ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СВЧ-МОДУЛИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования автодинного детектора

-3 -2

где N - концентрация носителей заряда, см ; J - плотность тока накачки, А-см ; d - толщина активного слоя лазера, см; е - заряд электрона; xs - время спонтанной из-лучательной рекомбинации носителей, с; а - коэффициент оптического усиления, см с ; Nom - концентрация носителей зарядов в активной области лазера в случае равенства нулю коэффициента усиления среды; P - плотность фотонов в моде резонато-

-3

ра, см ; 1 - часть оптической моды, распространяющаяся внутри активного слоя; хр - время жизни фотона в резонаторе, с; Р - доля спонтанного излучения, попадающего в лазерную моду.

Проведем следующую нормировку переменных: концентрацию электронов N и концентрацию электронов, соответствующую наступлению инверсии Nom, нормируем на величину 1/а тр; плотность фотонов -на 1/a xs; плотность тока инжекции - на

х

xsaxp/ed; время t - на xs; частоту ш - на 1/xs. Введем у = —. В нормированном виде

система скоростных уравнений принимает вид

dN dt dP_ dt

= J - N - (N - Nom )P, = у[Г(N - Nom )P - P + TpN].

В дальнейшем используем только нормированные параметры. Мощность излучения ИПЛ1 0) и плотность фотонов в активной среде ИПЛ1 Р^) можно представить как [1]

01«) = 0,0 + бм • ^, Р (/) = Р, 0 + Рц • е^,

а связь между ними выражается в виде [3]

1 - R

1 V 1 Qi(t) = ЗД(0, »1 =1 hv-ln(-—)

2 l R1R2 1 - R R / R - (1 - R )

(1)

где Я1, R - коэффициенты отражения; ¥а = 81 - объем резонатора лазера; V - частота оптического излучения; I - длина резонатора. Плотность фотонов Р1 (^) и концентрация носителей зарядов в активной среде N (^) = N0 + N1 • ИПЛ1 определяются сле-

<

дующими выражениями [1]:

P,0 = Л0Г - (ВД^ +1) N1,0 = Nlom +1/Ц, pu = JXXMP (ш)

у1Г1( P,o +Р1)

Mv (ш) =

( N1 ,0 - N1om )У1Г1 (P1 - 1 - /ш) + (/ш + Y1 Х/ш + 1 + р1,0 )

(2)

где = ^0 + ^ц • - ток накачки ИПЛ1; Г1зР1зу1з- параметры ИПЛ1; зависимость Мр (ш) обычно называют АЧХ лазера.

При описании работы ИПЛ2 излучение от ИПЛ1 рассматривается как поток фотонов, инжектируемых в активную среду ИПЛ2. Скорость инжекции фотонов пропорциональна 1/ тп, где тп = I/- время прохода фотонов в ИПЛ2, I - длина резонатора ИПЛ2, = с / п - скорость движения фотонов в лазерной среде ИПЛ2, с - скорость

света в вакууме, п - коэффициент преломления. Плотность инжектируемых фотонов в активной среде ИПЛ2 определяется как

Рв1 =_ би

01(/) _ » , с / о _ 01,0 '

82 Вус8ф

Pb (t) = = PE, 0 + PE, 1 • ejm, Pe, 0 =

S2B • vc • 8ф

S2B • vc • 8ф

(3)

где 82В - площадь сечения активного слоя ИПЛ2; в ф- среднее значение энергии фото-

нов.

С учетом внешних инжектируемых фотонов от ИПЛ1 система скоростных уравнений для ИПЛ2 в нормированном виде принимает вид

dN2

dt dPP

= J2 - N2 - (N2 - N2om P

dt

= Y 2

Г2 (N2 - N2om )P2 - P2 + Г2Р2 N2 1,2 (PB,0 + Pb,1J )]•

(4)

Здесь = —; 2 - коэффициент согласования лазеров по спектрам излучений.

В малосигнальном режиме решение системы (4) имеет вид

N 2,0 =■

2Г

N2 (t) = N2,0 + N2,em, P2 (t) = P20 + P2,1j, 1 + (J2 + N2om )Г2 + PA - N2omP2Г2 ^(P + P A)2 + - ©

где ©2 = Р2Щ - PA N2om - 2N2om - N2omJ2Г2 - N^^] ;

P2,0 =Г2 J2 + Pa + Г2 (P 2 -1) —

2Г 2

N 2,1 =

2Г 2

P2 = J2Г2 -(Г2N2om +1); Pa = ^ 1,2Pb,0;

1 r1 + (J2 + N2om)Г2 + Pa -4(P + PA)2 + 4PA-©2 -Y 2 Ps,1( N2,0 - N2om )

-1 Y2[-Г2(1 + »(N2,0 - N2om) + (1 + /ш+ P2,0) + Г2P2(N2,o - N2om )] + /ш(1 + /Ш + Py,) '

P2,1 =

Y 2 Ps,1(1 + /ш + P20)

Y2 [ Г2 (1 + jw)(N2 ,0 N2om ) + (1 + /Ю + P2,0 ) + Г2в2 (N2,0 - N2om )] + j®(1 + j® + P2,0 )

(5)

(6)

I

п

1

Здесь Г2,Р2,у2,М2от - параметры ИПЛ2.

Полученные результаты позволяют определить соотношение Ьр (ш) =

Р2Л

по-

^ 1,2 рб,1

казывающее, во сколько раз поток инжектируемых фотонов усиливается в среде детектора ИПЛ2 за счет индуцированного излучения. Данное выражение имеет смысл коэффициента усиления детектора. На рис.2 показано, что эффект усиления сигнала в самом детекторе обладает резонансным свойством, причем чем меньше уровень инжектируемых фотонов, тем больше коэффициент усиления детектора. Резонанс наблюдается в области частот, лежащих в окрестности релаксационной частоты лазера (ИПЛ2). В области высоких частот эффект усиления ослабевает, но по-прежнему мало зависит от мощности инжектируемых фотонов.

Рис.2. Зависимость коэффициента усиления детектора Ьр от частоты СВЧ-сигнала: 1 - РА = 0,0001; 2 - РА = 0,0002; 3 - РА = 0,0005

Изменение общего количества носителей зарядов в активной области вызывает переменный ток через р-и-переход ИПЛ2, амплитуда которого определяется выражением [1]

3 2,1 =

N 2ДЛ/5т7а/Г+/Ю

(7)

где ё - толщина активного слоя ИПЛ2.

После преобразования выражений (5) и (7) с учетом (3), (2), (1) получим окончательную формулу для определения 32 г :

32,1 = 31,1Я(ш) = Лг^1,2К(ш) ,

(8)

где К (ш) = Мр (ш) Ь„ (ш)

/Ох^л/1 + гш ^

^2БУс 8ф

, ^ (ш) =

N2,1

Рбг

Н(ш) представляет собой передаточную функцию автодинной системы, которая является частотно зависимой, и выражается в виде произведения двух компонент

Н(ш) = ^ 2К(ш). Первая компонента учитывает согласование применяемых лазеров в автодинной системе по спектрам излучений, вторая компонента ^(ш) показывает зависимость плотности переменного тока /2д от параметров лазеров и частоты СВЧ-сигнала. Для повышения /2д необходимо увеличить Н (ш) = ^ 2К (ш), что может

быть достигнуто изменением величин ^(ш) и Компонента ^(ш) сложно зависит от параметров лазера, и ее изменение связано в основном с конструкцией и материалами лазера. Следовательно, больший интерес для исследователя представляет параметр согласования В реальных условиях может меняться в весьма широких пределах в зависимости от спектров излучения лазеров [3], существенно влияя на результат детектирования. В связи с этим можно утверждать, что в автодинной системе детектирования наличие высокого коэффициента согласования - главное условие эффективности ее работы. Кроме того, мощность продетектированного сигнала в автодинной системе будет низкой, если не обеспечены хорошие условия распространения излучения ИПЛ1 в среде ИПЛ2.

■30

-701-1-1-1-1-1-

0 1 2 3 4 5 6

Частота СВЧ-сигнала, ГГц Рис.3. Теоретическая (1, 2) и экспериментальная (1', 2) зависимость коэффициента передачи системы от частоты СВЧ-сигнала при разных токах накачки лазеров:

1, Г - j = 5,42-103 А/см2, j2 = 5,42-103 А/см2; 2, 2' - j = 5,42-103 А/см2; j2 = 6-103 А/см2

На рис.3 представлены частотные зависимости теоретического и экспериментального коэффициентов передачи исследуемого детектора. При расчетах использованы следующие типичные параметры для обоих лазеров: тs = 4 нс; тp = 2 нс; d = 0,2 мкм;

а = 2,8 -10"6см3 • c"1; Nom = 4,5 • 1017см"3; р = 3 -10"4; l = 150 мкм; Г = 1; n = 3,4;

R = R2 = 0,3; ц12 = 10"6 .

Основной экспериментальной характеристикой системы, подлежащей измерению, является коэффициент передачи по мощности, зависимость которого от частоты измерена с помощью векторного анализатора типа R&S® ZVA. Расчетный коэффициент передачи определяется функцией Н(ш). Из рис.3 видно, что расчетные и экспериментальные значения коэффициента передачи имеют хорошее совпадение в области высоких частот и удовлетворительное - в окрестности частоты релаксации. Такое положение объясняется различием параметров реальных лазеров и изменением коэффициента со-

гласования при вариации токами накачки, что приводит к увеличению спектральной неидентичности лазеров.

В заключение следует отметить, что анализ процесса альтернативного детектирования проведен в малосигнальном режиме без учета нелинейного резонанса в ИПЛ при воздействии на его р-и-переход модулирующих СВЧ-сигналов высокого уровня [4]. Очевидно, что прямой учет такого сложного явления приведет к громоздким соотношениям и его существенное влияние на исследуемые процессы может составить предмет отдельной работы.

Литература

1. Тсанг У. Полупроводниковые инжекционные лазеры, динамика модуляция и спектры. - М.: Радио и связь, 1990.

2. Гауэр Дж. Оптические системы связи. - М.: Радио и связь, 1989.

3. Моделирование ватт-амперных и спектральных характеристик полупроводниковых лазеров на основе InGaAlAs/InP / А.В. Иванов и др. // Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36, № 10. - С. 918-924.

4. Орда-Жигулина М.В., Алексеев Ю.И. Амплитудно-частотное преобразование при СВЧ-модуляции инжекционных полупроводниковых лазеров // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - № 6(86). - С. 25-28.

Статья поступила 14 апреля 2011 г.

Алексеев Юрий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры антенн и радиопередающих устройств (АиРПУ) ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: генерация, усиление и преобразование СВЧ-колебаний, модуляция и детектирование оптических колебаний, мощные СВЧ-генераторы шума.

Орда-Жигулина Марина Владимировна - доцент кафедры АиРПУ ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: генерация, усиление и преобразование СВЧ-колебаний, модуляция и детектирование оптических колебаний, мощные СВЧ-генераторы шума. E-mail: jigulina@mail.ru

Ле Тхай Шон - студент ТТИ ЮФУ.