Исследование радиофотонных сверхвысокочастотных генераторов с электронным управлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Витько, Виталий Валерьевич

• Витько, Виталий Валерьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Витько, Виталий Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 РАДИОФОТОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

1.1 Волоконно-оптические радиофотонные генераторы

1.2 Интегральные радиофотонные генераторы

1.3 Электронное управление генераторами

1.3.1 Магнитное управление

1.3.2 Электрическое управление

1.4 Нелинейные явления в кольцевых резонаторах бегущей волны

ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ

2.1 Спектр собственных колебаний кольцевых оптоэлектронных резонаторов

2.2 Особенности формирования спектра гибридных кольцевых оптоэлектронных резонаторов

2.3 Магнитное управление кольцевыми оптоэлектронными резонаторами

2.4 Двойное электронное управление кольцевыми оптоэлектронными резонаторами

ГЛАВА 3 ТЕОРИЯ МНОГОКОЛЬЦЕВЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СВЧ-

ГЕНЕРАТОРОВ

3. 1 Спектр собственных колебаний многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с параллельным соединением колец

3.2 Спектр собственных колебаний многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным соединением колец

3.3 Особенности формирования частотного спектра многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным и параллельным соединениями колец

3.3.1 Общие особенности передаточных характеристик многокольцевых оптоэлектронных резонаторов

3.3.2 Исследование подавления гармоник спектра в многокольцевых оптоэлектронных резонаторах

3.3.3 Добротность многокольцевых оптоэлектронных резонаторов

3.4 Электронное управление многокольцевыми оптоэлектронными

резонаторами

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОГО ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

4.1 Исследование электронно-управляемого оптоэлектронного генератора

4.2 Исследование двухкольцевого оптоэлектронного резонатора на основе волоконно-оптических и спин-волновой линий задержки

ГЛАВА 5 ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ В РАДИОФОТОННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРАХ

5.1 Нелинейное дисперсионное уравнение для кольцевого многочастотного резонатора

5.2 Нелинейное эволюционное уравнение для кольцевого многочастотного резонатора

5.3 Исследование передаточных характеристик микрокольцевого многочастотного резонатора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Принятые сокращения

СВЧ - сверхвысокие частоты

ОЭГ - оптоэлектронный генератор

ЭОМ - электрооптический модулятор

ЛЗ - линия задержки

ОСД - область свободной дисперсии

ВОЛЗ - волоконно-оптическая линия задержки

ЖИГ - железо-иттриевый гранат

МШГ - мода шепчущей галереи

СВЛЗ - спин-волновая линия задержки

ООСВ - обратная объемная спиновая волна

ПОСВ - прямая объемная спиновая волна

ПСВ - поверхностная спиновая волна

ФЧХ - фазочастотные характеристики

ФСЛЗ - феррит-сегнетоэлектрическая линия задержки

ОЭР - оптоэлектронный резонатор

ОЭМР - оптоэлектронный многокольцевой резонатор

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование радиофотонных сверхвысокочастотных генераторов с электронным управлением»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Прогресс активных и пассивных оптических элементов открывает широкие перспективы для их использования в электронных цепях и позволяет создавать новые радиоэлектронные устройства с рабочими характеристиками, ранее недостижимыми для традиционной электроники. Одним из наиболее динамически развивающихся направлений современной радиоэлектроники является радиофотоника (в англоязычной литературе - microwave photonics) [1]. Формирование радиофотоники обусловлено слиянием двух научных дисциплин - фотоники и сверхвысокочастотной (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. В частности, радиофотоника успешно применяет различные методы, используемые в СВЧ технике, для улучшения работы сетей и систем телекоммуникаций [2, 3]. В качестве примеров можно назвать различные СВЧ радиофотонные элементы и устройства, такие как фазовращатели [4], фильтры [5], генераторы СВЧ колебаний [6] и другие.

К настоящему времени в области СВЧ радиофотоники сформировалось два наиболее обширных направления, которые можно условно именовать как волоконно-оптическая радиофотоника [7] и интегральная радиофотоника [8-10].

Непрерывное развитие информационных и телекоммуникационных систем приводит к необходимости поиска новых способов генерации широкополосных сигналов СВЧ диапазона, обеспечивающих высокую спектральную чистоту генерируемого сигнала и его стабильность в заданном диапазоне частот. Поэтому одними из перспективных устройств СВЧ радиофотоники являются перестраиваемые высокостабильные оптоэлектронные генераторы (ОЭГ) СВЧ колебаний, работающие в частотном диапазоне от сотен мегагерц до сотен гигагерц

[11-13].

Благодаря своим уникальным особенностям последние два десятилетия радиофотонные кольцевые ОЭГ привлекают пристальное внимание исследователей. При этом большинство исследований имеют, в основном, прикладной характер и касаются изучения монохроматической генерации СВЧ-сигнала и спектра его фазовых шумов [14]. В таких исследованиях особое внимание уделяется поиску различных способов снижения фазового шума. Наиболее очевидным способом является увеличение добротности резонансного элемента за счёт увеличения времени задержки, что в свою очередь приводит к появлению дополнительных паразитных гармоник в спектре генерации [15].

Для подавления дополнительных боковых гармоник возможно использование высокодобротных частотно-избирательных элементов [16В1-18]. Другой перспективной технологией, позволяющей подавлять побочные гармоники, является использование схем с параллельным или последовательным соединением колец в многокольцевом СВЧ-генераторе [19].

Иным способом снижения фазового шума является использование дисперсионных линий задержки как в оптическом, так и в радиоэлектронном тракте. Дисперсионные линии задержки в составе кольцевых СВЧ-генераторов обеспечивают дополнительный, зависящий от частоты вклад в условие баланса фаз. Кроме того, такие линии задержки вносят дополнительные потери, которые из-за своей частотной зависимости исключают явление конкуренции мод при генерации сигнала.

Одним из примеров дисперсионных линий задержки СВЧ диапазона являются спин-волновые линии задержки (ЛЗ) [20]. Спин-волновые ЛЗ, благодаря природе спиновых волн, играют еще и роль управляемого фильтра в ОЭГ [21В]. Кроме спин-волновых ЛЗ, было также предложено использовать линии задержки на слоистых феррит-сегнетоэлектрических структурах [22В]. Это позволяет реализовывать ОЭГ одновременно с магнитным и электрическим управлением.

К моменту начала работы над диссертацией оставались неизученными особенности формирования спектра многокольцевых СВЧ-генераторов,

1 Здесь и далее буквой В обозначены работы, выполненные по теме диссертационной работы

содержащих дисперсионные линии задержки на волнах разной природы. Были слабо изучены способы управления частотой генерации при помощи управляемых дисперсионных линий задержки. Нерешенной научной проблемой оставалось описание нелинейных стационарных явлений, связанных с генерацией сигнала в радиофотонных СВЧ-генераторах.

Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей формирования спектра радиофотонных кольцевых СВЧ-генераторов с электронным управлением.

Кольцевые СВЧ-генераторы до порога генерации представляют собой активные кольцевые резонаторы, поэтому в соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования были:

1. Разработка общей теории спектра оптоэлектронных многокольцевых резонаторов с параллельным соединением линий задержки и последовательным соединением кольцевых резонаторов.

2. Исследование спектра кольцевых резонаторов, содержащих дисперсионные и бездисперсионные линии задержки.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование особенностей подавления нежелательных резонансных гармоник, а также электрического и магнитного управления частотой генерации.

4. Исследование нелинейных свойств радиофотонных кольцевых СВЧ-резонаторов.

Объектом исследования является оптоэлектронный кольцевой генератор на дисперсионных линиях задержки.

Предметом исследования являются особенности формирования спектра оптоэлектронных кольцевых генераторов на дисперсионных линиях задержки до порога генерации и за порогом генерации.

Методы исследования, применяемые в диссертации, заключаются в использовании общепринятых методов и подходов радиофизики, математической физики и физики колебаний и волн. В частности, при теоретическом исследовании формирования спектра оптоэлектронных многокольцевых резонаторов

использовался метод парциальных волн, а для получения нелинейного эволюционного уравнения был использован метод огибающих.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов и выводов подтверждается корректным использованием методов математической физики, а также сравнением результатов разработанной теории с экспериментальными данными. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена теория управляемых кольцевых резонаторов, содержащих любое число последовательно или параллельно соединенных колец, содержащих линии задержки, построенные на волнах различной природы.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования частотных спектров управляемых кольцевых оптоэлектронных резонаторов, построенных на ферритовых и мультиферроидных линиях задержки.

3. Исследована перестройка частоты генерации в зависимости от внешних электрического и магнитного полей.

4. Выведено эволюционное уравнение, описывающее нелинейные волны в кольцевых резонаторах с учетом четырех-волновых параметрических процессов.

Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать основные научные положения:

1. Дисперсионные линии задержки сверхвысокочастотного сигнала, находящиеся в цепи обратной связи оптоэлектронного кольцевого резонатора, реализуют подавление побочных гармоник в спектре генерации.

2. Перестройка частоты генерации оптоэлектронного кольцевого генератора, построенного на ферритовых или мультиферроидных линиях задержки, при изменении управляющих магнитного и электрического полей происходит скачками, величина которых равна частотному расстоянию между резонансными гармониками.

3. Максимальное подавление побочных гармоник оптоэлектронного генератора реализуется при параллельном соединении оптических линий

задержки при соотношении их длин 1 к 2 и равном делении мощности между ними.

4. Нелинейное затухание стабилизирует резонансные частоты многочастотного спектра оптического кольцевого резонатора, препятствуя их бистабильному поведению при увеличении циркулирующей мощности. Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем.

1. Предложена теоретическая база для расчета спектров оптоэлектронных многокольцевых резонаторов с параллельным и последовательным соединением дисперсионных линий задержки. Полученные результаты могут быть использованы для разработки малошумящих оптоэлектронных СВЧ-генераторов.

2. Показано, что многокольцевые резонаторы с параллельным соединением колец позволяют максимально подавить побочные гармоники спектра генерации, а с последовательным соединением колец позволяют также увеличить добротность резонансных гармоник.

3. Получено нелинейное эволюционное уравнение, позволяющее описывать работу оптоэлектронных кольцевых генераторов в запороговом режиме их функционирования.

4. Созданы оригинальные программы, позволяющие численно рассчитывать передаточные характеристики оптоэлектронных кольцевых резонаторов с линейными и нелинейными дисперсионными элементами.

Апробация. Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, на международной конференции «PIERS» (Россия, Санкт-Петербург, 2017 г.), международной магнитной конференции «Intermag» (Ирландия, Дублин, 2017 г.), международной конференции по электромагнитной совместимости «EMC compo» (Россия, Санкт-Петербург, 2017 г.), на международной конференции по микроволновым устройствам, системам и технологиям "The European Microwave Conference" (Нидерланды, Амстердам, 2012 г., Франция, Париж, 2015 г., Германия, Нюренберг, 2017 г.), на международной конференции «Wave Electronics And Its

Applications In The Information And Telecommunication Systems XIX» (Россия, Санкт-Петербург, 2016 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ» (Россия, Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2015, 2016 и 2017 гг.), на всероссийской молодёжной конференции по физике и астрономии «ФизикА.СПб» (Россия, Санкт-Петербург, 2014, 2015, 2016 г.), на 6-м международном молодежном форуме «Инженеры будущего» (Россия, Ижевск, 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в научных журналах и тезисы к 10 докладам на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований. Основной текст изложен на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, отмечены научная новизна, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации представляет собой краткий литературный обзор по теме диссертации.

Вторая глава посвящена разработке теории управляемых кольцевых оптоэлектронных СВЧ-генераторов и освещению особенностей формирования спектра гибридных кольцевых оптоэлектронных резонаторов, построенных на различных линиях задержки, в том числе с электрическим и магнитным управлением.

В третьей главе развита теория многокольцевых оптоэлектронных резонаторов с последовательным и параллельным соединением оптических резонансных элементов, а также исследованы особенности подавления побочных гармоник спектра генерации.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению теории, разработанной во второй и третьей главах. В ней проведено исследование

магнитного и электрического управления передаточными характеристиками кольцевых оптоэлектронных резонаторов, а также исследовано подавление побочных гармоник резонансного спектра.

Пятая глава посвящена выводу эволюционного уравнения, описывающего нелинейные волны в кольцевых резонаторах с учетом четырех-волновых параметрических процессов.

Заключение содержит основные выводы по диссертационной работе.

ГЛАВА 1 РАДИОФОТОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

СВЧ-генераторы являются одним из важнейших устройств телекоммуникационных, радиолокационных и многих других радиоэлектронных систем. В таких системах особенное внимание уделяется качеству генерируемого сигнала. Обеспечить наилучшую спектральную чистоту и кратковременную стабильность частоты, а также низкий фазовый шум могут ОЭГ, основанные на оптических резонаторах с высокой добротностью или на длинных оптических волокнах [14]. Основным преимуществом ОЭГ по сравнению с традиционными генераторами СВЧ колебаний является преодоление противоречивых требований, состоящих в увеличении полосы перестройки частоты генерации и снижении уровня фазовых шумов [7, 11]. Обычно это достигается за счет увеличения времени задержки циркулирующего сигнала.

1.1 Волоконно-оптические радиофотонные генераторы

В общем случае кольцевой ОЭГ состоит из лазерного модуля, электрооптического модулятора излучения, оптической ЛЗ, фотодетектора, оптического или СВЧ-усилителя и узкополосного фильтра, который выполняет функцию частотозадающего элемента и обеспечивает монохроматическую генерацию [7]. Такие устройства отличаются своей компактностью и низкими затратами на производство.

В качестве оптических линий задержки в кольцевых ОЭГ широко используются волоконно-оптические кабели, которые имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания и малые потери в инфракрасном спектральном диапазоне. В качестве лазерных модулей применяют лазерные диоды того же спектрального диапазона [23-24]. В качестве электрооптического модулятора (ЭОМ) обычно используют интерферометры Маха-Цендера на основе ниобата лития (смотри, например, [25]). В качестве фотодетектора могут быть выбраны малошумящие фотодиоды [26].

Частота колебаний в таком ОЭГ определяется фазовым набегом в волоконно-оптическом кабеле и регенерацией мощности в цепи обратной связи, содержащей усилитель и полосовой фильтр [27]. Описанный ОЭГ до порога автогенерации представляет собой кольцевой резонатор. Необходимым условием резонанса является выполнение баланса фаз циркулирующих волн, который должен быть кратен 2л. На резонансной частоте, для которой усиление разомкнутого контура делается большем единицы, будет наблюдаться генерирация монохроматического сигнала. В случае слабой дисперсии или отсутствия дисперсии времени задержки собственный спектр генерации ОЭГ будет состаять из эквидистантного ряда частот одинаковой амплитуды.

Расстояние между соседними резонансными частотами называется областью свободной дисперсии (ОСД). Как уже было сказано, фазовый набег в волоконно-оптическом кабеле определяется как ф = кЬ, где Ь - длина волоконно-оптического кабеля, а к - волновое число, определяемое спектром волн. Волновое число к волоконно-оптического кабеля находится из следующего дисперсионного соотношения [28]:

8! 1У1 (ка) +

82 к 1у(ка) И^(ка)

И(1) (*

V

Ц 82

-1

а12 1V(ка) + ^^ (Ча)

к 1v(кa) И^( 1уа)

коргк2

(1.1)

к

где 81 и 82 - диэлектрические постоянные сердцевины и оболочки волоконно-оптического кабеля, соответственно; а - радиус сердцевины; кр - продольное

волновое число; Jv(кa) - функция Бесселя 1-ого рода, описывающая

распределение электромагнитного поля в сердцевине; (ка) - производная функции Бесселя 1-ого рода по аргументу ка; И^1 (гуа) - функция Ханкеля 1-ого

2

рода, описывающая распределение электромагнитного поля в оболочке; И^ (/уа) - производная функции Ханкеля 1-ого рода по аргументу ¡уа; V - азимутальное волновое число, которое показывает порядок функции Бесселя и функции Ханкеля;

2 2 /2 2/2 2 к = ю Цо8о81 - кор1 и у = кор1 - ю Цоеое2 - радиальные волновые числа в

—12

сердцевине и оболочке, соответственно; £о = 8.85 10 Ф/м - диэлектрическая

—7

проницаемость вакуума; Цо = 4п • 1о Гн/м - магнитная проницаемость вакуума.

В работе [29] описан один из первых кольцевых ОЭГ, схема которого приведена на рисунке 1.1. Его принцип действия основан на преобразовании непрерывного когерентного излучения лазера в СВЧ-сигнал.

Рисунок 1.1 - Схема ОЭГ [29]

Проведенные в [29] теоретические и экспериментальные исследования показали, что увеличение длины волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) обеспечивает увеличение времени задержки и повышение добротности, а, следовательно, и снижение фазового шума. В работе было показано, что увеличение времени задержки путем увеличения длины ВОЛЗ приводит к сужению ОСД. Связь между временем задержки, ОСД и длиной ВОЛЗ определяется следующим выражением

1 тс

- = АР = — Т п1

(1.2)

где а - время задержки, ВР - ОСД, т - номер моды, с - скорость света в вакууме, п - показатель преломления оптоволокна, а I - его длина. Из выражения (1.2) видно, что в описанном подходе оптическая ЛЗ считалась бездисперсионной. Для наглядности на рисунке 1.2 представлены зависимость фазового шума при отстройке на 10 кГц от частоты несущей, а также зависимость ОСД от длины ВОЛЗ, взятые из [30].

-80-

-90-

^N=10" ^N=10"

1100-

-Ш-

-120 _

[ =1

4 и О

Ьб 3

ю \- 12 14 - 16 - 13 20 1-22

Т

Т

100

200

300

400 500 Длина ВОЛЗ, м

Рисунок 1.2 - Зависимость фазовых шумов ОЭГ от длины ВОЛЗ (при отстройке от частоты несущей на 10 кГц) при различных значениях относительного шума интенсивности лазера (ЯШ) - цветные линии, а также ОСД генератора - черная

линия [30]

Таким образом, для ОЭГ проявляется противоречие. Оно выражается в том, что снижение уровня фазового шума одновременно приводит к уменьшению ОСД, что влечет за собой появление боковых спектральных гармоник. Для подавления боковых гармоник можно использовать узкополосный фильтр.

Для разрешения противоречия в целом ряде работ [19, 31-33] были предложены различные многокольцевые конфигурации ОЭГ. Например, на рисунке 1.3 представлена конфигурация двух-кольцевого ОЭГ с параллельным соединением ВОЛЗ разной длины. Принцип работы такого ОЭГ состоит в следующем. Оптический сигнал, излучаемый лазером и модулируемый оптическим модулятором, делится между различными плечами, затем распространяется по ВОЛЗ различной длины, приобретая различный набег фаз. На выходе ВОЛЗ оптическое излучение преобразуется фотодетектором в СВЧ сигнал и складывается сумматором. Далее сигнал поступает последовательно на СВЧ-усилитель, СВЧ-фильтр; часть сигнала ответвляется, а оставшаяся часть подается на СВЧ-вход ЭОМ. Таким образом, цепь является замкнутой и при выполнении условий баланса фаз и амплитуд на выходе наблюдается генерация СВЧ-сигнала.

Amplifier Attenuator Phase shifter filter

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема двух-кольцевого ОЭГ [32]

Соединение двух ВОЛЗ разной длины представляют собой интерференционную схему. За счет интерференции сигналов происходит увеличение ОСД. Для пояснения рассмотрим иллюстрацию, представленную на рисунке 1.4 при соотношении длин ВОЛЗ равном 2.5 [33]. Резонансные гармоники кольца с длинным волоконно-оптическим кабелем представлены в верхней части

рисунка, а в средней части рисунка - с коротким. Пунктиром показана передаточная характеристика полосно-пропускающего СВЧ-фильтра. Как видно из рисунка, в полосу пропускания СВЧ-фильтра попадают гармоники, отмеченные номерами 0, 1 и 2. В случае короткой ВОЛЗ - это гармоники с номерами 0 и 1. Благодаря синфазному сложению волн, совпадающие гармоники усиливаются (гармоники 0 и 5). В остальных случаях условие баланса фаз не выполняется, поэтому мощность на этих гармониках уменьшается. Видно, что благодаря СВЧ-фильтру происходит фильтрация всех гармоник кроме гармоники с номером 0.

RF Filter

iDua! Loop OEO

- ~ - - A_

Рисунок 1.4 - Иллюстрация подавления резонансных гармоник в двух-кольцевом

ОЭГ [33]

В работе [33] было проведено экспериментальное исследование, которое показало, что в случае однокольцевой схемы ОЭГ с ВОЛЗ длиной 4.4 км фазовый шум на генерируемой частоте 10 ГГц составляет -136 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц, а уровень паразитных гармоник достигает -61 дБ при отстройке от несущей на 45 кГц. Однако из проведенного исследования видно, что конфигурация ОЭГ с двумя ВОЛЗ длинами 2.2 и 8.4 км позволяет снизить уровень фазового шума до -140 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц, при этом уровень паразитных гармоник достигает -97 дБ.

Кроме того, авторы [33] провели исследование конфигурации ОЭГ с тремя ВОЛЗ. Поскольку многокольцевой ОЭГ обладает лучшей селекцией мод и позволяет снизить уровень паразитных гармоник, то становится возможным использовать управляемые фильтры, обладающие узкой полосой пропускания. Так, в работе [34] был использован коммерческий СВЧ фильтр на основе сферы железо-иттриевого граната (ЖИГ). Достоинством ЖИГ-фильтров является возможность магнитного управления их рабочей частотой. Схема многокольцевого ОЭГ с узкополосным ЖИГ-фильтром показана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема трёх-кольцевого оптоэлектронного генератора с перестраиваемым фильтром на сфере ЖИГ [33]

В работе [33] было экспериментально продемонстрировано, что при Ь1=4,4 км, Ь2=3 км и Ь3=1,2 км уровень боковых гармоник составляет -93 дБ, а фазовый шум достигает -128 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц. При этом диапазон перестройки несущей частоты составляет от 6 до 12 ГГц.

Принципиально новым подходом для решения проблемы уменьшения фазового шума и реализации управления частотой генерации является использование широкополосной управляемой ЛЗ с сильной дисперсией в составе многокольцевого радиофотонного СВЧ-генератора. Время задержки в

дисперсионной ЛЗ зависит от частоты, поэтому спектр генерации будет не эквидистантен. Кроме того дисперсия ЛЗ может быть подобрана таким образом, чтобы условие баланса фаз выполнялось только на одной резонансной частоте.

В качестве дисперсионных СВЧ линий задержки перспективно использовать ЛЗ на бегущих спиновых волнах [21В, 34]. В отличие от ЖИГ-фильтров на сферах ЖИГ, спин-волновые ЛЗ выполняют не только частотно-селективную роль, но и обеспечивает необходимые для подавления боковых гармоник дисперсионные свойства. Кроме того, использование спин-волновой линии задержки позволяет реализовывать магнитное управление ОЭГ. Заметим также, что многокольцевой резонатор на перестраиваемых дисперсионных ЛЗ является основой для создания управляемого малошумящего ОЭГ. Однако теоретических исследований в этом направлении на момент начала работы над диссертацией проведено не было.

1.2 Интегральные радиофотонные генераторы

Спектральная чистота сигнала, генерируемого ОЭГ, обусловлена добротностью кольцевого резонатора. Одним из перспективных подходов к созданию малогабаритных малошумящих ОЭГ является использование высокодобротных оптических резонаторов [35-38]. Оптические резонаторы представляют собой открытые диэлектрические резонаторы, в которых вдоль внутренней поверхности распространяются высокодобротные моды шепчущей галереи (МШГ). Геометрическое исполнение МШГ-резонаторов может быть различным [39-32]. Наиболее распространенными микрорезонаторами являются микродисковые тороидальные резонаторы [39, 43] и интегральные микрокольцевые резонаторы [44, 45]. Радиус планарных микрокольцевых резонаторов составляет от нескольких десятков микрон до нескольких десятков миллиметров. Примеры резонаторов приведены на рисунке 1.6 [42].

Рисунок 1.6 - Микродисковый тороидальный резонатор (а) и интегральный

микрокольцевой резонатор (б) [42]

Для одновременного увеличения ОСД и добротности резонатора используется конфигурация, образованная последовательно соединенными микрокольцевыми резонаторами [46 - 50]. Принципиальная схема для двух связанных микрокольцевых резонаторов представлена на рисунке 1.7. Такая схема в дальнейшем будет называться последовательной.

Input port Throughput port

Drop port

Рисунок 1.7 - Принципиальная схема двух связанных микрокольцевых

резонаторов [50]

В процессе прохождения последовательной схемы оптический сигнал претерпевает переизлучение, пропорциональное коэффициенту связи сначала между подводящей линией и первым микрокольцевым резонатором, затем - между двумя микрокольцевыми резонаторами, и, наконец, пропорциональное коэффициенту связи между микрокольцевым резонатором и отводящей линией. Коэффициенты связи между подводящей/отводящей линией и микрокольцевым резонатором определяются из выражения [51]:

.2,

2 ^ vg

к2 =, (1.3)

2nR

а между двумя связанными микрокольцевыми резонаторами с номерами п и п+1 из выражения

к2 = Kg+1 Ч, (1.4)

(2nR)(2nRi+i)

где с и С - коэффициенты силы межмодового взаимодействия, которые определяются как интеграл перекрытия распределения полей в волноводах на длине их взаимодействия, - групповая скорость волны в кольце с номером г, а

Яг - радиус микрокольца с номером I.

В последовательных схемах наблюдается увеличение ОСД за счет подавления гармоник на частотах, на которых резонансные частоты отдельных резонаторов не совпадают. Для пояснения этого эффекта на рисунке 1.8 представлены по отдельности передаточные характеристики микрокольцевых резонаторов различной длины (рисунки 1.8 (а) и (б)) и результирующая характеристика их последовательного соединения.

а)

б)

в)

Рисунок 1.8 - Передаточные характеристики микрокольцевого резонатора с ОСД = 50 ГГц (а), микрокольцевого резонатора с ОСД = 40 ГГц и двух связанных

микрорезонаторов с ОСД = 200 ГГц (в) [50]

Каждый микрокольцевой резонатор пропускает сигнал только на частотах, соответствующих его резонансному спектру. Как видно из рисунка, в спектрах совпадают каждая четвертая и каждая пятая резонансные гармоники отдельных

микрокольцевых резонаторов. Объединение таких резонаторов приводит к подавлению не совпадающих по частоте гармоник и уширению ОСД. Важной особенностью последовательного соединения является возможность увеличения нагруженной добротности системы связанных резонаторов по сравнению с добротностью отдельных резонаторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Витько, Виталий Валерьевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Capmany, J. Microwave photonics combines two worlds / J. Capmany, D. Novak // Nature photonics. - 2007. - Vol. 1. - P. 319-330.

[2] Seeds, A.J. Terahertz photonics for wireless communications / A.J Seeds [et al.] //Journal of Lightwave Technology. - 2015. - Vol. 33. - Issue. 3. - P. 579-587.

[3] Capmany, J. Microwave photonic signal processing / J. Capmany [et al.] // Journal of Lightwave Technology. - 2013. - Vol. 31. - Issue. 4. - P. 571-586.

[4] Xue, W. Wideband 360 microwave photonic phase shifter based on slow light in semiconductor optical amplifiers / W. Xue [et al.] // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. -P. 6156-6163.

[5] Capmany, J. A tutorial on microwave photonic filters / J. Capmany, B. Ortega, D. Pastor // Journal of Lightwave Technology. - 2006. - Vol. 24. - Issue 1. - P. 201-229.

[6] Minasian, R.A. Photonic signal processing of microwave signals / R.A. Minasian // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2006. - Vol. 54. - Issue 2.

- P. 832-846.

[7] Yao, J. Microwave photonics / J. Yao //Journal of Lightwave Technology. - 2009.

- Vol. 27. - Issue 3. - P. 314-335.

[8] Iezekiel, S. RF engineering meets optoelectronics: progress in integrated microwave photonics / S. Iezekiel [et al.] // IEEE Microwave Magazine. - 2015. -Vol. 16. - Issue 8. - P. 28-45.

[9] Pérez, D. Integrated microwave photonics / D. Pérez, I. Gasulla, J. Capmany // IEEE Photonics Conference (IPC). - 2016. - P. 5-6.

[10] Zhang, W. Silicon-based integrated microwave photonics / W. Zhang, J. Yao // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2016. - Vol. 52. - Issue 1. - P. 1-12.

[11] Белкин, M.E. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника / M.E. Белкин, А.С. Сигов // Радиотехника и электроника. - 2009.

- T. 54. - № 8. - C. 901-914.

[12] Carpintero, G. Photonic integrated circuits for radio-frequency signal generation / G. Carpintero [et al.] // Journal of Lightwave Technology. - 2016. - Vol. 34. - Issue 2. -P. 508-515.

[13] Brasch, V. Photonic chip-based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation / V. Brasch [et al.] // Science. - 2016. - Vol. 351. - Issue 6271. - P. 357-360.

[14] Maleki, L. Sources: The optoelectronic oscillator / L. Maleki // Nature Photonics.

- 2011. - Vol. 5. - Issue 12. - P. 728-730.

[15] Volyanskiy, K. Applications of the optical fiber to the generation and measurement of low-phase-noise microwave signals / K. Volyanskiy [et al.] // JOSA B. - 2008. - Vol. 25. - Issue 12. - P. 2140-2150.

[16B] Vitko, V.V. Microwave filter based on Lamb modes for optoelectronic Generator / V.V. Vitko [et al.] // 17th Russian Youth Conference on Physics and Astronomy (PhysicA.SPb/2014) Journal of Physics: Conference Series. - 2015. -Vol. 661. - p. 01204.

[17] Volyanskiy, K. Compact optoelectronic microwave oscillators using ultra-high Q whispering gallery mode disk-resonators and phase modulation / K. Volyanskiy [et al.] // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - Issue 21. - P. 22358-22363.

[18] McNeilage, C. A low phase noise microwave sapphire loop oscillator / C. McNeilage, J. H. Searls, // In International Frequency Control Symposium and Exposition. - 2006. - P. 852-860.

[19] Yao, X.S. Multi-loop optoelectronic oscillator / X.S. Yao, L. Maleki // IEEE J. of Quant. Electron. - 2000. - Vol. 36. - Issue 1. - P. 79-84.

[20] Stancil, D.D. Spin waves / D.D. Stancil, A. Prabhakar. - New York: Springer, 2009. - P. 364

[21B] Устинов, А. Б. Перестраиваемый спин-волновой оптоэлектронный CB4 генератор монохроматического сигнала / А. Б. Устинов, А. А. Никитин, B. B. Витько [и др.]//Электроника и микроэлектроника CB4. - 2016. - Т. 1. - №. 1.

- C. 338-342.

[22B] Vitko, V.V. Dual-tunable multiferroic active ring filter for microwave photonic oscillators / V.V. Vitko [et al.] // 17th Russian Youth Conference on Physics and

Astronomy (PhysicA.SPb/2014) Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - Vol. 661. - p. 01204.

[23] Колодезный, E.C. Полупроводниковые лазерные диоды спектрального диапазона 1520-1580 нм для радиофотоники и телекоммуникаций / E.C. Колодезный [и др.]// Электроника и микроэлектроника CB4. - 2016. - Т. 2. - № 1. - C. 302-306.

[24] Костромитин, А.О. Измерение и анализ модуляции и шумов частоты излучения одночастотных полупроводниковых лазерных диодов / А.О. Костромитин, А.В. Кудряшов, Л.Б. Лиокумович // Журнал прикладной спектроскопии. - 2015. - Т. 82. - № 4. - C. 622-627.

[25] Lebedev, V. Generation of High Extinction Optical Pulses by Means of LiNbO3 Mach-Zehnder Modulators / V. Lebedev, A. Tronev, A. Shamray [et al.] // Laser Optics (LO), 2016 International Conference. - 2016. - p. 49.

[26] Журтанов, Б. E. Малошумящие фотодиоды на основе двойной гетероструктуры GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb для спектрального диапазона 1-4.8 мкм / Б. E. Журтанов [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т. 42, № 4. - C. 468-472.

[27] Belkin, M. E. Tunable RF-band optoelectronic oscillator and optoelectronic computer-added design model for its simulation / M. E. Belkin [et al.] // Microwave and Optical Technology Letters. - 2011. - Vol. 53. - P. 2474-2477.

[28] Marcuse, D. Theory of Dielectric Optical Waveguides / D. Marcuse. - New York: Academic Press, 1974. - 270 p.

[29] Yao, X. S. Optoelectronic microwave oscillator / X. S. Yao, L. Maleki // Journal of the Optical Society of America B. - 1996. - Vol. 13. - Issue 8. - P. 1725-1735.

[30] Белкин, М. Оптоэлектронный генератор-первое практическое устройство CBЧ-оптоэлектроники / М. Белкин, А. Лопарев. // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010. - 6. - C. 62-71.

[31] Banky, T. Optimum configuration of multiloop optoelectronic oscillators / T. Banky, B. Horvath, T. Berceli. // Journal of the Optical Society of America B. - 2006. -Vol. 23. - Issue 7. - P. 1371-1380.

[32] Hong, J. Comparison of both type injection locked and parallel dual-loop OEO / J. Hong [et al.] // Optik - International Journal for Light and Electron Optics. - 2015. - Vol. 126. - C. 4410-4413.

[33] Eliyahu, D. Low phase noise and spurious level in multi-loop opto-electronic oscillators / D. Eliyahu, L. Maleki // Proceedings of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum, 2003. - 2003. - P. 405-410.

[34] Ishak, W. S. Magnetostatic wave technology: A review / W. S. Ishak // Proceedings of the IEEE. - 1988. - Vol. 76. - Issue 2. - P. 171-187.

[35] Городецкий, M. Л. Основы теории оптических микрорезонаторов: учеб пособие / M. Л. Городецкий. - M. : Изд-воМГУ им. M. В. Ломоносова, 2010. - 203 c.

[36] Savchenkov, A. A. Low Threshold Optical Oscillations in a Whispering Gallery Mode CaF2 Resonator / A. A. Savchenkov [et al.] // Physical review letters. - 2010. -Vol. 93. - Issue 24. - P. 263904.

[37] Ilchenko, V. S. Whispering-gallery-mode electro-optic modulator and photonic microwave receiver / V. S. Ilchenko [et al.] // Journal of the Optical Society of America B. - 2003. - Vol. 20. - Issue 2. - P. 333-342.

[38] Savchenkov, A. A. Phase noise of whispering gallery photonic hyper-parametric microwave oscillators / A. A. Savchenkov [et al.] // Optics Express. - 2008. - Vol. 16. -Issue 6. - . 4130-4144.

[39] Jiang, X. F. Whispering-gallery microcavities with unidirectional laser emission / X. F. Jiang [et al.] // Laser & Photonics Reviews. - 2016. - Vol. 10. - Issue 1. - P. 4061.

[40] Vahala, K. J. Optical microcavities / K. J. Vahala // Nature. - 2003. - Vol. 424. -P. 839-846.

[41] Kippenberg, T. J. Kerr-nonlinearity optical parametric oscillation in an ultrahigh-Q toroid microcavity / T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, K. J. Vahala // Physical review letters. - 2004. - Vol. 93. - Issue 8. - P. 083904.

[42] Xue, X. Normal-dispersion microresonator Kerr frequency combs / X. Xue, M. Qi, A. M. Weiner // Nanophotonics. - 2016. - Vol. 5. - Issue 2. - P. 244-262.

[43] Armani, D.K. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip / D. K. Armani [et al.] // Nature. - 2003. - Vol. 421. - P. 925-928.

[44] Xuan, Y. High-Q silicon nitride microresonators exhibiting low-power frequency comb initiation / Y. Xuan [et al.] // Optica. - 2016. - Vol. 3. - Issue 11. - P. 1171-1180.

[45] Zhang, W. Analysis of silicon-on-insulator slot waveguide ring resonators targeting high Q-factors / W. Zhang [et al.] // Optics letters. - 2015. - Vol. 40. - Issue 23. - P. 5566-5569.

[46] Oda, K. A wide-FSR waveguide double-ring resonator for optical FDM transmission systems / K. Oda, N. Takato, H. Toba // Journal of lightwave technology. -1991. - Vol. 9. - Issue 6. - P. 728-736.

[47] Liu, F. On the Performance of High-Q Multiring Optical Filters / F. Liu, M. Hossein-Zadeh // IEEE Photonics Journal. - 2010. - Vol. 2. - Issue 6. - P. 991-1002.

[48] Pintus, P. Silicon-based all-optical multi microring network-on-chip / P. Pintus [et al.] // Optics letters. - 2014. - Vol. 39. - Issue 4. - P. 797-800.

[49] Poon, J.K. Matrix analysis of microring coupled-resonator optical waveguides / J.K. Poon [et al.] // Optics express. - 2004. - Vol. 12. - Issue 1. - P. 90-103.

[50] Chaichuay, C. The serially coupled multiple ring resonator filters and Vernier effect / C. Chaichuay, P. P. Yupapin, P. Saeung // Optica Applicata. - 2009. - Vol. 39. -Issue 1. - P. 175-194.

[51] Little, B. E. Microring resonator channel dropping filters / B. E. Little [et al.] // Journal of lightwave technology. - 1997. - Vol. 15. - Issue 6. - P. 998-1005.

[52] Zhang, J. Tunable optoelectronic oscillator incorporating a single passband microwave photonic filter / J. Zhang, L. Gao and J. Yao // IEEE Photonics Technology Letters. - 2014. - Vol. 26. - P. 326-329.

[53] Savchenkov, A. A. Voltage-controlled photonic oscillator / A. A. Savchenkov [et al.] // Optics letters. - 2010. - Vol. 35. - Issue 10. - P. 1572-1574.

[54] Adam, J. D. Analog signal processing with microwave magnetics/ J. D. Adam // Proceedings of the IEEE. - 1988. - Vol. 76. - Issue 2. - P. 159-170.

[55] Гуревич, А. Г. Магнитные колебания и волны/ А. Г. Гуревич, Г. А. Мелков. -М.: Физматлит, 1994. - 464 с.

[56] Ustinov, A. B. Magnetically Tunable Microwave Spin-Wave Photonic Oscillator / A. B. Ustinov, A. A. Nikitin, B. A. Kalinikos // IEEE Magnetics Letters. - 2015. - Vol. 6.

- P. 1-4.

[57] Demidov, V. E. Electrical tuning of dispersion characteristics of surface electromagnetic-spin waves propagating in ferrite-ferroelectric layered structures / V. E. Demidov [et al.] // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2003. -Vol. 51. - Issue 10. P. 2090-2096.

[58] Shastry, S. Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate-lead titanate / S. Shastry [et al.] // Physical Review B. - 2004. Vol. 70. - Issue 6. - P. 064416.

[59] Fetisov, Y.K. Ferrite/piezoelectric microwave phaseshifter: studies on electric field tenability / Y.K. Fetisov, G. Srinivasan // Electronics Letters. - 2005. - Vol. 41. -Issue 19. - P. 1066-1067.

[60] Srinivasan, G. Ferrite-Piezoelectric Layered Structures: Microwave Magnetoelectric Effects and Electric Field Tunable Devices / G. Srinivasan, Y.K. Fetisov // Journal Ferroelectrics. - 2014. - Vol. 342. - Issue 1. - P. 65-71.

[61 ] Fetisov, Y. K. Nonlinear electric field tuning characteristics of yttrium iron garnet-lead zirconate titanate microwave resonators / Y. K. Fetisov, G. Srinivasan // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93. - Issue 3. - P. 03358.

[62] Дмитриев, В. Ф. Возбуждение распространяющихся волн намагниченности микрополосковыми антеннами / В. Ф. Дмитриев, Б. А. Калиникос. // Известия вузов. Физика. - 1988. - Т. 31. - № 11. - C. 24-53.

[63] Demidov, V. E. Dipole-exchange theory of hybrid electromagnetic-spin waves in layered film structures / V. E. Demidov, B. A. Kalinikos, P. Edenhofer // J. Appl. Phys.

- 2002. - Vol. 91. - P. 10007-10016.

[64] Grigorieva, N. Yu. Handbook of Artificial Materials, Theory and Phenomena of Artificial Materials / N. Yu. Grigorieva [et al.]; ed. by F. Capolino - Oxford: Taylor and Francis Group, LLC., 2009. - 974 p.

[65B] Nikitin, A. A. Spin-electromagnetic waves in planar multiferroic multilayers / A. A. Nikitin, A. B. Ustinov, V. V. Vitko [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2017. -Vol. 122. - Issue 1. - P. 014102.

[66] Cмоленский, Г. А. Физика сегнетоэлектрических явлений / под ред. Г. А. Cмоленского. - Л : Наука, 1985. - 396 c.

[67В] Nikitin, A. A. Dispersion of spin-electromagnetic waves in ferrite-ferroelectric multilayered structure / A. A. Nikitin, V. V. Vitko [et al.] // Radar Conference (EuRAD), 9th European. - 2012. - P. 457-460.

[68] Liang, W. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator / W. Liang [et al.] // Nature communications. - 2015. - V. 6.

[69] Savchenkov, A. A. On frequency combs in monolithic resonators / A. A. Savchenkov, A. B. Matsko, L. Maleki. // Nanophotonics. - 2016. - Vol. 5. - Issue 2. - P. 363-391.

[70] Moss, D. J. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics / D. J. Moss [et al.] // Nature Photonics. - 2013. - Vol. 7. - Issue 8. - P. 597-607.

[71] Levy, J. S. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects / J. S. Levy [et al.] // Nature Photonics. - 2010. - Vol. 7. - Issue 1. - P. 37-

[72] Kippenberg, T. J. Microresonator-based optical frequency combs / T. J. Kippenberg [et al.] // Science. - 2011. - Vol. 332. - Issue 6029. - P. 555-559.

[73] Wang, L. Frequency comb generation in the green using silicon nitride microresonators / L. Wang [et al.] // Laser & Photonics Reviews. - 2016. - Vol. 10. -Issue 4. - P. 631-638.

[74] Ooi, K. J. Pushing the limits of CMOS optical parametric amplifiers with USRN: Si7N3 above the two-photon absorption edge / K. J. Ooi. // Nature communications. -2017. - Vol. 8. - P. 13878.

[75] Chembo, Y. K. Nonlinear dynamics and spectral stability of optoelectronic microwave oscillators / Y. K. Chembo, L. Larger, P. Colet // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2008. - Vol. 44. - Issue 9. - P. 858-866.

[76] Brasch, V. Photonic chip-based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation / V. Brasch [et al.] // Science. - 2016. - Vol. 351. - Issue 6271. - P. 357-360.

[77] Hansson, T. Dynamics of microresonator frequency comb generation: models and stability / T. Hansson, S. Wabnitz // Nanophotonics. - 2016. - Vol. 5. - Issue 2. - P. 231.

[78] Rogov, A. S. Nonlinear optics at low powers: Alternative mechanism of on-chip optical frequency comb generation / S. A. Rogov, E. E. Narimanov // Physical Review A. - 2016. - Vol. 94. - Issue 6. - P. 063832.

[79] Okamoto, K. Fundamentals of optical waveguides / K. Okamoto. - Academic press, 2010. - 584 p.

[80В] Витько, В. В. Исследование влияния проводимости металлических электродов на СВЧ-свойства магнонных кристаллов / В. В. Витько и др. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2016. - Т. 3. - С. 63-66.

[81] Eisenberg, H. S. Discrete spatial optical solitons in waveguide arrays / H. S. Eisenberg [et al.] // Physical Review Letters. - 1998. - Vol. 81. - Issue 16. - P. 3383.

[82] Agrawal, G. P. Nonlinear fiber optics / G. P. Agrawal. - Academic press, 2007. -529 p.

[83] Карпман, В. И. Нелинейные волны в диспергирующих средах / В. И. Карпман. - М.: Наука, 1973. - 175 c.

[84] Ankiewicz, A. Dissipative Solitons: From Optics to Biology and Medicine / A. Ankiewicz, N. Akhmediev. - Springer, 2008. - 478 p.

[85] Priem, G. Optical bistability and pulsating behaviour in Silicon-On-Insulator ring resonator structures / G. Priem [et al.] // Optics express. - 2005. - Vol. 13. - Issue 23. -P. 9623-9628.