Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Теоретический анализ опто-электронного генератора (ОАГ) на основе дифференциальных уравнений с запаздыванием 24
1.1 Принцип действия ОАГ. Функциональнаясхема ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ 24
1.2 Определение коэффициентов передачи элементов ОАГ ВОЛЗ 29
1.3 Уравнения ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ 35
1.4 Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на основе укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием 46
1.5 Анализ укороченных дифференциальных уравнений с запаздыванием автономного ОАГ ВОЛЗ 54
1.6 Анализ переходных процессов в ОАГ ВОЛЗ. Время установления частоты и амплитуды генерации ОАГ ВОЛЗ 61
1.7 Анализ управления частотой сигнала генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ в стационарном режиме 71
1.8 Параметрическая и долговременная нестабильность частоты ОАГ с ВОЛЗ 89
1.9 Краткие выводы к Главе 1 93
Глава 2. Управление частотой генерации оаг при изменении тока смещения квантов оразмерного мезаполоскового лазерного диода (КЛД) 99
2.1 .Квантово-размерный лазерный диод (КЛД) в 99
2.2 Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи КЛД 110
2.3 Управление частотой ОАГ при изменении тока смещения ЛД ввысокочастотном (ВЧ) диапазоне 133
2.4 Краткие выводы к главе 2 153
Глава 3. Управление частотой оаг на базе дифференциальных волоконно - оптических линий задержки 166
3.1 Управление радиочастотой ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, построенной на базе направленного ответвителя Y -типа 166
3.2 Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с оптическим направленным ответвителем Х-типа 186
3.3 Управление радиочастотой ОАГ на базе одиночных регулярных световодов 211
3.4 Краткие выводы к главе 3 240
Глава 4. Экспериментальное исследование ОАГ с ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ диапазонах 243
4.1 Экспериментальные исследования характеристик модулированного источника излучения: лазерного диода и светодиода 243
4.2 Влияние на частоту генерации ОАГ изменений постоянного тока смещения с лазерного диода и тока смещения светодиода 261
4.3 Экспериментальное исследование характеристик ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе направленного ответвителя Х-типа 275
4.4 Экспериментальные исследования функциональных преобразователей электрических тока и напряжения на основе ОАГ ВОЛЗ 282
4.5 Реализация ОАГ в СВЧ диапазоне и его экспериментальные характеристики. Перспективы применения ОАГ в СВЧ и КВЧ диапазонах в радиолокационных и радиооптических бортовых и наземных станциях 292
Заключение 317
Библиографический список 322
Приложение 334
- Определение коэффициентов передачи элементов ОАГ ВОЛЗ
- Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи КЛД
- Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с оптическим направленным ответвителем Х-типа
- Экспериментальное исследование характеристик ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе направленного ответвителя Х-типа
Введение к работе
В настоящее время актуальной научно-технической задачей является разработка новых по своему принципу действия и конструкции, компактных малошумящих стабилизированных радиочастотных генераторов[1,2], работающих в диапазоне от 3 до 600 ГГц в гибридном и, интегральном исполнении, обладающих широкой спектральной перестройкой. Подобные устройства формирования колебаний в диапазонах сантиметровых (СМВ) и миллиметровых (ММВ) длин волн необходимы при построении современных радиолокационных систем и антенно-фидерных трактов, спутниковых и космических линий связи, создании высококачественной аппаратуры в измерительной технике.
Использующиеся в настоящий момент в радиотехнических системах известные генераторы СВЧ являются для многих решаемых задач неприемлемыми. Так автогенераторы на диэлектрических резонаторах на керамике, имеют ограничения по уровню фазовых шумов (за счет относительно низкой добротности резонатора), по диапазону частот до 20 ГГц и сильно подвержены изменению ускорения (10" -10"). Генераторы СВЧ колебаний на лейкосапфире [3], являющиеся на сегодняшний день самыми «малошумящими» (имеющими малый уровень фазового шума), имеют существенное ограничение по рабочему диапазону частот (6 — 12 ГТц), а также имеют дискретный ограниченный диапазон частотной перестройки, относительно большие размеры и вес резонатора. Кварцевые генераторы с умножением частоты не дают возможности получить достаточно высокие характеристики по спектральной плотности фазового шума и кратковременной стабильности частоты в диапазоне 8- 100 ГГц за счет многократного умножения частоты.
Одним из способов создания перестраиваемых малошумящих генераторов в области частот 5- 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной линии задержки с запаздыванием сигнала в ней от 2 до Юмкс с малыми эффективными потерями электрической мощности от 3 до 10 дБ. При этом в таком автогенераторе за счет создания в колебательной системе высокой эквивалентной добротности (200-800)103 получается низкая спектральная плотность фазовых шумов (-140Дб/Гц и менее при отстройке по частоте от несущей ЮкГц), а кратковременная нестабильность частоты такого оптоэлектронного автогенератора(ОАГ) не хуже 10"10. Линия задержки в ОАГ реализуется на базе волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ). В состав ВОЛЗ входят последовательно соединенные-модулированный источник света (МИС) - лазерный диод, волоконно-оптическая система (В ОС) (в простейшем случае одиночный волоконно-оптический световод) и фотодиод (ФД).
Появившаяся недавно современная отечественная элементная база оптоэлектронных компонент - сверхширокополосные квантово-размерные лазерные диоды и фотодиоды на основе InGaPAs позволяет реализовать малошумящие линии задержки в диапазонах 1- 12 ГГц и на их основе создать малошумящие, высокостабильные и широко перестраиваемые по частоте автоколебательные системы. Современные оптоэлектронные компоненты (электро-оптические абсорбционные и полимерные модуляторы) позволяют уже сейчас реализовать ОАГ в диапазоне 5 -200 ГГц. Предельный частотный диапазон ограничен частотой фотодетектирования -600 ГГц.
За счет стабилизированной ВОЛЗ ОАГ в СВЧ диапазоне обладает высокие показатели долговременной и кратковременной нестабильности 10"10-10"п частоты ОАГ, обусловленные высокой добротностью колебательной системы (200 -400) 103 в диапазоне 2-100 ГГц. Кроме того, в ОАГ имеется уникальная возможность производить управление частотой в нем оптическими (в составной ВОС) и электронными методами (изменениями тока накачки ЛД и собственной частоты радиочастотного фильтра).
Однако данный тип генераторов недостаточно теоретически и экспериментально изучен. В России не было создано экспериментального макета ОАГ в диапазоне частот 1-10 ГГц.
Имеющиеся работы не дают возможности определить его основные свойства, методы управления частотой, факторы, влияющие на стабильность частоты АГ. Актуальными на данный момент является теоретическое и экспериментальное изучение перестройки частоты за счет изменения тока смещения квантово-размерного лазерного диода, изучение ФЧХ и АЧХ такого КЛД, экспериментальное и теоретическое изучение оптических методов перестройки, вывод и решение для ОАГ укороченных дифференциальных уравнений с учетом составных ВОЛЗ для определения времен переходных процессов при вариации параметров ВОЛЗ. В качестве цепи обратной связи в ОАГ используются ВОЛЗ и оптические или волоконно-оптические резонаторы.
Важным достоинством ВОЛЗ и волоконно-оптических фильтров является то, что их характеристики могут синтезироваться в зависимости от назначения ОАГ. Так, в частности, изменяя топологию и параметры световодов ВОЛЗ ( геометрические длины, входящих в него ВС, количество ВС и виды оптических связей между ВС) можно получать необходимые амплитудно-частотные характеристики ВОЛЗ и фильтров на их основе, входные и выходные импедансы, величины задержек электрического высокочастотного (ВЧ) и сверх высокочастотного (СВЧ) сигнала и т.д. Применение той или иной ВОЛЗ в ОАГ зависит от назначения проектируемого ОАГ ВОЛЗ. Так, например, если необходим перестраиваемый ОАГ ВОЛЗ, то предпочтительней использовать ВОЛЗ, а при создании высокостабильных источников гармонических колебаний можно использовать волоконно-оптические резонаторы.
Перспективным представляется применение ОАГ ВОЛЗ в оптических и радио локационных системах, системах дальней радиосвязи, в синтезаторах частоты, в датчиках различных физических величин, функциональных генераторах, в преобразователях одного вида генерации в другой, например, оптической генерации лазеров в радиочастотную генерацию, в системах стабилизации оптического излучения и др.
Высокие эксплутационные характеристики ОАГ ВОЛЗ позволяют им успешно конкурировать в области СВЧ 5- 100 ГГц с традиционными кварцевыми с умножением частоты и АГ СВЧ с диэлектрическими резонаторами, в том числе на резонаторах из лейкосапфира. Наличие оптического канала в ВОЛЗ, малые вес и габариты таких ОАГ делают возможным их использование в оптических доплеровских бортовых локаторах для обнаружения малозаметных целей на дальностях 50- 70 км. Другим их перспективным применением ОАГ в качестве функциональные преобразователи (ФП) физических величин. Благодаря наличию помехозащищенной от влияния сильных электромагнитных полей ВОЛЗ в цепи обратной связи ОАГ их можно использовать как функциональные преобразователи физических величин, например, давления, электромагнитных полей , электрических напряжения и тока , температуры и др. с высокими характеристиками по динамическому диапазону чувствительности.
ОАГ ВОЛЗ, являясь узлом выше перечисленных сложных оптоэлектронных и радиотехнических систем, могут работать в различных режимах: непрерывной генерации высокостабильных колебаний; внешней синхронизации; различных видов модуляции колебания, в том числе манипуляции. В зависимости от режима работы можно выделить два основных типа ОАГ ВОЛЗ - автономный и неавтономный (управляемый), то есть находящийся под внешним воздействием. Внешнее воздействие, которое может быть приложено к ОАГ, могут быть как электрического характера (ток, напряжение, поле) и изменять параметры цепей АГ или ВОЛЗ, так носить механическую природу.
Современные требования к управлению частотой автогенераторов ставят задачу создания ОАГ с заданными динамическими характеристиками наряду с требованиями по стабильности колебания, технологичности изготовления, виброустойчивости, перестраиваемое™.
Внешнее воздействие на ВОЛЗ приводит за счет изменения параметров, входящих в него КЛД, волоконно-оптической системы (ВОС ), оптических элементов к изменению параметров автоколебания ( частоты, амплитуды и фазы сигнала генерации ). Используя внешние электронные воздействия на ВОЛЗ, можно эффективно управлять частотой, амплитудой и фазой сигнала генерации.
В связи с этим становится актуальным исследования схем построения управляемых по частоте ОАГ, в которых главным элементом управления выступает ВОЛЗ. Поскольку КЛД, ВОС, входящие в ВОЛЗ, являются сложными для математического описания их коэффициентов передачи компонентами, существует актуальная задача описания коэффициентов передачи и их зависимости от изменений параметров.
Применение ОАГ ВОЛЗ в качестве датчика физических величин, режимах частотной, фазовой модуляции ставит задачу определения индексов модуляции, при которых уровень искажений не превышает заданного. Важно дать практические рекомендации по улучшению характеристик ОАГ ВОЛЗ.
Перед разработчиком нового класса приборов на базе ОАГ стоит ряд актуальных нерешенных задач в известной литературе: анализ зависимостей ФЧХ и АЧХ КЛД при больших превышениях накачки над порогом (от 5до 8); влияние на радиочастоту параметров дифференциальной СВОЛЗ и оптических устройств связи направленных ответвителей Y- и Х- типов; влияние на характеристики радиочастотного сигнала коэффициента оптической связи в направленных ответвителях и световодах. Сложность построения математической модели ОАГ ВОЛЗ состоит в его особенности -наличию в его структуре оптического квантового генератора света лазерного диода. Характеристики лазера влияют на частотные характеристики ОАГ , так например, существует связь оптической полосы генерации лазера с радиочастотной полосой генерации ОАГ. Решение всех этих перечисленных задач, даже не поставленных в известной литературе, дает ключ для построения стабилизированного по частоте ОАГ с рекордными на сегодняшний день характеристиками.
Теоретические работы по исследованию автоколебательных систем (АКС) с запаздыванием ОС (ЗОС) [4-31] появились задолго до выхода в свет первых работ, посвященнных ОАГ ВОЛЗ. Развитие методов решения дифференциальных уравнений с запаздыванием численными методами [32-45] с применением компьютеров вывели исследования таких АГ на качественно новый уровень. Теоретически изученными АГ с ЗОС и близкими по своей схеме построения к ОАГ, являются автогенераторы с линиями задержки на поверхостных акустических волнах (АГ ПАВ) [19-25, 40,41 ]. Эти работы создали основу для теоретических исследований нового класса автогенераторов (АГ) - ОАГ ВОЛЗ.
Бурные исследования в 70-х -80-х годах прошлого века волоконно-оптических линий связи (В О Л С) и волоконно-оптических световодов с низкими оптическими потерями [42-44] дали импульс к началу использования волоконно-оптических линий задержек в автогенераторах [45-52]. В последние 15 лет появились работы [46-52] российских авторов, посвященные теоретическим и экспериментальным исследованиям ОАГ ВОЛЗ.
В последние 5 -7 лет появились работы по экспериментальному и теоретическому исследованию и разработке современных быстродействующих оптоэлектронных компонент: лазеров, опто- электронных модуляторов, фотодиодов, а также оптоэлектронных и волоконно-оптических систем с быстродействием 0.01 -100 пс, с полосами радиочастот модуляции до 18 -200 ГГц [ 53- 106 ]. В том числе за рубежом ведутся исследования оптоэлектронных автогенераторов (ОАГ) с волоконно-оптической линией задержки [57,61,63-66,73], которые работают в СВЧ диапазоне от ЗГГц - до 39 ГГц. Стимулом ведение этих исследований является перспективность использования ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве опорных генераторов в электронных и оптических РЛС нового поколения, в сверх быстродействующих ВОЛЗ (в качестве формирователей сверх коротких оптических импульсов 0.01-1 пс с малым «джиттером» (с малом дрожанием переднего фронта импульса ), а также в ВОЛС для передачи информации в системах с повышенной конфидициальностью передаваемой информации с использованием маскирующих передаваемых помех [81,82]. В этих работах [81,82] исследовался ОАГ с ВОЛЗ в автоколебательном режиме стохастической генерации.
Работы по исследованию ОАГ с ВОЛЗ и их компонентов в ВЧ и СВЧ диапазоне проводятся в настоящее время также и в России [114-134]. В настоящее время в России группой Курносова В.Д. ведутся исследования и разработка современных отечественных квантово-размерных лазерных диодов(КЛД) и фотодиодов , позволяющих осуществлять радиочастотную модуляцию и демодуляцию в ВОЛЗ до 12 ГГц [102-103]. С появлением сверх широкополосных отечественных КЛД стало возможным реализация ОАГ ВОЛЗ в СВЧ диапазоне 8 -12 ГГц [115-120,131,132]. Дальнейшие перспективы разработки ОАГ, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах, связаны с современными разработками оптоэлектронных устройств и фотонных технологий [135].
Из зарубежных авторов по экспериментальному исследованию ОАГ необходимо отметить таких исследоватей, как Наказава М. , Ярив А., Малеки Л., Стив Яо. Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы отечественных авторов Григорьянца В. В. , Уткина Г. М., Ильина Ю. Б., Константинова В. Н. , Капранова М. В., Прокофьева В. А. , Дворникова А. А., в которых ОАГ ВОЛЗ и автоколебательные системы с ВОЛЗ анализируются на основе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. Однако в большинстве из них анализируются стационарные режимы ОАГ без учета сложных коэффициентов передачи КЛД и ВОС. Отсутствуют работы , в которых описываются управляемые по частоте ОАГ , где главным элементом управления является ВОЛЗ. Отсутствуют работы по теоретическому и экспериментальному исследованию управляемых по частоте ОАГ, в которых используются дифференциальные ВОЛЗ на базе Y - и X -направленных оптических ответвителей (НО). Хотя в известной литературе существуют работы [73] , в которых описываются экспериментальное результаты стабилизации частоты ОАГ на основе дифференциальных ВОЛЗ на базе направленных ответвителей.
Отсутствуют также работы по влиянию параметров волоконно-оптического тракта и ширины линии генерации оптического излучения МИС , входящего в ОАГ , хотя данная проблема для ОАГ является очень важной , так как ее решение позволяет сформировать требования к МИС и параметром волоконно-оптического тракта (длине, дисперсии, коэффициентам анизотропности ВС и т.п.), для оптимизации управляемых по частоте стабилизированных ОАГ. Отсутствуют также работы по изучению динамических характеристик ОАГ ВОЛЗ, не проанализированы дифференциальные уравнения дл ОАГ, не изучены время переходных процессов автоколебаний ОАГ с дифференциальными ВОЛЗ, использование которых является перспективным. Использование таких ОАГ благодаря подавлению соседних типов колебаний из-за режекции ДВОЛЗ является перспективным. Также нет работ по анализу влияния на частоту генерации температуры ВОС. Круг решаемых в известных работах по теории ОАГ не может удовлетворить современные требования разработчиков .
Следует отметить, что стремление получить результаты в аналитическом виде , как правило , приводит к необходимости значительного упрощения модели ОАГ ВОЛЗ, моделей ВОС и КЛД. Это зачастую является причиной того, что большинство особенностей работы ОАГ ВОЛЗ не учитывается, и в конечном итоге могут быть получены даже качественно неверные результаты. Последнее связано с тем , что ВОЛЗ обладают рядом особенностей. Таких как - наличие в качестве МИС (источника оптического излучения) -КЛД с определенной шириной полосы генерации излучения , зависимости АЧХ и ФЧХ КЛД от тока накачки , дисперсионный характер по оптическим частота МИС запаздывания в протяженном волоконно-оптическом тракте; распределенный характер возбуждения ВС и приема светового излучения ФД; наличие в компонентах оптических НО X -типа оптической распределенной связи между каналами, наличие оптической связи между разными оптическими модами и распространяющимися типами световых излучений с разными задержками и т.п. Причем все это связано в неразрывное целое, представляющее ВОЛЗ.
Особенно завершенными в теоретическом плане представляются работы [ 46,52,55 ], в которых ОАГ ВОЛЗ анализируется на основании укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) первого приближения. В этих работах , из разложения управляющего сопротивления ОАГ ВОЛЗ в ряд Тейлора по малому запасу по самовозбуждению и малой частотной расстройке ( относительно собственной частоты резонансной системы) получены довольно простые дифференциальные уравнения для автономного ОАГ ВОЛЗ с одиночным волоконно-оптическим световодом без учета оптической связи излучений внутри ВОС, без учета ширины полосы генерации МИС.
Однако, на практике применяются режимы работы ОАГ с запасами по самовозбуждению соизмеримыми и даже больше единицы , а ВОЛЗ могут представлять сложные структуры , например, на базе дифференциальных ВОС, а используемые в ВОЛЗ КЛД работать в СВЧ диапазоне. Можно предположить, что точность определяемых по УДУ статических и динамических характеристик ОАГ существенно зависит от запаса по самовозбуждению, ширины линии излучения МИС, а также количества учитываемых световодов разной длины в ВОС.
Выше сказанное позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение управления частотой ОАГ, работающего в диапазоне СВЧ частот 8-12 ГГц, а также диапазоне ВЧ частот 5- 100 МГц. Исследование методов оптического и электронного управления частотой с помощью изменения условий возбуждения составной ВОС и током смещения квантово-размерного лазерного диода (КЛД). Исследование ФЧХ и АЧХ квантово-размерного ЛД.
На основании исследования дифференциальных уравнений и уравнений баланса фаз и амплитуд ОАГ ВОЛЗ, коэффициентов передачи КЛД, ВОС провести анализ применения ОАГ ВОЛЗ в режимах управления частотой колебаний , дать практические рекомендации по использованию электронных методов управления частотой ОАГ ВОЛЗ. Провести исследования в качестве основных схем для управления частотой генерации ОАГ на базе дифференциальных ВОС с направленными ответвителями X и Y - типов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи :
- построение теоретической модели перестраиваемого по частоте ОАГ с учетом сложной топологии ЛЗ, работы КЛД в диапазоне СВЧ и ВЧ при разных превышениях тока накачки над пороговым значением , ширины полосы источника излучения, дисперсии световода .
- проведение теоретического и экспериментального изучения ФЧХ и АЧХ квантово-размерного лазерного диода (КЛД) с учетом различных превышений тока накачки над пороговым значением;
- теоретическое и экспериментальное изучение оптических методов управления частотой генерации в ОАГ с различными ВОС : на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем Y- типа, на базе ДВОЛЗ с направленным ответвителем X -типа, на базе одиночных многомодовых регулярных и, а также ВОЛЗ со сложной топологией. Выработка рекомендаций на основе анализа различных ВОЛЗ перестраиваемых ОАГ и выбору компонент.
- построение теоретической модели ОАГ на основе УДУ с ЗОС с учетом сложной топологии ВОЛЗ и использование этой модели для анализа переходных процессов в ОАГ с ДВОЛЗ , расчет динамических характеристик ОАГ ДВОЛЗ с учетом особенностей работы ДВОЛЗ и без ограничений на величину запаса по самовозбуждению;
- реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в диапазоне 8-12 ГГц;
- теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей частоты от тока смещения квантово размерного лазерного диода (КЛД);
- реализация экспериментального образца ОАГ ВОЛЗ, работающего в ВЧ диапазоне 4-50 МГц.
В соответствии с поставленными задачами изложение материала в работе проводится в следующей последовательности.
В главе 1 дано описание функциональной схемы ОАГ и базовой математической модели ОАГ. В схему ОАГ входят, последовательно замкнутые в кольцо, модулированный источник света (МИС) — квантоворазмерный лазерный диод (КЛД), волоконно-оптическая система ВОС на базе одномодового мало дисперсионного световода ВСо или составной ВОС на базе двух (или нескольких ВС] .BCn ) с разными длинами, соединенных друг с другом с помощью оптических направленных ответвителей (НО ) Y - или Х- типов, сверхширокополосного СВЧ фотодиода (ФД), нелинейного широкополосного усилителя (У), радиочастотного фильтра (РФ).
КЛД представляет собой сверх широкополосный мезаполосковый полупроводниковый лазерный диод инжекционного типа, ширина полосы частот модуляции которого за счет использования фотонных технологий составляет примерно 12 ГГц.
Волоконно-оптическая система (ВОС) в ОАГ построена на базе кварцевых одномодовых волоконных световодов с малой дисперсией td-1-3 пс/(нм км) на длине волны 1,3 мкм. Это позволяет создать в ОАГ мало дисперсионную линию задержки СВЧ радиосигналов с временем запаздывания 7/=10-100 мке с относительной временной дисперсией td /Т3 = (2 — 6) 10 ( нм) за счет ширины полосы излучаемого оптического излучения КЛД . Одной из особенностей ОАГ является то ,что селекция радиочастотных типов колебаний может осуществляется в ВОС. ВОС на базе структуры одномодовых ВСо ..., ВСП разной длины Lj ...,Ln соединенных между собой волоконно- оптическими направленными ответвителями (НО) Y - или X - типов позволяют формировать совместно с КЛД и ФД перестраиваемые режекторные и полосовые узкополосные фильтры. Фотодетектором в ВОЛЗ ОАГ является сверхширокополосный СВЧ полупроводниковый фотодиод на основе InGaAs структуры.
В главе рассмотрен автогенератор ОАГ ,в котором дифференциальная волоконно-оптическая система ВОС образована системой последовательно соединенных одного волоконно-оптического световода ВС0 и двух световодов ВС] и ВСг, с разными геометрическими длинами Lj L2 и соответственно, разными в них задержками 7/ и Т2. Коэффициенты возбуждения световодов ВС] и ВС2 составляют А и В равны А =Р/Ро и В =P2/PQ , где Р/ ,Pj- оптические мощности вводимые в световоды ВС) и ВСг соответственно, а Ро Pj +Рг Синусоидальный радиосигнал 1ЛдО с°) поступающий на вход КЛД лазерного диода, модулирует по интенсивности оптическое излучение КЛД. В ВОС, образованной системой из одного ВСо и двух ВС і и ВСг осуществляется задержка светового сигнала на среднее время Т. На выходе фото детектора получается радиосигнал с током равным 1ф(]со). При прохождении нелинейного усилителя У, сигнал имеет усиление с появлением радиочастотных составляющих (гармоник) в его спектре. При прохождении радиочастотного фильтра РФ с собственной частотой /ф и постоянной времени Тф гармоники выше первой подавляются и на выходе РФ имеем синусоидальное радиоколебание задержанное по времени. При соблюдении баланса амплитуд и фаз в такой системе возникают автоколебания с частотой f=fz и амплитудой U(t) . При взаимном изменении оптических мощностей вводимых в световоды ВС и ВС2 Pi ,Pi суммарный фазовый сдвиг сигнала огибающей в такой дифференциальной ВОС изменяется, а следовательно, изменяется частота генерации ОАГ .Реализация изменений оптических мощностей Р] ,Р2 в ОАГ может осуществляться механически или электронно, например, с помощью направленных ответвителей НО Y- и Х- типа.
Математическая модель ОАГ ВОЛЗ на базе укороченных дифференциальных уравнений (УДУ) для автогенератора (АГ) с запаздывающей обратной связью (ЗОС) составлена для медленно меняющихся амплитуды и фазы квазигармонического сигнала с учетом использования в ОАГ составной дифференциальной ВОЛЗ и ВОЛЗ со сложной топологией. Важным моментом при составлении УДУ ОАГ является снятие ограничений на величину запаса по самовозбуждению. Особенностью данных ДУЗ является учет в них параметра оптической частоты v =Ул МИС КЛД, который определяет основные отличия ОАГ ВОЛЗ от традиционных автогенераторов. Этот учет производится в коэффициенте показателя преломления материала Nec(v) световедущей жилы световодов зависящего от оптической частоты КЛД vn , коэффициентах возбуждения А ,В и оптической связи световодов Ссв.
Исследования ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ (ДВОЛЗ) на базе УДУ с ЗОС выявили особенности зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации при изменении коэффициентов возбуждения световодов в переходном и стационарном режимах работы ОАГ. Изменения коэффициентов возбуждения световодов в ДВОС приводят к изменению характера временных зависимостей частоты и амплитуды сигнала генерации ОАГ. Получено из анализа уравнений УДУ выражение для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ при ее управлением током накачки квантоворазмерного ЛД и параметрами В ОС.
В главе 2 с целью исследования управления ОАГ при изменении тока смещения КЛД произведены анализ математической модели квантоворазмерного лазерного диода и изучение его коэффициента передачи от постоянного тока накачки (смещения). При этом изучены особенности фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) (КЛД) для одночастотного и многочастотного режимов оптической генерации КЛД. Ранее ФЧХ и АЧХ квантово размерного лазерного диода в частотном диапазоне 1-12 ГГц не исследовались. Одной из целей исследования КЛД являлось получение зависимостей ФЧХ и АЧХ для модели КЛД, с учетом многих оптических частот его генерации. Получено теоретическое объяснение влияния появляющихся в излучении КЛД дополнительных оптических гармоник на суммарную ФЧХ и АЧХ при больших токах превышения над пороговым значением.
Изложены результаты экспериментальных исследований ФЧХ и АЧХ квантоворазмерного ЛД в СВЧ диапазоне (1-12 ГГц) при различных токах накачки ,а также при управления радиочастотой генерации ОАГ в диапазоне 8-12 ГГц током накачки ЛД. В эксперименте использовался квантово-размерный ІпОаАІАБЛпР лазерный диод с длиной волны излучения 1.3 мкм. Анализ полученных экспериментально спектрограмм оптического спектра генерации КЛД для разных токов смещения показал, что при превышениях порогового тока смещения примерно в два раза, оптическая генерация КЛД является многочастотной. Из экспериментальных и теоретических исследований зависимостей ФЧХ, АЧХ КЛД при разных токах накачки сделан вывод , что крутизна фазовых сдвигов в ФЧХ за счет малых вариаций тока смещения КЛД при токах больше 60 мА на два порядка меньше, чем при токах смещения 20-35 мА. При этом при рабочих токах смещения КЛД больше 60MA, вариации радиочастоты генерации ОАГ за счет малых изменений токов смещения снижаются на два порядка. Сделанные выводы из теоретического и экспериментального исследования характеристик КЛД использованы в качестве рекомендаций по выбору параметров и режимов экспериментального образца ОАГ на базе КЛД. Исследование ФЧХ и АЧХ КЛД дали возможность расчета зависимости частоты генерации от тока смещения КЛД.
В главе 3 рассмотрены оптические способы управления частотой автоколебаний ОАГ с использованием в дифференциальных ВОЛЗ направленных ответвителей Y- и X - типов.
При рассмотрении способов управление частотой ОАГ путем изменений параметров ВОС был проведен теоретический анализ и реализованы экспериментально схемы ОАГ с управляемыми ВОС на основе волоконно-оптических направленных ответвителей Y - и Х- типов при изменении коэффициентов возбуждения А и В световодов ВС] и ВС2 в дифференциальной ВОС. В результате теоретического анализа получены приближенные выражения для частоты стационарных колебаний в системе ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с направленными оптическими ответвителями Y-типа и X типов. Показано, что при использовании в ДВОС НО Х-типа существует зависимость коэффициента оптической связи Ссв от оптической частоты излучения МИС КЛД Cce =С0 (1+Cj vj, в котором Со и С/ -вещественные коэффициенты, зависящие от показателей преломлений материала световодов, граничной среды и их геометрических размеров. Поэтому в ОАГ с дифференциальной ВОС и НО Х-типа реализуется управление радиочастотой генерации при изменении оптической частоты КЛД v,.
В результате исследования зависимостей частоты и амплитуды генерации ОАГ при вариации параметров ВОС получены новые, ранее неизвестные в литературе, закономерности изменения частоты в ОАГ (линейный -при использовании НО Y-типа и вариации коэффициентов возбуждения в одном оптическом канале, квазилинейный- при использовании НО Yrana и вариации коэффициентов возбуждения в двух оптических каналах, и периодический sin(CecZ) (при использовании НО X-типа посредством продольной оптической связи). Рассмотренные методы управления частотой ОАГ являются новыми, ранее нерассмотренными в литературе, и расширяют сферу применения ОАГ, На новые устройства, использующие в своей основе данные методы перестройки частотой ОАГ оформлены авторские свидетельства и патенты.
В главе 4 дается описание экспериментальных исследований ОАГ ВОЛЗ в ВЧ и СВЧ диапазонах , а также результаты исследований влияния на частоту генерации тока смещения лазерного диода при малых и больших превышения накачки над пороговым значение. Особое место занимают описания результатов и их обсуждение экспериментальных исследований лазерного диода в ВЧ диапазоне. Из экспериментальных исследований разработанных на базе ОАГ ВОЛЗ функциональных преобразователей (ФП) физических величин (электрических тока и напряжения) сделаны выводы по их использованию в энергетических системах. Описаны экспериментальные исследования ОАГ с дифференциальными В ОС на базе двух световодов разной длины и направленных ответвителей (HO)Y - и Х-типа. Впервые в ОАГ с НО Х-типа были измерены периодические зависимости частоты сигнала генерации при перестройки частоты оптическим методом . Показано, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами , проведенными в третьей главе. Экспериментально реализованы схемы управляемых по частоте ОАГ ВОЛЗ током смещения КЛД в СВЧ и ВЧ диапазонах на частотах 8-12 ГГц и 5- 50 МГц, соответственно. Экспериментально показывается, что при больших превышениях тока смещения 1СМ =60-75 мА {1СМ /1СМП0р =5-8) над пороговым значением 1смпор крутизна изменений частоты генерации ОАГ от тока смещения КЛД уменьшается в 30- 100 раз ( чем при малых токах смещения) и составляет менее 10кГц/мА для средних частот генерации ОАГ 8-12 ГГц.
В Заключении подводится итог проделанной работы. После анализа системы ОАГ, проведенного в данной работе, сформулированы выводы.
В конце работы представлен список использованной литературы.
Определение коэффициентов передачи элементов ОАГ ВОЛЗ
Определим коэффициент передачи КЛД. Рассмотрим схему прямой модуляции излучения лазера током смещения.
В схеме прямой модуляции излучения лазера ток накачки представим в виде I =10 +1} expficot), где 10 и 7/ постоянная и переменная составляющие тока накачки, а со - радиочастота модуляции тока накачки.
Аналогично плотность потока фотонов на выходе резонатора представим в виде S=S0+Si exp(fcot), где So , S, -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 оптический световод.
Комплексный коэффициент передачи лазера КЛД при некогерентном оптическом фотоприеме для линеаризованной системы скоростных уравнений для одночстотного режима генерации (с частотой оптического излучения Vj,) определяется отношением
КЛД на практике является оптическим квантовым генератором, в излучении которого может быть несколько оптических частот. При генерации нескольких оптических частот, например, трех - v„j ,ул2 ,VA3, в излучении КЛД, комплексный коэффициент передачи лазера для линеаризованной системы скоростных уравнений КЛД можно определить соотношением-где a/, a2, a3- весовые коэффициенты соответствующие доли мощности в каждой оптической частоте или моде генерации КЛД.
Полоса оптических частот генерации КЛД Av„ и вид спектральнойлинии при одночастотной оптической генерации влияют на полосурадиочастот генерации ОАГ и его радиочастотную линию генерации.
В главе 1 при выводе уравнений баланса фаз и амплитуд ОАГ для простоты вначале будем считать полосу оптических частот генерации КЛД Avn бесконечно узкой.
Рассмотрим определения коэффициента передачи фотодиода (ФД). В схемах ОАГ возможен некогерентный и когерентный фотоприем оптического сигнала. При некогерентном фотоприеме оптический сигнал с выхода световода поступает непосредственно на светочувствительную площадку ФД. При некогерентном фотодетектировании одночастотного излучения лазера, прошедшего ВОС, на ФД, ток на выходе ФД представим в виде Іфд =Іпфд +ІіфдЄхр(/соі), где 1офд и 1]фд - постоянная и переменная составляющие тока ФД, а со — радиочастота модуляции тока ФД. Аналогично плотность потока фотонов на входе ФД представим в видесоставляющая плотности потока фотонов на входе ФД.
При некогерентном фотоприеме комплексный коэффициент передачи ФД для линеаризованной системы определяется как отношение
В случае когерентного фотоприема в ОАГ оптический когерентный сигнал с выхода световода (первого оптического канала)поступает на светочувствительную площадку ФД совместно с оптическим опорным когерентным сигналом (второго оптического канала), ответвляемым дополнительным световодом от КЛД. Пи этом выигрыш в соотношении сигнал -шум на выходе ФД в сравнении с некогерентным фотоприемом составляет 8- 10 раз.
При когерентном фотодетектировании одночастотное излучение лазера( с оптической частотой ул), проходит ВОС, и поступает на ФД. Ток на выходе ФД представим в виде 1фг) =1Пфд +IUpdexp(jcot), где 1офд и 11фд -постоянная и переменная составляющие тока ФД, а со — радиочастота модуляции тока ФД. Плотность потока фотонов на выходе первого оптического канала на светочувствительной площадке (на входе) ФД на оптической частоте vn представим в виде //- 0/ + // ((/ . , Улі))ехр(/ Ш, Уд.Флі) гДе S j)dii Su t d - постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на выходе первого канала входе ФД, Фл1 - фаза когерентного оптического колебания на частоте vn на выходе первого канала .
Плотность потока фотонов на выходе второго оптического канала ФД на оптической частоте ул2 представим в виде 22= 2 + (М vJexpO cot, УЛ,ФЛ2), где 802фд , S22№ - постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на выходе второго канала входе ФД , Фл2 - фаза когерентного оптического колебания на частоте Vj, на выходе второго канала.
При когерентном фотодетектировании комплексный коэффициент передачи ФД (для линеаризованной системы, при условии равенства амплитуд плотностей потоков фотонов на выходах первого и второго каналов) определяется отношением (аргументов коэффициентов передачи) в колебании переменной составляющей плотности потока фотонов на выходах первого и второго каналов, соответственно, на входе ФД.
Определим коэффициент передачи волоконно-оптической системы (ВОС) и одномодового волоконного световода (ОВС).В волоконно-оптической системе ОАГ для создания временной задержки 1-100 мкс, фильтрации и селекции типов радиочастотных колебаний могут использоваться одиночные одномодовые световоды ВС (ОВС) и системы ОВС, соединенных оптическими направленными ответвителями Y- и Х- типов.
В схеме ОАГ (рис. 1.1) на вход ВОС (вход первого оптического световода ВСо) поступает плотность потока фотонов с выхода КЛД. Мощность излучения на выходе лазера КЛД равна мощности излучения на входе ВОС и представляется в виде S вхeoc=Soвхe0c+Si 0 вос expQ cot), где S0„ вос, Si вх еос - постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на входе ВОС. Мощность излучения на выходе ВОС представим в виде S выхеос о вых вос+Si вых вос expQ cot), где S0 оых оос, 5/ вЬ1Х вос - постоянная и переменная составляющая плотности потока фотонов на выходе ВОС.
Комплексный коэффициент передачи ВОС определяется как отношениеОпределим коэффициент передачи, например, для схемы ОАГ (рис. 1.1 а), в которой ВОС содержит три световода ВС0 ,ВС ЗС2 . Коэффициент передачи такой ВОС определяется какгде KBcn(jco) ,Keci(jco), Kec2(jco)] - коэффициенты передачи световодов ВС0 ,BCj ,ВСг , соответственно, А , В -коэффициенты возбуждения BCj и ВС2 , соответственно, а Мо -коэффициент оптических потерь на согласование ВСо 5 ВСі , ВСо световодов, соответственно.
Коэффициент передачи по переменной составляющей электрического тока радиочастотного фильтра (РФ) определяется как отношениегде 111Шпф , 1ихрф - амплитуды переменных составляющих электрических токов на выходе и входе РФ соответственно. Кгф ,а)ф, Тф
Дифференциальные уравнения и коэффициент передачи КЛД
Для определения аналитической связи тока смещения КЛД с частотой генерации ОАГ выведем с выражения для коэффициента передачи КЛД на основе его скоростных уравнений. На рис.2.2 показаны схема построения и эквивалентная схема замещения КЛД. При выводе коэффициентов передачи необходимо учитывать, что обычно для создания ограничения оптического поля вдоль активной области недотравленная до волноведущего слоя толщина р-эмиттера составляет 0,1-0,15 мкм; сопротивление оставшегося слоя достигает нескольких сотен Ом. В этом случае можно считать, что емкости С/ и Ср.„ включены последовательно и зарядка-разрядка емкости С= Cf CPJ( Cf + Ср.,) будет осуществляться через последовательно соединенные сопротивления Rd и Zd. Величина Rd определяется сопротивлением р- и п-омических контактов, толщиной р-эмиттера над активной областью и сопротивлением подложки, сопротивление Zd - параллельно соединенными емкостью Са и сопротивлением лазерного диода Zg, величина Са является частью барьерной емкости р-п- перехода накачиваемой области лазера. Сопротивление лазерного диода является комплексным, то есть состоит из активной и реактивной частей.
Для вывода выражений коэффициента передачи лазерного диода и его АЧХ обычно применяются разные модели. В настоящей работе была использована « модель ЗМ , «схема -диаграмма» которой показана на рис.2.1. Система скоростных уравнений для этой модели записывается следующим образом:где S - плотность фотонов в резонаторе; G- коэффициент усиления; Уд-коэффициент ограничения оптического поля; vgr - групповая скорость света; D- коэффициент амбиполярной диффузии; nh п2, щ - плотности носителей; Ri=ni/rnl, R2=n2/Tn2, Яз=пз/гпз - скорости рекомбинации; гл/, тп2, тп3 - времена жизни носителей в активной области, в волноведущем слое над активной областью и в волноведущих слоях, / - ток накачки или ток смещения КЛД, Va-объем активной области , е - заряд электрона , тр/, - время жизни фотона в резонаторе КЛД.
При выводе используется приближение слабых сигналов переменных составляющих тока накачки, плотности носителей, плотности фотонов. Поэтому используем для анализа в приближении слабых сигналов следующую линеаризацию коэффициента усиления: - дифференциальный коэффициент усиления для G=G(1)(nj)/(l+shS) ,где esh - нелинейность коэффициента усиления, определяемая спектральным выгоранием носителей. В расчетах для G(1)(nO используется линейная аппроксимация максимума коэффициента усиления: G(1)(nf)=go(n/-nQ).
Ток Inet в (2.2), определяемый захватом и выбросом носителей из квантовой ямы, дается формулой:где хсо, тео, тс, те - локальные постоянные времени захвата и выброса носителей для постоянного тока и переменного сигнала.
Данные уравнения (2.2) справедливы только для одночастотного режима оптической генерации. Физические процессы , влияющие на частоту генерации ОАГ с КЛД сложнее. Так данные уравнения не отражают такого явления как оптическая частотная модуляция излучения КЛД «чирпинг», то есть уширение одночастотной линии оптической генерации за счет гармонического сигнала переменной составляющей тока накачки. «Чирпинг» обусловлен зависимостью частоты оптической генерации от показателя преломления активной области (АО) КЛД . Показатель преломления АО КЛД в свою очередь связан линейной зависимостью с плотностью инверсной населенности носителей . Плотность инверсной населенности носителей при изменении переменной составляющей тока смещения по гармоническому закону / =1о +1] cos(2 к fM+ у/о) для малых сигналов также изменяется по гармоническому закону с некоторой задержкойгде п/о , пц - постоянная и переменная составляющие плотности носителей соответственно. Поэтому переменная составляющая показателя преломления также будет изменяться с по гармоническому закону с частотой модуляции /м. Следовательно, оптическая частота будет также «промодули-рованной» или иметь частотную модуляцию . В работе [ 113 ] , что связь изменений показателя преломления АО КЛД в области больших концентраций носителей П[ дается выражениемгде Л[ и В/ коэффициенты определяемые для каждой структуры ЛД и при-нимаютдляКЛД приближенные значения А і =10" см ,а 5/= 10" соответственно ( при этом примерно можно считать, что плотность носителей п,= 10,7см"3).
Выражение для приращения оптической частоты генерации за счет изменения показателя преломления материала АО ANa будет определяться как
При модуляции тока лазерного диода по гармоническому закону / =1о +1/ cos(2 к fM+ ц/о) оптическая частота или оптические частоты генерации ЛД, также являются промоделированными по гармоническому закону
Управление частотой в ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ с оптическим направленным ответвителем Х-типа
Для управления частотой генерации ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ, можно использовать схему с направленным ответвителем (НО) X -типа.
Направленный ответвитель Х-типа относится к оптическим системам с распределенной оптической связью. Оптическая связь между световодами в таком НО происходит на определенном граничном участке много большем оптической длины излучения МИС КЛД.
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 . Свойства волоконно-оптического НО Х- типа позволяют осуществлять управление радиочастотой ОАГ посредством изменения оптической частоты МИС КЛД. Для анализа зависимостей радиочастоты от параметров НО Х- типа и ДВОС в данном разделе проанализирована схема ОАГ с НО X -типа и рассмотрены особенности перестройки частоты ОАГ при использовании в ВОС маломодовых световодов.
По своей структуре НО Х-типа относится к элементам сосредоточеннойоптической связи между двумя световодами . Оптическая связь в таком НОосуществляется в сосредоточенной области на границе двухсоприкасающихся оптический каналов (разных световодов). Пригеометрической длине граничной области (НО Х-типа) много меньше протяженности самих световодов , образующих дифференциальную ВОЛЗ, НО Х-типа относятся к оптическим системам со сосредоточенной оптической связью . В этом случае можно пренебречь набегом фазы поднесущей в НО Х-типа.
К оптическим системам с распределенной оптической связью между двумя оптическими каналами (или световодами) следует отнести оптические системы , в которых геометрическая длина граничная области оптической связи соизмерима с геометрическими длинами оптическихканалов (или световодов) , образующих ДВОЛЗ. К оптическим системам сраспределенной оптической связью следует отнести НО Х-типа , если длинаграничной области оптической связи соизмерима с геометрической длинойсветоводов , образующих ДВОЛЗ. К оптическим системам сраспределенной оптической связью , например , также относятся ОВС при распространении в них двух разных по поляризации оптических излучений между которыми происходит оптическая связь .
В данном разделе рассмотрен вид управления частотой ОАГ в стационарном режиме на основе использования оптической связи между световодными каналами BCj и ВСг разной длины , соединенных на входе с помощью направленного волоконно-оптическом ответвителя Х-типа(Рис. 1). На рис 2 показан схематически направленного волоконно-оптическом ответвителя Х-типа.
Данный способ управления частотой /=/(ф от параметра управления в ОАГ отличается от метода управления в ОАГ на базе НО Y -типа . Благодаря связи оптических мощностей Р\ и Р2 в ВС і и ВС2, соответственно, в волоконно-оптическом направленном Х- ответвителе световые потоки с мощностями Р/ и Р2 являются взаимно связанными друг с другом. Благодаря этому зависимость частоты генерации ОАГ / = / (ф из-за механизма взаимной оптической связи Pjt2 cos2 (ф становится периодической от , т.е. / cos2 (ф.Ііщ этом мощность Р на выходе НО в ВСІ изменяется по закону Pi cos (ф, а частота на ОАГ СВОЛЗ изменяется также по закону/— cos (ф. Рассмотренные в предыдщих разделах вида управления являются квази линейными методами перестройки частоты /=/(ф а- + Ь, где а н b постоянные коэффициенты.
Данный метод управления отличается повышенной крутизной изменений частоты преобразования Sf = A// A f, где Д - приращение управляющего параметра. Другой отличительной особенностью метода является то, что управляющим параметром может являться не только механическое смещение , электрический ток или напряжение , но и оптическая частота МИС. Это свойство можно использовать для управления частотой ОАГ , удаленного на большое расстояние от центра управления . Кроме того , такой метод управления обладает достаточной скрытностью( маскирующее управления частотой ОАГ ).
В таком способе управления частотой ОАГ могут быть использованы линейные участки управления , так и нелинейные и , что особенно интересно периодические участки управляющей характеристики. Данный способ перестройки частоты /может быть применен для умножения частоты Ц колебаний сигнала управления f = (t). При этом частота модуляции Q/ сигнала генерации ОАГ СВОЛЗ определяется зависимостью: Qf = N-Q{, где Ц частоты сигнала управления (t).
При включение в схему ОАГ для связи световодов напрвленного ответвителя Х- типа необходимо учитывать этот механизм оптической связи. Использование таких ответвителеи накладывает существенные ограничения на стабильность частоты ОАГ за счет стабильности оптического источника , и его при построении ОАГ при использовании одного из (1) или 2)) методов перестройки частоты. С другой стороны , такие X ответвители можноиспользовать как оптические дискриминаторы для стабилизации оптической частоты МИС в ОАГ и в системах фазовой автоподстройки спектра оптического излучения МИС ОАГ.
Рассмотрим схему управления частотой ОАГ с дифференциальной ВОС с направленным ответвителем Х-типа (Рис.3.7).
В схему входят последовательно замкнутые в кольцо лазерный диод (ЛД), световод ВСО, направленный волоконно-оптический ответвитель НО Х-типа, входящие в него световоды ВС] и ВС2, разной длины L/ и L2, в которых задержки светового сигнала равны соответственно где с— скорость света в свободном пространстве, Lt и Д? - геометрические длины BQ и ВСг соответственно; фотодиод ФД, усилитель У, радиочастотный фильтр РФ с собственной частотой сок и постоянной времени Тк. На рис. 3.8 показана схема передачи оптической мощности в волоконно-оптическом ответвлении "Х-типа".Нахождения частоты / и амплитуды U сигнала генерации ОАГ , построенного по схеме рис. 3.7. аналогично методике изложенной в главе 1. Отличительной особенностью является нахождение коэффициента передачи такой ВОС с НО Х- типа. Будем считать для простоты , что активный элемент безынерционен , ЛД и ФД - являются линейными элементами , а входная проводимость ЛД и выходная проводимость ЛД постоянна во всем диапазоне рассматриваемых частот. Будем считать , что произведение входных и выходных проводимостей ЛД и ФД на их коэффициенты передачи постоянно и вещественно во всем диапазоне рассматриваемых частот и равно
Экспериментальное исследование характеристик ОАГ с дифференциальной ВОЛЗ на базе направленного ответвителя Х-типа
В процессе экспериментальных работ с ОАГ ВОЛЗ на базе дифференциальных ВОС с волоконно-оптическим направленным ответвителем ( НО) X-типа при механических и электронных перестройках частоты были обнаружены периодические изменения зависимостей (осцилляции) частоты генерации ОАГ. При этом НО Х-типа был включен в ВОС в качестве узла оптической связи разных по длине ВС на их входах . Данный осцилляционный характер частотных зависимостей , возникающий , например, при изменении условий возбуждения ВС , входящего в НО X -типа не объяснялся с позиций общей теории коэффициентов передачи ВОЛЗ на базе МВС, так как максимальные отклонения частоты была значительны и составляли 1 - 10 % от средней частоты генерации . Было сделано предположение о влиянии на характер частотных зависимостей распределенной оптической связи в НО , которая может изменяться при вариации параметров системы , например , условий возбуждения ВС , входящего в направленный ответвитель .
Подобное явление осциляций частотной зависимости в ОАГ СВОЛЗ с НО X -типа не было объяснено теоретически и в известной литературе не описывалось.
Построенная на основе данных предположений математическая модель одномодового и многомодового ответвителя и дифференциальной СВОЛЗ на его основе , дали возможность не только объяснить обнаруженные экспериментом явление , но и помогло провести оптимизацию системы ДВОЛЗ и выработать рекомендации использования НО X -типа в ОАГ с ОВС и МВС .
Описание математических моделей , коэффициентов передачи , частотных и амплитудных зависимостей сигнала генерации ОАГ с НО X типа описывается в главе 3 настоящей работы . В настоящем разделе приводится описание оригинальных экспериментальных результатов изучения ОАГ СВОЛЗ с НО X -типа , которые явились стимулом создания общей модели ОАГ с оптически связанными замедляющими структурами.
В данном эксперименте использовался макет ОАГ №2, описание которого приведено выше, средняя частота генерации ОАГ которого составляла примерно 35 МГц. В данном ОАГ дифференциальная ВОС состояла из двух МВС, разной длины, соединенных на входе с помощью НО Хтипа , собранного на базе МВС.
ВОС состояла из смесителя светодиода мод (ССМ), световода ВС0 -длиной 20 м. Световод ВСо был сопряжен на выходе с входом направленного ответвителя (НО) X - типа. Расстояние между выходным торцом ВСо и входным торцом ВСІ, являющимся входом направленного ответвителя НО, составляло Z0, а относительное смещение оптических осей на выходе ВС0 и входе ВСі составляло г.
Длина световода BCj, который являлся первым входом НО X типа составляла Lj. Длина световода ВСг, являющийся вторым выходом НО X типа составляла 2 Световые излучения с выходов ВСі и ВСг с помощью второго направленного ответвителя НО Y - типа поступало на площадку фотодиода приемного устройства (ПРМ).
Все световоды ВСо, ВС і и ВСг, НО «X - типа» и "НО - Y" типа являлись многомодовыми, сделанными на основе многомодового (МВС) ступенчатого типа с числовой апертурой NA =0,01; с диаметром световедущей жилы йж = 60 мкм. Средняя частота генерации /2 такого ОАГ с составной ВОЛЗ (СВОЛЗ) составляла в среднем 35 МГц.
Для такого ОАГ с СВОЛЗ были проведены экспериментальные измерения зависимостей частоты f=f(r, z0) и амплитуды U = U(r, ZQ) сигнала генерации ОАГ СВОЛЗ при радиальных смещениях г выходного торца ВСО относительно входного торца ВСІ. Эти зависимости представлены на рис. 4.22 и 4.23.
Анализ представленных зависимостей показывает, что на фоне монотонных роста и спада частотных зависимостей f(r, z0 = const) от радиального смещения г ВСої относительно ВСо, наблюдаются четко выраженные периодические зависимости/ , z0 = const) cos2(л Q г), период которых составляет Тг -Тr (C-AZ), и является функцией произведения CAZ, где AZ- длина граничной области НО, в которой осуществляется оптическая связь между световодом ВСІ и ВС2, С - эффективный коэффициент оптической связи между световодами ВСІ и ВС2 на граничной области.
Данные экспериментальные зависимости хорошо качественно согласуются с расчетными, полученными на основе математической модели, в главе 3. Из экспериментальных зависимостей можно сделать главный вывод - влияние оптической связи, возникающей в направленном ответвителе НО, как показано в главе 3 делает характеристику/ периодической, со значительными
