К настоящему времени разработано большое количество УФ, различных по принципу действия и конструкции [19-27]. Методы измерений, используемые в лазерных ВОСС, а также условия накладываемые необходимостью формирования симметричного двухчастотного излучения c поляризационным мультиплексированием в ВОТС, позволяют сформировать требования к данным устройствам.

К их числу, кроме указанных во введении, относятся: высокая стабильность и широкий диапазон разностных частот, высокий коэффициент преобразования частоты, высокая степень спектральной чистоты выходного излучения и стабильность спектральных характеристик при отклонении параметров преобразования от оптимальных, простота конструкции и эксплуатации. С учетом этих требований нами проведен сравнительный анализ основных характеристик УФ, часто используемых в формирователях сигналов и измерительных преобразователях с переносом спектра информационного сигнала. Для анализа были использованы материалы известных обзоров и некоторых специальных работ [28-37]. Результаты анализа представлены в табл.1. Основываясь на результатах анализа можно сказать следующее. Использование двухволновых и двухмодовых лазеров оставляет открытой не только проблему поляризационного мультипдексирования и стабильности разностной частоты, но и затрудняет получение малых разносов частоты (диапазон ограничен снизу частотами межмодовых интервалов). В отличии от лазеров с помощью механических устройств преобразования возможно высокоэффективное и простое получение разностных частот в диапазоне до 100 кГц.

Таблица № 1

Характеристики УФ

* - необходимы специальные меры для обеспечения перестройки;

** - не удовлетворяет в связи с появлением паразитных составляющих из-за неточного соблюдения параметров;

**** - не удовлетворяет в связи с появлением значительных по уровню паразитных составляющих при отклонении параметров преобразования от оптимальных.

Однако на практике обычно требуются разностные частоты порядка единиц МГц. Основной недостаток механических устройств - нестабильность разностной частоты, обусловленная нестабильностью вращения приводящих устройств, неоднородностью рассеивающих поверхностей. Этот недостаток препятствует широкому использованию вращающейся дифракционной решетки, несмотря на то, что с ее помощью можно получить разносы в широком, до 500 МГц, диапазоне.

В лазерной интерферометрии широкое применение получили лазеры на эффекте Зеемана, которые в соответствии с физикой работы позволяют получить двухчастотное излучение с поляризационным мультиплексированием. Следует отметить их преимущества: работа в широком диапазоне разностных частот 0,01 - 100 МГц с нестабильностью 10⁸. Отметим, что получение такого уровня нестабильности обеспечивается сложнейшими системами автоподстройки разностной частоты. Дополнительно, характерной чертой лазеров Зеемана является сильная S-образная зависимость разностной частоты излучения от величины напряженности прикладываемого магнитного поля и уровня мощности их накачки. Особо стоит вопрос формирования опорного канала для обработки измерительной информации.

Для дальнейших исследований выделим акусто - и электрооптические УФ. Их преимущества - однозначное соответствие значений разностной частоты и величины частоты управляющего поля, высокая стабильность разностной частоты, которая зависит от стабильности частоты управляющего поля, и формирование опорного канала на основе сигнала управляющего поля.

Акустооптические устройства менее стабильны и надежны в эксплуатации. Кроме того, порядки дифракции лазерного излучения формируются с отклонением от оптической оси. Поэтому основные претенденты на использование в формирующих и измерительных системах с поляризационным мультиплексированием - электрооптические УФ. К ним относятся модуляторы, использующие нелинейные и поляризационные эффекты, эффекты взаимодействия оптических и электромагнитных полей с круговой поляризацией, эффекты фазовой модуляции лазерного излучения по линейным (пилообразным) законам.

Нестабильность спектрального состава на выходе УФ, вызванная отклонением параметров управляющих электрических напряжений от оптимальных, характерна и для электрооптических устройств: в большей степени поляризационных, в меньшей степени фазовых, в еще меньшей амплитудно-фазовых. Однако в первом и последнем случаях следует отметить возможность получения симметричного двухчастотного излучения. Следует только учесть, что равенство амплитуд составляющих стабильно соблюдается лишь при амплитудно-фазовом электрооптическом преобразовании.

Таким образом, анализ подтвердил перспективность получения симметричного двухчастотного излучения с поляризационным мультиплексированием с помощью электрооптических УФ. Использование амплитудно-фазовых электрооптических УФ будет эффективным при условии совершенствования методов и средств получения симметричного двухчастотного излучения с требуемыми параметрами, в том числе поляризационными.

Рассмотрим переход от амплитудно-модулированного сигнала со стопроцентной модуляцией к сигналу биений. Этот переход можно осуществить либо за счет подавления несущего колебания, либо за счет переключения фазы амплитудно-модулированного сигнала в момент достижения его огибающей нулевого значения. Спектры исходного квазигармонического колебания со структурой амплитудно-модулированного сигнала (а) и спектры преобразованных колебаний со структурой сигнала биений, полученных по первому (б) и второму (в) вариантам, представлены на рис.1.

Рис.1. - Спектр амплитудно-модулированного сигнала до (а) и после преобразования по первому (б) и второму (в) вариантам

В этих случаях полученные спектры существенно отличаются по разностным частотам 2 (рис.1, б) и (рис.1, в) в зависимости от способа преобразования.

2. Формирователь сантиметрового диапазона

Рассмотрим первый вариант реализации. Формирователь сантиметрового диапазона был построен нами на принципах амплитудно-фазовой модуляции в классическом амплитудном электрооптическом модуляторе (АЭМ) на кристалле метаниобата лития LiNbO₃, класс симметрии 3m [11-16]. Соединение АЭМ с ЛД и ФД осуществлялось с помощью волоконно-оптических пигтейлов. При работе генератора в "нулевой" точке модуляционной характеристики выходной спектр описывается выражением:

(1)

где ₀ - угловая частота оптического излучения, а - модулирующего; индекс j в данном выражении указывает на то, что выходное излучение ортогонально вектору поляризации исходного излучения; J_2k+1 (z) - функция Бесселя (2k+1) - го порядка.

При полуволновом напряжении U_m = U_/2 получим z=/2, J₁ (z) =0,64, J₃ (z) =0,06. Одночастотный входной и двухчастотный выходной спектры излучения генератора, а также радиочастотный сигнал на выходе ФД показаны на рис.2, а-в соответственно. Максимальный коэффициент преобразования (1) равен 0,64. При коэффициенте преобразования 0,58 коэффициент нелинейных искажений не превышает 1%. Есть еще два важных момента, которые стоит отметить, это равенство амплитуд спектральных составляющих и противоположность их фаз, что важно, например, для генерации солитонов [1] и построения фотонных фильтров радиочастотных сигналов [34], вне зависимости от расположения рабочей точки, и простота перестройки частоты, что объясняется использованием одного модулирующего сигнала.

Рис.2. - Спектр входного сигнала (а), и спектры выходного излучения АЭМ при работе на линейном участке (б) и в нулевой точке модуляционной характеристики (в)

Возможность возникновения четных составляющих в спектре выходного излучения показана в (2) и может быть полезна при генерации двух ортогональных по поляризации излучений:

(2)

Теоретические результаты анализа спектра на выходе предлагаемого генератора приведены в табл.2, и получены в предположении, что модулятор смещен при нулевом приложенном напряжении постоянного смещения равном 0, а поляризаторы либо ортогональны ==45, либо параллельны ==45.

Таблица № 2

Выходные спектральные характеристики АЭМ

С выхода АЭМ излучение поступает на поляризационный светоделитель, у которого одна из главных осей ориентирована на угол 45° к модулятору. На двух выходах поляризационного светоделителя получим два оптических сигнала по двум главным осям, причем один сигнал состоит из всех оптических частот четного порядка, а другой из всех оптических частот нечетного, что позволит получить излучения разных поляризаций в диапазоне 0,3 - 1 ГГц, определяемом полосой пропускания АЭМ [15]. При этом четные гармоники и несущую можно преобразовать в двухчастотное излучение по второму варианту преобразования, описанному в разд.4.

3. Зависимость спектрального состава излучения АЭМ при отклонении от оптимальных параметров преобразования частоты

В п.2 показано, что АЭМ со скрещенными поляризаторами представляет собой требуемое нам УФ - устройство преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Как известно, основные критерии для выбора УФ: диапазон разностных частот и их стабильность, степень спектральной чистоты - наличие паразитных составляющих в выходном излучении и их уровень, зависимость спектрального состава на выходе УФ при отклонении параметров преобразования от оптимальных, а также конструктивная простота и эксплуатационная надежность. Оценим по указанным критериям выбранные АЭМ, реализующий амплитудно-фазовый способ преобразования частоты, и покажем области применения реализованного УФ.

Проанализируем модуляционную характеристику АЭМ и определим основные причины погрешностей преобразования: положение рабочей точки, отклонение величины напряжения управляющего поля и разъюстировка поляризаторов от ортогонального положения.

Когда амплитуда полезных составляющих максимальна (частота ₀, Е₁/Е₀=0,57, U_m=U), амплитуда нежелательных составляющих также максимальна (частота ₀3, Е₃=0,08Е₀). Амплитуды полезных и паразитных составляющих уменьшаются при уменьшении U_m, что связано с уменьшением вкладываемой в УФ энергии управляющего поля. При уменьшении U_m/U на 30% амплитуда полезной составляющей уменьшается на 18%. При неточной юстировке поляризаторов возможно проникновение четных составляющих в двухчастотное излучение. Обе указанные причины появления паразитных составляющих легко устранимы при качественной сборке и регулировке схемы формирователя.

Для оценки влияния изменения положения рабочей точки Г₌ использовалась формула (2). Результаты расчетов в виде зависимостей _n/₀ f (Г₌) при и изменении Г₌ от 0 до представлены на рис.3.

Рис.3. - Зависимость относительных амплитуд спектральных составляющих от изменения положения рабочей точки Г₌

Они дают полное представление о качественном и количественном составе спектра выходного излучения АЭМ. Наибольшее влияние на спектральный состав излучения оказывает отклонение положения рабочей точки от оптмального. Уход положения рабочей точки составляет 0,02 В при изменении температуры УФ на 1°С. Вызванные изменения выражаются в уменьшении амплитуд полезных составляющих на 0,5% и увеличении амплитуд паразитных составляющих на 1%.

Таким образом, были определены основные причины, приводящие к ухудшению характерстик УФ, в том числе изменению амплитуды полезных и паразитных спектральных составляющих выходного излучения, а также количеству последних. Особо необходимо стабилизировать положение рабочей точки УФ, которое определяется его температурой, ортогональностью поляризаторов и их положением относительно поляризации лазера. Для компенсации изменений положения рабочей точки используется система слежения с приложением к электрооптическому элементу УФ управляющего напряжения.

Сравнение предложенного нами УФ с известными схемами показало, что может быть достигнута более высокая стабильность спектрального состава излучения на выходе АЭМ с учетом отклонения параметров преобразования от оптимальных в заданном диапазоне. Дополнительно подтверждена более высокая степень спектральной чистоты выходного излучения в указанном диапазоне изменений+.

4. Формирователь миллиметрового диапазона на двухпортовом ММЦ

Вторая версия первого варианта получения формирователя двухчастотного излучения была смоделирована на базе двухпортового (ДП) ММЦ (рис.4) [35]. При моделировании радиочастотный сигнал с частотой 10 ГГц подавался на оба порта ДПММЦ.

Напряжение смещения изменяет фазовую задержку между интерферирующими оптическими волнами на выходе ДПММЦ и таким образом меняет интенсивность выходного сигнала.

Максимум передаточной функции соответствует случаю, когда разность фаз кратна 2р радиан (конструктивная интерференция), а минимум пропускания имеет место, когда разность фаз кратна р радиан (деструктивная интерференция).

Рис.4. - Схема устройства формирования симметричного полигармонического излучения на базе ДПММЦ

Полуволновое напряжение ДПММЦ U_р определяется как разность напряжений смещений, соответствующих максимуму и минимуму пропускания на модуляционной характеристике.

В работе [10] было показано, что симметричное двухчастотное излучение с подавленной несущей было получено при следующих условиях: разность в прикладываемых напряжениях смещения должна соответствовать полуволновому напряжению ДV_B = V_B1 - V_B2= U_р, а прикладываемые модулирующие напряжения должны быть одинаковы по амплитуде, но противоположны по знаку U_1RF (t) = - U_2RF (t), что позволит устранить фазовый чирп выходного сигнала.

Тогда спектр выходного сигнала будет иметь вид:

(3)

Спектр входного одночастотного и выходного двухчастотного излучений представлены на рис.5, а и рис.5, б соответственно.

Рис.5. - Спектры лазерного излучения на входе (а) и на выходе (б) ДПММЦ

При экспериментальной реализации в диапазоне 1550 нм при частоте модуляции щ_RF = 20 ГГц, разнос между компонентами двухчастотного сигнала составил 40 ГГц, подавление несущей и паразитных компонент спектра составило 20 дБ, что в принципе не достаточно для формирования несущей радиодиапазона с требуемым уровнем фазовых шумов.

Для того, чтобы на выходе ММЦ получить поляризационное мультиплексирование необходимо использование специальной конфигурации модулятора - без выходного поляризатора. При этом, для того чтобы задать режим работы в максимальной точке для медленной оси необходимо ввести разность фаз между ортогональными поляризациями в одном из плеч модулятора. Этого можно добиться за счет введения волновой пластины в плечо кристалла интегральной схемы.

5. Формирователь миллиметрового излучения на основе поляризационного модулятора ПолМ

Поляризационный модулятор (ПолМ) представляет собой специальный фазовый модулятор, который поддерживает обе моды ТМ и ТЕ, обеспечивая модуляцию фазы в каждой из них, но с противоположным знаком. Такая модуляция достигается при настройке контроллером поляризации вектора поляризации исходного излучения таким образом, чтобы его положение составляло 45 с одной из принципиальных осей ПолМ.

Нормированное оптическое поле на выходе ПолМ может быть описано следующим образом:

(4)

где в₁ индекс фазовой модуляции в ПолМ, который определяется как рU_p/U_р при соответствующих значениях амплитуды модулирующего напряжения U_p и полуволнового напряжения U_р.

ПолМ изготавливается по технологии GaAs, обладает коэффициентом контрастности 20, вносимыми оптическими потерями 3,5 дБ и полуволновым напряжением до 3,5 В в диапазоне частот от 40 до 80 ГГц. При использовании модулятора указанного класса достаточно просто реализуются все виды модуляции, включая амплитудно-фазовую, полученную нами на кристаллах LiNbO₃ и представленную в работах [9-10, 15-17].

Рис.6. - Поляризационный модулятор: структурная схема (а) с указанием осей и эволюции поляризаций ЛД, ПолМ и ПСД (поляризационный светоделитель, призма Валлостона); выходной спектр излучения (б) по осям ПСД

Контроллер поляризации на выходе ПолМ позволяет либо объединить обе составляющие, либо выделить каждую из них. Использование ПолМ совместно с контроллером поляризации и поляризатором с высокой экстинкцией позволяет добиться результатов сходных с использованием модулятора Маха-Цендера. Рабочая точка в данном случае задается контроллером поляризации, за счет внесения дополнительной разности фаз в выходной сигнал модулятора.

От использования поляризационного контроллера в данной схеме можно отказаться. В этом случае рабочая точка будет задаваться постоянным смещением, подмешиваемым к модулирующему сигналу, аналогично АЭМ. Постоянный сдвиг фаз будет определяться как множитель полуволнового напряжения.

Распространение ПолМ ограничивается сложностью изготовления, а также необходимостью применения специальных интерферометрических схем включения.

6. Тандемный формирователь миллиметрового излучения на стандартных ММЦ

Рассмотрим второй вариант реализации. Формирование двухчастотного излучения можно осуществить за счет переключения фазы амплитудно-модулированного сигнала в момент достижения его огибающей нулевого значения.

Простейшим колебанием для амплитудной модуляции, удовлетворяющим требованиям двухчастотности, является колебание вида , где S₁ его постоянная амплитуда, а начальная фаза. При этом фазу несущего колебания ₀ будем коммутировать на при прохождении огибающей амплитудно-модулированного колебания минимума. В случае амплитудной модуляции колебанием S₁ (t) коммутируемой несущей получим результирующее колебание, имеющее спектр следующего вида:

(5)

где m коэффициент амплитудной модуляции.

Из анализа (4) видно, что первое слагаемое в больших квадратных скобках определяет спектр коэффициентов ряда Фурье коммутируемой несущей, а второе и третье описывают подавляющее воздействие на его составляющие модулирующим колебанием. Степень подавления зависит от коэффициента модуляции m. Приняв E₃ = 0, получим, что оптимальный коэффициент модуляции m_opt = 5/9, при этом результирующее колебание практически двухчастотно (E₁=0,76E₀), так как амплитуда спектральных составляющих E_n E₁/15 для n 5. При изменении коэффициента модуляции в пределах (0,85 - 1,15) m_opt коэффициент нелинейных искажений выходного колебания не будет превышать 1%.

Полного подавления боковых составляющих с n 3 можно добиться при использовании для амплитудной модуляции колебания вида S₂ (t) = S₀sint. Тогда результирующее колебание будет иметь следующий спектр:

(6)

где b - коэффициент амплитудной модуляции.

Амплитуда спектральных составляющих будет определяться коэффициентами ряда Фурье и для n=1 E₁= [2E₀/] [1b] + [E₀b/4], а для n3 E_n = [2E₀/n] [1b]. При b_opt=1 спектр содержит две полезных составляющих на частотах ₀+ и ₀, паразитные составляющие полностью подавлены. При изменении коэффициента модуляции в пределах (0,7-1) b_opt коэффициент нелинейных искажений выходного колебания не будет превышать 1%.

Таким образом, двухчастотное излучение может быть получено с помощью тандемной схемы: амплитудного модулятора, работающего на линейном участке рабочей характеристики, и фазового (рис.7). При этом для управления фазовым модулятором используется блок преобразования синусоидального сигнала с частотой в меандр с частотой /2 для фазовой коммутации с соответствующими амплитудами управляющих напряжений.

Рис.7. - Формирователь двухчастотного излучения с полностью подавленной несущей: 1 - амплитудный электрооптический модулятор; 2, 4 - поляризационный делитель; 3 - фазовый электрооптический модулятор; 5 - источник постоянного смещения; 6 - генератор модулирующего напряжения; 7 - схема управления фазовым модулятором; 8,9 - развязывающие элементы

Спектр излучения для двух составляющих на выходе модуляторов в данном случае описывается выражением:

(7)

Как видно из (6) разностная частота между составляющими двухчастотного излучения ? равна частоте модулирующего сигнала. Составляющие высших гармоник можно не учитывать в силу малости их амплитуд. Получено сужение разностной частоты в два раза по сравнению с классическими схемами ее удвоения, применяемыми в практике известных радиофотонных систем, например, при использовании одного амплитудного модулятора, работающего для подавления несущей в "нулевой" точке модуляционной характеристики, как указывалось в (1) и (2).

В зависимости от круга решаемых задач, возможны несколько вариантов реализации схемы. Представленный на рис.7 вариант позволяет однозначно решить проблему адресации ортогональных поляризаций по частоте биений, без применения схем разделения поляризации на приемной стороне.

Возможна схема с последовательным включением амплитудного и фазового модулятора без разделения каналов в поляризационном делителе. В данном случае переключение поляризации осуществляется либо с помощью перестройки выходного анализатора, либо коммутацией постоянного смещения в определенные моменты времени. Стоит заметить, что в этом варианте фазовой модуляции подвергаются обе составляющие, а также происходит временное разделение поляризаций, зависящее от времени перестройки анализатора/переключения напряжения смещения.

Заключение