ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ СВЧ-ДИАПАЗОНА
OPTOELECTRONIC GENERATOR OF MICROWAVE SIGNALS

Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотной оптоэлектронике, в частности к принципиальным радиоэлектронным устройствам, предназначенным для формирования сигнала СВЧ диапазона в радиосистемах, а также в перспективных комбинированных системах волоконно-эфирной структуры телекоммуникационного и радиолокационного назначений, типичными представителями которых являются развивающиеся распределительные сети типа RoF (Radio-over-Fiber) и активные фазированные антенные решетки с оптическим управлением.
Общеизвестно, что путь к улучшению технико-экономических показателей таких систем состоит в широком применении функциональных элементов и узлов, построенных на базе методов и средств сверхвысокочастотной оптоэлектроники (СОЭ).
Результаты анализа современного состояния исследований и разработок функциональных элементов СОЭ показывают, что одним из наиболее перспективных для ближайшего практического применения считается оптоэлектронный генератор (ОЭГ) СВЧ диапазона.
Особенностью его является использование оптического энергоаккумулирующего элемента, что представляет собой принципиально новый подход к созданию прецизионных малошумящих источников радиосигналов диапазона от сотен МГц до сотен ГГц. Другое важное достоинство ОЭГ состоит в возможности преодоления известного компромисса при проектировании стандартных СВЧ генераторов, заключающегося в выборе между широкой полосой перестройки и низкими частотными шумами. Дополнительными достоинствами ОЭГ считаются: расширение частотного диапазона до 100 и более гигагерц благодаря широкой полосе входящих в состав данного генератора оптических и оптоэлектронных компонентов и уменьшение не только кратковременной (частотные шумы), но и долговременной нестабильности частоты генерации вследствие сравнительно слабой температурной чувствительности кварцевого оптического волокна.
Известен оптоэлектронный генератор сигналов СВЧ диапазона, принятый в качестве прототипа для заявленного объекта, содержащий оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, а оптический узел включает в себя блок формирования лазерного излучения в виде лазерного излучателя, через оптический тракт с элементом задержки в виде петли на отрезке одномодового волокна связанный с фотодетекторным модулем, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла («Progress in the Opto-Electronic Oscillator A Ten Year Anniversary Review», X.S. Yao, L. Maleki, and D. Eliyahu, OEwaves, IEEE MTT-S Inernational Microwave Symposium Disest, 2004, June 6-1, vol.1, p.287-290, Texas, USA) (копия прилагается).
Известная структурная схема реализации этого ОЭГ представлена на фиг.1. Данная структурная схема содержит два принципиальных узла: оптический узел 1 и радиотехнический узел 2. В состав оптического узла входят: полупроводниковый лазерный модуль 3 (ПЛМ), электрооптический модулятор 4 (ЭОМ) на основе интерферометра Маха-Цандера, оптический тракт 5 (ОТ) на основе отрезка одномодового волокна, фотодетекторный модуль 6 (ФДМ). Основными элементами радиотехнического узла 2 являются: предварительный электрический усилитель 7 (ПЭУ), полосно-пропускающий фильтр 8 (ППФ), усилитель мощности 9 (УМ), делитель мощности 10 (ДМ).
Функционирование известного ОЭГ базируется на преобразовании энергии непрерывного оптического излучения, генерируемого ПЛМ, в энергию сигнала радиотехнического диапазона. Для этого управляющий интенсивностью (мощностью) оптического излучения ЭОМ охвачен оптоэлектронной петлей обратной связи, содержащей отрезок оптического волокна определенной длины (входит в состав ОТ), оптико-электрический преобразователь, настроенный на частоту несущей СВЧ сигнала полосовой фильтр и оконечный СВЧ усилитель, выходной сигнал которого с помощью делителя поступает как в выходной порт генератора, так и на управляющий вход ЭОМ. В этой схеме частота несущей СВЧ диапазона F определяется центральной частотой ППФ, а общее время накопления энергии - задержкой в ОТ. Регулировкой длины волокна ОТ и коэффициентов усиления ПЭУ и УМ можно обеспечить в данной схеме баланс амплитуд и фаз, то есть условия возникновения автоколебаний.
Недостатком описанной выше схемы с точки зрения исполнения в виде функционального элемента интегральной СВЧ оптоэлектроники является наличие в оптическом узле двух структурных элементов, которые невозможно реализовать с помощью планарной микроэлектронной схемы, обычно формируемой на подложке из арсенида галлия либо фосфида индия. Речь идет об электрооптическом модуляторе, стандартно реализуемом на основе ниобата лития, и отрезке кварцевого оптического волокна.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по совершенствованию схемы оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона.
При этом технические результаты заключаются:
- в обеспечении возможности монолитного интегрального исполнения ОЭГ;
- в улучшении экономических характеристик схемы ОЭГ;
- в упрощении требований к величине коэффициента усиления радиотехнического узла;
- в расширении функциональных возможностей ОЭГ.
Указанный технический результат достигается тем, что в оптоэлектронном генераторе сигналов СВЧ диапазона, содержащем оптический узел и радиотехнический узел, в состав которого входят последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель, полосно-пропускающий фильтр, усилитель мощности и делитель мощности, а оптический узел включает в себя блок формирования лазерного излучения, через оптический тракт с элементом задержки связанный с фотодетекторным модулем, выход которого связан с входом предварительного электрического усилителя радиотехнического узла, блок формирования лазерного излучения выполнен в виде пары лазерных излучателей, связанных оптической инжекционной синхронизацией, а оптический тракт с элементом задержки выполнен в виде интегральных канальных или фотоннокристаллических волноводов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 представлена известная структурная схема оптоэлектронного генератора - прототип;
фиг.2 - схема оптоэлектронного генератора согласно изобретению.
Суть предложенного изобретения заключается в замене полупроводникового лазерного модуля и пассивного электрооптического модулятора на пару лазерных излучателей, связанных оптической инжекционной синхронизацией, а также в применении для оптической задержки интегральных канальных либо фотоннокристаллических волноводов.
Оптоэлектронный генератор сигналов СВЧ диапазона содержит оптический узел 1 и радиотехнический узел 2.
Основными элементами радиотехнического узла 2 являются:
последовательно связанные между собой предварительный электрический усилитель 7 (ПЭУ), полосно-пропускающий фильтр 8 (ППФ), усилитель мощности 9 (УМ), делитель мощности 10 (ДМ). В этой части конструкция оптоэлектронного генератора сигналов СВЧ диапазона повторяет конструкцию радиотехнического узла 2-прототипа.
3
5
В состав оптического узла входят: последовательно связанные между собой опорный лазерный излучатель 11 (ОЛИ), синхронизируемый лазерный излучатель 12 (СЛИ), схема согласования 13 (СС), оптический тракт 5 (ОТ) на основе канального либо фотоннокристаллического волновода, фотодетекторный модуль 6 (ФДМ), выход которого связан с входом ПЭУ радиотехнического узла 2. Инжекционная оптическая синхронизация между ОЛИ и СЛИ может быть реализована на основе известной схемы с помощью оптического циркулятора (см., например, N.Н.Zhu, et al. IEEE Journal on Quantum Electronics, 2008, v.44, No 6, p.528-534). В схеме согласования СС осуществляется недиссипативное согласование электрических импедансов ДМ (обычно 50 Ом) и СЛИ в рабочей полосе частот ОЭГ, что может дать уменьшение общих потерь электрооптического преобразования на 20 дБ (см., например, Белкин М.Е., Сигов А.С. - Радиотехника и электроника, 2009, т.54, №8, с.901-914). Вопросы реализации фотоннокристаллического ОТ на базе полупроводниковых материалов системы АВ описаны, например, в статье S.Noda, et al. - Optical and Quantum Electronics, 2002, v.34, p.723-736.
Первый технический результат достигается тем, что в оптическом узле схемы фиг.1 вместо полупроводникового лазерного модуля и пассивного электрооптического модулятора вводится пара лазерных излучателей с оптической инжекционной синхронизацией, содержащая опорный лазерный излучатель (ОЛИ) и синхронизируемый лазерный излучатель (СЛИ), формируемые на подложке из арсенида галлия либо фосфида индия. Кроме того, в ОТ вместо элемента задержки на основе отрезка оптического волокна вводится элемент задержки на основе интегрального канального либо фотоннокристаллического волновода, также реализуемого на подложке из арсенида галлия либо фосфида индия.
Второй технический результат достигается за счет исключения из схемы ОЭГ электрооптического модулятора с полосой в СВЧ диапазоне, стоимость которого почти на порядок превышает стоимость лазерного излучателя.
Третий технический результат достигается за счет уменьшения потерь при электрооптическом преобразовании в СЛИ по сравнению с ЭОМ, что приводит к ослаблению требований к коэффициенту усиления в СВЧ усилителях радиотехнического узла. Вышеуказанное уменьшение потерь достигается за счет возможности согласования импедансов СЛИ и СВЧ тракта, что осуществляется при помощи введения пассивной схемы согласования СС.
Четвертый технический результат достигается за счет появления возможности формирования СВЧ сигнала с частотной либо фазовой модуляцией. Данный эффект обеспечивается путем управления частотой ОЛИ (например, путем регулировки тока
смещения) в пределах полосы удержания СЛИ, что вызовет следование его частоты за частотой ОЛИ, поскольку последний находится вне схемы обратной связи.