Введение

Несущие для широкополосных каналов связи сегодня требуют воз­можность модуляции со сверхвысокими частотами до 60 ГГц. Как из­вестно, электромагнитное СВЧ-излучение с частотами выше 10 ГГц ис­пытывает сильное затухание в коаксиальных металлических кабелях. Для стационарных каналов связи на основе кабелей возможно примене­ние концепции распределения радиочастотного излучения в качестве поднесущей по оптическому волокну («radio over fiber»,). Однако в этом случае также существует проблема генерации излучения СВЧ-диапазона и последующей модуляции этим излучением лазерного излу­чения в оптическом волокне.

Большой прогресс по рассматриваемой тематике достигнут в области СВЧ оптоэлектроники. Для волоконно-оптических линий задержки, на­пример, реализуемых на основе электрооптического преобразователя, отрезка оптического волокна и оптоэлектронного преобразователя ха­рактерны очень низкие потери на единицу длины, что приводит к воз­можности получении времен задержки сигнала до 100 мкс при увеличе­нии длины оптического волокна до 20 км.

Альтернативой традиционным СВЧ генераторам, которую предлагает СВЧ-оптоэлектроника, является оптоэлектронный генератор. Глав­ной проблемой при создании которых является высокий уровень побоч­ных мод в спектре генерации.

В работе проведено исследование эффективности методов подавле­ния побочных мод в спектрах оптоэлектронных генераторов.

Результаты исследования

Оптоэлектронный генератор, в общем, представляет собой СВЧ-усилитель с волоконно-оптической петлей обратной связи, в которой реализуется длительная задержка сигнала. После прохождения сигналом петли обратной связи на входе СВЧ-усилителя происходит интерферен­ция гармонического сигнала и шума, причем интерференция — конструк­тивная для сигнала и деструктивная — для шума.

Оптоэлектронный СВЧ-генератор с цепью положительной обратной связи с выхода на вход на основе волоконно-оптической линии задерж­ки 1, содержит электрооптический преобразователь 1 (для данного гене­ратора нумерация блоков приведена согласно рисунку 1), выход которо­го оптически соединен с входом оптоэлектронного преобразователя 3 с помощью отрезка оптического волокна 2, СВЧ-усилитель 4, вход кото­рого электрически соединен с выходом оптоэлектронного преобразова­теля 3, полосовой СВЧ-фильтр 5, вход которого электрически соединен с выходом СВЧ-усилителя 4, СВЧ-делитель 6, вход которого электриче­ски соединен с выходом полосного СВЧ-фильтра, а один из выходов электрически соединен с входом электрооптического преобразователя, другой же выход СВЧ-делителя является источником полезного гармо­нического СВЧ-сигнала. Следует отметить также, что перед входом оп-тоэлектронного преобразователя возможно установить волоконно-оптический разветвитель, один из выходов которого соединить с входом оптоэлектронного преобразователя, а другой выход будет источником модулированного оптического излучения.

Для описания спектров оптоэлектронных генераторов были развиты частотная и временная модели 2. Отметим, что в работе весь анализ вел­ся с использованием данных моделей.

В оптоэлектронном генераторе с одной петлей обратной связи для спек­тра характерна предельно узкая линия осциллирующей моды и присутст­вие набора побочных мод вблизи центральной осциллирующей моды.

Фазовый шум оптоэлектронного генератора спадает квадратично (ри­сунок 2)   при   увеличении   длительности   задержки   в   волоконно­оптической петле обратной связи. И в случае, когда длительность за­держки в петле обратной связи больше величины, обратной полосе про­пускания СВЧ-фильтра, слабо зависит от ширины данной полосы.

Также следует отметить, что расстояние между собственными мода­ми оптоэлектронного генератора уменьшается обратно пропорциональ­но увеличению длительности задержки в петле обратной связи, и, соот­ветственно, уровень побочных мод сильно зависит от ширины полосы пропускания полосового СВЧ-фильтра.

Рис. 3. Зависимость уровня побочных мод оптоэлектронного генератора от длительности задержки в петле обратной связи и ширины полосы фильтра

Также наблюдается возрастающая с возрастанием длительности за­держки в петле обратной связи зависимость уровня побочных мод.

В качестве наиболее простого варианта решения проблемы селекции мод при генерации в миллиметровом диапазоне рассмотрим оптоэлек-тронный генератор с СВЧ-оптоэлектронным сигнальным процессором с двумя волоконно-оптическими плечами обратной связи, концепция дан­ного сигнального процессора описана в. В данном оптоэлектронном генераторе есть два частотно-избирательных элемента — СВЧ-полосовой фильтр и СВЧ-оптоэлектронный сигнальный процессор с двумя воло­конно-оптическими плечами. Спектральная плотность мощности данно­го оптоэлектронного генератора нелинейно зависит от произведения ам­плитудно-частотной характеристики разомкнутой петли оптоэлектрон-ного генератора и спектра аналогичного генератора, но без всех частот­но-селективных элементов. Амплитудно-частотная характеристика ра­зомкнутой петли оптоэлектронного генератора пропорциональна произ­ведению амплитудно-частотных характеристик СВЧ-фильтра и СВЧ-оптоэлектронного сигнального процессора с двумя волоконно-оптическими плечами. Только те моды генератора могут существовать в процессе генерации, для которых амплитудно-частотная характеристика разомкнутой петли оптоэлектронного генератора больше единицы.

Прореживание «гребенки» мод оптоэлектронного генератора снижает требования к добротности полосового фильтра с полосой пропускания в разы — десятки раз большей, нежели при использовании оптоэлектрон-ного генератора с одной петлей обратной связи.

Заключение

Проведенные расчеты и моделирование позволили получать СВЧ-спектры, оптимизация параметров оптоэлектронного генератора позво­лила получить такой набор конструктивных параметров, для которого требования к добротности полосового фильтра снижены в десятки раз.

Разработанная в данной работе конструкция для генерации сверхвы­сокочастотной несущей/поднесущей может найти широкое применение в области связи, радиолокации, измерительных системах.