ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЧ МОДУЛЬ
FIBER-OPTIC PHOTOELECTRONIC ULTRAHIGH FREQUENCY MODULE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиофотонике, и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и антенных решеток для связи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы.
При конструировании современных бортовых радиолокационных станций, систем радиоэлектронной борьбы и других устройств, предъявляют высокие требования по мощности, широкополосности, помехоустойчивости, энергопотреблению, по габаритам и весу. Составляющей частью такого оборудования являются антенные устройства и их системы возбуждения.
Одним из наиболее перспективных путей развития этого направления является создание и применение элементов радиофотоники. Для реализации перечисленных выше задач необходимо создание мощных, сверхширокополосных фотоэлектрических преобразователей, работающих в импульсном режиме, мощность которых при оптимальном согласовании с нагрузкой будет достаточной для возбуждения передающей антенны и излучения СВЧ сигнала в открытое пространство.
Принцип работы предлагаемого устройства основан на фотоэлектрическом преобразовании мощных импульсных оптических сигналов, передаваемых по оптоволокну, в электрические импульсы с помощью быстродействующего мощного фотоэлектрического СВЧ модуля.
Известен оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль, предназначенный для калибровки и контроля фазы каждого излучающего элемента в активной фазированной антенной решетке (см. https://www.researchgate.net/publication/235084654_RF_Photonic_In-Situ_Real-Time_Phased_Array_Antenna_Calibration_System. W.M. Dorsey, M.G. Parent, S.A. Long, Ch.S. McDermitt, F. Bucholtz). В данном модуле используется фотонное устройство возбуждения, в состав которого входит маломощный фотодетектор, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный калиброванный (эталонный) электрический сигнал, способный возбудить небольшую дипольную антенну, находящуюся перед каждым излучающим элементом фазированной антенной решетки и работающую в ближней зоне.
Недостатками известного устройства служит малая (1 мВт) выходная мощность модуля, которой возбуждается небольшая дипольная антенна, передающая высокочастотный калиброванный сигнал на излучающий элемент антенной решетки, а сама дипольная антенна находится в ближней зоне каждого из элементов фазированной антенной решетки, то есть предлагаемое устройство не рассчитано для работы в дальней зоне для излучения высокочастотного сигнала в открытое пространство на большие расстояния и служит как источник высокочастотного гармонического калиброванного колебания с малой мощностью и узкой полосой пропускания.
Известен оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль (см. http://masters.donntu.org/2012/fit/samoylenko/diss/index.htm, Самойленко Д.А. «Исследование характеристик интегрированных микрополосковых активных антенн в защищенных системах связи»), В данном устройстве реализована рассматривается концепция фотонной антенны, отличающейся от традиционной микроволновой антенны тем, что коаксиальный кабель заменен оптическим волокном, устройством возбуждения антенны является фотодетектор, а источником оптического сигнала - лазер. В фотодетекторе происходит преобразование амплитудно-модулированного оптического сигнала в электрический, который и возбуждает микроволновую антенну. Недостатком известного устройства, как утверждает автор, является большие потери при преобразовании, которые могут превышать 10 дБ и низкая выходная мощность СВЧ сигнала, ограниченная максимальным фототоком фотодетектора, который не превышает нескольких десятков миллиампер.
Известен оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль (см. http://www.nict.go.ip/publication/shuppan/kihou-journal-vol51no.1.2/5-3.pdf, Li Keren и др. «Photonic Antennas and its Application to Radio-over-Fiber Wireless Communication Systems», Journal of the National Institute of Information and Communications Technology, Vol. 51, 2004), в котором представлен вариант прямой интеграции фотодетектора с планарной антенной через копланарный волновод. Недостатком известного устройства является низкая выходная мощность устройства (10 мВт).
Известно устройство (см. патент US 20040145026 «Photonic transmitters Chi-Kuang Sun и др., дата публикации 29 июля 2004 г, https://www.google.ch/patents/US20040145026). в котором «печатная» щелевая антенна соединена через секцию сопротивлений согласования, через копланарный волновод и интегрирована с фотодетектором. Недостатками известного устройства является низкая мощность, составляющая единицы милливатт.
Наиболее близким техническим решением-прототипом является оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль (см. патент US 2006140644, «High performance, high efficiency fiber optic link for analog and RF systems», A.Paolella, дата публикации 29 июня 2006 г., http://www.google.ch/patents/US20060140644). состоящий из фотодетектора, оптоволокна и антенны, в котором описан вариант преобразования промодулированного оптического сигнала в высокочастотный электрический сигнал с помощью одного фотодетектора и передача сигнала в антенну за счет прямого преобразования: модулированный оптический сигнал -оптоволокно - детектирование - антенна.
Недостатком известного устройства является небольшая мощность (1 мВт) устройства возбуждения, которая ограничивается мощностью одного фотодетектора, невозможностью оптимального согласования фотодетектора с антенной, что ведет к потере мощности генерируемого антенной сигнала и искажению самого сигнала.
Задача настоящего изобретения - повышение мощности и быстродействия оптоволоконного фотоэлектрического преобразователя мощных СВЧ импульсов лазерного излучения.
H
Поставленная задача достигается тем, что оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль включает симметричный оптоволоконный разветвитель, в первичное оптоволокно которого вводятся мощные импульсы оптического излучения длительностью менее 2 не в спектральном диапазоне 810-860 нм, длина вторичных оптоволокон разветвителя установлена отличающейся не более, чем на 3 мм, для обеспечения синхронности работы фотодететоров с фазовым сдвигом не более 10 пс.Каждое из вторичных оптоволокон оптически стыковано с AlGaAs-GaAs фотодетектором, фотодетекторы работают в вентильном режиме без приложения внешнего напряжения, фотодетекторы напаяны на электроизолирующем теплопроводящем основании так, что расстояние между соседними фото детекторами установлено в диапазоне не более 150 мкм, контакты к и- и р-областям электронного (п) и дырочного (р) типов проводимости каждого фотодетектора, соединены электрически последовательно в сборку, а контакты к крайним фотодетекторам сборки электрически подсоединены с помощью согласующих СВЧ устройств, например, в микрополосковом исполнении, к высокочастотной нагрузке с волновым сопротивлением R, причем параметры и количество фотодетекторов N в модуле установлено в соответствии с условием
н
фд
R=kNR,
н
где R - эффективное волновое сопротивление нагрузки модуля,
фд
R - оптимальные нагрузочные сопротивления фотодетекторов в составе модуля,
k - эмпирический коэффициент, увеличивающийся с увеличением длительности оптических импульсов от величины менее 0,8 при длительности импульсов  меньше 0,5 не до  при  более 2 нс.
2
В оптоволоконном фотоэлектрическом СВЧ модуле контакты к n- и p-областям каждого фотодетектора могут быть выполнены на его фронтальной поверхности, фотодетекторы могут быть соединены между собой с помощью золотых шин, сечение которых составляет не менее 0,01 мм, а электрическое подсоединение к нагрузке может быть осуществлено с помощью согласующих полосковых линий.
В оптоволоконном фотоэлектрическом СВЧ модуле контакты к n- и p-областям каждого фотодетектора могут быть выполнены на разных, фронтальной и тыльной, поверхностях фотодетектора, фотодетекторы могут быть соединены между собой «внахлест», образуя ступенчатую конструкцию типа «лесенка», а электрическое подсоединение к нагрузке может быть осуществлено полосковыми согласующими линиями (полосковыми согласующими устройствами).
В оптоволоконном фотоэлектрическом СВЧ модуле контакты к крайним фотодетекторам могут быть подключены к антенному фидеру с использованием согласующих копланарных волноводов.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена конструкция настоящего оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля (вид «сбоку») на основе 3-х фотодетекторов, расположенных в линейку друг с другом;
на фиг. 2 представлен вид «снизу» той же конструкции, что и на фиг. 1, по разрезу А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 представлена конструкция настоящего оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля с последовательным соединением 8-ми фотодетекторов «внахлест» в виде «лесенки»;
на фиг. 4 представлены формы импульсов генерируемого напряжения и мощности до 4 Вт настоящего оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля при частоте следования оптических импульсов (до 60 МГц) и длительностью 1,8 не. Длительность электрических импульсов на полувысоте амплитуды составляет 2 не.
Для увеличения мощности и быстродействия оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля и возможности оптимального согласования выходного сопротивления фотоэлектрического модуля и волнового сопротивления высокочастотной нагрузки предлагается оптоэлектронный фотоэлектрический СВЧ модуль, конструкции которого представлены на фиг. 1 (вид сбоку), фиг. 2 (вид снизу - по разрезу А-А на фиг. 1) и фиг. 3.
Оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль включает в себя (фиг. 1 и фиг. 2):
1 - первичное оптоволокно,
2 - симметричный оптоволоконный разветвитель на N вторичных оптоволокон,
3 - вторичные оптоволокна,
4 - СВЧ фотодетекторы,
5 - электроизолирующее, теплопроводящее основание,
6 - минусовой контакт фотодетектора,
7 - плюсовой контакт фотодетектора,
8 - шины соединения фотодетекторов,
9 - контакты для электрического подключения модуля к нагрузке, например, к антенному фидеру,
10 - электрическое соединение контактов 9, например, антенный фидер,
11 - контакты антенны для подключения модуля, например, через антенный фидер,
12 - нагрузка, например, антенный излучатель.
На фиг. 3 показан вариант модуля на основе сборки из 8-ми фотодетекторов «внахлест», образующих ступенчатую конструкцию типа «лесенка». Здесь 1 - вторичные оптоволокна, 2 - держатель оптоволокон, 3 - электрический СВЧ разъем СР-50-727, 4 - теплопроводящее электроизолирующее основание, 5 - фотодетекторы, 6 - металлизация, 7 - теплосбрасывающий медный корпус.
1
Мощные оптические импульсы (порядка 10 Вт и более), сформированные лазерным источником излучения, и длительностью порядка одной наносекунды (и менее) и частотой следования более 100 МГц поступают по многомодовому оптоволокну 1 на оптический разветвитель 2, равномерно разделяющем мощность входного оптического сигнала между вторичными оптоволокнами 3 с диаметром d. Каждое из вторичных оптоволокон в количестве N состыковано оптически с фотодетекторами 4.
Длина вторичных оптоволокон не должна отличаться друг от друга более, чем на 3 мм. При этом условии фазовый сдвиг между оптическими импульсами составляет не более 15 пс при распространении импульса по вторичным оптоволокнам 3, которые состыкованы с фотодетекторами 4. Это позволяет эффективно преобразовывать без искажения как «длинные» оптические импульсы длительностью более 1 не, так и оптические импульсы длительностью менее 0,5 не.
0.12
0.88
Фотодетекторы изготовлены на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры с максимальной фоточувствительностью в спектральном диапазоне 810-860 нм. Спад фотоответа в длинноволновой области связан со «сквозным» прохождением фотонов с длиной волны более 860 нм через фотоактивную область фотодетектора с учетом того, что толщина области поглощения фотонов и генерации носителей тока в разработанных фотодетекторах составляет менее 1,5 мкм для уменьшения времени разделения генерированных носителей тока и улучшения быстродействия фотодетекторов. Снижение фоточувствительности в коротковолновой области спектра при длине волны менее 810 нм связано с увеличением стоксовких потерь на «охлаждение» горячих носителей тока, генерированных фотонами с энергией, заметно большей ширины запрещенной зоны полупроводника (арсенида галлия). Дополнительные потери в коротковолновой области имеют место за счет поглощения излучения в слое сильнолегированного широкозонного «окна», выполненного из твердого раствора AlGaAs, имеющего коротковолновую границу поглощения при λ=810 нм. Данный состав этого слоя является оптимальным с точки зрения минимизации омических потерь и максимизации фоточувствительности в спектральном диапазоне 810-860 нм излучения разработанных мощных полупроводниковых лазеров.
2
2
1
1
2
Фоточувствительная поверхность, имеет форму круга диаметром d (фиг. 1 и фиг. 2). Для передачи максимальной мощности оптического сигнала форма рабочей поверхности фотодетектора задается формой поперечного сечения сердечника оптоволокна 3, т.е. имеет форму круга, причем диаметр фоточувствительной поверхности фотодетектора d больше диаметра оптоволокна d, что обеспечивает возможность полного «захвата» фотодетектором оптического излучения из оптоволокна. В разработанных устройствах диаметр оптоволокон составляет d=200 мкм, а диаметр фотодетекторов d=250 мкм.
Фотодетекторы 4 в модуле (фиг. 1) напаяны на одном теплопроводящем электроизолирующем основании 5 и располагаются на нем в одну линию друг рядом с другом на расстояние не более 150 мкм между ними. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 это расстояние обозначено как h. Данный диапазон расстояния h между фотодетекторами определяется либо диапазоном минимальных толщин дисков, используемых в станках для механического прецизионного разделения гетероструктур AlGaAs/GaAs на чипы фотодетекторов при расположении фотодетекторов в сборке в одной плоскости (фиг. 1 и фиг. 2), либо минимальной толщиной гетероструктур фотодетекторов при расположении фотодетекторов «внахлест» в виде «лесенки» (фиг. 3).
Для обеспечения эффективного теплоотвода и минимального разогрева фотодетекторов в модуле, работающем при импульсной мощности лазерного излучения до 20 Вт и частоте следования импульсов более 100 МГц, в качестве основы фотодетекторов выбирается теплопроводящее электроизолирующее основание 5, выполненное, например, из керамики нитрида алюминия или окиси бериллия, с высоким коэффициентом теплопроводности: не менее 200 Вт/м⋅К.
Учитывая динамический режим работы устройства, например, для передачи максимальной импульсной мощности сигнала от фотоэлектрического модуля к антенне, необходимо выполнить условия согласования между фидерной линией и устройством возбуждения, а именно: волновое сопротивление антенного фидера должно быть равно выходному сопротивлению фотодетектора. При полном согласовании в линии передачи течет ток постоянной величины по всей ее длине и его значение в антенне зависит только от выходной мощности модуля.
Известные оптоволоконные фотоэлектрические СВЧ устройства работают с приложением напряжения смещения, т.е. фотодетекторы запитываются постоянным напряжением, что требует подводки дополнительного электрического кабеля одновременно с подводкой оптоволоконного кабеля. В разработанном устройстве фотодетекторы работают без приложения напряжения смещения (вентильный режим работы фотодетектора). При реализации вентильного режима работы к самому СВЧ модулю подводится только оптоволоконный кабель. Использование оптоволокна в модуле без применения электрических кабелей позволяет увеличить помехоустойчивость высокочастотного тракта всей системы, т.к. потери при передаче сигнала в оптоволоконной линии значительно меньше, чем в электрических цепях. При отказе от электрического кабеля в высокочастотном тракте уменьшается вес устройства, повышается надежность работы устройства, т.к. оптоволокно не окисляется, не намокает, не замыкает. Кроме этого, оптоволокно обладает высокой защищенностью от межволоконных влияний, т.к. уровень экранирования межволоконного излучения более 100 дБ, т.е. сигнал в одном волокне не влияет на сигнал в другом волокне. Важным фактором при использовании оптоволокна и отказе от приложения обратного напряжения смещения к фотодетектору (отказе от подводки электрического кабеля дополнительно к оптоволокну) является его пожаробезопасность и взрывобезопасность даже при изменении физических и химических параметров самого оптоволокна.
При оптимальной мощности входного оптического импульса, который подается на фоточувствительную поверхность каждого фотодетектора, последовательное соединение фотодетекторов (в количестве N) позволяет увеличить в N - раз выходное сопротивление, что дает возможность согласовать фотоэлектрический модуль с нагрузкой. При этом выполняется условие
н
фд
R=kNR,
н
где R - эффективное волновое сопротивление нагрузки модуля,
фд
R - оптимальные нагрузочные сопротивления фотодетекторов в составе модуля,
k - эмпирический коэффициент, увеличивающийся с увеличением длительности оптических импульсов от k=0,8 при длительности импульсов нс до k=0,9 при  нс и до величины, близкой к единице, при  более 3 нс.
Физическое значение коэффициента к состоит в следующем. При работе устройства в импульсном режиме важным параметром является широкополосность самого устройства возбуждения, которая определяется временными и частотными характеристиками излучаемого импульсного сигнала, а именно длительностью импульса, и частотой его следования, которые и определяют частотный спектр передаваемого сигнала и, соответственно, требуемую полосу пропускания самого устройства.
фд
фд
фд
Экспериментально было установлено, что при работе фотодетекторов в настоящем модуле на оптимальной нагрузке R, обеспечивающей максимальную генерируемую мощность при фиксированной оптической мощности, происходит уширение электрического импульса модуля на величину порядка 0,5 нс. Это уширение определяется в основном величиной диффузионной емкости фотодетекторов, минимизировать которую возможно при выборе величины нагрузочного сопротивления фотодетекторов меньшим значения R, т.е. при смещении режима работы фотодетекторов от работы на оптимальную нагрузку R к режиму работы при большем значении фототока и меньшем значении напряжения. При длительности оптических импульсов более 3 нс это уширение импульсов является незначительным. Однако, при уменьшении длительности оптических импульсов роль этого уширения возрастает.
эфф
фд
Коэффициент k является «регулятором» режима работы модуля, обеспечивающим оптимизацию уширения импульса. Увеличение коэффициента к означает уменьшение эффективного сопротивления нагрузки R<R) и перевод режима работы фотодетектора из режима «оптимальной нагрузки» в режим уменьшенной нагрузки, при котором влияние диффузионной емкости фотодетекторов на уширение импульсов фотоотклика является незначительным. Величины коэффициента к уменьшается с уменьшением длительности импульса от значения близкого к единице для «длинных» импульсов  до значений  к<0,8 при длительности импульсов. В результате такой оптимизации режима работы фотодетекторов в модуле, уширение импульсов фототока не превышает величины 0,2 нс в разработанных СВЧ модулях (фиг. 5) и частоте следования импульсов 100 МГц.
н
При определенном волновом сопротивлении нагрузки (R) и количестве (N) фотодетекторов в устройстве, максимальная мощность устройства определяется выражением
м
где Р - мощность модуля, выраженная в ваттах,
м
M
U - максимальное рабочее напряжение, генерируемое каждым фотодетектором в модуле, выраженное в вольтах. При работе фотодетектора на основе гетероструктуры pAlGaAs-nGaAs в вентильном режиме величина максимального рабочего напряжения находится в диапазоне U=1…1,1 В.
2
Увеличение количества (N) фотодетекторов в модуле при фиксированной нагрузке позволяет в N-paз увеличить мощность устройства при возможности максимально точного согласования с нагрузкой.
н
н
Так при R=50 Ом и N=2 максимальная мощность модуля составляет порядка 80 мВт, а при R=50 Ом и N=20 максимальная мощность модуля -порядка 8 Вт, т.е. в 100 раз больше. При этом КПД модуля составляет порядка 50%.
В соответствии с п.2 формулы настоящего изобретения электрические контакты 6 и 7 к n- и p-областям фотодетекторов выполнены на фронтальной, облучаемой поверхности каждого фотодетектора. Электрические контакты 6 и 7 (на фиг. 1 и фиг. 2) фото детекторов располагаются следующим образом: вывод катода фото детектора ФД1 расположен рядом с выводом анода фотодетектора ФД2, вывод катода фотодетектора ФД2 расположен рядом с выводом анода фотодетектора ФД3, что позволяет осуществлять их последовательное электрическое соединение с минимальной длиной (не более 150 мкм) токопроводящих шин 8. Минимизация длины токопроводящих шин 8 необходима для уменьшения общей паразитной индуктивности устройства. При таком расположении фотодетекторов вдоль одной линии электрическое соединение фотодетекторов и оптическая стыковка каждого вторичного оптоволокна 3 с рабочей поверхностью соответствующего фотодетектора 4 осуществляется с минимальными электрическими и оптическими потерями.
2
Расстояние h между фотодетекторами устанавливается в этом случае в диапазоне 30-150 мкм. В конструкции устройства, показанной на фиг. 1, данный диапазон значений h определяется диапазоном минимальных толщин дисков, используемых в станках для механического разделения гетероструктур на отдельные чипы фотодетекторов. Для уменьшения омических и индуктивных потерь при таком последовательном соединении фотодетекторов используются золотые проводники с площадью сечения не менее 0.01 мм, обеспечивающие повышенную электропроводность и уменьшенную индуктивность сборки фотодетекторов.
В соответствие с п. 3 формулы изобретения электрические контакты к n- и p-областям фотодетекторов выполнены на разных (тыльной и облучаемой) поверхностях фотодетекторов, а их последовательное соединение осуществляется «внахлест» в виде «лесенки» (фиг. 3). В этом случае минимальное расстояние между фотоактивными областями фото детекторов, расположенными на глубине 1-2 мкм от облучаемой поверхности фотодетекторов, установлено в диапазоне 100-150 мкм, определяемым минимально достижимой толщиной фотодетекторов.
Из эксперимента было установлено, что такая коммутация фотодетекторов «внахлест» обеспечивает минимальную индуктивность сборки и является более предпочтительной при уменьшении длительности оптических импульсов до значений менее 1 нс.
В соответствии с п.4 формулы изобретения контакты к крайним фотодетекторам подключены к антенному фидеру с использованием согласующих копланарных волноводов. Такое подключение фотоэлектрического СВЧ модуля с антенной через антенный фидер обеспечивает минимизацию потерь мощности при передаче импульсных сигналов от фотоэлектрического СВЧ модуля к антенне.
н
фд
м
Пример 1. Фотоэлектрический СВЧ модуль выполнен в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения. R=15 Ом, R=2 Ом, длительность оптических импульсов  нс, k=0,94. Количество фотодетекторов в модуле N=8. Максимальное рабочее напряжение, генерируемое единичными фотодетекторами в модуле, U=1 В. Максимальная пиковая импульсная мощность модуля  Вт. При длительности оптических импульсов 1,8 нс длительность электрических импульсов составляет 2 нс на полувысоте амплитуды мощности (фиг. 4).
н
фд
м
м
Пример 2. Фотоэлектрический СВЧ модуль выполнен в соответствии с п. 1 и п. 3 формулы изобретения. Контакты к крайним фотодетекторам подключены к 50-омному коаксиальному кабелю, R=50 Ом, R=2,5 Ом, длительность оптических импульсов  нс, коэффициент k=0,9, количество фотодетекторов в устройстве N=22, U=1,04 В, максимальная импульсная мощность модуля, передаваемая в нагрузку через коаксиальный кабель, составляет Р=9,4 Вт. При длительности оптических импульсов 1 нс длительность электрических импульсов составляет 1,2 нс.
н
ФД
м
Пример 3. Фотоэлектрический СВЧ модуль выполнен в соответствии с п. 1, п. 2 и п. 4 формулы изобретения. Модуль подключен к антенне через антенный фидер. Эффективное волновое сопротивление фидера R=100 Ом, R=3,4 Ом. Длительность оптических импульсов  нс. Значение эмпирического коэффициента k=0,9. Количество фотодетекторов в модуле N=32. Максимальное рабочее напряжение, генерируемое единичными фотодетекторами в модуле, U=1,03 В. Максимальная мощность модуля, передаваемая в антенну, составляет  Вт. При длительности оптических импульсов 1 нс длительность электрических импульсов составляет 1,2 нс.
Результатом разработки настоящего оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля является увеличение импульсной мощности СВЧ модуля до ~10 Вт при длительности электрических импульсов на полувысоте амплитуды 1-2 нс. При этом уширения электрических импульсов составили 0,2 нс по сравнению с длительностью оптических импульсов. Настоящее устройство обеспечивает возможность регулирования выходного сопротивления для его согласования с эффективным сопротивлением высокочастотной нагрузки.