СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНЕ СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
METHOD OF GENERATING ELECTROMAGNETIC OSCILLATIONS IN MICROWAVE AND EHF RANGES WITH ULTRA-WIDEBAND FREQUENCY TUNING

Изобретение относится к области твердотельной сверхвысокочастотной микроэлектроники, в частности к методам получения электромагнитных колебаний в СВЧ и КВЧ диапазоне, создания генераторов со сверхширокополосным диапазоном перестройки частоты на основе нелинейного оптоэлектронного преобразования лазерного излучения с перестраиваемой межмодовой частотой при детектировании в ПТШ, а также при динамической перестройке частоты излучения лазерного диода при использовании оптической линии задержки.
Известен способ получения СВЧ колебаний на основе полупроводникового арсенид-галлиевого диода Ганна (Gunn J.B. Solid State Commun., 1963, 1(4), р.88-91). В основе генератора Ганна лежит доменная неустойчивость, которая появляется в арсенид-галлиевом кристалле, если на вольт-амперной характеристике образца имеется участок отрицательным дифференциальным сопротивлением N-типа. Перестройка частоты в генераторе Ганна может осуществляться изменением длины СВЧ резонатора, изменением электрического и магнитного поля. С помощью генератора на основе диода Ганна возможно получение как СВЧ, так и КВЧ электромагнитных колебаний.
Однако диапазон частотной перестройки таких генераторов ограничен диапазоном не более октавы (Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М.: Сов. Радио, 1975; Шур М. Современные приборы на основе арсенида-галлия, М.: Мир, 1991, с.632).
Известен способ получения электромагнитных волн для миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с помощью микрополоскового стабилизированного резонансно-туннельного генератора (см. патент РФ №2337467, МПК Н03В 7/14).
Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн содержит полупроводниковый резонансно-туннельный диод и микрополосковый резонатор, которые выполнены в монолитно-интегрированном виде на общей подложке, которая представляет собой полупроводниковый кристалл, на одной стороне которого сформированы проводящие микрополосковые линии, а на другой - заземленный экран, а сам кристалл выполняет роль диэлектрической пластины микрополоскового резонатора.
Однако данный генератор обладает диапазоном перестройки частоты не более октавы.
Известен способ получения СВЧ колебаний на основе генератора, который содержит активный и управляющие частотой и мощностью элементы, выполненные каждый на полевом транзисторе с барьером Шоттки по схеме с общим истоком (см. патент РФ №2357355, МПК Н03В 19/14). Один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шоттки активного элемента, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шоттки, управляющего частотой элемента. Активный элемент подключен к соответствующим источникам посредством фильтров питания. Проводник колебательной системы, соединенный с затвором полевого транзистора с барьером Шоттки активного элемента, расположен перпендикулярно продольной осесимметричной щели. Исток и сток полевого транзистора с барьером Шоттки, управляющего мощностью элемента, соединены с металлической пленкой посредством сквозных металлизированных отверстий в изолирующей подложке по обеим сторонам продольной осесимметричной щели на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели, так и от упомянутого проводника колебательной системы.
Однако данный СВЧ генератор имеет малый диапазон перестройки частоты.
Наиболее близким способом получения сверхширокополосных электромагнитных колебаний в дециметровой и сантиметровой области спектра является нелинейный гетеродинный способ при детектировании излучения двух одночастотных перестраиваемых по частоте инжекционных лазерных диодов на сверхскоростном фотодиоде (Ривлин Л.А., Семенов А.Т., Якубович С.Д. Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров. М.: Радио и связь, 1983). Диапазон генерируемых частот в p-n переходе фотодиода определяется его постоянной времени, который в настоящее время ограничен частотой 20 ГГц (наиболее быстродействующие pin - фотодиоды).
Однако при практической реализации данного способа возникают технические трудности, связанные с большой частотной нестабильностью, связанной с перестройкой частоты полупроводникового лазера при изменении температуры кристалла, а также при изменении тока инжекции, поэтому сигнал биений на активной нагрузке фотодиода имеет большую шумовую девиацию частоты в СВЧ диапазоне и для получения стабильной частоты биений необходимы сложные системы стабилизации тока инжекции и температуры полупроводниковых лазеров.
Задачей изобретения является расширение диапазона генерируемых частот электромагнитных колебаний в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне при сверхширокополосной перестройке частоты генерации.
Технический результат заключается не только в сверхширокополосной перестройке частоты от сотен МГц до сотен ГГц, но и быстрой перестройки несущей частоты электромагнитных колебаний, что необходимо для скрытности передачи информации.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения электромагнитных колебаний в СВЧ и КВЧ диапазоне со сверхширокополосной перестройкой частоты, включающем гетеродинирование излучения полупроводникового инжекционного лазера с длиной волны, вызывающей фотоэффект в полупроводниковом фотодетекторе, согласно решению в качестве инжекционного лазера выбирают лазерный диод на основе GaAlAs, a в качестве фотодетектора выбирают СВЧ арсенид - галлиевый полевой транзистор с барьером Шоттки, выходное излучение лазерного диода фокусируют в щелевую активную область исток-затвор, в которой осуществляется процесс гетеродинирования, перестраивают частоту электромагнитных колебаний транзистора в СВЧ или КВЧ диапазоне.
Перестройку частоты осуществляют изменением длины внешнего резонатора лазера, при этом частота определяется соотношением:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>L</mi><mi>R</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                (1)</mtext></mrow>
R
i
где: L - длина внешнего резонатора лазера, L - длина активного кристалла лазера, n - показатель преломления активной области лазера, с - скорость света в вакууме.
Перестройку частоты осуществляют изменением амплитуды пилообразной модуляции тока инжекции δI лазерного диода, периода модуляции Т и длительности временной задержки т одного из двух интерферирующих выходных лазерных пучков, при этом частота определяется соотношением:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>δ</mi><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>T</mi><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: δν=γ·δI - девиация частоты излучения инжекционного лазерного диода, вызванная изменением тока инжекции δI, γ - градуировочный коэффициент.
Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 - блок-схема устройства для реализации способа получения сверхширокополосных перестраиваемых электромагнитных колебаний в СВЧ и КВЧ диапазоне при перестройке длины внешнего резонатора инжекционного лазерного диода и детектировании оптического излучения с помощью СВЧ арсенид-галлиевого полевого транзистора; на фиг.2 - блок-схема устройства для реализации способа получения сверхширокополосных быстроперестраиваемых электромагнитных колебаний в СВЧ и КВЧ диапазоне при пилообразной модуляции тока инжекции в одночастотном лазерном диоде и детектировании двух оптических лазерных пучков, один из которых прошел волоконно-оптическую линию задержки, с помощью СВЧ арсенид-галлиевого полевого транзистора; на фиг.3 показан диапазон перестройки частоты генерации СВЧ и КВЧ колебаний при изменении длины внешнего резонатора лазерного диода.
Устройство состоит:
1, 2, 3-стоковый, затворный и истоковый микроэлектроды арсенид-галлиевого СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки (ПТШ);
4 - цилиндрическая микролинза;
5 - арсенид-галлиевый инжекционный лазерный диод, одна из двух излучающих граней кристалла которого просветлена с помощью вакуумного напыления соответствующего диэлектрического покрытия;
6 - стабилизированный низковольтный источник постоянного напряжения для питания лазерного диода;
7 - микрообъектив;
8 - высокоотражающее плоское зеркало, укрепленное на однокоординатном сканере;
9 - устройство управления сканером;
10, 11 - стаблизированные низковольтные источники постоянного напряжения для создания рабочего напряжения на затворном и стоковом электроде ПТШ;
12 - импульсный генератор пилообразного напряжения с регулируемой амплитудой и периодом;
13, 14 - согласующие микролинзы;
1
2
2
1
15, 16 - два одномодовых оптических волокна L и L с разной геометрической длиной ΔL=L-L.
Способ осуществляется следующим образом.
С помощью стабилизированного низковольтного источника постоянного напряжения 6 в полупроводниковом лазерном диоде 5, включенном в прямом направлении, устанавливается значение тока инжекции, соответствующее максимальной выходной лазерной мощности. Активный кристалл в лазерном диоде 5, одна грань которого является отражающей, а вторая, обращенная внутрь к зеркалу 8 внешнего резонатора, имеет просветленную поверхность, при этом торец p-n перехода лазерного диода совпадает с фокальным пятном микрообъектива 7 (в качестве микрообъектива может быть использована сферическая микролинза), что позволяет сформировать оптический пучок. При юстировке внешнего высокоотражающего плоского зеркала 8 добиваются максимальной добротности активного резонатора, образованного внешним зеркалом 8 и отражающим торцом лазерного кристалла, для возникновения и получения максимальной выходной лазерной мощности. При сканировании длины внешнего зеркала резонатора с помощью устройства управления сканером 9 изменяется межмодовая частота излучения в соответствии с соотношением (1). Выходной лазерный пучок с помощью цилиндрической линзы 4, ось которой ориентирована вдоль p-n перехода лазерного диода, фокусируется в активную область затвор 2 - исток 3 арсенид-галлиевого СВЧ полевого транзистора (ПТШ). В результате фотоэффекта при гетеродинировании продольных мод лазерного диода с внешним резонатором происходит динамическая инжекция электронной плотности в обедненную затворную область ПТШ, изменяющаяся во времени обратно пропорционально частоте межмодовых биений продольных мод лазерного диода с внешним резонатором (Акчурин Г.Г., Сучков С.Г. Возбуждение СВЧ сигнала в ПТШ с помощью лазерного излучения. Известия ВУЗ. Электроника, 1996, №1-2, с.99-105). При подаче рабочих напряжений на сток и затвор ПТШ с помощью стабилизированных низковольтных источников постоянного напряжения 10, 11 на согласованной 50 Ом стоковой нагрузке ПТШ возникают электромагнитные колебания, частота которых определяется в соответствии с соотношением (1), и диапазон перестройки частоты показан на фиг.3.
1
2
f
f
f
R
R
По пункту 3 в одночастотном лазерном диоде 5 с помощью стабилизированного низковольтного источника постоянного напряжения 6 устанавливается значение тока инжекции лазерного диода, включенного в прямом направлении, соответствующее средней выходной лазерной мощности. При подаче пилообразного напряжения с периодом Т через разделительную емкость на изолированный электрод лазерного диода получают импульсную пилообразную модуляцию тока инжекции с амплитудой δI (максимальным динамическим отклонением тока инжекции), которая в зависимости от типа лазерного диода вызывает линейно-изменяющуюся девиацию частоты излучения δν=γ·δI - γ-градуировочный коэффициент в ГГц/мА с типичным значением 1-3 ГГц/мА. Лазерное излучение, вышедшее из обоих торцов лазерного кристалла, отражающие поверхности которого выполняют роль резонатора с френелевским коэффициентом отражения (32%), с помощью двух микролинз 13 и 14 вводятся в одномодовые оптические волокна 15 и 16 с длиной L и L с сильно отличающейся разностной длиной ΔL. Выходные концы оптических волокон 15 и 16 соединяются с помощью одномодового Y разветвителя. С выхода Y разветвителя лазерные пучки с помощью цилиндрической линзы 4, ось которой ориентирована вдоль p-n перехода лазерного диода, фокусируется в активную область затвор 2-исток 3 арсенид-галлиевого СВЧ полевого транзистора (ПТШ). В результате фотоэффекта в активной области ПТШ происходит нелинейное преобразование (гетеродинирование), в результате которого в обедненной затворной области ПТШ возникает изменяющаяся во времени концентрация электронов с частотой, определяющейся из соотношения f=(δν·ΔL·n)/T·c, где n - показатель преломления серцевины одномодового световода, что вызывает динамическое изменение проводимости в активной области сток-исток ПТШ, эквивалентное подаче переменного напряжения с частотой f на затвор ПТШ. При подаче рабочих напряжений на сток и затвор ПТШ с помощью стабилизированных низковольтных источников постоянного напряжения 10, 11 на согласованной 50 Ом стоковой нагрузке ПТШ возникают электромагнитные колебания, частота которых определяется в соответствии с соотношением (2), и диапазон перестройки частоты определяется значением девиации частоты лазерного диода δν, периодом модуляции тока инжекции лазерного диода Т и разностью длин оптических волокон ΔL. Диапазон сверхширокополосной перестройки частоты, обусловленный величиной, определяемой из соотношения (2), и обусловлен временной задержкой лазерных полей в одномодовых волокнах τ=ΔL·n/с при линейном изменении частоты генерации лазерного диода, вызванной пилообразным изменением тока инжекции при оптическом гетеродинировании в ПТШ. Для возникновения нелинейного процесса гетеродинирования необходимо, чтобы происходил фотоэффект в объеме ПТШ, т.е. энергия фотона лазерного излучения была больше или равна энергетической ширине запрещенной зоны полупроводникового материала ПТШ. В проводимых нами экспериментах использовались арсенид-галлиевые СВЧ полевые транзисторы с барьером Шоттки с шириной запрещенной зоны 1.45 эВ и инжекционные GaAlAs лазеры с длиной волны λ=820-840 нм с энергией фотона Е(эВ)=1240/λ (нм), равной 1.51-1.46 эВ. Проведенные эксперименты позволили получить генерацию в диапазоне от 150 МГц (L=1 метр) до 37.5 ГГц (L=3 мм) при перестройке длины внешнего резонатора в инжекционном GaAlAs лазерном диоде с просветленной гранью кристалла длиной 250 микрон (коэффициент отражения менее 0.5%) при использовании СВЧ арсенид-галлиевых полевых транзисторы с барьером Шоттки. При этом частота и мощность СВЧ сигнала с согласованного стокового выхода ПТШ анализировалась с помощью спектроанализатора С4-60. В настоящее время существуют СВЧ полевых транзисторы с барьером Шоттки с предельной частотой усиления более 90 ГГц.
Исследование энергетических характеристик предлагаемого генератора показали, то в настоящее время существуют лазерные диоды с мощностью 50 мВт и при типичной эффективности нелинейного преобразования S=0.5 А/Вт на 50 Ом нагрузке выделяется СВЧ мощность в 25 мВт, что соизмеримо с выходной мощностью стандартных СВЧ генераторов, но не обладающих таким сверхширокополосным диапазоном. При использовании п.3 была получена СВЧ перестраиваемая генерация в диапазоне от 12 до 40 ГГц с соизмеримой выходной мощностью при изменении величины девиации частоты, вызванной изменением амплитуды тока инжекции и периода модуляции при фиксированной разнице в длине оптических волокон ΔL=300 метров. Таким образом, диапазон перестройки частоты ограничен полосой усиления ПТШ. При использовании арсенид-галлиевых СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки в качестве широкополосных усилителей возникают электродинамические проблемы согласования входных комплексных сопротивлений (Шур М. Современные приборы на основе арсенида-галлия, М.: Мир, 1991, с.632). Однако если носители заряда рождаются в активной обедненной области затвор-исток при гетеродинировании лазерных полей, эти электродинамические проблемы согласования не возникают, что позволяет получать сверхширокополосный диапазон перестройки частот в СВЧ и КВЧ диапазоне. Если в качестве нелинейного преобразователя вместо СВЧ полевого транзистора использовать ячейку Аустона, представляющую собой микрополосковую линию с зазором на арсениде галлия (Херман И., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986), то предлагаемым способом возможно получение колебаний в терагерцовой области.