Модуляция лазерного излучения свч сигналом

Передача ВЧ/СВЧ сигнала с помощью прямой модуляции

Существуют различные методики по построению оптических трактов для передачи СВЧ сигнала по оптическому волокну. Одни из вариантов построения – передача ВЧ и СВЧ сигнала с помощью прямой модуляции. Ниже приведена компонентная схема, построенная на базе излучающего DFB (distributed feedback, или лазеры с распределенной обратной связью) лазерного диода и фотоприемника, без использования внешнего оптического модулятора сигнала. Модуляция сигнала производится непосредственно с помощью излучающего оптического лазера, управление модуляцией осуществляется током, поданным на DFB лазер. Оптический изолятор используется для усечения излучающего спектра лазера, для более корректной работы. Использование DFB лазера обусловлено более узким спектром излучения, нежели у лазеров Фабри Перо (FP). Данное решение является оптимальным решением для передачи сигналов до 6-8 ГГц на относительно небольшие расстояния, так как нет необходимости использовать внешний модулятор, что существенно удешевляет решение.

• Беспроводная сеть и сетевая магистраль
• OEM-приложения в оптических коммуникациях, сетях и датчиках
• Сети кабельного телевидения, пассивные оптические сети (PON), DOCSIS 3.1
• Сети связи DWDM, включая цифровые, аналоговые
• Приложения, требующие очень хорошей линейности; такие как QAM

Лазеры с прямой модуляцией

Лазерные DBF диоды с прямой модуляцией применяются для передачи ВЧ и СВЧ сигнала по оптическому тракту без использования внешнего оптического амплитудного модулятора. Модули могут быть изготовлены как в виде «бабочки 14 пин» так и в виде «полу бабочки 7 пин» с коаксиальным входом. Также лазерные модули могут быть с несущей оптической длиной волны 1310/1550 нм, так и в CWDM/DWDM исполнении в соответствии с сеткой ITU.

Основные характеристики и данные лазеров с прямой модуляцией:

• Длины волн 1310, 1550 нм – включая варианты для CWDM и DWDM
• Мощность до 16 мВт (стандарт для 1550 нм)
• Прямая модуляция до 20 ГГц (с прямым СВЧ входом). Фактическая отсечка коммерчески доступных лазеров 14-pin: 2,5 ГГц; 4 ГГц; 7,5 ГГц.
• Различные варианты исполнения корпуса, из них 14-pin «бабочка» обладает наибольшим функционалом: TEC-охлаждение, изолятор, фотодиод для мониторинга, термистор
• SM волоконный выход

• Ширина спектральной полосы (FWHM) – 0,1 – 0,5 нм
• Коэффициент подавления боковых мод (SMSR) – 35-45 дБ
• Шум относительной интенсивности (RIN) – -150 дБ/Гц

Источник

Импедансные свойства инжекционных полупроводниковых лазеров и вопросы разработки свч-модуляторов на их основе

ИМПЕДАНСНЫЕ СВОЙСТВА ИНЖЕКЦИОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ И ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ СВЧ-МОДУЛЯТОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств

Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

доктор технических наук, профессор

(Технологический институт Южного Федерального университета, г. Таганрог)

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ,

заслуженный изобретатель РСФСР,

(Ростовский военный институт ракетных войск, г. Ростов – на – Дону)

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ФГУП «Таганрогский НИИ связи»,

Защита диссертации состоится «29» августа 2008 г. в 1600 часов в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке

Южного федерального университета по адресу:

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:

ТТИ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20,

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена решению перспективной научно-технической задачи разработки и проектирования оптических СВЧ-модуляторов. Рассмотрены основные научно-технические вопросы, возникающие в процессе инженерной разработки оптических модуляторов, в которых используется взаимодействие СВЧ-излучения с электронным потоком p-n перехода полупроводникового лазерного диода.

Актуальность

Развитие современных коммуникационных систем связано с освоением оптического диапазона в целом и элементной базы оптических радиопередающих устройств (РПУ) в первую очередь. В проектировании РПУ оптического диапазона на новом уровне продолжается развитие перспективного направления разработки СВЧ оптических модуляторов. Устройства модуляции такого типа применяются в качестве элементов управления радиооптических антенных решеток, основной особенностью которых является то, что собственно антенная решетка работает в радиодиапазоне СВЧ, а система управления её элементами осуществляется в оптическом диапазоне.

В настоящее время в результате успешного развития технологии изготовления инжекционных полупроводниковых лазеров (ИПЛ), работающих при комнатной температуре, на рынке электронных компонентов доступны относительно недорогие образцы ИПЛ как отечественного, так и импортного производства (DFB, DBR, EC, VCSEL и др.).

Одним из наиболее перспективных методов модуляции указанных типов ИПЛ считается амплитудная модуляция тока p-n перехода ИПЛ непосредственно поданным на него модулирующим СВЧ-сигналом. Этот вид модуляции основан на эффекте поглощения оптического излучения свободными электронами. При данном механизме изменение прозрачности запирающего слоя p-n перехода происходит через изменение концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике. Модуляторы, использующие упомянутый эффект, представляют собой ИПЛ, к p-n переходу которого приложено прямое смещение и СВЧ-сигнал, и относятся к устройствам внутренней модуляции, в которых оптическое излучение выходит из источника света уже промодулированным.

Согласно опубликованным в открытых источниках данным исследования, посвященные СВЧ модуляции полупроводниковых лазерных диодов, ведутся в ряде отечественных научных институтов Санкт-Петербурга, Саратова, Обнинска, Москвы, а также за рубежом: в Японии, преимущественно в плане исследования полупроводниковых лазеров как усилителей оптического излучения и в США. Для

упомянутых исследовательских центров перспективность как практических, так и теоретических исследований в данном направлении не вызывает сомнений.

Модулирующие устройства, реализованные на указанном физическом эффекте, отличаются простотой конструкции и небольшими габаритами, что отличает их от модуляторов, применяемых в тех же приложениях, но использующих другие физические эффекты при модуляции оптического излучения (акустооптические дефлекторы, электрооптические модуляторы и т. д.). Можно ожидать существенного экономического эффекта при внедрении СВЧ модуляторов оптического излучения в технику уже существующих систем связи. Модулятор конструкции, предложенной в данной работе, позволяет заменить дорогостоящие протяженные и сложные в обслуживании коаксиально-волноводные и волноводные тракты, применяемые в специализированных системах связи и радиолокации, что позволит улучшить технико-экономические показатели таких систем по сравнению с наиболее распространёнными на данный момент коаксиальными системами связи в плане помехозащищённости, уменьшения стоимости самого тракта, его обслуживания, массы и занимаемого объема.

Таким образом, при разработках оптических систем связи становится очевидной необходимость первоочередного проведения разработок модуляторов упомянутого типа, реализованных на эффекте поглощения оптического излучения свободными носителями заряда.

Предмет исследований

В диссертационной работе проводится теоретический анализ и исследуется возможность разработки СВЧ-модулятора оптического излучения на базе одного из современных полупроводниковых лазерных диодов, работающих при комнатной температуре; определяются импедансные свойства, рассчитываются модуляционные характеристики и анализируется устойчивость оптико-электронной системы в режиме модуляции, а также исследуются технические пути практической реализации оптических СВЧ-модуляторов.

Цель работы и задачи исследований

Цель диссертационной работы — предложить практические пути создания модулирующих устройств в одном из участков СВЧ — диапазона и определить аналитические выражения, пригодные для инженерных расчётов параметров оптических СВЧ-модуляторов.

Для достижения указанной цели необходимо рассмотреть основные теоретические вопросы, возникающие при расчёте указанных параметров и решить следующие задачи:

— определить импедансные свойства лазерного диода на основе

взаимодействия модулирующего (, — амплитуда и частота СВЧ-колебания) и несущего (оптического) колебания (, — амплитуда и частота оптического излучения ИПЛ) с электронным потоком на p-n переходе ИПЛ;

— на основании разложения тока в рабочей точке ВАХ ИПЛ определить коэффициент модуляции; найти амплитуду вынужденного колебания, являющегося продуктом взаимодействия нескольких напряжений, приложенных к p-n переходу ИПЛ (с амплитудами , и напряжения питания ИПЛ );

— исследовать устойчивость оптико-электронной системы, каковой является модулятор в режиме модуляции.

Исследования базируются на представлении анализируемой системы в соответствии с принципом пространственно-временной аналогии, а также на методах теории колебаний и методах теории устойчивости динамических систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана и проанализирована модель, описывающая импедансные свойства лазерного диода в процессе модуляции его излучения СВЧ-сигналом, позволившая получить аналитические выражения для основных параметров оптико-электронной системы, каковой является ИПЛ в режиме модуляции;

— получено и решено уравнение анализируемой системы, описывающее ее как систему вынужденных колебаний на основе скоростных уравнений ИПЛ, которые обычно применяются для описания процессов генерации оптического излучения в лазерных диодах, с учетом того, что система находится под внешним воздействием модулирующего СВЧ-сигнала. Решением такого уравнения является амплитуда сложного (вынужденного) колебания А, связанная с электрофизическими параметрами ИПЛ, которую следует использовать при расчёте основных параметров указанной системы;

— исследована устойчивость оптического излучения в процессе модуляции ИПЛ СВЧ-сигналами. Полученные результаты без дополнительных математических расчётов могут быть использованы для имеющейся лазерной элементной базы при разработках оптических СВЧ амплитудных модуляторов и задающей части оптических передатчиков.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

— получены аналитические выражения для импеданса ИПЛ в режиме амплитудной модуляции и для основных модуляционных характеристик, пригодные для инженерных расчётов при проведении разработки оптических СВЧ модуляторов;

— предложены два варианта конструкции оптического СВЧ-модулятора,

принцип действия которого основан на непосредственном воздействии модулирующего СВЧ сигнала на положительно смещенный p-n переход ИПЛ.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре АиРПУ ТТИ ЮФУ при постановке лабораторных работ и в учебных пособиях по курсам «Физические основы электроники», «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника», «Методы и устройства формирования сигналов», а также на предприятии ИР» г. Таганрог в рамках выполнения ОКР по разработке диагностического оборудования для пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов.

Обоснованность и достоверность результатов

Подтверждается проведенным экспериментом, корректным использованием математических методов и совпадением полученных результатов с данными, полученными У. Тсангом (W. Tsang), Дж. Гауэром (J. Gowar), А. Яривом (A. Yariv) и опубликованными в литературе.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Волгоград, Россия, сентябрь 2004 г и XI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» — Министерство образования и науки российской Федерации, Московский энергетический институт (технический университет) Москва, 1-2 марта 2005г.

По теме диссертационной работы опубликованы три статьи в центральной печати (одна статья в журнале «Радиотехника и электроника», две – в журнале «Петербургский журнал электроники»); одна статья принята к опубликованию в журнал «Антенны» (выпуск 11, 2008 г.); опубликованы тезисы докладов в сборниках трудов Известия ТРТУ. Специальный выпуск. Материалы L научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ(2004 г.), опубликованы тезисы докладов в сборниках трудов международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ТРТУ, 2003, 2005, 2007гг); III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» под ред. , Волгоград, Россия, сентябрь 2004 г.) а также тезисы докладов международных научно-технических конференций студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и

энергетика» (ТРТУ, 2004, 2006гг).

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и пяти приложений. Работа содержит 144 с., в том числе 120 с. основного текста, 24 с. рисунков, список литературы из 92 наименований на 6 с. и 31 с. приложений.

Основные положения, выносимые на защиту

— техническое решение по созданию оптического СВЧ-модулятора, основанное на изменении поглощения света свободными носителями заряда положительно смещенного p-n перехода ИПЛ, модулируемого СВЧ-сигналами;

— результаты в виде аналитических выражений для активной и реактивной частей проводимости ИПЛ, коэффициента модуляции, пригодные для использования в инженерной практике; решение уравнения оптической автоколебательной системы (ИПЛ), находящейся под воздействием модулирующего СВЧ-сигнала, создающее основу для расчёта и проектирования оптических СВЧ-модуляторов в инженерных разработках;

— результаты анализа устойчивости оптической автоколебательной системы в режиме её амплитудной модуляции, в основу которого положен универсальный метод ляпуновских величин;

— результаты разработки и экспериментальных исследований оптического СВЧ-модулятора на серийно выпускаемых ИПЛ.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту и сделан краткий обзор литературы.

В первой главе на основе представления тока лазерного диода в рабочей точке ВАХ ИПЛ как функции суммы нескольких напряжений, действующих на его p-n переходе, получены: аналитические выражения для активной и реактивной частей собственной проводимости ИПЛ, а также проводимостей при воздействии модулирующего СВЧ-напряжения на p-n переход лазерного диода через параметры собственных колебаний лазерного диода (амплитуда и частота оптических колебаний, действующих на p-n переходе ИПЛ) и аналогичные параметры модулирующего СВЧ-колебания; выражение для коэффициента амплитудной модуляции m через те же параметры; проведен анализ динамических (зависимость коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения ) и ряда статических

модуляционных характеристик.

Из активной части адмиттанса выделены проводимости на частоте модулирующего сигнала , на частоте преобразованного сигнала , проводимость в отсутствие модулирующего сигнала и ряд проводимостей по другим частотным каналам , необходимых для уточнения эквивалентной схемы модулятора.

Реактивная часть адмиттанса ИПЛ определена по методике, принятой при определении активной составляющей, при этом в основу положена вольт-кулоновая характеристика ИПЛ.

Кроме того, в этом же разделе диссертационной работы определен основной параметр модуляционного процесса – коэффициент амплитудной модуляции m, подлежащий расчёту при разработке модулятора.

На рисунках 1-3 приведены результаты расчёта значений активных и реактивных частей сопротивления ИПЛ типа a12m-KP1439(2) и коэффициента модуляции m в зависимости от величины напряжения питания , амплитуды оптического колебания и амплитуды модулирующего СВЧ-колебания , действующих на p-n переходе ИПЛ. Согласно опубликованным в литературе экспериментальным данным, полученным У. Тсангом, А. Яривом, Дж. Гауэром, Р. Ханспенджером, значение активной части сопротивлений лазерных диодов R при СВЧ-модуляции, составляет единицы Ом, что соответствует полученным в данной работе результатам. Все теоретические расчёты активной и реактивной частей сопротивления ИПЛ и его динамических и статических модуляционных характеристик проведены для режима малого сигнала.

Установлено, что в рассматриваемой системе при значениях амплитуд , лежащих в диапазоне 70-150 (мВ), возможна устойчивая модуляция. Необходимо отметить, что активная и реактивная части сопротивления ИПЛ на частоте модулирующего сигнала в значительной степени зависят от напряжения питания ИПЛ . Следовательно, выбором рабочей точки на ВАХ лазерного диода можно добиваться эффективной модуляции при сохранении устойчивой работы системы.

Устойчивая модуляция возможна при изменении амплитуды модулирующего СВЧ-напряжения в пределах от 10 до 200 (мВ), однако амплитудное изменение реактивной составляющей незначительно в более узком диапазоне амплитуд (70-150 мВ) (см. рисунок 2), которого и следует придерживаться во избежание паразитной частотной модуляции.

Как следует из рисунка 3, коэффициент амплитудной модуляции сильно зависит от напряжения смещения на p-n переходе ИПЛ и может быть увеличен при

понижении питающего напряжения , однако, как известно, уже при глубине модуляции 60% лазерный диод ухудшает оптические параметры излучения, поэтому коэффициент модуляции при рекомендуемых рабочих напряжениях питания ИПЛ ограничивается примерно на уровне 30-40%, что согласуется с данными, полученными

рядом авторов, практикующих в этой области.

Проведенный анализ позволил получить соотношения, устанавливающие уровни побочных продуктов модуляции путём оценки проводимостей системы по различным частотным каналам. При проектировании оптических модуляторов можно на основании полученных в диссертации выражений сопоставлять уровни излучения на побочных частотных каналах с уровнем основного продукта модуляции и, таким образом, минимизировать влияние паразитных составляющих модуляционного спектра.

Во второй главе получено и решено уравнение анализируемой оптико-электронной системы, описывающее ее как систему вынужденных колебаний. Уравнение выведено на основе скоростных уравнений ИПЛ, которые обычно применяются для описания процессов генерации оптического излучения в лазерных диодах. При решении уравнения использован классический аппарат анализа активных автоколебательных систем, разработанный и .

Динамические процессы в инжекционном полупроводниковом лазерном диоде описываются системой скоростных уравнений, связывающих плотность потока фотонов J и концентрацию носителей заряда в лазерной среде : , где — инжекционный ток ИПЛ; — спонтанное время жизни избыточных электронов; — поперечное сечение вынужденного излучения межзонных переходов носителей заряда; — заряд электрона; — объем активного слоя p-n перехода лазера; — погонные потери; — потери на излучение; — скорость света в активном слое.

На основании системы скоростных уравнений и положения, при котором физически реализуемая автогенераторная колебательная система, каковой является ИПЛ, есть грубая система, получено классическое дифференциальное уравнение второго порядка относительно искомого вынужденного колебания :

, решение которого даёт амплитуду вынужденного колебания А. Полученная амплитуда вынужденных колебаний А позволила значительно уточнить все зависящие от неё параметры (в том числе и коэффициент модуляции), а также скорректировать модуляционные характеристики, рассмотренные в первой главе работы. С учётом амплитуды вынужденных колебаний А были рассчитаны статические (рисунки 4, 5) и частотные (рисунок 6) модуляционные характеристики анализируемой системы, которые зависят как от электрофизических параметров ИПЛ, так и от параметров модулирующего СВЧ-излучения ().Из рисунка 4 видно как уровень несущего колебания существенно изменяется при наличии модулирующего сигнала , что полностью соответствует теории амплитудной модуляции. Несмотря на то, что рисунок 5 представляет типичную картину малосигнального воздействия модулирующим СВЧ — сигналом на p-n переход ИПЛ (это видно из соотношения амплитуд и ), следует отметить эффективность этого воздействия, возрастающую при увеличении питающего p-n переход постоянного напряжения .

Частотная характеристика (рисунок 6) показывает частотные ограничения, которые неизбежны при осуществлении амплитудной модуляции.

Эти ограничения исходят от самого лазера, электрофизические параметры которого зависят от присутствия на его p-n переходе посторонних сигналов и, в первую

На основании полученных результатов можно сделать вывод об удовлетворительном совпадении полученных в диссертации соотношений, описывающих частотные свойства процесса амплитудной модуляции ИПЛ, с экспериментальными и теоретическими результатами авторов У. Тсанга, Дж. Гауэра, А. Ярива, работающих непосредственно в этой области радиоэлектроники. Таким образом, полученные во второй главе результаты позволяют выбирать первичные пара-метры исследуемой оптико- электронной

системы по критерию эффективной модуляции.

В третьей главе исследована устойчивость излучения ИПЛ в процессе его модуляции СВЧ-сигналами. Исследование базируется на фундаментальных положениях теории колебаний. Анализ устойчивости проведен на основе скоростных уравнений ИПЛ универсальным методом ляпуновских величин, предложенным академиком .

В результате проведенного анализа найдены области параметров модулирующего сигнала, в которых может быть осуществлена устойчивая модуляция оптического излучения лазерного диода и определены бифуркационные значения этих параметров.

Из рисунка 7 следует, что система ведет себя устойчиво при изменении в пределах 1-330 (мВ). Этот вывод следует из того, что в упомянутой области амплитуд бифуркации отсутствуют, первая ляпуновская величина и характеристические параметры , плавно изменяются, стремясь к постоянному значению, что свидетельствует о приобретении ИПЛ запаса устойчивости колебаний. Однако, при изменении амплитуды модулирующего СВЧ-сигнала (В) в более широких пределах, до уровня первая ляпуновская величина начинает

резко изменять своё значение, начиная от критической амплитуды модулирующего колебания, именуемой бифуркационной , что свидетельствует о резкой потере устойчивости исследуемой системы. Одновременно, при увеличении амплитуды , характеристические параметры , также начинают изменять свою величину. Такое поведение характеристических параметров также свидетельствует о приближении системы к точке бифуркации , в которой возможен срыв

генерации колебаний исследуемой оптико-электронной системы.

Согласно проведенному в данной главе диссертационной работы анализу практический интерес представляет диапазон значений амплитуды модулирующего сигнала 80-340 (мВ), соответствующий малосигнальному режиму амплитудной модуляции, где система ведет себя устойчиво. Указанные значения амплитуд находятся в согласии с величинами амплитуд, упоминаемыми в первой главе работы.

Поведение ИПЛ при различных напряжениях питания можно наблюдать также по рисунку 7. Для нескольких значений напряжений питания , соответствующих напряжениям в рекомендуемом изготовителем лазерного диода диапазоне, 2,5-3,5 (В), бифуркации отсутствуют, система устойчива, первая ляпуновская величина и характеристические параметры , плавно изменяются, стремясь к постоянному значению, что также свидетельствует о приобретении ИПЛ запаса устойчивости колебаний. Однако (это видно из рисунка 7) при уменьшении напряжения питания первая ляпуновская величина и характеристические параметры начинают изменять своё значение, что позволяет сделать вывод о приближении системы к точке бифуркации по питающему напряжению и о наличии для исследуемой системы .

Таким образом, на основании проведенного анализа поведения первой ляпуновской величины и характеристических параметров , , можно сделать вывод об устойчивости анализируемой оптико-электронной системы в режиме малого сигнала () и при напряжениях питания не ниже 2,9 В.

Полученные в третьей главе результаты, которые основываются на скоростных уравнениях одномодовой лазерной генерации, могут быть использованы для имеющейся лазерной элементной базы, широко применяемой в настоящее время, и их можно использовать при разработках оптических СВЧ амплитудных модуляторов и задающей части оптических передатчиков на этапе теоретического анализа, не прибегая к изготовлению дорогостоящих опытных образцов упомянутых устройств.

Четвёртая глава (экспериментальная часть работы) представлена двумя разделами: предварительным экспериментом и разработкой и исследованием оптического СВЧ-модулятора при модуляции его СВЧ-сигналами трёхсантиметрового диапазона длин волн. Предварительный эксперимент показал, что воздействие СВЧ-напряжения непосредственно на p-n переход лазерного диода приводит к эффективной амплитудной модуляции оптического колебания вырабатываемого ИПЛ.

Результаты измерений величины мощности оптического сигнала в зависимости от величины приложенной мощности СВЧ – сигнала приведены на рисунке 8.

Из графика, представленного на рисунке 8 видно, что при увеличении мощности воздействующего СВЧ сигнала происходит уменьшение мощности выходного оптического излучения лазерного диода, что свидетельствует об управлении внешним СВЧ-сигналом колебаниями ИПЛ, то есть имеет место асинхронное гашение колебаний ИПЛ. Наличие же процесса асинхронного гашения, в свою очередь, подтверждает наличие модуляционного процесса, являющегося продуктом взаимодействия двух разночастотных колебаний на нелинейном элементе (p-n переходе) ИПЛ. С целью проверки полученных теоретических результатов было проведено сопоставление рассчитанной в диссертации статической модуляционной характеристики (сплошная кривая) с экспериментально исследованной (пунктирная кривая) и констатировано их удовлетворительное совпадение.

На рисунке 9 показано сопоставление расчётного и экспериментально измеренного коэффициента модуляции. Как видно из рисунка, имеет место удовлетворительное совпадение расчётных и экспериментальных данных.

На основании результатов предварительного эксперимента и импедансных свойств ИПЛ, исследованных в первой главе, проведено проектирование и изготовлен макет СВЧ модулятора отражательного типа в волноводном исполнении, функциональная схема которого представлена на рисунке 10. Основное достоинство макета модулятора – возможность его технической реализации без применения каких-

либо сложных технологий, например в условиях ВУЗа.

Модуляторная секция показана на рисунке 11 и состоит из волноводного отрезка (1), с короткозамыкающим подвижным поршнем; с другой стороны к волноводному отрезку присоединена секция-модулятор в виде фланца (2), со встроенным в него лазерным диодом (3) . Устройство на рисунке 11 подключается к циркулятору, обеспечивающему ввод и вывод СВЧ-модулирующих сигналов.

Для проведения основного эксперимента разработан макет оптического СВЧ-модулятора, выполненный по эскизным чертежам собственной разработки, который может быть рекомендован в качестве новой элементной базы радиопередающих устройств оптического диапазона длин волн. Согласно полученным экспериментальным данным для упомянутого макета =3,58 (мВт), = 3,43 (мВт), (на рисунках 12, 13 показаны спектры излучения ИПЛ без воздействия СВЧ-модулирующего сигнала и при его воздействии, соответственно).

Коэффициент модуляции в этом случае составил 0,0381, то есть около 4%. Расчёт коэффициента модуляции по соотношению, приведенному в диссертации

(глава 1) с учётом упомянутых , при известном активном сопротивлении ИПЛ показал m≈6%, что удовлетворительно совпадает с результатами эксперимента. Кроме того, эти данные хорошо согласуются с опубликованными в литературе результатами, полученными У. Тсангом, А. Яривом и Р. Хансперджером.

Современные лазерные диоды как корпусные, так и бескорпусные имеют различные конструкции. Основным фактором, не позволяющим резко увеличивать частоту модулирующего сигнала, является ограничение частоты модуляции из-за ограничения времени жизни фотона в резонаторе, которое зависит от особенностей конструкции ИПЛ. В настоящее время эта проблема решается правильным выбором конструкции ИПЛ для высокочастотной модуляции, что открывает возможности ещё более эффективного использования полученных в настоящей работе теоретических и практических результатов при разработках СВЧ оптических модуляторов. Так, согласно рекомендациям У. Тсанга, для модуляции сигналами частот выше 10 ГГц применяют лазеры с зарощенной гетероструктурой с коротким резонатором. С целью минимизации влияния паразитных параметров корпуса лазерного диода в данной работе был выбран бескорпусной ИПЛ, конструктивные особенности которого позволяют подводить СВЧ-энергию напрямую к p-n переходу ИПЛ, в результате чего можно существенно увеличивать частоту модулирующего сигнала.

Предварительный и основной эксперименты, проведенные в процессе выполнения диссертации, подтвердили правильность избранного механизма модуляции и модели модулятора, разработанной под этот механизм.

В заключении приведен краткий обзор решенных задач и полученных результатов.

Материалы всех разделов показывают, что принятый в диссертации механизм амплитудной модуляции генерирующего ИПЛ, состоящий в управлении потоком свободных носителей зарядов положительно смещенного p-n перехода ИПЛ, осуществляемым СВЧ напряжением, действующим на p-n переходе ИПЛ в виде малой добавки к постоянному напряжению питания ИПЛ, полностью себя оправдал. Модель оптического СВЧ-модулятора, разработанная на основе такого механизма, дала положительные результаты в виде аналитических соотношений, позволяющих оценивать основные характеристики оптических модуляторов при проведении их инженерных разработок, результаты расчётов были подтверждены экспериментально.

Намечены основные направления дальнейших исследований, которые должны включать в себя создание инженерной методики расчёта оптических СВЧ-модуляторов, для которой необходимо уточнить: эквивалентную схему модулятора, основное уравнение, описывающее колебательный процесс в модуляторе, аналитические

соотношения для расчёта основных параметров и анализа устойчивости модулятора.

На основе перечисленных направлений исследований возможно создавать более совершенные образцы модуляторов, в которых должен быть конструктивно решен вопрос эффективного согласования ИПЛ с каналом СВЧ поднесущего колебания.

Приложение А содержит справочные сведения по одномодовому Фабри-Перо лазерному диоду a12m-KP1439(2). В приложении Б приведены выражения для активных частей проводимостей системы на различных гармониках и комбинационных частотах, которые обычно считают паразитными. В приложении В приведена проверка размерности выведенного в данной диссертационной работе классического дифференциального уравнения второго порядка, относительно искомого вынужденного колебания и методика решения уравнения оптической автоколебательной системы. В приложении Г приведен комплект эскизной документации на СВЧ-модулятор отражательного типа. В приложении Д приведен краткий обзор наиболее распространённых типов полупроводниковых лазеров.

Список публикаций

1) , Орда-, Михеев устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров в приближении модели, описываемой скоростными уравнениями // «Радиотехника и электроника», 2006, том 51, №4. с. 509-512.

2) Орда-, Алексеев свойства инжекционных полупроводниковых лазеров – 5 с.// «Антенны», 2008, Выпуск 11 (в печати).

3) , Орда-, Михеев устойчивости оптических модуляторов // «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 1(50). с. 60-64.

4) Орда- СВЧ модулятор GaAs лазера отражательного типа. – 4 с.// «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 2(51). с.125-129.

5) Орда-, Михеев устойчивости колебательной системы инжекционного полупроводникового лазера // Тезисы докладов и сообщений III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Волгоград, 2004, с. 349.

6) Орда-, Михеев СВЧ-модулятор отражательного типа // Тезисы докладов Одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» — Том 1, Москва, 2005, с.96-97.

7) Алексеев Ю. И., Орда-Жигулина М. В., Михеев устойчивости

оптических модуляторов при модуляции СВЧ-сигналами // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ 2005» Таганрог, 2005, с.79-80.

8) Алексеев Ю. И., Орда-Жигулина М. В. О сопоставлении двух методов расчёта активной части сопротивления инжекционного полупроводникового лазера // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ 2005» Таганрог, 2007, с.87-88.

9) Орда-Жигулина устойчивости инжекционного полупроводникового лазера как грубой колебательной системы // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2004, с.71-72.

10) Орда-Жигулина модулятор GaAs-лазера на IMPATT-диоде // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2004, с.72-73.

11) Орда-Жигулина устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров методом параметрических диаграмм // Тезисы докладов и сообщений Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2005, с.281-283.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора данной диссертационной работы состоит в следующем: в работах [1, 3, 5, 7] проведен вывод основных аналитических соотношений; в работах [2, 6, 7] проведены расчёт импедансных свойств, амплитудно-частотных характеристик модулятора и описан разработанный автором макет модулятора. Основные результаты представленной диссертационной работы получены автором лично.

Типография технологического института

Южного Федерального университета в г. Таганроге

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

Источник