Импедансные свойства лавинно-пролетного диодав режиме автодинного преобразованияоптических СВЧ-модулированных колебаний Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Полупроводниковая электроника, оптоэлектроника

УДК 535.8:621.373.52

А. В. Демьяненко, Ю. И. Алексеев, Д. Г. Ковтун Инженерно-технологическая академия Южного федерального университета

Импедансные свойства лавинно-пролетного диода в режиме автодинного преобразования оптических СВЧ-модулированных колебаний

На основе модели варианта альтернативного детектирования с применением метода В. А. Ко-тельникова получены импедансные свойства лавинно-пролетного диода в режиме автодинного детектирования оптических СВЧ-модулированных колебаний.

Лавинно-пролетный диод, оптическое внешнее воздействие, генерация СВЧ-колебания, детектирование оптических колебаний

В настоящее время интенсивное развитие получило оптическое управление полупроводниковыми устройствами. Для детектирования оптического сигнала широко применяются фотодиоды, однако их использование в СВЧ-диапазоне не всегда возможно. Поэтому целесообразно проводить исследования по разработке альтернативных методов детектирования оптических колебаний [1].

Известно [2], что лавинно-пролетный диод (ЛПД) эффективно взаимодействует с оптическими колебаниями и позволяет демодулировать (детектировать) оптические колебания за счет изменения ширины запорного слоя отрицательно смещенного р-и-перехода. В связи с этим целесообразно рассмотреть возможность детектирования оптических колебаний при помощи ЛПД. В этой области уже известно несколько решений с применением ЛПД, таких как детектирование генератором на ЛПД в режиме его синхронизации модулирующим сигналом, а также детектирование усилителем на ЛПД в режиме устойчивого усиления [3].

В настоящей статье рассмотрено детектирование амплитудно-модулированных оптических СВЧ-колебаний, когда ЛПД находится в режиме генерации автоколебаний, а частота внешнего СВЧ-колебания, подлежащего детектированию, - вне полосы синхронизации.

ЛПД, помимо хороших детектирующих свойств, обладает и свойствами фильтра низких частот (ФНЧ). Это позволяет представить воздействие

© Демьяненко А. В., Алексеев Ю. И., Ковтун Д. Г., 2013

светового потока в виде фототока с амплитудой

частотой

Ю Мод и фазой Фмод и

постоянной

7фтЬ

составляющей /фто:

7фт = 7фт0 + 7фт1 С08 (Юмод? + Фмод ) ,

где юмод и Фмод - частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое колебание.

Фототок, возникающий вследствие детектирования оптического сигнала, будем называть продуктом детектирования.

Поскольку учесть влияние всех процессов, возникающих на р-и-переходе ЛПД, на практике очень сложно и зачастую нецелесообразно, для определения импедансных свойств рассматриваемой системы и последующего составления уравнения ее состояния ограничимся несколькими основными сигналами, которые описаны далее.

Рассмотрим наиболее распространенную структуру р-и-перехода ЛПД (рис. 1). Оптический сигнал, модулированный по интенсивности, воздействует на переход перпендикулярно его плоскости. Диод помещен в колебательную систему и нагружен так, что в системе возникают автоколе-

Оптическое излучение

р-и-переход

Рис. 1

75

+

+

п

п

бания с частотой шг, фазой фг и амплитудой 1\. Положим, что ввиду высокой избирательности спектр автоколебаний состоит только из одного колебания на частоте генерации. На р-и-переход генерирующего ЛПД (ГЛПД) действует световой сигнал с амплитудной модуляцией со спектром, состоящим из несущего колебания юопт и двух боковых спектральных составляющих юопт — шмод и

шопт + ®мод.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики ГЛПД модулирующее СВЧ-колебание на частоте юмод взаимодействует с генерируемым колебанием, в результате чего возникают спектральные составляющие с частотами шг — ш

мод

юг +омод. Введем обозначение Q = rar -юмол и

мод

назовем колебание на указанной частоте вторичным продуктом.

В рассматриваемой модели известны интенсивность и параметры модуляции внешнего оптического сигнала, а также параметры генератора. Необходимо определить параметры продукта детектирования (колебания на частоте юмод ), влияние продукта

детектирования на режим работы автогенератора-детектора в зависимости от интенсивности и коэффициента модуляции оптического сигнала, а также влияние параметров автогенератора-детектора на продукт детектирования. Параметры сигнала на частоте вторичного продукта О получим, исходя из параметров автоколебания и продукта, т. е. находящихся во взаимодействии колебаний.

Анализ работы СВЧ-твердотельных автогенераторов и усилителей обычно базируется на предположении, что активная составляющая сопротивления активного элемента (диода) Яд слабо зависит от частоты в его рабочем диапазоне и сильно зависит от амплитуды СВЧ-колебаний [3].

Для получения импедансных свойств воздействие синусоидальных колебаний на нелинейное сопротивление проанализировано методом В. А. Ко-тельникова (методом первой гармоники) [4]. На основании указанного аппарата получены выражения для мгновенных значений гармонических составляющих напряжений, выделяемых на Яд,

на частотах генерации мяю, первичного ияо1 и вторичного ияц продуктов:

иЯ10 = [ай +(1/4)«3112 (311 + 4/фт1 ) +

(1/8)/^ (5/4 + 301-24Т1 + 18^)

cos а-;

мод?

uR01 = \[а1/фт1 + (V4) 03/фт1 (3/ф т1 + 4/1) +(1/8)/фт1«5 (5/4т1 + 30/фт1/12 +18/1)

uR11 = (V2) a2 /1/фт1 + (3/2) a4 /1/фт1 (( + /фт1) хcos(а1 амод) ,

где an = (1/n!) F(n) ((, /1, /фт1), n = 1, 3, 5 -коэффициенты разложения [4]; а = югt + фг и

а

мод = ®модt + фмод - мгновенные фазы соб-

ственного колебания автодина и сигнала модуляции оптического колебания соответственно, причем F (Iq, I\, /фт1 ) - аппроксимация амплитудной характеристики; юг и фг - частота и начальная фаза колебания автодина соответственно.

В результате активное сопротивление на частоте автоколебаний составляет:

Яг = U1q/I1 = If1 \[alIl + (1/4) a3I? ( + 41фт1) + + (V8)Vs ( + 30I121фт1 + 181фт1^

= a1 +(1/4)a3I1 (3I1 + 41фт1) +

(1/8)as (5/14

+ 30/12/фт1 +18/

фт1

где U10 - амплитуда напряжения независимости сопротивления на частоте генерации от амплитуды тока генерации приведены на рис. 2 (кривая 1 - без воздействия оптического сигнала, кривая 2 - при оптическом сигнале с /фт1 = 1 мА /фто = 40 мА).

Для активного сопротивления на частоте внешнего воздействия Лфт имеем:

^фт = UR01

//фт1 =

-1 фт1

а1/фт1 + (1/4) аз/фт1 (3/фт1 + 4/1)--(1/8)^5 (5/фт1 + 30/12/фт1 +18/4 j

Rг, Ом

/„ А

Рис. 2

= а + (1/4) аз /фт1 (3/фт1 + 4/1) -

ь(1/8 Ь(

5/фт1 + 30/1 /фт1 +18/

/4).

'фт^30/1 фт1

Зависимости сопротивления на частоте первичного продукта от амплитуды тока генерации приведены на рис. 3 (кривая 1 - /фт1 = 1 мА,

/фт0 = 40 мА; кривая 2 - /фт1 = 0.1 мА, /фто =

= 10 мА).

Для активного сопротивления на разностной частоте имеем:

кО = ияп//фт1 = /фт1(1/2 )[_а2

+ (3/2 )4 (( + /фт1 ) =

= (1/2 )[«2/1 +(3/2 )4/1 (/12 + /фтД

(1)

Зависимости сопротивления Яц от амплитуды тока генерации приведены на рис. 4 (кривая 1 -

/фт1 = 1 мА, /фт0 = 40 мА; кривая 2 - /фт1 =

= 1 мА, /фт0 = 10 мА).

Анализ зависимостей на рис. 2 показывает, что вносимое при имеющемся в реальной системе соотношении между амплитудами фототока и тока генерации (/1 ^ /фт1) оптическое воздействие слабо влияет на импедансные свойства на частоте генерации. Из (1) следует практическая независимость сопротивления на разностной ча-

-4.8 -5.0 -5.2 -5.4

Яфт, Ом

/1, А

Рис. 3

0.2 Рис. 4

стоте Яц от амплитуды внешнего воздействия при указанных условиях, что свидетельствует о возможности режима линейного детектирования. Протяженный линейный участок на зависимости сопротивления .фт (рис. 3) позволяет устанавливать рабочую точку в достаточно широких пределах. Вместе с тем выраженная нелинейная зависимость сопротивления Яц от амплитуды собственных автоколебаний ГЛПД (рис. 4) указывает на необходимость стабилизации этой амплитуды, поскольку она может значительно изменяться при воздействии оптического сигнала как в большую, так и в меньшую сторону [2].

Анализируя зависимости реактивных сопротивлений (реактансов) от тока генерации и фототока по аналогичной методике, получим следующие выражения:

их 10 = [¿й + (1/4 М (3/1 + 4/фт1) +

+ (1/8)71*5 (5/14 + 30/1 /фт1 +18/фТ1) +

-(35/64) ¿7 /^

/1 + 4/? , +12/? Л +18/1 /,

фт1 х 008 а;

фт1 1

2 т4

Ч /фт1

Хг = Цую/А = /Г1 [¿1/1 +(1/4)3/2 (3/1 + 4/фт1) + + (118)/1Ь5 (5/4 + 30/2 /фт1 +18/фт1) + (35564) х

х ¿7 /1 (/16 + 4/фт1 + 12/фт1/14 +18/12 /фт1

= ¿1 +(1/4)^3 /1 (3/1 + 4/фт1) +

11 фт1 ^^фт^

(118)¿5 (5/14 + 30/2/фт1 +18/,4

-(35/64) ¿7 /^

фт1/ +

( + 4/фт1 + 12/фт1/4 +18/12 /фт1) ;

иХ 01 = +

"р фт1

+ (14) ¿3/фт1 (3/фт1 + 4 /1) + (1/8)^1^5 (фт1 (35/64)¿7 (/фт1 + 4/6 + 12/1 /фт1 + 18/фт^/1

|5/фт1 + 30/!2/фт1 +18/14) +

'1 фт1 Г3Т5

х 008 а

мод'

Хфт = и

X 01

//фт1 =

=/,

фт1

¿1/фт1 + (V4) ¿3 /фт1 (3/фт1 + 4 /1) +

5/фт1 + 30/? /фт1 +18/1) +

+ (1/8)/фт165 (фт1 +-^1 ^фт1 (35/64) Ц

= ¿1 +(14) ¿3 /фт1 (3/фт1 + 4/1)

(т1 + 4/1 +12/1 /фт1 + 18/фт1/1

-am (5/;

4

фт1

+ 30/i2 /фт1 +18/1 ) т3 А

+

2 г4

-(35/64)^ (/фт1 + 4/16 + 12/f /фт1 + 18/фт1/1

uX11 -

(V2)b2 /1/фт1 +(3/2)Й4 /1/фт1 (/12 + /фт1) + ) cos (( -аМОд);

/2/фт1 ■

( +10/2/Li + 3/

фт1 J

-(5/8)йб (3

XQ - UX11/- /ф,г1 х (1/2)^2 /[/фт1 +(3/2)b4 /1/фт1 (/12 + /фт1 )

"(5/8) ¿6 (3/14 +10/2 /фт1 + 3/фт1) - (1/2)2/1 +(3/2)4/1 (( + /фт1) + (5/8)Ьб(

( +10/12 /фт1 + 3/4.1)

(2)

где Ъп, п = 1, 7 - коэффициенты разложения реактивного сопротивления диода.

Зависимости реактансов Хг, Хфт и XQ от

амплитуды тока генерации 11 приведены на рис. 5, 6 и 7 соответственно. Параметры кривых на рис. 5: кривая 1 - без оптического воздействия, кривая 2 -1фт1 = 4 мА, 1фто = 40 мА; на рис. 6: кривая 1 -

1фт0 = 40 мА, кривая 2 - 1фто = 4 мА; на рис. 7: 1фт1 = 0 2 мА, кривая 1 - 1фто = 2 мА, кривая 2 -1фт0 = 4 мА, кривая 3 - 1фто = 5 мА. Расчет проведен для значений коэффициентов Ь = 54.82, Ъ2 = —0.657, Ь3 = —24.86, Ъ4 = 2.86, Ь5 = 57.05, Ь6 =—4.0, Ъ7 =—57.24.

Из (2) следует, что при характерном соотношении амплитуд фототока и тока генерации внешнее воздействие практически не влияет на значение реактанса XQ. В то же время постоянная составляющая фототока существенно влияет

0.2 0.4 0.6 /1; А

Хг, Ом

-40

-80

-120

Х фт > Ом

X а, Ом

0.2

0.1

Рис. 5 0.2 0.4

~1-Г

Рис. 6

-0.1

0.6 ~г

/1, А

3 I

V,

// ^

/1, А

Рис. 7

на крутизну его изменения (рис. 7) при изменении амплитуды тока генерации. В целом рассмотренные реактивные сопротивления незначительны по отношению к реактивным сопротивлениям других узлов ГЛПД, что позволяет рассматривать цепь по схеме на рис. 1 на частоте вторичного продукта как чисто активную.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Seeds A. J., Salles de A. A. Octical control of microwaves semiconductor devises // IEEE Trans. on microwaves technol. and tech. 1990. Vol. MTT-38, № 5. P. 577-585.

2. Алексеев Ю. И., Орда-Жигулина М. В., Демья-

ненко А. В. Вопросы СВЧ-модуляции и демодуляции излучения полупроводниковых лазеров. Таганрог:

Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. 209 с.

3. Демьяненко А. В., Алексеев Ю. И. Исследование лавинно-пролетного диода для детектирования СВЧ амплитудно-модулированных колебаний // Изв. вузов. Электроника. 2010. № 4 (84). С. 70-74.

4. Котельников В. А., Николаев А. М. Основы радиотехники: в 2 ч. М.: Гос. изд-во лит. по вопросам связи и радио, 1954. Ч. 2. 373 с.

0

0

A. V. Demyanenko, Yu. I. Alekseev, D. G. Kovtun Engineer-technology academy of Southern federal university

Impedance properties of the IMPATT converting optical microwave-modulated oscillations diode mode autodyne

It is based on the review of alternative detection model variant. It is used method of VA Kotelniokva. It's obtained impedance properties of the IMPATT diode autodyne detection mode optical microwave-modulated oscillations.

IMPATT diode, optical external stress, the generation of microwave oscillations, detection of optical oscillations

Статья поступила в редакцию 15 июля 2013 г.