CC BY
80ВКВО-2019- Стендовые
МОДЕЛЬ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ФОТОНИКИ
Киреев К.В.1, Герасимов М.В.1*, Пьянзин Д.В.1, Ушаков С.Н.1'2, Волков И.А.1, Нищев К.Н.1
1 Национальный исследовательский Мордовский государственный университет, г. Саранск 2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН г. Москва * E-mail: gerasimov. mv 12@gmail. com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16160
На сегодняшний день радиофотоника является одной из самых динамично развивающихся областей науки и техники. Совместное использование средств фотоники и СВЧ-радиоэлектроники позволяет создавать устройства с уникальными техническими характеристиками. Применение фотонных технологий в радиоэлектронике привело к созданию оптоэлектронного генератора (ОЭГ) [1-4], ключевой особенностью которого является использование фотонной линии в качестве цепи обратной связи, что открыло широкие возможности для снижения его фазового шума [5].
Современные системы связи, радиолокационные системы, измерительные средства и системы испытания оборудования предъявляют повышенные требования к спектральной чистоте используемых СВЧ-сигналов. Таким образом, задача построения СВЧ-генераторов с предельно низкими фазовыми шумами представляется весьма актуальной.
Низкий уровень потерь в фотонной линии позволяет реализовать для генератора резонатор большой длины и, следовательно, высокой добротности. Ширина спектра отдельной моды обратно пропорциональна квадрату времени задержки в петли обратной связи и мощности генерации [6]. При этом спектр генерации ОЭГ представляет собой ряд равноудалённых друг от друга частот - мод, а межмодовый интервал в схеме с длинным резонатором часто оказывается значительно меньше полосы пропускания используемого полосно-пропускающего фильтра, что приводит к могомодовому режиму генерации ОЭГ [7]. Одной из основных проблем ОЭГ является проблема одномодового режима генерации. Для нахождения компромисса и использования методов селекции продольных мод в оптических резонаторах для получения одночастотного режима генерации предложено несколько решений, одним из которых является применение многоконтурной схемы ОЭГ [8].
Для эффективного проектирования радиофотонных систем необходимо проведение модельного эксперимента с применением средств вычислительной фотоники [9 -11]. Программные модели позволяют имитировать условия работы устройств и изменять характеристики компонентов в очень широких пределах, что часто бывает невозможно осуществить с помощью физических моделей.
Рис. 1. Схема модели двухконтурного ОЭГ с оптическим суммированием
В настоящей работе в среде ОрИ8у$1еш созданы модели одно-, двух- и трехконтурных ОЭГ. При этом особое внимание уделено глобальным параметрам моделирования, выбору ключевых
306 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВО-2019 Стендовые
компонентов разрабатываемых моделей, их параметров и передаточных функций, что позволило задать частотные параметры моделирования и режимы работы каждого из компонентов.
Модель двухконтурного ОЭГ (рис. 1) включает в себя следующие компоненты: генератор оптической несущей, двухтактный модулятор Маха -Цандера (ММЦ), сумматор оптических мощностей, в котором происходит интерференция оптических сигналов, промодулированных в разных контурах, блок временной задержки, одномодовое волокно, PIN-фотодиод, полосно-пропускающий фильтр, широкополосный усилитель, элемент задержки на итерацию, делитель мощности сигнала, полосно-пропускающий фильтр (с полосой пропускания 20 МГц), анализатор спектра сигнала.
Представлена динамика перехода ОЭГ в квазистационарный режим при варьировании коэффициента усиления (рис. 2а). Обнаружено, что в режиме установления генерации уровень фазового шума ниже, чем в квазистационарном режиме, что связано с переходом ММЦ в нелинейный режим работы. Стабилизация уровня амплитуды сигнала на выходе ОЭГ обусловлена нелинейной передаточной функцией ММЦ, что позволяет использовать в модели идеальные передаточные характеристики фотодетектора и усилителя без нарушения условия физической реализуемости схемы.
1000 | 100 Г
со
i
.о
g 10 г
1
3"
о
2 1 t
¡
1
Рис. 2. (а) Временная (от цикла к циклу) эволюция мощности сигнала на выходе фотодетектора при различных коэффициентах усиления G. (б) Спектр генерации двухконтурного ОЭГ (для G = 52,5 и
N = 1000) при временах задержки ti = 50 нс и Т2 = 250 нс Поскольку ширина моды не зависит от ее частоты, то выбор моды с центральной частотой 100 МГц дал возможность повысить частотное разрешение до 3 кГц при используемых вычислительных ресурсах. Основные результаты модельных экспериментов:
• Найдены оптимальные коэффициенты усиления и представлена динамика перехода ОЭГ в квазистационарный режим.
• Использование систем связанных резонаторов (контуров) с разной добротностью позволило уменьшить ширину моды, но сохранить одномодовый режим генерации ОЭГ.
• Использование явления интерференции оптических сигналов уменьшает ширину основной моды выходного сигнала и сглаживает уровень шума в остальной части спектра генерации (рис. 2б).
• В режиме установления генерации уровень фазового шума ниже, чем в квазистационарном режиме.
• Уменьшение ширины линии излучения генератора оптической несущей снижает фазовый шум, а дисперсия оптического волокна нарушает генерацию в области высоких частот.
Полученные результаты не только качественно, но и количественно согласуются с литературными данными, в частности, по уровню мощности выходного сигнала и временной эволюции при переходе в стационарный режим генерации.
Литература
1. Neyer A., Voges E., Appl. Phys. Lett., 40(1), 6-8 (1982)
2. Grigor'yants V.V. et al., Optical and Quantum Electronics, 17(4), 263-267 (1985)
3. Yao X.S., Maleki L., Electronics Letters, 30(18), 1525-1526 (1994)
4. Белкин М. Е., Лопарёв А. В., Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №6, 62-70 (2010)
5. Бельчиков С. А. Компоненты и технологии, №5, 139-146 (2009)
6. Yao X.S., Maleki L., IEEE Journal of Quantum Electronics, 32(7), 1141-1149 (1996)
7. А. В. Лопарёв, М. Е. Белкин, Материалы Международной научной конференции Intermatic, 134-138 (2011)
8. Yao X.S., Maleki L., IEEE Journal of Quantum Electronics. 36(1), 79-84 (2000)
9. Levy E.C. et al., Optics Express, 18(20), 21461-21476 (2010)
10. Лопарев А.В. Научный вестникМИРЭА, №2(9), 41-48 (2010)
11. Задорин А.С., ЛукинаА.А. Доклады ТУСУРа, 19(4), 81-84 (2016)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 307
