Повышение коэффициента передачи СВЧ поднесущей в волоконно-оптических линиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

министерство образования украины

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

6 ОД ЩЕРБАТКО ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

/ П Р

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ СВЧ ПОДНЕСУЩЕЙ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ

01.04.03 — Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков — 1994

Диссертационная работа является рукописью.

Работа выполнена в Харьковском государственном техническом университете радиоэлектроники.

Научный руководитель:

— доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель наук*{ Украины А. И. Терещенко.

Официальные оппоненты:

— доктор физико-математических наук, профессор С. Ф. Дюбко;

~ кандидат технических наук, доцент Б. В. Панаско.

Ведущая организация — Институт радиофизики и электроники АН Украины, г. Харьков.

Защита диссертации состоится * __

1994 г. на заседании регионального специализированного совета К. 068.037.02 при Харьковском государственном- техническом университете радиоэлектроники.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники.

Автореферат разослан . ^ " __199^" г.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 310726, Харьков-726, пр. Ленина, 14, ученому секретарю регионального специализированного совета К 068.37.02.

Ученый секретарь специализированного совета

В. М. БЕЗРУК

ОБЩАЯ 'МРШЕРЖША даОСЕРТЛЩЮННОИ РАБОТУ

Актуальность.

Широков внедрение оггаэлектроники б систему передачи к распределения СВЧ сигналов сдерживается прездэ всего значительными потерями, которые сопровождают эдектро-оптическое преобразование в волоконнс - оптических _ лилиях передачи (ВОЛП). Компенсация этих потерь при помощи усилителей на выходе системы зачастую но г^Мектиша, так ¡сак при атом снижается отношение сигнал/шум, уменьшается динамический диапазон, увеличиваются нелинейные искажения, о также усложняется конструкция линии. Поэтому снижение потерь в БОШ ( увеличение коэффициента передач« ) является актуальной задачей.

Ко;ф|я-щйент передачи СВЧ поднесущей определяется как отношение мощности сите по т выходе ВОЛП к исодаой мощности и

обозначается К .

р

Наблюдается парадоксальная ситуация. С одной сторону, потери мощности оптического сигнала я волоконном еветошдэ на 3-4 порядка ниже, чем в волноводах и коаксиальных кабелях. С другой стороны, низкая эффективность преобразования электрического сигнала в сптичоский и обратно приводит к тому, что только в передающем и приемист,» модулях теряется около 20 дБ мо'цкости сигнала. , •

Целью диссертационной работа является исследование передаточных характеристик существующих линий и поиск научно-технических решений, позволяющих повысить коэффициент передачи СВЧ поднесущей в ВОЛП.

Методн наследования базируются на общей теорий нелинейных колебаний, теории нелинейных дифференциальных уравнений и теории чио.ле>пшх методов вычислительной математики.

Научная новизна работы состоит в следукц-эм:

1.Нз основе . анализа литературных источников покопано, ' что среди сдестп-ущизс ВО® нядаеньшиш потеря?«! передачи СВЧ поднесущой обладает здата с ьнутренн^Р модуляцией оптического излучения, Получена оценки ьгсгседвдъно доспмслпго К для ВОЛП на основе прим2тгя-.ляг>:. в кготояш-че г.ремл хошонвнтов.

2. Пр'.-увд. !;ю юпткслплню, позволяющее рассчитывать К^ ВОЛП СВЧ поднос.ущля нч основе рнутреннвй модуляции' в заданном частотном

диапазоне. При помощи экспериментального исследования определена область его применимости и получаемая точность.

3.Сдэлано и подтверждено предположение о возможности использования двухсекционного гетерслазера ( ДСГЛ ) в ре ¡вале аналоговой ыодуляцтг. Определены условия устойчивости решений нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, отшсывающей ДС'ГЛ, проведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных статических характеристик исследуемого лазера.

4.Иоследована частотная зависимость импеданса ДСГЛ, на основе которой определена его элвктрическад эквивалентная схема. Проведены измерения зависимости частота электрон- фотонного резонанса ДСГЛ от токов накачки его секций, получена оцонка потенциального быстродействия исследуемого лазера.

5. Подтверждено предположение о повышении Кр ВОЛН СВЧ подаесущей при использоваюпз ДСГЛ в режима большой дифференциальной эффективности. Предложена новая конструкция передающего модуля ВОЛП на основа ДСГЛ, имеющая патентную чистоту.

Практическая ценность работы состоит в том, что определены и обоснованы некоторые способы повышения Кр ВОЛП СВЧ подаесущей. Это позволит разработчикам- таких систем выбирать оптимальные конфигурации компонентов ВОЛИ, более точно прогнозировать и улучшать их параметры.

Диссертация является частью плановых исследований, проводившихся е Харьковском институте радиоэлектроники ( НЙЕ "Разработка волоконно-оптических средств передачи информации СВ1 диапазона"); разработанные в хода диссертационной работы макеть ВОЛП и методика расчета Кр внедрены в НИИ ТП, г.Москва, результаты диссертации использованы . в учебном процессе.

Достоверность и обоснованность подученных в диссертационно! работе результатов базируется на корректной постановке и рвшашн исследуемой задачи; использовании апробированных подходов ! методов к анализу динамических процессов в компонентах ВОЖ Правильность теоретических результатов и расчетов подтвержден! экспериментально.

Пубяткоита и апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на 4~й Международной конференции по электронной технологии ( Берлин, 1990 г.)» на Всесоюзной конференции "Бистродействующие элемента и устройства волоконно-оптических и лазерных систем" ( Севастополь, 1990 г.), 2-й Всесоюзной конференции " Физические проблемы оптической связи и обработки информации" ( Севастополь, 1991 г.), на 3-М Всесоюзном семинаре " Волоконно-оптические системы распределения и обработки СВЧ и других сигналов в антенно-фидерннх устройствах" ( Москва, 1991 г.).

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из Которых 3 статьи, 4 тезисов докладов, один отчет о НИР й одно изобретение.

Структура и обьом работа. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Материал диссертации изложен на 147 страницах машинописного текста и содержит 40 рисунков, 7 таблиц, библиограф®) из ИЗ ноименоваииЯ, 2 страниц» прилегания.

Основные положения и результаты, выносимые' на застту: 1)Внрзжение для определения зависимости коэффициента передачи СБЧ поднесужей в Б0Ж1 на основе внутренней модуляции в заданном частотном диапазоне, а также результаты экспериментального определения точности ятого вкрзквпия. - 2 результата решощм трехпарамеТрической задачи по определению областей устойчивости реаегатй нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описивашщей ДСГЛ. З'Расчетине и ¡экспериментальные статические характеристики ДСГЛ, а также анализ применимости математической модели для опиелн?'" повелетая такого ЛД. 4^Результаты измерения зависимости ишедансп ДСГЛ от частоты модуляттии и тока модуляторной секщш, .параметры его электрической эквивалентной с?о«ц, а тпкл» результаты измерения зависимости частоты ячектр;чг-фотоняого резонанса ДСГЛ от токов в секцичх.

5)Пез^дг!Гот-пл харнкуефистшш ВОЛП СВЧ подиесущей диапазона 2 ГГц ни оснопа ДСГЛ и конструкция передавшего модуля.

СОДЕРЖАНИЕ РАБ!/ТЫ Во введении обоснована ектуальность направления исследования, сформулфоввна цепь, кратко изложено содержанка диссертационной работы.

В_пэрсом разделу проведан ьнадиз методов повышения

ко&ффйВДенга передачи СВЧ подаесущей в волокита- оптических линиях. Отмечено, что коэффициент пе:-эдачи существенном образом зависит от типа применяемой модуляции. Так, из литературных источников видно, что типична? значения Кр линий на , основе внутренней и внешней модуляции в настоящее время составляют -30 г--40 и -50 I- -70 дБ соответственно.

Потенциально достижимый коэффициент передачи ВСЩ] но основе внутренней и внешней модуляции (боз учета потерь сигнала в волоконном световоде и для применяемых в настоящео врумя компонентов и технологий ) оце'шь&ется в -17 и -31 дБ соответственно. Для БОЛП, работающих с частотами сигналов не ниже 5^6 ГГц, первая оценка не превышает -23 дБ.

основной причиной малого » в линиях является низкая эффективность электро- оптического преобразования. Для систем с внутренней модуляцией это вызвано • малыми значениями дифференциальной бффективности лазерных диодов ( ДЦ ) - т) м токовой чувствительности фотодиодов ( ФД ) - р. а для внешней модуляции - слишком большими значениями напряжения 1002 модуляции и значительными потерями оптического излучения ь интегрально-оптическом модуляторе.

Наиболее перспективами с точки зрения увеличения коэффициента передачи считаются линии на основе внутренней модуляции. Поэтому дальнейшие исследования в данной работе направлены на увеличение Кр в линиях этого типа.

Анализ литературных источников показал, что при расчете коэффициента передачи ВОЛП на основе внутренней модуляции в заданном частотном диапазоне необходимо учитывать зависимость параметров ,т) и р от частоты и других условий модуляции. Е известном выражении для определении Кр:

Кр = ( 1- I Гм М< а„ V Р )г . . О) '

где Гвк - комплексный коэффициент отражения от передающего модуля; ав - коэффициент оптических потерь в линии величиш р и г\ считаются постоянмш, хотя в общем случае это не так. Поэтому дальнейшие исследования направлены ка уточнение выражения (I).

Бо втором разделе описываются результаты исследования передаточных характеристик ВОЛП СВЧ поднесущей на основе внутренней модуляции. С этой целью- рассматриваются амп.читудно-частотны« характеристики приемного и передающего модулой.

В случае пренобрежокия влиянием паразитных элементов корпуса ЛД зависимость его дифференциальной эффективности от частоты модуляшш / могло учесть в выражении: т}(/.) = п0Нт(/), где'т)0-стягическое значения дифференциальной эффективности, Нт (/) -передаточная характеристика диода. Зависимость Нт(/) определяется из балансных скоростных уравнений, описывающих взаимодействие электронной и фотонной концентраций в резонаторе лазера -пир соответственно:

вп/&Х я ее! ) - А( а-п^)р - п/1др , (2)

«,рЛИ . < п - П1Й )Р - 4- . <э>

Л рп

где J - плотность тока инжекции; е - заряд электрона; й - толщина активной области ЛД; & - коэффициент, имеющий размерность 1м2Дя~1 1 и зависящий от числа актов индуцированной рекомбинации в единице объема за секунду, плотности оптической мощности и избыточной концентрации злйстрбйов нгй'д пороговым значением п^, при котором достигается состояние инверсной населенности; 1 -время спонтанной рекомбинации; К - д:гака волны излучения; Н постоянная Планка; с - скорость света; т й - среднее вре«я шзвл фотона в резонаторе лазерного дкодч.

Ззвиеимоотъ-Н (;') имеет резонансный характер ( частота, па которой достигается макокмуч / , является частотой олектров-фотонного резоизкоя },

Зюяечм&г?«. тс полой чувствительности фотодиода о-г частота модуляции детектируемого излучения также мошо получить путем анализа физических явлений генерации неравновесных носителей

заряда в слое полупроводника фотодиода. В работе показано, что в случае, когда согласование лазерного к фотодиода осуществляется при помощи реактивных согласующих цеп.¡И и активными потерями в них можно пренебречь, зависимость Кр(/ имеет вид:

где Гвих - комплексный коэффициент отражения от выхода линии; £ -коэффициент, зависящий от тока смещения лазера; р0- статическая токовая чувствительность фотодиода, 1; - время дрейфа неравновесных носителей заряда в активном слое фотодиода.

Для оценки точности подученного выражения (5) проводились необходимые теоретические и экспериментальные исследования. В качестве излучателя для передающего модуля линии был выбран 1гЮаАэР зарощонный гетеролазер ИЛЩ-216. В фотоприемном модуле был применен также 1пСаАэР р-1-п фотодиод в бескорпусном исполнении. Статическая дифференциальная эффективность 1ШШ-216 типична для лазеров, применяем« в аналоговых ВОЛП - 0,15 Вт/А, значение статической токовой чувствительности фотодиода тякже типично для быстродействующих фотоприямииков - 0,51 А/Вт. При смешении лазерного диода током в 55 мА ( рабочая точка ) значение частоты электрон-фотонного резонанса составило 6,401 ГГц. Длина градиентного волоконного световода, соединяющего передающий и приемный модули, была выбрана равной 10 метрам. Это позволило минимизировать оптические потери в волокне ( коэффициент ав при этом составил 0,34 ). Цепи согласования передающего и приемного, модулей настраивались на среднюю частоту 8 ГГц. Экспериментальное измерение передаточной характеристики волоконно-оптической линии проводилось по стандартной схеме измерения затухания. Линия при этом включалась в тракт измерителя "на проход". •

На рио. I приведет расчетная и экспериментальная зависимости коэффициента передачи исследуемой линии от частоты СВЧ сигнала ( крише 1 и 2 соответственно ). Из детого рисунка

Зависимость коэффициента передач« ВОЛП от чаетотьг

Pix. Í

видно, что максимальное значение Кр исследуемой ВШИ составляет -29,8,дБ на центральной частоте, максимальное расчетное значение атого параметра составляет -29,2 дБ, т.е. относительная погрешность вычисления на частоте 3 ГГц составляет всего 2 Если вычислить величину без учета зависимости дифференциальной о Активности лазерного диода от частоты, то эта величина составит -31,3 ДЁ ( относительная погрешность - 5 %). Проведенная оценка показывает, что для применяемого в фотопрившом Модуле высокоскоростного- фотодиода его токовая чувствительность на частоте 3 ГГц незначительно отличается от статической величии«.

' 'Как видно из рис. I, расчетная зависимость двлт несколько завышенное значение Кр. Кроме того, при отклонении от центральной частоты до 100 МГц в одну или другую сторону различив между расч&Тной и экспериментальной характеристиками заметно увеличивается ( погрешность достигает 8% ). При дальнейшем отклонении- от центральной частоты расчетная характеристика дает неверное"значение Кр.

, В,.чем причина этого явления? Во-первых., экспериментальное значение Кр ниже расчетного потому, что при расчете мы не учитывали активных потерь и потерь на излучение в цепях согласования передающего »'приемного модулей. Во - вторых,. чем дальше; • частота модуляции ЛД от центральной, тем сильнее сказывается влияние потерь в цепях смещения, в которые уходит часть полезной мощности СБЧ сигнала ( в используемой модели ВОЛГ мы не- учитываем влияние этих, цепей на коэффициент передачи ).

Проделанный анализ величины потерь в исследуемой ВОЛ! показал, что на центральной частоте потери распределилис: следующим образом: потери в цепях согласования - 0,6 дБ ; потер: электро-оптического преобразовали - 20,3 дБ; потери олтическог излучения в оптических алиментах ВОЛП - 9 дБ.

Такое распределание потерь по группам свидетельствует том, что неустранимые потери составляют значительную часть общем балансе потерь ВОЛП. Мы назвали их неустранимы*® потовд что, по сравнению с оптическими потерями, которые в принциг можно онизить до 2 г- 3 дБ, ети потери присущи природе внутренне модуляции применяемых в настоящее время в аналоговых ВЛ' лазерных диодев. Ключевым моментом в повышении передаточга

характеристик ВОЛП на основе внутренней модуляции является прш8п9няв в таких лшия;с новых типов лазерных диодов, которые долкнн иметь высокую лифф'-рэнцийльнуя эффективность. .

В_третьем разделе приводятся результаты исследования

статических характеристик двухсекционных гетеролаяеров, тедторыз до настоящего времени ист-иьговались исключительно в системах с имтгулъсно-кодовой модуляцией.

ДСГЛ представляет собой многослойную р+-Р-Н-п+ гетороструктуру { например, из С,аА8/А30аАв ), разделенную на две секции - усилительную ( первую ) и модуляторную ( стсрута ). Структура ДСГЛ представлена па рис,2 ( верхние контактные слои и мэтвллисэцяя не показанн ). Пришит работы ДСГЛ Заключается в разделении ФугпсннЯ меаду секшшда - первая производит накачку р-п перехода ндамк'И'.руемаш носителя?.™ заряда и обеспечивает инверсию населенности в иэториале полупроводника; вторая - обеспечивает моду\~яшкэ излучения путем вариации величины й знака оптических потерь в резонаторе ЛД -

Осшпой математической модели ДСГЛ является система обыкновенных дцфферопэдальшх урчш?ний третьего порядке. Ока имеет вид:

а! + 01лХ,}Х31 , (6)

а! 1г- Хэ-(1 + е1лХ2)Х?1 , (7)

(1-Т) т

е X,Ш( X, х2) + К к1 (1-7) 1 Х,7 ) , (8)

где X, и X,- нормировании? электронные концентрации в первой г. второй секциях соответственно, - нормированная выходная оптическая мо-даость ДСГЛ; 1 и 1г- нормирований ток е первой и вторсй с-юуветс.твеинг1; 7 - относительная пр >тяжепяссть

второй сешш ДОГЛ; г? - (гчг.чпт времени жизни фотсисв в резонаторе к врэмади г?коктрсяшо-дырочной рекомбинации»

9 - те!иерятурк}й ор п ^ - параметр спонтанного испускания фото'» г> г. ¡хрч лнз'-'па. Нвршотр 7 выражается через длины первой и второй ДСГЛ I ч I, : 7 » I,,/ (1.,+ <,). Констант« а,? и <|

Структура двухсекционного гетеролаеерл

1.p+- GftAs

2.Р -AIGbAS

S. GaAs - активный слой

4. N AlOftAs

5. n+ - GeAs

Ряс. 2

-3 а

для СаАз гетеродазероа известны: а = 2.5*10 , 6 = 1.5, 10 : В современных ДСГЛ параметр 7 лежит в пределах 0,3 - 0,4. Характерной особенностью таких лазеров является наличке гистерезиса на их выходной ватт- вшгерной характеристике. Кроме того, такие ДСГЛ обладают ввтомодуляционной неустойчивостью. В работе сделано предположение, что при уменьшении параметра у выходная характеристика ДСГЛ приобретет монотонный и линейный вид,' как у однородного лазера, что позволит использовать этот прибор в рекиме аналоговой модуляции.

Для подтверждения этого предположения решалась трэхпараметрическая задача : при помощи качественных и численных методов исследовалась устойчивость решений системы ( 6-8 ) й зависимости от значений Параметров Дг и 7. На ряс. 3 показана диаграмма устойчивости стационарных решений при 7 0,4, «а на рис. 4 - фазовый портрет этой система. Области I и ХЕ" рис.3 являются областями асимптотической устойчивости, а £[ й ТП" -неустойчивости. Так, например, в Щ-й области существуют три

31 с

стационарных решения систеш (6-8) : устойчивый узел О , соответствующий выключенному состоянию лазера ( рис. 4 ); неустойчивый фокус О1'2 и седлоЕоя точка О2'1. Кроме того, численное моделирование ДСГЛ позволило обнаружить устойчивый

зи

автомодуляционшй режим - предельный цикл Г т рис.4.

При уменьшении параметра 7 до 0,16, происходит качественно? изменение диаграммы устойчивости (случай 7 =0,1 показан на рис.о). Кривые 2 и 3. разделяющие области устойчивости и неустойчивости, прижались к пороговой кривой I и слились с ней. На диаграмме устойчивости остались лишь две устойчивые области £ и [Щ" . Соответственно, на фазогоп портрете 1 рис. 6 ) седловая точка соединилась с устойчивым узлом с образованием обыкновенной точки, а предолышй цикл стянулся к неустойчивому фокусу с образованием устойчРЕСГо фскуса - точки О'1,0.

Для эксЕйродэнгапьчой проверки получениях результатов исследовалясь образцы СаАз длгл е. уменьшенной длиной модуляторной секши I 7 -г 0.1 ). На рис. 7 праиставлепы типичные ватт-пкперныв харэктэрпог-пси ^йНг-г-о лаа^рч ( сплошными лилиями показаны расчг:т>* характеристики ). Кривая 4 соответствует выходной

Диаграмма устойчивости стационарных решений системы ( & - 8) при у — 0,4

ь

0,Б 0,4 0,3 0,8

I о3 0

\ Г3,1

0ал , (V О ' Э^Чл^

1 1 \ | 1 Л 'О 1.2 ^ ш; о \ ■ |м. ...1 ' 1 Г ■ II

1ёХ,

-1

-2

1,50 ^ 2,00 ^ 2,50 2,75 ц Рис. 3

Фьаовып портрет системы { Ь - 8 ) пря 1,-1,7 ,1 «0,4, У — 0,4

/ I гж

1,В 1,6

1,7 1,8 Рис. 4

1,0

Диаграмме устойчивости сгациогардьи решений системы ('в - 8 ) при У « 0,1

Рис. 5

Фазовый портрет системы ( 0 - 8 ) при 1,-1,04, 4=1,0 , У =0,1

Ватт-амперные харавгерксттск исследуемого ДС-ГЛ

JJ' vv 80 мА, »,»1,6 70 иА, 3.1 » = 60 мA, ij=l,2 4. однородный ре:к.

I-»

г /

4 '4-........... F

* + / /

* * * У л ¡ j yO / —j

+ * + □ □ 3

-1 1_

I..K А

20 40 Гие. 7

I ,иА

iß

характеристике ДСГЛ в однородном режиме ( обе секции находятся под одним и тем же напряжением ). Дифференциальная &Ф$сктиеность в таком режиме составила 0,4 Вт/А. Как видно из рисунка, ватт-амперные характеристики ДСГЛ с 7 => 0,1 непрерывны, монотонна и не содержат бистабильноети и гистерезиса; дифференциальная эффективность зависит от тока первой секции и варьируется в широких пределах, достигая 5 Вт/А, что на порядок вше, чем у ЛД, используемых в аналоговых ВОЛП.

Сравнительный анализ акспериментвлышх и теоретических статических характеристик ДСГЛ показал, что математическая модель (система (6-8)) применима для описания такого лазера при токе модуляторной секции не менее 0,5 мА. При меньших токах происходит подкачка модуляторной секции из усилительной, а этот эффект в модели не учитывается.

Четвертый раздел посвящен асследованшо передаточных характеристик двухсекционных лазерных диодов. На первом этапе определялось потенциальное быстродействие исследуемых образцов с у = 0,1. Как известно, ширина полосы модуляции полупроводниковых ЛД ограшченз частотой электрон- фотонного резонанса. Значение этой частоты совпадает с частотой максимума в шумовом спектре лазерного диода.

Результат« измерения зависимости частоты электрон- фотонного резонанса от токов някэчки первой и второй секций представлены на рис. 8. йз риеункэ видно, что значение этой частота лежит в низкочастотной области сантиметрового диапазона длин волн и весьма сильно зависит от тока модуляторной секции. Этйт результат не является неожиданным, ведь частота резонанса зависит прекдё всего от концентрация фотоног в резонаторе ЛД ( от выходной оптической мощности ), а ток модуляторной секции управляет именно этим параметром.

йз экспериментального исследования текже стало ясно, что ДЛЯ предотвращения значительного снижения частоты резонанса необхода» выбирать смещение второй секции не менее I мА при тока »в усилительной секции от, 70 до 80 ма. Й током случае йта частота не опустится ниже 2,5 ГГц.

Какие видятся пути для увеличения быстродействия. ДСГЛ? Принципиальной разницц в методах увеличений быстродействия

• л.-' - , - . " ' ■ ■ "

двухсекционных и обычаи, лазерных диодов нет?, а- следовательно, нет йржщйпиалькых ограничений- • в увеличении ' ширивд полосы модуляции ДСГЛ вплоть до миллиметровой области СВЧ даапазона,

Ка втором этапе рассматривался Еопрос согласования ДСГЛ о исто».чнко;д сигнала в СБЧ диапазоне. Как било показано ранее, коййищгант? передачи мощности СВЧ шдавсущай пропорционален величине. 1-|ГЙХ(/)12- Гпх(/). в свою очередь, определяйте« внутренним сопротивлением источника сигнала, импедансом самого лазерного диода и со гласу едой цепь» переданного модуля. Практически все известные ВО.® СВЧ подовсущвй работай? с 60-омиыми источниками сигнала. Импэдансг ДСГЛ, а точнее его зависимость от частота, нем требуется для построения электрической эквивалентной схема такого лазера, которая служит базой для расчете цепи согласования передающего модуля.

Результаты нзиерешт частотны/ зависимостей активной я реактивной частей импеданса второй секции иселадуешх образцов ДСГЛ - - Йв2(/Ь 1г:!2(/) и его электрическая эквивалентная схема показан:) на рис. 9. Кривче I и 2 соответствуют различным токам смещения второй секции ( I и Б мА соответственно ), ток первой секции практически на влияет на импеданс второй, если его величина превышает пороговое значение. Для сравнения на этом же рисунке пунктирными линиями показаны типичные зависимости действительной и мнимой части импеданса обычного однородного полоскового гетеролазера. Как видно из рисунка, на низких частотах Евщественная часть импеданса у ДСГЛ намного выше, чем у обычного ДД ( типичное значение йо2 на низких частотах полоскового лазера лежит в пределах 5.10 Ом ).

Реактивная часть импеданса ДСГЛ значительно слабее зависит от частоты, чем у обычного ДД, и поэтому электрический резонанс в ДСГЛ лежит на более высоких частотах. В электрической эквивалентной схеме ДСГЛ учтены: еьжость монтааа ДД - С2, индуктивность и сопротивление подводящего проводника - Ь и с .^ответственно, емкость мевду второй секцией и катодом -, сопротивление слоев полупроводника - ^, С и ^ - барьерная емкость и сопротивление р-п перехода ■ ДСГЛ. Значения этих элементов определялись по стандартной методике ( мз-тодсм поиска глобального минимума целевой функции - среднеквадратичного

а %

а

о

kl

<й «

Г

ы «

F

41

И

(U f*

«

«i E

К

с:

»Я

С

а

S Р

S iL

а

К К

, i

>íá о

I э

Б м

к о

К s<

ï*

, S

î ï

S ô

s t1

g «

S £ ÍU

Ь5 cl

S

О H

y

a IT

a>

t^* a.

отклонения расчетной от экспериментальной частотной зависимости импеданса ).

При помощи ■ электрической эквивалентной схемы была синтезирована цепь согласоваш-тя передающего модуля ЬОЛП СВЧ подаесущей диапазона 2 ГГц, Конструкция передающего модуля показана на рис. 10. Элементы передатчика размещены в корпусе 1; электрический сигнал подается на коаксиально- поласкавый переход 2 , проходит через разделительный конденсатор 01 и поступает на трансформатор сопротивлений < отрезки несимметричной полоскоеоЙ лшиш а и 6 на плате 3 ). На этой же плате размещены цепи смещения первой и второй сеюдай - 11 и 12. ДСГЛ 7 посажен и закреплен на теплопроводящей медной пластина 8. Излучение ДД собирается фокусирующим элементом Ю и направляется в волоконный световод 9. В конструкции передающего модуля использован многомодовнй градиентный световод глиной Ю м, Так как длина оптического кабеля невелика, потеря.4® и дисперсией сигнала в нем можно пренебречь. Смещение ДСГЛ подается через разъем 13. Конструкция передающего модуля ВОЛП СВЧ поднесущей На основе ДСГЛ защищена патентом.

Чтобы избежать значительных искажений и увести частоту электрон- фотонного резонанса исследуемого ДСГЛ в высокочастотную область, рабочие токи смещения первой и второй секций были выбраны 75 и 1 мА соответственно. Дифференциальная эффективность ДСГЛ в таком режиме сотавила 1.25 Бт/А.

Зависимость коэффициента передачи ВОЛП СВЧ поднесущей на основе ДСГЛ приведена на рис. 11. Максимум коэффициента передачи расположен точно на частоте 2100 МГц и имеет величину -20,5 дБ» Такого большого коэффициента передачи' не имеет ни одна из известных нам ВОЛП СВЧ поднесущей. Если снизить оптические потери ввода-вывода до 1 ^ 2 дБ, что вполне реально, то Кр можно было бы еще увеличить на 7^ дБ, что не достижимо для однородных ДД,

Такой высокий Кр получен, исключительно за счет высокой глфферейциальй0й эффективности ДСГЛ. Возможно ли еще повысить эту величину ? Как показали измерения, величиной 17 можно управлять 8 довольно широких пределах ( вплоть до 5 Вт/А ). Однако.. чем круче рабочий участок, тем труднее стабилизировать рабочую точку на нем и тем больше нелинейные искажения в передающем модуле.

Передающей модуль ВОЛП на основе ДСГЛ ( вид сверху )

Piic. 10

вевйсршсстъ к оэффпциеиt-ь передачи ВОЛП ко основе ДСГЛ от частота

Рис. Ü 22

Следует отметить, что полученные результаты позволяют уже 15 настоящее время применять исследованный ДСГЛ в ВОЛП СЕЧ подносущих, для которых рабочий диапазон не превышает 3-3,5 Л'ц ; требования к нелинейным искажениям не очень оольаие ( допустимы отношения высших к основной гармонике порядка 20 дЁ) к длина ВОЛП ке превышает 1-2 км. Последнее требование вызвано тем, что длина волны излучения исследованного ДСГЛ не является оптимальной в 0Ж1СЛ8 потерь в волоконном световоде. •

§ заключен^ приведены основные результаты и выводы' даосертационноЯ робота.

§ приложении помещены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ССНЗСШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Таким образом, в диссертационной работа получены следующие основ1шэ результаты! ,

- предложен и экспериментально опробован новый метод увеличения коэффициента передачи СВЧ поднесущей в волоконно-оптических линиях, который позволяет повысить коэффициент передачи не менее чем на 10 дБ •

~ разработан передающий модуль ВОЛП СЕЧ поднесущей диапазона 2 ГГЦ на основе двухсекционного СаАз/А1СаАа готеролазера, реализующий предложенный метод; конструкция передающего модуля защищена патентом;

- даны рекомендации по выбору вида модуляции и способам снижения потерь сигнала в ВОЛП; показано, что в настоящее время наибольший коэффициент передачи СВЧ поднесущей имеют лгшии на основе внутренней модуляции оптического излучения;

- предложено выражение для огт едэления коэффициента передачи СВЧ поднесущей в ВОЛП на основе внутренней модуляции, позволяющее увеличить, точность вычисления этого параметра не менее чем в 2 раза; при помощи эксперимента получена оценка применимости этого выражения;

- при помощи теоретических и экспериментальных .исследований определены условия устойчивости, непрерывности и высокой крутизны птт-амперных характеристик двухсекционного гетеролазера.

Это свидетельствует о том, что поставленная в диссертационной работе цель достигнута.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 .Sucholvanov I..Siierbaxko I./ Mikrowellen-bWL-Analogsysteiie.// 4,Tagung Elektronik-Technologie mit Internatloaaler Beteiligung, У.5, bis 8, Nov. 1990, Berlin, BRD, 8, 371-376.

2.Разработка волоконно-оптических средств передачи информации СВЧ диапезона. Отчет о ПИР. Харьковский даститут радиэлектронгаш, 1990, N гос. per. 018900851505, khb.N 02900044357.

3.Сухоиванов И.А..Щэрбатко И.О./ Влияние мощности модулирующего сигнала ВОЛП СВЧ па электрические параметры йнкекционного лазера.// Тезисы докл. коиф. "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информаш-эшаа систем", ОФ РДЭНТП, Севастополь, 3-5 мая I9S0 г., с.39.

4.Сухоииаков И.А..Щербзтко и.в./ К расчету передаточных характеристик волоконно-оптической линии с СВЧ п0днасущей.// Радиотехника (Харьков), Ьып.97, 1992, с.100-104.

б.Боговой Г.И..Мэкарэвич B.C..ШерОатко И.В./ ФотоприамниЯ модуль узкою поеной ВОЛИ С8Ч-псднасущей на основе лавинного фотодиода. // Волоконно-оптическая тешка ь &нт9шю~фэдэрдах устройствах. Под ред. Л.Д.Бзхраха и В.М.Сйдорина, Вып.1, изд. BBiiA. ИМ.Каковского, Москва, 1991, C.I46-T43.

б.Щербагко И.В./ Передающий модуль БОШ СЬЧ-поднесущзй на основе дкухсекционзп'х гетеролазеров.//Волоконно-оптическая техника в анхэяно-фидвргах устройствах. Под ред. Л.Д.Бахраха и B.M.üir-доркна,-Bkh.î ,изд. ВВИЛ гол.Жуковского, Москва, 1991,с.139-Ш.

Т.ВаГ;тбкунос Ф.К. .Куршялис с.К. »Щарбатко И.В./ Электрические свойства двухсекционных гетеролазеров.// Тезисы докл. Всесовз. конф. ^Физические проблему оптической связи и обработки информации", СФ РДЭНТП, Севастополь, ?.-3 сснт. 1991 г., с.46.

8.Щарбатко И.В./ Анализ нелинейных искажений при модуляцш? двухсекционного гетеролазера СВЧ-поднесущвй.// Тезиси noun. 2 Бсесоюз» конф. "Физические проблема оптической связи и обработки информации",ОФ РДЭНТП, Севастополь, 2-3 сонт, I99Î Г., С.68-69.

9. Решение пат. экспертизы: И.В.Щербатко, В.с.Макарейич, 'Й.А.Сухокваиоз. "Устройство для вирокошлосной аналоговой модуляция '-полупроводникового лазера", заявка N 49Й00&-7/25 (054730) от Zr.0G.I9SI, МКИ5 KOi S -3/103.