РАДИОФОТОННЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ НА ОСНОВЕ ММШГ-МОДУЛЯТОРА С ПОДАВЛЕНИЕМ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ ЛАЗЕРА
RADIOPHOTONIC BROADBAND RECEPTION TRACT ON THE BASIS OF WHISPERING MODE MODULATOR WITH LASER NOISE SUPPRESSION

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи, в частности к радиофотонным приемным трактам для систем связи и радаров, а более конкретно к широкополосным приемным трактам радиофотонных приемно-передающих модулей АФАР (ППМ РОФАР) для малошумящего приема слабых широкополосных сигналов от широкополосных антенн или антенных решеток.
-12
-13
Для широкого спектра применений в современных системах связи, радиолокации, навигации, радиоастрономии и т.д. необходимо принимать слабые широкополосные сигналы мощностью 10…10 Вт непосредственно от широкополосных антенн с последующей трансляцией их по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) на высокочувствительные фотоприемные устройства [1-5].
Однако, абсолютное большинство таких приемных трактов выполнено по схеме с малошумящим электронным усилителем (МШУ) на антенном выходе, что сильно снижает динамический диапазон, увеличивает энергопотребление, делает антенны энергозависимыми и сводит на нет потенциально абсолютную устойчивость радиофотонных приемных трактов к ЭМИ, СКИ и другим видам преднамеренных и непреднамеренных мощных широкополосных и сверхширокополосных помех [6-8].
Применение МШУ на антенном входе является вынужденной мерой, в том числе, из-за большого коэффициента шума (Кш) и малого коэффициента передачи (Кп) таких ВОЛС, достигающего значений порядка 30 дБ и - 25 дБ соответственно [2, 9].
Такие значения являются следствием большого эквивалентного полуволнового напряжения оптических модуляторов Vπ, которое, как правило, составляет несколько вольт на высоких частотах, а также значительных внутренних потерь в применяемых оптических модуляторах (интегрально-оптических модуляторах с интерферометрами Маха-Цендера, электроабсорбционных оптических модуляторов (EAM) использующих эффект Франца-Келдыша, эффект Штарка, а также при прямой токовой модуляции гетеролазеров и.т.д). [2, 10-12].
Поэтому, несмотря на применение различных схем шумоподавления для ВОЛС с модуляторами Маха-Цендера (MZ-модуляторы), которые в двухтактных схемах включения модуляторов дают снижение Кш на 10-20 дБ, его уровень остается на порядок большим, чем у электронных МШУ, имеющих Кш менее нескольких дБ.
Из ряда оптических модуляторов выделяются в лучшую сторону оптические модуляторы, на основе микрорезонаторов на модах шепчущей галереи (ММШГ-резонаторов) или, иначе, ММШГ-модуляторы, имеющие потенциально меньшее эквивалентное полуволновое напряжение (Vπ менее 1 В) [2,13], что в сочетании с эффективными системами ввода-вывода оптической энергии и сверхмалыми габаритами делают их одними из наиболее перспективными для реализации входных каскадов ВОЛС без МШУ.
-12
Например, был реализован приемный антенный тракт без МШУ с чувствительностью несколько пиковатт (3*10 Вт) [5], который был выполнен по схеме, близкой к предложенной в патенте US 6473218 «Light modulation in whispering-gallery-mode resonators», опубликованный 29 окт. 2002 года [14].
Еще один шаг к повышению чувствительности может быть сделан благодаря работе приемного тракта с ММШГ - модулятором с одной боковой полосой (SSB), причем несущую частоту с другой боковой полосой можно вырезать оптическим полосовым фильтром, реализованным еще на одном ММШГ-резонаторе [15].
Однако дальнейшему повышению чувствительности таких модуляторов препятствует, прежде всего, собственный шум лазеров питания (накачки) ММШГ-модуляторов, которые имеют относительный шум (RIN) в диапазоне -140… - 150 дБ/Гц [2,16], что значительно превышающий квантовый предел (-174 дБ/Гц). Применение здесь комбинированных малошумящих источников, реализованных по схеме - малошумящий маломощный лазер - оптический усилитель (МОРА) [17], здесь невозможно из-за того, что в отличие от MZ-модуляторов, ММШГ-модуляторы имеют ярко выраженную резонансную природу АЧХ благодаря сверхвысокой добротности ММШГ-резонатора, что обуславливает очень высокие требования к минимальной ширине спектра и частотной стабильности лазера.
1. Известна схема оптической модуляции на основе резонатора на модах шепчущей галереи [18] (фиг. 3 источника), состоящая из лазера питания модулятора, устройства оптической связи с ММШГ-резонатором, ММШГ-резонатора, источника СВЧ сигнала (антенны), устройства связи СВЧ сигнала с ММШГ-резонатором, оптического фильтра, фотодетектора.
Однако, собственный относительный шум лазера (RIN) питания модулятора серьезно ограничивает чувствительность таких радиофотонных приемных трактов и повышает коэффициент шума [2, 19]:
i
o
o
pd
где: Vπ - эквивалентное полуволновое напряжение, R - сопротивление источника сигнала, R - выходное сопротивление, P - оптическая мощность лазера, S - токовая чувствительность фотодиода, α - оптические потери, K -коэффициент передачи фотодиода по РЧ, е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, RIN- относительный шум лазера.
Поэтому схемы по этому изобретению имеют ряд ограничений и недостатков, делающих принципиально невозможным его применение в качестве сверхвысокочувствительного входного каскада приемного тракта, без электронного МШУ.
Даже относительно низкий уровень Vπ порядка 1 В, при RIN лазеров в диапазоне - 140-150 дБ/Гц не гарантирует достижения конкурентоспособного с электронными МШУ значений Кш порядка нескольких дБ и менее, что наглядно иллюстрируется на фиг. 1.
Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение - качественное повышение чувствительности радиофотонного приемного тракта (ММШГ-приемника) с ММШГ-модуляторами без МШУ на его входе.
Для этого предлагается радиофотонный широкополосный приемный тракт на основе ММШГ-модулятора с подавлением собственных шумов лазера, обеспечивающий качественное повышение чувствительности без применения МШУ на его входе, состоящий из лазера питания модулятора, оптического разветвителя, двух высокодобротных оптических фильтров, устройств оптической связи с ММШГ-резонатором, ММШГ-резонатора, источника СВЧ сигнала (антенны), устройства связи СВЧ сигнала с ММШГ-резонатором, двух оптических фильтров, балансного фотодетектора.
Сущность изобретения заключается в реализации дифференциального (пушпульного) режима работы ММШГ-модулятора, в резонаторе которого распространяются навстречу друг другу две оптические моды, разнесенные по оптической частоте на расстояние, равное разности частот между двумя рабочими точками, находящимися на левом (низкочастотном) и правом (высокочастотном) склонах оптической АЧХ ММШГ-резонатора модулятора, благодаря этому обеспечивается двухполярный (комплиментарный) выходной оптический сигнал по двум оптическим волокнам (ОВ) и, подавление собственных шумов лазера питания модулятора на 10-20 дБ, за счет включения на выходе балансного фотодетектора, подавляющего синфазные шумы.
Принцип работы радиофотонного широкополосного приемного тракта на основе ММШГ-модулятора с подавлением собственных шумов проиллюстрирован на его упрощенной схеме (фиг. 2).
8
9
1
2
Из малошумящего одномодового диодного лазера (ЛД) 1 с относительно широкой полосой оптического спектра (десятые доли - единицы нм), оптическая мощность подается на оптический разветвитель (ОР) 2, в котором разветвляется на две: первую и вторую симметричные ветви, причем в каждой из ветвей из оптического спектра с помощью узкополосных фильтров, в качестве которых могут применяться ММШГ-резонаторы со сверхвысокой добротностью, порядка 10-10 и более, формируются две узкие полосы с центральными частотами ν и ν.
1
2
1
2
0
Далее оптические сигналы с подаются на два симметричных оптических входа ММШГ-модулятора, причем a - комплексная амплитуда волны в первом волноводе на входе ММШГ-модулятора, а - комплексная амплитуда волны во втором волноводе на входе ММШГ-модулятора и частоты ν и ν симметричны относительно его центральной резонансной частоты v и находятся на левом (относительно низкочастотном) и правом (относительно высокочастотном) склонах оптической АЧХ ММШГ-модулятора (фиг. 3).
1
2
3
Оптические моды с частотами ν и ν в линейном режиме распространяются независимо друг от друга в резонаторе ММШГ- модулятора, изготовленного из материала с высоким электрооптическим коэффициентом (например, LiNbO) и под воздействием электрического радиочастотного сигнала с антенны одновременно модулируются в противофазе.
1
2
Промодулированные оптические сигналы с комплексными амплитудами волн в первом и втором волноводах b и b после ММШГ-модулятора выходят в первый и второй выходы соответственно и их несущие и одними из боковых полос фильтруются оптическими фильтрами. Далее они поступают на входы балансного фотодетектора, который детектирует противофазные сигналы, одновременно подавляя синфазные помехи, в том числе и коррелированный RIN лазера питания модулятора.
При соблюдении высокой степени симметричности оптических трактов, типичная степень подавления шумов лазера с помощью балансного фото детектора составляет порядка 10- 20 дБ [2].
Таким образом, повышается чувствительность радиофотонного широкополосного приемного тракта и снижается его коэффициент шума до значений, соизмеримых с электронными МШУ.
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
1. в повышении эффективности модуляции за счет реализации 2-х тактной (2-х полярной) модуляции;
2. в повышении чувствительности радиофотонного широкополосного приемного тракта за счет подавления шумов лазера с помощью балансного фотодетектора;
3. в уменьшении нелинейных искажений за счет ослабления нечетных гармоник сигнала при детектировании двухтактного сигнала;
4. в повышении динамического диапазона за счет повышения линейности модуляции;
5. в снижении коэффициента шума до значений, соизмеримых с электронными МШУ.
1
2
1
2
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 2) достигается тем, что по сравнению с известным радиофотонным приемным трактом РЧ и СВЧ сигналов [17], (рисунок 3 источника), являющейся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие лазера, оптической линии передачи, устройства оптической связи с ММШГ-модулятором, источника модулирующего радиосигнала (антенны), ММШГ-модулятора, оптического фильтра, фотодетектора, отличающаяся тем, что введен симметричный оптический разветвитель (1:2) 2, симметричная оптическая линия передачи 4, узкополосные оптические фильтры 5 и 6, симметричное устройство оптической связи с ММШГ-модулятором 9, оптический фильтр 12, балансный фотодетектор (на фиг. 2 ФД1 и ФД2) позиция 13, причем относительно широкополосное оптическое излучение накачки из лазера подается на оптический вход симметричного оптического разветвителя (1:2) 2, оптические выходы которого соединены с двумя оптическими линиями передачи 3, 4, которые соединены с первым и вторым узкополосными оптическими фильтрами 5, 6, которые вырезают узкие полосы с центральными оптическими частотами ν и ν, соответствующими центрам низкочастотного и высокочастотного скатов АЧХ оптического резонатора ММШГ-модулятора (фиг. 3), далее оптическое излучение с частотами ν и ν, поступает на первый 8 и второй 9 симметричные устройства оптической связи и вводится в резонатор ММШГ-модулятора 10 и распространяются в линейном режиме независимо навстречу друг другу, одновременно на его электрический вход поступает радиочастотный сигнал из источника РЧ (на фиг. 2 обозначен, как «Антенна») позиция 7, который модулирует обе эти оптические моды, так как модуляция осуществляется за счет смещений противоположных скатов АЧХ ММШГ-резонатора, (левого и правого) под воздействием РЧ сигнала, то промодулированное оптическое излучение находится в противофазе и выходит через симметричные устройства оптической связи 8 и 9 на первый 11 и второй 12 оптические фильтры, которые вырезают по оптической несущей и одной боковой частоте в каждом сигнальном канале для SSB режима. Далее SSB сигналы поступают на входы балансного фотодетектора 13, электрический выход которого 14 является выходом радиофотонного приемного тракта. Несущая и боковая частоты модуляции восстанавливаются стандартным способом [17].
Благодаря применению в схеме радиофотонного приемного тракта двухтактной модуляции и балансного фотодетектора, который детектирует противофазные сигналы, одновременно подавляя синфазные помехи, в том числе и коррелированный собственный шум лазера питания модулятора, увеличивается чувствительность и одновременно уменьшается зависимость от RTN лазера накачки. За счет ослабления нечетных гармоник сигнала при детектировании двухтактного сигнала уменьшаются нелинейные искажения и повышается динамический диапазон.
При соблюдении высокой степени симметричности оптических трактов, типичная степень подавления шумов лазера с помощью балансного фотодетектора составляет не менее 10 - 20 дБ [2].
Дополнительным преимуществом предлагаемой способа модуляции является возможность применения сверхмалошумящих источников оптического излучения типа МОРА (RIN=-170 дБ/Гц) с относительно широкой оптической полосой, благодаря этому возможно достижение еще меньшего коэффициента шума (см. фиг. 1).
Источники информации
1. Бахрах Л.Д., Зайцев Д.Ф. Фазированные антенные решетки на основе распределенных оптических антенных модулей // Доклады АН. - 2004. - Т. 394, №4. - с. 465-468.
2. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 с, с илл. ISBN 978-5-91142-045-1.
3. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль АФАР: Патент России RU 2298810 / Д.Ф. Зайцев. - №2005130539; Заявл. 4.10.2005.
th
4. Hossein-Zadeh М. Electro-optic microdisk RF receiver // 4  photonic seminar University of Southern California - 2004. - Aug, p. 1-37.
5. Hossein-Zadeh M., Levi A.F.J. Ring resonator-based photonic microwave receiver modulator with picowatt sensitivity // IET Optoelectronics. - 2011. - V. 5, Iss. 1, pp. 36-39.
6. Lee J.J., Loo R.Y., Livingston S. et all. Photonic Wideband Array Anten -nas // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 1995. - V. 43, №9, p. 966-982.
7. Zhang M., Ji Y., Zhang Y., Wu Y., Xu H., Xu W. Remote Radar Based on Chaos Generation and Radio Over Fiber // IEEE Photonics Journ. - 2014.- V. 6, No. 5, p. 43-55.
8. Шумов A.B., Нефедов СИ., Бикметов А.Р. Концепция построения радиолокационной станции на основе элементов радиофотоники // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: 2016. - №05. - с. 41-65.
9. Olson Т. An RF and Microwave Fiber - Optic Design Guide // Microwave Journal. - 1996. - V. 39, №8 - p. 54-76.
10. Зайцев Д.Ф. Внешние интегрально-оптические модуляторы // Антенны. - 2008. - Вып. 4, - с. 66-79.
11. MXAN-LN-10 series 1550 nm band Analog intensity Modulator. Datasheets. // Photline technologies - 2015. - vvww.photline.com
12. 1550 nm Electro Absorption Modulator OKI OL 5157M. Datasheets. // www://okisemi.com. 2006.
13. Abies J. H. et al. Resonant enhanced modulator development // R-FLICS Program Review Presentation., Sarnoff Co. - 2001. - Aug., p. 1-31.
14. Light modulation in whispering-gallery-mode resonators: US 6473218/ L. Maleki, A.F.J. Levi, S. Yao, V. Ilchenko, Int. Cl. G02F 1/01; G02F 1/03; G02F 1/035; US C1, 359/245; 29.10.2002.
15. Cohen D. A., Levi A. F.J. Microphotonic components for mm-wave receiver // Solid-State Electronics - 2001. - V. 45, No. 3, p. 495-505.
16. LambdaFLEX™ iTLA TL5000DCJ Integrable Tunable Laser Assembly. Datasheets // www.oclaro.com. 2011.
17. Ackerman E.I., Burns W.K., Betts G.E., Chen J.X., Prince J.L., Regan M.D., Roussell H. V., and Cox С.H. RF - Over-Fiber Links With Very Low Noise Figure // Journ. of Lightwave Technol. - 2008. - V. 26, No. 15, p. 2441-2448.
18. Photonic microwave and RF receivers based on electro-optic whispering-gallery-mode resonators: US 8331008 B1 / A.B. Matsko, A. Savchenkov, D. Seidel, L. Maleki, V. Ilchenko, Int. Cl. G02F 1/01; G02F 1/03; G02B 6/42; H01S 3/10. US C1, 359/245; 359/247; 359/239. 11.12. 2012.
19. V.J. Urick, K.J. Williams, J.D. McKinney. Fundamentals of Microwave Photonics - John Wiley & Sons, 2015, 488 pages., SBN: 978-1-118-29320-1.