Радиофотонный оптоволоконный модуль
PHOTONIC FIBER-OPTIC MODULE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиофотонике, и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток (АФАР) для связи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы.
Основной задачей при разработке передающих трактов радиосистем является максимально возможный КПД такой системы, минимальные потери мощности информационного сигнала, как при его формировании, так и при излучении. Существующие перспективные направления по применению радиофотонных устройств для различных радиосистем, используют преобразование электрического сигнала в оптический и из оптического в электрический.
Повышение эффективности радиофотонной системы может быть обеспечено путем возбуждения антенны (антенной системы) биполярным электрическим импульсом, который формируется из оптического импульса, путем его поэтапного деления по мощности, задержки одного оптического импульса относительно другого, преобразования его в электрический и инверсии одного электрического импульса относительно другого и их интерференции на выходе устройства.
Известно устройство (патент RU 2313870, автор Лазарев и др. патентообладатель ОАО «Муромский радиозавод» дата публикации 27.12.2007, http://www.freepatent.ru/patents/2313870), где описан способ формирования электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей частоты, путем накопления потенциала электрического поля накопительным конденсатором одновременно с накоплением потенциала электрического поля на входе приемника от волн тока, соединенным с приемо-излучательным элементом, на котором формируется излучающий импульс за счет одновременного лавинного разряда накопительного конденсатора через лавинный диод и образования волн тока на том же приемо-излучательном элементе. Недостатками такого устройства являются: малая мощность излучения и обязательное наличие приемного канала для формирования импульса. При этом формирование импульса предполагает использование приемо-излучательного элемента только в виде двух близко расположенных проводников, представляющих собой антенну с бегущей волной магнитного тока. Параметры импульса ограничиваются параметрами лавинного диода, а излучаемый импульс униполярный.
Известно устройство (патент RU 2180152, автор Щербак В.И. и др., патентообладатель ЗАО «Софтмедиа» дата публикации 27.02.2007, http://www.freepatent.ru/patents/2180152), в котором для повышения коэффициента полезного действия широкополосной антенной решетки при импульсном возбуждении на каждом входе рупорного излучателя преобразуют постоянное напряжение в импульсное электромагнитное поле и модулируют его по амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента антенной решетки и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение и минимальное рассогласование по волновому сопротивлению. Недостатками такого устройства являются: излучение антенной (антенной решеткой) униполярного импульса, что ведет к потере мощности при излучении; сложность изготовления такого устройства; гальваническая связь между самим передатчиком и антенной.
Наиболее близким техническим решением является устройство (патент RU 2295180 автор Анцев Георгий Владимирович и др., патентообладатель ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», дата публикации 10.03.2007, http://www.freepatent.ru/patents/2295180), в котором для обеспечения возможности возбуждения электромагнитного поля в виде биполярного сверхкороткого импульса из униполярного путем разделения электромагнитного поля по рупорным излучателям, одну часть электромагнитного поля униполярного импульса задерживают по времени на половину длительности информативного сигнала, преобразуя фазу на противоположную и суммируя ее с другой частью электромагнитного поля в общем раскрыве антенн. Недостатками такого устройства являются: необходимость в наличии двух излучателей (в рассматриваемом случае двух рупоров) для формирования одного биполярного импульса, что ведет к увеличению размеров общей антенной системы и определенной потере мощности при формировании биполярного импульса из двух униполярных в раскрыве антенны, а также гальваническая связь между передатчиком и антенной.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является увеличение энергетической эффективности выходного импульса радиофотонного оптоволоконного модуля, излучаемого антенной (антенной системой), что позволяет увеличить дальность действия передающей радиофотонной системы.
1
2
Данная задача решается за счет того, что радиофотонный оптоволоконный модуль включает источник СВЧ импульсов лазерного излучения, две сборки последовательно скоммутированных СВЧ фотодетекторов и три оптических разветвителя, вторичные оптоволокна первого разветвителя оптически стыкованы с последовательно скоммутированными фотодетекторами первой сборки фотодетекторов, вторичные оптоволокна второго разветвителя оптически стыкованы с последовательно скоммутированными фотодетекторами второй сборки фотодетекторов, обе сборки фотодетекторов образуют параллельное встречное соединение, а места соединений сборок фотодетекторов подключены через СВЧ тракт к антенне, первичное волокно третьего оптического разветвителя (1×2) (Выражение в скобках означает, что третий оптический разветвитель имеет на входе одно первичное оптоволокно и два вторичных оптоволокна) оптически стыковано с источником СВЧ импульсов лазерного излучения, а два вторичных оптоволокна оптически стыкованы с первичными оптоволокнами первого и второго разветвителей, причем разница произведений длин  вторичных оптоволокон третьего разветвителя, выраженных в сантиметрах, умноженных на показатели преломления n и n материалов сердечников соответствующих оптоволокон, определяется уравнением  а суммарное количество N фотодетекторов в сборках и соответствующее суммарное количество N вторичных оптоволокон в первом и втором оптических разветвителях равно  причем количество F фотодетекторов в каждой сборке и соответствующее количество F вторичных оптоволокон в первом и втором оптических разветвителях равно F=N/2, где,
Т - заданный временной интервал между положительным и отрицательным максимумами биполярного импульса, выраженный в наносекундах, установленный в диапазоне t/2<Т<2t,
t - длительность лазерного импульса на уровне 1/20 высоты импульса,
R - волновое сопротивление (Ом) СВЧ тракта антенны,
л
Р - пиковая мощность (Вт) импульсов лазерного излучения в первичном оптоволокне третьего разветвителя,
S - фоточувствительность (А/Вт) СВЧ фотодетекторов на длине волны лазерного излучения,
p
U - пиковое рабочее напряжение (В) каждого фотодетектора.
Кроме того, в радиофотонном оптоволоконном модуле оптическая стыковка двух вторичных оптоволокон третьего разветвителя с первичными оптоволокнами первого и второго разветвителей может быть осуществлена через оптические разъемы.
Кроме того, в радиофотонном оптоволоконном модуле оптическая стыковка двух вторичных оптоволокон третьего разветвителя с первичными оптоволокнами первого и второго разветвителей может быть осуществлена путем монолитного соединения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение выходной мощности радиофотонного оптоволоконного модуля, увеличение коэффициента полезного действия антенны, а при работе с антенной решеткой, увеличение коэффициента направленного действия антенной решетки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - схема радиофотонного оптоволоконного модуля (для примера на фиг. 1 изображена схема радиофотонного оптоволоконного модуля на основе фотодетекторных сборок, состоящих из двух СВЧ фотодетекторов каждая: F=2).
На фиг. 2 - схематическое изображение радиофотонного оптоволоконного модуля на основе фотодетекторных сборок, состоящих из двух СВЧ фотодетекторов каждая: F=2.
На фиг. 3 - фотография фотоприемной части радиофотонного оптоволоконного модуля, состоящего из двух фотодетекторных сборок по 16 СВЧ фотодетекторов, напаянных на основание.
На фиг. 4 - формы входного лазерного импульса (а) длительностью t(1/20)=1,1 нс и биполярного выходного импульса (б), получаемого в радиофотонном оптоволоконном модуле, состоящем из двух шестнадцати элементных сборок фотодетекторов: кривая, обозначенная на фиг. 4 позицией 1, построена для разницы длин  вторичных волокон третьего разветвителя  и T=0,9 нс; кривая, обозначенная позицией 2, построена для разницы длин  вторичных волокон третьего разветвителя  и Т=1,3 нс.
Радиофотонный оптоволоконный модуль (фиг. 1 и фиг. 2) включает в себя:
1 - первая сборка фотодетекторов,
2 - вторая сборка фотодетекторов,
3 - первый оптический разветвитель,
4 - второй оптический разветвитель,
5 - третий оптический разветвитель (1×2),
6, 7 - вторичные оптоволокна первого разветвителя,
10, 11 - вторичные оптоволокна второго разветвителя
20, 21 - вторичные оптоволокна третьего разветвителя,
8, 9, 12, 13 - СВЧ фотодетекторы,
18 - первичное оптоволокно третьего разветвителя,
24 - первичное оптоволокно первого разветвителя,
25 - первичное оптоволокно второго разветвителя,
19 - лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов,
22, 23 - оптические разъемы,
14, 15 - точки соединения с СВЧ линией передачи,
16 - линия передачи (СВЧ тракт),
17 - антенна,
26 - теплоотводящее основание для монтажа СВЧ фотодетекторов модуля в целом.
1
2
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены схематические изображения радиофотонного оптоволоконного модуля, включающего две сборки фотодетекторов 1 и 2 последовательно скоммутированных СВЧ фотодетекторов и три оптических разветвителя 3, 4 и 5, вторичные оптоволокна 6 и 7 первого оптического разветвителя 3 оптически стыкованы с последовательно скоммутированными СВЧ фотодетекторами 8 и 9 первой сборки фотодетекторов 1, вторичные оптоволокна 10 и 11 второго оптического разветвителя 4 оптически стыкованы с последовательно скоммутированными СВЧ фотодетекторами 12 и 13 сборки фотодетекторов 2, обе сборки фотодетекторов образуют параллельное встречное соединение, а точки соединения 14 и 15 сборок 1 и 2 фотодетекторов подключены через СВЧ тракт 16 к антенне 17, первичное оптоволокно 18 третьего оптического разветвителя (1×2) 5 оптически стыковано с лазерным источником оптического сигнала СВЧ импульсов 19, а два вторичных оптоволокна 20 и 21 третьего оптического разветвителя 5 оптически стыкованы с первичными оптоволокнами 24 и 25 первого 3 и второго 4 оптических разветвителей, причем разница произведений длин  вторичных оптоволокон 20, 21 третьего разветвителя 5, выраженных в сантиметрах, умноженных на показатели преломления n и n материалов сердечников соответствующих оптоволокон, определяется уравнением  а суммарное количество N фотодетекторов в сборках фотодетекторов 1 и 2 и соответствующее суммарное количество вторичных оптоволокон в первом и втором оптических разветвителях равно  причем количество фотодетекторов в каждой сборке и соответствующее количество F вторичных оптоволокон в первом и втором оптических разветвителях равно F=N/2.
Оптическая стыковка двух вторичных оптоволокон 20 и 21 третьего разветвителя 5 с первичными оптоволокнами 24 и 25 первого 3 и второго 4 разветвителей может быть осуществлена через оптические разъемы 22 и 23.
Оптическая стыковка двух вторичных оптоволокон 20 и 21 третьего разветвителя 5 с первичными оптоволокнами 24 и 25 первого 3 и второго 4 разветвителей может быть осуществлена путем монолитного соединения.
1
1
1
10
Для работы устройства необходимо выполнение условия, определяемого уравнением  Пусть время Т прохождения импульса света по волокнам длиной  с показателем преломления n равно  где с - скорость света (3⋅10 см/с). Временная задержка импульсов в более длинной (длина ) оптоволоконной линии с показателем преломления (n) сердечника волокна равна  Если временную задержку ΔT прихода импульсов выразить в наносекундах и сделать временную задержку равной заданной временной разнице Т максимумов положительной и отрицательной частей биполярного импульса, то данное выражение преобразуется в выражение
p
л
p
Суммарное количество N СВЧ фотодетекторов 8, 9 и 12, 13 в сборках фотодетекторов 1 и 2 и соответствующее суммарное количество вторичных оптоволокон 6, 7 и 10, 11 в первом и втором оптических разветвителях должно быть равно  При увеличении количества N фотодетекторов пропорционально увеличивается суммарное рабочее напряжение U=N⋅U, генерируемое сборками фотодетекторов. При этом рабочий ток равен пиковой мощности (Р) лазерных импульсов, разделенной на количество фотодетекторов и умноженной на спектральную чувствительность фотодетекторов, выраженную в А/Вт. Для согласования выходное сопротивление модуля должно быть равно волновому сопротивлению СВЧ тракта антенны и равно  где I - пиковый рабочий ток каждого фотодетектора. Из этого уравнения следует, что суммарное количество фотодетекторов должно быть равно
Для работы устройства необходимо, чтобы количество F фото детекторов в каждой сборке и соответствующее количество F вторичных оптоволокон в первом и втором оптических разветвителях было равно F=N/2. Это условие обеспечивает равенство амплитуд положительного и отрицательного импульсов биполярного импульса, что, в свою очередь, обеспечивает достижение максимального КПД устройства.
Для работы устройства необходимо выполнение условия t/2<Т<2t. Экспериментально было установлено, что при Т<t/2 снижается амплитуда биполярного импульса, а при Т>2t увеличивается длительность биполярного импульса без увеличения амплитуды импульса, что приводит к уменьшению КПД устройства.
Оптическая стыковка двух вторичных оптоволокон 20 и 21 третьего разветвителя 5 с первичными оптоволокнами 24 и 25 первого 3 и второго 4 разветвителей может быть осуществлена либо через оптические разъемы 22 и 23, либо путем монолитного соединения. Оптическая стыковка через оптические разъемы обеспечивает упрощение сборки устройства, но приводит к дополнительным оптическим потерям в оптических разъемах. Оптическая стыковка через монолитное соединение усложняет сборку, однако не приводит к оптическим потерям и, следовательно, увеличивает мощность модуля без увеличения мощности лазерных импульсов.
Работает устройство следующим образом. На вход оптического разветвителя 5 радиофотонного оптоволоконного модуля подается через оптоволоконную линию 18 оптический импульс. В качестве источника СВЧ импульсов лазерного излучения могут быть использованы полупроводниковые или твердотельные лазеры, состыкованные с оптическим волокном. Третий оптический разветвитель (1×2) 5 делит этот импульс на два равных по мощности импульса. Разветвитель имеет два выхода, на каждом из которых одновременно появляются оптические импульсы. С одного выхода оптического разветвителя (1×2) 5 через оптоволоконную линию 21, 25 оптический импульс поступает на вход оптического разветвителя 4, где приходящий импульс разделяется на импульсы равной мощности и длительности, которые поступают на вторичные оптоволокна 10, 11 разветвителя 4, стыкованные с фотодетекторами 12, 13 (количество вторичных оптоволокон второго разветвителя равно количеству фотодетекторов), соединенными в сборку фотодетекторов 2. Фотодетекторы 12, 13 преобразуют оптический импульс в электрический импульс положительной полярности формируемый на нагрузке 16. С другого вторичного оптоволокна 20 третьего разветвителя 5 второй оптический импульс, проходя через удлиненную оптоволоконную линию 20 поступает на первичное оптоволокно 24 первого оптического разветвителя 3 с заданной задержкой T относительно импульса на входе второго разветвителя 4. В первом разветвителе 3 входящий импульс разделяется на импульсы равной мощности и длительности, которые поступают на вторичные оптоволокна разветвителя 3, стыкованные с СВЧ фотодетекторами 8, 9 (количество вторичных волокон разветвителя равно количеству стыкуемых фотодетекторов), соединенными в сборку фотодекторов 1. СВЧ фотодетекторы 8, 9 преобразуют оптический импульс в электрический импульс отрицательной полярности, так как сборка фотодетекторов 1 включена встречно относительно сборки фотодетектов 2. Поскольку СВЧ тракт 16 является общей нагрузкой для сборки фотодетеков 1 и сборки фотодетекторов 2, то при сложении двух разнополярных импульсов с заданной временной задержкой Т между ними на нагрузке 16 формируется биполярный импульс с амплитудой пропорциональной количеству фотодетекторов в каждой сборке и размахом пропорциональным суммарному количеству фотодетекторов в двух сборках.
Пример 1. Радиофотонный оптоволоконный модуль (фиг. 2), в состав которого входит лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов, оптический разветвитель 5, два оптических разветвителя 3 и 4, две сборки фотодетекторов 1 и 2, состоящие из 2-х СВЧ фотодетекторов каждая 8, 9 и 12, 13 соответственно. На вход оптического разветвителя (1×2) 5 подается импульс длительностью 1 нс. С выходов 20 и 21 оптического разветвителя (1×2) 5 снимается два оптических импульса одинаковых по мощности и длительности, каждому из которых соответствует своя вторичная оптоволоконная линия, причем длина одной линии 20, 22, 24 больше другой линии 21, 23, 25 на величину, пропорциональную заданному времени задержки.
1
2
p
p
л
Для обеспечения задержки оптического импульса в оптоволокне 20 на 1 нс при показателе преломления сердечников оптических волокон n=n=n=1,45, разница в длине между вторичными оптоволоконными линиями 20 и 21 составляет 20,7 см. Вторичные оптоволокна оптически состыкованы с двумя первичными оптоволокнами оптических разветвителей 3 и 4, вторичные волокна которых состыкованы с фотоактивными областями СВЧ фотодетекторов 8, 9, 12, 13, изготовленных на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, генерирующих напряжение U=1 В каждый. СВЧ фотодетекторы зафиксированы на общей подложке 26, которая также является теплоотводом для фотоприемного модуля. Соединяются линейки СВЧ фотодетекторов 8, 9 и 12, 13 встречно-параллельно, т.е. сборки из 2-х последовательно соединенных СВЧ фотодетекторов соединены друг с другом с противоположной полярностью относительно точек соединения 14 и 15. Каждой сборке фотодетекторов 1 и 2, включенной в одной из полярностей, соответствуют свои вторичные оптоволокна 6, 7 и 10, 11 одинаковой длины. Нагрузкой фотодетекторного модуля является линия передачи (СВЧ тракт) 16 с волновым сопротивлением 50 Ом, которая соединена с антенной 17. В результате реализации такой схемы на выходе получается электрический биполярный импульс с размахом U=4B при пиковом рабочем токе I=80 мА, получаемом при мощности лазерного излучения Р=640 мВт и фоточувствительности фотодетекторов S=0,5 А/Вт.
p
л
Пример 2. Радиофотонный оптоволоконный модуль (фиг. 1), в состав которого входит лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов, оптический разветвитель (1×2) 5, два оптических разветвителя 3 и 4 с F=8, каждый из которых выполнен с одним первичным оптоволокном и с восемью вторичными оптоволокнами оптических разветвителей 3 и 4, две фотодетекторные сборки 1 и 2, состоящие из востми фотодетекторов каждая, на вход оптического разветвителя (1×2) 5 подается импульс длительностью 0,75 нс. С выходов разветвителя снимается два оптических импульса одинаковых по мощности и длительности, каждому из которых соответствует своя вторичная оптоволоконная линия 20 и 21, причем длина оптоволоконной линии 20 больше длины оптоволоконной линии 21 на величину, пропорциональную требуемому времени задержки Т=1,5 нс. Для задержки оптического импульса в линии на 1,5 нс при показателе преломления сердечников оптических волокон n=1,45, разница в длине между вторичными оптоволоконными линиями 20 и 21 составляет 31 см. Оба вторичных оптоволокна монолитно состыкованы с двумя оптическими разветвителями 3 и 4, оптические выходы которых через оптоволокно состыкованы с фотоактивной областью AlGaAs/GaAs фото детекторов с выходным напряжением U=1 В каждый. Фотодетекторы смонтированы на общей подложке 26, которая также является теплоотводом модуля. Соединяются фотодетекторы последовательно в каждой сборке. Сборки фотодетекторов соединяются встречно-параллельно относительно точек соединения 14 и 15. Каждой сборке фотодетекторов 1 и 2 соответствуют свои оптоволокна от соответствующего разветвителя. При этом длины всех подводящих от разветвителей к фотодетекторам оптоволокон одинаковы. Нагрузкой фотодетекторного модуля является коаксиальная линия с волновым сопротивлением 50 Ом, которая соединена с антенной. В результате реализации такой схемы на выходе получается электрический биполярный импульс с размахом U=16 В, рабочим током 0,32 А при пиковой мощности импульса лазерного излучения Р=10 Вт и S=0,5 А/Вт.
p
л
Пример 3. Радиофотонный модуль, в состав которого входит лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов, оптический разветвитель (1×2) 5, на вход которого подается импульс длительностью 0,75 нс, с выходов разветвителя снимается два импульса, каждому из которых соответствует своя вторичная оптоволоконная линия 20 и 21, причем длина одной оптоволоконной линии 20 больше длины другой оптоволоконной линии 21 на величину, пропорциональную заданному времени задержки Т. Каждая вторичная оптоволоконная линия 20 и 21 состыкована с первичными оптоволокнами оптических разветвителей 3 и 4, каждый из которых выполнен с одним первичным оптоволокном и с шестнадцатью вторичными оптоволокнами. При времени задержки 1,3 нс и показателе преломления оптоволокна n=1,45 разница в длине между вторичными оптоволоконными линиями составляет 27 см. Вторичные оптоволокна 6, 7 и 10, 11 оптических разветвителей 3 и 4 состыкованы с последовательно соединенными СВЧ фото детекторами (в количестве 16 штук в каждой сборке фото детекторов), каждый из которых генерирует напряжение U=1 В. Рабочее напряжение каждой сборки составляет 16 В. Сборки фотодетекторов включены между собой встречно-параллельно. Сопротивление нагрузки фотодетекторного модуля составляет 100 Ом. На выходе модуля формируется биполярный электрический импульс с рабочим током 0,32 А и с размахом U=32 В при мощности лазерного излучения Р=20,5 Вт и S=0,5 А/Вт.