Моделирование и исследование процессов в оптико-микроволновом модуляторе на основе резонансных структур

Запорожец, Денис Владимирович

Моделирование и исследование процессов в оптико-микроволновом модуляторе на основе резонансных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Запорожец, Денис Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Краснодар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование и исследование процессов в оптико-микроволновом модуляторе на основе резонансных структур»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование и исследование процессов в оптико-микроволновом модуляторе на основе резонансных структур"

На правах рукописи

Запорожец Денис Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОПТИКО-МИКРОВОЛНОВОМ МОДУЛЯТОРЕ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар - 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Яковенко Николай Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Лебедев Валерий Андреевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Григорьян Леонтий Рустемович

Ведущая организация: ГОУ ВПО

"Кубанский государственный технологический университет" г. Краснодар

Защита состоится " 15 " сентября 2006 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 в ГОУ ВПО "Кубанский государственный университет" по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд.231.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО "Кубанский государственный университет"

Автореферат разослан " & 1 " 2006 г.

Ученый секретарь ^^^^^

диссертационного совета Евдокимов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Глобальные телекоммуникационные сети реализованы на спутниковых и оптоволоконных системах дальней связи. В настоящее время волоконно-оптические системы динамично развиваются. Значительно возросла скорость передачи информации и увеличилась дальность, повысилась эффективность использования сетей за счёт расширения полосы пропускания и внедрения новых алгоритмов управления передачей данных.

Улучшение характеристик базовых элементов, использующихся в волоконно-оптических линиях связи, напрямую связано с применением оптико-микроволновых модуляторов различных типов и увеличением их быстродействия.

Так как существуют ограничения в росте скорости передачи данных обусловленные технологическими возможностями создания элементной базы, одним из самых эффективных методов повышения быстродействия линий передачи информации является мультиплексирование сигнала. Роль оптико-микроволновых модуляторов, посредством которых можно осуществлять ввод-вывод оптических потоков в мультиплексорах, весьма высока.

Одним из базовых элементов, в которых применяются оптико-микроволновые модуляторы являются устройства восстановления сигнала. Полностью оптические устройства такого типа для массового применения до сих пор не созданы ввиду сложности формирования оптического сигнала заданной формы только оптическими средствами.

Увеличение дальности передачи информации определяется динамикой увеличения длины регенерационного участка. С появлением эрбиевых и итгер-биевых оптических усилителей удаётся в несколько раз увеличить эту длину. Другим путём увеличения длины регенерационного участка является расширение оптического динамического диапазона волоконно-оптической системы, т.е. увеличение отношения оптической мощности сигнала на выходе к мощности оптического шума.

Таким образом, для модернизации волоконно-оптических телекоммуникационных сетей требуются оптико-микроволновые модуляторы с точно заданными амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ).

Наиболее широкое применение нашли модуляторы на основе сегнето-электрических кристаллов. Физические процессы оптико-микроволнового взаимодействия когерентного оптического излучения с сегнетоэлектрическими средами носят резонансный характер, связанный с возбуждением фононных и электродинамических ветвей спектров возбуждений монокристаллов, определяющих параметры модуляторов света.

Физико-математическое моделирование оптико-микроволновых модуляторов на основе резонансных структур является перспективным направлением современных исследований. Разработка модифицированной методики анализа процессов резонансного возбуждения колебаний вектора поляризации среды в широком диапазоне частот, позволяющей получить разумный компромисс в выборе условий приближений при решении задач, моделирующих эти процессы, является актуальной. . ■ ■

Цель работы. Физико-математическое моделирование и исследование процессов взаимодействия электромагнитной волны с сегнетоэлектрической средой при резонансных взаимодействиях, направленных на создание оптико-микроволновых модуляторов.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) провести обоснование выбора методик физико-математического моделирования оптико-микроволновых модуляторов на основе резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с сегнетоэлектриком;

2) разработать методический подход к рассмотрению задачи анализа основных электродинамических параметров модуляторов света с учётом формулировок граничных условий;

3) провести количественные оценки выигрыша в скорости передачи информации по волоконно-оптическим сетям за счёт увеличения динамического диапазона по мощности источников излучения;

4) разработать модифицированную методику моделирования процессов взаимодействия электромагнитной волны с сегнетоэлектрической средой с учётом потерь;

5) разработать и исследовать экспериментальные макеты оптико-микроволновых модуляторов необходимые для установления общих закономерностей формирования их АЧХ, выбрать среди них устройства для применения в современных телекоммуникационных системах и дать рекомендации о путях их модернизации;

6) создать экспериментальный измерительный стенд для исследования модуляторов света, сочетающий в методе однолучевой эллипсометрии традиционную технику нулевого детектирования с динамическими методами измерений на второй и третьей гармониках модулирующего сигнала.

Научная новизна. Основными новыми результатами проведенных исследований являются:

1) модифицированная методика электродинамических расчётов оптико-микроволновых модуляторов, базирующаяся на методе эквивалентных волновых сопротивлений, позволяющая получить оптимальный подход к выбору условий приближений при физико-математическом моделировании с учётом потерь;

2) аналитические соотношения для резонансных частот возбуждения ультразвукового резонатора на монокристалле ЫЫЬ03 и количественная идентификация спектров ультразвуковых колебаний, полученных методом оптического зондирования, позволяющая уточнить величину скорости ПАВ на исследуемой частоте;

3) количественная оценка выигрыша в скорости передачи информации по телекоммуникационным сетям за счёт увеличения динамического диапазона по мощности за счёт повышенной чувствительности приёмных систем;

4) обнаруженная возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации колебаний с чётными номерами индексов и уменьшения интен-

сивности колебаний с нечётными индексами в канале распространения оптического луча, а также за счёт пространственного смещения областей пучности упругих напряжений относительно канала распространения оптического луча;

5) оригинальный измерительный стенд, сочетающий в методе однолуче-вой эллипсометрии традиционную технологию нулевого детектирования с динамическим методами измерений на низких, ультразвуковых и сверхвысоких частотах, обеспечивающий возможность получения спектров АЧХ в широком диапазоне частот с высоким разрешением в каждой области исследуемого диапазона.

Практическая полезность работы состоит в разработке принципов моделирования и анализа физических процессов в оптико-микроволновых модуляторах для решения следующих практических задач:

1) разработки методики численного анализа основных параметров модуляторов света в условиях резонансного взаимодействия и определения границ применения полученных аналитических соотношений для реальных модуляторов света;

2) использования полученных аналитических соотношений для количественных расчётов спектров ультразвуковых и электродинамических возбуждений применяемых в модуляторах света нелинейных кристаллов;

3) создание и исследование действующих макетов оптико-микроволновых модуляторов на отрезках запредельных линий, на основе щелевых резонаторов, на базе интерферометров Фабри-Перо и проведение сравнительного анализа основных параметров модуляторов света различного конструктивного исполнения, среди которых выбраны устройства с параметрами, пригодными для применения в современных телекоммуникационных системах;

4) тестирования амплитудно-частотных характеристик конкретных конструкций модуляторов света, в том числе и интегральных, на базе данных об их геометрических размерах и размерах волноводных элементов.

Результаты проведенных исследований использовались при выполнении гранта по Межотраслевой программе сотрудничества министерства образования Российской Федерации с Минобороны РФ в 2001-2002 году «Исследование и разработка устройств управления оптическим излучением на основе многослойных оптических структур и запредельных линий передачи» и тематики научных исследований кафедры: «Исследование и разработка новых физико-технологических принципов построения оптоэлектронных, микро- и наноопти-ческих устройств сбора, обработки и передачи информации и перспективных сред для микролазеров 2003-2004гг», «Исследование новых физико-технологических принципов построения элементов квантовой и наноразмерной фотоники 2005г».

Применяемые в диссертации методы расчетов АЧХ оптико-микроволновых модуляторов используются при выполнении лабораторных работ спецкурсов «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства» и «Радиофизические методы в информационных системах», изучаемых студентами физико-технического факультета КубГУ. ''

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модифицированная методика физико-математического моделирования оптико-микроволновых модуляторов, базирующаяся на методе эквивалентных волновых сопротивлений, позволяющая получить разумный компромисс в выборе критериев приближений при решениях электродинамических задач с учётом потерь, а также приводить эти решения к аналитическим соотношениям.

2. Оригинальная методика анализа спектров, полученных методом оптического зондирования ультразвукового возбуждения колебаний в резонаторах на монокристаллах ЫЫЬОэ с учётом процессов разрежения этих спектров за счёт фазовой, амплитудной и пространственной селекции упругих напряжений.

3. Новые аналитические соотношения для оценки амплитудно-частотных характеристик оптико-микроволновых модуляторов различных конструкций с учётом взаимодействий в резонансных структурах.

4. Принципы построения оптической схемы измерительного стенда для тестирования амплитудно-частотных характеристик модуляторов света, сочетающие широкий диапазон частот измерений с высоким разрешением в каждой области исследуемого диапазона.

5. Расчётные данные по созданию оптико-микроволновых модуляторов на основе интерферометров Фабри-Перо и на основе щелевых резонаторов с повышенным уровнем управляющего напряжения (с возможностью работы в те-рагерцовом диапазоне частот), с диаметром модулируемого луча света более 50 мкм.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах физико-технического факультета и кафедры опто-электроники КубГУ, на Международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии» (Краснодар, 2001), на восьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002), на второй Международной конференции молодых учёных в области прикладной физики (Киев, 2002), на девятой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2004).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в б работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 168 печатных страниц, 40 рисунков, б таблиц, список литературы, включающий 187 наименований, и приложения, содержащие вывод некоторых важных аналитических соотношений, а также результаты расчётов и экспериментальные данные.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко излагается содержа-

нис работы, полученные в ней новые научные результаты, практическая полезность результатов исследования и формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе на базе рассмотрения физических принципов управления параметрами оптического излучения приведен обзор существующих современных разработок по созданию оптико-микроволновых модуляторов для телекоммуникационных систем.

В разделе 1.1 рассмотрены наиболее широко применяемые в современных оптико-микроволновых модуляторах линейный электрооптический эффект Поккельса, акустооптические явления, связанные с созданием динамической дифракционной решётки показателя преломления Брэгга или Рамана-Ната, магнитооптические явления на основе эффекта Фарадея, а также приводится анализ других физических явлений применяемых для управления параметрами оптического излучения.

Далее приводится анализ современных электрооптических материалов, необходимых для решения проблемы высокоскоростного и эффективного управления пространственно-временными параметрами оптического излучения.

Раздел 1.2 посвящен анализу современных модуляторов оптического излучения - объёмных электрооптических фазовых и амплитудных, объёмных акустических и волоконных, плёночных и интегральных амплитудных и фазовых.

Заключение раздела посвящено вопросам применения оптических модуляторов света в линиях связи в качестве переключателей каналов - объёмных и интегральных; генераторов оптических импульсов.

В разделе 1.3 рассматриваются принципы создания оптико-микроволновых модуляторов на базе резонансных электродинамических структур и приведены наиболее распространённые методики теоретического анализа основных параметров этих структур. Указано, что строгий электродинамический анализ резонансных систем основан на прямых численных методах решения системы интегральных уравнений первого рода, требующих при расчётах больших ресурсов машинного времени.

Вторая глава посвящена решению задачи обоснования модифицированной модели электродинамического анализа оптико-микроволновых модуляторов с целью поиска их оптимальной конструкции.

В разделе 2.1 рассматриваются расчётные модели микрополосковой линии, щелевой и копланарной микрополосковых линий с учётом потерь и дисперсионных свойств этих линий, в том числе и с учётом возбуждения высших типов волн.

Решение задачи анализа сводится к интегрированию уравнения Гельм-гольца для каждой из частичных областей элементарных ячеек представляющих эквивалент микрополосковой линии.

Поля собственных волн должны удовлетворять граничным условиям: касательная составляющая Е= О на электрических стенках; касательная составляющая //= 0 на магнитных стенках; условиям непрерывности касательных составляющих на границах раздела сред; условиям Мейкснера на рёбрах полос-

кового проводника. Ребро полоскового проводника представляет собой геометрическую сингулярность. Электромагнитное поле имеет здесь особенность. Учёт особенностей обеспечивается путём использования специальных функций для представления полей или токов на границах областей, имеющих точки геометрической сингулярности.

Расчёт щелевой линии в квазистатическом приближении невозможен. Поэтому рассматривается эквивалентный волновод, ограниченный идеально проводящими плоскостями, между которыми располагается линия. Электрическое поле предполагается независящим от высоты щели.

В конечном итоге анализа микрополосковых линий мы должны прийти к созданию широкополосных линий передачи, в которых возбуждаются волны с малыми потерями и малой дисперсией волнового сопротивления. По итогам решения электродинамических задач находим, что квази-Т волны в микрополосковых линиях являются таким типом волн. Однако дальнейшее продвижение в миллиметровый диапазон приводит, как это следует из выше рассмотренного, к появлению возбуждения Н-волн, обладающих дисперсией потерь и волнового сопротивления.

Раздел 2.2 посвящен вопросу создания оптико-микроволновых модуляторов с управляющим сигналом миллиметрвого диапазона сверхвысоких частот (СВЧ).

Одним из вариантов решения проблемы «продвижения» в коротковолновую область сверхвысокочастотного диапазона является применение волноводов прямоугольного или круглого сечения. В таких волноводах электрооптический кристалл модулятора, помещённый в волновод другого сечения, создаёт нагрузку в линии передачи. Эта нагрузка является щелевой микрополосковой линией.

Анализ такой электродинамической структуры должен дать ответ на вопрос о зависимости величины фазовой скорости от геометрических параметров и свойств диэлектриков. Выбор полосы частот, внутри которой частотная дисперсия достаточно слаба, а критические частоты ближайших высших типов лежат выше верхней полосы, также является важной задачей анализа.

Точное решение задачи о подведении энергии микроволнового излучения к электрооптическому кристаллу с нанесёнными на него электродами чрезвычайно затруднено из-за неоднородных граничных условий. В том случае, если известны эквивалентные параметры электродов возможно использование метода поперечного резонанса [1].

Получено дисперсионное соотношение для щелевой линии, образованной на слоистой диэлектрической структуре. Обозначим характеристические проводимости отрезков волновода справа от точки отсчёта по основному типу волны - К/.КдКя, а постоянные распространения - У1,У2'Уо (нижний индекс «О» указывает на принадлежность соответствующего параметра к полубесконечным участкам пустого волновода слева и справа от диэлектрической структуры, заполняющей поперечное сечение волновода). Учитывая уравнения Максвелла, получаем

где а и Ь - длина и высота щели, 7/ = 120л", Аг02 = со2£0р0, со - циклическая частота излучения, - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума (£•„=8,85 101гФ/м,=4л--10"1Гн/м).

Значения у,,у2>Уо определяются из решений волнового уравнения в соответствующих областях при выполнении граничных условий. Отсюда для п-типа волны

где у - номер соответствующего отрезка волновода, £) - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Соотношения (1) и (2) определяют характеристические проводимости по основному типу колебаний для различных участков волновода справа от точки отсчёта.

Соответственно для ТЕ„ - типов характеристические проводимости можем определить аналогичным подходом.

Анализ решения уравнения показывает, что при малой ширине щели щелевой мод перейдёт в поверхностный мод ТЕ„. Основной поверхностный мод соответствует и=1 (высшие моды лй2), где индекс п определяет характер распределения поля по толщине диэлектрика.

В разделе 2.3 обосновывается выбор пути совершенствования модуляторов для телекоммуникационных систем в направлении улучшения их параметров за счёт увеличения динамического диапазона управляемого источника излучения - лазера с непосредственным электронным управлением, либо лазера с внешним модулятором света.

Из теоремы Шеннона-Хартли [2] следует, что существует два пути повышения ёмкости канала связи - увеличение полосы пропускания канала связи, а также увеличение динамического диапазона.

Увеличение полосы пропускания канала связи неотъемлемо связано с увеличением несущей частоты. Поэтому переход к оптическим каналам связи, обеспечивающим большее быстродействие, вполне оправдан.

Увеличение динамического диапазона по мощности возможно за счёт понижения мощности шумов и увеличения мощности сигнала.

Наиболее быстродействующие оптико-микроволновые модуляторы бегущей волны интегрального типа, применяемые в настоящий период времени в телекоммуникационных системах, характеризуются малыми поперечными размерами оптического луча (соизмеримыми с длиной волны), ограничивающими увеличение мощности до уровня единиц милливатт (обусловленного возникновением явлений деполяризации в монокристаллах ниобата лития). Поэтому создание электродинамических систем резонансного типа для объёмных оптических модуляторов с большим поперечным сечением луча является весьма перспективным.

В разделе 2.4 рассмотрена методика анализа СВЧ-электродинамической системы щелевого типа для широкополосного объёмного модулятора света. Анализ АЧХ основывается на рассмотрении эквивалентных волновых сопротивлений [3] волноводных отрезков прямоугольного сечения двух поперечных размеров - волноводов большего размера х Ьо, между которыми вставлен волновод меньшего размера ах Ь длиной заполненный диэлектриком с диэлектрической проницаемостью е. Полагая малость потерь в металлических отрезках волноводов и в диэлектрике, а также малость длины отрезка Ь получено точное аналитическое выражение для коэффициента передачи как функции от длины волны Л СВЧ генератора:

К =

(

4 +

Ь^4а02 - Л2 Ь^А^е-Л1

•V

Ь^ЛагЕ-Лг Ь^4а0 - Л1

51П

яЬу14а2£-Л2)

аЛ

(3)

Применимость соотношения (3) ограничена областью длин волн

^£?<Л<Лг^2аГЕ. (4)

V« +£

Соотношение (3) позволяет оценить потенциальные возможности рассмотренной электродинамической системы в условиях малых потерь.

На рис. 1 (а) представлены рассчитанные по формуле (3) АЧХ диафрагм различных размеров пригодных для создания оптических модуляторов света. ¿=0,5 мм; ¿>=0,1 мм; 0,2 мм; 0,3 мм; 0,4 мм; 0,5 мм. В расчётах принято, что а„=28,5 мм; ¿>«=12,5 мм; £•=!.

Как видно из приведенного рисунка, частотная зависимость коэффициента передачи электромагнитной волны наиболее резко проявляется при большем отношении иЬ. Например, при ¿/¿>=5 полоса пропускания рассматриваемой электродинамической системы на уровне АГ=0,5 является достаточно малой-всего 1,14 ГГЦ, в то время, как при Ь/Ь= 1 полоса составляет величину 8,03 ГГц. Напомним, что в модуляторах оптического излучения с управляющим напряжением, приложенным в поперечном направлении, величина управляющего напряжения пропорциональна отношению иЬ (выигрыш в величине управляющего напряжения происходит с уменьшением полосы пропускания устройства).

На рис. 1 (б) представлена рассчитанная по той же формуле зависимость коэффициента передачи заполненной диэлектриком электродинамической системы. Полагаем что величина £=28 (что равно диэлектрической проницаемости монокристалла ниобата лития г-среза с направлением управляющего электрического поля вдоль оси С кристалла). Выбираем все величины, приведенные на рис. 1 (б) такими же, за исключением параметра а^а'-^Е =3,213 мм, что связано с выбором области прозрачности исследуемой электродинамической системы в диапазоне длин волн около 34 мм. Анализ (рис. I) показывает, что амплитудно-частотные характеристики заполненного диэлектриком волновода

похожи на характеристики незаполненного волновода, однако полоса пропускания этого устройства ещё более узкая - при /УА=5 она составляет 0,185 ГГц, а при Ub— 1, полоса 1,11 ГГц.

б)

Рис. (.Амплитудно-частотная характеристика диафрагм различных размеров

Далее рассматривается ЛЧХ электродинамической системы с учётом потерь в нерезонансном режиме возбуждения.

При расчётах учитывается, что в выражении для коэффициента распространения волны у в отрезке волновода с малыми поперечными размерами а х Ь взятом в таком виде:

Г = «+>/?■ (5)

величина а « /3.

Получено аналитическое соотношение на базе которого построены АЧХ диафрагм, изготовленных из стали и меди. Наблюдается уменьшение резонансной длины волны и уменьшение полосы пропускания диафрагм при уменьшении размера Ь.

В разделе 2.5 приведены основные расчётные соотношения, пригодные для экспериментальной проверки с рассмотрением резонансного возбуждения резонатора на щелевой линии с учётом потерь.

Третья глава посвящена исследованиям действующих макетов оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых линий и отрезков запредельных волноводов, модуляторов созданных на базе интерферометров Фабри-Перо, а также ультразвуковых модуляторов света и обсуждению полученных результатов.

В разделе 3.1 приведено описание модифицированного экспериментального стенда, сочетающего в методе однолучевой эллипсометрии традиционную технологию нулевого детектирования с динамическими методами измерений на низких, ультразвуковых и сверхвысоких частотах.

Стенд дополнен конструктивными элементами, позволяющими расширить диапазон измерений, чувствительность и точность измерений электрооптических коэффициентов. Такими элементами являются быстродействующий фотодиодный датчик ФПЛ-70А, селективные вольтметры и панорамные измерители коэффициента стоячей волны.

Приведены основные аналитические соотношения для определения величины электрооптического коэффициента методом регистрации на удвоенной частоте модуляции, дано описание методики проведения измерений и расчётов погрешности динамических методов измерений.

В разделе 3.2 дано сравнение теоретических и экспериментальных результатов (см. рис. 2). Показана зависимость коэффициента передачи и ширины полосы пропускания от высоты стальных диафрагм тех же размеров, что и диафрагм, приведенных на рис. 1 (а).

Видно достаточно хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

Созданы и исследованы макеты оптико-микроволновых модуляторов на отрезках запредельных линий. На частоте 6 ГГц полоса частот модуляции составила 230 МГц. Несмотря на недостатки, связанные с малостью уровня выходного СВЧ-сигнала и его температурным дрейфом, методика исследований в запредельном волноводе является удобной для экспресс-анализа электродинамических параметров монокристаллов LiNb03 пригодных для применения в модуляторах света.

Созданы и изучены действующие макеты оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых резонаторов. Ширина полосы частот модуляции в диапазоне частоты 7 ГГц составляет 180 МГц, что для модулятора объёмного типа является перспективным к применению параметром.

• - теоретические расчёты для коэффициента передачи;

■ - теоретические расчёты для полосы пропускания;

X - экспериментальные результаты для коэффициента передачи; экспериментальные результаты для полосы пропускания;

Рис. 2. Результаты исследований с учётом потерь

Совершенствование конструкции электродинамической системы с применением сужающихся на конце металлических электродов позволило в диапазоне частоты 5,1 ГГц получить полосу частот модуляции около 400 МГц.

С применением кристалла LiNbOj толщиной 0,15 мм было получено сужение полосы до 150 МГц на частоте 5,7 ГГц, но при этом удалось получить глубину модуляции 20% при подаче СВЧ-мощности порядка 150 мВт.

Раздел 3.3 посвящен созданию и исследованию действующих макетов модуляторов света на базе интерферометра Фабри-Перо с использованием двух типов зеркал - изготовленных из алюминия и серебра. На первом типе зеркал получен выигрыш в 3 раза, а на втором - в 10 раз. При управляющем СВЧ-сигнале 150 мВт получена глубина модуляции 40%.

В разделе 3.4 рассмотрены особенности распространения звуковых волн и упругая анизотропия, приводящая к различным значениям скорости распространения вдоль главных направлений в ниобате лития.

Особая роль принадлежит поверхностным акустическим волнам (ПАВ), скорость распространения которых меньше скорости распространения поперечных волн в кристалле. Именно поэтому возбуждение ультразвуковых колебаний в ниобате лития в низкочастотной области начинается с возбуждения ПАВ, а в оптико-микроволновых модуляторах АЧХ формируется с участием ПАВ до частот, превышающих значение 1 ГГц.

Раздел 3.5 посвящён анализу полученных экспериментальных данных на основе предложенного физико-математического моделирования процессов возбуждения колебаний в резонансных структурах.

Проведена количественная идентификация спектров возбуждения ультразвуковых колебаний в монокристалле ЫМЬО, методом оптического «зондирования». Аналитический вид резонансных частот колебаний получен исходя из аналогии физических процессов, происходящих при возбуждении диэлектрических объёмных резонаторов закрытого типа. Обнаружена возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации чётных типов колебаний и уменьшения интенсивности нечётных типов в канале распространения оптического луча. Аналитические соотношения определяют общее число типов колебаний пропорциональное частоте не в третьей степени, а во второй степени. Возможна ещё дополнительная пространственная селекция мод за счёт пространственного смещения областей пучности упругих напряжений относительно канала распространения оптического луча.

Далее приведены оценки потенциальных возможностей модуляторов на основе щелевых резонаторов и интерферометров Фабри-Перо.

В основе конструкции модуляторов на щелевых резонаторах находится нелинейный кристалл - монокристалл ЫМЬОз различной формы, одним из вариантов которой может быть схема, представленная на рис. 3.

Если учесть, что размер а(> представленный на этом рисунке является длиной щели резонатора, а Ь1 - междуэлектродное расстояние (высота щели), то сразу можно определить некоторые из важных параметров модулятора.

Рабочая частота /и модулятора определяется из такого соотношения (в предположении полного заполнения щелевого резонатора кристаллом):

где е

• диэлектрическая проницаемость ниобата лития.

Ь,

. Ь, .

Рис. 3. Схема макета частично заполненного диэлектриком щелевого резонатора

Рассматривая конструкцию резонатора, представленную на рис. 3, полагаем, что радиационные потери будут возникать при колебаниях квазиоткрытого резонатора длиной Его «стенками» является граница диэлектрика с е}=43

(с учётом того, что при 2-срезе кристалла, когда ось С его направлена вдоль размера Ьь £у =28). Рассматриваем резонансные условия возбуждения квазиоткрытого резонатора.

Перспективным является увеличение поперечных размеров монокристалла, позволяющее за счёт повышения мощности сигнала управления до 12,6 Вт обеспечить увеличение диаметра модулируемого оптического луча до 50 мкм и снижение частоты возбуждения спектра ультразвуковых колебаний кристалла. Кроме того, при этом возможна реализация модуляторов с возбуждением колебаний диэлектрических резонаторов терагерцового диапазона частот квазиоткрытого типа.

Модулятор света на базе интерферометра Фабри-Перо с продольным управляющим полем позволяет получить высокие потенциальные параметры -на частоте 80 ГГц с полосой пропускания 5,91 ГГц будет обеспечивать 100% модуляцию оптического луча диаметром порядка 500 мкм. При этом используется одновременно не только выигрыш в добротности оптического резонатора, а и выигрыш в добротности квазиоткрытого диэлектрического резонатора. Уровень мощности управляющего СВЧ-сигнала 60 Вт. При этом спектр ультразвуковых возбуждений достигает частот, значение которых не превышает частоты 170 МГц.

Модулятор света на основе интерферометра Фабри-Перо таких же поперечных размеров с подачей поперечного управляющего СВЧ электрического поля позволяет получить 100% модуляцию оптического луча таких же размеров на той же частоте 80 ГГц при полосе пропускания 1,1 ГГц при уровне мощности управляющего СВЧ-сигнала 5,5 Вт. При этом спектр ультразвуковых возбуждений достигает частот не превышающих значение 53 МГц.

Теоретические оценки АЧХ реальных конструкций модуляторов на основе интерферометров Маха-Цендера указывают на появление дополнительных линий спектра за счёт возбуждения ПАВ в низкочастотной области, причём модулятор с гравировкой профиля пиобата лития имеет серию линий на частотах, достигающих значений более 1 ГГц.

Полученные соотношения позволяют проведение тестирования спектров возбуждений действующих макетов модуляторов света интегрального типа. Высокочастотные характеристики (на частотах достигающих величины гигагерц) обусловлены возбуждением поверхностных акустических волн вблизи управляющих электродов модуляторов.

В заключение раздела приведено описание спектрометра, разработанного для мониторинга загрязнений окружающей среды. Благодаря применению объёмного амплитудного модулятора оптического излучения, удалось достичь чувствительности, достаточной для регистрации и тестирования загрязнений атмосферы в виде аэрозольных выбросов.

Цитируемые источники:

[1] Антонов H.H. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Н.Н зин, О.Г. Вендик. - М.: Сов. радио, 1979. - 272с.

[2] Прокис Д. Цифровая связь / Под ред. Д. Д. Кловского. 2000. - 800с.

[3] Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. - М. 335с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы и обобщены сведения по задаче создания оптико-микроволновых модуляторов для телекоммуникационных систем. Установлено, что в процессе их модернизации в направлении роста скорости передачи и дальности связи, расширения полосы пропускания каналов связи и эффективности их использования, главные трудности возникают при создании устройств, в состав которых входят модуляторы света. Особая роль принадлежит модуляторам при реализации сверхбыстродействующих мультиплексоров. Применяемые в телекоммуникациях электроабсорбционные модуляторы бегущей волны или интегральные модуляторы Маха-Цендера, обладающие большим быстродействием, не обеспечивают большого оптического динамического диапазона из-за малого поперечного сечения модулируемого оптического луча. Практически отсутствуют корректно измеренные АЧХ существующих модуляторов света. Сделан вывод о том, что решить возникающие проблемы возможно путём проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, посвященных разработке методики расчётов АЧХ модуляторов света различного конструктивного исполнения, позволяющей сделать выбор среди них устройств с оптимальными параметрами, пригодными для успешного применения в современных системах телекоммуникаций, а также создание экспериментального стенда, сочетающего возможность получения спектров АЧХ в широком диапазоне частот с высоким разрешением в каждой области требуемого частотного диапазона.

2. При создании оптимальных элементов телекоммуникационных систем следует выделить единый функциональный блок — источник излучения (лазер или лазерный диод) и внешний модулятор света - управляемый источник излучения (УИИ). Сравнение лучших созданных к настоящему времени экспериментальных образцов таких блоков показывает, что УИИ с внешним модулятором света выигрывает по параметру крутизны интегральной эффективности примерно в 25 раз.

3. Предложена физико-математическая модель процессов, происходящих в оптико-микроволновых модуляторах, построенных на основе резонансных структур, позволяющая получить разумный компромисс в выборе критериев приближений при решениях электродинамических задач с учётом потерь и приводит эти решения до соотношений, справедливость которых может быть проверена на эксперименте.

. Антонов, И.М. Бу-- М.: Радио и связь, .: Высш. шк., 1990. -

4. Проведена оценка выигрыша в скорости передачи информации по линиям связи за счёт увеличения динамического диапазона по мощности за счёт повышенной чувствительности приёмных систем. Переход к оптическим каналам связи на современном этапе разработки технологии элементов телекоммуникационных систем является своеобразной «ценой» за выигрыш по параметру потерь в оптических линиях передачи по сравнению с линиями СВЧ-диапазона.

5. В рамках одномодового рассмотрения приведены расчёты амплитудно-частотной характеристики и получено простое точное аналитическое соотношение для АЧХ этой электродинамической системы в случае пренебрежимо малых потерь в металлических проводниках и заполняющего волновод диэлектрика. Эти соотношения позволяют провести количественную оценку потенциальных возможностей электродинамических систем щелевого типа для создания широкополосных устройств.

6. Создан экспериментальный измерительный стенд для исследования основных параметров модуляторов оптического излучения сочетающий в методе од-нолучевой эллипсометрии традиционную технику нулевого детектирования с динамическими методами измерений на второй и третьей гармониках модулирующего сигнала.

7. Созданы и исследованы действующие макеты оптико-микроволновых модуляторов на отрезках запредельных линий, на основе щелевых резонаторов, на базе интерферометров Фабри-Перо и проведен сравнительный анализ основных параметров модуляторов света различного конструктивного исполнения, среди них выбраны устройства с параметрами, пригодными для успешного применения в современных телекоммуникационных системах,

8. Проведена идентификация спектров возбуждения ультразвуковых колебаний в монокристалле иМЮ3 методом оптического «зондирования». Аналитический вид резонансных частот колебаний получен исходя из аналогии физических процессов, происходящих при возбуждении диэлектрических объёмных резонаторов закрытого типа. Обнаружена возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации чётных типов колебаний и уменьшения интенсивности нечётных типов в канале распространения оптического луча. Аналитические соотношения определяют общее число типов колебаний пропорциональное от частоты не в третьей степени, а во второй степени.

9. Показана перспективность применения оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых резонаторов с повышенным уровнем управляющего напряжения, па которых возможна реализация устройств с возбуждением колебаний диэлектрических резонаторов в терагерцовом диапазоне частот при уровне сигнала управления 12,6 Вт и диаметре оптического луча до 50 мкм.

10. Показана перспективность применения модуляторов света на основе интерферометров Фабри-Перо в которых возможно получение 100% модуляции оптического луча на частоте 80 ГГц при полосе пропускания 1,1 ГГц и уровне мощности управляющего СВЧ-сигнала 5,5 Вт; спектр ультразвуковых возбуждений при этом не превышает величины 35 МГц, а диаметр модулируемого луча света более 50 мкм.

11. Теоретические оценки АЧХ реальных конструкций модуляторов на основе интерферометров Маха-Цендера указывают на появление дополнительных линий спектра за счёт возбуждения ПАВ в низкочастотной области, причём модулятор с гравировкой профиля ниобата лития имеет серию линий на частотах, достигающих значений более 1 ГГц. Проведена количественная идентификация спектров ультразвукового возбуждения резонаторов на LiNbOj.

12. Разработан спектрометр для мониторинга загрязнений окружающей среды. Благодаря применению объёмного амплитудного модулятора оптического излучения, работающего на частоте 200 кГц, удалось достичь чувствительности, достаточной для регистрации и тестирования загрязнений атмосферы в виде аэрозольных выбросов. Анализ теоретических расчётов чувствительности спектроскопа показал пути его совершенствования - применение интерферометра Фаб-ри-Перо с последующей термостабилизацией модулятора и интерферометра.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Запорожец Д.В., Дюков C.B. Амплитудно-частотная характеристика отрезков запредельной линии и применение их для модуляции оптического излучения // Тез. докл. Междунар. конф. «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии», 7-12 сент. 2001. - Краснодар. - С.266.

2. Запорожец Д.В., Яковенко H.A. Влияние радиационных потерь на формирование амплитудно-частотных характеристик отрезков линий передач // Восьмая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 28 февраля

- I марта 2002. Тез. докл. Т.1. - Москва. - С.57-58.

3. Запорожец Д.В., Яковенко H.A. Электродинамическая система для широкополосных оптических модуляторов с высоким управляющим напряжением // Тез.докл. 2 Междунар. конф. молодых учёных в области прикладной физики, 19-20 июня 2002. - Киев. - С. 35-36.

4. Запорожец Д.В., Яковенко H.A. Расчёт электродинамической системы для широкополосных оптических модуляторов // ЖТФ, 2003. - Т. 73. - Вып.10.

- С.88-92.

5. Запорожец Д.В., Никитин В.А., Яковенко H.A. Резонансные электрооптические модуляторы света на продольном электрооптическом эффекте // Труды девятой междунар. научно-технической конференции «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники», 12-17 сент. 2004.'- Таганрог. - Ч. II. - С. 122-124.

6. Запорожец Д.В., Яковенко H.A. Применение объёмного амплитудного модулятора в оптическом спектрометре для мониторинга загрязнений окружающей среды // Экологический вестник научных центров ЧЭС, 2006. -N.1.-C.81-84.

ЗАПОРОЖЕЦ Денис Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОПТИКО-МИКРОВОЛНОВОМ МОДУЛЯТОРЕ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 30 июня 2006 г. Тираж 100 экз. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Бумага Maestro. Печать трафаретная. Усл-печ. л. 1,0. Заказ № 6125.

Тираж изготовлен в типографии ООО «Просвещение-Юг»

с оригинал-макета заказчика 350059, г. Краснодар, ул. Селезнёва, 2, тел./факс: 239-68-31.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Запорожец, Денис Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОБЪЁМНЫХ И МИКРО-ВОЛНОВОДНЫХ МОДУЛЯТОРОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.1. Физические явления и материалы, применяемые для управления параметрами оптического излучения.

1.2. Оптические схемы построения модуляторов света.

1.3. Принципы электродинамического анализа оптико* микроволновых модуляторов с учётом резонансных взаимодействий.

Выводы к главе 1.

2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОПТИКО-МИКРОВОЛНОВОМ МОДУЛЯТОРЕ

НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ.

2.1. Модифицированная модель электродинамического анализа микрополосковых линий.

2.2. Модифицированная модель электродинамического анализа волноводов, частично заполненных диэлектриком.

2.3. Принципы оптимизации и конструирования оптико-микроволновых модуляторов.

2.4. Модифицированная методика анализа широкополосных оптических модуляторов.

2.5. Основные расчётные соотношения для экспериментальной проверки с учётом потерь.

Выводы к главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИКО-МИКРОВОЛНОВЫХ МОДУЛЯТОРОВ.

3.1. Методика экспериментальных исследований основных параметров модуляторов оптического излучения.

3.2. Результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик резонаторов щелевого типа.

3.3. Исследование модулятора света, созданного на базе интерферометра Фабри-Перо.

3.4. Ультразвуковые модуляторы света.

3.5. Обсуждение результатов экспериментальных исследований модуляторов и аспекты их применения.

Выводы к главе 3.

Введение диссертация по физике, на тему "Моделирование и исследование процессов в оптико-микроволновом модуляторе на основе резонансных структур"

Увеличение дальности передачи информации определяется динамикой увеличения длины регенерационного участка. С появлением эрбиевых и иттер-биевых оптических усилителей удаётся в несколько раз увеличить эту длину. Другим путём увеличения длины регенерационного участка является расширение оптического динамического диапазона волоконно-оптической системы, т.е. увеличение отношения оптической мощности сигнала на выходе к мощности оптического шума.

Цель работы - физико-математическое моделирование и исследование процессов взаимодействия электромагнитной волны с сегнетоэлектрической средой при резонансных взаимодействиях, направленных на создание оптико-микроволновых модуляторов.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

3) провести количественные оценки выигрыша в скорости передачи информации по волоконно-оптическим сетям за счёт увеличения динамического диапазона по мощности (отношения оптической мощности сигнала к мощности шума) источников излучения;

5) разработать и исследовать экспериментальные макеты оптико-микроволновых модуляторов необходимые для изучения общих закономерностей формирования их АЧХ, выбрать среди них устройства для применения в современных телекоммуникационных системах и дать рекомендации о путях их модернизации;

Научная новизна. Основными новыми результатами проведенных исследований являются:

1) модифицированная методика электродинамических расчётов оптико-микроволновых модуляторов, базирующаяся на методе эквивалентных волновых сопротивлений, позволяющая получить разумный компромисс в выборе критериев приближений при физико-математическом моделировании с учётом потерь;

2) оригинальный измерительный стенд, сочетающий в методе однолучевой эллипсометрии традиционную технологию нулевого детектирования с динамическим методами измерений на низких, ультразвуковых и сверхвысоких частотах, обеспечивающий возможность получения спектров АЧХ в широком диапазоне частот с высоким разрешением в каждой области исследуемого диапазона;

4) аналитические соотношения для резонансных частот возбуждения ультразвукового резонатора на монокристалле LiNb03 и количественная идентификация спектров ультразвуковых колебаний, полученных методом оптического зондирования, позволяющая уточнить величину скорости ПАВ на исследуемой частоте;

5) обнаружена возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации колебаний с чётными номерами индексов и уменьшения интенсивности колебаний с нечётными индексами в канале распространения оптического луча, а также за счёт пространственного смещения областей пучности упругих напряжений относительно канала распространения оптического луча.

Практическая ценность работы состоит в разработке принципов моделирования и анализа физических процессов в оптико-микроволновых модуляторах для решения следующих практических задач:

4) тестирования амплитудно-частотных характеристик конкретных конструкций модуляторов света, в том числе и интегральных, на базе информации об их геометрических размерах и размерах волноводных элементов;

Применяемые в диссертации методы расчетов АЧХ оптико-микроволновых модуляторов используются при выполнении лабораторных работ спецкурсов «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства» и «Ра» диофизические методы в информационных системах», изучаемых студентами физико-технического факультета КубГУ.

Защищаемые положения. В результате проведенной работы автором решены поставленные задачи и на защиту выносятся следующие положения:

1. Модифицированная методика физико-математического моделирования оптико-микроволновых модуляторов, базирующаяся на методе эквивалентных волновых сопротивлений, позволяющая получить оптимальные условия в выборе критериев приближений при решениях электродинамических задач с учётом потерь, а также приводить эти решения к аналитическим соотношениям.

2. Оригинальная методика анализа спектров, полученных методом оптического зондирования ультразвукового возбуждения колебаний в резонаторах на монокристаллах 1л№>Оз с учётом процессов разрежения этих спектров за счёт фазовой, амплитудной и пространственной селекции упругих напряжений.

3. Новые аналитические соотношения для оценки амплитудно-частотных характеристик оптико-микроволновых модуляторов различных конструкций с учётом резонансных взаимодействий.

5. Расчётные данные по созданию оптико-микроволновых модуляторов на основе интерферометров Фабри-Перо (с возможностью работы на частоте выше 80 ГГц) и на основе щелевых резонаторов с повышенным уровнем управляющего напряжения (с возможностью работы в терагерцовом диапазоне частот), с диаметром модулируемого луча света более 50 мкм.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из 3-х глав, введения, заключения, списка использованных источников и приложений.

Первая глава представляет собой аналитический обзор, выполненный на основе анализа литературных источников. Особое внимание уделено физическим явлениям, на основе которых осуществляется управление параметрами оптического излучения, свойствам наиболее перспективных материалов, используемых при создании модуляторов, описанию наиболее распространённых типов модуляторов оптического излучения, а также особенностям их применения в оптических линиях связи. Рассматриваются принципы создания оптико-микроволновых модуляторов на базе резонансных электродинамических структур и приведены наиболее распространённые методики теоретического анализа основных параметров этих структур. Указано, что строгий электродинамический анализ резонансных систем основан на прямых численных методах решения системы интегральных уравнений первого рода, требующих при расчётах больших ресурсов машинного времени.

Во второй главе изложены результаты физико-математического моделирования процессов в оптико-микроволновых модуляторах на основе резонансных структур. Приведены принципы оптимизации расчётов и конструирования оптико-микроволновых модуляторов для телекоммуникационных систем. Даны расчёты электродинамической системы для широкополосных оптических модуляторов на основе щелевых резонаторов, на отрезках запредельных линий, на базе интерферометров Фабри-Перо и ультразвуковых модуляторов. Обосновывается выбор пути совершенствования модуляторов для телекоммуникационных систем в направлении улучшения их параметров за счёт увеличения динамического диапазона управляемого источника излучения - лазера с непосредственным электронным управлением, либо лазера с внешним модулятором света. Приведены основные расчётные соотношения, пригодные для экспериментальной проверки с рассмотрением резонансного возбуждения резонатора на щелевой линии с учётом потерь.

Третья глава посвящена методике экспериментальных исследований основных параметров оптико-микроволновых модуляторов. Обоснованы экспериментальные методы однолучевой эллипсометрии и динамические методы исследований. Получены аналитические соотношения для оценки амплитудно-частотных характеристик оптико-микроволновых модуляторов различных конструкций с учётом резонансных взаимодействий. Рассмотрена перспективность применения оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых резонаторов с повышенным уровнем управляющего напряжения. Изучена перспективность применения модуляторов света на основе интерферометров Фабри-Перо. Проведена идентификация спектров возбуждения ультразвуковых колебаний в монокристалле LiNb03 методом оптического «зондирования». Показана возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации чётных типов колебаний и уменьшения интенсивности нечётных типов в канале распространения оптического луча. Описана возможность применения модулятора света в оптическом спектрометре для мониторинга загрязнений окружающей среды с изложением теоретических аспектов чувствительности оптических приёмников.

Диссертация содержит 168 печатных страниц, 40 рисунков, 6 таблиц, список литературы, включающий 187 наименований и приложения, содержащие выводы некоторых важных аналитических соотношений, а также результаты расчётов и экспериментальные данные.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы к главе 3

1. Создан экспериментальный измерительный стенд для исследования основных параметров модуляторов оптического излучения сочетающий в методе однолучевой эллипсометрии традиционную технику нулевого детектирования с динамическими методами измерений на второй и третьей гармониках модулирующего сигнала.

2. Применение селективного радиочастотного детектирования сигналов модуляции при использовании быстродействующего фотодиодного датчика высокой интегральной чувствительности позволяет провести анализ спектров промодулированных оптических сигналов с высоким разрешением (порядка единиц килогерц).

3. Рассмотрена динамика процесса возбуждения рассматриваемых электродинамических систем на базе представлений их в виде резонаторов на основе щелевой линии. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений на макетах щелевых линий изготовленных из меди и стали при варьировании геометрическими размерами высоты щели. Экспериментальное исследование лабораторных макетов объёмных модуляторов на базе частично заполненных кристаллами ниобата лития щелевых линий показало перспективность применения предложенных методов расчёта для конструирования сравнительно недорогих пригодных к практическому использованию микроволновых модуляторов света.

4. Созданы и исследованы макеты оптико-микроволновых модуляторов на отрезках запредельных линий. На частоте 6 ГГц полоса частот модуляции составила 230 МГц. Несмотря на недостатки, связанные с малостью уровня выходного СВЧ-сигнала и его температурным дрейфом, методика исследований в запредельном волноводе является удобной для экспресс-анализа электродинамических параметров нелинейных кристаллов пригодных для применения в модуляторах света.

5. Созданы и изучены действующие макеты оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых резонаторов. Ширина полосы частот модуляции в диапазоне частоты 7 ГГц составляет 180 МГц, что для модулятора объёмного типа является перспективным к применению параметром.

С применением кристалла ЫЫЬОз толщиной 0,15 мм было получено сужение полосы до 150 МГц на частоте 5,7 ГГц, но при этом удалось получить глубину модуляции 20% при подаче СВЧ-мощности порядка 150 мВт.

6. Созданы и исследованы действующие макеты модуляторов света на базе интерферометра Фабри-Перо с использованием двух типов зеркал - изготовленных из алюминия и серебра. На первом типе зеркал получен выигрыш в 3 раза, а на втором - в 10 раз. При управляющем СВЧ-сигнале 150 мВт получена глубина модуляции 40%.

7. Созданы и изучены ультразвуковые модуляторы света на базе монокристалла LiNbC>3. Получены АЧХ модуляторов света в диапазонах частот от 200 Гц до 2 МГц. Обнаружена «тонкая» структура возбуждения ультразвуковых колебаний - частотное расстояние между ближайшими пиками возбуждения составляет около 6 кГц в окрестности частоты 2 МГц. Наиболее интенсивные пики на АЧХ наблюдаются на частоте 198 кГц и 1973 кГц. На этих частотах управляющее напряжение резко понижается и составляет соответственно 35 В и 120 В, что позволяет применять эти модуляторы света для создания высокочувствительных оптических спектрометров.

8. Возбуждение ультразвуковых колебаний в монокристаллах LiNb03 приводит к немонотонному ходу АЧХ модуляторов любого типа, в том числе и в применяемых в системах телекоммуникаций интегральных модуляторов Ма-ха-Цендера. Низкочастотные спектральные характеристики обусловлены возбуждением колебаний в пьезорезонаторах при многократных отражениях поверхностных акустических поперечных и продольных волн, обладающих различными значениями скорости в зависимости от направления распространения. Высокочастотные характеристики (на частотах достигающих величины гигагерц) обусловлены возбуждением поверхностных акустических волн вблизи управляющих электродов модулятора.

9. Проведена идентификация спектров возбуждения ультразвуковых колебаний в монокристалле ЫЫЬОз методом оптического «зондирования». Аналитический вид резонансных частот колебаний получен исходя из аналогии физических процессов, происходящих при возбуждении диэлектрических объёмных резонаторов закрытого типа. Обнаружена возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации чётных типов колебаний и уменьшения интенсивности нечётных типов в канале распространения оптического луча. Аналитические соотношения определяют общее число типов колебаний пропорциональное от частоты не в третьей степени, а во второй степени. Возможна ещё дополнительная пространственная селекция мод за счёт пространственного смещения областей пучности упругих напряжений относительно канала распространения оптического луча.

10. Оптико-микроволновые модуляторы на основе щелевых резонаторов можно создать в квазиинтегральном варианте исполнения с малыми поперечными размерами кристалла, что позволяет довести уровень мощности СВЧ-сигналов управления до величины меньшей 50 мВт. Однако диаметр оптического луча будет соизмерим с длиной волны этого излучения. При этом выигрыш в малом объёме нелинейного кристалла (по сравнению с модулятором интегрального типа), необходимого для создания модулятора, будет компенсироваться проигрышем в диапазоне частот возбуждения спектров ультразвуковых колебаний (который существенно обогащается высокочастотными компонентами возбуждений продольных и поперечных звуковых волн, в отличие от модулятора интегрального типа больших размеров, в котором основная роль ультразвуковых возбуждений принадлежит ПАВ).

Перспективным является увеличение поперечных размеров монокристалла, позволяющее за счёт увеличения мощности сигнала управления до 12,6 Вт обеспечить увеличение диаметра модулируемого оптического луча до 50 мкм и снижение частоты возбуждения спектра ультразвуковых колебаний кристалла. Кроме того, при этом возможна реализация модуляторов с возбуждением колебаний диэлектрических резонаторов терагерцового диапазона частот квазиоткрытого типа.

11. Модулятор света на базе интерферометра Фабри-Перо с продольным управляющим полем позволяет получить высокие потенциальные параметры -на частоте 80 ГГц с полосой пропускания 5,91 ГГц будет обеспечивать 100% модуляцию оптического луча диаметром порядка 500 мкм. При этом используется одновременно не только выигрыш в добротности оптического резонатора, а и выигрыш в добротности квазиоткрытого диэлектрического резонатора. Уровень мощности управляющего СВЧ-сигнала 60 Вт. При этом спектр ультразвуковых возбуждений достигает частот не превышающих частоты 170 МГц.

12. Модулятор света на основе интерферометра Фабри-Перо таких же поперечных размеров с подачей поперечного управляющего СВЧ электрического поля позволяет получить 100% модуляцию оптического луча таких же размеров на той же частоте 80 ГГц при полосе пропускания 1,1 ГГц при уровне мощности управляющего СВЧ-сигнала 5,5 Вт. При этом спектр ультразвуковых возбуждений достигает частот не превышающих значение 53 МГц.

13. Теоретические оценки АЧХ реальных конструкций модуляторов на основе интерферометров Маха-Цендера указывают на появление дополнительных линий спектра за счёт возбуждения ПАВ в низкочастотной области, причём модулятор с гравировкой профиля ниобата лития имеет серию линий на частотах, достигающих значений более 1 ГГц. Проведена количественная идентификация спектров ультразвукового возбуждения резонаторов на LiNb03.

14. Разработан спектрометр для мониторинга загрязнений окружающей среды. Благодаря применению объёмного амплитудного модулятора оптического излучения, работающего на частоте 200 кГц, удалось достичь чувствительности, достаточной для регистрации и тестирования загрязнений атмосферы в виде аэрозольных выбросов. Анализ теоретических расчётов чувствительности спектроскопа показал пути его совершенствования - применение интерферометра Фабри-Перо с последующей термостабилизацией модулятора и интерферометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы и обобщены сведения по проблеме создания оптико-микроволновых модуляторов для телекоммуникационных систем. Установлено, что в процессе их модернизации в направлении роста скорости передачи и дальности связи, расширения полосы пропускания каналов связи и эффективности их использования, главные трудности возникают при создании устройств, в состав которых входят модуляторы света. Особая роль принадлежит модуляторам при реализации сверхбыстродействующих мультиплексоров. Применяемые в телекоммуникациях электроабсорбционные модуляторы бегущей волны или интегральные модуляторы Маха-Цендера, обладающие большим быстродействием, не обеспечивают большого оптического динамического диапазона из-за малого поперечного сечения модулируемого оптического луча. Практически отсутствуют корректно измеренные АЧХ существующих модуляторов света. Сделан вывод о том, что решить возникающие проблемы возможно путём проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, посвящённых разработке методики расчётов АЧХ модуляторов света различного конструктивного исполнения, позволяющей выбор среди них устройств с оптимальными параметрами, пригодными для успешного применения в современных системах телекоммуникаций, а также создание экспериментального стенда, сочетающего возможность получения спектров АЧХ в широком диапазоне частот с высоким разрешением в каждой области требуемого частотного диапазона.

2. При создании оптимальных элементов телекоммуникационных систем следует выделить единый функциональный блок - источник излучения (лазер или лазерный диод) и внешний модулятор света - управляемый источник излучения (УИИ). Сравнение лучших созданных к настоящему времени экспериментальных образцов таких блоков показывает, что УИИ с внешним модулятором света выигрывает по параметру крутизны интегральной эффективности примерно в 25 раз.

5. В рамках одномодового рассмотрения приведены расчёты амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и получено простое точное аналитическое соотношение для АЧХ этой электродинамической системы в случае пренебрежимо малых потерь в металлических проводниках и заполняющего волновод диэлектрика. Эти соотношения позволяют провести количественную оценку потенциальных возможностей электродинамических систем щелевого типа для создания широкополосных устройств.

6. Создан экспериментальный измерительный стенд для исследования основных параметров модуляторов оптического излучения сочетающий в методе однолучевой эллипсометрии традиционную технику нулевого детектирования с динамическими методами измерений на второй и третьей гармониках модулирующего сигнала.

8. Проведена идентификация спектров возбуждения ультразвуковых колебаний в монокристалле LiNbCb методом оптического «зондирования». Аналитический вид резонансных частот колебаний получен исходя из аналогии физических процессов, происходящих при возбуждении диэлектрических объёмных резонаторов закрытого типа. Обнаружена возможность разрежения спектра возбуждения звуковых резонансных колебаний в объёмном кристалле путём селекции мод за счёт компенсации чётных типов колебаний и уменьшения интенсивности нечётных типов в канале распространения оптического луча. Аналитические соотношения определяют общее число типов колебаний пропорциональное от частоты не в третьей степени, а во второй степени.

9. Показана перспективность применения оптико-микроволновых модуляторов на основе щелевых резонаторов с повышенным уровнем управляющего напряжения, на которых возможна реализация устройств с возбуждением колебаний диэлектрических резонаторов в терагерцовом диапазоне частот при уровне сигнала управления 12,6 Вт и диаметре оптического луча до 50 мкм.

12. Разработан спектрометр для мониторинга загрязнений окружающей среды. Благодаря применению объёмного амплитудного модулятора оптического излучения, работающего на частоте 200 кГц, удалось достичь чувствительности, достаточной для регистрации и тестирования загрязнений атмосферы в виде аэрозольных выбросов. Анализ теоретических расчётов чувствительности спектроскопа показал пути его совершенствования - применение интерферометра Фабри-Перо с последующей термостабилизацией модулятора и интерферометра.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Запорожец, Денис Владимирович, Краснодар

1. Мустель Е.Р. Методы модуляции и сканирования света / Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. М.: Наука, 1970. - 295с.

2. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф; пер. с англ. под ред. Г.П. Мотулевич. М.: Наука, 1970. - 856с.

3. Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира; пер. с англ. под ред. Т.А. Шмаонова. М.: Мир, 1978. - 344с.

4. Сивухин Д. В. Общий курс физики . Оптика / Ред. В. А. Григорова. -М.: Наука, 1980.-752с.

5. Волноводная оптоэлектроника / Под ред. Т. Тамира. Пер. с англ. под ред. В.И. Аникина. М.: Мир, 1991. - 576с.

6. Гвоздев В. И. Оптико-микроволновые модуляторы для систем обработки информации / В.И. Гвоздев, Б.А. Мурмужев, С.И. Подковырин // Микроэлектроника. 1998. - Т.27. - N.4. - С.244-264.

7. Воробьёв К. И. Электрооптический модулятор на монокристалле титаната бария / К. И. Воробьёв, С. Г. Карпенко, П. А. Коротков, В. Е. Погорелов // Известия ВУЗов. Физика. 1973. - N.7. - С.35-38.

8. Zgonik М. Dielectric, elastic, piezoelectric, electrooptic, and elasto-optic tensors of ВаТЮз crystals / M. Zgonik, P. Bernasconi, M. Duelli, R. Schlesser, P. Gunter, M. H. Garrett, D. Rytz, Y. Zhu, X. Wu // Phys. Rev. 1994. - V.B.50. -P.5941-5949.

9. Petraru A. Ferroelectric ВаТЮз thin film optical waveguide modulators /

10. A. Petraru, J. Schubert, M. Schmid, C. Buchal // Appl. Phys. Lett. 2002. - V.81. -P.l 375-1377.

11. Tang P. Low-voltage, polarization-insensitive, electro-optic modulator based on a polydomain barium titanate thin film / P. Tang, D.J. Towner, A. L. Meier, B. W. Wessels // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.85. - P.4615-4617.

12. Hamano T. Relative dielectric constant of epitaxial ВаТЮЗ thin films in the GHz frequency range / T. Hamano, D. J. Towner, B. W. Wessels // Appl. Phys. Lett. 2003. - V.83. - P.5274-5276.

13. Tang P. Polarisation-insensitive Si3N4 strip-loaded ВаТЮз thin-film waveguide with low propagation losses / P. Tang, D.J. Towner, A. L. Meier, B.W. Wessels//Electron. Lett. 2003. - V.39. - P.1651-1652.

14. Towner D.J. Effects of two-stage deposition on the structure and properties of heteroepitaxial ВаТЮЗ thin films / D. J. Towner, J. Ni, T.J. Marks,

15. B.W. Wessels // J. Cryst. Growth. 2003. - V.255. - P.107-113.

16. Okano M. Nonlinear positive temperature coefficient of resistance of Schottky contact on strained epitaxial BaTi03 film / M. Okano, Y. Watanabe, S. W. Cheong//Appl. Phys. Lett. 2003. - V.82. - P. 1923-1925.

17. Watanabe Y. Surface conduction on insulating BaTi03 crystal suggesting an intrinsic surface electron layer / Y. Watanabe, M. Okano, A. Masuda // Phys. Rev. Lett. 2001. - V.86. - P.332-335.

18. Watanabe Y. Recurrent local resistance breakdown of an epitaxial BaTi03/SrTi03 heterostructure / Y. Watanabe, D. Sawamura, M. Okano // Appl. Phys. Lett. 1992. - V.72. - P.2415-2417.

19. Beckers L. Structural and optical characterization of epitaxial waveguiding BaTi03 thin films on MgO / L.Beckers, W.Zander, P.Leinenbach // Appl.Phys. 1998. - V.83. - P.4105-4109.

20. Gill D.M. Thin-film channel waveguide electro-optic modulator in epitaxial BaTi03 / D.M. Gill, C.W.Conrad, G. Ford, B.W. Wessels, S.T. Ho // Appl. Phys. Lett. 1987. - V.71. - P.1783-1785.

21. Watanabe Y. Photodiode properties of epitaxial Pb(Ti,Zr)03/SrTi03 ferroelectric heterostructures / Y. Watanabe, M. Okano // Appl. Phys. Lett. 2001. -V.78. - P.1906-1908.

22. Watanabe Y. Electrical transport through Pb(Zr,Ti)03 pn and pp heterostructures modulated by bound charges at a ferroelectric surface: Ferroelectric pn diode // Phys. Rev. 1998. - V.59. - P. 11257-11266.

23. Унгер X. Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Пер. с англ. под ред. В. В. Шевченко. М.: Мир, 1980. - 656 с.

24. Westerland R. Enhanced linear dynamic range property of Franz-Keldych waveguide modulator / R. Westland, C. Sun, S. Pappert, Y. Liu, J. Chen, J. Zhu, A. Kellner, P. Yu // IEEE Photon. Tech. Lett. 1995. - V.7. - P.751-753.

25. Handschy M.A. Fast ferroelectric-liquid-cristal spatial light Modulator with silicon-integrated-circuit active backplane // Proc. SPIE. 1990. - V.1291. -P.158-164.

26. Cotter L.K. Ferroelectric liquid cristal silicon integrated circuit spatial light modulator//Opt. let. 1990. - V.15. -N.5. - P.291-234.

27. Handschy M.A. Analog electro-optic modulators for ferroelectric-liquid-cristal/VLSI spatial light modulators // Proc. SPIE. 1993. - V. 1911. - P. 175-180.

28. Handschy M.A. One-transistor DRAM ferroelectric-liquid-cristal spatial light modulator // Proc. SPIE. 1994. - V.2237. - P.432-438.

29. Drabik T.J. 2D Silicon/ferroelectric liquid crystal spatial light modulators / T.J. Drabik, M.A. Nandchy, D.Banas, S.D. Gaalema, D.J Ward // IEEE Micro. -1995. V.15. - N.4. - P.67-76.

30. Hartmann W.J. Ferroelectric-liquid-cristal video display // IEEE Trans. Electron Devices. 1989. - V.36. - P. 1895-1899.

31. Егоров Ф.А. Оптически управляемый волоконный переключатель на основе плёнок V02 // Письма в ЖТФ. -1991. Т. 17. - Вып.9. - С.81.

32. Miller D.A.B. Rationale and challenges of optical interconnects to electronic chips // Proc. IEEE 88. 2000. - P.728-749.

33. Dobbelaere W. GalnAs/GaAs strained layer MQW electroabsorption optical modulator and self-electro-optic effect device / W. Dobbelaere, S. Kalem, D. Huang, M.S. Unlu, H. Morkoc // Electron. Lett. 1998. - V.24. - N.5. - P.295-297.

34. Wood Т.Н. High speed optical modulation with GaAs/GaAlAs QW in p-i-n diode structure / Т.Н. Wood, C.A. Burrus, D.A.B. Miller, D.S. Chemla, T.C. Damen, A.C. Gossard, W. Wiegmann //Appl. Phis. Lett. 1984. - V.44. - P. 16-18.

35. Miller D.A.B. Electrical field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures / D.A.B. Miller, D.S. Chemla, T.C. Damen, A.C. Gossard, W. Wiegmann, Т.Н. Wood, C.A. Burrus // Phis. Rev. B. 1985. -V32.- P. 1043-1060.

36. Koren U. High-frequency InGaAs/InP multiple-quantum-well buried-mesa electroabsorption optical modulator / U. Koren, B.I. Miller, R.S. Tucker, G. Eisenstein, I. Bar-Joseph, D.A.B. Miller, D.S. Chemla // Electron. Lett. 1987. -V.23.-P.621-622.

37. Wakita K. Anisotropic electroabsorption and optical modulation in InGaAs/InAlAs MQW structures / K. Wakita, Y. Kawamura, Y. Yoshikuni, H. Asahi, S. Uehara//IEEE J. Quantum Electron. 1986. - V.QE-22. - P.1831-1836.

38. Van Eck Т.Е. Electroabsorption in an InGaAs/InAlAs strained-layer multiple quantum well structure / Т.Е. Van Eck, P. Chu, W.S.C. Chang, H.H. Wieder//Appl. Phis. Lett. 1986. - V.49. - P. 135-136.

39. Miller D.A.B. The quantum well selfelectronoptic effect device: optoelectronic bistability and oscillation and self-linearized modulation / D.A.B.

40. Miller, D.S. Chemla, T.C. Damen, Т.Н. Wood, C.A. Burrus, A.C. Gossard, W. Wiegmann // J. Quantum Electron. 1985. - V.QE-21. - P.1462-1476.

41. Chemla D.S. Electroabsorption by Stark effect on room-temperature excitions in GaAs/GaAlAs multiple quantum well structures / D.S. Chemla, T.C. Damen, D.A.B. Miller//Appl. Phis. Lett. 1983. - V.42. - P.864-866.

42. Бережной A.A. Электрооптические модуляторы и затворы // Оптический журнал. 1999. - Т.66. - N.7. - С.3-19.

43. Сиротин Ю.И. Основы кристаллофизики / Ю.И. Сиротин, М.П. Шаскольская. М.: Наука, 1979. - 640с.

44. Блистанов А.А. Акустические кристаллы. Справочник / А.А. Блистанов, B.C. Бондаренко, Н.В. Переломова, Ф.Н. Стрижевская, В.В. Чкалова, М.Н. Шаскольская. М.: Наука, 1982. - 632с.

45. Бережной А.А. Анизотропия электрооптического эффекта в плоскости фронта световой волны // Оптика и спектроскопия. 1979. - Т.44. -Вып.2. - С.394-397.

46. Лебедев В.А. Прецизионная автоматическая система управления диаметром кристалла / В.А. Лебедев, Б.В. Игнатьев, В.Ф. Писаренко // Тез. докл. XI семинара-совещания «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», 18-23 сент. 2005. Краснодар. - С.76-79.

47. Бережной А.А. Электрооптические явления в сегнетоэлектриках с размытым фазовым переходом со структурой сложных перовскитов // Оптика и спектроскопия. 1995. - Т.78. - N.6. - С.947-961.

48. Адрианова И.И. Исследование электрооптического эффекта в селениде цинка / И.И. Адрианова, А.А. Бережной, К.К. Дубенский, В.А. Соколов // ФТТ. 1970. - Т. 17. - Вып.8. - С.2462-2464.

49. Адрианова И.И. Сверхвысокочастотная модуляция света в кристаллах селенида цинка / И.И. Адрианова, А.А. Бережной, З.В. Нестерова, B.C. Русецкая // Квантовая электроника 1972. - Вып.7. - С.81-82.

50. Бережной А.А. Влияние двойникования кристаллов селенида цинка на их электрооптические свойства / А.А. Бережной, Ю.В. Попов, В.М. Солнцев // Оптика и спектроскопия. 1977. - Т.43. - Вып.З. - С.486-490.

51. Бережной А.А. Фотоиндуцированное двупреломление в кристаллах селенида цинка // ФТТ. 1973. - Т. 16. - Вып.11. - С.3116-3118.

52. Бережной А.А. О природе линейного электрооптического эффекта в кубических нецентросимметричных кристаллах со структурой сфалерита // Оптика и спектроскопия. 1993. - Т.74. - Вып.4. - С.758-762.

53. Бережной А.А. Роль индуцированного двупреломления в проявлении спонтанного электрооптического эффекта в кристаллах молибдата гадолиния / А.А. Бережной, В.З. Гуревич // ФТТ. 1977. - Т.19. - Вып.10. -С.3133-3135.

54. Бережной А.А. Об особенностях электрооптических свойств кристаллов молибдата гадолиния // Оптика и спектроскопия 1994. Т.77. - N.4. - С.617-621.

55. Бережной А.А. Исследование пространственной модуляции света в кристаллах германата свинца / А.А. Бережной, Ю.В. Попов, Т.Н. Шерстнева // Оптика и спектроскопия. 1983. - Т.59. - Вып.2. - С.313-319.

56. Бережной А.А. Электрооптический эффект в ниобий содержащих стеклах / А.А. Бережной, Г.А. Карапетян, Ю.Г. Королев, О.А. Сеничкина // Оптика и спектроскопия. 1992. - Т.73. - Вып.З. - С.559-565.

57. Запорожец Д.В. Расчёт электродинамической системы для широкополосных оптических модуляторов / Д.В. Запорожец, Н.А. Яковенко // ЖТФ. 2003. - Т. 73. - Вып.10. - С.88-92.

58. Chow К.К. Efficient octave-band width microwave light modulators / K.K. Chow, W.B. Leonard // IEEE J. Quant. Electron. 1970. - V.QE-6. - P.789-794.

59. Гуляев Ю.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение / Ю.В. Гуляев, М.Я. Меш, В.В. Проклов. М.: Радио и связь, 1991.- 152с.

60. Алексеев Э.И. Компенсация паразитной поляризационной модуляции в волоконном фазовом модуляторе с фарадеевским зеркалом / Э.И.

61. Алексеев, Е.Н. Базаров, В.П. Губин // Радиотехника и электроника. 1999. -Т.44. - N.l. - С.122-128.

62. Федин А.В. Интерференционный модулятор одномодового излучения мощных технологических лазеров / А.В. Федин, Е.А.Чащин, В.В. Васильев // Приборы и техника эксперимента. 1999. - N.2. - С. 100-102.

63. Котов О.И. Преобразование фазовой модуляции света в модуляцию интенсивности с помощью внешнего волоконно-оптического интерферометра / О.И. Котов, Л.Б. Лиокумович, В.М. Николаев // Письма в ЖТФ. 1997. - Т.23. -N.10. - С.9-16.

64. Miller S.E. Integrated optics: An Introduction // Bell Syst. Tech. J. 1969. - V.48. - P.2059-2069.

65. Yamada M. Semiconductor optical modulator by using electron depleting absorption control//IEEE Trans. Electron. -1992.-V.E-75-C.-N.9.-P. 1063-1066.

66. Быков Д.В. Интегральная оптико-микроволновая электроника / Д.В. Быков, В.И. Гвоздев, С.М. Подковырин // Изв. вузов. Электроника. 1997. -N.1.-P.41-48.

67. Введение в интегральную оптику / Под ред. М.Барноски; пер. с англ. под ред. Т.А.Шмаонова. М.: Мир, 1977. - 308 с.

68. Chanin D.J. Voltage-induced optical waveguide // Appl. Phis. Lett. -1971. V.19. - P.128-130.

69. Hall D.S. Observation of prorogation cutoff and its control in thin optical waveguides // Appl. Phys. Lett. 1970. - V.17. - N.3. - P.127-131.

70. Семенов A.C. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А.С.Семенов, В.Л.Смирнов, А.В.Шмалько. М.: Радио и связь, 1990.-224 с.

71. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология / Пер. с англ; под ред. В.А.Сычугова. М.: Мир, 1985. - 384 с.

72. Sueta Т. Integrated optic devices for microwave application / T. Sueta, M. Isutsu // IEEE Trans, on MTT. 1990. - V.MTT-38. - N.5. - P.477-480.

73. Isutsu M. Broad-band traveling-wave LiNb03 optical waveguide modulators / M. Isutsu, Y. Yamane, T.Sueta // IEEE J. Quant. Electron. 1977. -V.QE-13. -P.287-289.

74. Isutsu M. 10GHz Bandwidth traveling-wave LiNb03 optical waveguide modulator / M. Isutsu, T. Iton, T.Sueta // IEEE J. Electron. 1978. - V.QE-14. -P.394-399.

75. Cross P.S. Microwave integrated optical modulator // Appl. Phys. Lett. -1978. V.44. - N.5. - P.394-396.

76. Burns W.K. Broad-band reflection traveling-wave LiNb03 modulator / W.K. Burns, M.M. Howerton, R.P. Moeller, A.S. Greenblatt, R.W. Mellanon // IEEE Photonics Tech. Lett. 1998. - V.10. - P.805-806.

77. Burns W.K. Low drive voltage, broad-band LiNb03 modulator and without etched ridges / W.K. Burns, M.M. Howerton, R.P. Moeller, R. Krahenbuhl, R.W. McElhanon, A.S. Greenblatt // Journ. of Lightwave Technology. 1999. -V.17. - N.12. - P.2552-2555.

78. Howerton M.M. Fully packaged broad-band LiNb03 modulator with law drive voltage / M.M. Howerton, R.P. Moeller, A.S. Greenblatt, R. Kaohenbuhl // IEEE Photonics Tech. Lett. 2000. - V.12. - P.792-794.

79. Gopalakrishnan G.K. 40 GHz, low half-wave voltage Ti:LiNb03 intensity modulator / G.K. Gopalakrishnan, C.H. Buhner, W.K. Burns, R.W.

80. McElhanon, A. S. Greenblatt // Electron. Lett. 1992. - V.28. - P.826-827.

81. Dolri D. W. 50 GHz velocity matched broad wavelength LiNb03 modulator with multimode active section / D.W. Dolri, T.R. Ranganath // Electron. Lett. 1992.-V.28.-P. 1197-1198.

82. Walker R.G. High-speed electrooptic modulation in GaAs/GaAlAs waveguide devices // J. Lightwave Technol. 1987. - V.LT-5. - P.1444-1446.

83. Noguchi K. A braodband Ti:LiNb03 optical modulator with a ridge structure / K. Noguchi, O. Mitomi, H. Miyazawa, S. Seki // Lightwave Tech. 1995. - V.13.-P.1164-1168.

84. Noguchi K. Millimeter-wave Ti:LiNb03 optical modulators / K. Noguchi,

85. O. Mitomi, H. Miyazawa // J. Lightwave Tech. 1998. - V.16. - P.615-619.

86. Burns W.K. Broad-band reflection traveling-wave LiNb03 modulator / W.K. Burns, M.M. Howerton, R.P. Moeller. A.S. Greenblatt, R.W. McElhanon // IEEE Photon. Technol. Lett. 1998. - V.10. - P.805-806.

87. Jungerman R.L. "Low-frequency acoustic anomalies in lithium niobate Mach-Zehnder interferometers / R.L. Jungerman, C.A. Flory // Appl. Phys. Lett. -1988. V.53. - P.1477-1479.

88. Noguchi K. Frequency-dependent propagation characteristics of coplanar waveguide electrode on 100 GHz Ti:LiNb03 optical modulator / K. Noguchi, H.

89. Miyazawa, O. Mitomi // Electron. Lett. 1998. - V.34. - P.661-663.

90. Kawanishi T. LiNb03 resonant-type optical modulator with double-stub structure / T. Kawanishi, S. Oikawa. K. Hugima, Y. Matsuo, M. Isutsu // Electron. Lett. 2001. - V.37. - P. 1244-1246.

91. Векшин М.М. Интегрально-оптический поляризационный рефлектометр / М.М Векшин, Е.Б. Хотнянская, Н.А. Яковенко // Известия ВУЗов. Электроника. 2003. -N.3. - С.91-92.

92. Гладкий В.П. Элементы волноводной оптоэлектроники для устройств функциональной обработки цифровой информации / В.П.Гладкий, В.А.Никитин, В.П.Прохоров, Н.А.Яковенко // Квантовая электроника. 1995. -Т. 22.-N.10.-С. 1027-1033.

93. Гладкий В.П. О возможности создания новых интегрально-оптических поляризаторов и преобразователей волноводных мод / В.П. Гладкий, А.А. Воеводин, И.А. Прохорова, Н.А. Яковенко // Письма в ЖТФ. -1991. Т. 16. - Вып.24. - С.73-77.

94. Yariv A. Optical Modulator/Switch // IEEE J. Quant. Electron. 1973. -V.QE-9.-P.919-922.

95. Haga H. LiNb03 travelingwave light modulator / H. Haga, M. Isutsu, T.Sueta//IEEE J. Quant. Electron. 1986. - V.QE-22. - P.902-906.

96. Волоконно-оптические датчики. Пер. с яп. под ред. Г.Н. Горбунова. -JL: Энергоатомиздат, 1991. 256с.

97. Ackerman E.I. RF fiber-optic link performance / E.I. Ackerman, C.H. Cox // IEEE Microwave. 2001. - V.2. - N.4. - P.50-58.

98. Young D. Enhanced performance of offset-gain high-barrier vertical-« cavity surface-emitting lasers / D. Young, J. Scott, M. Peters, M. Majevski, B.

99. Thiebeault, S. Corzine, L. Coldren // IEEE J. Quantum. Electron. 1993. - V.29. -P.2013-2022.

100. Tauber D. Large and small signal dynamics of vertical cavity surface emitting lasers / D. Tauber, G. Wang, R. Geels, J. Bowers, L. Coldren // Appl. Phis. Lett. 1993. - V.62. - P.325-327.

101. Meland E. Extremely high-frequancy (24 GHz) InGaAsP diode lasers with excellent modulation efficiency / E. Meland, R. Holmstrom, J. Schlafer, R. Lauer, W. Powazinik// Electron. Lett. 1990. - V.26. - P. 1827-1829.

102. Lester L. Optical and RF characteristics of short-cavity-lengthmultiquantum-well strained -layer lasers / L.Lester, W. Schaff, X. Song, L. Eastman // IEEE Photon. Tech. Lett. -1991. V.3. - P. 1049-1051.

103. Chen T. Very large bandwith strained MQW DFB laser fn 1,3 //m / T. Chen, J. Ungar, X. Yeh, N. Bar-Chaim // IEEE Photon. Tech. Lett. 1995. - V.7. -P.458-460.

104. Cox C. Relationship between gain and noise figure of an optical analog link / С. Cox, E. Ackerman, G. Betts // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. San Francisco. CA, 1996. P.1551-1554.

105. Bridges W. Velocity-matched electro-optic modulator / W.Bridges, F. Sheehy // Proc. SPIE, 1990. V.1371. - P.68-77.щ 109. Dagli N. Wide-bandwidth lasers and modulators for RF photonics // IEEE

106. Trans. Microwave Theory Tech. 1999. - V.47. - P. 1151 -1171.

107. Zhou J. Effect of velocity mismatch and microwave attenuation on time-domain response of traveling-wave electrooptic modulators / J. Zhou, H. Taylor // J. Lightwave Tech. 2000. - V.18. - P.683-686.

108. Li G. Ultrahigh-speed traveling-wave electroabsorption modulator -design and analysis / G. Li, C. Sun, S. Pappert, W. Chen, P. Yu // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1999. - V.47. - P. 1177-1183.

109. Noguchi K. 75GHz broadband Ti:LiNb03 optical modulator with ridge structure / K. Noguchi, H. Miyazawa, O. Mitomi // Electron. Lett. 1994. - V.12.1. P.949-950.

110. Yoshida K. Application of superconducting striplines to traveling-wave type LiNb03 optical modulator / K. Yoshida, K. Ikeda, K. Saito, Y. Kanda // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1993. - V.3. - P.2792-2795.

111. Yoshida K. Microwave characteristics of a traveling-wave type LiNb03 optical Modulator with superconducting electrodes / K. Yoshida, N. Horiguchi, Y.

112. Kanda // IEICE Trans. Electron. 1993. - V.E76-C. - P. 1287-1290.

113. Yoshida K. LiNb03 optical modulator using a superconducting resonant electrode /К. Yoshida, A. Nomura, Y. Kanda // IEICE Trans. Electron. 1994. -V.E77-C.-P.1181-1184.

114. Yoshida K. Traveling-wave type LiNb03 optical modulator with a superconducting coplanar waveguide electrode / K. Yoshida, A. Minami, Y. Kanda // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1997. - V.7. - N.2. - P.3508-3511.

115. Yoshida К. Application of superconducting electrodes to resonant-type LiNb03 optical modulator / K. Yoshida, A. Nomura, K. Komura, Y. Kanda // IEEE Trans. Appl. Superconduc. 1995. - V.5. - P.3183-3186.

116. Yoshida K. Design and performance of a velocity-matched broadband optical modulator with superconducting electrodes / K. Yoshida, T. Uchida, S. Nishioka, Y. Kanda, S. Kohjiro // IEEE Trans. Appl. Superconduct. 1999. - V.9. -P.3421-3424.

117. Yoshida K. A traveling-wave-type LiNb03 optical modulator with superconducting electrodes / K. Yoshida, Y. Kanda, S. Kohjiro // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1999. - V.47. - P. 1201-1205.

118. Sheen D.M. Current distribution, resistance, and inductance for superconducting strip transmission lines / D.M. Sheen, S.M. Ali, D.E. Oates, R.S. Withers J.A. Kong // IEEE Trans. Appl. Supercond. -1991. V. 1. - N.2. - P. 108-115.

119. Zhou Y. Low-drive-power asymmetric Mach-Zehnder modulator with band-limited operation / Y. Zhou, M. Izutsu, T. Sueta // J. Lightwave Tech. 1991. - V.9. - P.750-753.

120. Izutsu M. 0 to 18GHz Traveling-wave optical waveguide modulator / M. Izutsu, H. Haga, T. Sueta // Trans. IEIC. 1980. - V.E-63. - P.817-822.

121. Бутусов M.M. Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, СЛ. Галкин. JL: Машиностроение, 1987. - 328с.

122. Kotov V.M. Acoustooptical Switches 2x2 for Fibre-Optic Communications / V.M. Kotov, G.N. Sckerdin // Third International Soviet Fiber Optics and Telecommunications Conference. St. Petersburg, 1993. P. 175.

123. Suzuki S. 32 Line optical space division switch system using 8x8 optical matrix switches //Nee. Res. Develop. 1987. - V.87. - N.10. - P.44-47.

124. Kawanishi T. Reciprocating optical modulation for millimeter-wave generation by using a dual-section fiber Bragg grating / T. Kawanishi, S. Oikawa, M. Izutsu // J. Lightwave Tech. 2002. - V.20. - P. 1408-1415.

125. Kawanishi T. Reciprocating optical modulation for harmonic generation / T. Kawanishi, M. Sasaki, S. Shimotsu, S. Oikawa, M. Izutsu // IEEE Photon. Tech. Lett. 2001. - V.13.-P.854-856.

126. Otsuji T. 10-80-Gb/s highly extinctive electrooptic pulse pattern generation / T. Otsuji, M. Yaita, T. Nagatsuma, E. Sano // IEEE J. Select. Electron. -1996. V.2. - P.643-649.

127. Abedin K.S. Higher order FM mode locking for pulse-repetition-rate enhancement in actively mode-locked lasers: theory and experiment / K.S. Abedin, N. Onodera, M. Hyodo // IEEE J. Quantum Electron. 1999. - V.35. - P.875-890.

128. Yu C. Width-tunable optical RZ pulse train generation based on four-wave mixing in highly nonlinear fiber / C. Yu, L. S. Yan, T. Luo, Y. Wang, Z. Pan, A. E. Willner//IEEE Photonics Technology Letters. 2005. - V.17. -N.3. - P.636-638.

129. Veselka J.J. Pulse generation for soliton systems using lithium niobate modulators / J.J. Veselka, S.K. Korotky // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. - V.2. - N.2. - P.300-310.

130. Zhou D. A novel optical pulse width management device / D. Zhou, B.C. Wang, R. J. Runser, I. Glesk, P.R. Prucnal // Lasers and Electro-Optics (CLEO 2000), 2000.-P.133.

131. Li Z. Novel CS-RZ signal format with tunable pulse width and better tolerance to nonlinear degradation / Z. Li, Y. Dong, C. Lu, Y. Wang, Т. H. Cheng // Lasers and Electro-Optics Society (LEOS 2003), 2003. P.763-764.

132. Park J. Elimination of the fibre chromatic dispersion penalty on 1550 nm millimetre-wave optical transmission / J. Park, W.V. Sorin, K.Y. Lau // Electron. Lett. 1997.-V.33.-P.512-514.

133. Smith G.H. Technique for optical SSB generation to overcome dispersion penalties in fibre-radio system / G.H. Smith, D. Novak, Z. Ahmed // Electron. Lett. -1997. V.33. - P.74-76.

134. Meslener G.J. Chromatic dispersion induced distortion of modulated monochromatic light employing direct detection // IEEE J. Quantum Electron. -1984.-V20.-P.1208-1216.

135. Братчиков A.H. Интегрально-оптические фазовращатели сверхширокополосных радиосигналов СВЧ // Тез. докл. конф. «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», 2005. Таганрог. - С.94-97.

136. Soref R.A. Voltage-controlled optical/RF phase chifter // J. Lightwave Tech. 1985. - V.LT-3. - N.5. - P.992-998.

137. Han S.Y. Multiple output photonic RF phase shifter using a novel polymer technology / S.Y. Han, H. Erlig, D. Chang // IEEE Photon Tech. Lett. -2002.-V.14.-N.4.-P.531-533.

138. Ghorbani J.K. A novel wide-band tunable RF-phase shifter using a variable optical directional coupler / J.K. Ghorbani, A. Mitchel, R.B. Waterhouse, M.V. Austin // IEEE Trans. Microwave Theory. Tech. 1999. - V.47. - N.5. - P.645-648.

139. Peucheret C. 40 Gbit/s transmission over photonic crystal fibre using mid-span spectral inversion in highly nonlinear photonic crystal fibre / C. Peucheret,

140. В. Zsigri, Р.А. Andersen, K.S. Berg, A. Tersigni, P. Jeppesen, K.P. Hansen, M.D. Nielsen //Electron. Lett. 2003. - V.39. - N.12. - P.919-921.

141. Paschotta R. Ytterbium-doped fiber amplifiers / R. Paschotta, J. Nilsson, A. C. Tropper, D. C. Hanna // IEEE J. Quantum Electron. 1997. - V.33. - N.7. -P.1049-1056.

142. Слепов H.H. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (ATM, PDH, SONET и WDM). М.: Радио и связь, 2000. - 468с.

143. Yoo S.J.B. Wavelength conversion technologies for WDM network applications // J. Lightwave Tech. 1996. - V.14. - P.955-966.

144. Matsumoto M. Performance analysis and comparison of optical 3R regenerators utilizing self-phase modulation in fibers // J. Lightwave Tech. 2004. -V.22. - P.1472-1482.

145. Nakazawa N. Random evolution and coherence degradation of a high-order optical soliton train in the presence of noise / N. Nakazawa, H. Kubota, K. Tamura // Opt. Lett. 1999. - V.24. - P.318-320.

146. Mitomi O. Broadband and low driving-voltage LiNb03 optical modulators / O. Mitomi, K. Noguchi, H. Miyazawa // IEEE Proc. Optoelectron. -1998. V.145. - N.6. - P.360-364.

147. Kawanishi T. Resonant type optical modulators for 10GHz band / T. Kawanishi, S. Oikawa, K. Higuma // Journal of the Communication Research Laboratory. 2002. - V.49. - N.l. - P.73-79.

148. Миттра P. Аналитические методы теории волноводов / Р. Миттра, С. Ли.-М.: Мир, 1974.-324с.

149. Войтович Н.Н. Обобщённый метод собственных колебаний в теории дифракции / Н.Н. Войтович, Б.З. Каценеленбаум, А.Н. Сивов. М.: Наука, 1977.-416с.

150. Шестопалов В.П. Резонансное рассеяние волн / В.П. Шестопалов, А.А. Кириленко, Л.А. Рудь. Киев: Наукова думка, 1986. - 215с.

151. Вычислительные методы в электродинамике / Под. ред. Р. Миттры. -М.: Мир, 1977.-485с.

152. Бергер М.Н. Запредельный волноводно-диэлектрический фильтр на микрополосковой линии / М.Н. Бергер, Б.Ю. Капилевич, Н.С. Симин // Радиотехника. 1980. - Т.35. - N.6. - С.76-79.

153. Smedt R.D. Scattering matrix of junctions between rectangular waveguides / R.D. Smedt, B. Denturck // IEE Proc. 1983. - V.130. - N.2. - P. 183189.

154. Макеев Ю.Г. Собственные электромагнитные колебания в резонаторе на запредельных волноводах / Ю.Г. Макеев, А.П. Моторненко // ЖТФ. 1997. - Т.69. - В.4. - С.84-88.

155. Гандель Ю.В. Строгий электродинамический анализ резонаторных систем коаксиальных гиротронов / Ю.В. Гандель, Г.И. Загинайлов, С.А. Стешенко // ЖТФ. 2004. - Т.74. - В.7. - С.81-89.

156. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высш. шк., 1990.-335с.

157. Веселов Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алёхин, Г.Г. Воронина, В.А. Романюк, В.Д. Розевиг, А.Ф. Чаплин, М.В. Шеремет. М.: Высшая школа, 1988. - 280с.

158. Бахарев С.И. Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ. М.:Радио и связь, 1982. - 328с.

159. Wen С.Р. Coplanar waveguide: A surface strip transmission line suitable for nonreciprocal gyromagnetic device applications // IEEE Trans. 1969. - V.MTT-17. - N. 12. - P.l087-1090.

160. Милютин Н.Д. Расчёт погонной ёмкости характеристического сопротивления полосковой линии / Н.Д. Милютин, П.А. Воробьёв // Изв. ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. 1972. - Т.15. - N.5. - С.662-663.

161. Антонов Н.Н. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Н.Н. Антонов, И.М. Бузин, О.Г. Вендик. М.: Сов. радио, 1979. - 272с.

162. Егоров Ю.В. Частично-заполненные волноводы. М.: Сов. радио, 1967.-224с.

163. Cohn S.B. Slot line on dielectric substrate // IEEE Trans. 1969. -V.MTT-17. - N.10. - P.769-772.

164. Cohn S.B. Sandwich slot line // IEEE Trans. 1971. - V. MTT-19. - N.9. -P.773-776.

165. Iton T. Dispersion characteristics of slot line / T. Iton, R. Mitra // Electron. Lett. -1971. V.7. -N.13. - P.364-368.

166. Мироненко И.Г. Дисперсионные свойства щелевой линии на неоднородной диэлектрической подложке // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1977. - С.26-32.

167. Воробьёв В.В. Щелевые линии передачи и копланарные волноводы для интегральных СВЧ-схем // Зарубежная радиоэлектроника. 1972. - N.5. -С.93-107.

168. Mariani Е.А. Slot line characteristics // IEEE Trans. 1969. - V.MTT-17. -N.12. - P.1090-1904.

169. Павлов A.B. Оптико-электронные приборы. M.: Энергия, 1974.359с.

170. Theofanous N.G. A frequency doubling electro-optic modulation system for Pockels effect measurements: Application in LiNb03 / N.G. Theofanous, M. Aillerie, M.D. Fontana, G.E. Alexakis // Rev. Sci. Instrum. 1997. - V.68. - N.5. -P.2138-2143.

171. Gopalakrishnan G. Performance and modeling of resonantly enhanced LiNb03 modulators for low-los analog fiber-optic links / G. Gopalakrishnan, W. Burns // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1994. - V.42. - P.2650-2656.

172. Левин Л. Теория волноводов. М.: Радио и связь, 1981. - 276с.

173. Лебедев В.И. Техника и приборы СВЧ. Ч. I. М.: Высш. шк., 1972. -547 с.

174. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Сов. радио, 1976. - 243с.

175. Запорожец В.В. Волновые процессы и квантовая радиофизика. Лабораторный практикум /В.В. Запорожец, Н.А. Яковенко. Краснодар, 2001.- 172с.

176. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.- 440с.

177. Микаэлян А.Л. Оптические генераторы на твёрдом теле / А.Л. Микаэлян, М.Л. Tep-Микаэлян, Ю.Г. Турков. М.: Сов. радио, 1967. - 384с.

178. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1979. - 480с.

179. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития. Материалы для нелинейной оптики. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1975. - 224с.

180. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. / Под ред. Жаботинского М.Е. М.: Сов. энциклопедия, 1969. - 432с.

181. Запорожец Д.В. Применение объёмного амплитудного модулятора в оптическом спектрометре для мониторинга загрязнений окружающей среды / Д.В. Запорожец, Н.А. Яковенко // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2006. - N.l. - С.81-84.