CC BY
10Y. I. Alekseev, A. V. Dem'yanenko, T. V. Streblyachenko Technology institute of South federal university
Anisochronal properties of Gunn self-oscillator accounting during its synchronization
Influence of amplitude dependence of reactive component of Gunn diode conductivity on asymmetry of synchronized self-oscillator frequency response function is discussed.
Untapered oscillator, amplitude-frequency characteristic, synchronization, Gunn diode
Статья поступила в редакцию 8 марта 2008 г.
УДК 621.372.8
Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко
Технологический институт Южного федерального университета
| Твердотельный многофункциональный оптоэлектронный модуль
На основе анализа положения дел в области СВЧ-модуляции оптических колебаний предлагается разработка нового прибора электронной техники, объединяющего функции генерации несущего и поднесущего колебаний.
СВЧ-Модуляция, оптический передающий модуль, оптический диапазон
С появлением инжекционных полупроводниковых лазеров (ИПЛ) - эффективных источников излучения, вырабатывающих электромагнитную энергию в оптическом диапазоне длин волн, возникла реальная возможность проведения миниатюризации систем
передачи и обработки информации, работающих на частотах 1014 Гц и более. Модуляция несущего колебания в таких источниках связана со значительными трудностями инженерного характера, что подтверждалось при применении различных способов модуляции светового луча до тех пор, пока не была исследована возможность использования для целей модуляции различных полупроводниковых материалов и устройств на их основе. Уже первые работы с полупроводниковыми материалами показали, что эффективная модуляция
ИПЛ возможна частотами поднесущего колебания 1010 Гц и более. Современное состояние твердотельной лазерной техники позволяет говорить о частотах модуляции до 30 ГГц, что подтверждается многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями [1]. Таким образом, открывается возможность инженерной разработки оптических СВЧ-модуляторов и обеспечения тем самым радиопередающих устройств оптического диапазона основной элементной базой.
В процессе исследования технических путей реализации эффективной модуляции ИПЛ СВЧ-сигналами различных диапазонов установлено, что при этом действуют следующие основные механизмы модуляции [1]:
• изменение концентрации свободных носителей;
• изменение подвижности свободных носителей;
• внутризонное поглощение в полупроводнике;
• сдвиг спектральной границы поглощения.
70 © Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В., 2008
Все механизмы проявляются в той или иной степени при наличии дополнительного электрического поля, создаваемого поднесущим колебанием СВЧ, осуществляющим модуляцию светового излучения, причем в зависимости от материала полупроводника какой-либо из этих механизмов превалирует. При разработках современных ИПЛ на основе гетеропереходов применяется преимущественно арсенид галлия (ОаЛБ) из-за высокой эффективности инжекции и увеличения в данной связи ширины полосы модуляции.
Генерация поднесущего колебания в настоящее время осуществляется на основе двух твердотельных приборов СВЧ - лавинно-пролетных диодов (ЛПД) и диодов Ганна. Конструкции упомянутых генераторных диодов унифицированы и разработаны таким образом, что их применение в волноводных, коаксиальных и микрополосковых колебательных системах СВЧ не вызывает технических затруднений.
В этой связи представляется целесообразным разрабатывать оптические модуляторы на основе генераторных СВЧ-камер, в состав которых должны быть введены бескорпусные ИПЛ, предварительно установленные на конце волоконно-оптической линии, выводящей модулированное оптическое колебание. На другом конце волокна устанавливается стандартный оптический разъем для подключения к аппаратуре анализа. При этом неоднородности, созданные отрезком волокна и проводом питания ИПЛ в резонаторе подне-сущего колебания, компенсируются общепринятым способом для сохранения амплитудно-фазового баланса при генерации поднесущей. Основные трудности в данных разработках - выбор места включения ИПЛ в полости резонатора и оптимальное согласование им-педансов активных элементов несущего и поднесущего колебаний - напрямую связаны с эффективностью модуляции, что неизбежно приводит к изменению конструкции генератора поднесущего колебания. Кроме того, разработка модулятора усложняется непростым технологическим процессом заделки кристалла ИПЛ выходным волокном.
Указанной сложной конструктивной переработки генераторной камеры поднесущего колебания можно избежать, если разработать новый прибор электронной техники, объединяющий в одном корпусе два генераторных элемента, обеспечивающих одновременную генерацию несущего и подне-сущего (модулирующего) колебаний. В этом приборе в результате полевой связи между генерирующими кристаллами произойдет СВЧ-модуляция ИПЛ на основе физических механизмов, упомянутых ранее.
На рис. 1 показано возможное расположение на общем теплоотводящем керне 1 полупроводниковых структур ИПЛ 2, ЛПД 3 и фотодиода (ФД) 4, контролирующего работоспособность ИПЛ. Излучение ИПЛ выводится через оптическую линию 5. Питание на
Рис. 1
Контактная площадка
E
i i i
Контактная площадка
Вывод питания ИПЛ
Оптический разъем
Вывод для контроля тока фотодиода
Рис. 2 Рис. 3
полупроводниковые структуры подается через контактные площадки 6. Связь между генераторными структурами несущего и поднесущего колебаний осуществляется через СВЧ-поле Е (рис. 2). Расстояние между кристаллами ИПЛ и ЛПД устанавливается в процессе разработки прибора по критерию удовлетворения требованиям модуляционных параметров.
Примеры реализации многоструктурных полупроводниковых диодов в практике электронной техники имеются - это ЛПД с двойной мезаструктурой, диоды Ганна со сдвоенными "чипами" в СВЧ-приборах; оптроны (в оптоэлектронике) [2].
Разработанный прибор электронной техники формируется в одном из унифицированных корпусов, принятых для ЛПД и диодов Ганна. К нему присоединены волоконно-оптическая линия связи и два проводника, через которые запитывается ИПЛ и контролируется фототок (рис. 3). Более перспективным с точки зрения генерации поднесущей считается бескорпусный СВЧ-диод, выполненный в варианте рис. 1 (бескорпусные СВЧ-диоды также практикуются в электронной технике - это ЛПД 2А717А, Б и диоды Ганна 3 А722АМ-3 А724АМ).
Поскольку новый пробор электронной техники разработан в виде СВЧ-генераторно-го диода, генерация поднесущего СВЧ-колебания и модуляция СВЧ-колебаний подлежащим передаче информационным сигналом могут быть осуществлены общепринятыми в технике СВЧ способами.
Разработанный прибор фактически является автономным радиопередающим устройством оптического диапазона, объединяющим функции генерации несущего и поднесущего (модулирующего) колебаний. Эквивалентная схема прибора, принимаемая при расчете технических характеристик, представлена на рис. 4, где Gд и Bд
- активная и реактивная проводимости ЛПД соответственно; Gд и Bл - то же для
ИПЛ; Gф и Bф - то же для ФД; Gн - проводимость нагрузки; Bр - проводимость резонатора.
Выход модулированного оптического колебания
ИПЛ
Gt,
E
ttt
ЛПД
Bg
GT
B
G
Bp GH
Рис. 4
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 4
Параметры эквивалентной схемы рассчитываются на основании электрофизических параметров кристаллов ЛПД, ИПЛ и ФД, определяемых их материалами, и рабочих токов и напряжений активных элементов нового прибора. Обобщенные требования могут быть сформулированы следующим образом:
• по несущему (оптическому) колебанию:
- частота несущего колебания определяется по согласованию с заказчиком;
- мощность несущего колебания в непрерывном режиме генерации десятки - сотни милливатт;
• по поднесущему (модулирующему) колебанию:
- частота поднесущего колебания должна соответствовать литерной разбивке, присущей современным генераторным ЛПД и диодам Ганна;
- мощность поднесущего колебания в непрерывном режиме генерации десятки - сотни милливатт;
• модуляционные характеристики:
- коэффициент амплитудной модуляции 10.. .20 %;
- верхняя граница амплитудно-частотной характеристики модулятора устанавливается при разработке нового электронного прибора.
Библиографический список
1. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры / Дж. ван дер Зил, К. Лау, А. Ярив и др.; Под ред. У. Тсанга; Пер. с англ.; Под ред. Л. А. Ривлина. М.: Радио и связь, 1990. 319 с.
2. Волощенко П. Ю. Алгоритм анализа импедансных характеристик элемента колебательной системы многоструктурного лавинно-пролетного диода // Изв. вузов. Электроника. 1999. № 6. С. 61-67.
J. I. Alekseev, A. V. Demyanenko
Technology institute of the South federal university
A solid multifunctional optoelectronic device
A designing of a new electron device combining generation of carrier and subcarrier waves is suggested on the basis of analysis of the state of things in the area of microwave-frequency light modulation.
UHF-Modulation, optical transferring module, optical range
Статья поступила в редакцию 15 апреля 2008 г.
