На правах рукописи

Лопарев Алексей Викторович

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Специальности: 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы и 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микрои нано- электроника, приборы на квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011 2

Работа выполнена в объединенной научно-исследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные и оптоэлектронные устройства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики".

Научный руководитель: доктор технических наук БЕЛКИН Михаил Евсеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КУЗИН Александр Юрьевич кандидат технических наук, доцент СТАРИКОВСКИЙ Анатолий Иванович

Ведущая организация: ФГУП «НПП «Пульсар»

Защита состоится "27" сентября 2011 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу:

119454 г. Москва, пр. Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Автореферат разослан "" _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Вальднер В.О.

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Последние годы характеризуются новым этапом активного развития радиоэлектронных приборов и устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Данная тенденция обусловлена постоянно возрастающими объемами информации, передаваемых посредством твердотельных микроэлектронных устройств. Исследуемый в настоящей диссертации твердотельный СВЧ генератор является принципиальным устройством радиоэлектронного средства любого назначения, и в настоящее время широко используется в космической, сотовой и спутниковой связи, телевидении и радиовещании, широкополосных технологиях беспроводной передачи данных Wi-Fi и WiMax.

Традиционно в качестве активного элемента автогенераторов в СВЧ диапазоне используются диоды (генераторы на диодах Ганна и лавиннопролетных диодах) и транзисторы (биполярные и полевые). Повышение рабочей частоты генерации и других вышеперечисленных показателей обеспечивается за счет совершенствования технологии изготовления гомоструктурных полевых транзисторов с барьером Шоттки (MESFET) [1] и гетероструктурных биполярных и полевых транзисторов (HBT/HEMT) [2].

Революционным шагом на пути совершенствования технологии создания генераторов СВЧ диапазона явился переход от гибридных к монолитным интегральным схемам (МИС) на арсенид-галлиевых подложках.

Этот процесс сопровождается не только ужесточением требований к традиционным параметрам СВЧ генератора: мощности, полосе перестройки, частотным шумам, уровню гармоник, но и появлением новых критических параметров, характеризующих степень интегрирования, например, габаритных размеров МИС. Последний параметр должен выбираться на базе компромиссного решения с учетом технологических ограничений, современных тенденций по развитию многофункциональных СВЧ МИС, взаимодействия электромагнитных полей схемных элементов и т. д.

Альтернативный путь совершенствования принципов построения и основных характеристик твердотельных СВЧ приборов состоит во внедрении технологий сверхвысокочастотной оптоэлектроники (СОЭ), предмет исследований которой находится на стыке фотоники и СВЧ радиоэлектроники [3, 4]. Среди активно исследуемых в настоящее время телекоммуникационных систем с использованием устройств СОЭ можно выделить сети абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры [5], а также системы локальной информационно-телекоммуникационной системы распределения волоконно-эфирной структуры [6]. Основными направлениями развития таких систем в настоящее время являются: увеличение пропускной способности канала передачи, а также их объединение в мультисервисную инфраструктуру связи [7].

Одним из наиболее перспективных функциональных элементов СОЭ является оптоэлектронный генератор (ОЭГ, Optoelectronic oscillator, OEO) [8]. Основным преимуществом ОЭГ по сравнению с традиционными микроэлектронными СВЧ генераторами является более низкий уровень шумов в значительно более широком рабочем диапазоне частот [9], что представляет собой принципиально новый подход к созданию прецизионных малошумящих источников радиосигналов [10]. Помимо этого, проведенные исследования его термостабильности и чувствительности к механическим перегрузкам продемонстрировали высокую долговременную стабильность частоты генерации [11] и слабую чувствительности к ускорению [12], то есть перспективность применения ОЭГ в системах бортовой аппаратуры авиационного, наземного и морского базирования.

Еще одно важное достоинство ОЭГ состоит в принципиальной возможности преодоления известного компромисса при проектировании монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ генераторов, управляемых напряжением (ГУН), заключающегося в выборе между широкой полосой перестройки и низкими частотными шумами, поскольку для расширения полосы перестройки МИС ГУН нужно уменьшать его внешнюю добротность, а для уменьшения уровня частотных шумов ее необходимо увеличивать [13]. В случае ОЭГ полоса перестройки частоты не зависит от внешней добротности и определяется минимальными полосами пропускания элементов его структурной схемы. Кроме того, верхний диапазон частоты генерации ОЭГ ограничен полосой пропускания оптоэлектронных компонентов, которая в настоящее время уже составляет сотни гигагерц [14], что, вследствие фундаментальных ограничений, трудно достижимо для современных интегральных СВЧ генераторов [10].

Проведенный анализ публикаций показал, что в последние годы ОЭГ активно исследуется в основном для телекоммуникационных применений, и практически не охвачены другие перспективные направления его применения, такие как, например, измерительная техника. Следует также отметить, что исследования ОЭГ в своем подавляющем большинстве носят экспериментальный характер. Так, к настоящему времени разработана теоретическая модель функционирования ОЭГ в квазистатическом приближении [15], что не позволяет корректно описать его функционирование в рабочем режиме. Кроме того, в работе [13] на основе единого волнового подхода разработана модель ОЭГ в приближении большого сигнала, корректная только для стационарного режима генерации. Таким образом, отсутствие полной модели функционирования ОЭГ в переходном и стационарном режимах значительно ограничивает уровень и скорость его внедрения в системы телекоммуникации, радиолокации и метрологии.

В связи с вышеизложенным целью данной работы является дальнейшее совершенствование методов и процессов моделирования и разработки твердотельного СВЧ генератора с использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового оптоэлектронного подходов. Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:

Разработка и исследование аналитической модели ОЭГ для полного описания режима его функционирования.

Разработка и исследование объектно-ориентированной модели ОЭГ для моделирования спектральных и шумовых характеристик различных структурных схем ОЭГ.

Разработка и исследование принципиальной схемы и топологии монолитной интегральной схемы перестраиваемого СВЧ транзисторного генератора.

Разработка экспериментальных макетов ОЭГ и монолитной интегральной схемы транзисторного СВЧ генератора для верификации результатов моделирования.

Разработка принципов функционирования и схемы прецизионного датчика оптико-физических параметров волноводных сред на базе ОЭГ и проведение его моделирования и экспериментального исследования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались современные принципы исследования и разработки оптоэлектронных приборов и микроэлектронных интегральных схем, методы теории автогенераторов СВЧ колебаний, а также метод медленно меняющихся амплитуд для решения нелинейного дифференциального уравнения ОЭГ.

Научная новизна. К основным новым научным результатам, полученным в ходе исследований по теме диссертации, относятся:

1. На базе метода медленно меняющихся амплитуд разработана аналитическая модель полного функционирования оптоэлектронного генератора, описывающая процессы самовозбуждения и стационарной генерации.

2. С использованием одномодовых скоростных уравнений лазера с распределенной обратной связью и схемы оптоэлектронной обратной связи с волоконной линией задержки разработана объектно-ориентированная модель ОЭГ, позволяющая с высокой точностью анализировать спектральные и шумовые характеристики одноконтурной и многоконтурных структурных схем ОЭГ.

3. Путем моделирования и экспериментального подтверждения показана возможность разрешения с помощью ОЭГ известного недостатка традиционных генераторов сигналов СВЧ диапазона, заключающегося в компромиссе между низкими частотными шумами и широкой полосой перестройки.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Развиты принципы моделирования и проектирования генератора сигналов СВЧ диапазона на базе оптоэлектронного и микроэлектронного подходов.

2. Реализован и исследован макет ОЭГ, обладающий ультраширокой полосой перестройки 3-12 ГГц и на 20 дБ меньшими фазовыми шумами по сравнению с традиционными транзисторными СВЧ генераторами.

3. Разработаны методики компьютерного проектирования однотактной и балансной монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных СВЧ генераторов.

4. Предложена и теоретически и экспериментально исследована схема ОЭГ в качестве нового прецизионного датчика оптико-физических параметров волноводных сред, функционирующего в режимах «на проход» и «на отражение».

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и математических преобразований, совпадением результатов моделирования математического и компьютерного моделирования спектральных и шумовых характеристик ОЭГ с результатами его экспериментального исследования, а также использованием прецизионного, метрологически аттестованного измерительного оборудования.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР в ИСВЧПЭ РАН и МЦАИ РАН, а также вошли состав 8-ми отчетов по НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» и ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполненным в Объединенной научноисследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные и оптоэлектронные устройства», МИРЭА.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009, Moscow, Russia); International Conference on Micro- and nanoelectronics (ICMNE 2009, Moscow-Zvenigorod, Russia); 52-я научная конференция МФТИ (52-я НК МФТИ, 2009 г., Москва-Долгопрудный); Международная научнотехническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic 2009, 2010, Москва); IX-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар – 2010, Звенигород); 58-я, 59-я и 60-я научно-технические конференции МИРЭА (НТК МИРЭА 2009 и 2010, Москва), Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения», МИРЭА, 2011; научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики, ФИАН им. П.Н. Лебедева (1 июня 2011 г.).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 в ведущих российских журналах, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или в соавторстве с научным руководителем, о чем свидетельствует приведенный ниже список публикаций по теме диссертации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Условие самовозбуждения ОЭГ определяется интегральной крутизной его модуляционной характеристики в петле обратной связи.

При этом длина волоконно-оптического тракта не влияет на время установления стационарного режима и должна подбираться, исходя из компромисса между уровнем ЧМ шумов и областью свободной дисперсии в спектре генерации ОЭГ. Время установления стационарного режима определяется коэффициентами усиления предварительного электрического усилителя и усилителя мощности, а также амплитудой шума напряжения на управляющем входе модулятора интенсивности оптического излучения.

2. Сопоставление разработанной аналитической модели с известной моделью ОЭГ в квазилинейном приближении позволяет уточнить зависимость амплитуды стационарных колебаний от коэффициента прямой передачи при его значениях больше 1, что соответствует реальному режиму возбуждения ОЭГ.

3. Обнаруженный эффект подавления боковых мод в спектре генерации ОЭГ, обусловленный наличием в его структурной схеме петли положительной обратной связи. Данный эффект был предсказан с помощью разработанной объектно-ориентированной модели ОЭГ и подтвержден в экспериментальной части работы.

4. Сравнение результатов компьютерного расчета частотных шумов ОЭГ по предложенной объектно-ориентированной модели позволяет уточнить результаты, полученные с помощью широко известной формулы Лисона, при отстройках от несущей более 10 кГц.

5. Исследования, проведенные в диссертации, позволили разработать оптоэлектронный генератор СВЧ сигналов с полосой перестройки более двух октав и уровнем фазовых шумов в среднем на 10-20 дБ ниже по сравнению с перестраиваемыми транзисторными СВЧ генераторами и синтезаторами частот, построенными по традиционным принципам.

6. Принцип действия, варианты реализации, результаты моделирования и экспериментального исследования прецизионного двухрежимного датчика оптико-физических параметров волноводных сред на основе ОЭГ.

Полученная чувствительность 1,3 МГц/мм на частоте генерации 12 ГГц в прецизионном режиме измерений и чувствительность 74 кГц/м в стандартном режиме измерений обосновывает перспективность его применения в области исследования оптических интегральных схем и прецизионной рефрактометрии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет стр. машинописного текста, который содержит 6 таблиц, 81 рисунок, формулы, 119 наименований библиографии.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Белкину М.Е. за интересную совместную работу и ценные замечания и аспиранту Белкину Л.М. за помощь в проведении измерений макета оптоэлектронного генератора.

Во введении кратко обоснована актуальность выбранной научной проблемы, описано состояние проблемы в настоящее время, сформулированы цели и задачи исследования, приведены сведения о публикации результатов диссертационных исследований автора и краткие сведения о внедрении результатов исследования.

В первой главе отражены современные принципы построения и тенденции развития твердотельных генераторов сигналов СВЧ диапазона. В качестве основных направлений совершенствования твердотельных генераторов СВЧ диапазона рассматриваются внедрение методов сверхвысокочастотной оптоэлектроники, а также методы оптимизации существующих подходов к разработке транзисторных СВЧ генераторов на базе монолитных интегральных схем.

В частности, отражен анализ современного состояния исследований оптоэлектронного генератора и области его применения. Приводится традиционная структурная схема ОЭГ (рис. 1) и краткое пояснение принципов его работы в стационарном режиме генерации [4].

лазерный модуль (ПЛМ), модулятор интенсивности излучения (МИИ), волоконнооптический тракт (ВОТ) и фоРис. 1. Структурная схема оптоэлектрон- тодиодный модуль (ФДМ), а в ного генератора состав радиотехнического узла - предварительный электрический усилитель (ПЭУ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ), усилитель мощности (УМ) и делитель мощности (ДМ).

Также в первой главе выделяются основные характеристики ОЭГ.

Так, среди спектральных характеристик ключевыми являются частота и мощность генерации основной спектральной компоненты, расстояние между соседними модами, обозначаемое в специализированной литературе как область свободной дисперсии (ОСД), а также уровень подавления боковых мод. Среди шумовых характеристик отмечается значимость кратковременной (ЧМ-шумы) и долговременной стабильности частоты генерации ОЭГ. Приводится обзор шумовой модели ОЭГ [9], основанной на формулах Лисона для генератора с обратной связью [10].

Приводится обзор существующих методов улучшения спектральных и шумовых характеристик ОЭГ за счет применения многоконтурных [12, 13] и инжекционно синхронизированных в радиочастотном диапазоне [14] схем ОЭГ, а также схем на базе двух ПЛМ [15]. Приводится анализ возможности реализации ОЭГ в монолитном интегральном исполнении.

Сформулированы основные критерии совершенствования монолитных интегральных схем транзисторных генераторов, а также принцип компромиссного улучшения параметров генераторов данного типа за счет ухудшения других его параметров.

В завершении первой главы отмечается преимущественное применение ОЭГ в качестве составного элемента телекоммуникационного оборудования, что предопределило основное направление его развития. Также отмечен факт, в основном, экспериментального характера исследования ОЭГ. Обосновывается необходимость создания полной модели функционирования ОЭГ.

Вторая глава посвящена особенностям разработки полной модели функционирования ОЭГ. В частности, приводится подробное описание разработанной аналитической модели ОЭГ, основанной на едином волновом подходе. В качестве нелинейного элемента в разработанной модели ОЭГ рассматривался электрооптический модулятор на основе интегрального интерферометра Маха – Цандера, а в качестве ППФ фильтр второго порядка. В результате было получено нелинейное дифференциальное уравнение ОЭГ 2-го порядка:

где Uвх(t)- напряжение, поступающее на управляющий вход модулятора, зависящее от времени; L,C,R – величины индуктивности, емкости и сопротивления нагрузки ППФ 2-го порядка, – коэффициент передачи в оптическом узле ОЭГ, – коэффициент передачи в радиотехническом узле, U – полуволновое напряжение МИИ, Фн - набег разности фаз, обусловленный технологическим неравенством длин оптических путей плеч интерферометра, t – время задержки ВОТ.

Полученное уравнение было решено методом медленно меняющихся амплитуд в допущении близости формы возникающих колебаний к гармоническим. В результате было получено выражение, определяющее изменение амплитуды колебаний ОЭГ во времени:

А(0) – амплитуда шумов ОЭГ в момент времени t=0, соответствующее моменту времени подачи постоянного напряжения смещения на управляющий вход МИИ, Uр.т. – напряжение рабочей точки МИИ, В качестве примера рассмотрен генератор со следующими типичными значениями параметров элементов схемы ОЭГ: U=5,5 В, Фн=-22°, С=1, пФ, L=0,23 нГн, R=50 Ом, = 3,0778·10-2 В, = 40, А(0)=10-6 В.

На рис. 2, а показан процесс нарастания амплитуды колебаний ОЭГ во времени A(t), и изменение переменной составляющей напряжения U(t), поступающего на управляющий вход МИИ. Значение амплитуды было рассчитано для следующих типичных значений параметров элементов схемы ОЭГ: U=5,5 В, Фн=-22°, С=1,6 пФ, L=0,23 нГн, R=50 Ом, = 3,0778·10-2 В, = 40, А(0)=10-6 В. На рис. 2, б показана зависимость амплитуды колебаний ОЭГ от коэффициента передачи в радиотехническом узле : A1(t) при 1=39.895, A2(t) при 2=40, A3(t) при 3=40.125, A4(t) при 4=40.25, A5(t) при 5=40.5, A6(t) при 6=41. Время установления стационарного режима работы ty показано пунктирной линией.

Рис. 2. Процесс самовозбуждения и нарастания амплитуды колебаний ОЭГ (а) Зависимость амплитуды U(t) на управляющем входе МИИ при разных значениях передачи в радиотехническом узле (б).

Как известно, для прецизионного контроля оптико-физических параметров сред, в частности волноводных структур, традиционно используются интерференционные методы. Так задача измерения длины волновода может быть решена с помощью интерферометра Майкельсона с модуляцией фазы в опорном плече, а задача измерения показателя преломления – с помощью интерференционного микроскопа [18]. Однако применение сложных интерферометрических методов для исследования параметров интегрально-оптических волноводов имеет ряд ограничений.

Так, например, для измерения длины волновода основной проблемой является эффективный ввод лазерного излучения в изучаемую структуру.

В свою очередь, измерение показателя преломления возможно лишь при отсутствии оптически непрозрачных покрытий на верхней поверхности волновода, что, как правило, нереально для оптоэлектронных интегральных схем.

На основе разработанной аналитической модели ОЭГ нами был предложен эффективный в вышеуказанных условиях метод измерения оптикофизических параметров волноводных сред с использованием в качестве излучателя и приемника тестового сигнала ОЭГ. Принцип измерения длины оптического волновода с помощью ОЭГ заключается в следующем. С учетом принятого в модели ОЭГ приближения малости времени задержки структурных элементов по сравнению с временем задержки ВОТ t, условие баланса фаз для ОЭГ будет определять эквидистантный ряд частот генерации следующим образом:

где f0 – частота генерации k-й моды, c – скорость света в вакууме, n – групповой показатель преломления кварцевого стекла, l – длина ВОТ.

Из (3) следует, что расстояние между соседними модами f (ОСД) определяется следующим образом: ОСД = c (n l ). Нужная мода в спектре генерации ОЭГ выделяется с помощью ППФ. Как следует из (3), при введении испытуемого волновода произойдет увеличение общей длины ВОТ, что вызовет уменьшение частоты генерации, которое может быть зарегистрировано с помощью подключенного к выходному порту ОЭГ (рис. 1) анализатора спектра. Соответствующий сдвиг частоты генерации при введении испытуемого волновода в петлю обратной связи ОЭГ:

где L, n – длина и показатель преломления эталонного волокна соответственно; dl, n1 – соответственно длина и показатель преломления испытуемого оптического волновода. На рис. 3 приведена зависимость спектральной чувствительности датчика оптико-физических параметров оптических волноводов на основе ОЭГ от частоты его генерации и длины эталонного волокна.

Рис. 3. Зависимость спектральной чувствительности датчика на основе ОЭГ от частоты генерации и длины эталонного волокна (а), сечения графика по оси частоты генерации (б) и оси длины эталонного волокна (в) Как следует из рис. 3, (а), чувствительность датчика оптикофизических параметров интегральных волноводов на основе ОЭГ линейно возрастает с увеличением частоты генерации и обратно пропорциональна длине эталонного волокна в петле обратной связи. При этом длина эталонного волокна должна подбираться исходя из компромисса между ОСД и ЧМ шумами ОЭГ. Поэтому, основным путем повышения чувствительности рассматриваемого датчика является повышение частоты генерации ОЭГ.

Для моделирования спектральных и шумовых характеристик ОЭГ в САПР VPI Transmission Maker нами была разработана объектноориентированная модель ОЭГ. На рис. 4, а приведена структурная схема одноконтурного ОЭГ, реализованная в САПР VPI Transmission Maker.

Кроме того, на рис. 4,б приведена предложенная схема для измерения ЧМ шумов ОЭГ.

Рис. 4. Структурная схема модели одноконтурного ОЭГ в САПР VPI Transmission Maker (а), схема для измерения его ЧМ шумов (б) и зависимость подавления побочных мод ОЭГ для различной полосы пропускания С целью определения оптимальной длины ВОТ для эффективного подавления боковых гармоник был проведен модельный эксперимент по изучению влияния типа используемого фильтра в качестве ППФ и полосы его пропускания на уровень подавления соседних гармоник в спектре генерации ОЭГ. Результаты моделирования приведены на рис. 4, в. Как следует из рисунка, при полосе пропускания фильтра 12 МГц, подавление соседних боковых гармоник составило более 20 дБ (при lВОТ=70 м) и 35 дБ (при lВОТ=50 м). Таким образом, для обеспечения одночастотного режима генерации одноконтурного ОЭГ наиболее оптимально, исходя из компромисса уровня подавления соседних гармоник и уровня ЧМ-шумов ОЭГ, будет использование ВОТ длиной 50-70 м.

На рис. 5 приведен результат моделирования спектра генерации ОЭГ при эквивалентной длине волокна 65 м и спектры однополосного ЧМшума при стандартной для СВЧ генераторов величине отстройки от несущей частоты на 10 кГц, 100 кГц и 1 МГц.

Рис. 5. Спектр генерации одноконтурного ОЭГ (lВОТ=65 м) (а) и уровень мощности ЧМ шумов в полосе 10 Гц (б) Как следует из рис. 5, а, ОСД составила 2,35 МГц; при этом соседние моды подавлены более чем на 40 дБ при мощности генерации 7,14 дБ. Как известно [19], мощность ЧМ-шумов Sdf определяется, исходя из следующего соотношения: S df = Posc Pdf f, где Posc – мощность генерации ОЭГ;

Pdf – мощность в полосе фильтра при отстройке от несущей на df; f – шумовая полоса. С учетом этого соотношения и данных рис. 5, б, приведенные уровни ЧМ-шума ОЭГ соответствуют следующим значениям: S10кГц= дБн/Гц, S100кГц= - 121,05 дБн/Гц и S1МГц= - 138,69 дБн/Гц. Разработанная объектно-ориентированная модель ОЭГ была успешно использована для моделирования основных характеристик многоконтурных и инжекционно синхронизированных схем ОЭГ. Результаты моделирования сведены в табл. 1.

Сравнение основных рассмотренных вариантов реализации ОЭГ Варианты реализации структурной схемы рации, дБм/ ОСД, отстройке от несущей:

Одноконтурная (lВОТ=650 м) 7,09 / - 0,295 - 115,48 - 131,73 Двухконтурная с одним управляемым плечом МИИ (lВОТ1=65 м и lВОТ=650 м) Двухконтурная с двумя управляемыми плечами МИИ (lВОТ1=65 м и lВОТ2=650 м) Трехконтурная с одним управляемым плечом МИИ (lВОТ1=65 м, lВОТ2=650 м и 6,26 / 45 2,36 - 113,71 - 130,17 - 146, lВОТ3=3,25 км) Трехконтурная с двумя управляемыми плечами МИИ (lВОТ1=65 м, lВОТ2=650 м и 5,12 / 60 2,35 - 113,82 - 130,21 - 146, lВОТ3=3,25 км) Инжекционно синхронизированная (lВОТ1=65 м и lВОТ=650 м) Исходя из анализа результатов, приведенных в таблице, следует, что наименьшими ЧМ шумами при одинаковом значении ОСД обладает инжекционно синхронизированный ОЭГ. Однако данный вариант построения ОЭГ содержит два МИИ в отличие от двухконтурных схем, что значительно усложняет структурную схему такого ОЭГ. Также схема инжекционно синхронизированного более критична к соотношению длин ВОТ в линиях обратной связи ведущего и ведомого ОЭГ для достижения режима стационарной генерации. С другой стороны, трехконтурные схемы ОЭГ обладают схожими значениями ЧМ шумов за счет использования дополнительной линии задержки (lВОТ=3,25 км). Поэтому, вариант построения структурной схемы ОЭГ должен выбираться из конкретных технико-экономических условий эксплуатации.

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования и анализа схем твердотельного транзисторного генератора СВЧ колебаний в интегральном исполнении.

В ходе проектирования его схемы в качестве генераторного и регулирующего элементов использован один и тот же разработанный в ИСВЧПЭ РАН GaAs гетероструктурный полевой транзистор с двумя затворами длиной 0,1 мкм и шириной 75 мкм (частота отсечки порядка 60 ГГц). В качестве нелинейной модели полевого транзистора в библиотеке элементов Microwave Office была выбрана модель Ангелова (Angelov2), широко применяемая при моделировании СВЧ монолитных усилителей мощности и генераторов. Разработка модели твердотельного генератора на гетероструктурных полевых транзисторах осуществлялась в следующей последовательности:

• выбор структуры схемы генератора и способа обратной связи;

• выбор режима постоянного смещения, при котором обеспечивается требуемая выходная мощность;

• выбор схемы и регулировка цепи обратной связи для получения требуемого отрицательного сопротивления или проводимости на границе прибор-схема;

• выбор схемы и регулировка граничного импеданса цепи нагрузки для выполнения баланса амплитуд и фаз.

В результате, были разработаны принципиальные схемы однотактного СВЧ генератора на гетероструктурных полевых транзисторах с общим затвором и балансного СВЧ генератора на гетероструктурных полевых транзисторах с общим истоком. На рис. 6 приведены результаты моделирования их принципиальных электрических схем (а,б), а также сравнение их спектральных (в) и шумовых характеристик (г).

Рис. 6. Принципиальные электрические схемы однотактного (а) и балансного (б) генератора СВЧ колебаний на гетероструктурных полевых транзисторах, а также результаты сравнения их спектральных (в) и шумовых характеристик (г).

В результате проведенного моделирования твердотельных генераторов СВЧ сигналов в интегральном исполнении были сделаны следующие выводы:

• Однотактный вариант построения генератора обладает существенно (на 30%) большей мощностью первой гармоники, что объясняется более тщательной настройкой его схемы и большими потерями в использованных в балансном варианте пассивных цепях с сосредоточенными параметрами.

• Вторая и третья гармоники однотактного варианта разработанного твердотельного генератора подавлены соответственно на 51 и 55 дБ, а балансного – соответственно на 11 и 28 дБ. Такая большая разница объясняется принятием в схеме однотактного генератора специальных мер по подавлению высших гармоник (шлейф TL5 на рис. 6, а).

• Полоса перестройки частоты однотактного генератора также получилась на 30% больше по сравнению с балансным вариантом, что, наиболее вероятно, объясняется принятой в нем схемой включения транзистора с общим затвором.

• Уровень ЧМ-шумов однотактного генератора получился на 10 дБ больше, что является очевидным следствием применения во втором варианте балансной схемы.

• Ток потребления балансной схемы получился в два раза больше ( мА по сравнению с 65 мА), что объясняется наличием в ней двух активных элементов.

• Площадь кристалла МИС балансного генератора получилась более чем на 30% меньше площади МИС однотактного генератора, что является преимуществом реализации пассивных схемных элементов на основе цепей с сосредоточенными параметрами.

В четвертой главе проводится экспериментальная верификация результатов теоретических исследований. В частности, рассматриваются вопросы разработки и экспериментального исследования макета перестраиваемого ОЭГ на одномодовым оптическим волокном (=1550 нм, =0,2 нм (по уровню -20 дБ при мощности излучения 10 мВт)). Для предотвращения попадания отраженного от оптических разъемов и чувствительного окна фотодиода лазерного излучения, к выходу ПЛМ подключен оптический изолятор (ОИ). Для передачи максимальной мощности оптического излучения на вход МИИ в схеме разработанного макета ОЭГ к выходу ОИ подключен волоконный контроллер поляризации (КП). В качестве МИИ использовался модулятор на основе интегрального интерферометра Маха-Цандера с одним управляемым плечом (полоса модуляции 40 ГГц, U=2 В). В качестве ВОТ использовались катушки одномодового волокна с длиной 3,5; 65 и 650 м являющиеся резонатором модели ОЭГ. В разработанном макете ОЭГ использовался ФДМ с токовой чувствительностью 0,65 А/Вт, напряжением смещения 2,8 В, полосой пропускания 50 ГГц. В качестве ПЭУ использовались малошумящие усилители МШУ 1-2 и МШУ 1-3. В качестве ППФ использовался фильтр с резонатором на резонатор на железо-иттриевом гранате (мгновенная полоса пропускания 12 МГц при частоте генерации, диапазон электрической перестройки составляет 1-12,5 ГГц, при этом соответствующем изменении управляющего тока в пределах 30-750 мА). Спектральные и шумовые характеристики модели регистрировались на одном из выходе ДМ с помощью анализатора спектра Agilent E4448A с рабочим частотным диапазоном 3 Гц - 50 ГГц. На рис. 8. приведены спектральные и шумовые характеристики макета ОЭГ на частоте генерации 3 ГГц (а, б) и 12 ГГц (в, г) при общей длине ВОТ 65 м.

Рис. 8. Спектр генерации макета ОЭГ (lВОТ= 65 м) на частоте генерации ГГц (а) и его ЧМ шумы (б) и частоте генерации 12 ГГц (в) и его ЧМ-шумы.

Как видно из рис. 8, а, в спектре генерации макета ОЭГ при lВОТ= 65 м присутствуют три спектральных компоненты, при этом ОСД составило 2,49 МГц, которые подавлены свыше 45 дБ при мощности генерации центральной моды 8,04 дБм. Отметим, что половина полосы пропускания ЖИГ-фильтра, которая соответствует расстоянию от середины его полосы пропускания до уровня ее спада на 3 дБ, составляет 6 МГц. Однако, за счет многократного прохода СВЧ сигналом петли обратной связи ОЭГ, полоса пропускания ППФ сужается, что было предсказано результатами моделирования, приведенными на рис. 5. Как следует из рис. 8, б, уровни ЧМшумов составили S10кГц= - 103,41 дБн/Гц, S100кГц= - 119,46 дБн/Гц и S1МГц= дБн/Гц. Как следует из рис. 8, в, при частоте генерации 12 ГГц, боковые спектральные компоненты подавлены свыше 54 дБ при мощности генерации центральной моды 9,13 дБм. При этом уровни ЧМ-шумов составили S10кГц= - 125,39 дБн/Гц, S100кГц= - 128,25 дБн/Гц и S1МГц= - 137, дБн/Гц (рис. 8, г).

В таблице 2 приведено сравнение результатов экспериментального исследования спектральных и шумовых характеристик разработанных одноконтурного и двухконтурного макета ОЭГ.

Результаты экспериментального исследования спектральных и шумовых lВОТ2=650 м Как следует из табл. 2, экспериментальные результаты исследования макета ОЭГ подтвердили установленный ранее факт снижения уровня ЧМшумов при увеличении длины ВОТ [20]. Кроме того, экспериментально подтвержден установленный в предыдущей главе эффект подавления боковых мод генерации в спектре ОЭГ даже при превышении полосы пропускания ППФ ОСД более чем в два раза. Исследование двухконтурной схемы показало снижение ЧМ-шумов при сохранении ОСД, соответствующей одноконтурному ОЭГ с ВОТ наименьшей длины в петле обратной связи.

Для экспериментального изучения датчика оптико-физических параметров волноводных сред на основе ОЭГ в проходном варианте реализации было проведено исследование его макета, где в качестве волноводной среды излучения ИК-диапазона использовался воздушный зазор изменяемой ширины. На рис. 9 приведена структурная схема реализации данного датчика (рис. 9,а), и внешний вид узла юстировки открытого участка измеряемого ВОТ (ИВОТ на рис. 9, б).

ОСД рассчитано с помощью формулы (5) Рис. 9. Структурная схема исследуемого макета ОЭГ в качестве датчика оптико-физических параметров волноводов (а), а также установка Как показано на рис. 9, а, при работе датчика оптико-физических параметров волноводных сред в проходном режиме работы, измеряемый волновод (ИВОТ) непосредственно включается в петлю обратной связи, образованную с помощью эталонного ВОТ (ЭВОТ, l=3,5 м). В качестве примера волноводной среды для экспериментального исследования датчика на основе ОЭГ был выбран воздушный разъем регулируемой толщины.

Юстировка соответствия оптических осей и регулировка толщины воздушного зазора осуществлялась с помощью установки юстировки оптического волокна (рис. 9, б). Рассмотрим принцип работы разработанной экспериментальной установки. Для достижения максимальной чувствительности разработанного датчика на основе макета ОЭГ, он был настроен на максимальную частоту генерации (12 ГГц). На рис. 10 приведено семейство спектральных характеристик ОЭГ в начальном положении подвижной платформы и при ее параллельном смещении на 0,1 и на 0,5 мм вдоль оптической оси открытого участка волновода.

Рис. 10. Спектры генерации макета ОЭГ (а) в начальном положении (маркер 1) и при увеличении воздушного зазора на 0,1 мм (маркер 2) и 0, мм (маркер 3), а также сравнение экспериментальных данных изменения частоты генерации от величины воздушного зазора с результатами проведенного моделирования (б) Как следует из рис. 10, в начальном положении подвижной платформы частота генерации составляла 12,114062 ГГц (мощность генерации 6, дБм). При увеличении толщины воздушного зазора на 0,1 мм, частота генерации составила 12,113930 ГГц при уровне мощности 6,10 дБм, а при увеличении толщины воздушного зазора на 0,5 мм, частота генерации составила 12,113468 ГГц при уровне мощности 4,04 дБм. Уменьшение мощности генерации ОЭГ при увеличении толщины воздушного зазора связано с расходимостью распространяемого в нем оптического пучка и, соответственно, уменьшением оптической мощности, вводимой в ВОТ. Чувствительности датчика на основе ОЭГ к толщине воздушного зазора составила 1,296 МГц/мм. Также следует отметить что, разработанный датчик на основе ОЭГ может применяться для прецизионного контроля показателя преломления волноводов при наличии априорной информации о его геометрических размерах.

Выше был рассмотрен датчик оптико-физических параметров интегральных волноводов в проходном режиме работы. Кроме того, как было показано в главе 2, такой датчик может быть реализован также и в режиме работы на отражение. Структурная схема такого датчика и экспериментальная установка на основе макета ОЭГ, работа которого основана на регистрации изменении ОСД, приведены на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема (а) и внешний вид экспериментальной (б) установки датчика оптико-физических параметров интегральных волноводов Для экспериментального исследования датчика оптикофизических параметров в отражательном режиме работы на основе ОЭГ в качестве исследуемого волновода использовался кабель кварцевого волокна SMF – 28 с разъемами FC/PC – FC/APC (l=3 м). На рис.

12, показано изменение спектральной характеристики ОЭГ при введении в петлю обратной связи исследуемого волновода при lЭВОТ=65 м.

Как следует из рис. 12, при подключении в петлю обратной связи ОЭГ эталонного волокна, ОСД составила 2,52 МГц (маркеры 1-3). При аддитивном введении с помощью оптического циркулятора (ОЦ на рис. 11, а) в петлю обратной связи ИВОТ, ОСД составила 2,298 МГЦ (рис.

12, маркеры 1-2). Таким образом, чувствительность датчика на ОЭГ в данной конфигурации со- Рис. 12. Изменение спектральной хаставила 74 кГц/м. рактеристики макета ОЭГ при введеТакже в данной главе нии 3м ИВОТ приводятся результаты экспериментального исследования монолитной интегральной схемы однотактного генератора СВЧ сигналов на гетероструктурном полевом транзисторе с общим затвором. Данные МИС были выполнены на подложке GaAs методом проекционной фотолитографии в ИСВЧПЭ РАН. На рис.

13 приведена микрофотография его топологии (а), внешний вид измерительной камеры (б), а также результаты измерения его основных характеристик (в,г).

Рис. 13. Топология монолитной интегральной схемы однотактного СВЧ генератора (а), внешний вид измерительной камеры (б), его спектральная характеристика (в) и характеристика перестройки частоты генерации (г) Из рис. 13, в, следует, что мощность генерации испытуемой МИС ГУН составила 14,5 дБм, частота генерации – 16,11 ГГц. Как следует из рис. 13, г, диапазон электрической перестройки частоты генерации составил 340 МГц. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность испытанного макета монолитной интегральной схемы твердотельного генератора и соответствие его основных характеристик полученным ранее результатам моделирования в пределах 5%.

Заключение Полученные в ходе выполнения работы результаты, свидетельствуют о перспективности применения ОЭГ в области телекоммуникации и метрологии. В частности, в данной работе показано, что внедрение методов сверхвысокочастотной оптоэлектроники позволит существенно улучшить спектральные и шумовые характеристики твердотельного генератора СВЧ колебаний, а также значительно расширить диапазон перестройки частоты генерации. Разработаны аналитическая и объектно-ориентированная модели ОЭГ, позволяющие исследовать влияние параметров элементов его структурной схемы на ключевые характеристики ОЭГ, а также выполнять проектирование различных вариантов его реализации. Кроме того, показана возможность применения разработанного ОЭГ в качестве датчика оптико-физических параметров волноводов с чувствительностью, превышающей 1 МГц/мм. Однако, к настоящему времени не удалось реализовать ОЭГ в монолитном исполнении ввиду различия применяемых функциональных материалов для изготовления элементов его структурной схемы. В данном случае решение состоит в использовании в качестве твердотельного генератора СВЧ колебаний МИС на ПТГ. Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что, в случае критической значимости спектральных и шумовых характеристик твердотельного генератора СВЧ колебаний, его разработку следует выполнять на основе ОЭГ. В случае, если критическим параметром являются массогабаритные характеристики твердотельного генератора СВЧ колебаний, следует применять традиционный подход к его разработке на основе МИС ГУН. В качестве основных результатов работы следует выделить следующие:

Показано, что разработанный ОЭГ может одновременно сочетать низкий уровень ЧМ-шумов с широкой полосой перестройки частоты генерации, что, вследствие фундаментальных ограничений, недостижимо для современных монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных генераторов.

Разработана аналитическая модель ОЭГ, которая позволила исследовать во временной области процесс его самовозбуждения и влияние различных параметров элементов структурной схемы на его спектральные характеристики. Корректность разработанной модели была подтверждена результатами сравнения с известной ранее моделью в приближении малого сигнала, которая, в свою очередь, была подтверждена экспериментально.

Разработана объектно-ориентированная модель ОЭГ на основе САПР VPI Transmission Maker, которая позволила исследовать в частотной области его спектральные и шумовые характеристики. С помощью разработанной модели был проведен сравнительный анализ многоконтурных и инжекционно-синхронизированной схем реализации ОЭГ.

Разработан макет ОЭГ с перестраиваемой частотой генерации в диапазоне 3-12 ГГц. С помощью разработанного макета ОЭГ была подтверждена корректность разработанных моделей.

Экспериментально подтверждена возможность реализации датчика оптико-физических параметров волноводов с чувствительностью свыше 1 МГц/мм, продемонстрированная ранее с помощью разработанной модели.

Разработаны принципиальные электрические схемы и топологии монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных генераторов Ku диапазона. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили их работоспособность и соответствие основным расчетным характеристикам.

Результаты сравнения основных параметров разработанного макета ОЭГ и спроектированных монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных генераторов вместе с СВЧ генераторами ведущих мировых производителей показали значительное преимущество ОЭГ по уровню ЧМ-шумов и ширине полосы перестройки частоты генерации.

Список литературы 1. Cheng K.K.M., Everard J.K.A. A new and efficient approach to the analysis and design of GaAs MESFET microwave oscillators. // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol.3, 1990, p. 1283 – 1286.

2. Megej A., Beilenhoff K., Hartnagel H.L. Fully monolithically integrated feedback voltage controlled oscillator using PHEMTs. // IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 10, Issue 6, 2000, p. 239 – 241.

3. Yao J., Microwave Photonics.// Journal of Lightwave Technology, vol. 27, no. 3, 2009, p. 314-335.

Белкин М.Е., Сигов А.С. Новое направление фотоники – сверхвысокочастотная оптоэлектроника. // Радиотехника и электроника, 2009, т.

54, № 8, с. 901–914.

5. Wagner R. E., Igel J. R., Whitman R., et al. Fiber-Based Broadband-Access Deployment in the United States. // Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no 12, 2006, p. 4526-4540.

6. Sauer M., Kobyakov A., George J. Radio over Fiber for Picocellular Network Architectures. // Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no. 11, 2007, p. 3301-3320.

7. Lin C.T., Chen J., Peng P.C., et al. Hybrid Optical Access Network Integrating Fiber-to-the-Home and Radio-over-Fiber Systems. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 8, 2007, p. 610-612.

8. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems.

// IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 32, no. 7, 1996 pp. 1141-1149.

9. Yao X. S., Lutes G. A High Speed Photonic Clock and Carrier Recovery Device. // IEEE Photonic Technology Letters, vol. 8, no. 5, May 1996, p.

688-690.

10. Maleki L. Recent Progress in Opto-Electronic Oscillator. // Microwave Photonics, International Topical Meeting on MWP, 12-14 Oct. 2005, p.

81-84.

11. Kaba M., et al. Improving Thermal Stability of Optoelectronic Oscillators. // IEEE Microwave Magazine, August 2006, vol. 50, no 4, p. 38-47.

12. Huang, M. Tu, S. Yao, L. Maleki. A “Turn-key” optoelectronic oscillator with low acceleration sensitivity. // Proceedings of the IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition, 2000, p. 267-279.

Белкин М.Е.. Разработка модели оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона. // Материалы международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24–28 октября 2006 г., Москва. – М.: МИРЭА, 2008. –c. 269–270.

14. Seeds A. J., Williams K.J. Microwave Photonics. // IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 241, no 12, 2006, p. 4628-4641.

15. Yao X.S. Opto-electronic oscillators.// In book: RF photonic technology in optical fiber links./ Ed. by W.S.C. Chang. – Cambridge university press, 2002, p. 255-292.

16. Duy N. L., Journet B., Ledoux-Rak I., et al. Opto-electronic Oscillator: Applications to Sensors. // International Topics’ Meeting on 2008 AsiaPacific Microwave Photonics Conference MWP/APMP 2008, p. 131-134.

Список публикаций по теме диссертации Лопарев А.В., Белкин М.Е. Моделирование датчика на основе оптоэлектронного генератора для прецизионных измерений оптикофизических параметров различных сред. Измерительная техника, №11, 2010, с. 33-38.

Белкин М.Е., Лопарев А.В. Оптоэлектронный генератор – первое практическое устройство СВЧ- оптоэлектроники. Электроника НТБ, № 6/104, 2010, с. 62-70.

Белкин М.Е., Лопарев А.В. Компьютерное проектирование монолитной интегральной схемы сверхвысокочастотного генератора на гетероструктурных полевых транзисторах. Электронная техника. Серия 2.

Полупроводниковые приборы, 2010, вып. 1(224), с. 45-52.

Лопарев А.В. Моделирование процесса самовозбуждения оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний. Научный вестник МИРЭА. № (9), 2010, с. 41-48.

Белкин М.Е., Лопарев А.В. Исследование шумовых характеристик оптоэлектронного генератора СВЧ сигналов. Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». М: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2010, с. 62Лопарев А.В., Белкин М.Е. Моделирование многоконтурных схем оптоэлектронного генератора сверхвысокочастотных колебаний. Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» Intermatic-2010, c. 159-163.

Лопарев А.В. Проектирование монолитной интегральной схемы балансного сверхвысокочастотного генератора на гетероструктурных полевых транзисторах. Труды 52-й Научной конференции МФТИ. Том 1, часть V, Физическая и квантовая электроника, с. 168г., Белкин М.Е., Лопарев А.В. Проектирование монолитной интегральной схемы перестраиваемого транзисторного СВЧ генератора. Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» Intermatic-2009, c. 198-201.