Импедансные свойства инжекционных полупроводниковых лазеров и вопросы разработки свч-модуляторов на их основе
На правах рукописи
Орда-Жигулина Марина Владимировна
ИМПЕДАНСНЫЕ СВОЙСТВА ИНЖЕКЦИОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ И ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ СВЧ-МОДУЛЯТОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог 2008
Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств
Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Алексеев Юрий Иванович
(Технологический институт Южного Федерального университета, г. Таганрог)
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ,
заслуженный изобретатель РСФСР,
Расщепляев Юрий Семенович
(Ростовский военный институт ракетных войск, г. Ростов – на – Дону)
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Борисов Анатолий Александрович
(ФГУП «Прибор», г. Ростов – на – Дону)
Ведущая организация:
ФГУП "Таганрогский НИИ связи",
г. Таганрог
Защита диссертации состоится «29» августа 2008 г. в 1600 часов в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу:
пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке
Южного федерального университета по адресу:
ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, 344065
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:
ТТИ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20,
пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
Автореферат разослан « » г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
к.т.н., доц. В.В. Савельев
Общая характеристика работы
Диссертационная работа посвящена решению перспективной научно-технической задачи разработки и проектирования оптических СВЧ-модуляторов. Рассмотрены основные научно-технические вопросы, возникающие в процессе инженерной разработки оптических модуляторов, в которых используется взаимодействие СВЧ-излучения с электронным потоком p-n перехода полупроводникового лазерного диода.
Актуальность
Развитие современных коммуникационных систем связано с освоением оптического диапазона в целом и элементной базы оптических радиопередающих устройств (РПУ) в первую очередь. В проектировании РПУ оптического диапазона на новом уровне продолжается развитие перспективного направления разработки СВЧ оптических модуляторов. Устройства модуляции такого типа применяются в качестве элементов управления радиооптических антенных решеток, основной особенностью которых является то, что собственно антенная решетка работает в радиодиапазоне СВЧ, а система управления её элементами осуществляется в оптическом диапазоне.
В настоящее время в результате успешного развития технологии изготовления инжекционных полупроводниковых лазеров (ИПЛ), работающих при комнатной температуре, на рынке электронных компонентов доступны относительно недорогие образцы ИПЛ как отечественного, так и импортного производства (DFB, DBR, EC, VCSEL и др.).
Одним из наиболее перспективных методов модуляции указанных типов ИПЛ считается амплитудная модуляция тока p-n перехода ИПЛ непосредственно поданным на него модулирующим СВЧ-сигналом. Этот вид модуляции основан на эффекте поглощения оптического излучения свободными электронами. При данном механизме изменение прозрачности запирающего слоя p-n перехода происходит через изменение концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике. Модуляторы, использующие упомянутый эффект, представляют собой ИПЛ, к p-n переходу которого приложено прямое смещение и СВЧ-сигнал, и относятся к устройствам внутренней модуляции, в которых оптическое излучение выходит из источника света уже промодулированным.
Согласно опубликованным в открытых источниках данным исследования, посвященные СВЧ модуляции полупроводниковых лазерных диодов, ведутся в ряде отечественных научных институтов Санкт-Петербурга, Саратова, Обнинска, Москвы, а также за рубежом: в Японии, преимущественно в плане исследования полупроводниковых лазеров как усилителей оптического излучения и в США. Для
упомянутых исследовательских центров перспективность как практических, так и теоретических исследований в данном направлении не вызывает сомнений.
Модулирующие устройства, реализованные на указанном физическом эффекте, отличаются простотой конструкции и небольшими габаритами, что отличает их от модуляторов, применяемых в тех же приложениях, но использующих другие физические эффекты при модуляции оптического излучения (акустооптические дефлекторы, электрооптические модуляторы и т.д.). Можно ожидать существенного экономического эффекта при внедрении СВЧ модуляторов оптического излучения в технику уже существующих систем связи. Модулятор конструкции, предложенной в данной работе, позволяет заменить дорогостоящие протяженные и сложные в обслуживании коаксиально-волноводные и волноводные тракты, применяемые в специализированных системах связи и радиолокации, что позволит улучшить технико-экономические показатели таких систем по сравнению с наиболее распространёнными на данный момент коаксиальными системами связи в плане помехозащищённости, уменьшения стоимости самого тракта, его обслуживания, массы и занимаемого объема.
Таким образом, при разработках оптических систем связи становится очевидной необходимость первоочередного проведения разработок модуляторов упомянутого типа, реализованных на эффекте поглощения оптического излучения свободными носителями заряда.
Предмет исследований
В диссертационной работе проводится теоретический анализ и исследуется возможность разработки СВЧ-модулятора оптического излучения на базе одного из современных полупроводниковых лазерных диодов, работающих при комнатной температуре; определяются импедансные свойства, рассчитываются модуляционные характеристики и анализируется устойчивость оптико-электронной системы в режиме модуляции, а также исследуются технические пути практической реализации оптических СВЧ-модуляторов.
Цель работы и задачи исследований
Цель диссертационной работы - предложить практические пути создания модулирующих устройств в одном из участков СВЧ - диапазона и определить аналитические выражения, пригодные для инженерных расчётов параметров оптических СВЧ-модуляторов.
Для достижения указанной цели необходимо рассмотреть основные теоретические вопросы, возникающие при расчёте указанных параметров и решить следующие задачи:
- определить импедансные свойства лазерного диода на основе
взаимодействия модулирующего (
, 
- амплитуда и частота СВЧ-колебания) и несущего (оптического) колебания (
, 
- амплитуда и частота оптического излучения ИПЛ) с электронным потоком на p-n переходе ИПЛ;
- на основании разложения тока в рабочей точке ВАХ ИПЛ определить коэффициент модуляции; найти амплитуду вынужденного колебания, являющегося продуктом взаимодействия нескольких напряжений, приложенных к p-n переходу ИПЛ (с амплитудами 
, 
и напряжения питания ИПЛ 
);
- исследовать устойчивость оптико-электронной системы, каковой является модулятор в режиме модуляции.
Исследования базируются на представлении анализируемой системы в соответствии с принципом пространственно-временной аналогии, а также на методах теории колебаний и методах теории устойчивости динамических систем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана и проанализирована модель, описывающая импедансные свойства лазерного диода в процессе модуляции его излучения СВЧ-сигналом, позволившая получить аналитические выражения для основных параметров оптико-электронной системы, каковой является ИПЛ в режиме модуляции;
- получено и решено уравнение анализируемой системы, описывающее ее как систему вынужденных колебаний на основе скоростных уравнений ИПЛ, которые обычно применяются для описания процессов генерации оптического излучения в лазерных диодах, с учетом того, что система находится под внешним воздействием модулирующего СВЧ-сигнала. Решением такого уравнения является амплитуда сложного (вынужденного) колебания А, связанная с электрофизическими параметрами ИПЛ, которую следует использовать при расчёте основных параметров указанной системы;
- исследована устойчивость оптического излучения в процессе модуляции ИПЛ СВЧ-сигналами. Полученные результаты без дополнительных математических расчётов могут быть использованы для имеющейся лазерной элементной базы при разработках оптических СВЧ амплитудных модуляторов и задающей части оптических передатчиков.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- получены аналитические выражения для импеданса ИПЛ в режиме амплитудной модуляции и для основных модуляционных характеристик, пригодные для инженерных расчётов при проведении разработки оптических СВЧ модуляторов;
- предложены два варианта конструкции оптического СВЧ-модулятора,
принцип действия которого основан на непосредственном воздействии модулирующего СВЧ сигнала на положительно смещенный p-n переход ИПЛ.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре АиРПУ ТТИ ЮФУ при постановке лабораторных работ и в учебных пособиях по курсам «Физические основы электроники», «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника», «Методы и устройства формирования сигналов», а также на предприятии ЗАО «Бета ИР» г. Таганрог в рамках выполнения ОКР по разработке диагностического оборудования для пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов.
Обоснованность и достоверность результатов
Подтверждается проведенным экспериментом, корректным использованием математических методов и совпадением полученных результатов с данными, полученными У. Тсангом (W. Tsang), Дж. Гауэром (J. Gowar), А. Яривом (A. Yariv) и опубликованными в литературе.
Апробация диссертационной работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Волгоград, Россия, сентябрь 2004 г и XI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Министерство образования и науки российской Федерации, Московский энергетический институт (технический университет) Москва, 1-2 марта 2005г.
По теме диссертационной работы опубликованы три статьи в центральной печати (одна статья в журнале «Радиотехника и электроника», две – в журнале «Петербургский журнал электроники»); одна статья принята к опубликованию в журнал «Антенны» (выпуск 11, 2008 г.); опубликованы тезисы докладов в сборниках трудов Известия ТРТУ. Специальный выпуск. Материалы L научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ(2004 г.), опубликованы тезисы докладов в сборниках трудов международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ТРТУ, 2003, 2005, 2007гг); III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» под ред. В.А.Неганова, Волгоград, Россия, сентябрь 2004 г.) а также тезисы докладов международных научно-технических конференций студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика» (ТРТУ, 2004, 2006гг).
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и пяти приложений. Работа содержит 144 с., в том числе 120 с. основного текста, 24 с. рисунков, список литературы из 92 наименований на 6 с. и 31 с. приложений.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
- техническое решение по созданию оптического СВЧ-модулятора, основанное на изменении поглощения света свободными носителями заряда положительно смещенного p-n перехода ИПЛ, модулируемого СВЧ-сигналами;
- результаты в виде аналитических выражений для активной и реактивной частей проводимости ИПЛ, коэффициента модуляции, пригодные для использования в инженерной практике; решение уравнения оптической автоколебательной системы (ИПЛ), находящейся под воздействием модулирующего СВЧ-сигнала, создающее основу для расчёта и проектирования оптических СВЧ-модуляторов в инженерных разработках;
- результаты анализа устойчивости оптической автоколебательной системы в режиме её амплитудной модуляции, в основу которого положен универсальный метод ляпуновских величин;
- результаты разработки и экспериментальных исследований оптического СВЧ-модулятора на серийно выпускаемых ИПЛ.
Содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту и сделан краткий обзор литературы.
В первой главе на основе представления тока лазерного диода в рабочей точке ВАХ ИПЛ как функции суммы нескольких напряжений, действующих на его p-n переходе, получены: аналитические выражения для активной и реактивной частей собственной проводимости ИПЛ, а также проводимостей при воздействии модулирующего СВЧ-напряжения на p-n переход лазерного диода через параметры собственных колебаний лазерного диода 
(амплитуда и частота оптических колебаний, действующих на p-n переходе ИПЛ) и аналогичные параметры модулирующего СВЧ-колебания; выражение для коэффициента амплитудной модуляции m через те же параметры; проведен анализ динамических (зависимость коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения 
) и ряда статических
модуляционных характеристик.
Из активной части адмиттанса выделены проводимости на частоте модулирующего сигнала 
, на частоте преобразованного сигнала 
, проводимость в отсутствие модулирующего сигнала и ряд проводимостей по другим частотным каналам 
, необходимых для уточнения эквивалентной схемы модулятора.
Реактивная часть адмиттанса ИПЛ определена по методике, принятой при определении активной составляющей, при этом в основу положена вольт-кулоновая характеристика ИПЛ.
Кроме того, в этом же разделе диссертационной работы определен основной параметр модуляционного процесса – коэффициент амплитудной модуляции m, подлежащий расчёту при разработке модулятора.
На рисунках 1-3 приведены результаты расчёта значений активных и реактивных частей сопротивления ИПЛ типа a12m-KP1439(2) и коэффициента модуляции m в зависимости от величины напряжения питания 
, амплитуды оптического колебания 
и амплитуды модулирующего СВЧ-колебания 
, действующих на p-n переходе ИПЛ. Согласно опубликованным в литературе экспериментальным данным, полученным У.Тсангом, А.Яривом, Дж.Гауэром, Р.Ханспенджером, значение активной части сопротивлений лазерных диодов R при СВЧ-модуляции, составляет единицы Ом, что соответствует полученным в данной работе результатам. Все теоретические расчёты активной и реактивной частей сопротивления ИПЛ и его динамических и статических модуляционных характеристик проведены для режима малого сигнала.
Установлено, что в рассматриваемой системе при значениях амплитуд 
, лежащих в диапазоне 70-150 (мВ), возможна устойчивая модуляция. Необходимо отметить, что активная и реактивная части сопротивления ИПЛ на частоте модулирующего сигнала в значительной степени зависят от напряжения питания ИПЛ 
. Следовательно, выбором рабочей точки на ВАХ лазерного диода можно добиваться эффективной модуляции при сохранении устойчивой работы системы.
Устойчивая модуляция возможна при изменении амплитуды модулирующего СВЧ-напряжения 
в пределах от 10 до 200 (мВ), однако амплитудное изменение реактивной составляющей незначительно в более узком диапазоне амплитуд (70-150 мВ) (см. рисунок 2), которого и следует придерживаться во избежание паразитной частотной модуляции.
Как следует из рисунка 3, коэффициент амплитудной модуляции сильно зависит от напряжения смещения на p-n переходе ИПЛ и может быть увеличен при
 |  |
| Рисунок 1 | Рисунок 2 |
 | понижении питающего напряжения  , однако, как известно, уже при глубине модуляции 60% лазерный диод ухудшает оптические параметры излучения, поэтому коэффициент модуляции при рекомендуемых рабочих напряжениях питания ИПЛ ограничивается примерно на уровне 30-40%, что согласуется с данными, полученными |
| Рисунок 3 |
рядом авторов, практикующих в этой области.
Проведенный анализ позволил получить соотношения, устанавливающие уровни побочных продуктов модуляции путём оценки проводимостей системы по различным частотным каналам. При проектировании оптических модуляторов можно на основании полученных в диссертации выражений сопоставлять уровни излучения на побочных частотных каналах с уровнем основного продукта модуляции и, таким образом, минимизировать влияние паразитных составляющих модуляционного спектра.
Во второй главе получено и решено уравнение анализируемой оптико-электронной системы, описывающее ее как систему вынужденных колебаний. Уравнение выведено на основе скоростных уравнений ИПЛ, которые обычно применяются для описания процессов генерации оптического излучения в лазерных диодах. При решении уравнения использован классический аппарат анализа активных автоколебательных систем, разработанный В.С. Андреевым и С.И. Баскаковым.
Динамические процессы в инжекционном полупроводниковом лазерном диоде описываются системой скоростных уравнений, связывающих плотность потока фотонов J и концентрацию носителей заряда в лазерной среде 
: 
, где 
- инжекционный ток ИПЛ; 
- спонтанное время жизни избыточных электронов; 
- поперечное сечение вынужденного излучения межзонных переходов носителей заряда; 
- заряд электрона; 
- объем активного слоя p-n перехода лазера; 
- погонные потери; 
- потери на излучение; 
- скорость света в активном слое.
На основании системы скоростных уравнений и положения, при котором физически реализуемая автогенераторная колебательная система, каковой является ИПЛ, есть грубая система, получено классическое дифференциальное уравнение второго порядка относительно искомого вынужденного колебания 
:
, решение которого даёт амплитуду вынужденного колебания А. Полученная амплитуда вынужденных колебаний А позволила значительно уточнить все зависящие от неё параметры (в том числе и коэффициент модуляции), а также скорректировать модуляционные характеристики, рассмотренные в первой главе работы. С учётом амплитуды вынужденных колебаний А были рассчитаны статические (рисунки 4, 5) и частотные (рисунок 6) модуляционные характеристики анализируемой системы, которые зависят как от электрофизических параметров ИПЛ, так и от параметров модулирующего СВЧ-излучения (
).Из рисунка 4 видно как уровень несущего колебания существенно изменяется при наличии модулирующего сигнала 
, что полностью соответствует теории амплитудной модуляции. Несмотря на то, что рисунок 5 представляет типичную картину малосигнального воздействия модулирующим СВЧ- сигналом на p-n переход ИПЛ (это видно из соотношения амплитуд 
и 
), следует отметить эффективность этого воздействия, возрастающую при увеличении питающего p-n переход постоянного напряжения 
.
Частотная характеристика (рисунок 6) показывает частотные ограничения, которые неизбежны при осуществлении амплитудной модуляции.
Эти ограничения исходят от самого лазера, электрофизические параметры которого зависят от присутствия на его p-n переходе посторонних сигналов и, в первую
очередь, от их частоты.
 |  |
| Рисунок 4 | Рисунок 5 |
 | На основании полученных результатов можно сделать вывод об удовлетворительном совпадении полученных в диссертации соотношений, описывающих частотные свойства процесса амплитудной модуляции ИПЛ, с экспериментальными и теоретическими результатами авторов У.Тсанга, Дж.Гауэра, А.Ярива, работающих непосредственно в этой области радиоэлектроники. Таким образом, полученные во второй главе результаты позволяют выбирать первичные пара-метры исследуемой оптико- электронной |
| Рисунок 6 |
системы по критерию эффективной модуляции.
В третьей главе исследована устойчивость излучения ИПЛ в процессе его модуляции СВЧ-сигналами. Исследование базируется на фундаментальных положениях теории колебаний. Анализ устойчивости проведен на основе скоростных уравнений ИПЛ универсальным методом ляпуновских величин, предложенным академиком А.А. Андроновым.
В результате проведенного анализа найдены области параметров модулирующего сигнала, в которых может быть осуществлена устойчивая модуляция оптического излучения лазерного диода и определены бифуркационные значения этих параметров.
Из рисунка 7 следует, что система ведет себя устойчиво при изменении 
в пределах 1-330 (мВ). Этот вывод следует из того, что в упомянутой области амплитуд 
бифуркации отсутствуют, первая ляпуновская величина 
и характеристические параметры 
, 
плавно изменяются, стремясь к постоянному значению, что свидетельствует о приобретении ИПЛ запаса устойчивости колебаний. Однако, при изменении амплитуды модулирующего СВЧ-сигнала 
(В) в более широких пределах, до уровня 
первая ляпуновская величина 
начинает
 | резко изменять своё значение, начиная от критической амплитуды модулирующего колебания, именуемой бифуркационной  , что свидетельствует о резкой потере устойчивости исследуемой системы. Одновременно, при увеличении амплитуды  , характеристические параметры  ,  также начинают изменять свою величину. Такое поведение характеристических параметров также свидетельствует о приближении системы к точке бифуркации  , в которой возможен срыв |
генерации колебаний исследуемой оптико-электронной системы.
Согласно проведенному в данной главе диссертационной работы анализу практический интерес представляет диапазон значений амплитуды модулирующего сигнала 
80-340 (мВ), соответствующий малосигнальному режиму амплитудной модуляции, где система ведет себя устойчиво. Указанные значения амплитуд находятся в согласии с величинами амплитуд, упоминаемыми в первой главе работы.
Поведение ИПЛ при различных напряжениях питания 
можно наблюдать также по рисунку 7. Для нескольких значений напряжений питания 
, соответствующих напряжениям в рекомендуемом изготовителем лазерного диода диапазоне, 
2,5-3,5 (В), бифуркации отсутствуют, система устойчива, первая ляпуновская величина 
и характеристические параметры 
, 
плавно изменяются, стремясь к постоянному значению, что также свидетельствует о приобретении ИПЛ запаса устойчивости колебаний. Однако (это видно из рисунка 7) при уменьшении напряжения питания 
первая ляпуновская величина и характеристические параметры начинают изменять своё значение, что позволяет сделать вывод о приближении системы к точке бифуркации по питающему напряжению и о наличии для исследуемой системы 
.
Таким образом, на основании проведенного анализа поведения первой ляпуновской величины 
и характеристических параметров 
, 
, можно сделать вывод об устойчивости анализируемой оптико-электронной системы в режиме малого сигнала (
) и при напряжениях питания 
не ниже 2,9 В.
Полученные в третьей главе результаты, которые основываются на скоростных уравнениях одномодовой лазерной генерации, могут быть использованы для имеющейся лазерной элементной базы, широко применяемой в настоящее время, и их можно использовать при разработках оптических СВЧ амплитудных модуляторов и задающей части оптических передатчиков на этапе теоретического анализа, не прибегая к изготовлению дорогостоящих опытных образцов упомянутых устройств.
Четвёртая глава (экспериментальная часть работы) представлена двумя разделами: предварительным экспериментом и разработкой и исследованием оптического СВЧ-модулятора при модуляции его СВЧ-сигналами трёхсантиметрового диапазона длин волн. Предварительный эксперимент показал, что воздействие СВЧ-напряжения непосредственно на p-n переход лазерного диода приводит к эффективной амплитудной модуляции оптического колебания вырабатываемого ИПЛ.
Результаты измерений величины мощности оптического сигнала 
в зависимости от величины приложенной мощности СВЧ – сигнала 
приведены на рисунке 8.
 |  |
| Рисунок 8 | Рисунок 9 |
Из графика, представленного на рисунке 8 видно, что при увеличении мощности воздействующего СВЧ сигнала происходит уменьшение мощности выходного оптического излучения лазерного диода, что свидетельствует об управлении внешним СВЧ-сигналом колебаниями ИПЛ, то есть имеет место асинхронное гашение колебаний ИПЛ. Наличие же процесса асинхронного гашения, в свою очередь, подтверждает наличие модуляционного процесса, являющегося продуктом взаимодействия двух разночастотных колебаний на нелинейном элементе (p-n переходе) ИПЛ. С целью проверки полученных теоретических результатов было проведено сопоставление рассчитанной в диссертации статической модуляционной характеристики (сплошная кривая) с экспериментально исследованной (пунктирная кривая) и констатировано их удовлетворительное совпадение.
На рисунке 9 показано сопоставление расчётного и экспериментально измеренного коэффициента модуляции. Как видно из рисунка, имеет место удовлетворительное совпадение расчётных и экспериментальных данных.
На основании результатов предварительного эксперимента и импедансных свойств ИПЛ, исследованных в первой главе, проведено проектирование и изготовлен макет СВЧ модулятора отражательного типа в волноводном исполнении, функциональная схема которого представлена на рисунке 10. Основное достоинство макета модулятора – возможность его технической реализации без применения каких-
либо сложных технологий, например в условиях ВУЗа.
Модуляторная секция показана на рисунке 11 и состоит из волноводного отрезка (1), с короткозамыкающим подвижным поршнем; с другой стороны к волноводному отрезку присоединена секция-модулятор в виде фланца (2), со встроенным в него лазерным диодом (3) . Устройство на рисунке 11 подключается к циркулятору, обеспечивающему ввод и вывод СВЧ-модулирующих сигналов.
 |  |
| Рисунок 10 | Рисунок 11 |
Для проведения основного эксперимента разработан макет оптического СВЧ-модулятора, выполненный по эскизным чертежам собственной разработки, который может быть рекомендован в качестве новой элементной базы радиопередающих устройств оптического диапазона длин волн. Согласно полученным экспериментальным данным для упомянутого макета 
=3,58 (мВт), 
= 3,43 (мВт), (на рисунках 12, 13 показаны спектры излучения ИПЛ без воздействия СВЧ-модулирующего сигнала и при его воздействии, соответственно).
 |  |
| Рисунок 12 | Рисунок 13 |
Коэффициент модуляции в этом случае составил 0,0381, то есть около 4%. Расчёт коэффициента модуляции по соотношению, приведенному в диссертации
(глава 1) с учётом упомянутых 
, 
при известном активном сопротивлении ИПЛ показал m6%, что удовлетворительно совпадает с результатами эксперимента. Кроме того, эти данные хорошо согласуются с опубликованными в литературе результатами, полученными У. Тсангом, А. Яривом и Р. Хансперджером.
Современные лазерные диоды как корпусные, так и бескорпусные имеют различные конструкции. Основным фактором, не позволяющим резко увеличивать частоту модулирующего сигнала, является ограничение частоты модуляции из-за ограничения времени жизни фотона в резонаторе, которое зависит от особенностей конструкции ИПЛ. В настоящее время эта проблема решается правильным выбором конструкции ИПЛ для высокочастотной модуляции, что открывает возможности ещё более эффективного использования полученных в настоящей работе теоретических и практических результатов при разработках СВЧ оптических модуляторов. Так, согласно рекомендациям У. Тсанга, для модуляции сигналами частот выше 10 ГГц применяют лазеры с зарощенной гетероструктурой с коротким резонатором. С целью минимизации влияния паразитных параметров корпуса лазерного диода в данной работе был выбран бескорпусной ИПЛ, конструктивные особенности которого позволяют подводить СВЧ-энергию напрямую к p-n переходу ИПЛ, в результате чего можно существенно увеличивать частоту модулирующего сигнала.
Предварительный и основной эксперименты, проведенные в процессе выполнения диссертации, подтвердили правильность избранного механизма модуляции и модели модулятора, разработанной под этот механизм.
В заключении приведен краткий обзор решенных задач и полученных результатов.
Материалы всех разделов показывают, что принятый в диссертации механизм амплитудной модуляции генерирующего ИПЛ, состоящий в управлении потоком свободных носителей зарядов положительно смещенного p-n перехода ИПЛ, осуществляемым СВЧ напряжением, действующим на p-n переходе ИПЛ в виде малой добавки к постоянному напряжению питания ИПЛ, полностью себя оправдал. Модель оптического СВЧ-модулятора, разработанная на основе такого механизма, дала положительные результаты в виде аналитических соотношений, позволяющих оценивать основные характеристики оптических модуляторов при проведении их инженерных разработок, результаты расчётов были подтверждены экспериментально.
Намечены основные направления дальнейших исследований, которые должны включать в себя создание инженерной методики расчёта оптических СВЧ-модуляторов, для которой необходимо уточнить: эквивалентную схему модулятора, основное уравнение, описывающее колебательный процесс в модуляторе, аналитические
соотношения для расчёта основных параметров и анализа устойчивости модулятора.
На основе перечисленных направлений исследований возможно создавать более совершенные образцы модуляторов, в которых должен быть конструктивно решен вопрос эффективного согласования ИПЛ с каналом СВЧ поднесущего колебания.
Приложение А содержит справочные сведения по одномодовому Фабри-Перо лазерному диоду a12m-KP1439(2). В приложении Б приведены выражения для активных частей проводимостей системы на различных гармониках и комбинационных частотах, которые обычно считают паразитными. В приложении В приведена проверка размерности выведенного в данной диссертационной работе классического дифференциального уравнения второго порядка, относительно искомого вынужденного колебания и методика решения уравнения оптической автоколебательной системы. В приложении Г приведен комплект эскизной документации на СВЧ-модулятор отражательного типа. В приложении Д приведен краткий обзор наиболее распространённых типов полупроводниковых лазеров.
Список публикаций
- Алексеев Ю.И., Орда-Жигулина М.В., Михеев С.С. Определение устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров в приближении модели, описываемой скоростными уравнениями // «Радиотехника и электроника», 2006, том 51, №4. с. 509-512.
- Орда-Жигулина М.В., Алексеев Ю.И. Импедансные свойства инжекционных полупроводниковых лазеров – 5 с.// «Антенны», 2008, Выпуск 11 (в печати).
- Алексеев Ю. И., Орда-Жигулина М. В., Михеев С. С. Анализ устойчивости оптических модуляторов // «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 1(50). с. 60-64.
- Орда-Жигулина М.В. СВЧ модулятор GaAs лазера отражательного типа. – 4 с.// «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 2(51). с.125-129.
- Орда-Жигулина М.В., Михеев С.С. Анализ устойчивости колебательной системы инжекционного полупроводникового лазера // Тезисы докладов и сообщений III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Волгоград, 2004, с. 349.
- Орда-Жигулина М.В., Михеев С.С. Оптический СВЧ-модулятор отражательного типа // Тезисы докладов Одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Том 1, Москва, 2005, с.96-97.
- Алексеев Ю.И., Орда-Жигулина М.В., Михеев С.С. Анализ устойчивости
оптических модуляторов при модуляции СВЧ-сигналами // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ 2005» Таганрог, 2005, с.79-80.
- Алексеев Ю.И., Орда-Жигулина М.В. О сопоставлении двух методов расчёта активной части сопротивления инжекционного полупроводникового лазера // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ 2005» Таганрог, 2007, с.87-88.
- Орда-Жигулина М.В. Анализ устойчивости инжекционного полупроводникового лазера как грубой колебательной системы // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2004, с.71-72.
- Орда-Жигулина М.В. Импульсный модулятор GaAs-лазера на IMPATT-диоде // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2004, с.72-73.
- Орда-Жигулина М.В. Анализ устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров методом параметрических диаграмм // Тезисы докладов и сообщений Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2005, с.281-283.
В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора данной диссертационной работы состоит в следующем: в работах [1, 3, 5, 7] проведен вывод основных аналитических соотношений; в работах [2, 6, 7] проведены расчёт импедансных свойств, амплитудно-частотных характеристик модулятора и описан разработанный автором макет модулятора. Основные результаты представленной диссертационной работы получены автором лично.
Типография технологического института
Южного Федерального университета в г. Таганроге
пер.Некрасовский, 44, г.Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.
Заказ № 223 Тираж 100 экз.
