Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Наноструктурные оптоэлектронные генераторы (ОАГ) радиочастотных колебаний .23
1.1.Принцип действия и функциональная схема ОАГ. 23
1.2.Технические особенности и достоинства ОАГ 35
1.3. Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор 46
1.4. Сравнение технических характеристик ОАГ с другими традиционными генераторами 54
1.5.Современные методы формирования малошумящих и прецизионных радиочастотных автоколебаний в оптоэлектронике 68
Глава 2. Теоретический анализ оптоэлектронного генератора ОАГ на основе дифференциальных уравнений с обыкновенными производными .80
2.1. Функциональные схемы оптоэлектронного генератора ОАГ с прямой и внешней модуляцией оптического излучения .81
2.2. Математическая модель автономного оптоэлектронного генератора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ . 83
2.3. Укороченные дифференциальные уравнений ОАГ с ВОЛЗ .97
2.4. Анализ укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием автономного ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ 106
2.5. Анализ переходных процессов в ОАГ ВОЛЗ .116
2.6. Анализ управления частотой сигнала генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ в стационарном режиме 122
2.7. Выводы к главе 2 .126
Глава 3. Управление частотой генерации оптоэлектронного генератора при изменении тока смещения мезаполоскового квантоворазмерного лазерного диода 129
3.1. Квантоворазмерный лазерный диод (КЛД) в ОАГ .129
3.2. Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи квантово размерного лазерного диода 136
3.3. Выводы к главе 3 152
Глава 4. Методы оптического управления частоты оптоэлектронного генератора ОАГ с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки 157
4.1 Управление радиочастотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, построенной на базе направленного волоконно-оптического Y-ответвителя .157
4.2. Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с волоконно оптическим направленным ответвителем Х-типа.. 163
4.3. Параметрическая нестабильность частоты в ОАГ при воздействии температуры на одиночное оптическое волокно 173
4.4. Фазогенераторный метод измерения дифференциальных задержек оптического волокна при изменении его температуры .178
4.5. Выводы к главе 4 .183
Глава 5. Анализ работы оптоэлектронного генератора с прямой модуляцией лазерного диода 186
5.1. Схемы и особенности работы ОАГ с прямой модуляцией лазерного диода и когеретным оптическим самогетеродинированием на фотодетекторе 186
5.2. Математическая модель оптоэлектронного генератора ОАГ с малосигнальной прямой амплитудной модуляции лазера (или лазерного диода ЛД) при когерентном режиме фотодетектирования 193
5.3. Дифференциальные уравнения ОАГ с прямой амплитудной модуляцией излучения лазерного диода .197
5.4. Анализ амплитудных и фазовых шумов оптоэлектронного автогенератора с прямой модуляцией лазера на основе флуктуационных уравнений 215
5.5. Выводы к главе 5 227
Глава 6. Анализ работы оптоэлектронного генератора с внешним модулятором Маха –Цендера 232
6.1. Общая постановка задачи исследования ОАГ с модулятором Маха Цендера 232
6.2. Устройство и принцип работы ОАГ с модулятором Маха Цендера 233
6.3. Математическая модель ОАГ с модулятором Маха- Цендера 245
6.4. Характеристики и коэффициент передачи модулятора Маха-Цендера в ОАГ .250
6.5. Дифференциальные флуктуационные уравнения оптоэлектронного генератора ОАГ с модулятором Маха-Цендера 273
6.6. Результаты компьютерного моделирования ОАГ с модулятором Маха Цендера .304
6.7. Выводы к главе 6 320 Глава 7. Экспериментальное исследование и практические схемы ОАГ с ВОЛЗ 322
7.1. Характеристики модулированных источников излучения: лазерного диода и светодиода в ВЧ диапазоне 326
7.2. Влияние на частоту генерации ОАГ изменений постоянного тока смещения лазерного диода 332
7.3. ОАГ в схеме с фазированной СВЧ ВОЛС на базе мощного лазера для активной фазированной антенной решетки (АФАР) 338
7.4. Реализация оптоэлектронного генератора ОАГ в СВЧ диапазоне и его экспериментальные характеристики 341
7.5. Практические схемы реализации оптоэлектронного генератора 355
7.6. Выводы по главе 7 .372
Заключение 377
Список литературы
- Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор
- Математическая модель автономного оптоэлектронного генератора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ .
- Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи квантово размерного лазерного диода
- Фазогенераторный метод измерения дифференциальных задержек оптического волокна при изменении его температуры
Современные элементы оптоэлектронного генератора: лазер, оптическое волокно и фотодетектор
Высокая технологичность оптоэлектронного генератора ОАГ, как перспективного и конкурентно способного сверхмалошумящего СВЧ автогенератора, обусловлена его схемой и следующими основными преимуществами его оптоэлектронных и оптических функциональных узлов. 1) Сквозные (на проход) потери СВЧ мощности модуляции в ВОЛЗ, которые целесообразно и допустимо использовать в схемах ОАГ, сравнительно малы (10…18) дБ в широком диапазоне модуляционных частот – от 1,0 ГГц до 50 ГГц. Этот невысокий уровень СВЧ потерь имеет место за счет относительно крутизны преобразования лазера ,фотодиода (высоких трансимпедансов S21 КЛД и ФД), незначительного оптического затухания в оптических волокнах и направленных ответвителях ВОС. 2). создание задержки более чем 50 мкс (при длине ВС 10 км) дает уменьшение ФШ на 10…15дБ.Гц . 3) возможность организации фазовой модуляции оптического излучения лазера в оптическом канале. 4) 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 (110) кГц составляют -100 -120 дБ/Гц и, соответственно, длина когерентности составляет до 50 км , 3)когерентный фотоприем (или самогетероденирование) с применением модулятора Маха Цендера МЦ, за счет коррелированности лазерных шумов дает возможность подавить на 10-15 дБ/Гц фазовый шум ОАГ, обусловленный продетектированными шумами лазера, ФД и НУ 4) возможность, даваемая оптическими аттенюаторами, при самогетеродинировании на ФД достигнуть высокоточного относительного выравнивания (до значений 10-4) оптической мощности в каналах интерферометра модулятора МЦ и направленных оптических ответвителей ВОС. Это позволяет скомпенсировать уменьшить фазовые шумы лазера до значений электронных шумов.
Уровень фазовых шумов ОАГ приближается к фазовым шумам самого малошумящего АГ на лейко-сапфире [ 153 ]. Разница на частотах СВЧ диапазона 8…12ГГц составляет примерно 5…9 дБ/Гц. Но при этом ОАГ имеет более широкий потенциальный рабочий СВЧ диапазон до 70 ГГц при сохранении малости фазоых шумов. Принципиальным является то , что ОАГ с ВОЛЗ имеет потенциальные возможности снижения фазовых шумов за счет оптимизации лазера и ВОЛЗ в целом, а в АГ на лейко-сапфире достигнут предел снижения фазовых шумов.
Интеграция в будущие оптические и оптоэлектрнные системы.ОАГ потенциально имеет два и более различных выходных /входных разъмов (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, усилителей, модуляторов и регистрирующие устройства (анализатор спектра, частотомеры и др.). С оптического выхода СВЧ модулированное/немодулированное оптическое излучение КЛД при необходимости податся в оптические каналы передачи данных, в схемы оптической обработки информации и др. При использовании оптического выхода обеспечивается полная гальваническая и СВЧ развязка оптоэлектронного генератора ОАГ с его выходной нагрузкой. Например, с оптического выхода ОАГ сигнал следует передать к внешнему, вне схемы ОАГ второй фотодетектор ФД другого устройства. не стоящий в кольце ОАГ, и с выхода второго ФД поступить на выходной усилитель. Такая гальваническая оптическая развязка значительно ( на 10…20дБ) снижает уровень шумов ОАГ, вызванными внешними источниками шума и сигналом, отраженным от нагрузки.
Управление радиочастотой в ОАГ оптоэлектронными и электронными методами. Одним из важных достоинств ОАГ выявленных в настоящей работе является расширение возможности управления изменения его радиочастоты генерируемой поднесущей –оптическими и оптоэлектронными методами, используя для этого дифференциальную ВОЛЗ и волоконно-оптические дискриминаторы. Автором запатентован [ 119-124], теоретически и экспериментально исследован новый вид управления РЧ ОАГ при изменении оптической частоты лазера. При изменении ФЧХ ВОС при вариации коэффициентов возбуждения А и B, частота ОАГ с ВОЛЗ изменяется.
Когерентное и некогерентное сложение оптического излучения при фотоприеме. ОАГ можно подразделить по типу модулированного источника света МИС - с лазерами, ширина полосы которых много меньше Av - f и больше Av - / радиочастоты модуляции При выполнении условия Av«f при частотной или фазовой модуляции лазерного излучения ОАГ ,как это показано в главах 5 и 6, является разностным автогенератором. В таком разностном генераторе осуществляется когерентный фотоприем и происходит эффективное подавлением шумов, имеющих электронную и оптическую природу.
Нелинейности в ОАГ. ОАГ представляет генератор с универсальным набором нелинейностей . Наличие многих нелинейностей и потенциальное проявление их всех сразу или попарно, что пока весьма проблематично, вряд ли сегодня можно отнести к преимуществам ОАГ. Ситуация с многими нелинейностями выступает как преимущество ОАГ с точки зрения теории колебаний иявляется важной особенностью ОАГ . Помимо «традиционной» нелинейности электронного усилителя , в петле обратной связи ОАГ при прохождении колебаний необходимо учитывать нелинейности фотодиода, лазера, модулятора и нелинейность волоконно-оптического световода. Нелинейность в протяженных одномодовых волоконных световодах (ОВС) проявляется при создании больших плотностей мощности. Нелинейные явления в кварцевых ОВС могут проявляться при средних непрерывных мощностях излучения 20-100мВт в ОВС с геометрической длиной от 1 км до 12 км. Эти явления носят пороговый характер. Наиболее изученными являются многофотонные нелинейные эффекты, возникающие за счет прямого и обратного рассеяния Брюллиена [ 155 ] . Пороговый уровень непрерывного лазерного излучения составляет примерно (20 50 мВт). Это уровень зависит от типа и длины ВС, мощности лазерного излучения в ОВС, ширины линии генерации КЛД и параметров эффективного сечения ОВС. при оптическом излучении в кварцевых ОВС Рассмотрению нелинейных явлений посвящен ряд работ, оптическая схема которых включает лазер накачки и сигнальный лазер, возбуждающий ОВ с разных концов [27].
В традиционных СВЧ автогенераторах с диэлектрическими резонаторами, минимальный размер резонатора определяется длиной волны генерируемого колебания. В кварцевых генераторах и генераторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) размеры резонаторов и линий задержек определяются длиной акустической волны в акустоматериале и нужным временем запаздывания . Аналогично минимальные размеры линий задержек ВОЛЗ в ОАГ определяются длиной волны оптического излучения в них и требуемым для стабилизации частоты генерируемой поднесущей временем задержки в ВОЛЗ. Сечение световедущего канала в ВОЛЗ определяется длиной волны распространяющегося оптического излучения составляет порядка 10 кв.мкм. Такие малые сечения ограничивают вводимую в них оптическую мощность. Пороговые мощности, при которых начинают проявляться нелинейные эффекты, значительно ухудшающие чистоту спектра оптического излучения, составляют порядка сотни мВт на 10 кв.мкм.
Математическая модель автономного оптоэлектронного генератора ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ .
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. Их выходные шумы являются сверх малыми и составляют менее -130Дб/Гц. Конструкция
фотодиода позволяет сопрягать его с ОВ. Коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД составляет до 0,5 А/Вт. Созданы конструкции фотодиодов с разделением каналов для когерентного фотодетектирования, с оптическими и электронными усилителями, соответственно, на входе и выходе, с использованием избирательных оптических и радиочастотных 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 АГ.
Cравнение характеристик ОАГ с другими традиционными генераторами В настоящее время техника генерации ВЧ и СВЧ колебаний с малыми шумами развита и существуют как в России, так и за рубежом рынок коммерчески доступных различных генераторов.
К широко востребованным малогабаритным моделям относятся : кварцевые и ПАВ генераторы без умножения и с умножением частоты, генераторы с ЖИГ-резонатором, генераторы на диодах Ганна, малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами и с диэлектрическими резонаторами на волнах шепчущей галереи на кристалл 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 использованием цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, которые также являются коммерчески доступными, хотя и относительно дорогими устройствами. Появились работы по компактным стандатам частоты[ 159]. В последнее время для применения мобильной связи на 60 ГГц, радиоэлектронных систем малогабаритных автопилотных летательных аппаратов растет потребность в генераторах СВЧ и КВЧ диапазона в миниатюрном и микроисполнении. В связи с этим появились работы по исследованию оптоэлектронных методов генерации СВЧ и КВЧ диапазона с применением лазерной, волоконно-оптической и микрорезонаторной технологии. Для сравнения основных характеристик ОАГ с традиционными электронными и опто-электронными 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 кварцевый резонатор, 2- АГ ПАВР- автогенератор с резонатором на поверхностных акустических волнах,3- АГ ДКР- автогенератор с дисковый диэлектрический резонатором из керамических сплавах, 4- АГ ДДРлС- автогенератор с дисковым диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 5 –АГ ЖИГ автогенератор с резонатор на железо-иттриевом гранате (ЖИГ), 6- ОАГ ВОЛЗ – автогенератор с волоконно-оптической линии задержки, 7- ОАГ ОДР - автогенератор с оптическим дисковым резонатором. 8- Лазер. ФСК – лазерный фемтосекундный синтезатор, 9- КСЧ на Cz-квантовый стандарт частоты на ячейке цезия. По типу механизмов задержки автоколебаний и аккумулирования энергии автогенераторов с различными типами резонаторов можно разделить на акустические (КР [9] и ПАВР), электро магнитные (ЖИГР, ДКР и ДДРлС [ 8 ].) и опто-электронные (ВОЛЗ , ОДР[ 3,7],). ФСК и КСЧ по методам формирования РЧ колебаний также можно отнести к опто-электронным АГ . В КСЧ преобразование оптической частоты примерно 200ГГц в частоту 6,4 ГГц производится с использованием квантовых резонансных свойств атома Cz . Таблица1.2.Характеристики автогенераторов.
В таблице 1.2 приняты сокращения:СПМФШ - спектральная плотность мощности фазовых шумов на отстройке 1 кГц /10кГц от несущей. Долг. Стаб. частоты -долговременная нестабильность частоты. Диап. перестр. -Диапазон перестройки частоты. Комм. название -Коммерческое название .
В 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 «акустоэлектронных» кварцевом КР и ПАВ резонаторах и это приводит к снижению их добротности на СВЧ. Среди «электро-магнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электро-магнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС.
Основным недостатком ДДРлС является сильная зависимость резонансной частоты и фазо-частотной характеристики от температуры. Частотный диапазон ОАГ ВОЛЗ и ОАГ ОДР составляет от 1до 22 ГГц и перекрывает диапазоны других типов генераторов. Максимальный диапазон перестройки ОАГ ВОЛЗ и ОАГ ОДР составляет 14 ГГц и является максимальным в таблице 1.1. По долговременной стабильности частоты ОАГ ВОЛЗ и ОАГ ОДР проигрывает только с КСЧ, в котором благодаря квантовому эффекту достигается ДСЧ 10-13.
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.
Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи квантово размерного лазерного диода
К основным характеристикам ЛД, которые необходимы для анализа ОАГ, относятся крутизна Sл ватт-амперной характеристики, и передаточная функция КЛД KL(ja , J0L, J0Lпор)) которая зависима от постоянной составляющей тока накачки J0L КЛД и его порогового значения J0Lпор соответственно. Определим коэффициент передачи лазера - КЛД. Рассмотрим схему прямой модуляции излучения лазера током накачки (смещения).
В схеме прямой модуляции излучения лазера ток накачки представим в виде jL = jL0 +jLl exp(jfijt), где JL0 и JLl постоянная и переменная составляющие тока накачки, а - радиочастота модуляции тока накачки.
Аналогично плотность потока фотонов на выходе резонатора представим в виде PL =PL0 +PLl exp(jfijt), где PL0, PL1 -постоянная и переменная составляющие плотности потока фотонов в резонаторе КЛД. Так как в рабочих конструкциях современных КЛД, как правило, оптический выход резонатора жестко состыкован с одномодовым оптическим волоконным световодом с малыми оптическими потерями. Поэтому будем считать, что оптическая мощность на выходе оптического резонатора КЛД равна оптической мощности, введенной в оптическийсветовод.
Комплексный коэффициент передачи лазера КЛД при некогерентном оптическом фотоприеме для линеаризованной системы скоростных уравнений для одночастотного режима генерации (с частотой оптического излучения л ) определяется отношением KL(Ja , vL)= [Р Ll(Ja , vл)IJLl(jco )] (2.3)
В излучении КЛД на практике часто является многочастотным ,то есть в его спектре может быть несколько оптических частот. При генерации нескольких оптических частот, например, трех - л1 ,л2 ,л3, в излучении КЛД, комплексный коэффициент передачи лазера для линеаризованной системы скоростных уравнений КЛД можно определить соотношением KL(ja , vL1 ,vL2 ,vL3) = a1 [Px(jco, vL1 )/I1(ja )]+a2 [Px(jco ,vL2 )/l1(ja )] + +a3 [P ja, vL3 )/I1(jco)] -где a1a2 , a3 - весовые коэффициенты соответствующие доли мощности в каждой оптической частоте или моде генерации КЛД. Полоса оптических частот генерации КЛД л и вид спектральной линии при одночастотной оптической генерации влияют на полосу радиочастот генерации ОАГ и его радиочастотную линию генерации. В главе 2 при выводе уравнений баланса фаз и амплитуд ОАГ для простоты считаем полосу оптических частот генерации КЛД л бесконечно узкой.
Электро-оптический модулятор используется в схемах ОАГс внешней модуляцией лазерного излучения. Оптическое излучение лазера проходит модулятор МЦ , волоконный световод ВС и поступает на приемную площадку фотодиода ФД. На площадке фотодиода ФД складываются два оптических излучения, прошедшие модулятор МЦ по первому ЕlL = ЕlL (R) и второму Е2L = Е2L (R) оптическим каналам .
При малой амплитуде напряжения входного сигнала модуляции на МЦ можно воспользоваться линеаризацией аргумента argЕ12L результата интерференцииЕ, ,Е2L и для удобства ввести коэффициент передачи модулятора МЦ кш равный АГ =Л-01 - 1 — cos [2ЖУ0(ТМ20-ТШ0)]}1 2 .
Современные волоконно-оптической система ВОС на базе кварцевого одномодового ОВ обладают малыми потерями менее 0,1 дБ/км и малой дисперсией равной ід=1-3 пс/(нм км) на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Это позволяет создать мало дисперсионные линии задержки (ЛЗ) радиосигналов на время Тз=10-100 мкс с относительной временной дисперсией за счет ширины полосы излучаемых частот лазера tд /Тз = (2 - 6) 10"7для ширин длин волн лазера 1нм или /Гз=(2-6)10-7для ширины спектра оптических частот лазера 30 ГГц. ВОС на базе структуры одномодовых ВС0 …, ВСП разной длины Ьх …,Ln соединенных между собой волоконно- оптическими НО Y - или Х - типов позволяют формировать совместно с МИС и ФД перестраиваемые режекторные и полосовые узкополосные фильтры. Это позволяет производить перестройку ФЧХ ВОЛЗ и, следовательно, частоты генерации в замкнутой схеме ОАГ за счет изменения коэффициентов возбуждения ВС0,…, ВСП, а также производить селекцию радиочастотных колебаний и на порядки уменьшать уровень паразитных частотных составляющих соседних мод. ВОС с разной топологией, и входящие в них оптические направленные ответвители,одномодовые волоконные световодыВСь ВС2, …, ВСШ изготавливаются в интегральном и гибридном исполнении наматываются на специальный цилиндр малых геометрических размеров, что позволяет обеспечить термостатирование кварцевого ВС иВОС в целом. Оптические направленные ответвители (НО) Y - или X - типовявляются устройствами оптического согласованияи распределения оптической мощности излучения.Типы Y - или X НО являются качественно разными типами согласующих устройств. Как будет показано главе 3 АЧХ и ФЧХ НО на базе X - типа являются сильно зависимыми от оптической частоты излучения.
Для определения частоты и амплитуды генерации рассмотрим автогенератор ОАГ, в котором волоконно-оптическая система ВОС образована системой последовательно соединенных одного о дно мо до во го волоконно-оптического световода ВС0 и из двух ВСІ и ВС2, соединенных между собой направленными ответвителями Y или Х - типов (рис.2.1).
В дальнейшем, так как уровень оптического излучения лазерного диода является много меньше порогового, при котором проявляются нелинейные эффекты, далее будем считать волоконно-оптическую систему линейным элементом.
Определим коэффициент передачи волоконно-оптической системы (ВОС) и одномодовоговолоконногосветовода (ОВС).
В волоконно-оптической системе ОАГ для создания временной задержки 1-100 мкс, фильтрации и селекции типов радиочастотных колебаний могут использоваться одиночные одномодовыесветоводы ВС (ОВС) и системы ОВС, соединенных оптическими направленными ответвителями Y- и X-типов. В схеме ОАГ (рис. 2.1) на вход ВОС (вход первого оптического световода ВС0) поступает плотность потока фотонов с выхода КЛД. Мощность излучения на выходе лазера КЛД равна мощности излучения на входе ВОС и представляется в виде Pbx =Pobx+P bx exp(jot), где P0Ьх?PЬх _ постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на входе ВОС. Мощность излучения на выходе ВОС представим в виде Pеыхеос = Pо еых ее + Pieblx ее exP(J юї) , где P0еыхвс , P\еыхвс постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на выходе ВОС. Комплексный коэффициент передачи ВОС определяется как отношение Квс (jo) = [PleblxBC (jo) I Px bx ( )] (2.8) Определим коэффициент передачи, например, для схемы ОАГ (рис.2.1а), в которой ВОС содержит три световода ВС0 ,ВСі ,ВС2 . Коэффициент передачи такой ВОС определяется как KBC{jco)=M0 KBC0{jco) [A KBCl{jco) + B KBC2(ja)] (2.9) гдеKBC0(jco),KBCl(jco), KBC2{ja )- коэффициенты передачи световодов ВС0 ,ВСі ,ВС2 , соответственно, А , В -коэффициенты возбуждения ВС! и ВС2 , соответственно, а М0 -коэффициент оптических потерь на согласование ВС0 , ВСі, ВСосветоводов, соответственно.
Фазогенераторный метод измерения дифференциальных задержек оптического волокна при изменении его температуры
Одним из способов увеличения диапазона управления является переход от одиночных ОВС к дифференциальным структурам ВОС на базе ОВС и маломодовых ВС.
В этом разделе конкретизируются схемы управления ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ ( ДВОЛЗ) на базе одномодовых и маломодовых ВС, а также рассмотрены особенности расчета частоты и амплитуды генерации при учете сложных направленных ответвителей (НО) Y - типа на базе многомодовых ВС , или при учете полосы оптических частот излучения МИС(КЛД) .
Рассмотрим схему управления частотой ОАГ (рис. 3.1 ) в которую входят, последовательно замкнутые в кольцо МИС – лазерный диод (ЛД), ДВОЛЗ, образованная световодами ВС0, световодами разной длины ВС1 и ВС2 , фотодиод (ФД), электронный нелинейный усилитель НУ, радиочастотный полосовой фильтр (ПФ). Причем световоды ВС0, ВС1 и ВС2 соединены как показано на рис.4.1 с помощью оптического направленного ответвителя Y – типа ( НО Y - типа).
НО Y - типа может быть образован с помощью одномодового или маломодового волоконно-оптического НО, а также может образован стыковкой ВС0 ,ВСi и ВС2, с промежутком между световодами. Промежуток между световодами может быть заполнен воздухом или оптическим материалом. В главе 2 было показано, что изменяя коэффициенты возбуждения световодов ВСі и ВС2 , можно эффективно управлять временем запаздывания в такой ДВОЛЗ, а следовательно, частотой генерации ОАГ.
В этом разделе детально рассмотрим схемное построение управлемых ОАГ с ДВОЛЗ, образованных одномодовыми, а также маломодовыми световодами, и проанализируем основные зависимости перестроек частоты.
Вначале проведем анализ управления радиочастотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ , образованной одномодовыми и маломодовыми световодами. Рассмотрим ОАГ, с дифференциальной ВОЛЗ (ДВОЛЗ), образованной одномодовыми световодами и соединненными как показано на рис. 4.1. В главе 2 рассмотрен коэффициент передачи такой ДВОЛЗ kB(jco) без учета конкретных реализаций управления коэффициентами возбуждения ВС і и ВС2 .
Расчетные зависимости частоты (а) и амплитуды (б) генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с НО Г-типа . (б) показан вид кривых \Кв(а)\, ф) на фиксированных значениях ю, типичный для подобных регулировочных кривых в диапазоне частот 0 ш 7г/АТ. Здесь зависимости р(а) имеют достаточно линейный участок для значений а 0.5.
С учетом полученных коэффициентов передачи ДВОЛЗ решение укороченных уравнений (2.30) дает возможность получить зависимости частоты и амплитуды генерации колебаний от внешнего воздействия v(t) и найти области устойчивой стационарной генерации системы ОАГ с ДВОЛЗ.
Кривые частотной перестройки автоколебаний ОАГ ДВОЛЗ в общем случае являются нелинейными функциями параметра а=А, а для 0.5 в пренебрежении малой неизохронностью генератора частота АГ ДВОЛЗ где Тк - постоянная времени радиочастотного фильтра ПФ (или РФ ), m = 1,2, 3,...Полученные зависимости обнаруживают ряд особенностей поведения fг исследуемого автогенератора, важных для построения ВОД. Перестройка его частоты, как видно из (4.1), возможна за счет изменений не только длин ВС0, ВСі и ВС2, но и за счет изменений коэффициента возбуждения а (или Р). Данное обстоятельство особенно привлекательно, поскольку способы модуляции таких параметров, как а и Р за счет управляющих сенсорным элементом воздействий vв(t) хорошо разработаны в технике амплитудных ВОД.
Гребенчатый вид \KB(jco)\ ДВОЛЗ накладывает особенности на режим генерации при индикации воздействия в устройствах такого типа. На рис. 4.2(а, б) показаны графики зависимостей /г(а) и U(fz) при а = var, построенные для разных значений коэффициента усиления малых сигналов по разомкнутому кольцу исследуемого автогенератора %. Увеличение % приводит к качественному изменению кривой U(fa), а при малых значениях % наблюдается зонная генерация. При увеличении % сопутствующая паразитная амплитудная модуляция сигнала генерации уменьшается. При использовании ОАГ ДВОЛЗ в качестве перестраиваемого источника радиоколебаний , а также в качестве функционального преобразователя физических величин необходимо иметь в виду, что максимальная крутизна преобразования Sfг = (А/г, Aa -малые приращения fг и а) имеет место при а, близких к 0.5 (рис. 4.2,а). При этом характеристика преобразования близка к линейной.
Модуляция частоты АГ таким способом (рис.4.3 а) сопровождается относительно малой паразитной модуляцией амплитуды, так как из-за прямой взаимной связи мощностей света Р} и Р2, возбуждаемых в BС и ВС2, общая мощность Р=Р}+Р2 при изменении х остается почти постоянной.
Другой способ модуляции частоты рассматриваемого АГ, при котором стыковка и юстировка торцов осуществляются заметно проще, состоит в создании потерь оптического излучения лишь в одном из световодов ВС і или в ВС2 при разъюстировке торцов в месте разрыва одного из них (рис.4.4). При таком способе сопутствующая амплитудная модуляция проявляется сильнее, чем при способе на рис.4.3, поскольку взаимная связь Pj и Р2 отсутствует.
Экспериментальные зависимости частоты и амплитуды сигнала генерации АР ДВОЛЗ для двух рассмотренных выше способов перестройки показаны на рис.4.3(б) и 4.4(б). В качестве ВС0, ВС и ВС2 использованы кварц-кварцевые многомодовые ступенчатые световоды, диаметры жилы и оболочки которых соответственно составляли 60 и 125 мкм, числовые апертуры световодов были равны 0.2, а длины световодов - 1, 10 и 2 м соответственно для ВС0, ВСі и ВС2. Параметры контура: к= 35 МГц, ТК=0.5мкс, постоянная времени ТЭ= 40 нс. Собственная нестабильность частоты АГ ДВОЛЗ за все время измерений (10...20 мин) равна 110"5 ... 110"6 и была много меньше максимальных уходов частоты за счет х, что обеспечивало регистрацию механического смещения ВС0 с точностью 0.01 мкм. Экспериментально определенная максимальная крутизна преобразования Sfг= 200 кГц/мкм; она хорошо совпадала с рассчитанной из (4.3). Отмечено, что увеличение длины ВС о от 1 до 100 м приводило к уменьшению крутизны преобразования согласно (7), но при этом собственная стабильность ОАГ ДВОЛЗ повышалась. Приведенные экспериментальные зависимости на рис. 4.3(б) и 4.4(б) хорошо согласуются с рассчитанными. Некоторое расхождение объясняется, в частности, пренебрежением в расчетных выражениях малыми неизохронностью ОАГ и межмодовой дисперсией многомодовых световодов. На основе макета ОАГ ДВОЛЗ был реализован преобразователь акустического давления, минимально определяемый уровень которого составлял минус 50 дБ относительно 1 мкПа, а максимальная регистрируемая частота акустического давления 1.5 кГц.
Для управления частотой генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, можно использовать схему с направленным ответвителем (НО) Х -типа. Направленный ответвитель Х-типа относится к оптическим замедляющим системам с управляемой распределенной оптической связью. Оптическая связь между световодами в таком НО происходит на определенном участке много большем оптической длины излучения МИС КЛД. Одной из важных особенностей НО- Х-типа является то, что благодаря распределенной оптической связи, НО представляет собой не только элемент деления оптической мощности между каналами, но и управляемый оптический фильтр с «гребенчатой» структурой модуля коэффициента перадачи. Перестраивая параметры НО Х-типа, можно изменять коэффициенты возбуждения световодов разной длины , образующей ДВОЛЗ , а , следовательно, через запаздывание в волоконно-оптической системе эффективно управлять частотой генерации ОАГ
