МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Московский государственный институт радиотехники, электроники и

автоматики (технический университет)»

МИРЭА

Современные полупроводниковые источники

оптического излучения

Advanced Semiconductor Light Emitters

Программа и тезисы докладов Российско-Швейцарского научного семинара 16 мая 2011 г.

г. Москва Уважаемые коллеги!

От имени коллектива сотрудников нашего технического университета приветствую участников российско-швейцарского научного семинара «Современные полупроводниковые источники оптического излучения».

Мероприятие проводится в рамках программы научной и технологической кооперации между Россией и Швейцарией.

Основная цель данного семинара познакомить российских ученых из университетов, институтов РАН и промышленных предприятий, а также студентов и аспирантов с последними мировыми достижениями в области разработки и исследования нового для России типа полупроводникового лазерного излучателя: так называемого, поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL). Для этого, в качестве приглашенного лектора на семинаре выступит директор лаборатории физики наноструктур Лозаннского федерального технологического института (EPFL) профессор E. Kapon, под руководством которого были созданы одни из первых в Европе VCSELs в, так называемом, «длинноволновом» телекоммуникационном диапазоне. Другая лекция профессора Капона посвящена неклассическим источникам оптического излучения на базе квантовых точек, которые испускают свет подобно атомам или молекулам.

В развитие рассматриваемых в лекциях профессора Капона постулатов на семинаре представлены два доклада научных групп из ФИАН РАН и EPFL, в которых описываются результаты исследования фотоннокристаллических источников излучения и нанолазеров с оптическими микрорезонаторами.

Вторая часть семинара посвящена вопросам применения VCSELs и других полупроводниковых лазеров для создания радиотехнических СВЧ устройств с использованием технологии нового междисциплинарного научно-технического направления: сверхвысокочастотной оптоэлектроники.

Желаю всем участникам семинара плодотворной работы.

Ректор МИРЭА, член-корреспондент РАН, профессор А. С. Сигов Программа семинара Регистрация участников 9.30-10. Вступительное слово ректора МИРЭА 10.00-10. Приветствие представителя посольства Швейцарии 10.10-10. Лекция 1: E. Kapon “Vertical cavity surface emitting lasers” 10.20-11. Перерыв 11.40-12. Атласов К. А. Фотонно-кристаллические источники света 12.00-12. с квантово-проволочной активной средой. СанктПетербург.

Лекция 2: E. Kapon “Semiconductor sources of non-classical 12.30-13. light” Перерыв 13.45-14. В. В. Белых, Д. А. Мыльников, Н. Н. Сибельдин.

14.45-15. Динамика перехода между режимами слабой и сильной экситон-фотонной связи в полупроводниковом микрорезонаторе. ФИАН им. П. Н. Лебедева РАН, Москва Белкин М. Е., Яковлев В. Исследование эффективности 15.15-15. применения «длинноволнового» VCSEL сплавной конструкции в системах волоконно-эфирной структуры.

МИРЭА (ТУ), Москва, EPFL, Лозанна Лопарев А. В. Оптоэлектронный генератор СВЧ сигналов:

15.45-16. моделирование работы, исследование фазовых шумов, применение в измерительной технике. МИРЭА (ТУ), 16.15-16. спектральной линии излучения лазера на спектральную плотность мощности фазового шума радиочастотного колебания оптоэлектронного автогенератора. МЭИ (ТУ), Белкин Л. М. Оптоэлектронные преобразователи частоты 16.45-17. поверхностным излучением. МИРЭА (ТУ), Москва 17.15-17. Посещение лаборатории «Сверхвысокочастотные и 17.30-18. оптоэлектронные устройства», МИРЭА, комн. В- 18.00-20. 9:30-10:00 Registration 10:00-10:10 Opening address of rector Sigov 10:10-10:20 Greetings from Switzerland Embassy representative 10.20-11.40 Lecture 1: E. Kapon “Vertical cavity surface emitting lasers” 11:40-12:00 Coffee break 12:00-12:30 K. A. Atlasov, “Photonic-crystal Light Emitters with Quantum-wire active medium,” Saint-Petersburg 12:30-13:45 Lecture 2: E. Kapon “Semiconductor sources of non-classical 13:45-14:45 Lunch 14:45-15:15 V.V. Belykh, D.A. Mylnikov, and N.N. Sibeldin, “Dynamics of the transition from weak to strong exciton-photon coupling regime in a semiconductor microcavity,” P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow.

15:15-15:45 M. E. Belkin, V. Iakovlev, “Research of application efficiency of long wavelength wafer-fused VCSELs in radio-over-fiber systems,” MIREA (TU), Moscow; EPFL, Lausanne 15:45-16:15 A. V. Loparev, “Microwave signals’ optoelectronic oscillator:

modeling, phase noise research, metrology application”, 16:15-16:45 A. A. Bortsov, Yu. B. Il’in, “Impact of a laser emission spectral line width on the phase noise spectral density of optoelectronic oscillator,” Moscow Power Engineering Institute (Technical University), NPO “Quant”, Moscow 16:45-17:15 L. M. Belkin, “Microwave-band optoelectronic frequency converters based on edge- and surface-emitting semiconductor 17:15-17:30 Coffee break 17:30-18:00 Visiting the Joint Research Laboratory “Microwave and 18:00-20:00 Cocktail from Switzerland Embassy

VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASERS

Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne), EPFL, Laboratory of Physics of Nanostructures (LPN) Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) represent one of the most advanced semiconductor diode laser configurations, offering high performance in terms of beam quality, efficiency and spectral purity. We review the physics and technology of these devices, with an emphasis on recent progress in VCSELs emitting in the 1200- nm wavelength range. This spectral range is of increasing importance for applications in optical fiber telecommunications, especially in multi-wavelength, broadband communication systems, optical computer interconnects and gas sensing.

SEMICONDUCTOR SOURCES OF NON-CLASSICAL

Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne), EPFL, Laboratory of Physics of Nanostructures (LPN) Conventional light sources, including modern lasers, typically emit many photons at a time, even if their average power is greatly reduced. In several, important emerging applications, most notably quantum communications and quantum information processing, light sources capable of controlled emissions of single- or several correlated photons, are necessary. Such solid state non-classical light sources can be constructed by using semiconductor quantum dots (QDs), which are nanostructures that emit light like single atoms or molecules. This talk will review the physics and technology of semiconductor QDs and present their applications as emitters of single- and entangled photons. QD lasers for ultra-low power consumption applications will also be discussed.

ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ

СВЕТА С КВАНТОВО-ПРОВОЛОЧНОЙ АКТИВНОЙ

СРЕДОЙ

Атласов К.А., Галло П., Чалич M., Феличи M., Карлссон К.Ф., Рудра Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), Laboratory of Physics of Nanostructures, CH-1015 Lausanne, Switzerland Формирование энергетической запрещенной зоны для фотонов определенной частоты в фотонных кристаллах (ФК) позволяет создавать весьма сильное ограничение света в объеме ~3. Благодаря этому, возможно создавать оптические микрорезонаторы с достаточно высокой добротностью и, одновременно с этим, очень малым объемом моды. Это позволяет осуществлять ощутимый контроль над взаимодействием света с веществом, в частности, над фундаментальным процессом спонтанного излучения, что может иметь применение в микролазерах [1], однофотонных источниках света [2], экспериментах по квантовой физике и квантовому исчислению [3,4]. В докладе представлены разработки полупроводниковых GaAs ФК микрорезонаторов с интегрированной квантовопроволочной активной средой [5]. Получены эффекты лазерной генерации [6], оптически связанных резонаторов [7,8], исследованы эффекты локализации фотонов [9].

PHOTONIC-CRYSTAL LIGHT EMITTERS WITH

QUANTUM-WIRE ACTIVE MEDIUM

Atlasov K. A., Gallo P., Calic M., Felici M., Karlsson K.F., Rudra A., Bandgap effects at particular photon frequencies in photonic crystals (PhC) allow for creating rather tight confinement of light into volumes ~3. Thus it gives possibility to create optical microcavities of relatively high Q-factors having at the same time extremely small mode volumes. This enables to exert control on light-matter interaction, and in particular, to control the fundamental process of spontaneous emission, which may be employed in such applications as microlasers [1], single-photon sources [2], experiments in quantum physics and quantum computation [3,4]. In this paper we present studies of semiconductor GaAs PhC microcavities with integrated quantum-wire active light source [5]. Effects of lasing [6], optical cavity coupling [7,8] and photon localization [9] are discussed.

1. G. Bjrk and Y. Yamamoto, IEEE J. Quantum Electron. 27, 2386 (1991); S. Noda, Science 314, 260 (2006).

2. W.-H. Chang et al., Phys. Rev. Lett. 96, 117401 (2006); V.S.C. Manga Rao & S. Hughes, Phys. Rev. Lett. 99, 193901 (2007).

3. M. J. Hartmann et al., Nature Phys. 2, 849 (2006).

4. R. Raussendorf and H. J. Briegel, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001).

5. K. A. Atlasov et al., Appl. Phys. Lett. 90, 153107 (2007).

6. K. A. Atlasov et al., Opt. Express 17, 18178 (2009).

7. K. A. Atlasov et al., Opt. Express 16, 16255 (2008).

8. K. A. Atlasov et al., Opt. Express 19, 2619 (2011).

9. K. A. Atlasov et al., Opt. Express 18, 117 (2010).

ДИНАМИКА ПЕРЕХОДА МЕЖДУ РЕЖИМАМИ

СЛАБОЙ И СИЛЬНОЙ ЭКСИТОН-ФОТОННОЙ СВЯЗИ В

ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ МИКРОРЕЗОНАТОРЕ

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, 119991, Россия, e-mail: [email protected] Уже почти два десятилетия исследования экситонных поляритонов в микрорезонаторах (МР) с встроенными квантовыми ямами привлекают повышенное внимание, вызванное возможностью наблюдения целого ряда интересных эффектов: бозеконденсации и сверхтекучести газа поляритонов, стимулированного поляритон-поляритонного рассеяния и др. [1]. Однако, даже при более низких, чем требуется для бозе-конденсации, поляритонных плотностях, система вследствие межчастичных взаимодействий может перейти в так называемый режим слабой связи, в котором поляритонные состояния размыты [2].

Динамика излучения МР при высоких плотностях возбуждения, когда система находится в режиме слабой связи на начальных этапах релаксации, ранее изучалась при нулевом угле регистрации по отношению к нормали к плоскости МР [2,3].

Мы изучили спектрально-временную динамику излучения МР, выходящего под различными углами, соответствующими двумерным волновым векторам k = /c sin. Таким образом, мы Рисунок 1. Спектрально-временные зависимости интенсивности излучения МР, соответствующие различным углам (a-c) и спектры, соответствующие малой (d) и большой (e) временной задержке t при различных углах. Стрелками обозначены положения поляритонных мод (голубые) и моды МР (красные), рассчитанные для малой плотности частиц. Средняя плотность возбуждения 130 Вт/см2;

фотонно-экситонная расстройка равна дальнейшей релаксации наблюдается переход от режима слабой к режиму сильной экситон-фотонной связи, что следует из спектральных положений пиков во время-разрешенных спектрах (рис.1d-1e).

В работе обсуждаются кинетические зависимости ширины и спектрального положения лини линии излучения (считается, что именно эти параметры служат экспериментальной мерой экситон-фотонного взаимодействия), соответствующегой нижней поляритонной ветви (НПВ), измеренные в зависимости от угла регистрации и плотности возбуждения. В частности, показано, что кинетика спектрального положения линии излучения определяется уменьшением числа электронно-дырочных пар в системе, а кинетика ее ширины определяется, в основном, скоростью остывания электронно-дырочной системы и характеризуется значительно меньшими временами.

Работа выполнена при поддержке РФФИ.

DYNAMICS OF THE TRANSITION FROM WEAK TO

STRONG EXCITON-PHOTON COUPLING REGIME IN A

SEMICONDUCTOR MICROCAVITY

P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia For almost two decades, studies of exciton polaritons in semiconductor microcavities (MC) attract considerable attention inspired by the diversity of interesting features in this system:

polariton Bose-Einstein condensation (BEC), superfluidity, stimulated polariton-polariton scattering etc.[1]. However, in the range of polariton densities even lower than those required for the BEC, particle–particle interactions may become strong enough to induce a transition to the so-called weak coupling (WC) regime, where polariton states are poorly defined.

Emission dynamics of a MC under intense excitation when the system is in the WC regime at short times after the excitation pulse has been studied previously at zero angle of observation with respect to the sample normal [2,3]. Here we report on the spectral-time dynamics of the GaAs MC emission at different angles, Figure 1: Streak camera images of the MC emission collected at different angles (a-c) and intense, fast, and spectrally spectra corresponding to short (d) and long (e) times after the excitation pulse for different.

Curves in panels (d) and (e) are vertically shifted for clarity. Arrows indicate the positions short times (figures 1a-1c), of the lower and upper polaritons (blue) and the indicating the onset of lasing in bare cavity mode (red) calculated for the low particle density. The average excitation density is 130 W/cm2; the photon- exciton detuning is spectral positions of the peaks in time-resolved spectra (figures 1de).

Kinetic dependences of the width and spectral position of the emission line (these parameters are often used to distinguish between strong and weak coupling regimes) as a function of angle of observation and excitation power are analyzed. In particular, it is shown that kinetics of the spectral position is mainly determined by the decrease of the electron-hole pair density, whereas the linewidth kinetics is mainly determined by cooling of the electron-hole system and characterized by substantially lower decay times.

This study was supported by the Russian Foundation for Basic Research.

1. H. Deng, H. Haug and Y. Yamamoto, Rev. Mod. Phys. 82, 1489 (2010).

2. D. Ballarini, A. Amo, L. Vina et al., Appl. Phys. Lett. 90, 201905 (2007).

3. В.В.Белых, М.Х.Нгуен, Н.Н.Сибельдин и др., ЖЭТФ 136, 550 (2009).

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

«ДЛИННОВОЛНОВОГО» VCSEL СПЛАВНОЙ

КОНСТРУКЦИИ В СИСТЕМАХ ВОЛОКОННО-ЭФИРНОЙ

СТРУКТУРЫ

Работающие в спектральном диапазоне более 1 мкм поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) вызывают все возрастающий интерес в качестве компонентной базы локальных волоконно-оптических систем передачи (ЛВОСП) в общем [1] и, в особенности, для нового класса телекоммуникационных ЛВОСП волоконно-эфирной структуры (RoF) [2]. Последняя система - пример тесной интеграции сверхвысокочастотной оптоэлектроники, микроэлектроники, и планарных антенных технологий, обеспечивающих создание комплексных функциональных модулей в многоканальном аналоговом окружении. Для данных сложных устройств с развитой схемотехникой особое значение приобретает улучшение массогабаритных характеристик, уменьшение потерь передачи и стоимости, а также расширение полосы пропускания. Следовательно, вопросы моделирования и оптимизации их принципов функционирования и параметров представляют значительный интерес с точки зрения сокращения временных и трудовых затрат на разработку.

В докладе предложена новая бесструктурная модель лазерного излучателя, которая исследована на примере VCSEL диапазона 1,3 мкм с внутрирезонаторными контактами, изготовленного по сплавной технологии. Особенность ее состоит в пригодности для проектирования передающих оптоэлектронных модулей аналоговых ЛВОСП с полосой модуляции в СВЧ диапазоне. Результаты моделирования и измерений основного параметра нелинейности аналоговой системы передачи: условной мощности насыщения третьего порядка вместе с предыдущими данными измерения относительного шума интенсивности (RIN) [3] позволили оценить динамический диапазон (SFDR) на уровне 92 dBHz2/3 на частоте модуляции 1 ГГц и 85 dBHz2/3 на частоте модуляции ГГц. Близкое совпадение расчетных и экспериментальных данных подтверждает корректность предложенной модели.

Сравнение с требованиями к передающей аппаратуре типичной системы класса RoF демонстрирует возможность эффективного применения исследованного VCSEL для многоканальной передачи аналогового сигнала на поднесущих СВЧ диапазона, например, при распределении с помощью системы RoF трафика перспективного стандарта мобильной связи 3GPP.

RESEARCH OF APPLICATION EFFICIENCY OF LONG

WAVELENGTH WAFER-FUSED VCSELS IN RADIO-OVERFIBER SYSTEMS

Moscow State Technical University of Radio-Engineering, Electronics and Automation, Joint Research Laboratory of Microwave and Optoelectronic Devices, Moscow, Russian Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), Laboratory of Physics of Long wavelength vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are increasingly attractive for optical fiber–based applications in general [1] and in particular for radio over fiber (RoF) systems [2]. The latter is an example of an intimate integration of optoelectronics, electronics, and planar antenna technologies for producing a functional module in a multichannel analog environment.

For such highly complex modules, it is essential to reduce package weight and size, interconnection losses, and cost, and increase transmission bandwidth. Appropriate models and simulation tools for this complex optoelectronic system are thus of increasing importance.

Following this, a novel unstructured model of wafer fused longwavelength VCSELs with a double intra-cavity contact structure suitable for equipment designers of microwave-band analog optical fiber systems and microwave photonic devices is proposed. The measurements and the calculation results of the third-order intercept point together with the previous related intensity noise (RIN) experimental data [3] allow to estimate the spurious free distortion rate (SFDR) as almost 92 dBHz2/3 in the 1-GHz band and 85 dBHz2/ in the 6-GHz band. This validates, on one hand, the proposed model, and, on the other hand, demonstrates the potential of the longwavelength VCSELs for multichannel microwave-band analog signal transmission, such as in promising RoF systems using 3GPP mobile telecom standard.

E. Kapon, A. Sirbu, “Power-efficient answer”. Nature Photonics, vol, 3, Jan. 2009. pp. 27M. Sauer, A. Kobyakov, J. George, “Radio Over Fiber for Picocellular Network Architectures,” IEEE J of Lightwave Technol., vol. 25, no. 11, pp. 3301-3320, Nov. 2007.

3. E. Kapon, A. Sirbu, V. Iakovlev, at el., “Recent developments in long wavelength VCSELs based on localized wafer fusion,” ICTON 2009, Mo.D1.1, pp. 1-

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР СВЧ СИГНАЛОВ:

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ, ИССЛЕДОВАНИЕ

ФАЗОВЫХ ШУМОВ, ПРИМЕНЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ

ТЕХНИКЕ

МИРЭА (ТУ), Москва, e-mail: [email protected] Рассматриваемый в данном докладе оптоэлектронный генератор (ОЭГ) СВЧ колебаний является, как известно, одним из наиболее перспективных функциональных элементов сверхвысокочастотной оптоэлектроники Основным преимуществом ОЭГ по сравнению с традиционными микроэлектронными СВЧ генераторами является более низкий уровень шумов и значительно расширенный рабочий диапазон частот [2].

В докладе приводятся разработанные формальноориентированная и объектно-ориентированная модели ОЭГ, описывающие режим его самовозбуждения, нарастания амплитуды и переход в стационарный режим генерации, позволяющие рассчитывать спектральные и шумовые характеристики для различных структурных схем ОЭГ.

Приводятся результаты экспериментальной верификации результатов моделирования спектральных и шумовых характеристик одноконтурной и двухконтурной схем ОЭГ.

Рассматриваются принципы функционирования датчика оптико-физических параметров волноводов на базе ОЭГ в проходном и отражательном вариантах построения. Полученная чувствительность свыше 1,2 МГц/мм свидетельствует о перспективности применения данного датчика для контроля геометрии оптоэлектронных интегральных схем.

OPTOELECTRONIC OSCILLATOR OF SHF SIGNALS:

OPERATION SIMULATION, PHASE NOISE RESEARCH,

APPLICATION IN MEASUREMENT TECHNIQUE

Moscow State Technical University of Radio-Engineering, Electronics and Automation, Joint Research Laboratory of Microwave and Optoelectronic Devices, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected].

Considered in present report optoelectronic oscillator (OEO) of microwave signals, as it knows, is one of the most prospective functional elements of microwave photonics technology [1]. The main OEO advantages in comparison with traditional monolithic microwave oscillators are a lower phase noise and a wider tuning band [2].

The formally oriented and object oriented models have been developed that describe correctly its self-excitation and steady-state oscillation modes and allow to simulate the spectral and phase noise characteristics for different OEO block diagrams are discussed in the report. The results of experimental verification of simulating spectral and phase-noise characteristics for single-loop and dual-loop OEO schematic are also presented.

The functional principles of opto-physical parameters sensor based on OEO in transmitting and reflecting operation mode are examined. Reached sensitivity over 1.2 kHz/µm confirms a potential of a sensor application for optoelectronics integrated circuits characterization.

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

314-335.

2. 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.

ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ

ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА СПЕКТРАЛЬНУЮ

ПЛОТНОСТЬ ФАЗОВОГО ШУМА РАДИОЧАСТОТНЫХ

КОЛЕБАНИЙ ЛАЗЕРНОГО ОПТО-ЭЛЕКТРОННОГО

АВТОГЕНЕРАТОРА

НПО «КВАНТ», МЭИ(ТУ), e-mail: [email protected] Проведено теоретическое и экспериментальное изучение малошумящего лазерного оптоэлектронного автогенератора (ЛАГ) с волоконно-оптической линией задержки как системы двух автогенераторов оптического и радиочастотного диапазонов. Один из автогенераторов - лазер служит накачкой для второго – радиочастотного автогенератора. Показано, что ЛАГ является радиочастотным автогенератором с сверхнизким уровнем спектральной плотности фазового шума (-150 дБ/Гц на частоте генерации 10 ГГц при отстройке 1 кГц).

Лазерный оптоэлектронный автогенератор (ЛАГ) с волоконно-оптической линией задержки (ВОЛЗ) [1-11] является перспективным источником СВЧ и КВЧ колебаний. ЛАГ может использоваться в качестве задающего генератора в устройствах радио- и оптических локационных комплексов [5], а также в системах формирования и обработки оптических и электронных прецизионных сигналов, например, с длительностью импульса порядка пикосекунды. Вышеуказанные экспериментальные результаты измерений спектральной плотности фазовых шумов такого автогенератора позволяют заключить, что ЛАГ конкурирует с малошумящими СВЧ генераторами с диэлектрическими резонаторами на кристаллах сапфира на частотах генерации 8 – 70 ГГц. Разрабатываются методы фазовой стабилизации автоколебаний ЛАГ [6, 7].

Целью работы является установление зависимости спектральной плотности мощности фазового шума радиочастотного ЛАГ от ширины спектральной линии оптического излучения лазера.

Проанализирована ЛАГ как система двух различных генераторов – оптического квантового генератора с частотой автогенератора с частотой генерации f0 =8-10ГГц. При этом оптический квантовый генератор является источником накачки для радиочастотного автогенератора. В обоих генераторах их спектры формируются флуктуациями, имеющими разную природу, а ширина спектральной линии радиочастотных автоколебаний определяется параметрами двух автоколебательных систем – лазера и автогенератора. Интересной особенностью ЛАГ является то, что спектр радиочастотных колебаний генерации формируется не только шумами, имеющими электронную природу, но и фазовыми флуктуациями оптического излучения лазера, которые имеют квантовую природу и определяются спонтанным излучением лазера.

Рассмотрение ЛАГ как совокупности двух автоколебательных систем с диссипацией дает возможность проанализировать влияние характеристик лазера на шумы ЛАГ, исследовать в дальнейшем возможность управления сигналом ЛАГ посредством изменения оптической частоты и спектра лазера, изучить синхронизацию ЛАГ внешним оптическим источником излучения и т.п.

LASER SPECTRAL LINE WIDENING EFFECT ON RF

PHASE AND AMPLITUDE NOISES OF AN

OPTOELECTRONIC OSCILLATOR (OEO)

Moscow Power Engineering Institute (TU), e-mail: [email protected] The analysis of the laser oscillator (OEO) with a fiber-optical line of a delay as systems of two oscillators of optical and radio-frequency ranges is carried out. One of oscillators - the laser is a rating for the second – the radio-frequency oscillator. It is studied formations of a spectrum of generation of radio-frequency fluctuations the OEO taking into account influences of parametres of optical radiation of the laser – width of a spectral line and capacity.

The opto-electronic oscillator (OEO) with a fiber-optical line of a delay is perspective RF source. The OEO is used as the setting generator in devices of radio- and optical локационных complexes, and also in systems of formation and processing of optical and electronic precision signals. Experimental results of measurements of spectral density of capacity of phase noise the OEO equal-147 Db/Hz on frequency of generation of 10 GHz at standard отстройке 1 kHz. It allows to conclude that the OEO competes with small noise generators to dielectric resonators on sapphire crystals on frequencies of generation 8 – 70 GHz.

At the same time, the question of influence of parametres of optical radiation of the laser or the laser diode of a base element the OEO on spectral characteristics of generation of radio-frequency fluctuations is a little studied. The work purpose is definition of spectral density of peak and phase noise radio-frequency the OEO and its dependences on width of a spectral line of radiation and capacity of optical radiation of the laser.

The laser in the OEO is a rating for RFO. RFO it is formed, consistently closed to a feedback ring the electro-optical modulator Maha- Zender, fiber-optical system, the photo diode, the nonlinear amplifier, the radio-frequency narrow-band filter.

In the present work the OEO as system of two various types of generators – the optical quantum oscillator (OQO) with frequency of generation approximately 200 THz and the radio-frequency oscillator (RFO) with frequency of generation 4–100 GHz is considered. The optical quantum generator thus is a source of a rating for the radiofrequency generator. In both generators their spectra are formed by the fluctuations having the different nature, and the final width of a spectral line is defined by parametres of two resonant systems – the laser and RFO. Interesting feature the OEO is that the spectrum of radio-frequency fluctuations of generation is formed not only noise having the electronic nature, but also phase fluctuations of optical radiation of the laser which have the quantum nature and are defined by spontaneous radiation of the laser.

The approach to consideration the OEO as sets of two selfoscillatory systems with dissipation and with a dispersive line of the delay formed OQO and RFO is productive. It gives the chance to analyse influence of elements of the laser on RF noise the OEO, to investigate management of a spectrum of laser RCH of a signal the OEO, to study synchronisation the OEO an external optical source of radiation, etc.

In work for the description of noise properties the OEO is considered system the fluctuation equations for OEO and RFO. On the basis of the decision of systems of the equations for OEO with fluctuations within the limits of semi-classical for intensity of radiation and its phase of the laser dependences of spectral density of capacity of phase noise of the laser are received. The given dependences are functions of a constant of time of the resonator of the laser and capacity of radiation of the laser. Using linear model of the fiber optic line of delay, it is made the fluctuation differential equation for the OEO. After carrying out of operation of shortening on fast movements it is solved truncated the fluctuation equation for the OEO. Dependences spectral density of phase noise of RF phase fluctuations on width of a spectral line of the laser and capacities of the laser are received.

It is established that, on the one hand, at the big difference of delays in channels of the modulator Maha Zender, the OEO can be used as a measuring instrument of width of a line of the laser and On the other hand, at use the OEO in quality small noise RFO (for example, spectral density of capacity of phase noise the OEO of 10 GHz equal-147 Db/Hz on frequency of generation at standard shift 1 kHz) the width of a spectral line of the laser of a rating should be minimum at a small difference of delays in modulator channels. Thus and reduction RF of spectral width of a line the OEO concerning a laser line occurs for the account coherent photoreception with FM modulation on an optical phase, high good quality of oscillatory system.

In work results of computer modelling the OEO with dispersive and non-dispersive line of delay are stated. As a result of research of dependences conclusions are drawn that spectral density of phase noise of RF fluctuations of the OEO makes on spectral density of phase noise considerable impact the noise connected with FM conversion. It is shown that expansion of a spectral strip of radiation of the laser leads at the expense of a dispersion of a fiber optical path to substantial increase spectral density of phase noise of RF fluctuations of the opto-electronic oscillator the OEO at a strip of the laser comparable with a radio frequency of generation the OEO. In the given work the OEO of range on frequency of generation of 8,2 GHz is experimentally investigated. Experimental dependences will well be coordinated with settlement at the account of stabilisation effect at the large currents of rating laser diode and lengths of a fiber optical path more than 5 km.

1. Григорьянц В.В., Дворников А.А., Ильин Ю.Б. и Константинов В.Н. Прокофьев В. А.

Генерация радиосигналов в системе “лазер-оптическая линия задержки”. // Квант.

электрон. – 1984. – Т.11, №4. – С. 766-775.

2. Grigor’yants V.V., Il’in YU.B.. Laser optical fibre heterodyne interferometer with frequency indicating of the phase shift of a light signal in an optical waveguide.// Optical and quantum electronics.-1989.-№ 21.-P.423-427.

3.Борцов А. А., Григорьянц В. В., Ильин Ю. Б. Влияние эффективности возбуждения световодов на частоту автогенератора с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки // Радиотехника. – 1989 г. – № 7. – С.84–89.

4.А.с.№1538265 СССР, МКИ3 H03K 9/00А. Устройство функционального преобразования в частоту / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. и др. (СССР). – 9 c.-1989 г.

5.Борцов А. А., Ильин Ю. Б. Разностный опто-электронный автогенератор СВЧ с крайне низким уровнем фазовых шумов // Радиооптические технологии в приборостроении: Тез.докл. II-ой научн.-техн. конф. 14–21 сентября 2004г. – Сочи, 2004 г. – С.84–86.

6.Патент на изобретение №2282302 RU, МПК3 7 Н03 С3/00. Формирователь частотномодулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. – 10 с. 2004г.

7.Патент на полезную модель №44902 RU, МПК3 7 Н03 С3/00. Формирователь частотно-модулированного сигнала / Борцов А. А., Ильин Ю. Б. – 10 с. 2004г.

8.Борцов А. А. Управление частотой в лазерном автогенераторе с составной волоконнооптической линией задержки // Автореф. канд. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.

– М.:МЭИ. – 2005. – С.

9.Борцов А. А. Фазочастотная и амплитудно-частотная характеристики мезаполоскового квантово-размерного лазерного диода с полосой частот модуляции до 12 ГГц //Радиотехника – 2006 г. – С.43 – 10..Борцов А. А., Ильин Ю..Б. //Радиотехника –№ 2 2010 г. – С.21 – 11..Борцов А. А. //Радиотехника –№ 6 2010 г.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ЧАСТОТЫ СВЧ ДИАПАЗОНА НА БАЗЕ ЛАЗЕРОВ С

ТОРЦЕВЫМ И ПОВЕРХНОСТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Московский государственный институт радиотехники электроники и автоматики (технический университет), e-mail: [email protected] Одним из наиболее перспективных вариантов построения приборов и устройств в миллиметровом и терагерцевом диапазонах на сегодняшний день считается оптоэлектронный принцип, позволяющий преодолеть фундаментальные ограничения активных полупроводниковых приборов [1]. Работа посвящена исследованию одного из устройств СВЧ оптоэлектроники (СОЭ) – оптоэлектронного преобразователя частоты (ОЭПЧ) сигналов СВЧ диапазона, в котором благодаря прямому взаимодействию оптического и радиочастотного электромагнитных излучений обеспечивается компактность схемы и улучшение параметров традиционных устройств.

Наибольший выигрыш можно ожидать в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ: 30-300 ГГц), где традиционные повышающие и понижающие преобразователи частоты на СВЧ диодах и транзисторах имеют существенно худшие техникоэкономические показатели по сравнению с более низкими частотными диапазонами.

Проведенные моделирование и экспериментальные исследования в диапазоне до 35 ГГц, показали корректность теоретической модели, а также то, что данный тип преобразователя частоты обладает существенно большими потерями преобразования в сравнении с традиционными радиотехническими СВЧ преобразователями, однако имеет не достижимую для последних широкополосность [2].

Другой вид преобразователя частоты, исследованный в настоящей работе, представляет собой новый тип ОЭПЧ, построенный на так называемом эффекте удвоения периода при прямой модуляции лазера в режиме сверхбольшого сигнала [3].

Выходной спектр данного преобразователя содержит в себе частоты, отличающиеся в 0.5 и 1.5 раза от частоты единственного модулирующего сигнала. При этом уменьшение мощности относительно уровня на частоте модуляции составляет единицы децибел. Условия возникновения данного эффекта лежат в правильном сочетании тока смещения, глубины и частоты модуляции относительно собственной резонансной частоты лазера. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными.

MICROWAVE-BAND OPTOELECTRONIC FREQUENCY

CONVERTERS BASED ON SURFACE- AND EDGEEMITTING LASER

Moscow State Institute of Radioengineering, Electronics and Automation (Technical One of the most perspective version for constructing millimeterband apparatuses is an optoelectronic principle, that allowing to overcome fundamental restrictions of active semi-conductor devices [1]. The work covers research of the critical microwave optoelectronic devices – microwave-band optoelectronic frequency converter (OEFC). Due to direct interaction of optical and radio-frequency electromagnetic radiations, compactness of the scheme and improvement of parameters compare to traditional devices is achieved. The most valued potential is to expect in a EHF-band (30GHz) where traditional up- and down- frequency converters based on microwave diodes and transistors have essentially worst technical and economical parameters in comparison with lower frequency ranges.

Simulation by OE-CAD tool and experimental results in a range up to 35 GHz showed a correctness of model and concluded that OEFC under research possesses larger conversion losses in comparison with traditional radio-engineering microwave converters, however its bandwidth near tens gigahertz is not achievable for the further one [2].

If in large-signal mode a laser’s AC current amplitude is increased a so called period doubling regime could be produce [3].

Other kind of converters represents the novel type OEFC based on this effect. OEFC allows to receive frequencies that are 0.5 and 1.5 of an input signal’s modulation frequency. However, reduction of power vs.

modulating frequency is less than 3-5 decibels. Conditions of validity for the above effect lie in a correct combination of a bias current, modulation index and frequency concerning with the own resonance frequency of the laser under test. The results of simulating are approved by the experimental data.

1. Renaud C.C., at al. “Photonically enabled communication systems beyong 1000 GHz / International Topics Meeting on Microwave Photonics, MWP-2008, Sept. 2008. P. 55-58.

2. Белкин Л.М., Белкин М.Е. «Исследование оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов свч диапазона». Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». –М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2010, с. 68 – 72.

3. Ahemd M., El-Lafi A. «Large-signal analysis of analog intensity modulation of semiconductor lasers». Optics & Laser Technology N40, 2008. pp. 809-819.

Для заметок Notes Для заметок Notes