Материал: Разработка системы оптоэлектронных генераторов

Разработка системы оптоэлектронных генераторов

Дипломная работа

Лазерные методы генерации несущих для широкополосных каналов связи

Реферат

Работа: страниц, рисунков, таблицы, источника.

Объектами исследования являются полупроводниковые волноводы с модулированным профилем диэлектрической проницаемости, процесс нелинейной генерации излучения разностной частоты, сверхвысокочастотные оптоэлектронные генераторы, процесс генерации гармонических сверхвысокочастотных сигналов.

Цель работы - исследование лазерных методов генерации несущих для широкополосных каналов связи: исследование эффективности нелинейной генерации в полупроводниковых волноводах с модулированным профилем диэлектрической проницаемости, условий фазового квазисинхронизма в таких структурах, эффективности методов подавления побочных мод в спектрах оптоэлектронных генераторов.

В работе проанализирован способ осуществления квазисинхронизма для нелинейной генерации разностной частоты в планарных волноводах с помощью модуляции профиля диэлектрической проницаемости, а также способы подавления побочных мод в спектре оптоэлектронного генератора с помощью оптоэлектронных сигнальных процессоров.

Показано, что при мощности волн накачки 10 Вт мощность нелинейного преобразования в диапазоне длин волн 11 - 24 мкм может составлять 0.6 мкВт при торцевом выводе и 0.12 мВт/мм² при выводе излучения через поверхность структуры, показана возможность снижения уровня побочных мод до -130 дБн/Гц при частоте генерации в 60 ГГц и добротности сверхвысокочастотного полосового фильтра порядка 100.

Разработанные в данной дипломной работе конструкции для генерации несущих для широкополосных систем связи могут найти широкое применение в области связи, радиолокации, измерительных системах.

По результатам дипломной работы выполнены пять публикаций [20] - [24], среди которых статья в рецензируемом журнале [20], доклад на международном семинаре [21]. Также результаты дипломной работы полностью или частично были представлены на 67-й, 68-й, 69-й научных конференциях студентов и аспирантов БГУ, 8-м Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, 2011), 12-м Белорусско-Литовском семинаре «Микроволновые и оптоэлектронные системы» (Вильнюс, 2011). Также в 2012 г. подана заявка на патент «Оптоэлектронный генератор». Исследования в рамках дипломной работы подержаны грантами Министерства образования Республики Беларусь, Белорусского государственного университета.

Введение

На сегодняшний день широкополосные каналы связи начинают активно применяться в военных и гражданских системах связи, радиолокации, телекоммуникации, измерительной технике. Каждое новое достижение в технологиях построения генераторов несущих для широкополосных каналов связи обеспечивает повышение скорости передачи информации в системах связи, улучшение качества радиолокационных систем, совершенствование измерительных приборов и систем испытания оборудования [1]. Несущие для широкополосных каналов связи сегодня требуют возможность модуляции со сверхвысокими частотами до 60 ГГц.

Как известно, электромагнитное СВЧ-излучение с частотами выше 10 ГГц испытывает сильное затухание в атмосфере и коаксиальных металлических кабелях [2]. Для атмосферных оптических линий связи возможно использование так называемых окон прозрачности в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне [3], [4]. То есть для таких каналов связи необходима генерация несущей с длиной волны от 10 до 50 нм. Для стационарных каналов связи на основе кабелей возможно применение концепции распределения радиочастотного излучения в качестве поднесущей по оптическому волокну («radio over fiber», [5]). Однако в этом случае также существует проблема генерации излучения СВЧ-диапазона и последующей модуляции этим излучением лазерного излучения в оптическом волокне.

Нелинейное преобразование частоты позволяет создавать источники среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона [6]. В особенности представляет интерес реализация такого преобразования в спектральном диапазоне [7], где генерация в квантово-каскадных лазерах при комнатной температуре не реализована (l>16 мкм, [8], [9], [10]). Эффективному нелинейному взаимодействию мод ближнего ИК-диапазона в планарных волноводах полупроводниковых гетероструктур препятствует нормальная дисперсия показателя преломления. Ранее предложены методы осуществления фазового синхронизма, основанные на увеличении скорости нелинейной поляризации при применении для накачки поперечных коротковолновых мод разного порядка [11], замедлении разностной моды с помощью внедренной в волновод металлической решетки [12] или плазменного волновода на основе легированного полупроводника [13], использовании материала волновода со сниженной дисперсией показателя преломления [14], а также метод осуществления фазового квазисинхронизма, основанный на сфазированном выводе излучения разностной частоты с поверхности волновода через металлическую дифракционную решетку[14].

Большой прогресс по рассматриваемой тематике достигнут в области СВЧ оптоэлектроники, которая является классическим примером одного из современных направлений развития науки и техники, возникшим на стыке оптики, физики твёрдого тела и СВЧ-техники [15], [16]. Методы СВЧ-оптоэлектроники используются для передачи, генерации, детектирования и обработки аналоговых и цифровых СВЧ-сигналов [1].

Традиционные методы генерации СВЧ сигналов с частотами до 100 ГГц обладают рядом существенных и, можно сказать, фундаментальных недостатков. При умножении частоты высокодобротного резонатора приходится сталкиваться с проблемой квадратичного возрастания фазового шума от кратности умножения. К этому еще добавляется проблема согласования множества малошумящих и высокодобротных СВЧ-компонентов. Другой традиционный методикой построения СВЧ генераторов является использование высокодобротных СВЧ резонаторов, однако с увеличением частоты генерации добротность резонатора падает обратно пропорционально частоте генератора [17]. Важно отметить высокие требования к стабильности материала резонатора по отношению к внешним воздействиям. Для сапфировых резонаторов, кроме чрезвычайно высокой стоимости, следует отметить их высокую чувствительность к электромагнитным помехам, а также требования поддержания постоянства температуры и отсутствия ускорений.

Самый простой способ повышения добротности генератора - увеличение длительности задержки в линии положительной обратной связи. Большая величина потерь на единицу длины традиционных коаксиальных СВЧ кабелей не позволяется создавать линии обратной связи с большими временами задержки, к тому же СВЧ кабели чувствительны к радиопомехам. Для волоконно-оптических линий задержки, реализуемых на основе электрооптического преобразователя, отрезка оптического волокна и оптоэлектронного преобразователя, напротив, характерны очень низкие потери на единицу длины, что приводит к возможности получении времен задержки сигнала до 100 мкс при увеличении длины оптического волокна до 20 км. Преимуществами таких линий задержки также являются невосприимчивость к радиопомехам и малые фазовые искажения сигнала [18].

Альтернативой традиционным СВЧ генераторам, которую предлагает СВЧ-оптоэлектроника, является оптоэлектронный генератор [18]. Оптоэлектронные генераторы существенно отличаются от традиционных генераторов тем, что положительная обратная связь в них образована оптоэлектронной петлей задержки на основе электрооптического преобразователя, отрезка оптического волокна оптоэлектронного преобразователя. Среди всех существующих типов СВЧ генераторов с частотами от 10 до 100 ГГц фазовый шум коммерческих оптоэлектронных генераторов уступает лишь эталонным генераторам. Главной проблемой при создании оптоэлектронных генераторов является высокий уровень побочных мод в спектре генерации.

Цель работы - исследование лазерных методов генерации несущих для широкополосных каналов связи: исследование эффективности нелинейной генерации в полупроводниковых волноводах с модулированным профилем диэлектрической проницаемости, условий фазового квазисинхронизма в таких структурах, эффективности методов подавления побочных мод в спектрах оптоэлектронных генераторов.

В дипломе будет проанализирована эффективность нелинейного преобразования при использовании гофрированного диэлектрического волновода. Рассмотрены два способа вывода излучения разностной частоты из волновода: через торец и поверхность [20] - [23]. Будут построены временная и частотная модели оптоэлектронного генератора, на основе которых проанализированы оптоэлектронные генераторы с одной петлей обратной связи и СВЧ-оптоэлектронными сигнальными процессорами. Изучены условия стационарной генерации для указанных генераторов [24]. В качестве метода подавления нежелательных мод в спектре рассмотрены обобщенные оптоэлектронные генераторы с СВЧ-оптоэлектронным процессорами.

1. Физические принципы генерации несущих для широкополосных каналов связи

1.1    Физические принципы нелинейного преобразования

При распространении оптического излучения большой интенсивности (порядка 10⁴ - 10⁵ В/см) показатель преломления начинает существенно зависеть от интенсивности распространяющейся волны. Зависимость компонент поляризованности среды P_i от компонент напряженности внешнего поля E_i, E_j, E_k, E_m, в нелинейной среде описывается нелинейным материальным уравнением [6]:

,(1.1)

где  - линейная восприимчивость (тензор 2-го ранга);

- квадратичная нелинейная восприимчивость (тензор 3-го ранга);

 - кубическая нелинейная восприимчивость (тензор 4-го ранга).

i, j, k, m - индексы суммирования

Первое слагаемое в (1.1) описывает компоненты вектора линейной поляризованности, а последующие слагаемые - компоненты вектора нелинейной поляризованности (второе слагаемое - квадратичной, третье - кубической). Следует отметить, что в соединениях A^IIIB^V компоненты тензора  отличны от нуля, только если i=j=k; при этом все отличные от нуля компоненты  равны между собой.

Исходя из [6], световая волна второй гармоники получает энергию от излучения на основной частоте через компоненту волны поляризации среды с разностной частотой. Очевидно, что обмен энергией между основной волной и второй гармоникой будет максимальным, если разность фаз  между ними сохраняется постоянной на достаточно больших расстояниях. В действительности сдвиг фаз из-за дисперсии показателя преломления среды непрерывно изменяется. Величина фазового сдвига между этими двумя волнами на длине  равна:

,       (1.2)

где - волновой вектор, соответствующий разностной моде,

- разность волновых векторов ВЧ мод.

Величина  лишь в случае, когда выполняется условие:

,         (1.3)

это условие называется условием фазового синхронизма.

GaAs, являющийся основным материалом при создании инжекционных полупроводниковых лазеров, обладает высоким коэффициентом оптической нелинейности второго порядка [13]. Это означает, что при распространении в GaAs излучения с двумя различными частотами щ₁ и щ₂ падающие волны поляризуют среду и формируют излучение на суммарных и разностных частотах: щ₁ + щ₂, щ₁ - щ₂, 2щ₁, 2щ₂. Причем, если энергии квантов падающих волн близки к ширине запрещенной зоны полупроводника, то волны на суммарных и удвоенных частотах будут поглощаться, и в полупроводнике будет распространяться только излучение на разностной частоте [6].

Условие фазового синхронизма не выполняется в волноводах с нелинейным преобразованием из-за нормальной дисперсии показателя преломления, как следует из рисунка 1.1. Это приводит к необходимости реализации квазисинхронизма.

В случае, когда структура выращена на плоскости (001), а высокочастотные моды имеют поперечную электрическую поляризацию (TE-поляризацию), нелинейная поляризация в GaAs перпендикулярна плоскости слоев и возбуждает на разностной частоте поперечную магнитную моду (TM-моду) [6]. Считая, что волноводное распространение осуществляется в направлении оси x, ось z нормальна к плоскости слоев, напряженность магнитного поля направлена вдоль оси y и находится из уравнения:

.(1.4)

где  - волновое число для вакуума,

 - диэлектрическая проницаемость,

 - нелинейная диэлектрическая проницаемость,

 - разность постоянных распространения высокочастотных мод накачки  и  с амплитудами полей  и  соответственно. Детали расчета пространственного распределения мод накачки приведены в работе [6].

Рисунок 1.1         - Нормальная дисперсия показателя преломления в GaAs(верхняя кривая) и InGaP (нижняя кривая)

1.2    Физические принципы генерации гармонических СВЧ сигналов с помощью оптоэлектронных генераторов

1.2.1 Концепция фазового шума как средство описания зашумленных гармонических сигналов

Гармонический сигнал с зашумленной амплитудой и фазой можно описать следующим выражением:

       (1.5)

где  - амплитудный шум,

 - постоянная составляющая амплитуды,

 - постоянная частота сигнала,

 - шумовые изменения фазы.

Полный шум любого источника зашумленного сигнала представляется в виде свертки амплитудного и фазового шума. Фазовый шум и методика его измерения описаны в [2]. Фазовый шум, по определению, вводится как половина средней спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций сигнала.

      (1.6)

Изначально, для радиочастотного диапазона, фазовый шум определяется как отношение односторонней спектральной плотности мощности в расчете на один герц к полной мощности сигнала (мощность на несущей и две боковых полосы):

   (1.7)