Универсальный сверхширокополосный радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Конторов Сергей Михайлович

• Конторов Сергей Михайлович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Конторов Сергей Михайлович

Общая характеристика работы

Введение. Актуальность исследований

Цель и задачи исследования

Научная новизна исследования

Практическая значимость

Основные положения, выносимые на защиту

Апробация работы и публикации

Стажировки и участия в проектах

Участие в конференциях и семинарах

Личный вклад автора

Структура и объем диссертации

Содержание работы

Благодарности

Глава 1. Обзор технологий радиофотоники

1.1 Радиофотонные технологии

1.2 Радиофотонный приемный канал

1.3 Перспективные направления применения и развития радиофотонных технологий

Глава 2. Разработка сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе современной компонентной базы фотоники и способов оптического гетеродинирования

2.1 Разработка радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования

2.2 Разработка схемы сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов

2.3 Требования к компонентной базе радиофотонного приемного канала

2.3.1 Источники оптического излучения (лазеры)

2.3.2 Электрооптические преобразователи (модуляторы)

2.3.3 Оптоэлектронные преобразователи (фотодетекторы)

2.3.4 Оптические усилители

2.3.5 Оптические фильтры

Глава 3. Исследование радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования

3.1 Теоретическое описание радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования

3.2 Основные параметры радиофотонного приемного канала

3.3 Исследование радиофотонного приемного канала на основе модулятора Маха-Цандера

3.3.1 Моделирование радиофотонного приемного канала на основе модулятора Маха-Цандера

3.3.2 Экспериментальное исследование радиофотонного приемного канала на основе модулятора Маха-Цандера

3.4 Исследование радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования

3.4.1 Исследование радиофотонного приемного канала с суммированием по СВЧ

3.4.2 Исследование радиофотонного приемного канала с последовательным включением модуляторов

3.4.3 Исследование радиофотонного приемного канала с параллельным включением модуляторов

Глава 4. Исследование сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и компонентной базы ФИС

4.1 Радиофотонный приемный канал на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования

Численное моделирование

Экспериментальное подтверждение

4.2 Исследование радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и с применением гребенки оптических опорных частот

4.2.1 Получение гребенки оптических частот СВЧ диапазона на основе двойного модулятора Маха-Цандера

4.2.2 Численное моделирование сверхширокополосного радиофотонного приемного канала с применением комб-генератора

4.3 Исследование компонентной базы ФИС

Заключение и выводы

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список сокращений

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Технологические платформы интегральной радиофотоники

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Некоторые интегральные фотонные компоненты и их параметры для

применения в различных устройствах радиофотоники

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Список используемого измерительного оборудования и ПО

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Универсальный сверхширокополосный радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования»

Общая характеристика работы Введение. Актуальность исследований

В конце 20-го века сформировалось новое научно-техническое направление - «радиофотоника», изучающее взаимодействие оптических и радиочастотных сигналов в задачах передачи, приема и обработки информации. Создаваемые радиофотонные технологии позволяют в новом качестве решать задачи радиоэлектроники, позволяя принципиально изменить схемотехнические решения и упростить функциональное построение аппаратуры, в разы сократить массогабаритные характеристики и потребляемую мощность.

Современная радиофотонная компонентная база уже на сегодняшний день позволяет создавать ряд электронно-фотонных устройств, обладающих значительным преимуществом по сравнению с классическими микроэлектронными устройствами [1], а их стремительное развитие в интегральную реализацию для значительного (на порядки) уменьшения массогабаритных характеристик, энергопотребления и стоимости, в конечном счете позволяет с большой доли уверенности заявлять, что радиофотонные технологии являются одним из ключевых и приоритетных направлений развития науки и техники в мире XXI века. Так, использование источников оптического излучения совместно с электрооптическими и оптоэлектронными преобразователями позволяет преобразовывать входной электрический сигнал в оптический диапазон, распространять и обрабатывать высокочастотные широкополосные сигналы без заметной потери качества.

Стоит отметить, что передовые принципы обработки радиосигналов имеют важное значение при разработке современных и при проектировании перспективных систем [2-4]. Современные системы приема, обработки и передачи информации часто работают на любом участке диапазона частот 0...40 ГГц [5]. Широкополосная обработка сигналов имеет важное значение для более эффективного использования радиочастотного спектра и повышения качества современных и перспективных радиотехнических,

телекоммуникационных и других систем. Методы и технологии, используемые для обработки таких сигналов, включают в себя применение как компонентой базы, выполненной на разных технологических платформах, так и различных схемотехнических способов построения приемных каналов с прямым детектированием или преобразованием частоты [6-8].

Классические радиочастотные методы и технологии обработки широкополосных сигналов имеют следующие недостатки: повышенное затухание, высокие дисперсионные потери, а также проблемы внеполосных излучений в области высоких частот. Такие устройства обычно имеют весьма высокие массогабаритные характеристики и часто не имеют достаточной оперативности, необходимой для выполнения обработки сигналов в быстро изменяющихся условиях. Существующая микроэлектронная компонентная база, хотя и имеет хорошую технологическую преемственность и гибкость, в настоящее время ограничивается формированием и обработкой сигналов с полосой в несколько гигагерц. С другой стороны, объединение и использование технологий фотоники и микроэлектроники (радиофотоники) позволяет создавать принципиально новый класс устройств, находящих применение в том числе для приема-обработки широкополосных высокочастотных сигналов.

При построении радиофотонных приемных каналов важным является преобразование входного СВЧ сигнала на промежуточную частоту [8], которой уже может быть оцифрован коммерческими электронными АЦП.

Другим подходом является использование фотонных АЦП для преобразования входного широкополосного СВЧ сигнала в цифровой вид уже в первых каскадах [9]. В этом случае для обработки оказывается доступной вся информация, имеющаяся во входном сигнале от нулевой частоты до максимальной частоты полосы пропускания приемника. Однако, для многих практических приложений (5G/6G, спутниковая связь, радиолокация, сенсоры и пр.) необходимо решить более простую задачу - принять и обработать СВЧ сигналы, отстоящие от нулевой несущей частоты.

Поэтому настоящая работа, посвященная разработке и исследованию сверхширокополосных радиофотонных приемных каналов СВЧ сигналов на основе оптического гетеродинирования с использованием современной компонентной базы и технологий радиофотоники, позволяющих создавать новый класс устройств приема и обработки большого объема информации со значительным снижением массогабаритных характеристик, повышением надежности и стабильности параметров, интеграции технологий электроники и фотоники на единой подложке и пр. [10], является современной и актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка сверхширокополосных радиофотонных каналов для приема и обработки СВЧ сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести обзор и анализ радиофотонных технологий и приемных каналов;

• разработать схемотехнические решения и способы реализации сверхширокополосных радиофотонных приемных каналов СВЧ сигналов;

• провести теоретические (путем численного моделирования) и экспериментальные исследования разрабатываемых устройств;

• определить перспективные пути модернизации и доказать возможность их технической реализации.

Научная новизна исследования

• разработан радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования и преобразования на промежуточную частоту с отношением сигнал/шум до 60 дБ, несущей частотой более 10 ГГц и в полосе приема до 1 ГГц. Численное моделирование и экспериментальные исследования показали, что положение рабочих точек амплитудных модуляторов Маха-Цандера в минимуме их передаточной характеристики значительно улучшают выходные

7

характеристики (SFDR более 120 дБГц2/3), а также позволяют избежать применения узкополосных оптических фильтров и компенсировать шумы лазера;

• впервые разработан сверхширокополосный радиофотонный приемный канал на основе спектрально-интервальной обработки СВЧ сигналов и оптическим гетеродинированием с преобразованием на промежуточную частоту 2 ГГц. Проведены исследования, подтверждающие возможность его технической реализации, достижения отношения Сигнал/Шум более 45 дБ, а также восстановления как амплитуды, так и фазы входного сигнала;

• впервые предложена многоканальная схема сверхширокополосного радиофотонного приемного канала со спектрально-интервальной обработкой сигналов и с использованием оптической гребенки СВЧ сигналов, которая может содержать общую полосу частот более 100 ГГц. Показано, что такой радиофотонный приемный канал позволяет параллельно или последовательно работать во всех или любом из указанных диапазонов, используя только один приемный высокочастотный модулятор, при этом остальные компоненты (фотодетекторы, электронные АЦП и пр.) могут быть однотипными и иметь ширину полосы менее 2 ГГц.

Практическая значимость

Практическая значимость исследования заключается в том, что оно может служить теоретической и экспериментальной базой для создания высокочастотных и сверхширокополосных радиофотонных устройств для применения в существующих и перспективных системах приема, обработки и передачи информации, а также дальнейшей миниатюризации в виде фотонных интегральных схем. Приведенный в работе метод реализации радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования и спектрально-интервальной обработки сигналов дает возможность создавать универсальные радиофотонные приемные устройства для мгновенной обработки сверхширокополосных СВЧ сигналов в системах обработки информации до

100 ГГц и более как в дискретном, так и в интегральном исполнениях (системы 5G/6G, спутниковые системы, радиотехнические системы, радары, системы радиоастрономия, беспилотный транспорт, высокоскоростные квантовые устройства, высокоскоростные сенсоры и т.д.).

Основные положения, выносимые на защиту

1. В результате проведенных численных и экспериментальных исследований разработан радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования с SFDR более 120 дБГц2/3 на частотах более 10 ГГц.

2. В результате проведенных численных и экспериментальных исследований разработан сверхширокополосный радиофотонный приемный канал на основе спектрально-интервальной обработки СВЧ сигналов до 20 ГГц.

3. В результате проведенных численных и экспериментальных исследований применение в сверхширокополосном радиофотонном приемном канале гребенки оптических опорных СВЧ частот на основе модулятора в режиме перемодуляции (уровень входной мощности ~1 Вт) позволило увеличить ширину полосы обрабатываемого сигнала более 100 ГГц.

4. В результате проведенных исследований компонентной базы InP ФИС показана возможность создания радиофотонных приемных каналов в монолитном интегральном исполнении.

Апробация работы и публикации

Автором работы опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 работы в изданиях, включённых в перечень рекомендованных ВАК, и 7 работ в системе цитирования Web of Science / Scopus, а также 17 работ в сборниках трудов конференций и семинарах.

Стажировки и участия в проектах

Автор работы участвовал в 5 научных проектах по теме исследования, с отличием завершил профессиональную переподготовку в МИРЭА - Российском технологическом университете по программе «Фотоника и радиофотоника в радиоэлектронных системах сверхвысокочастотного диапазона», с отличием окончил онлайн курс профессионального образования в Университете Британской Колумбии по дизайну, фабрикации и исследованию кремниевой интегральной фотоники (Photlx: Silicon Photonics Design, Fabrication and Data Analysis), а также с отличием закончил профессиональный тренинг по созданию фотонных интегральных схем в Техническом Университете Эйндховена (Deep-Dive PIC Design Course 2020) и курс "Automated Design of Photonic Integrated Circuits using VPIcomponentMaker Photonic Circuits".

Участие в конференциях и семинарах

Материалы диссертации были представлены на международных и российских конференциях и семинарах: METANANO 2021, VI International Conference on Metamaterials and Nanophotonics; 19th International Conference Laser Optics ICLO 2020 a: St. Petersburg, Russia; Международная конференция КрыМиКо'2020, Севастополь, Крым, Россия, 6—12 сентября 2020 г.; Труды школы-семинара «Волны-2020. Радиофотоника»; Международная конференция КрыМиКо'2019, Севастополь, 8-14 сентября 2019 г.; Международная выставка «Фотоника. Мир лазеров и оптики», секция «Радиофотоника», 4-7 марта 2019 г.; XVII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2019»), 2019 г.; Международный симпозиум «Progress in Electromagnetics Research Symposium», 2018; Конференция «48th European Microwave Conference», EuMC, 2018; 2-d Meeting of BRICS Working Group on Photonics, Skoltech, March 1-2, 2018 y.; Международная конференция «International Conference Laser Optics 2018», ICLO, 2018.; XVI Всероссийская школа-семинар «Волны в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова («Волны-2018»), 2018 г.; VI Всероссийская научно-техническая

10

конференция молодых ученых и инженеров «Минцевские чтения - 2018», 2018 г.; V Всероссийской научно-технической конференции молодых конструкторов и инженеров «Минцевские чтения - 2017», 2017 г.; 27-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2017), Севастополь, 10-16 сентября 2017 г.; 26-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2016), Севастополь, 4-10 сентября 2016 г.; XV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2016»), 2016 г.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор руководил и участвовал в постановке задач исследований, проведении, обработке и публикации экспериментальных и теоретических исследований, представленных в диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и пяти приложений со списками публикаций и тезисов с участием автора, а также экспериментальными и другими данными. Общий объем научно-квалификационной работы (диссертации) - 123 страницы, включая 51 рисунок и 9 таблиц. Библиография включает 105 наименований на 9 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи работы, аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

Глава 1 посвящена обзору и сравнительному анализу технологий радиофотоники. Показаны преимущества радиофотонных технологий над микроэлектронными, дана классификация устройств радиофотоники (область применения - устройства - компоненты - технологии). Представлена и описана общая схема радиофотонного приемного канала для различных применений. Определены перспективные направления применения и развития радиофотонных технологий и приемных устройств, которые включают переход с дискретного в интегральное исполнение. Проанализированы ключевые достоинства и недостатки различных радиофотонных технологий в дискретном и интегральном исполнении (1пР, Si, SiN и пр.), а также показана возможность реализации в виде ФИС.

Глава 2 посвящена разработке радиофотонных приемных каналов на основе современной компонентной базы фотоники и методов оптического гетеродинирования. Проведены анализ и сравнение схемотехнических решений методов оптического гетеродинирования и их применения в радиофотонных приемных каналах. Рассмотрены прямые, последовательные и параллельные схемы обработки СВЧ сигналов, определены их области применения и достижимые параметры. Разработаны и проанализированы схемы радиофотонного приемного канала на основе методов оптического гетеродинирования и спектрально-интервальной обработки сигналов. Определены требования к компонентной базе радиофотонных приемных каналов. Проведены анализ и сравнение современных радиофотонных компонентов (лазеры, модуляторы, фотодетекторы, усилители, фильтры, пассивные компоненты). Показана универсальность применения выбранных компонентов в дискретном и интегральном исполнениях для всех типов исследуемых радиофотонных приемных каналов.

Глава 3 посвящена исследованию радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования. Представлено теоретическое описание, определены и проанализированы основные параметры (коэффициент усиления, коэффициент шума, динамический диапазон, фазовые шумы). Представлены

12

различные схемотехнические решения (последовательные, параллельные и др.) построения радиофотонного приемного канала, приведены результаты экспериментальных исследований, в высокой степени совпадающие с проведенным численным моделированием. Продемонстрирована возможность достижения SFDR более 120 дБГц2/3.

Глава 4 посвящена исследованию сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования. Применен (численно и экспериментально) способ реализации генератора гребенки оптических СВЧ частот на основе модулятора в режиме перемодуляции. Спроектирован, изготовлен и исследован ряд интегральных фотонных компонентов (AWG-демультиплексор, амплитудный модулятор Маха-Цандера, РБО-лазер) на основе 1пР ФИС. Показана возможность дальнейшего развития с применением современных технологий ФИС.

В заключении приводится перечень основных выводов, полученных в результате исследований, и кратко суммируются основные результаты, полученные при выполнении работы, а также указываются основные направления дальнейших работ.

Благодарности

Выражаю глубокую признательность своему научному руководителю к.т.н, проф. Каргину Н.И., д.т.н. проф. Валуеву В.В. и коллективу НИЯУ МИФИ за руководство, помощь и замечания в процессе всей подготовки настоящей работы, а также коллегам к.ф-м.н. проф. Кулагину В.В и Прохорову Д.А. за технические консультации и участие в проведении исследований. Выражаю огромную благодарность Центру Фотоники и Квантовых Материалов Сколковского Института Науки и Технологий, в частности, д.ф-м.н., проф. Шипулину А.В. и д.т.н., проф., Кюпперсу Ф., а также их коллегам, за конструктивные советы и предоставление необходимых ресурсов для проведения исследований.

Глава 1. Обзор технологий радиофотоники

В последнее десятилетие в современных сложных радиотехнических системах стали повсеместно доминировать твердотельные интегральные СВЧ схемы [11]. Несомненные преимущества применения этой технологии были успешно продемонстрированы на практике, например, в серийных авиационных, космических и наземных комплексах. Однако, из-за физических ограничений возможностей СВЧ микроэлектроники, особенностей распространения радиоволн в атмосфере на частотах более 10 ГГц, сложности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму на высоких частотах, проблем с электромагнитной совместимостью (ЭМС) и паразитными электромагнитными наводками, дальнейшее развитие технологий традиционным («электронным») путём представляет весьма сложную техническую проблему (рисунок 1.1).

100

0.1 1.0 10 100 Ргедиепсу (вНг)

Рисунок 1.1. Сравнение потерь на распространение СВЧ сигналов в электрических и

оптических волноводах [12]

На системном уровне переход на радиофотонику характерен новизной и сложностью решаемых задач, жёстким лимитом времени, достаточно крупными затратами на исследования, созданием новых технологий, компонентной базы и техническим переоснащением. Освоение радиофотоники создаёт условия перехода в новый более высокий технологический уклад промышленности. Радиофотонные технологии открывают возможности для расширения функционала различных систем на сверхвысоких частотах. По мере увеличения

быстродействия компонентов возникает проблема обеспечения эффективной связи СВЧ и оптических каналов передачи сигналов, то есть повышение эффективности переноса СВЧ информационного сигнала на оптическую несущую (модуляции) и обратного преобразования (демодуляции), связанного с детектированием (выделением) СВЧ сигнала.

В наиболее общей форме радиофотонное устройство (рисунок 1.2) представляет собой схему, содержащую следующий набор компонентов: электрооптический преобразователь (ЭОП), оптическую среду распространения и обработки сигналов, и оптико-электрический преобразователь (ОЭП). Приходящие электрические сигналы конвертируются в оптический диапазон с помощью соответствующих ЭОП (в качестве ЭОП обычно применяется либо источник оптического излучения с внешним модулятором, либо с прямой модуляцией [1]). Преобразованный в оптический диапазон сигнал может быть обработан и доставлен на входы одного или нескольких ОЭП (в качестве ОЭП обычно применяется фотодиод), где оптические сигналы преобразуются обратно в электрическую форму. Элементы оптической обработки могут выполнять множество функций, включая, например, коммутацию, маршрутизацию, фильтрацию, задержку, частотное преобразование, усиление и пр.

Вход

радиосигнала 1 -

Электро-оптический преобразователь 1

Оптический волновод 1

Вход

радиосигнала N -►

Оптический волновод N

Электро-оптический преобразователь N

Коммутация, задержка, маршрутизация, фильтрация, усиление, преобразование частоты, нелинейные эффекты, и т.д.

Оптический волновод 1

Опто-электронный преобразователь 1

Выход радиосигнала 1

Оптический волновод №1

Опто-электронный преобразователь M

Выход радиосигнала М

Рисунок 1.2. Общая функциональная схема радиофотонной системы приема- передачи

информации

1.1 Радиофотонные технологии

На сегодняшний день технологиям радиофотоники посвящено огромное множество научных публикаций и конкретных реализаций, начиная с исследования и внедрения отдельных компонентов, заканчивая более сложными

устройствами приема, обработки и передачи информации для различных применений, включая радиотехнические, телекоммуникационные, сенсорные, квантовые и другие системы [12, 13, 16, 18].

Принципиальные преимущества технологий радиофотоники по сравнению с традиционными СВЧ-технологиями складываются из преимуществ волоконной/интегральной оптики, оптоэлектроники и микроэлектроники. Применение радиофотонных технологий создает потенциальные возможности принципиального улучшения технических характеристик приемо-передающих устройств. Возможность работы с пространственным, спектральным и поляризационным уплотнением дает возможность на порядки увеличить скорость передачи и обработки информации, существенно уменьшить массогабаритные характеристики, упростить функциональное построение и архитектуру. При этом широкополосность радиофотонных компонентов позволяет значительно расширить мгновенную полосу обработки (десятки и сотни гигагерц). Высокая линейность радиофотонных компонентов позволяет создавать устройства на их основе с динамическим диапазоном более 130 дБГц2/3.

Ниже представлены наиболее значимые преимущества применения радиофотонных технологий:

• возможность существенного (сотни - тысячи раз) снижения габаритов, массы, энергопотребления и металлоемкости существующих высокочастотных систем;

• создание сверхширокополосных устройств (ширина полосы оптических волноводов ~50 ТГц; ширина полосы современных фотодетекторов и модуляторов - более 100 ГГц);

• полная развязка по ЭМС за счет применения оптических волноводов;

• высокий КПД приемо-передающих модулей и надежность устройств в целом;

• достижимость высокого отношения сигнал/шум (более 130 дБ);

• возможность принципиально нового функционального построения систем;

• низкий уровень СВЧ фазовых шумов;

• полная гальваническая развязка фотонных схем;

• механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение);

• возможность программно-ориентированного управления параметрами радиофотонных систем и легкость интегрирования с цифровыми устройствами;

• кроме того, становится возможным на одном кристалле (фотонной интегральной схеме) создавать многофункциональные устройства, вследствие чего миниатюризация приобретает новое качество, а функциональное построение систем существенно упрощается с заметным улучшением их технических характеристик, удешевлением производства и эксплуатации.

Таким образом, внедрение технологий и элементной базы радиофотоники в существующие и перспективные системы позволяет обеспечить их принципиально новые, существенно более высокие уровни технических характеристик, недостижимых при использовании традиционных электронных решений.

Технологии радиофотоники [1, 14, 19] охватывают множество применений в различных системах и устройствах, ключевые из которых показаны на рисунке 1.3.

Область применения радиофотоники

Л

Радиотехника

с

Оптические коммуникации

]

Сенсорика

Метрология

С

Радиоастрономия

Л

Радиофотонные устройства

✓ N П риемо-передающие модули Преобразователи частоты Генераторы опорных сигналов Генераторы сигналов произвольной формы

Линии

Процессоры Сенсоры Анализаторы Антенны АЦП/ЦАП Фильтры

V.

л

Радиофотонные компоненты

Источники оптического излучения

Разветвители / объединители

Электрооптические преобразователи

Оптоэлектронные преобразователи

Фазовращатели Переключатели Волноводы Усилители Изоляторы Фильтры Линии задержки Циркуляторы Аттенюаторы Ответвители Поляризаторы

V

г

Радиофотонные технологические платформы

| _ ___ _ _ _ _ I

LiNbO3 InP ^^ SiN LNOI Polymer ^И^

ч_________________________________)

Рисунок 1.3. Классификация применений технологий радиофотоники 1.2 Радиофотонный приемный канал

Одним из наиболее значимых устройств радиофотонных систем различного применения является устройство для приема и обработки входных сигналов. Таким устройством является радиофотонный приемный канал, в котором в общем случае производится преобразование таких сигналов в оптическую область, при необходимости осуществляется оптическая предобработка и обратное преобразование в электрическую область для последующей

и

постобработки и анализа (рисунок 1.2). Рассмотрим подробнее области применения и примеры реализации радиофотонных приемных каналов.

Общий вид радиофотонного приемного канала представлен на рисунке 1.4 [20]. Необходимыми элементами являются: лазерный источник для формирования оптического сигнала (laser source), электрооптический преобразователь (optical modulator) для преобразования входного СВЧ сигнала (RF input) в оптическую область, оптическая обработка (распространение, усиление, преобразование и т.д.), а также оптоэлектронный преобразователь (photodetector) для обратного преобразования и дальнейшей обработки в электрической области (RF output).

ш Receiver

Antenna RF input RF output

1' Laser source Optical modulator Xf T ^Optical signal Photodetector

processor

Рисунок 1.4. Общий вид радиофотонного приемного канала [20]

На сегодняшний день коммерчески доступная компонентная база позволяет разрабатывать устройства радиофотоники в диапазоне от 0 до 100 ГГц и выше [21]. Универсальность и широкополосность радиофотонного приемного канала находит свое применение (рисунок 1.3) в системах «радио-по-волокну» для передачи и коммутации СВЧ сигналов на дальние расстояния [22]; в телекоммуникационных системах 5G/6G нового поколения для приема, преобразования частоты и коммутации СВЧ и субтерагерцовых сигналов вплоть до сверхширокополосных [21]; в приемных устройствах радиоастрономических систем, где требуется работа во всем диапазоне до 0 до 100 ГГц, а также обеспечение синфазности между несколькими радарными станциями [17]; квантовых устройствах, таких как квантовые генераторы случайных чисел, квантовые приемо-передающие линии и др., в которых требуется мгновенная

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Конторов Сергей Михайлович, 2022 год

Источник питания

Двойной параллельный модулятор Маха-Цандера

Контроллер рабочих точек

Фотодетектор

Анализатор спектра СВЧ

Оптический анализатор спектра

а)

Лопт - fon

Лопт + fon

1

Лопт

1

£

Лопт-fпр

Лопт + fnp

б)

15 dB/div Ref -11.00 dBm

MKrl 1.000 000 GHZ -46.79 dBm

Center 1.0000000 GHz #Res BW 100 Hz

span 1.000 MHz Sweep (FFT) -397.7 ms (1001 pts)

1-од

IV»

SM

Frequency Offset

100 Hz 1.00 kHz 10.0 kHz 100 kHz 1.00 MHz

-80.04 dBc/Hz -109.83 dBc/Hz -116.91 dBc/Hz -119.41 dBc/Hz -116.59 dBc/Hz

-79.79 dBc/Hz -110.84dBc/Hz -117.21 dBc/Hz -117.13 dBc/Hz -117.14dBc/Hz

в) г)

Рисунок 3.25. Спектральные характеристики радиофотонного приемного канала на основе двойного параллельного модулятора Маха-Цандера. а) структурная схема измерений; б) изображение составляющих оптического спектра; в) спектр на ПЧ; г)

фазовые шумы на ПЧ

Как видно из рисунков 3.25в и 3.25г, выходной сигнал на ПЧ по сравнению с другими параллельными схемами имеет больший коэффициент преобразования (-47 дБм), а также лучшие значения амплитудных и фазовых шумов среди всех рассмотренных схем.

Таблица 3.5. Сравнение измерения динамического диапазона радиофотонного приемного канала на основе параллельного включения модуляторов

Частота, ГГц P1, дБм P3, дБм Nout, дБм B, Гц G, дБ OIP3 NF SFDR, дБГц2/3 Комментарий

1, 1.1 (9, 10, 10.1) -45 -105 -116 108 -45 -15 23 121 Моделирование, раб. точка = min; RIN = -165 дБ/Гц

Частота, ГГц P1, дБм P3, дБм Nout, дБм B, Гц G, дБ OIP3 NF SFDR, дБГц2/3 Комментарий

-45 -105 -111 108 -45 -20 28 117 Моделирование, раб. точка = min; RIN = -145 дБ/Гц

Моделирование,

раб. точка = min;

-58 -113 -116 108 -58 -30.5 36 110 оптические фильтры RIN = -145 дБ/Гц

Моделирование,

раб. точка = min;

-14 -67 -75 108 -14 12.5 32 113 оптические фильтры и усилитель RIN = -145 дБ/Гц

Эксперимент,

раб. точка = min;

-60 -132 -142 102 -60 -25 72 92 оптические фильтры RIN = -145 дБ/Гц

Эксперимент,

раб. точка = min;

-17 -104 -118 102 -17 26.5 53 110 оптические фильтры и усилитель RIN = -145 дБ/Гц

Эксперимент,

раб. точка = min,

-46 -122 -135 102 -46 -8 65 98 min, max; двойной модулятор RIN = -145 дБ/Гц

Из таблицы 3.5 следует, что экспериментальные результаты в достаточной степени сходятся с численными моделями. При этом схемы с применением оптического усилителя для компенсации оптических потерь показывают наибольшее значение SFDR = —110 дБГц2/3 (экспериментальные данные и результаты моделирования практически идентичны). Схема с двойным параллельным модулятором Маха-Цандера выглядит наиболее привлекательной для применения в реальных одноканальных радиофотонных системах благодаря отличным техническим характеристикам, высокой стабильности и реализации в интегральном исполнении. Однако, как будет показано далее, для

многоканальных радиофотонных систем такая схемная реализация не является оптимальной из-за ее малой функциональной гибкости.

Кратко подведем промежуточные итоги исследования радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования:

Рассмотрены и исследованы четыре схемы радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования. Теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные схемотехнические решения и параметры. Определены рациональные режимы работы радиофотонных компонентов.

Показана хорошая сходимость расчетов и измерений, а также реальная достижимость параметров, требуемых для применения в существующих и перспективных радиофотонных устройствах.

Оценены, рассчитаны и измерены ключевые радиофотонные характеристики (коэффициент передачи, коэффициент шума, динамический диапазон и др.). Даны рекомендации для их дальнейшего улучшения. Исследовано возникновение нелинейных искажений из-за воздействия излишней оптической и СВЧ мощности, предложены способы их уменьшения. Показано влияние внешних воздействий на волоконное (дискретное) исполнение и доказана необходимость перехода к интегральному исполнению. Представлены результаты исследования фазовых шумов из-за воздействия нелинейностей, переотражений в брэгговских решетках, а также подмешивания низкочастотного контрольного сигнала (дизера). Показана необходимость использования оптического усилителя для повышения технических характеристик и компенсации оптических потерь.

Как показано в таблице 3.6, каждая из рассматриваемых схем радиофотонного приемного канала обладает своими достоинствами и недостатками.

Таблица 3.6. Достоинства и недостатки схем радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования

Схема радиофотонного приемного канала Достоинства Недостатки

Прямая обработка СВЧ сигнала • достижение высоких выходных характеристик • простота реализации и минимум используемых компонент • невозможность прямой обработки СВЧ сигналов на высоких частотах • использование СВЧ фотодетектора • прямая зависимость от шумов радиофотонных компонент

Оптическое гетеродинирование: Суммирование по СВЧ • простота реализации и отсутствие дополнительных радиофотонных компонент • высокий коэффициент передачи (нет необходимости использования оптического усилителя) • высокий динамический диапазон • НЧ фотодетектор • завышенные шумовые характеристики и лишние гармоники • малая широкополосность из-за СВЧ сумматора • малая развязка приемного и опорного СВЧ сигналов • в перспективе создание опорного СВЧ сигнала - на основе фотоники (оптоэлектронный генератор)

Оптическое гетеродинирование: Последовательные модуляторы • высокая стабильность работы • полная развязка приемного и опорного СВЧ сигналов • возможность реализации в дискретном/волоконном исполнении • НЧ фотодетектор • высокие шумы и меньший динамический диапазон • необходим второй модулятор • прямая зависимость от шумов радиофотонных компонент

Оптическое гетеродинирование: Параллельные модуляторы • хорошие шумовые характеристики и динамический диапазон • полная развязка приемного и опорного СВЧ сигналов • высокая функциональная гибкость • НЧ фотодетектор • необходимо интегральное исполнение для стабильной работы • необходимо использование дополнительных компонент (оптические усилитель, фильтры, делители, циркуляторы и др.)

Оптическое гетеродинирование: Двойной параллельный модулятор • хорошие шумовые характеристики и динамический диапазон • интегральной исполнение и высокая стабильность работы • отсутствие необходимости в других компонентах • НЧ фотодетектор • малая функциональная гибкость (в многоканальных системах требует подводки СВЧ опоры в каждый такой модулятор)

Использование конкретной схемы обусловлено в первую очередь требованиями ко всей разрабатываемой системе. Так, например, если требуется прием НЧ и ВЧ сигналов, то возможно использование прямой обработки

сигналов без оптического гетеродинирования. Однако, если требуется обработка более высокочастотных и широкополосных сигналов (например, в радарах, 5G телеком системах, беспилотном транспорте и т.п.), то необходимо применение методов понижения частоты. Также стоит отметить, что, хотя интегральная реализация сложных многоканальных конечных систем и является наиболее перспективным направлением, применение дискретных компонентов также актуально (в частности, схема с последовательными модуляторами) и находит свое применение в существующих системах (радио-по-волокну, телеком, радиоастрономия, метрология и др.).

Если же требуется прием и обработка сверхширокополосных сигналов, где недостаточно ресурсов существующих электронных АЦП (6G, КГСЧ, широкополосные сенсоры, перспективные радары, метрология, параллельная обработка сигналов), то необходимо использование других методов и устройств для обработки таких сигналов.

Одним из таких устройств является реализация ФАЦП [57], в общем случае в котором осуществляется оптическая и/или электрическая дискретизация и квантование всего диапазона входного широкополосного сигнала во временной области. В данной работе для обработки сверхширокополосных сигналов предложен и исследован другой способ реализации радиофотонного приемного канала - на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования [51], результаты его моделирования и экспериментального исследования приведены в главе 4.

Краткие выводы по Главе 3

• представлено теоретическое описание радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования. Определены основные параметры, дано их описание и показано влияние на выходные сигналы;

• разработаны и исследованы методом численного моделирования радиофотонные приемный каналы на основе прямой обработки СВЧ сигналов и преобразования на ПЧ с применением оптического гетеродинирования. Проведены экспериментальные исследования, результаты которых в

84

значительной мере совпадают с численными моделями. Показано влияние амплитудных шумов лазера и выбор режима работы модулятора, как основных влияющих факторов на производительность всего устройства. Так, RIN типичного коммерческого лазера, равный -145 дБ/Гц, и коэффициент экстинкции модулятора более 20 дБ являются достаточным для всех выбранных схем реализации радиофотонного приемного канала и достижения SFDR более 110 дБГц2/3;

• проведено сравнение различных схем реализации оптического гетеродинирования (с суммированием по СВЧ, последовательным и параллельным расположением модуляторов), показаны достоинства и недостатки каждой схемы, даты рекомендации для их оптимизации и применения в реальных устройствах, а также дальнейшей интеграции в виде ФИС. Показана необходимость применения оптических фильтров и оптических усилителей для повышения стабильности и отношения сигнал/шум радиофотонного приемного канала;

• рассчитаны и измерены ключевые параметры радиофотонного приемного тракта: коэффициент преобразования; коэффициент шума; динамический диапазон, свободный от помех; фазовые шумы. Представлены способы их оптимизации и возможность реализации SFDR более 130 дБГц2/3;

• показано, что положение рабочей точки модулятора в минимуме передаточной характеристики «темном пятне» значительно уменьшает выходные шумы, улучшает линейность, а также увеличивает стабильность работы параллельной схемы радиофотонного приемного канала. Положение рабочей точки на линейном участке характерно для прямой обработки и последовательного расположения модулятора, что позволяет достигнуть высокого значения SFDR (более 110 дБГц2/3);

• показано влияние радиофотонных компонентов (оптического брэгговского фильтра, усилителя и режима работы модулятора) на значения фазовых шумов радиофотонного приемного канала. Показано негативное влияние внешних контрольных сигналов н предложены способы их устранения.

Глава 4. Исследование сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и компонентной базы ФИС

На основе разработанной в главах 2 и 3 архитектуры радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования приведены результаты численного моделирования, экспериментального исследования, представлены способы оптимизации, а также показана возможность реализации в интегральном исполнении перспективных систем приема и обработки информации. Необходимо отметить, что экспериментальное подтверждение проводилось на основе двух каналов в связи с высокой стоимостью радиофотонных компонентов и необходимостью пропорционального увеличения количества измерительных приборов. Однако, гибкость подобной архитектуры позволяет в достаточной степени масштабировать такой подход реализации для большего числа каналов (десятков и даже сотен) и, соответственно, сверхширокополосных систем.

4.1 Радиофотонный приемный канал на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования

Численное моделирование

Для демонстрации работоспособности [51] при численном моделировании использовалась блок-схема в соответствии с рисунком 4.1. Моделирование проводилось с помощью VPIphotonics и МайаЬ с параметрами радиофотонных компонентов, приближенными к идеальным. В этом случае СВЧ широкополосный сигнал (от Fl=14 ГГц до Fз=18 ГГц) поступает на СВЧ вход приемного модулятора Маха-Цандера ММЦ (1). Другие два опорных СВЧ сигнала (с частотами FLO_1=10 ГГц и FLo_2=14 ГГц) подаются на соответствующие СВЧ входы опорных модуляторов ММЦ (2) и ММЦ (3) для дальнейшего оптического гетеродинирования (понижающего преобразования). Непрерывный лазер (НЛ) генерирует оптическую несущую с частотой Wopt (1550 нм), которая далее разделяется на три равные части на оптическом

делителе Д (1) и поступает на соответствующие оптические входы трех ММЦ. На оптическом делителе Д (2) сигнал с выхода ММЦ (1) разделяется на две равные части для последующей фильтрации. Оптический сигнальный фильтр ОСФ (1) выделяет часть «1» с полосой пропускания ДFl оптического спектра широкополосного входного сигнала, тогда как ОСФ (2) выделяет часть «2» оптического спектра (полосой ДF2 = ДFl). Оптические опорные фильтры ООФ (1) и ООФ (2) выделяют соответствующие опорные частоты с выходов ММЦ (2) и ММЦ (3) - (Wopt+FLo_l и Wopt+FLo_2). Далее, оптический сумматор С (1) объединяет оптические сигналы с выходов ОСФ (1) и ООФ (1), а сумматор С (2) объединяет оптические сигналы с выходов ОСФ (2) и ООФ (2). Эти суммарные оптические сигналы поступают на соответствующие входы оптических усилителей ОУ (1) и ОУ (2) для компенсации оптических потерь в схеме. Фотодетекторы ФД (1) и ФД (2) преобразуют сигналы на одинаковые промежуточные частоты ^1^о_1)=^2^о_2) и ^2^о_1)=Гз^о_2). Далее стандартные электронные АЦП осуществляют обработку сигналов.

Рисунок 4.1. Блок-схема радиофотонного приемного канала сверхширокополосных сигналов и обработки в спектральной области: НЛ - непрерывный лазер, Д- оптические делители, ММЦ - амплитудные модуляторы Маха-Цандера, ОСФ - оптические сигнальные

фильтры, ООФ - оптические опорные фильтры, C - сумматоры, ОУ - оптические усилители, ФД - фотодетекторы, АЦП - электронные аналого-цифровые преобразователи, Fi - частота запуска широкополосного сигнала, F3 - конечная частота широкополосного сигнала, Wopt - оптическая несущая, Flo - опорная частота, AF - часть полосы пропускания

широкополосного сигнала.

На рисунке 4.2 представлены результаты численного моделирования: спектральная плотность входящего широкополосного сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) (слева) и тот же ЛЧМ сигнал на выходах ФД (1) и ФД (2) после его фотонной обработки и преобразования вниз (справа красная и синяя кривые соответственно). В этом случае выходные промежуточные частоты выбраны равными 4 ГГц.

г ш

ч

I»'

НО 40 40 МО

Частота, ГГц

Частота.

Рисунок 4.2. Спектральная плотность входящего ЛЧМ сигнала (слева) на ММЦ (1) и после его фотонной обработки и понижающего преобразования частоты на ФД (1)

(красный) и ФД (2) (синий) справа.

Помимо оптической обработки и понижающего преобразования частоты на основе гетеродинирования также было необходимо восстановить выходные сигналы на ПЧ (в районе 4 ГГц) до значений, соответствующих входному широкополосному сигналу (14... 18 ГГц). При этом желательно сохранить форму сигнала (как амплитуду, так и фазу). На рисунке 4.3 представлены восстановленные сигналы с помощью математической обработки в МайаЬ. Здесь сравниваются АЧХ и ФЧХ входного (черные кривые) и восстановленного (красные кривые) широкополосного сигнала. Как следует из проведенного моделирования, сохранение восстановленного сигнала произошло без заметных искажений характеристик, что подтверждает потенциальную реализуемость устройства.

II 14 1« II I* 1|

Частота, Гц, х1010

• I 9

Частота, Гц, х1010

Частота, Гц, х1010

Рисунок 4.3. Спектры (фазы (а), (с) и амплитуды (Ь), (й)) входного широкополосного СВЧсигнала (черные кривые (а) и (Ь)) и математически восстановленного сигнала (красные

кривые (с) и (й)) после обработки.

Экспериментальное подтверждение

На основе выбранных радиофотонных компонентов (глава 2) проведено экспериментальное подтверждение схемы, показанной на рисунке 4.4. Стоит отметить, что на основе проведённого выше анализа методов гетеродинирования, для реализации данной схемы оптимальным способом является параллельное расположение модуляторов. Так, например, при масштабируемости и увеличении каналов последовательное включение модуляторов приведет к значительным нелинейных искажениям, а также невозможности оптической фильтрации требуемых частот. Использование двойного параллельного модулятора также неэффективно, так как отсутствие функциональной гибкости (возможности использования и изменения каждого канала модулятора по отдельности) обязывает использовать их число, равное числу каналов системы, что в конечном счете практически «сводит на нет» преимущества такого типа модулятора. Для компенсации шумов лазера, увеличения стабильности и дополнительной фильтрации нежелательных гармоник положение рабочих точек было выбрано в минимуме передаточной характеристики всех модуляторов (приемного и опорных).

89

Источник питания/ управления

Контроллер рабочей точи

К

|2 1 Т 12

Широкополосный генератор сигнала

Оптический фильтр

Оптический сумматор

Оптический усилитель

Источник питания/ управления

Лазер г Контроллер Оптический

поляризации делитель

Модулятор Оптический делитель Оптический

фильтр

Опорный СВЧ синтезатор —А— Т т Т

Оптический фильтр

Источник питания/ управления

Источник Анализатор

питания спектра СВЧ

Оптический сумматор

Оптический усилитель

Контроллер рабочей точм

И

Источник питания/ управления

I т | ( '

Модулятор Оптический

фильтр

<

Опорный СВЧ синтезатор

]

Рисунок 4.4. Структурная схема измерения радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и оптического гетеродинирования

Спектральная плотность входящего ЛЧМ сигнала (полоса 4 ГГц, несущая частота 16 ГГц), задаваемого с помощью широкополосного генератора произвольной формы, показана на рисунке 4.5. Синхронизированные (для обеспечения синфазности СВЧ сигналов) между собой синтезаторы частот формируют опорные сигналы на частотах 13 ГГц (+17 дБм) и 15 ГГц (+17 дБм). Непрерывный лазер генерирует оптическую несущую на длине волны 1550 нм с мощностью +16 дБм = 145 дБ/Гц). Первый оптический делитель выполнен на волокне с сохранением поляризации для согласования со всеми последующими модуляторами. Центральные длины волн перестраиваемых и стабилизированных оптических фильтров (все фильтры имеют ширину полосы около 2 ГГц по уровню -3 дБ и возможность перестройки в пределах ±20 ГГц, а также встроенный циркулятор для работы на «отражение» сигнала) соответственного настроены на: ОСФ (1) ~ 1550,120 нм, ОСФ (2) ~ 1550,136 нм, ООФ (1) ~ 1550,104 нм, ООФ (2) 1550,120 нм. Выходные мощности обоих оптических усилителей составили около +6 дБм (на рисунке 4.6 представлены результаты измерения оптических спектров до и после оптического усилителя).

Рисунок 4.7 иллюстрирует спектральные плотности двух выходных сигналов на одинаковых промежуточных частотах, равных 2 ГГц на выходах

0

2

ФД (1) (желтая кривая) и ФД (2) (синяя кривая) с использованием СВЧ

анализатора спектра.

Marker 1 16.000000000000 GHz

PNO: Fast С IFGain:Low

Trig: Free Run #Atten: 6dB

Avg Type: Log-Pwr Avg|Hold:>100/100

TRACE TYPE det|

103456 M WW WWW P S NNN N

5 dB/div Ref -12.00 dBm Mkr1 16.000 GHz -16.386 dBm

LUy щ w_____ и__ 4

-17 0 Г

-27.0

-37.0

I

-47 0

4 ZL

-57 0 WvHrM

_

Center 16.000 GHz #Res BW 8 MHz #VBW 1.0 MHz Î Span 6.000 GHz Sweep 15.00 ms (1001 pts)

I MKR MODE TRC SCL| X V FUNCTION FUNCTION WIDTH FUNCTION VALUE -

1 К 16.000 GHz -16.386 dBm II

2 m 14.066 GHz -16.113 dBm ■

з ni 17.928 GHz -16.359 dBm ■

4 0 Hz --dBm -1

Рисунок 4.5. Входной широкополосный СВЧ-сигнал. Начальная частота составляет 14 ГГц, конечная - 18 ГГц. Амплитуда сигнала составляет около -16 дБм

2018 Feb 01 21:31

11549.52411

11550.024lnm 0.10lnm..p 11550.524lnm 11549.52 Д|пт

НКШИИЮИНИ Я1ВН1НШ11

11550.0241™ I 0. lelrwD 11550.5241П.П

КИИЩНШНИВаШКИИ!

01И1НШ11

Рисунок 4.6. Оптический спектр сигнала до и после оптического усилителя (перед

фотодетектором)

Рисунок 4.7. Выходные широкополосные сигналы на промежуточной частоте 2 ГГц.

Синяя кривая отображает правую часть с полосой пропускания Л входящего широкополосного СВЧ-сигнала, желтая кривая отображает левую часть входящего СВЧ-

сигнала.

Экспериментальные данные, приведенные выше, в достаточной мере согласуются с результатами численного моделирования и подтверждают реализуемость сверхширокополосного радиофотонного приемного канала (Сигнал/Шум более 45 дБ). Стоит отметить, что данный способ построения радиофотонного приемного канала при необходимости легко масштабируем (добавлением дополнительных опорных каналов).

Метод спектрально-интервального измерения сигнала показывает хорошую гибкость и частотное масштабирование. Легко изменить как несущую частоту, так и пропускную способность каждого канала, изменив опорную частоту полосы частот генератора и оптических фильтров. Ширина полосы пропускания радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигнала ограничена только полосой пропускания модуляторов, тогда как другие компоненты (фотодетектотры и электронные АЦП) могут иметь низкую полосу пропускания.

Однако, у такой схемной реализации существует недостатки, ограничивающий ее применение в реальных многоканальных системах. Если для нескольких каналов в рамках лаборатории можно использовать синтезаторы опорных частот, то в перспективных системах, где может потребовать десятки

опорных сигналов для работы с широкополосными сигналами на более высоких частотах необходимы другие способы их реализации. Также существенным фактором, усложняющим реализацию, является необходимость синхронизация всех опорных частот между собой для стабильной работы всего устройства, а также использования высокочастотных опорных модуляторов.

Одним из решений данной проблемы является использование так называемых комб-генераторов, которые позволяют формировать в оптическом диапазоне равноудаленные синфазные сигналы с уровнем шумов меньше, чем существующие СВЧ синтезаторы [85]. В качестве задающего оптического источника может быть лазер с синхронизацией мод, однако, такие устройства получаются громоздкими, сложными в конструкции и в интегральной реализации. Другим решением является использование кольцевых микрорезонаторов, однако, неравномерность получаемых характеристик, зависимость параметров от внешних воздействующих факторов и избыточность (а значит и потеря качества сигналов) количества гармоник (обычно сотни и тысячи штук) сильно ограничивают их применение. Следующий раздел данной работы будет посвящен исследованию комб-генератора, необходимого для исследуемого радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования.

4.2 Исследование радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки сигналов и с применением гребенки оптических опорных частот

Важным элементом радиофотонного приемного канала со спектрально-интервальной обработкой сигнала является устройство для формирования опорных частот. Обычно используется стабильный импульсный лазер с синхронизацией мод [9]. В частотной области спектр колебаний таких лазеров представляет собой набор равноудаленных мод с различными частотами, которые могут быть разделены гребенкой оптических фильтров. В то же время многомодовые оптические лазеры с синхронизированными режимами являются

недостаточно стабильными, дорогостоящими и имеют длительное время выхода в рабочий режим, кроме того, существенно усложняется возможность их интегральной оптической реализации. Еще одним недостатком, ограничивающим их использование, является генерация избыточного количества (от нескольких тысяч до десятков тысяч) мод (соответственно, необоснованная трата общей энергии сигнала) и существенное неравенство их амплитуд.

Для использования такого оптического источника гребенки опорных частот в радиофотонном приемном канале необходимо выполнение следующих условий. Расстояние между частотами должно быть порядка нескольких гигагерц, что определяется скоростью работы имеющихся электронных АЦП. Общее количество сформированных линий должно быть примерно равно необходимому количеству каналов. Все эти требования можно объединить в схему, включающую непрерывный лазер и схему формирования частотной гребенки на основе модуляторов в режиме перемодуляции (большой входной СВЧ мощности) [51]. В простейшем случае можно использовать только один амплитудный модулятор с двумя независимыми ВЧ входами. Выбор требуемых частот может осуществляться с помощью узкополосных фильтров. Преимуществом такой схемы является возможность выбора определенной частоты гребенки (определяется несущей частотой фильтра - которая может перестраиваться), а также расстоянием частот - определяемое частотой модуляции. Шумовые характеристики зависят преимущественно от характеристик задающего модулирующего сигнала и самого непрерывного лазера. Стоит отметить, что использование оптоэлектронного генератора в качестве опорного генератора может позволить существенно снизить фазовый шум всего устройства [90].

4.2.1 Получение гребенки оптических частот СВЧ диапазона на основе двойного модулятора Маха-Цандера

В работе [92] предлагается получение гребенки оптических частот на основе двойного модулятора Маха-Цандера. Подбирая определенный режим работы каждого составного модулятора (положение рабочей точки, уровень входной мощности) и уровня мощности входного РЧ сигнала, можно добиться на выходе двойного модулятора Маха-Цандера нескольких эквидистантных частот.

Проведенные численное моделирование и экспериментальное подтверждение (на основе использованных в настоящей работе радиофотонных компонентов), показанные на рисунке 4.8, показали возможность получения до 5 эквидистантных частот с малой амплитудной неравномерностью (менее 1 дБ) в оптическом диапазоне.

СВЧ генератор:

Амплитуда = 0.62 а.и. Частота = 6е9 Гц

"V

:ипс51пеЕ1

вг^Г

Непрерывный Лазер:

Частота излучения = 193.1 е 12 Гц Средняя мощность = 40е-3 Вт Ширина линии = ЮОеЗ Гц ШЫ = -145 дБ/Гц

ММЦ1:

Ур (Г>С) = 3 в Вносимые потерн = 3 дБ Коэф. экстинкции = 30 дБ

ОС:

Амплитуда = 1.5 В

УЭ-

-ф-

ММЦ_2:

Ур (ОС) = 3 в Вносимые потери = 3 дБ Коэф. экстинкции = 30 дБ

I_[_

■.__—

I рнл2

Ой 1АУЛ

-дИи СВЧ_усилитель

5#дпа1Ала1угег_уЪтв2

БС:

Амплитуда = 3 В

-а>

а)

Оптический спектр

Оптический спектр

-100 -50

-40 -20 0 20 40

Частота, относительно 193.1 ТГц, ГГц

Частота, ГГц

б) В)

Рисунок 4.8. Численное моделирование (а, б) и экспериментальное подтверждение (в) получения гребенки частот на основе двойного параллельного модулятора Маха-Цандера

На рисунке 4.8а представлена структурная схема комб-генератора на основе двойного параллельного модулятора, которая включает непрерывный лазер, двойной параллельный модулятор (в виде комбинации двух амплитудных модуляторов, оптического делителя и сплиттера) и фотодетектор. Простота реализации схемы позволяет на ее основе отработать принципы построения и основные параметры радиофотонного приемного канала в целом. В этом случае верхний амплитудный модулятор находится в режиме минимума рабочей точки (входная РЧ мощность около +20 дБм, частота 6 ГГц), а нижний амплитудный модулятор в положении максимума (входная РЧ мощность около +28 дБм, частота 6 ГГц). Оптический спектр на рисунке 4.8б показывает наличие 5 гармоник входного РЧ сигнала с неравномерностью менее 1 дБ и подавлением соседних составляющих более 22 дБ. Эксперимент (рисунок 4.8в) подтвердил эффективность такого решения.

Для получения 7 гармоник [92] необходима подача РЧ сигналов большей мощности, что уже становится критичным для коммерчески доступных модуляторов (наблюдается значительная нелинейность и деградация структуры самого модулятора). Частота РЧ сигнала выбрана 6 ГГц, исходя из разрешающей способности доступного оптического анализатора спектра, однако широкополосность радиофотонных компонентов и схемной реализации позволяет формировать сигнал из любого частотного диапазона амплитудных модуляторов.

Стоит отметить, что для многих практических задач вполне достаточно такого количества частот комб-генератора (ширина обрабатываемого широкополосного сигнала составляет 7х2 ГГц=14 ГГц). Однако, для перспективных систем на основе радиофотоники требуется работа с более широкополосными сигналами и на более высоких несущих (до 100 ГГц и более). Для этих целей необходим комб-генератор с десятками равноудаленных частот. В мире было исследовано несколько возможных построений такого комб-генератора [93 - 95]. В работе [92] анализируется подобное устройство на основе амплитудного модулятора с двумя СВЧ входами с требуемым для упомянутых

задач набором гармоник на выходе и с хорошей неравномерностью АЧХ (менее 1 дБ). Приведем результаты численного моделирования такого комб-генератора в составе радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования и спектрально-интервального оценивания сигнала.

4.2.2 Численное моделирование сверхширокополосного

радиофотонного приемного канала с применением комб-генератора

На рис. 4.9 ниже представлена схема сверхширокополосного радиофотонного приемного канала с использованием комб генератора на основе модулятора с двумя СВЧ входами и в режиме перемодуляции (высокой входной СВЧ мощности).

Входной 1

СВЧ сигнал ■

1 . . . М I_

ш

Лазер 1:2 ММЦ(1) :

РЧ

генератор

1:2

ФВ (1)

Атт

ФВ (2)

Комб-генератор

ОСФ (1) ОУ (1) ФД (1)

1 1

\

ММЦ (2) 1 ООФ (N+1)

1

ООФ

ОСФ Н 2:1 ОУ Н ФД н

Выходные ПЧ сигналы

N

N

11

1

Рисунок 4.9. Блок схема сверхширокополосного радиофотонного приемного канала с применением комб-генератора на основе модулятора с двумя СВЧ входами в сильно нелинейном режиме [112]. ММЦ (1) - амплитудный модулятор Маха-Цандера, ММЦ (2) -амплитудный модулятор Маха-Цандера с двумя СВЧ входами, ОСФ - оптический сигнальный фильтр, ООФ - оптический опорный фильтр, ОУ - оптический усилитель, ФД-фотодетектор, ФВ - электрический фазовращатель, Атт - электрический аттенюатор, 1:2 и 2:1 - делители и сумматоры (красные линии - оптические сигналы, зеленые линии -

электрические сигналы).

Схема такого сверхширокополосного радиофотонного приемного канала работает аналогично схеме на рис. 4.4 выше, за исключением задания гребёнки опорных СВЧ частот. Для этого РЧ генератор формирует сигнал большой

мощности, который разделяется на две части [91]. Первая часть сигнала (с требуемой амплитудой и фазой) поступает на РЧ вход верхнего плеча ММЦ (2), вторая часть сигнала (также с требуемой амплитудой и фазой) поступает на РЧ вход нижнего плеча ММЦ (2).

Оптическая гребенка РЧ сигналов с выхода ММЦ (2) разделяется на N каналов, из которой выделяются требуемые частоты с помощью узкополосных оптических фильтров (ООФ_№1...ООФ_№^ для последующего суммирования с соответствующими частями приемного сверхширокополосного сигнала и преобразования на промежуточные частоты на выходах фотодетекторов (ФД_1...ФД_^. Далее эти сигналы могут быть оцифрованы и обработаны с помощью стандартных электронных АЦП. Оптические усилители (ОУ_1... ОУ_^ могут использоваться для компенсации оптических потерь и увеличения соотношения Сигнал/Шум всего устройства.

Результаты моделирования

Результаты моделирования (в VPIphotonics) комб-генератора, содержащий десятки равноудаленных РЧ сигналов в оптической области, представлен на рис. 4.10 ниже. Для формирования таких сигналов используется РЧ генератор (2 ГГц, мощность 1 Вт). Стоит отметить малую неравномерность гармоник, составляющую менее 1 дБ в диапазоне около 80 ГГц.

Оптическш \ спектр

о -20 [ -40 -60 -80 ||ИВ11

30 -40 0 40 80

Частота,относител ьно 193.1 ТГц, ГГц

Рисунок 4.10. Спектр оптического сигнала на выходе радиофотонного комб-

генератора

На рисунке 4.11 представлено сравнение входного сверхширокополосного СВЧ сигнала (синяя кривая), а также восстановленного и математически обработанного с выхода фотодетекторов (желтая и зеленая кривые). Как видно из проведенного исследования, наблюдается высокая сходимость как АЧХ, так и ФЧХ исходного и восстановленного сигналов.

Рисунок 4.11. АЧХ (а) и ФЧХ (б) входного (синяя кривая) и восстановленного (оранжевая и зеленая кривые) СВЧ сигнала

Как видно из проведенного численного моделирования, подобная реализация сверхширокополосного радиофотонного приемного канала с применением модулятора с двумя СВЧ входами позволяет обработать в оптической области СВЧ сигналы в полосе более 80 ГГц, преобразовать на требуемую промежуточную частоту (в данном случае 2 ГГц), а также восстановить исходный широкополосный сигнал (в значительной степени

сохраняя его форму), при этом отношение С/Ш составляет более 30 дБ в полосе сигнала.

Стоит отметить, что при увеличении входной СВЧ мощности или частоты РЧ комб-генератора легко увеличить полосу обработки широкополосных сигналов более 100 ГГц [96].

4.3 Исследование компонентной базы ФИС

Рассмотренные выше способы реализации радиофотонных приемных каналов возможно реализовать и в интегральном исполнении (см. Главу 1). С учетом требуемых технических параметров и выбора по совокупности критериев наиболее перспективной технологической платформой представляется технологическая платформа 1пР, позволяющая монолитным образом (рисунок 4.12) реализовать как пассивные (волноводы, делители, мультиплексоры и т.п.), так и активные/высокочастотные компоненты (лазеры, усилители, модуляторы, фотодетекторы и т.п.) на единой подложке [97] с последующим корпусированием в виде микросхемы.

Лазер

Усилитель Детектор Модулятор

I ¡ассивный Илгпб волновод волновода

Рисунок 4.12. Возможность монолитной реализации ряда пассивных и активных

компонентов на основе InP [97].

Технология создания ФИС на основе InP известна и представлена в работах [97, 98, 28]. В данной работе предлагается рассмотреть некоторые ключевые компоненты (демультиплексор, лазер, модулятор). В рамках научного сотрудничества со Сколтехом и, в частности, с Центром Фотоники и Квантовых Материалов, а также с использованием программного обеспечения VPIphotonics Photonic Circuit, было проведено проектирование, изготовление и тестирование ряда компонентов ФИС на основе InP. Стоит отметить, что несмотря на

существующий перечь примитивных элементов (библиотеку компонентов), на основе которого можно создавать более сложные устройства, вопрос проектирования ФИС остается довольно сложной задачей. Учитывались физические принципы, правила проектирования, дальнейшие способы тестирования и исследования изготавливаемых чипов.

Измерение исследуемых компонентов проводилось совместно с лабораторией НИЯУ МИФИ и с использованием современного оборудования (Приложение 4). Общая схема измерений и фотографии измерительного стенда представлены на рисунке 4.13. Важной особенностью измерения ФИС является предварительная калибровка и подключение системы внешних оптических кабелей для ввода и вывода оптического излучения и DC/RF зондов для подачи и снятия электрических характеристик (зондовая станция). Суммарные оптические потери на ввод/вывод излучения составили ~10 дБ.

а)

Лазер

б)

Рисунок 4.13. Фотография измерительного стенда (а) и общая схема измерений компонентов на основе InP ФИС (б).

AWG-демультиплексор является распространенным пассивным оптическим устройством в системах телекоммуникаций для спектрального

разделения каналов [99]. Его интегральная реализация позволяет добиться ряда преимуществ: уменьшение размеров (на порядки), повышение стабильности, массовое производство и уменьшение стоимости, а также возможность интеграции с другими компонентами на ФИС. Для использования в радиофотонных приемных устройствах демультиплексор также может применяться с целью выделения требуемых частот. Типичная ширина канала таких устройств 25... 100 ГГц, однако, имеются работы, демонстрирующие сужение ширины до нескольких гигагерц, достаточных для выделения спектральных гармоник рассмотренного выше комб-генератора [102]. На рисунке 4.14а представлены схематическое изображение/фотография спроектированного и изготовленного демультиплексора, а также схема и результаты его измерения (рисунок 4.146).

а)

Источник питания

( ^ Перестраиваемый лазер г -Ч, Зондовая станция » Фотодетектор Осциллограф

-С -

и о X

о

S ,

х 2 сс

демультплексор на ФИС

AVG second from lop AVG fisrt from top B В

AVG 3rd from top B AVG 4th from top B

\ \ / \ /

1 ,

б)

1549 1550

Длина волны, нм

Рисунок 4.14Результаты исследования AWG-демультиплексора: а) чертеж/фотография под микроскопом; б) схема и результаты измерений

Амплитудный модулятор на основе интерферометра Маха-Цандера также является одним из важнейших и распространенных компонентов. В отличие от стандартных дискретных модуляторов, выполненных на LiNЪO3, модуляторы на основе № получаются более компактными (в десятки раз меньше), сохраняя при

этом частотные и другие свойства. На рисунке 4.15а представлен спроектированный и изготовленный модулятор (схемотехническое представление и фотография), который включают оптический волновод, разветвитель 1х2, фазовые модуляторы (верхнее и нижнее плечо), ряд оптических и СВЧ контактов, необходимых для ввода и вывода сигналов, а также схема его измерения. На рисунке 4.15б представлены результаты моделирования. Для моделирования СВЧ и оптической части использовались программные продукты Keysight ADS и VPIphotonics, позволяющие в том числе охарактеризовать его S-параметры в режиме ко-симуляции.

а)

»1 0- S (1,1)-розовая кривая S (2,1) - красная кривая

-1С-

-15-

0 .......Iм1 г 11 2 3 4 .......1 " 1 Г 1 1 1...... 6 7 t 9 10 1 ""1 ...... 12 13 1 "" I 15

Частота, ГГц б)

Рисунок 4.15. Результаты исследования амплитудного модулятора Маха-Цандера: а) чертеж/фотография под микроскопом; б) результаты численного моделирования

Следует отметить, что аналогичный по технологической платформе (InP), структуре и параметрам модулятор был разработан в НИЯУ МИФИ в рамках проекта «Разработка технологий и компонентов интегральной сверхвысокочастотной радиофотоники». Полученные результаты также подтвердили технические преимущества выбранной технологической платформы для монолитной интегральной реализации радиофотонных устройств.

Лазер на основе распределенного брэгговского отражателя (РБО) распространен во многих телекоммуникационных, радиофотонных и других устройствах, позволяя создавать эффективные источники оптического излучения с приемлемо низкими шумами, достаточной выходной мощностью и возможностью перестройки в оптическом диапазоне. На рисунке 4.16а изображен спроектированный и изготовленный интегральный планарный РБО-лазер на основе 1пР (схемотехническое представление и фотография), который включает оптический волновод, внешние брэгговские отражатели (FDBR, RDBR), активную среду в виде полупроводникового усилителя ^ОА) и секцию фазового модулятора (PM_DC), а также ряд оптических и СВЧ контактов, необходимых для ввода и вывода сигналов. Ни рисунке 4.16б представлены схема и результаты измерения.

а)

Оптический спектр

1551 1552 1553

Длина волны, нм

б)

Рисунок 4.16. Результаты исследования интегрального планарного РБО-лазера на InP: а) чертеж/фотография под микроскопом; б) схема и результаты измерений

В таблице 4.1 приведены некоторые ключевые параметры представленных выше интегральных компонентов.

Таблица 4.1. Некоторые ключевые параметры интегральных компонентов

Компонент/параметры Значение Исследование

AWG-демультиплексор

Расстояние между каналами, нм 0.8 Эксперимент

Перекрестные помехи, дБ ~4,4

Подавление каналов, дБ 18

Центральная длина волны, нм 1549,3

Амплитудный модулятор Маха-Цандера

Частотный диапазон модуляции, ГГц ~10 Моделирование

Коэффициент экстинкции, дБ ~20

Полуволновое напряжение, В ~7

Оптические потери, дБ ~7

РБО-лазер

Выходная оптическая мощность, дБм +6 Эксперимент

Подавление соседних мод (SMSR), дБ 48

Ток питания, мА 30...100

Пороговый ток, мА 18

Диапазон перестройки, нм 0,6

По результатам проведенных численного моделирования и экспериментальных исследований показана возможность дальнейшей реализации радиофотонных приемных каналов в виде ФИС [104]. При этом существующие возможности в рамках MPW позволяют реализовать прототипы ФИС на единой монолитной подложке InP, включая активные и пассивные элементы [28], а запуск пилотных линий (начиная с 2021 года) в скором времени позволит перейти к их серийному производству [100]. Однако, использование дополнительных внешних СВЧ компонентов, таких как усилители, фильтры, АЦП и т.д., совместно с классической платформой InP, требует проведения дальнейших исследований. Другим перспективным решением представляется технология IMOS, которая объединяет в себе преимущество монолитной реализации ФИС на InP, а также совместимой с CMOS микроэлектроники технологии SOI [101]. В настоящее время технология IMOS только формируется, и технологические процессы находятся на стадии отработки.

Краткие выводы по Главе 4

• проведено моделирование и экспериментальное подтверждение разработанного сверхширокополосного радиофотонного приемного канала со спектрально-интервальной обработкой и оптическим гетеродинированием.

Доказана возможность преобразования входного широкополосного СВЧ на промежуточные частоты оптическими методами, а также восстановления исходного сигнала (амплитуды и фазы) с помощью последующей математической обработки. Продемонстрирована хорошая гибкость и масштабируемость такого подхода для более высоких частот и возможность интегральной реализации в виде фотонных интегральных схем;

• разработан и применен оптический комб-генератор на основе модулятора с двойным СВЧ входом для увеличения полосы обработки радиофотонного приемного канала. Проведено численное моделирование, подтверждающее возможность его реализации. Комб-генератор исследован с применением дискретного модулятора с двумя СВЧ входами;

• спроектирован, изготовлен и исследован ряд интегральных компонентов (AWG-демультиплексор, амплитудный модулятор Маха-Цандера, РБО-лазер) на основе № ФИС;

• показано, что платформа InP позволяет монолитно реализовать разработанные радиофотонные приемные каналы в интегральном исполнении с применением доступных на сегодняшний день технологических возможностей;

• показана возможность дальнейшего развития радиофотонных приемных каналов с применением технологий ФИС.

Заключение и выводы

На сегодняшний день развитие технологий классической микроэлектроники подходит к технологическим и техническим пределам, требуя поиска новых подходов и принципов для создания перспективных устройств приема, обработки и передачи информации. Объединяя технологии электроники и фотоники, радиофотоника позволяет уже сейчас создавать радиофотонные приемные устройства с весьма высокими техническими характеристиками.

В ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены задачи по разработке и исследованию универсальных сверхширокополосных радиофотонных приемных каналов СВЧ диапазона частот на основе оптического гетеродинирования и со спектрально-интервальной обработкой сигналов.

Выполнен сравнительный анализ различных схем реализации радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования. Показано, что параллельная схема демонстрирует лучшие выходные характеристики и более эффективной реализации многоканальных устройств. Параллельная схема также позволяет полностью развязать приемный и опорный СВЧ сигналы, что в свою очередь показывает высокую функциональную гибкость. Для стабильной работы требуется интегральное исполнение и использование дополнительных компонентов, таких как оптический фильтр и циркулятор, либо функционирование в точке минимума передаточной характеристики модулятора с высоким коэффициентом экстинкции (более 20 дБ). Схема с дискретным двойным параллельным модулятором показывает лучшие шумовые характеристики и динамический диапазон, однако, из-за малой функциональной гибкости (требуется подведение СВЧ опоры в каждый модулятор) усложняется техническая реализация многоканальных приемных устройств. Полученный при моделировании SFDR составляет более 120 дБГц2/3, подтвержденный экспериментально SFDR = 110 дБГц2/3 на частоте 10 ГГц.

Полученные результаты в ходе численного моделирования и

экспериментальных исследований подтверждают реальную возможность

создания радиофотонного приемного канала на основе оптического

107

гетеродинирования и преобразования частоты частотой несущей сигнала в десятки гигагерц и полосой приема в несколько гигагерц. Кроме того, определенный выбор рабочей точки модулятора (в частности, настройка модуляторов приемного канала на подавление оптической несущей) и применение некоторых дополнительных элементов схемы (двойных параллельных модуляторов, оптических фильтров, фазовых модуляторов, оптических усилителей и фазовращателей) позволяют улучшить линейность смесителя (SFDR>130 дБГц2/3), отношение сигнал/шум (более 70 дБ), увеличить коэффициент преобразования (до 20 дБ), а также подавить избыточные шумы интенсивности и частотные шумы лазера, что дает возможность использовать для оптического источника относительно недорогие (коммерчески доступные) полупроводниковые лазеры без внешних стабилизирующих резонаторов.

Разработана оригинальная схема сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе спектрально-интервальной обработки входного сигнала и оптическим гетеродинированием. Такая схема показала хорошую гибкость и частотное масштабирование при изменении как несущей частоты, так и ширины полосы каждого канала. При этом полоса пропускания радиофотонного приемного канала ограничена только частотным диапазоном одного приемного модулятора (на сегодняшний день более 100 ГГц), тогда как другие компоненты (фотодетекторы и электронные АЦП) могут иметь более низкую полосу пропускания (менее 2 ГГц), даже при многоканальном исполнении. Экспериментально показано, что разработанная схема сверхширокополосного радиофотонного приемного канала на основе оптического гетеродинирования и модулятора в режиме перемодуляции (5 спектральных линий) может быть эффективной для обработки входного сигнала с шириной полосы до 20 ГГц. Продемонстрировано, что использование оптических генераторов СВЧ гребенки (десятки спектральных линий) позволяет значительно увеличить частотный диапазон обрабатываемого сигнала (более 100 ГГц), а также обрабатывать непосредственно «полезную»

(информационную) составляющую спектра (амплитуду и фазу сигнала) вне зависимости от несущей частоты входного сигнала.

Рассмотрены перспективные пути модернизации радиофотонных приемных каналов в виде ФИС, а также продемонстрирована возможность монолитной реализации на 1пР как пассивных, так и активных/высокочастотных компонентов. Проведено проектирование, изготовление и исследование источника оптического излучения, модулятора и демультиплексора. Полученные данные подтверждают возможность реализации радиофотонных приемных каналов. Так, РБО-лазер имеет выходную мощность более 4 мВт, подавление соседних мод более 48 дБ, а пороговый ток 18 мА; AWG-демультиплексор имеет ширину каналов менее 0,8 нм, подавление соседних каналов 18 дБ, а перекрестные помехи на уровне ~5 дБ; амплитудный модулятор Маха-Цандера имеет ширину полосы до ~10 ГГц, коэффициент экстинкции ~20 дБ, а полуволновое напряжение ~7 В. Суммарные оптические потери на ввод/вывод излучения составляют менее 10 дБ.

Результаты выполненной работы показали, что дальнейшее развитие разработанных и исследуемых устройств предполагается преимущественно в интегральном исполнении. При этом необходимо решить проблемы совместного проектирования и моделирования сложных ФИС, включающих десятки различных оптических и электронных элементов, их связи и взаимодействие, и вопросы их изготовления, корпусирования и тестирования. Приведенная платформа 1пР представляется наиболее перспективной, так как для исследуемых устройств необходимо объединять пассивные, активные и высокочастотные компоненты. При этом гибридная интеграция с микроэлектроникой позволит в итоге создать функционально законченные изделия для применения в существующих и перспективных системах приема и обработки информации.

Список литературы

1. Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж., «Основы микроволновой фотоники», перевод М.Е. Белкина,: ТЕХНОСФЕРА, 2016, 376 с.

2. Ping Yang, et al., "6G Wireless Communications: Vision and Potential Techniques", IEEE Network, 33, 4, 2019.

3. Chris Roeloffzen, et al., "Integrated microwave photonics for 5G", 2018, CLEO.

4. D'Addario, Larry R.; Shillue, William P., "Applications of microwave photonics in radio astronomy and space communication", IEEE International Microwave Symposium, 2006.

5. Stavros Iezekiel, "Microwave Photonics: Devices and Applications", 2009, Wiley-IEEE Press, 360 p.

6. F. Caspers and P. Kowina, "RF Measurement Concepts", CAS - CERN Accelerator School, pp.101-156.

7. T. Schilcher, "RF applications in digital signal processing", CERN-Accelerator School, pp. 249-283.

8. Charles Middleton, "Photonic frequency conversion for wideband RF-to-IF down-conversion and digitization", IEEE AFOPT Conference, 2011.

9. Anatol Khilo, et. al, "Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter", Optics Express, 20, 4, pp. 4454-4469, 2012.

10. David Marpaung, Jianping Yao and José Capmany, "Integrated microwave photonics", Nature photonics, 2019, pp. 80-90.

11. Theo G. van de Roer, "Monolithic microwave integrated circuits", Microwave Electronic Devices, pp. 313-333.

12. Stavros Iezekiel, et al., "RF engineering meets optoelectronics", 2015, IEEE Microwave Magazine 16 (8), pp. 28-45.

13. Конторов С.М. и др. «Многоканальный радиофотонный приемный тракт», «Фотоника. Мир лазеров и оптики», 2019 г.

14. Stavros Iezekiel, "Microwave Photonics: Devices and Applications", 2009 Wiley-IEEE Press, 360 p.

15. F. Scotti, et al., "A fully photonics-based coherent radar system", Nature, 507, p. 341-345, 2014.

16. David Marpaung, R.G. Heideman, Salvador Sales. "Integrated Microwave Photonics", Laser & Photonics Review, 2012.

17. D'Addario, Larry R.; Shillue, William P., "Applications of microwave photonics in radio astronomy and space communication", IEEE International Microwave Syposium, 2006.

18. Xihua Zou, et al., "Photonics for microwave measurements", Laser Photonics Rev. 10, 5, pp. 711-734, 2016.