Исследование автогенерации сверхвысокочастотного сигнала в радиофотонных активных кольцевых резонаторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Таценко Иван Юрьевич

• Таценко Иван Юрьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Таценко Иван Юрьевич

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. Генерация сверхвысокочастотных сигналов в оптоэлектронных кольцевых резонансных системах (обзор)

1.1. Способы генерации сверхвысокочастотных сигналов при использовании оптического излучения

1.2. Оптоволоконная линия передачи сверхвысокочастотного сигнала

1.3. Перестраиваемые оптоэлектронные генераторы

1.4. Физические резервуарные вычисления

1.5. Выводы

2. Автогенерация сверхвысокочастотного сигнала в оптоэлектронном генераторе без усилителей

2.1. Модель оптоэлектронного генератора без усилителей

2.2. Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики разомкнутого кольца

2.2.1. Разомкнутое кольцо без полосно-пропускающего фильтра на поверхностных спиновых волнах

2.2.2. Разомкнутое кольцо с полосно-пропускающим фильтром на поверхностных спиновых волнах

2.3. Порог автогенерации СВЧ-сигнала в кольцевом резонаторе без усилителей

2.4. Особенности резонансного спектра радиофотонного кольцевого резонатора

2.4.1. Резонатор без полосно-пропускающего фильтра

2.4.2. Резонатор с полосно-пропускающим фильтром на поверхностных спиновых волнах

2.5. Спектр фазового шума оптоэлектронного СВЧ-генератора без усилителей

2.6. Экспериментальное исследование автогенерации СВЧ-сигнала в ОЭГ без усилителей

2.6.1. Генератор без полосно-пропускающего фильтра на поверхностных спиновых волнах

2.6.2. Модификация модели Яо-Малеки

2.6.3. Генератор с полосно-пропускающим фильтром на поверхностных спиновых волнах

2.7. Выводы

3. Исследование оптоволоконной линии с положительным коэффициентом передачи аналогового сверхвысокочастотного сигнала

3.1. Экспериментальный макет ОВЛП

3.2. Амплитудно-частотные характеристики ОВЛП

3.3. Однодецибельная компрессия в ОВЛП

3.4. Гармонические искажения в ОВЛП

3.5. Интермодуляционные искажения в ОВЛП

3.6. Выводы

4. Исследование генерации СВЧ-сигнала в оптоэлектронном генераторе на основе газовой ячейки

4.1. Фильтрация СВЧ-сигнала за счет фазово-амплитудного преобразования оптического сигнала

4.1.1. Экспериментальный макет перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра на основе ОВЛП с газовой ячейкой

4.1.2. Результаты исследования фильтрации СВЧ-сигнала

4.2. Экспериментальный макет оптоэлектронного генератора

4.3. Результаты исследования оптоэлектронного генератора

4.4. Выводы

5. Исследование магнон-фотонной резервуарной вычислительной системы

5.1. Модель физического резервуара

5.2. Теоретическое исследование магнон-фотонного резервуара

5.3. Оценка производительности физического резервуара

5.4. Экспериментальное исследование магнон-фотонного физического резервуара

5.4.1. Характеристики компонентов экспериментального макета физического резервуара

5.4.2. Исследование переходных процессов в магнон-фотонном физическом резервуаре

5.4.3. Исследование вычислительных способностей физического резервуара

5.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Plas мощность оптического излучения лазера

Vn полуволновое напряжение электрооптического модулятора

Усм напряжение смещения

/opt длина оптоволокна

т время задержки

d расстояние между антеннами спиновых волн

f частота Лисона

^ граничная частота фликкер-шума

АЧХ амплитудно-частотная характеристика

ГИ гармонические искажения

ГЯ ацетиленовая газовая ячейка

ЖИГ железо-иттриевый гранат

ОВЛЗ оптоволоконная линия задержки

ОВЛП оптоволоконная линия передачи

ОЭГ оптоэлектронный генератор

ФР физический резервуар

ФЧХ фазочастотная характеристика

SFDR динамический диапазон по помехам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование автогенерации сверхвысокочастотного сигнала в радиофотонных активных кольцевых резонаторах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние десятилетия активно исследуется генерация сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов в генераторах, работающих на основе различных физических принципов, например, на принципах магно-ники [1], спинтроники [2] и радиофотоники [3]. Важной задачей при разработке СВЧ-генератора является снижение фазового шума. Для генерации СВЧ-сигнала с низким уровнем фазового шума большой интерес вызывают разработки оптоэлектронных генераторов (ОЭГ) на принципах радиофото-ники. Такие генераторы перспективны для применения в системах ближней радиолокации и связи [4].

Радиофотоника сама по себе является в настоящее время чрезвычайно актуальным интенсивно развивающимся направлением. Формирование радиофотоники обусловлено слиянием двух научных дисциплин - фотоники и СВЧ электроники. Это слияние приводит к использованию преимуществ фотонных технологий для обеспечения функциональных особенностей СВЧ систем, которые очень сложно или даже невозможно получить непосредственно в радиочастотной области. Были исследованы сверхмалошумящие ОЭГ с СВЧ усилителями [5,6] и с оптическими усилителями [7], генерирующие СВЧ сигнал на фиксированной частоте или с перестройкой частоты [8], предложены модели таких генераторов, основанные на радиотехнических [9] или радиофизических [10] подходах. В работах [11,12] была продемонстрирована возможность автогенерации СВЧ-сигнала в ОЭГ без усилителей. Однако, к моменту начала работы над диссертацией, ряд важных вопросов оставался не изученным. Сюда относится задачи исследования спектров фазового шума СВЧ сигналов, полученных при их автогенерации в ОЭГ без усилителей, а также спектров вносимого фазового шума оптоволоконных линий передачи. Интерес к исследованию названных эффектов обусловлен необходимостью расчетов рабочих характеристик разрабатываемых устройств радиофотоники.

К моменту начала работы над диссертацией были разработаны и изучены разнообразные приборы и устройства радиофотоники, такие, как перестраиваемые магнонные оптоэлектронные генераторы [8,13], приемные каналы радиосистем [14], фазированные антенные решетки [15], резервуарные вычислительные устройства [16, 17] и др. Вместе с тем, анализ литературы показал, что магнон-фотонные физические резервуары на основе оптоэлектронных генераторов не исследовали.

Целью диссертационной работы является исследование спектров фазового шума СВЧ-сигнала, автогенерируемого оптоэлектронным генератором без усилителей, фазового шума и нелинейных искажений СВЧ-сигнала, вносимых оптоволоконной линией передачи, а также исследование магнон-фо-тонного физического резервуара.

В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:

1. Разработка методов расчета резонансных характеристик радиофотонных кольцевых резонаторов без усилителей и спектров фазового шума опто-электронных генераторов на их основе

2. Исследование автогенерации СВЧ-сигнала в оптоэлектронных генераторах без усилителей.

3. Исследование фазового шума и нелинейных искажений СВЧ-сигнала, вносимых оптоволоконной линией передачи с положительным коэффициентом передачи.

4. Исследование генерации СВЧ-сигнала оптоэлектронном генераторе на основе газовой ячейки.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование магнон-фотонной резервуарной вычислительной системы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально исследована автогенерация СВЧ-сигнала в оптоэлектронном генераторе без усилителей. Показано влияние длины оптоволокна и мощности лазера на фазовый шум такого генератора.

2. Предложена модификация модели Яо-Малеки для расчёта фазового шума оптоэлектронного генератора без усилителей, которая учитывает флик-кер-шум в оптоволоконной линии передачи и более адекватно описывает фазовый шум оптоэлектронного генератора без усилителей.

3. Экспериментально исследованы спектры вносимого фазового шума в СВЧ-сигнал, передаваемый в оптоволоконной линии передачи. Определена функциональная зависимость коэффициента пропорциональности фликкер-шума от мощности лазера.

4. Исследована фильтрация СВЧ-сигнала в оптоволоконной линии передачи, использующей фазовый модулятор и полосно-заграждающий оптический фильтр на основе ацетиленовой газовой ячейки. Проведено исследование автогенерации СВЧ сигнала в оптоэлектронном генераторе на основе этого эффекта.

5. Разработана модель магнон-фотонной резервуарной вычислительной системы. Теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров конструкции магнон-фотонного физического резервуара на его рабочие характеристики и производительность.

Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

1. При увеличении интенсивности оптического излучения, распространяющегося в оптическом тракте радиофотонного кольцевого резонатора без усилителей, в последнем возникает автогенерация СВЧ сигнала, фазовый шум которого зависит от мощности излучения.

2. Одним из источников фазового шума в оптоэлектронном генераторе без усилителей является фликкер-шум, который необходимо учитывать при построении таких оптоэлектронных генераторов.

3. Фазовый шум, вносимый в СВЧ сигнал, передаваемый по оптоволоконной линии передачи, складывается из белого шума, а также фликер-шума, граничная частота которого увеличивается с ростом интенсивности несущего оптического излучения.

4. Эффективность нелинейного отображения входных данных в пространство большей размерности в магнон-фотонном физическом резервуаре возрастает при увеличении интенсивности циркулирующих волн за счет возрастания нелинейного затухания спиновых волн в пленке железо-иттриевого граната.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Модель оптоэлектронного СВЧ генератора может быть использована при разработке приборов и устройств радиофотоники.

2. Модель магнон-фотонного физического резервуара может быть использована при разработке устройств искусственного интеллекта.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ряде конференции и семинаров различного уровня, в частности, Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (2021, 2023, 2024 Санкт-Петербург), International Conference PhysicA (2021, 2022, 2023 Санкт-Петербург), Международная школа-конференция «Saint Petersburg OPEN» (2022 Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 публикации в зарубежных изданиях, индексируемых в базе WoS и Scopus, 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК и 14 материалов, опубликованных в других изданиях и материалах конференций.

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем, либо при непосредственном его участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 74 рисунка и 1 таблицу.

1. ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАНСНЫХ

СИСТЕМАХ (ОБЗОР)

Раздел посвящен обзору современного состояния исследований в области генерации сверхвысокочастотных сигналов оптоэлектронными генераторами. Обозначены основные тенденции развития в области радиофотоники и теоретического описания рабочих характеристик оптоэлектронных генераторов сверхвысокочастотных сигналов. Основные сведения этой главы опубликованы в обзоре [Т8, Т9].

1.1. Способы генерации сверхвысокочастотных сигналов при использовании оптического излучения

Существуют различные способы генерации сверхвысокочастотных сигналов с использованием оптического излучения. Так, разработаны оптоэлек-тронные генераторы на основе резонаторов с модами шепчущей галереи. В основе генерации лежит развитие собственной модуляционной неустойчивости оптического излучения в резонаторе. Развитие собственной модуляционной неустойчивости качественно поясняет рисунок 1.1. Синусоидальный сигнал вводится в нелинейную диспергирующую среду. Кроме этого сигнала в среде всегда присутствует тепловой шум, вызванный тепловыми колебаниями среды. По мере увеличения вводимой в среду мощности вследствие четыре-хволнового параметрического процесса мощность боковых гармоник возрастает [18, 19].

Оптические гребенки во временной области представляют собой последовательность нелинейных оптических импульсов - солитонов, которые являются результатом сложения множества резонансных гармоник системы. Главной особенностью оптических частотных гребенок является эквидистантность оптических гармоник их спектра. Это позволяет использовать оптические гребенки для генерации СВЧ-сигналов.

Рисунок 1.1. - Развитие собственной модуляционной неустойчивости

с ростом мощности

Типичная схема генератора на основе резонатора с модами шепчущей галереи [20-25] показаны на рисунке 1.2. Обычно исследования проводятся на дисковых объемных резонаторах, например, из фторида кальция (СаБ2) [23]. Интервал между гармониками гребенки составлял 25 ГГц. Таким образом, после фотодетектирования получался сигнал с частотой 25 ГГц

Начиная с 2007 г. генерация оптических частотных гребенок была получена в резонаторах с МШГ, имеющих форму микротороида [23, 26, 27], микропузырьковую форму [28, 29], а также резонаторов других форм, сделанных из фторидных стекол (Сар2, М^^) [23, 26, 27, 30-32].

Рисунок 1.2. - Схема экспериментальной установки для изучения параметрической генерации оптических частотных гребенок в резонаторах с МШГ (ФД - фотодетектор, ОАС - оптический анализатор спектра, ЭАС - электрический анализатор спектра)

Генерация частотных гребенок также возможна в интегральных кольцевых резонаторах (рисунок 1.3), выполненных из кремния [33, 34] или нитрида кремния [35-43]. Диапазон генерируемых частот при таком способе генерации обычно варьируется от десятков до сотен гигагерц и может доходить до единиц терагерц. Типичный спектр частотой гребенки, а также спектр фазового шума генерируемого радиосигнала показана на рисунке 1.4

Рисунок 1.3. - Интегральные кольцевые резонаторы из нитрида кремния [41]

■В^^И_1_ЛЯН1 тзг чем Ьл----1----1----1----1----■ . ГД-дди' -ит*-: Д

1500 1540 1580 1620 10° 10* 10' 10* 1С 10е 10' 10« 1С

Длина волны, нм Частота, Гц

а б

Рисунок 1.4. - Спектр частотной гребенки интегрального резонатора (фото на вставке), изготовленного из нитрида кремния (а); фазовый шум генератора на интегральном резонаторе (б) [43]

Современные технологии создания фотонных интегральных схем позволяют создавать интегральные источники лазерного излучения [44-49] и фотодетекторы [50-52] Использование интегральных лазеров и фотодетекторов вместе с интегральными микрокольцевыми резонаторами открывают возможность для создания интегральных оптоэлектронных генераторов СВЧ-сигнала [53, 54].

В некоторых работах описывается разработки лабораторных оптоэлектронных генераторов со сверхнизким уровнем фазового шума и очень высокой стабильностью частоты. Например, в работе [55] сообщается о высокостабильной генерации СВЧ сигнала с частотой 10 ГГц, рекордно низким джитером 0,76 фс и фазовым шумом -104 дБн/Гц на отстройке 1 Гц от несущей и -157 дБн/Гц и на отстройке 1 МГц.

Наиболее часто в научной литературе исследуется конфигурация ОЭГ с модулятором Маха-Цендера [3-9,13,56-66]. Впервые оптоэлектронный генератор был показан в работе Яо и Малеки в 1994 г. [5]. Генератор, схема которого показана на рисунке 1.5, представляет собой кольцевую схему с положительной обратной связью и состоит из двух основных частей: оптического тракта и радиочастотного тракта. Оптический тракт показан на рисунке 1.5 красным цветом. Он представляет собой оптоволоконную линию передачи. Радиочастотный тракт показан синим цветом. Он состоит из полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, который выполняет роль частотно-

селективного элемента, и СВЧ-усилителя, необходимого для компенсации потерь в кольце.

Рисунок 1.5. - Схема оптоэлектронного генератора СВЧ-сигнала Автогенерация монохроматического СВЧ-сигнала в такой схеме возникает на частотах, для которых выполняются условия баланса фаз и амплитуд. Условие баланса фаз заключается в синфазном сложении циркулирующих в кольце волн, когда фазовый набег этих волн на длине кольца кратен 2п. Условие баланса амплитуд заключается в том, что усиление в кольце должно компенсировать суммарные потери.

Фазовый шум ОЭГ, построенных на оптоволоконных линиях задержки можно рассчитывать разными способами. Так, существует подход Яо-Малеки, описанный в работе [59], который основан на учете шумов всех компонентов, входящих в схему ОЭГ.

Другим способом расчета спектра фазового шума ОЭГ является модель Рубиолы для генераторов на основе линии задержки [67]. В соответствии с данной моделью спектральная плотность мощности фазового шума (измеряемая в рад2/Гц) определяется следующим выражением:

¿Ф (/) = Нр (/)^ (/), (1.1)

где Ирф - амплитудно-частотная характеристика оптоэлектронного генератора; - фазовый шум ОВЛП в рад2/Гц. Тогда спектр фазового шума определяется следующим выражением:

Ь(/) = 101в (¿ф (/)/2). (1.2)

Фазовый шум ОВЛП состоит из белого шума и фликкер-шума (или 1//-шума) и может быть выражен следующим образом:

V/) = Ьо + Ь— • /

-1

(1.3)

где Ьо и Ь-1 - коэффициенты, количественно определяющие белый шум и фликкер-шум соответственно.

Для расчета фазового шума по модели Рубиолы необходимо знать амплитудно-частотную характеристику оптоэлектронного генератора. В работе [10] была предложена модель для кольцевого ОЭГ, в схеме которого использовался пленочный спин-волновой узкополосный СВЧ-фильтр.

1.2. Оптоволоконная линия передачи сверхвысокочастотного сигнала

Как было описано ранее, оптический тракт оптоэлектронного генератора представляет собой оптоволоконную линию передачи СВЧ-сигнала. В последние годы ОВЛП вызывает большой интерес для передачи аналоговых и цифровых сверхвысокочастотных сигналов [68-72]. Блок-схема стандартной ОВЛП, блок-схема которой показана на рисунке 1.6.

3

1 2 4

— ►

Р

1 тгчу

! Р

I 1 тз

Рисунок 1.6. - Блок-схема ОВЛП: 1 - лазер, 2 - электрооптический модулятор,

3 - оптоволокно, 4 - фотодетектор

Важными параметрами линии являются коэффициент передачи, коэффициент гармонических искажений, динамический диапазон по помехам (SFDR),

15

точка однодецибельной компрессии и выходная точка пересечения третьего порядка (01Р3). В работе [68] был предложен метод повышения коэффициента передачи за счет управления рабочей точкой модулятора, а также исследовано изменение коэффициента нелинейных искажений при смещении рабочей точки модулятора из квадратуры.

Как было указано ранее, определенное сочетание параметров Уп и Рлаз позволяет получить положительный коэффициент передачи ОВЛП. Первые широкополосные ОВЛП с положительным коэффициентом передачи были продемонстрированы в работах, посвященных разработке оптоэлектронных СВЧ-генера-торов. Влияние же мощности лазерного излучения на нелинейные искажения СВЧ-сигнала, передаваемого через ОВЛП, до сих пор остается неизученным.

1.3. Перестраиваемые оптоэлектронные генераторы

Возможность перестройки частоты генерации является одной из полезных функций для генераторов СВЧ-сигнала. Главным недостатком существующих высокостабильных генераторов, например кварцевых генераторов, является отсутствие перестройки частоты генерации. Известно, что спектр кольцевого ОЭГ представляет собой набор эквидистантных резонансных частот, интервал между которыми определяется временем задержки сигнала в кольце Д/= 1/т, где т - время задержки. Как было сказано ранее, СВЧ-фильтр в радиочастотном тракте используется в качестве частотно-селективного элемента для выделения конкретной резонансной частоты ОЭГ.

Для реализации перестройки частоты генерации можно использовать по-лосно-пропускающий фильтр (ППФ) с перестраиваемой центральной частотой полосы пропускания. Так в работах [64, 73] использовался перестраиваемый ППФ на основе эпитаксиальной пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) [74]. Перестройка полосы пропускания фильтра и частоты генерации ОЭГ осуществлялась за счет изменения напряженности внешнего магнитного поля, действующего на пленку ЖИГ. В работе [73] было показано, что изменение напряженности внешнего магнитного поля, действующего на пленку

16

ЖИГ, в диапазоне от 804 до 2129 Э позволяет перестраивать частоту генерации ОЭГ в диапазоне от 4 до 8 ГГц. Стоит отметить, что во всем диапазоне частот фазовый шум генератора практически не изменялся и составлял около -124 дБн/Гц на частоте отстройки 10 кГц от несущей.

Одним из способов реализации перестройки частоты генерации является использование перестраиваемых радиофотонных СВЧ-фильтров. В работах [74-76] предложены конфигурации ОЭГ на основе широкополосных источников оптического излучения и оптоволокна с компенсацией дисперсии. В других работах использовались волоконные брэгговские решетки в сочетании с модуляцией поляризации [58, 77, 78] и интенсивности оптического излучения [7981].

Другим способом реализации перестраиваемого СВЧ-фильтра является фазово-амплитудное преобразование оптического сигнала в оптическом тракте ОЭГ [82, 83]. В этом случае оптический тракт представляет реализует фильтрацию СВЧ сигнала, подаваемого на вход электрооптического модулятора. Добавив в схему радиочастотный тракт, состоящий из СВЧ-усилителя, и замкнув схему в кольцо получится ОЭГ с перестраиваемой частотой генерации. Так в работе [83] была продемонстрирована генерация монохроматического СВЧ-сигнала в диапазоне от 3 до 28 ГГц.

Стоит отметить, что в работе [14] была предложена схожая конфигурация перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра, где вместо волоконной брэгговской решетки использовался микрокольцевой оптический резонатор. В работе [85] был предложен перестраиваемый ОЭГ, где фазово-амплитудное преобразование оптического сигнала осуществлялось с помощью перестраиваемого оптического полосно-пропускающего фильтра.

а

б

Рисунок 1.6. - Блок-схема радиофотонного фильтра (а) и частотный отклик радиофотонного СВЧ-фильтра (б) [34] (КП - контроллер поляризации; ФМ - фазовый модулятор; ОЦ - оптический циркулятор; ВБР - волоконные брэгговские решетки;

Опт. ус. - оптический усилитель; ФД - фотодетектор; ВАЦ - векторный анализатор цепей)

1.4. Физические резервуарные вычисления

Одним из направлений развития вычислительных устройств в последние годы стала аппаратная реализация искусственных нейронных сетей (ИНС). Резервуарные вычисления (РВ) являются частным случаем рекуррентной сети [86]. Резервуарная вычислительная система или устройство состоит всего из трех слоев: входного слоя, скрытого слоя, обладающего особыми свойствами и называемого «резервуаром», и выходного слоя (рисунок 1.7). Ключевой особенностью этой концепции ИНС является то, что в такой ИНС необходимо обучение только одного слоя, а именно выходного слоя. При этом сам процесс обучения является линейным и может быть осуществлен простым способом.

Это значительно уменьшает время выполнения данного процесса и одновременно обеспечивает высокую точность. Кроме того, так как сам резервуар не участвует в процессе непосредственного обучения, его можно без труда перенастроить для решения другой задачи. Это значит, что одна и та же система может применяться для решения множества различных задач.

Многие вычислительные задачи были успешно решены с использованием модели РВ. В частности, эти модели могут применяться для классификации, прогнозирования и генерации структур данных, зависящих от времени; при этом РВ может работать с любыми последовательностями данных. Так как

а

б

Рисунок 1.7. - Общая концепция резервуарных вычислений (а); одноузловой резервуар (б)

резервуар не требует обучения, его можно рассматривать как «черный ящик», представляющий собой нелинейную динамическую систему, где конструкция и принцип работы не имеют существенного значения. Единственная важная особенность такой системы заключается в возможности отображать данные в

пространство большей размерности. С этой точки зрения, любая нелинейная динамическая система, демонстрирующая динамический отклик на входные данные, может служить резервуаром. Эта идея привела к концепции физических резервуарных вычислений (ФРВ).

Для того чтобы физическая динамическая система работала в качестве ре-зервуарного компьютера, она должна обладать двумя важными свойствами. Первое свойство - это затухающая память или эхосостояние, когда режим работы резервуара не зависит от начального состояния системы, а определяется исключительно предыдущими входными данными. Второе свойство - нелинейное отображение данных в пространство большей размерности. Для реальных физических систем это требование подразумевает, что динамика системы должна быть нелинейной. Кроме того, физическая система должна обладать механизмами ввода и вывода данных. При этом повторная подача одних и тех же входных данных должна приводить к одному и тому же выходному сигналу резервуара.

Основными характеристиками физических резервуаров являются скорость обработки данных, объем памяти, энергоэффективность и размеры физической системы. Производительность и объем памяти можно оценить с помощью специально разработанных эталонных тестов, которые проверяют как затухающую память, так и способность нелинейного разделения данных динамической системой. Такие тесты унифицированы, поэтому они могут быть использованы для сравнения производительности различных концепций ФРВ.

В последние годы было предложено несколько аппаратных платформ для реализации физических резервуарных вычислений. В работах[87, 88] представлены механические системы для реализации ФРВ. Однако такие системы являются медленными и вряд ли будут реализованы в будущем.

В работах [17, 89] впервые было предложено волоконно-оптическое воплощение ФРВ в виде системы с обратной связью. Как показано на рисунке 1.8, такой резервуар представляет собой активное радиофотонное кольцо. Во-

локонно-оптическая линия задержки выполняет функцию элемента краткосрочной памяти, а электрооптический модулятор отвечает за нелинейное отображение. В модуляторе новые данные, поступающие в резервуар, нелинейно комбинируются с предыдущим данными, задержанными во времени за счет прохождения по оптическому волокну. Оптическое волокно способно выполнять функцию задержки (время задержки составляет единицы-десятки микросекунд), поскольку требуется время, чтобы данные, введенные в волокно, достигли его выхода. Весь процесс обеспечивает эффективное нелинейное перемешивание входных данных.

Концепция ФРВ на принципах магноники, которая была предложена в работе [90], показана на рисунке 1.9. ФРВ представляет собой магнонный

Рисунок 1.8. - Волоконно-оптическое воплощение ФРВ [16] активный кольцевой резонатор на основе пленки ЖИГ. Такой резервуар представляет собой ФР с положительной обратной связью, как и в случае волоконно-оптического ФРВ. Однако для резервуарных вычислений на принципах магноники операция нелинейного отображения выполняется с использованием нелинейности спиновых волн.

Рисунок 1.9. - Схема магнонного устройства для ФРВ [39] Для преобразования магнонного активного кольца в устройство ФРВ необходимо также обеспечить ввод входных данных в резервуар. Для этого в петлю обратной связи добавляется электронно-управляемый аттенюатор (ЭУА). Он необходим для управления коэффициентом усиления в кольце. Таким образом, способ ввода данных в резервуар обеспечивается благодаря зависящему от времени коэффициенту усиления. В дальнейшем концепция ФРВ на принципах магноники была улучшена и детально исследована в работах [91-95].

Стоит отметить, что ОЭГ с фильтром на спиновых волнах по существу представляет собой радиофотонный активный кольцеовй резонатор [13, 96]. Добавление в такой резонатор элемента ввода данных превращает его в маг-нон-фотонный физический резервуар. Активная кольцевая система обладает такими преимуществами радиофотонного кольца, как большое время задержки и низкие потери на распространение СВЧ-сигнала, а также богатой нелинейной динамикой спиновых волн.

1.5. Выводы

Обзор состояния исследований в области теории и техники генерации СВЧ сигналов средствами радиофотоники показывает, что в последнее время большой интерес представляют исследования оптоэлектронных СВЧ генераторов и устройств нейроморфных вычислений на их основе. Несмотря на интенсивные исследования, ряд радиофизических задач, связанных с генерацией, а также передачей СВЧ-сигнала по оптоволокну, остается малоизученным. Так, практически не изучен фазовый шум оптоэлектронных СВЧ генераторов, в схеме которых отсутствуют какие-либо оптические или СВЧ усилители. Отсутствует теория, описывающая амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики радиофотонных кольцевых резонаторов. Отсутствуют работы по исследованию фазового шума и нелинейных искажений СВЧ-сигнала, вносимых оптоволоконной линией передачи с положительным коэффициентом передачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Таценко Иван Юрьевич, 2024 год

- й

- 1 V г°

- = 1 Гц| V, . = 1С 6 кГЦ

10

102

103 104 Г ', Гц

105

106

-30

-40

-50

-60

я -70

и

¡в -80

щ

ч. -90

-100

-110

-120

-130

-142

26,0

__■

' ----

—■— 100 Гц

—•— 1 кГц

—±— 10 кГц ■ . 1 .

26,2 26,4

Р1а,, дБм

26,6

26,8

в г

Рисунок 2.26. - Схема МОЭГ без СВЧ-усилителей (а); спектр генерации МОЭГ (б); спектр фазового шума МОЭГ (в); зависимость фазового шума МОЭГ от мощности лазера (г)

5

2.7. Выводы

Наиболее существенные результаты, полученные во втором разделе, следующие:

1. Разработана модель радиофотонного кольцевого резонатора, учитывающая отражения оптического сигнала на соединениях оптических компонентов и отражения СВЧ-сигнала на соединениях СВЧ компонентов с различным волновым импедансом.

2. Выведены формулы для расчета амплитудно-частотных и фазочастот-ных характеристик радиофотонного кольцевого резонатора до порога автогенерации. На основе полученных формул были промоделированы резонансные характеристики устройства.

3. Проведен анализ влияния мощности лазера на резонансные характеристики радиофотонного кольцевого резонатора. Показано, что увеличение мощности приводит к повышению коэффициента передачи и к возрастанию амплитуды резонансных пиков. Это обусловлено тем, что увеличение мощности оптического излучения лазера ведет к компенсации потерь в схеме и к возрастанию амплитуды циркулирующих в кольце волн на резонансных частотах.

4. Проведен анализ влияния параметров конструкции оптоэлектронного генератора без усилителей на фазовый шум генерируемого СВЧ-сигнала. Теоретически показано, что увеличение длины оптоволокна приводит к снижению фазового шума, рост мощности оптического излучения лазера приводит к увеличению фазового шума, рост ЯЩ-шума лазера приводит к увеличению фазового шума генератора на сравнительно больших отстройках от несущей частоты, а на сравнительно малых отстройках он не изменяется.

5. Экспериментально исследованы спектры вносимого фазового шума ОВЛП. Результаты показали, что ниже граничной частоты фликкер-шума/ преобладает фликкер-шум (или 1//-шум). Его спектральная плотность мощности описывается выражением Бу^ = Ь_ \/где Ь-1 - коэффициент пропорциональности фликкер-шума, который определяется феноменологически. Увеличение мощности лазера приводит к увеличению значений/с и Ь-1.

6. Предложена модификация модели Яо-Малеки для расчета фазового шума оптоэлектронного генератора без усилителей, которая более адекватно описывает фазовый шум на низких отстройках от несущей.

7. По результатам измерения вносимого фазового шума ОВЛП определена функциональная зависимость коэффициента пропорциональности флик-кер-шума от мощности лазера, которая позволяет более точно охарактеризовать фазовый шум оптоэлектронного генератора без усилителей.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТОВОЛОКОННОЙ ЛИНИИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА

Раздел посвящен описанию исследования влияния мощности оптического излучения на точку однодецибельной компрессии, гармонические искажения и динамический диапазон по помехам оптоволоконной линии передачи (ОВЛП) сверхвысокочастотного сигнала. Линия обладала положительным коэффициентом передачи СВЧ-сигнала, причем какие-либо элементы усиления между входом и выходом отсутствовали. Эффект усиления достигался за счет использования повышенной мощности несущего оптического излучения и фотодетектора с высоким фототоком.

3.1. Экспериментальный макет ОВЛП

Экспериментальный макет ОВЛП (рисунок 3.1) состоит из лазера 1 с регулируемой мощностью до 1 Вт на длине волны излучения 1550 нм, электрооптического модулятора Маха-Цендера 2 с полуволновым напряжением 1.6 В и оптическими потерями около 5 дБ, оптоволокна 3 длиной 1 км и фотодетектора 4 с номинальной чувствительностью 0.8 А/Вт в диапазоне 0...10 ГГц и максимальным фототоком 90 мА.

3

— ►

Рвых I Рвх

Рисунок 3.1. - Блок-схема экспериментального макета ОВЛП: 1 - лазер, 2 - электрооптический модулятор, 3 - оптоволокно, 4 - фотодетектор

Важной задачей при создании ОВЛП является повышение коэффициента

передачи СВЧ-сигнала. В [68] был предложен метод повышения коэффициента

передачи за счет управления рабочей точкой модулятора, а также исследовано

изменение коэффициента нелинейных искажений при смещении рабочей точки

71

модулятора из квадратуры. Другой возможный способ повышения коэффициента передачи - использование в схеме ОВЛП лазера со сравнительно высокой мощностью оптического излучения и фотодетектора с высоким фототоком [Т6]. Коэффициент передачи ОВЛП можно рассчитать с помощью известного выражения Нр = 101§ (Рвых/ Рвх). Здесь Рвх - мощность СВЧ-сигнала, подаваемого на управляющий вход электрооптического модулятора, а Рвых - мощность СВЧ-сигнала на выходе фотодетектора, которая рассчитывается следующим образом:

лл2

рвых ^

пУо V

V у

Б1П

к V

к у см

V

V ук ,

(3.1)

где Я - сопротивление нагрузки фотодетектора; Р\а& - мощность лазера, £ -чувствительность фотодетектора; /1С) - функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка; ¥о - амплитуда модулирующего СВЧ-сигнала, подаваемого на вход электрооптического модулятора; ¥см - напряжение смещения рабочей точки модулятора; Уп - полуволновое напряжение электрооптического модулятора. Из (3.1) видно, что при фиксированном значении мощности Рвх увеличение мощности лазера Р\а& приведет к росту мощности СВЧ-сигнала на выходе фотодетектора Рвых и коэффициента передачи ОВЛП Нр.

Кроме повышения коэффициента передачи ОВЛП важной задачей является передача сигнала на большие расстояния без искажений. Известно, что если амплитуда СВЧ-сигнала, подаваемого на управляющий вход электрооптического модулятора, приближается к его полуволновому напряжению, то из-за нелинейности передаточной характеристики модулятора на выходе ОВЛП могут появляться гармонические искажения и компрессия одночастотного сигнала, а также интермодуляционные искажения. Основными параметрами, описыва-ющими искажения в ОВЛП, являются коэффициент гармонических искажений, динамический диапазон по помехам (БЕВЯ), точка однодецибель-ной компрессии и выходная точка пересечения третьего порядка (01Р3).

3.2. Амплитудно-частотные характеристики ОВЛП

На первом этапе работы исследовалось влияние мощности лазера на АЧХ ОВЛП. Измерение проводили с помощью векторного анализатора цепей. На рисунке 3.2 показаны результаты измерений АЧХ при различной мощности оптического излучения, подаваемого на оптический вход электрооптического модулятора.

10 5 0

Р1а8 = 14.8 дБм

Р1а5 = 20.4 дБм

Р1а5 = 22.7 дБм

Р1а5 = 23.6 дБм

Р1а5 = 25.4 дБм

0 2

4 6 8 / ГГц

10 ГГц

10 12

Рисунок 3.2. - Амплитудно-частотные характеристики ОВЛП при различной мощности лазера

Видно, что с ростом мощности лазера потери в ОВЛП уменьшаются. При увеличении мощности лазера до 25.4 дБм коэффициент передачи ОВЛП становится положительным в диапазоне частот 0.. .10 ГГц. Спад АЧХ по частоте обусловлен частотной зависимостью чувствительности фотодетектора, которая была рассмотрена в подразделе 2.7. Неравномерность АЧХ вызвана рассогласованием фотодетектора с последующим СВЧ-трактом на некоторых частотах.

3.3. Однодецибельная компрессия в ОВЛП

На следующем этапе определялась входная мощность, при которой возникает однодецибельная компрессия выходного СВЧ-сигнала. Для этого измеряли АЧХ ОВЛП, по которым на разных частотах определяли вносимые потери Нр.

Мощность СВЧ-сигнала Рвх, подаваемого на СВЧ-вход ОВЛП, задавалась векторным анализатором цепей, а выходная мощность рассчитывалась по выражению

Ры[дБм] = Рвх[дБм]+^р [дБ]. (3.2)

Измерения проводились при мощности оптического излучения 20.4 и 25.4 дБм, что соответствовало коэффициенту передачи ОВЛП около -10 и 0 дБ соответственно. Результаты измерений представлены на рисунке 3.3.

Видно, что с увеличением частоты входного СВЧ-сигнала происходит сдвиг точки однодецибельной компрессии в сторону более высоких значений входной мощности (рисунок 3.3). Так, при частоте входного СВЧ-сигнала 1 ГГц однодецибельная компрессия сигнала возникает при входной мощности СВЧ-сигнала, равной 10 дБм, а при частоте 10 ГГц ее значение возрастает до 13.2 дБм, так как с ростом частоты передаваемого сигнала повышается полуволновое напряжение электрооптического модулятора. Следует отметить, что основная компрессия СВЧ-сигнала возникает из-за синусоидальной характеристики коэффициента передачи электрооптического модулятора.

w

04

50

-5-10 -15 -20-25-

10 ГГц

1 ГГц 6 ГГц

-10 -5

0

5 10 15

15 10

I 5

i 0

М

^ -5 -10 -15

1 ГГц 10 ГГц 6 ГГц

-10 -5

, ДБм

а

05

рвх, ДБм б

10 15

Рисунок 3.3. - Передаточные характеристики по мощности ОВЛП при f = 1, 6 и 10 ГГц: а - Pias = 20.4 дБм, Р^ = 13.2 (7), 11.1 (2), 10 дБм (3); б - Plas = 25.4 дБм,

Р1дБ = 11.2 (7), 10.5 (2), 9.6 дБм (3) Как показано на рисунке 3.3, б, увеличение мощности лазера до 25.4 дБм приводит к небольшому уменьшению мощности однодецибельной компрессии, т. е. к дополнительной компрессии СВЧ-сигнала. Однодецибельная компрессия на частотах 1, 6 и 10 ГГц возникает при мощностях входного СВЧ-сигнала 9.6,

10.5 и 11.2 дБм соответственно. Связано это с тем, что при высокой мощности оптического излучения, падающего на фотодетектор, происходит компрессия чувствительности фотодетектора [99, 101]. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что повышение мощности лазера помимо увеличения коэффициента передачи ОВЛП приводит к уменьшению значения точки однодецибель-ной компрессии, что необходимо учитывать при проектировании ОВЛП.

3.4. Гармонические искажения в ОВЛП

Блок-схема экспериментального макета для измерения гармонических искажений в ОВЛП представлена на рисунке 3.4. Методика измерений заключалась в следующем. От СВЧ-генератора 5 на СВЧ-вход электрооптического модулятора подавался синусоидальный сигнал на частоте /1 = 1 ГГц. Выход фотодетектора был подключен к анализатору спектра 6, с помощью которого измерялись амплитуды основной и кратных гармоник.

Спектр СВЧ-сигнала с гармоническими искажениями (ГИ) показан на рисунке 3.5, а. На вход ОВЛП был подан сигнал мощностью 10 дБм на частоте 1 ГГц, а на выходе наблюдались кратные гармоники вплоть до 5 ГГц.

3

Рисунок 3.4. - Блок-схема экспериментального макета для измерений гармонических искажений в ОВЛП: 1 - лазер; 2 - электрооптический модулятор; 3 - оптоволокно; 4 - фотодетектор; 5 - генератор СВЧ-сигнала; 6 - анализатор спектра

На рисунках 3.5, б и в представлены результаты измерения ГИ в ОВЛП. Видно, что увеличение мощности оптического излучения приводит к значительному росту мощности гармоники на удвоенной частоте. При высокой мощности оптиче-

ского излучения ватт-амперная характеристика фотодетектора переходит от линейного участка к участку насыщения, вследствие чего возникают дополнительные искажения передаваемого СВЧ-сигнала [102].

10 0 -10 I -20

« -30 д -40 ат -50 -60 -70 -80

а

-10 -5

Рвхд дбм

10

0i -10-20

0,7 0,6 0,5 =» 0,4

к 0,3 к 0,3

0,2 0,1 0,2 -0,1

-10 -5

10

Рвхд дбм

б

-10 -5

10

рвхд дбм

Рисунок 3.5. - Типичный спектр выходного сигнала с гармоническими искажениями (а); результаты измерения гармонических искажений в ОВЛП при = 20.4 (б) и 25.4 дБм (б);

зависимость коэффициента гармонических искажений от мощности входного СВЧ-сигнала (г): Pias = 20.4 (1) и 25.4 дБм (2)

Коэффициент ГИ был рассчитан следующим образом:

KГИ = JE Pi \i>2

2

(3.3)

где Рг - мощность 1-й гармоники сигнала. На рисунке 3.5, г показана зависимость коэффициента ГИ от мощности входного СВЧ-сигнала. Как видно из рисунка, при мощности лазера 20.4 дБм коэффициент ГИ составляет

0

5

5

0

5

б

г

около 0.1 %. Увеличение мощности лазера до 25.4 дБм приводит к более сильному росту коэффициента ГИ (см. рисунок 3.5, г, кружочки). Его максимальное значение составило 0.72 %.

3.5. Интермодуляционные искажения в ОВЛП

Исследование интермодуляционных искажений - важный этап исследований ОВЛП, так как эти искажения определяют параметры SFDR и OIP3. Блок-схема экспериментального макета для измерений интермодуляционных искажений показана на рисунке 3.6. На вход электрооптического модулятора через сумматор 7 подавались два синусоидальных сигнала с одинаковой амплитудой на частотах / и/ =/i+A/ На выходе ОВЛП с помощью анализатора спектра измерялась мощность основных гармоник и гармоник интермодуляции (2fi -f2, 2f - f\, 3fi - 2f2, 3f - 2fi). При проведении измерений расстояние между частотами/ и/ выбирали равным 200 и 500 МГц.

3

Рисунок 3.6. - Блок-схема экспериментального макета для измерения интермодуляционных искажений: 1 - лазер; 2 - электрооптический модулятор; 3 - оптоволокно; 4 - фотодетектор; 5 - генератор СВЧ-сигнала; 6 - анализатор спектра; 7 - сумматор

Типичные зависимости выходной мощности основных и интермодуляционных гармоник от мощности входных СВЧ-сигналов на частотах = 2 ГГц, / = 2.5 ГГц при мощности лазера 20.4 и 25.4 дБм представлены на рисунке 3.7. При мощности 20.4 дБм ББОЯ составил около 85.5 дБ, а при увеличении ее до

25.4 дБм значение БЕБЯ практически не изменилось, так как с ростом мощности оптического излучения увеличивается вклад ЯШ-шума в общий уровень

Рвх> ДБм Рвх> ДБм

а б

Рисунок 3.7. - Зависимости выходной мощности основных и интермодуляционных гармоник от входной мощности СВЧ-сигнала при/2 -/i = 500 МГц: а - Pjas = 20.4, уровень шума -124 дБм, SFDR = 85 дБ; б - Pias = 25.4 дБм, уровень шума -114 дБм, SFDR = 86.5 дБ (точки - эксперимент, сплошная линия - линейная экстраполяция

экспериментальных данных для определения OIP3) Такие же измерения были проведены и на других частотах, вплоть до

10 ГГц, значения показателей SFDR и OIP3 приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Значения OIP3 и SFDR при мощности лазера 20.4 дБм и 25.4 дБм

ГГц OIP3, дБм SFDR, дБ

200 МГц 500 МГц 200 МГц 500 МГц

Plas = 20.4 дБм

2 3.89 3.29 85.5 85

4 4.7 3.25 85.7 84.8

6 6.54 6 87 86.5

8 5.13 5.27 86.3 86.3

10 1.9 3.2 84.1 84.9

Pias = 25.4 дБм

2 15.54 13.1 86.5 84.7

4 16.27 14.46 86.8 85.6

6 16.51 15.41 87.1 86.3

8 16.17 13.82 87.1 85.4

10 15.1 11.82 86 84

Анализ результатов показал, что увеличение расстояния между частотами /1 и /2 не влияет на динамический диапазон по помехам и на показатель 01Р3. При мощности оптического излучения 20.4 дБм показатель 01Р3 составляет 3...5 дБм. С повышением мощности лазера значение 01Р3 возрастает до 13.. .15 дБм. Увеличение мощности лазера не приводит к изменениям параметра БЕБЯ, который равен приблизительно 85.87 дБ.

3.6. Выводы

Наиболее существенные результаты, полученные в третьем разделе, следующие:

1. Проведено экспериментальное исследование по передаче аналогового радиосигнала в ОВЛП с положительным коэффициентом передачи. Показано, что увеличение мощности лазера позволяет увеличить коэффициент передачи ОВЛП. Однако при этом уменьшается значение точки однодецибельной компрессии и растут гармонические искажения. Поэтому при проектировании ОВЛП необходимо учитывать влияние мощности лазера, для того чтобы получить необходимый коэффициент передачи с нужным уровнем гармонических искажений и компрессии сигнала.

2. Исследовано влияние мощности лазера на интермодуляционные искажения СВЧ-сигнала в ОВЛП. Показано, что при увеличении мощности лазера динамический диапазон по помехам практически не изменяется. Таким образом, за счет использования лазера с относительно высокой мощностью оптического излучения можно увеличить коэффициент передачи ОВЛП без ухудшения динамического диапазона по помехам.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ-СИГНАЛА В ОПТОЭЛЕКТРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ НА ОСНОВЕ

ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКИ

Раздел посвящен исследованию оптоэлектронного СВЧ генератора, представляющего собой радиофотонный активный кольцевой резонатор, в оптическом тракте которого используется ацетиленовая газовая ячейка.

4.1. Фильтрация СВЧ-сигнала за счет фазово-амплитудного преобразования оптического сигнала

4.1.1. Экспериментальный макет перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра на основе ОВЛП с газовой ячейкой

Структурная схема экспериментального макета перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра представлена на рисунке 4.1. Макет состоит из лазера с перестраиваемой длиной волны излучения в диапазоне 1527.6.1565.5 нм, фазового модулятора с полуволновым напряжением 5 В и оптическими потерями около 5 дБ в диапазоне 0.12 ГГц, ацетиленовой газовой ячейки с максимумом поглощения на длине волны 1530.37 нм, оптоволокна, соединяющего газовую ячейку с фотодетектором, и фотодетектора с чувствительностью

1

Оптоволокно

Лазер

ФМ

■

ГЯ

т

ФД

Векторный анализатор цепей

Р,

-г

1

Т

Р„

Рисунок 4.1. - Структурная схема экспериментального макета перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра (ФМ - электрооптический фазовый модулятор; ГЯ - ацетиленовая газовая ячейка; ФД - фотодетектор). На вставках показаны спектры сигнала на соответствующих участках радиофотонного СВЧ-фильтра

Спектр СВЧ-сигн;

0.8 А/Вт в диапазоне 0.12 ГГц и сопротивлением нагрузки 50 Ом. На рисунке 4.1 сплошными линиями обозначено оптоволокно, а штриховыми линиями - коаксиальные кабели. Измерение АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра проводилось с помощью векторного анализатора цепей Rhode&Schwarz ZVA40.

Рассмотрим принцип работы исследуемого фильтра. На вход фазового модулятора подается оптическое излучение мощностью 8.45 дБм (7 мВт), где оно модулируется СВЧ-сигналом с векторного анализатора цепей. На выходе фазового модулятора появляются две полосы оптических частот относительно несущей, находящиеся в противофазе, поэтому при подаче такого фазомодулированного сигнала на фотодетектор на его выходе не будет наблюдаться СВЧ-сигнала, так как биение боковых гармоник с несущей будет компенсировать друг друга. Недавно было предложено использовать ацетиленовую газовую ячейку для демодуляции фазомо-дулированных сигналов при настройке частоты оптической несущей на склон линии поглощения ацетилена [103]. Для создания перестраиваемого фильтра частота оптической несущей настраивается вне линии поглощения, а ячейка используется для подавления одной из боковых оптических гармоник на частоте fc -/qc, где fc -частота оптической несущей; /qc - центральная частота поглощения ацетиленовой газовой ячейки. В результате на выходе газовой ячейки возникает биение интенсивности оптического излучения с частотой fc -/qc, которое на выходе фотодетектора преобразуется в СВЧ-сигнал той же частоты fc -/qc. Таким образом, схема имеет максимум передаточной характеристики на частоте fc - /Qc, что соответствует полосе пропускания фильтра. Изменяя частоту отстройки лазерного излучения от центральной частоты поглощения ацетиленовой газовой ячейки, можно изменять центральную частоту полосы пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра.

4.1.2. Результаты исследования фильтрации СВЧ-сигнала

На рисунке 4.2 сплошными линиями представлены экспериментальные АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра, полученные при различных отстройках частоты (в диапазоне 4.12 ГГц) лазера от центральной частоты поглощения

ацетиленовой газовой ячейки. Использовалась наиболее интенсивная линия поглощения Р9 с центральной частотой поглощения 195,895 ТГц (1530,37 нм). Из графиков видно, что центральная частота пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра соответствует отстройке частоты излучения лазера от центральной частоты поглощения ацетиленовой газовой ячейки. Полоса пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра определяется шириной линии поглощения ацетиленовой газовой ячейки (около 500 МГц) при давлении газа 8 мм рт. ст. Коэффициент передачи радиофотонного СВЧ-фильтра составил порядка -30 дБ.

Рисунок 4.2. - АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра при различных отстройках частоты лазера от центральной частоты поглощения ацетиленовой газовой ячейки

Теоретический расчет АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра проводился следующим образом. Амплитуда оптического сигнала на выходе фазового модулятора выражается формулой

ЕрМ(0 = ехр(/сос/){./0(ю)+их(т)ехр(тт1) _ и _1(т)ехр(_ШтО}> (4-1)

где - мощность оптического излучения на входе фазового модулятора; юс и ют - циклические частоты оптической несущей и модулирующего СВЧ-сигнала; П - оптические потери в фазовом модуляторе; т = пУт/Уп (Ут - амплитуда модулирующего сигнала; Уп - полуволновое напряжение фазового модулятора; Зп -функция Бесселя п-го порядка). Как было описано ранее, после фазовой модуля-

^) = ^Popt exp(/coc/)

, (4.2)

ции оптической несущей появляются две боковые оптические гармоники на частотах юс + ют и юс - ют с фазовым сдвигом я/2. Стоит отметить, что в случае малосигнального приближения (Vm « Vn) влиянием гармоник более высокого порядка можно пренебречь [104, 105]. Далее оптический сигнал проходит через ацетиленовую газовую ячейку, сигнал на выходе которой можно записать в виде

g (®c ) J 0 (m) + ig (®c + ) J1(m) exP(i®m/) ■ -ig(®c - ®m )J-1(m) exp(-/®m/)

где g(ro) - комплексный коэффициент передачи ацетиленовой газовой ячейки на частоте ю. Частотная зависимость коэффициента передачи g(ro) определяется доплеровским уширением и хорошо аппроксимируется функцией Гаусса. Форма экспериментально полученных АЧХ не похожа на гауссовскую. Можно сделать предположение, что в преобразовании фазовой модуляции в амплитудную участвует также линия дисперсии, которая шире линии поглощения. С учетом этого эффекта линия поглощения с центральной частотой юо и максимальной резонансной оптической плотностью аф описывается выражением

f f W

g (ю) = exp

ao L

ю- Юо

1 + i-°

8ю

1 +

f <2 Ю - Юо

V

8ю

(4.3)

У JJ

где 5ю - полуширина линии поглощения. При моделировании АЧХ аф была равна 3, а значение 5ю составило 250 МГц.

Исходя из того, что функция Бесселя обладает свойством / = -/_\„ получим выражение для расчета мощности оптического сигнала, поступающего в фотодетектор:

Pp?(/) = T ^pt

J 0(m) g (roc) + iJ1g (ю c + ®m )exp(i®m / ) + + iJ1g(®c - ®m)exp(-i®m/)

2

(4.4)

где T - пропускание оптоволокна, складывающееся из потерь на стыковку с волокном и оптического поглощения. Компонента мощности оптического излучения, промодулированная на частоте модуляции ют, имеет амплитуду

pPD^ = 2TJo(m)J1(m)|g(®c)g(®c + ют)-g(®c)g(®c + ®m)|- (4.5)

На выходе фотодетектора формируется СВЧ-сигнал, пропорциональный мощности падающего оптического излучения. Мощность выходного СВЧ-сиг-нала на частоте ют рассчитывается следующим образом:

Pout = R [2^Tr|PoptJ0(m)J1(m)| g^g^c + ют Ь g(®c)g(roc + ют ^ > (46)

где S - чувствительность фотодетектора; R - сопротивление нагрузки фотодетектора. Коэффициент передачи радиофотонного СВЧ-фильтра определялся как S2i = 10log(p^/pi), где P-m - мощность СВЧ-сигнала, подаваемого на СВЧ-вход электрооптического фазового модулятора, а Pout - мощность СВЧ-сигнала на выходе фотодетектора, рассчитанная по (4.6).

На рисунке 4.2 штриховыми линиями представлены результаты численного моделирования передаточных характеристик радиофотонного СВЧ-филь-тра. Видно, что результат численного моделирования достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными. Представленная математическая модель позволяет рассчитывать АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра и оценивать уровень потерь, вносимых фильтром в полосе пропускания.

Полученные результаты показывают, что исследованный фильтр имеет сравнительно высокие потери в полосе пропускания. Чтобы их снизить, можно предложить, например, использовать лазер с более высокой мощностью излучения. На рисунке 4.3 показаны результаты математического моделирования АЧХ перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра при использовании лазеров мощностями 100 и 300 мВт. Моделирование показывает, что увеличение мощности лазера до 100 мВт снижает потери в полосе пропускания фильтра до -10 дБ, а при мощности 300 мВт потери снижаются до уровня 0 дБ. Однако, чтобы использо-

вать такой лазер с относительно высокой мощностью излучения, в схеме радиофотонного фильтра необходим фотодетектор с высоким фототоком.

Рисунок 4.3. - Результат моделирования АЧХ радиофотонного фильтра при повышенной мощности излучения лазера

4.2. Экспериментальный макет оптоэлектронного генератора

Структурная схема экспериментального макета оптоэлектронного генератора на основе газовой ячейки представлена на рисунке 4.4. Оптический тракт представляет собой перестраиваемый радиофотонный СВЧ-фильтр, который был описан в подразд. 4.1 и состоит из лазера с перестраиваемой длиной волны излучения в диапазоне 1527.6.1565.5 нм, фазового модулятора с полуволновым напряжением 5 В и оптическими потерями около 5 дБ в диапазоне 0.12 ГГц, одномодового оптоволокна БМГ-28 длиной 2000 м, фотодетектора с чувствительностью 0.8 А/Вт в диапазоне 0.12 ГГц и сопротивлением нагрузки 50 Ом. Для фазо-амплитудного преобразования оптического сигнала использовалась коммерчески доступная ацетиленовая газовая ячейка. Использовалась наиболее интенсивная линия поглощения Р9 с центральной частотой поглощения 195,895 ТГц (1530,37 нм). За счет перестройки полосы пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра перестраивалась частота генерации в ОЭГ.

Оптоволокно

Рисунок 4.4. - Блок-схема оптоэлектронного генератора на основе газовой ячейки (ФМ - фазовый модулятор; ГЯ - газовая ячейка; ФД - фотодетектор) Радиочастотный тракт генератора состоит из малошумящего СВЧ-усили-теля, переменного аттенюатора и СВЧ-ответвителя. Для дополнительного подавления паразитных гармоник в схему включался фильтр на ПСВ с полосой пропускания 50 МГц. Измерения спектров генерации и фазового шума проводились с помощью анализатора спектра и фазового шума Rohde & Schwarz FSWP 26.

4.3. Результаты исследования оптоэлектронного генератора

На рисунке 4.5 представлены спектры генерации. Как уже отмечалось, перестройка частоты генерации осуществлялась посредством изменения полосы пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра. Полоса пропускания фильтра перестраивалась за счет изменения частоты оптического излучения лазера относительно центральной частоты поглощения ацетиленовой газовой ячейки.

0-10-20-

S -30-

w ■

* -40-

а, ■

-50-60-70-

/лаз = /я + 4 ГГЦ /лаз = /я + 10 ГГц

/лаз = /ГЯ + 6 ГГЦ /лаз = /я + 12 ГГц

/лаз = /ГЯ + 8 ГГЦ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 / ГГц

Рисунок 4.5. - Спектры генерации ОЭГ на основе ацетиленовой газовой ячейки при различных частотах оптического излучения лазера относительно центральной частоты поглощения ацетиленовой газовой ячейки

На рисунке 4.6, а представлен спектр генерации ОЭГ на основе газовой ячейки с частотой генерации около 12 ГГц. Видно, что уровень боковых гармоник составляет около -20 дБм. Включение в радиочастотный тракт ОЭГ фильтра на ПСВ позволяет снизить уровень паразитных гармоник до -40 дБм, как показано на рисунке 4.6, б.

На рисунке 4.7, а, б представлены спектры генерации ОЭГ на основе газовой ячейки на частотах около 10 и 12 ГГц соответствено. На рисунке 4.7, в, г

о--202 -40-

м

« ■

сС -60 --80-100-

-120

щ

щ

0 -20

а -40

м «

а," -60 -80 -100 -120

щ

11,959 11,960 11,961 11,962 11,963 / ГГц

а

12,000 12,001 12,002 12,003 12,004 / ГГц

б

Рисунок 4.6. - Спектры генерации ОЭГ на основе газовой ячейки без фильтра на ПСВ (а) и с фильтром на ПСВ (б)

показаны соответствующие спектры фазового шума. Видно, что при перестройке частоты генерации фазовый шум не изменился и составляет около -120 дБн/Гц на частоте отстройки 10 кГц, а нижний уровень фазового шума составляет около -132 дБн/Гц.

Далее было проведено моделирование спектра фазового шума ОЭГ на основе газовой ячейки. Как и ранее, использовалась модифицированная модель Яо-Малеки, а расчет велся по формуле (2.67). Напомним, что в стандартной модели Яо-Малеки считается, что источниками фазового шума в ОЭГ являются только тепловой шум, дробовый шум и RIN-шум лазера. При моделировании спектра фазового шума значение коэффициента пропорциональности фликкер-шума составило Ь-\ = 5-10-1°. В исследуемом ОЭГ использовалось оптоволокно длиной 2 км, что соответствует~ 32 кГц. Из экспериментально

полученных спектров видно, что на частотах отстройки ниже / спектр фазового шума имеет наклон, пропорциональный /-2, а на частотах ниже 2.8 кГц -пропорциональный /-3. Изменение наклона вызвано влиянием фликкер-шума СВЧ-усилителя и фотодетектора [67, 106].

10 / ГГц

12

14

102

эксперимент _ моделирование

Л ---

чу N. 1

/с

| \

/ь

1 1 ■ 1 1 ,|

/

. !. . I2. г0

103

104 /Г ц

105

а

10

12 / ГГц

14

16

-50 -60 -70 -80 -90 --00 -110 -120 --30

-140 10

........1 ' эксперимент ^ моделирование

---

V \

/с 1 |

г3 \ 1 '

/ь 1 1 ■

/ '—1

I:2.

103

104 /Гц

105

б

Рисунок 4.7. - Спектры генерируемого сигнала (а, б) и спектры фазового шума ОЭГ (в, г) на основе газовой ячейки

в

г

4.4. Выводы

Наиболее существенные результаты, полученные в четвертом разделе, следующие:

1. Предложена конструкция перестраиваемого радиофотонного СВЧ-филь-тра на основе ацетиленовой газовой ячейки. Фильтрация СВЧ-сигнала на оптической несущей осуществляется за счет фазово-амплитудного преобразования оптического сигнала. Перестройка частоты пропускания такого фильтра осуществляется за счет изменения частоты несущего оптического излучения. Описан метод расчета АЧХ радиофотонного СВЧ-фильтра.

2. Экспериментально исследованы вносимые потери и перестройка частоты фильтра. Показано, что для случая мощности лазера 7 мВт, полуволнового напряжения фазового модулятор 5 В и чувствительности фотодетектора 0.8 А/Вт минимальные потери в полосе пропускания фильтра составили около -30 дБ в полосе перестройки центральной частоты 4.12 ГГц. Уровень потерь в полосе пропускания можно снизить за счет использования лазера с повышенной мощностью излучения и фотодетектора с высоким фототоком.

3. Проведено экспериментальное исследование перестраиваемого опто-электронного генератора на основе ацетиленовой газовой ячейки. Перестройка частоты генерации осуществлялась за счет изменения частоты излучения лазера. Показано, что добавление в радиочастотный тракт ОЭГ полосно-пропускающего фильтра на ПСВ позволяет снизить уровень паразитных гармоник с -20 до -40 дБм.

4. Были проанализированы экспериментально полученные спектры фазового шума. Результаты показали, что фазовый шум на отстройке 10 кГц от несущей составил около -120 дБн/Гц. Нижний уровень фазового шума составил около -132 дБн/Гц.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНОН-ФОТОННОЙ РЕЗЕРВУАРНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Раздел посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию магнон-фотонного физического резервуара, представляющего собой радиофотонный активный кольцевой резонатор, нелинейность которого обеспечивается нелинейными процессами в спин-волновой линии задержки (СВЛЗ).

5.1. Модель физического резервуара

Блок-схема исследуемого физического резервуара (ФР) показана на рисунке 5.1. Он представляет собой активное оптоэлектронное кольцо со спин-волновой линией задержки. Кольцо работает в режиме автогенерации СВЧ-сигнала. Основными компонентами ФР являются оптоволоконная линия задержки (ОВЛЗ), состоящая из лазера, двух электрооптических модуляторов, оптоволокна и фотодетектора, а также СВЧ-тракт, состоящий из СВЧ-усили-телей, аттенюатора и спин-волновой линии задержки. Для вывода сигнала из кольца используются направленные ответвители.

Рисунок 5.1. - Блок-схема магнон-фотонного физического резервуара (ЭОМ - электрооптический модулятор; ФД - фотодетектор; Ус. - СВЧ-усилитель; СВЛЗ - спин-волновая линия задержки; ЭОМ - электрооптический модулятор; НО - направленный ответвитель;

Д - детектор)

В основе работы исследуемого устройства лежат нелинейные переходные процессы между двумя уровнями мощности генерируемого СВЧ-сигнала. Переходные процессы нелинейны благодаря развитию в спин-волновой линии задержки четырехволновых параметрических процессов. Оптоволоконная линия задержки в исследуемой системе работает в линейном режиме и используется для введения в кольцо дополнительного времени задержки. Входные данные вводятся в резервуар подачей напряжения на второй электрооптический модулятор (ЭОМ2).

Для моделирования переходных процессов в активных кольцевых резонаторах, построенных на основе оптоволоконной линии задержки и нелинейной спин-волновой линии задержки, была разработана теоретическая модель магнон-фотонного физического резервуара. Модель строилась следующим образом. Как отмечалось в разд. 2, возникновение автогенерации СВЧ-сигнала в кольцевой схеме возможно только на резонансных частотах кольца, на которых выполняются два условия: условие баланса фаз и условие баланса амплитуд.

Рассмотрим условие баланса фаз. При построении модели предполагалось, что фазовый набег СВЧ-сигнала в соединительных СВЧ-компонентах и оптических компонентах пренебрежимо мал по сравнению с фазовым набегом в оптоволоконной линии задержки и в спин-волновой линией задержки. Поэтому при построении модели в условии баланса фаз учитывался только фазовый набег СВЧ-сигнала в двух последних названных элементах кольца. В результате выполнение условия баланса фаз дает частоту генерации юо.

Отметим, что в результате четырехволновой нелинейности спиновая волна в СВЛЗ приобретает дополнительный нелинейный сдвиг фазы ф^ь, который нарушает условие баланса фаз. С учетом нелинейного фазового набега баланс фаз выполняется на новой частоте Ю1 = юо + Vg Фкь^. В [93] было показано, что в течение переходного процесса нелинейный сдвиг частоты автогенерации достаточно мал и не превышает сотен килогерц. Также нелинейный сдвиг частоты генерируемого сигнала не вносит существенного вклада в

91

работу ФР, так как детектируется только огибающая СВЧ-сигнала, генерируемого в кольце, и информация о частоте сигнала теряется.

Считая, что циркулирующие в кольце волны складываются синфазно на резонансной частоте, задача сводится к рассмотрению второго условия - условия баланса амплитуд. Оно состоит в том, что коэффициент передачи разомкну-

Аг

того кольца должен быть равен единице: Мри- =-= 1, где А1 и А\_\ - ампли-

4-1

туды СВЧ-сигнала после 1-го и ( - 1)-го оборотов сигнала по кольцу. Автогенерация СВЧ-сигнала возникает, когда коэффициент передачи разомкнутого

кольца строго больше единицы Нр^ > 1. При таком коэффициенте передачи

амплитуда сигнала будет увеличиваться с каждым оборотом по кольцу. С увеличением амплитуды циркулирующего сигнала растут потери, вызванные нелинейным затуханием спиновых волн в спин-волновой линии задержки и рост амплитуды сигнала замедляется. В какой-то момент потери в кольце будут равны коэффициенту усиления и система достигнет динамического равновесия, характеризующегося постоянной амплитудой выходного СВЧ-сигнала. В

таком установившемся режиме коэффициент передачи

Н

РК

становится равен

единице.

Рассмотрим коэффициент передачи по мощности разомкнутого оптоэлек-тронного кольца. Его можно записать в следующем виде:

ТР = ЯОВЛЗ^НвозбНСВ (|и\2)Нпр (1 " кои), (51)

где Яовлз - коэффициент передачи оптоволоконной линии задержки; Оо -коэффициент усиления усилителя; Нвозб = Нпр - коэффициент передачи возбуждающей и принимающей антенн соответственно [107]; Ясв(\и\2) - коэффициент передачи спин-волновой линии задержки с учетом нелинейного затухания; \ы\2 - квадрат нормированной амплитуды спиновой волны; кои1; - коэффициент переходного ослабления направленного ответвителя. С помощью

(5.1) можно получить рекуррентное выражение, описывающее мощность СВЧ-сигнала на (/ - 1)-м и ¿-м оборотах по кольцу:

2

Pi = Pi-1ТР = ЯОВЛЗ^0HвозбНСВ (|ui-112 ) Нпр (1 " Kout) Pi-1 • (5-2)

Мощность СВЧ-сигнала на выходе из кольца можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Рои1, / = НОВЛЗ^0НвозбНСВ Щ-112)Нпркoutр-1- (5-3)

Коэффициент передачи ОВЛЗ рассчитывался, следующим образом:

тт Г)0ВЛЗ I тлОВЛЗ гЮВЛЗ /^-р>тт

Новлз = Р^ Гш , где р° - мощность СВЧ-сигнала подаваемая на вход ЭОМ1, а Р^3 - мощность СВЧ-сигнала на выходе ОВЛЗ, которую можно рассчитать по формуле:

рОВЛЗ _ Г, Pout = R

а а SP е a°ptl°pt J

аEOM 1aEOM2SP lase J 1

(tt \ /тг \V

V J

sin

Vcm? V , ,

V ? JJ

(0.4)

где R - сопротивление фотодетектора; aEOui, aEOM2 - оптические потери в ЭОМ1 и ЭОМ2, соответственно; S - чувствительность фотодетектора; Pias -мощность лазера; Ji(.) - функция Бесселя 1-го рода, 1-го порядка. Vn - полуволновое напряжение ЭОМ1; Vo - амплитуда напряжения модулирующего сигнала подаваемого на вход ЭОМ1, которая связана с РОВЛЗ следующим образом: V = л/РгОВЛЗ • R50, где R50 - сопротивление подводящей пятидесяти омной линии.

Расчет коэффициента передачи Ясв(1м12) проводился методом, описанным в [108, 109]. На основе разработанной модели в последующих подразделах будет проведено численное моделирование выходного сигнала ФР.

5.2. Теоретическое исследование магнон-фотонного резервуара

Исследование магнон-фотонного резервуара состояло из нескольких этапов. На первом этапе исследовалось влияние коэффициента усиления и влияние нелинейного затухания на мощность генерируемого сигнала. Моделирование проводилось при следующих параметрах: мощность лазера рлаз = 100 мВт, полуволновое напряжение первого электрооптического модулятора Уп = 1.8 В, оптические потери в нем -7.63 дБ, полуволновое напряжение второго электрооптического модулятора Уп = 1.8 В, длина оптоволокна = 100 м, чувствительность фотодетектора £ = 0.8 А/Вт, внешнее магнитное поле Н = 2000 Э, намагниченность насыщения пленки ЖИГ 4лМ = 1750 Гс, ширина кривой ферромагнитного резонанса АН = 0.5 Э, толщина пленки ЖИГ Ь = 5 мкм, расстояние между спин-волновыми антеннами d = 5 мм, коэффициенты нелинейного затухания спиновых волн третьего из = 2 нс-1 и пятого и5 = 2 пс-1 порядков. Отметим, что ЭОМ2 выполняет функцию электронно-управляемого оптического аттенюатора. Поэтому для упрощения расчета будем считать аЕОМ2 = 0 дБ. Для этих параметров при 00 = 26.97 дБ кольцо переходило в режим автогенерации, поэтому данное значение коэффициента усиления будем считать пороговым. Под О0 при моделировании понимается суммарный коэффициент усиления двух усилителей за вычетом ослабления в аттенюаторе. При моделировании коэффициент усиления О0 будет варьироваться в диапазоне от 26.97 до 27.97 дБ. Коэффициенты передачи принимающей и возбуждающей антенн были рассчитаны в соответствии с теорией возбуждения поверхностных спиновых волн микрополосковыми антеннами и составляли Нвозб = Нпр = 0.6115. Коэффициент ответвления к0и1; = 0.1.

На рисунке 5.2 показаны графики временной зависимости мощности генерируемого в кольце СВЧ-сигнала. Сплошные линии показывают зависимости мощности СВЧ-сигнала без учета нелинейного затухания пятого порядка (из = 2 нс-1, ^5 = 0 с-1), а штриховые линии показывают зависимости с учетом нелинейного затухания пятого порядка (из = 2 нс-1, ^5 = 2 пс-1). Видно, что сначала происходит

94

плавный рост мощности от нулевого уровня, который затем приходит к насыщению. Увеличение коэффициента усиления приводит к повышению мощности генерируемого сигнала и к более быстрому нарастанию мощности до равновесного состояния. При коэффициентах усиления 26.97 и 27.07 дБ нелинейное затухание пятого порядка не вносит значительного вклада в процесс выхода кольца в стационарное состояние. Однако при коэффициентах усиления 27.47 и 27.97 дБ следует учитывать нелинейное затухание пятого порядка, так как этот эффект уменьшает мощность генерируемого сигнала.

н И

0,00025 0,00020 0,00015

а, 0,00010 0,00005 1

0,00000

ап = 27.97 дБ