности окружаются оксидом кремния (SiCb). Передаточная характеристика микрокольцевого резонатора описывается выражением (2.13) и принимает следующий вид: -aopt{(o)l opt (CO) = 2cosh(a ((o)v)-cos(v(co)V) где kopt - постоянная распространения в микроволноводе SiNx, а aopt -соответствующий декремент пространственного затухания. В свою очередь выражение для ФЧХ (2.14) принимает вид: ,(„).«4 /:Mco)v) г „(НУ) -v,(»)v cos(V(»M, (2.16) Для моделирования передаточных характеристик микрокольцевого оптоэлектронного резонатора была разработана программа численного расчета. В этой программе для расчета дисперсионных характеристик kopt((o) микроволновода из нитрида кремния использовалась теоретическая модель, описанная в [79]. Однако, в отличие от [79], в диссертации путем решения полной системы волновых уравнений было получено дисперсионное уравнение для прямоугольного диэлектрического микроволновода, окруженного SiC 2.
Для анализа влияния геометрических параметров микроволновода на передаточные характеристики микрокольцевого резонатора было проведено численное моделирование их дисперсионных характеристик. Для моделирования использовались типичные значения параметров микроволноводов (смотри работы [70, 71, 74, 76]): показатель преломления «SbN4 = lC , показатель преломления оксида кремния «si0 = 1.44. Поперечные сечения волноводов составляли 1.7x0.4 мкм2 и 1.7x0.7 мкм2, а потери на распространение - 0.3 дБ/см. Результаты моделирования спектров нормальных волн для оптических волноводов различного поперечного сечения представлены на рисунке 2.3. [новые числа,
Из данного рисунка видно, что изменение размеров поперечного сечения микроволновода приводит к сдвигу спектра в область больших волновых чисел. Полученные при помощи численного расчета значения постоянной распространения подставлялись в выражения (2.15) и (2.16). На рисунке 2.4 представлены результаты моделирования передаточной характеристики микрокольцевых резонаторов диаметром 22.5 мм, выполненных из микроволноводов различного поперечного сечения.
Передаточные характеристики оптических микрокольцевых резонаторов с диаметром 22.5 мм из микроволноводов различного поперечного сечения: сплошная линия - 1.7x0.4 мкм2, и пунктирная линия - 1.7x0.7 мкм2 Представленные результаты моделирования показывают, что увеличение ширины прямоугольного оптического волновода, из которого изготавливаются микрокольцевые резонаторы, приводит к уменьшению ОСД. ак при увеличении ширины оптического волновода на 0.3 мкм ОСД уменьшается на 60 МГц.
Перейдем теперь к исследованию особенностей формирования спектра гибридных оптоэлектронных кольцевых резонаторов на ВОЛЗ. В первую очередь, определим влияние геометрических размеров оптоволоконного кабеля на передаточную характеристику. Для этого было проведено моделирование дисперсионных характеристик и передаточных характеристик по модернизированной программе численного расчета. В модернизированной программе в выражение (2.13) для модуля передаточной характеристики подставлялись волновые числа, полученные путем решения уравнения (1.1), описывающего дисперсию электромагнитной волны в волоконно-оптическом кабеле. Моделирование проводилось для типичных параметров волоконно-оптических кабелей: диэлектрическая проницаемость сердцевины єс = 2.15, оболочки єс/= 2.09, диаметры сердцевины - 6, 7, 8 и 8.2 мкм. Результаты численного расчета спектров нормальных волн, полученные для ВОЛЗ различного диаметра, показаны на рисунке 2.5 (а), а результаты численного расчета передаточных характеристик гибридных оптоэлектронных кольцевых резонаторов на ВОЛЗ длиной 100 м - на рисунке 2.5 (б).
Особенности формирования частотного спектра многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным и параллельным
Рассмотрим подробно наиболее общую схему гибридного оптоэлектронного активного многокольцевого резонатора с параллельным соединением оптических и СВЧ линий задержки, представленную на рисунке 3.1. Исследуемый резонатор, как и в главе 1, представляет собой кольцевую схему, состоящую из оптического и радиочастотного трактов. Отличительной особенностью исследуемой конструкции является то, что оптический тракт включает в себя интерферометр, составленный из плеч разной длины В параллельной конфигурации оптический сигнал делится на оптическом делителе с коэффициентом деления по мощности TV. В свою очередь особенностью радиочастотного тракта является то, что после каждого оптического волновода располагается фотодетектор, а сложение СВЧ-сигналов происходит после прохождения ими СВЧ-филыров, в роли которых выступают СВЧ линии задержки.
Опишем предлагаемую теорию гибридного активного многокольцевого резонатора. Комплексный коэффициент передачи рассчитывается по формуле (2.1). Как и в главе 1, будем считать входной сигнал Ain(( ) монохроматическим, определяемым выражением (2.2).
Рассмотрим отличительные особенности распространения оптического сигнала в исследуемой конфигурации гибридного оптоэлектронного многокольцевого резонатора. Оптическое излучение из лазера попадает в электрооптический модулятор, в котором происходит амплитудная модуляция СВЧ-сигналом 4ЛИ- Эти процессы были описаны во второй главе, где было показано, что модуляция интенсивности оптического сигнала на интерферометре Маха-Цендера и фотодетектирование могут быть описаны множителем оси ,Рп9 \pZ . Этот множитель не зависит от свойств волноведущих структур и 2VK) поэтому был исключен из рассмотрения, но принимается во внимание при моделировании. На выходе электрооптического модулятора излучение попадает на оптический делитель. Часть оптического сигнала, определяемая коэффициентом делениягк, распространяется в волноводе длиной /7, при 3TOMVT7-=1. После j прохождения оптического волновода сигнал приобретает набег фазы и затухает в соответствии с волновым множителем е р J р J , где К opt (ю) = k opt (ю)_ Z0W (ю) k opt (ю) волновое число в оптическом волноводе с номером j, a aopt (со) - декремент пространственного затухания в соответствующем волноводе.
Следует отметить, что, как и в предыдущей главе, эффекты отражения в оптическом тракте, описываемые коэффициентами отражения R и І?РЦ/, играют важную роль и их необходимо учитывать. Прошедший оптическую ЛЗ с номерому сигнал отражается от фотодетектора пропорционально коэффициенту отражения RPDj Отражённый сигнал снова проходит через ту же оптическую ЛЗ и складывается с отражёнными сигналами в других плечах параллельной конфигурации оптоэлектронного многокольцевого резонатора. Затем суммарный сигнал отражается от лазера пропорционально коэффициенту Ri. Процесс переотражения повторяется до тех пор, пока сигнал не затухнет. Распространение оптического сигнала с учетом отражения описывается волновым множителем Г: Г= I т=\ I Л / е P j WoptjR Rm (з л) 7 = 1 РЩ I Сигнал, прошедший фотодетектирование, поступает на СВЧ линию задержки с номером }. Прохождение сигнала через каждую СВЧ линию задержки описывается волновым множителем е J J , где Kmw (ю) = kmw (й)-гаш. (со), lmw - длина СВЧ линии задержки с номером у, аш.(о)) - декремент пространственного затухания в соответствующей линии задержки, a kmw.(o}) - волновое число, определяемое дисперсией волн, распространяющихся в соответствующей ЛЗ. После чего сигналы из разных плечей параллельной конфигурации оптоэлектронного многокольцевого резонатора складываются на сумматоре. огда коэффициент передачи параллельного соединения М оптических и СВЧ линий задержки Тр (со) описывается следующим выражением Т (со) = Z цj е KoptJ (С0)/М е lKmwJ ((u) lmwJ (\-R PDj) ( 1 + Г) . (3.2) Прохождение суммарного сигнала через СВЧ-усилитель описывается, как и в главе 2, при помощи волнового множителя е ( ) . Следуя методу парциальных волн выходной сигнал Aout (со) будем считать результатом суперпозиции бесконечного числа циркулирующих в кольце затухающих волн: Аош (со) = An () I ТР ()П П (3-3) п=\ Предложенная параллельная конфигурация представляет собой интерференционную схему с оптическими и СВЧ линиями задержки в каждом плече. За счет противофазного сложения волн в различных плечах возможно реализовать подавление нежелательных резонансных гармоник кольцевого резонатора.
Исследование двухкольцевого оптоэлектронного резонатора на основе волоконно-оптических и спин-волновой линий задержки
Для исследования электронного управления ОЭГ был реализован экспериментальный макет, блок-схема которого изображена на рисунке 4.1. ОЭГ представлял собой кольцевую схему, состоявшую из оптического и сверхвысокочастотного трактов. Оптический тракт генератора был выполнен из полупроводникового лазера (1), непрерывно излучающего на длине волны 1.55 мкм, электрооптического модулятора Маха-Цендера (2) с полосой 10 ГГц, оптической линии задержки на основе кварцевого одномодового волокна (3) и полупроводникового фотодетектора (4) с полосой 25 ГГц.
Основными элементами радиочастотного тракта являлись два одинаковых СВЧ усилителя (5) с полосой 2-8 ГГц, коэффициентом усиления 30 дБ и максимальной выходной мощностью 33 дБм, а также СВЧ ЛЗ (6). Суммарный коэффициент усиления регулировался в СВЧ тракте переменным аттенюатором (7). Ввод и вывод СВЧ-сигнала осуществлялись направленными ответвителями (8) и (9) с коэффициентом ответвления -10 дБ. Измерение передаточных характеристик проводилось на векторном анализаторе цепей (10).
Для исследования спектра генерации к направленному ответвителю (9), обеспечивающему вывод СВЧ-сигнала, подключался анализатор спектра. СВЧЛЗ Isw -7 Г СВЧ тракт ю
При помощи данного макета была выполнена серия экспериментов, направленных на изучение влияния параметров СВЧ ЛЗ и ВОЛЗ на спектр передаточных характеристик однокольцевого оптоэлектронного резонатора, а также на исследование магнитного и электрического управления спектром автогенерации. При этом в качестве СВЧ ЛЗ использовались СВЛЗ и ФСЛЗ.
Рассмотрим сначала магнитно-управляемый оптоэлекронный кольцевой генератор. Для его исследования были изготовлены СВЛЗ на эпитаксиальных пленках ЖИГ с толщинами 16.9 мкм и 5.4 мкм и намагниченностью насыщения 4KMs = 139260 А/м. Для возбуждения и приема спиновых волн использовались микрополосковые антенны.
Для исследования влияния полосы пропускания СВЛЗ на рабочие характеристики ОЭГ были изготовлены конструкции как на одноэлементных, так и на двухэлементных микрополосковых антеннах. В случае двухэлементных микрополосковых антенн расстояние между их элементами составляло 160 мкм. Во всех экспериментах антенны располагались на расстоянии 3 мм. Они питались от подводящих микрополосковых линий, имевших волновое сопротивление 50 Ом. СВЛЗ размещалась между полюсами электромагнита в однородном магнитном поле, которое было направлено по касательной к плоскости пленки параллельно антеннам. акая ориентация поля обеспечивала возбуждение ПСВ в пленке ЖИГ.
Принцип работы экспериментального макета оптоэлектронного кольцевого генератора заключается в следующем. СВЧ-сигнал частоты aw = 27i/mW вводится через направленный ответвитель (9) в СВЧ тракт и начинает циркулировать в кольце. По оптическому тракту СВЧ-сигнал распространяется в виде модулированного оптического излучения. При этом его фазовый набег равен Dopt = fcopt/opt. СВЧ-сигнал в СВЛЗ переносится спиновой волной, приобретая фазовый набег DSW = sw/sw. аким образом, условие резонанса в кольце имеет вид Dopt + sw + фе = 2пт, где фе- фазовый набег в электронных цепях кольца, am - любое целое число. Заметим, что DSW обычно мал по сравнению с Oopt.
Амплитуда передаточной характеристики определяется потерями на распространение в оптическом и СВЧ трактах, а также величиной коэффициента усиления СВЧ-усилителей. Потери в оптическом тракте определяются потерями в ВОЛЗ, ЭОМ и фотодетекторе. Потери на распространение в одномодовом волоконно-оптическом кабеле составляли 0.2 дБ/км. В экспериментальном макете при отсутствии ВОЛЗ потери между входом ЭОМ и выходом фотодетектора были равны -50 дБ. В свою очередь, потери на распространение в СВЛЗ определялись из формулы (1.8).
Результаты экспериментального исследования влияния толщины пленок ЖИГ и конфигурации антенн СВЛЗ на передаточные характеристики (ЗД однокольцевых оптоэлектронных резонаторов представлены на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 (а) поясняет формирование передаточных характеристик. Кривая 1 показывает измеренную передаточную характеристику в отсутствие СВЛЗ для случая длины оптоволокна /opt = 20 м. Видно, что передаточная характеристика демонстрирует большое количество резонансных гармоник, соответствующих собственным модам кольца. Передаточные характеристики СВЛЗ на пленках ЖИГ толщиной 16.9 мкм и 5.4 мкм с одноэлементными антеннами показаны кривыми 2 и 3, соответственно. Кривая 4 показывает передаточную характеристику СВЛЗ с двухэлементной антенной на пленке ЖИГ толщиной 5.4 мкм. Для всех кривых напряженность внешнего магнитного поля составляла 166316 А/м.
Экспериментальные передаточные характеристики: (а) однокольцевого оптоэлектронного резонатора на ВОЛЗ длиной 20 м в отсутствие СВЛЗ (кривая 1) и для различных конфигураций СВЛЗ (кривые 2, 3 и 4); (б) однокольцевого оптоэлектронного резонатора на ВОЛЗ длиной 20 м и СВЛЗ длиной 3 мм на пленке ЖИГ толщиной 16.9 мкм (б) и 5.4 мкм (в) с одноэлементными антеннами и на пленке ЖИГ толщиной 5.4 мкм с двухэлементными антеннами (г) При каскадировании СВЛЗ и ВОЛЗ результирующая передаточная характеристика кольца содержит только те резонансные гармоники, которые попадают в полосу пропускания СВЛЗ, как показано на рисунках 4.2 (б), 4.2 (в) и 4.2 (г). Как видно из рисунка, спектр оптоэлектронного кольцевого резонатора с ВОЛЗ и СВЛЗ не является эквидистантным. При этом СВЛЗ вносит дополнительное, зависящее от частоты время задержки, поэтому частотное расстояние между резонансными гармониками изменяется, а их частоты смещаются по сравнению с кривой 1 на рисунке 4.2 (а). Уменьшение толщины пленки ЖИГ приводит к увеличению времени задержки и уменьшению частотного расстояния между резонансными гармониками (рисунки 4.2 (в) и 4.2(г)). Как видно из рисунка 4.2 (г), двухэлементные антенны позволяют изменить частотно-селективные свойства СВЛЗ. аким образом, за счёт подбора толщины пленки и конфигурации антенн возможно перестраивать оптоэлектронный кольцевой резонатор.