автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему: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

□□3444735

Таганрог 2008

003444735

Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета в г Таганроге

доктор технических наук, профессор Алексеев Юрий Иванович (Технологический институт Южного Федерального университета, г Таганрог)

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)

Защита диссертации состоится «29» августа 2008 г в 16- 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 федеральною 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

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

ФГУП "Таганрогский НИИ связи", г Таганрог

Автореферат разослан

июля 2008 г

Ученый секретарь диссертационное к т н , доц

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 р-п 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 продотжается 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 ее 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, ЕС, VCSELhäp)

Одним из наиболее перспективных методов модуляции указанных типов ИПЛ считается амплитудная модуляция тока р-n перехода ИПЛ непосредственно поданным на него модулирующим СВЧ-сигналом Этот вид модучяции основан на эффекте поглощения оптического излучения свободными электронами При данном механизме изменение прозрачности запирающего слоя р-n перехода происходит через изменение концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике Модуляторы, использующие упомянутый эффект, представляют собой ИПЛ, к р-n переходу которого приложено прямое смещение и СВЧ-сигнал, и относятся к устройствам внутренней модуляции, в которых оптическое и "пучение 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 тд) 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 коаксиапьно-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 помехозащищенности, 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 (Кс, ыс - амплитуда и частота СВЧ-колебания) и несущего (оптического) колебания (К, со - ачптитуда и частота оптического излучения ИПЛ) с электронным потоком на р-п переходе ИПЛ,

- на основании разложения тока в рабочей точке ВАХ ИПЛ определить коэффициент модуляции, найти амплитуду вынужденного колебания, явтяющегося продуктом взаимодействия нескольких напряжений, приложенных к р-п переходу ИПЛ (с амплитудами К, Кс и напряжения питания ИПЛ 6'0 ),

- 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 свойстаа 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 расчете основных параметров указанной системы,

- исследована устойчивость оптического излучения в процессе модуляции ИПЛ СВЧ-сигналами Полученные результаты без дополнительных математических расчетов 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 расчетов 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 р-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, 2008г), 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, 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, 2004,200бгг)

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и пяти приложений Работа содержит 144с, в том числе 120с 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 р-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 расчета 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 почожения, 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 р-п переходе, получены аналитические выражения для активной и реактивной частей собственной проводимости ИПЛ, а также проводимостей при воздействии модулирующего СВЧ-напряжения на р-n переход лазерного диода через параметры собственных колебаний лазерного диода К, со (амплитуда и частота оптических колебаний, действующих на р-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 Кс) и ряда статических

модуляционных характеристик

Из активной части адмитганса выделены проводимости на частоте модулирующего сигнала <uc, на частоте преобразованного сигнала а>- сис, проводимость в отсутствие модулирующего сигнала и ряд проводимостей по другим частотным каналам 2а>с, Зо)с, ш-2сос, необходимых для уточнения эквивалентной схемы модулятора

Реактивная часть адмитганса 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 ш, подлежащий расчету при разработке модулятора

На рисунках 1-3 приведены результаты расчёта значений активных и реактивных частей сопротивления ИПЛ типа al2m-KPI439(2) и коэффициента модуляции ш в зависимости от величины напряжения питания U0, амплитуды

оптического колебания К и амплитуды модулирующего СВЧ-колебания Кс,

действующих на р-n переходе ИПЛ Согласно опубликованным в литературе экспериментальным данным, полученным УТсангом, АЯривом, ДжГауэром, 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 Кс,

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 U0 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 Кс 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 р-п переходе ИПЛ и может быть увеличен при

Л« (о»)

Хк ,0м> о -

К=0,58 (В)

m (%) 40

] и„ =0,8 (В) и„ =i,e (в) U„ =2,2 (В) \ U„ =2,8 (В) \\ К=0,58 (В) / у J&t

'I

аыг

Рисунок 1 Рисунок 2

понижении питающего напряжения U0, однако, как известно, уже

при глубине модуляции 60% лазерный диод ухудшает оптические параметры излучения, поэтому

коэффициент модуляции при

рекомендуемых рабочих напряжениях питания ИПЛ ог раничивается примерно на

0,2

К<(В) уровне 30-40%, что согласуется с Рисунок 3 данными, полученными 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 B.C. Андреевым и С.И. Баскаковым.

Динамические процессы в инжекционном полупроводниковом лазерном диоде описываются системой скоростных уравнений, связывающих плотность потока фотонов} и концентрацию носителей заряда в лазерной среде N

= ———-сг.Ш, — — = а.Ш-{/} + р,.)./ , где /„ - инжекционный ток ИПЛ, Л еУ г, Ус с/1 *

т, - спонтанное время жизни избыточных электронов, о> -поперечное сечение вынужденного излучения межзонных переходов носителей заряда, е - заряд электрона, V - объем активного слоя р-п перехода лазера, р - погонные потери, Д, - потери на излучение, Ус - 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 и

а2и 1 а и

; + " Л' Г,

1 Л

Ь °У К к (Р+Р„)

еУ г.

и+

(I- ^

£ е0 1 ЛММО 2Ь

и п

стги-= 0, решение

Л

которого даёт амплитуду вынужденного колебания А Полученная амплитуда вынужденных колебаний А позволила значительно уточнить все зависящие от ней параметры (в том числе и коэффициент модуляции), а также скорректировать модуляционные характеристики, рассмотренные в первой главе работы С учетом 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 (Кс, а>с ) Из рисунка4 видно как уровень несущего колебания существенно изменяется при наличии модулирующего сигнала Кс, что полностью соответствует теории амплитудной модуляции Несмотря на то, что рисунок 5 представляет типичную картину малосигнального воздействия модулирующим СВЧ- сигналом на р-п переход ИПЛ (это видно из соотношения амплитуд К и Кс ), следует отметить эффективность этого воздействия, возрастающую при увеличении питающего р-п переход постоянного напряжения и0

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 р-п переходе посторонних сигналов и, в первую

очередь, от их частоты.

А (В)

Рисунок 4

Рисунок 6

Рисунок 5

На основании полученных результатов можно сделать вывод об удовлетворительном совпадении

полученных п 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 параметры исследуемой оптико- электронной

системы по критерию эффективной модуляции.

В третьей главе исследована устойчивость излучения ИПЛ в процессе его модуляции СВЧ-сигналами. Исследование базируется иа фундаментальных положениях теории колебаний. Анализ устойчивости проведен на основе скоростных уравнений ИПЛ универсальным методом ляпуновских величин, предложенным академиком A.A. 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.

1,0-1 о*

2,010"

/,7510-7

1,5'Ю"7

и0=3,1 (В)

и0=2,9 (В)

Из рисунка 7 следует, что система ведет себя устойчиво при изменении Кс в пределах 1-330 (мВ). Этот вывод следует из того, что в упомянутой области амплитуд Кс бифуркации отсутствую!', первая ляпуновская величина и характеристические параметры а, Д плавно изменяются, стремясь к постоянному значению, что свидетельствует о приобретении ИПЛ запаса устойчивости колебаний. Однако, при изменении амплитуды модулирующего СВЧ-сигнала Кс (В) в более

широких пределах, до уровня Кс ~ 0,2С/0 первая ляпуновская величина Ь, начинает

резко изменять своё значение, начиная от критической амплиту-1)0=2,9.(В) ды модулирующего колебания, именуемой бифуркационной

и0=3,0(В)

Ксб„ф> что

свидетельствует о резкой потере

устойчивости исследуемой системы. Одновременно, при С) увеличении амплитуды Кс , характеристи-и0=3,1 (В) ческие параметры а, Д также начинают изменять свою

ио=3,0 (В) величину. Такое поведение характеристических параметров также свидетельствует о приближении

системы к точке

бифуркации Ксбиф, в

которой возможен срыв

и„=3,0 (В)

и0=2,9 (В)

генерации колебаний исследуемой оптико-электронной системы

Согласно проведенному в данной главе диссертационной работы анализу практический интерес представляет диапазон значений амплитуды модулирующего

сигнала Кс 80-330 (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 110 можно наблюдать также по рисунку 7 Для нескольких значений напряжений питания II0, соответствующих напряжениям в рекомендуемом изготовителем лазерного диода диапазоне, 1!0 е 2,9-3,5 (В), бифуркации отсутствуют, система устойчива, первая

ляпуновская величина ¿у и характеристические параметры а, Д 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 и0 первая ляпуновская величина и характеристические параметры начинают изменять свое значение, что позволяет сделать вывод о приближении системы к точке бифуркации по питающему напряжению и о наличии для исследуемой системы

и 0 бнф

Таким образом, на основании проведенного анализа поведения первой ляпуновской величины Ц и характеристических параметров а, Д, можно сделать вывод об устойчивости анализируемой оптико-электронной системы в режиме малого сигнала (Кс < 0,Ш0 ) и при напряжениях питания II0 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

Четвертая глава (экспериментальная часть работы) представлена двумя разделами предварительным экспериментом и разработкой и исследованием оптического СВЧ-модулятора при модуляции его СВЧ-сигналами трехсантиметрового диапазона длин волн Предварительный эксперимент показал, что воздействие СВЧ-напряжения непосредственно на р-п переход лазерного диода приводит к эффективной амплитудной модуляции оптического колебания вырабатываемого ИПЛ

Результаты измерений величины мощности оптического сигнала Ропт. в зависимости от величины приложенной мощности СВЧ - сигнала Рт. приведены на рисунке 8.

рот. (мВт)

1,2 i-i-i-

0,8 0,6 0,4

I = 24 (нА) W, = 2000 (МГц)

200 400 600

Рс^ (мкВт)

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-сигнапом 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 (р-п 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 расчетных и экспериментальных данных.

На основании результатов предварительного эксперимента и импедансных свойств ИПЛ, исследованных в первой главе, проведено проектирование и изготовление макета 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-

Модулятор Ai

модулированное оптическое колебание

к поглощающей нагрузке

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

Макет оптического СВЧ-модулятора выполнен по эскизным чертежам собственной разработки и может быть рекомендован в качестве новой элементной базы радиопередающих устройств оптического диапазона длин волн. Согласно полученным экспериментальным данным для упомянутого макета Ромшах =3,58 (мВт), Рот„ min = 3,43 (мВт), (на рисунках 12, 13 показаны спектры излучения ИПЛ без воздействия СВЧ-модулирующего сигнала и при его воздействии, соответственно).

Я5ВВГ

hwaoaie

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 /'„,„„ шах, Ропт гаш при известном активном

сопротивлении ИПЛ показал ш=6%, что удовлетворительно совпадает с результатами эксперимента Кроме того, эти данные хорошо согласуются с опубликованными в литературе результатами, полученными У Тсангом, А Яривоч 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 еще 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 р-п 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 р-п перехода ИПЛ, осуществляемым СВЧ напряжением, действующим на р-п 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 расчетов 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 а12т-КР1439(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 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

1) Алексеев ЮИ, Орда-Жигулина MB, Михеев С С Определение устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров в приближении модели, описываемой скоростными уравнениями // «Радиотехника и электроника», 2006, том 51, №4 с 509512

2) Орда-Жигулина М В , Алексеев Ю И Импедансные свойства инжекционных полупроводниковых лазеров - 5 с У/ «Антенны», 2008, Выпуск 11 (в печати)

3) Алексеев Ю И, Орда-Жигулина М В, Михеев С С Анализ устойчивости оптических модуляторов // «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск 1(50) с 60-64

4) Орда-Жигулина М В СВЧ модулятор GaAs лазера отражательного типа -4с// «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск 2(51) с 125-129

5) 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

6) 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

7) 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

8) Алексеев Ю И , Орда-Жигулина М В О ^ сопоставлении двух методов расчета активной части сопротивления инжекционного полупроводникового лазера // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ 2007» Таганрог, 2007, с 87-88

9) Орда-Жигулина МВ Анализ устойчивости инжекционного полупроводникового лазера как грубой колебательной системы // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэпектроника и системы управления Таганрог, 2004, с 71-72

10) Орда-Жигулина М В Импульсный модулятор ОаАБ-лазера на 1МРАТТ-диоде // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления Таганрог, 2004, с 72-73

11)Орда-Жигулина МВ 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 [2,6,8] проведены расчет импедансных свойств, амплитудно-частотных характеристик модулятора и описан разработанный автором макет модулятора Основные результаты представленной диссертационной работы получены автором лично

Типография техноло!ического института Южного Федерального университета в г Таганроге

пер Некрасовский, 44, г Таганрог, Ростовская область, ГСГ1-17А, 347928 Заказ № ' ' Тираж 100 экз

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1: РАССМОТРЕНИЕ ИПЛ В ОБЩЕМ МОДУЛЯЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ

1.1 Обзор литературы

1.2 Радиоэлектронные механизмы, лежащие в основе работы оптических полупроводниковых диодных СВЧ-модуляторов.

1.3 Определение параметров инжекционных полупроводниковых лазеров в процессе модуляции.

1.3.1 Определение оптической компоненты полной проводимости лазерного диода.

1.3.2 Характеристики ИПЛ в общем модуляционном процессе.

1.3.3 Определение значения коэффициента модуляции ИПЛ.

1.3.4 Определение расчётныхотношений для активной проводимости ИПЛ.

1.3.5 Определение расчётныхотношений для реактивной проводимости ИПЛ.

1.4 Выводы

ГЛАВА 2: ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМПЛИТУДЫ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ИПЛ В РЕЖИМЕ МОДУЛЯЦИИ СВЧ-СИГНАЛАМИ МАЛОГО УРОВНЯ.

2.1 Вывод дифференциального уравнения, описывающего работу ИПЛ на основанииоростных уравнений лазера. ^

2.2 Решение уравнения модулятора при внешнем воздействии СВЧ-гармоническимгналом малой амплитуды.

2.3 Выводы.

ГЛАВА 3: АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ИНЖЕКЦИОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

3.1. Некоторые общие теоретические положения. 88 'с.

3.2. Анализ устойчивости ИПЛ.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРАБОТКИ СВЧ-МОДУЛЯТОРА ОПТИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ

4.1 Экспериментальная проверка управления мощностью ИПЛоронним СВЧ-колебанием.

4.1.1 Структурнаяема измерительной установки.

4.1.2 Измерения и обработка результатов эксперимента.

4.1.3 Анализ полученных экспериментальных результатов.

4.2 Разработка макета оптического СВЧ-модулятора отражательного типа.

4.2.1 Структурнаяема измерительной установки.

4.2.2 Измерения и обработка результатов эксперимента.

4.3 Выводы.

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 диапазоне 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, ЕС, VCSEL и ДР-)

Одним из наиболее перспективных методов модуляции указанных типов ИПЛ считается амплитудная модуляция тока р-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 р-n перехода происходит через изменение концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике. Модуляторы, использующие упомянутый эффект, представляют собой ИПЛ, к р-п 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 оптического излучения, реализованных на эффекте поглощения оптического излучения свободными электронами.

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 (а'с, ас - амплитуда и частота СВЧ-колебания) и несущего (оптического) колебания (к, а - амплитуда и частота оптического излучения ИПЛ) с электронным потоком на р-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 р-n переходу ИПЛ (К, Кс и напряжения питания ИПЛ £/0);

- исследовать устойчивость оптико-электронной системы, каковой является модулятор в режиме модуляции.

Методы исследования базируются на методах теории цепей и методах теории устойчивости динамических систем.

Научная новизна работы состоят в следующем:

- разработана и проанализирована модель, описывающая импедансные свойства лазерного диода в процессе модуляции его излучения СВЧсигналом, позволившая получить аналитические выражения для основных параметров оптико-электронной системы, каковой является ИПЛ;

- 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 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 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 взаимодействии СВЧ-поля непосредственно с положительно смещенным р-n переходом 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. Govvar), 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, 12 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 е., в том числе с. основного текста, с. рисунков, список литературы из наименования на с. и с. приложений.

4.3 Выводы

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 р-n переход лазерного диода приводит к эффективной амплитудной модуляции оптического колебания, вырабатываемого ИПЛ.

С целью проверки полученных теоретических результатов было проведено сопоставление рассчитанной в диссертации статической модуляционной характеристики с экспериментально исследованной и констатировано их удовлетворительное совпадение, такое же сопоставление было проведно для коэффициента модуляции.

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. Основное достоинство макета модулятора - возможность его технической реализации без применения каких-либо сложных технологий, например в условиях ВУЗа.

Для разработанного макета был экспериментально определен коэффициент модуляции по методике отличной от применяемой в предварительном эксперименте.

Поставленные в процессе выполнения диссертации предварительный и основной эксперименты подтвердили правильность избранного механизма модуляции и модели модулятора, разработанной под этот механизм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулированные в вводной части работы задачи полностью решены, результаты их решения можно представить следующим образом.

1) Разработана модель лазерного диода при воздействии на его р-n переход модулирующего СВЧ-сигнала, наиболее полно представляющая его импедансные свойства. В рамках анализа указанной модели были получены: аналитические выражения для активной и реактивной составляющих адмиттанса ИПЛ на частоте модулирующего СВЧ-сигнала, на частоте продукта преобразования, а также на частотах, кратных модулирующему СВЧ-сигналу, выраженные через параметры собственных колебаний лазерного диода К, со (амплитуда и частота оптических колебаний, действующих на р-n переходе ИПЛ) и аналогичные параметры модулирующего СВЧ-колебания; аналитическое выражение для коэффициента амплитудной модуляции т, выраженое через те же параметры с последующим анализом динамических (зависимость коэффициента модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения Кс) и ряда статических модуляционных характеристик.

Результаты расчёта ряда характеристик и параметров удовлетворительно совпали с аналогичными теоретическими расчётами, полученными рядом авторов и приведенными в литературе. Проведенный анализ позволил получить соотношения, устанавливающие уровни побочных продуктов модуляции.

Таким образом, при разработке оптических модуляторов можно на основании полученных выражений проводить предварительные расчёты основных характеристик и прогнозировать ожидаемые параметры СВЧ-модуляторов, созданных на основе инжекционных полупроводниковых лазерных диодов.

2) Получено и решено классическое дифференциальное уравнение второго порядка относительно искомого вынужденного колебания модулируемого ИПЛ, которое является основным уравнением анализируемой оптико-электронной системы. Уравнение выведено на основании системы скоростных уравнений, обычно применяемой для описания процессов в полупроводниковых лазерных диодах, и положения, при котором физически реализуемая автогенераторная колебательная система, каковой является ИПЛ, есть грубая колебательная система.

3) Определено аналитическое выражение для амплитуды вынужденных колебаний А, которое является результатом решения упомянутого уравнения второго порядка. На основании полученного решения оказалось возможным существенно уточнить все зависящие от амплитуды вынужденных колебаний параметры (в том числе и коэффициент модуляции), а также скорректировать характеристики модулируемого ИПЛ, рассмотренные в первой главе работы. С учётом амплитуды вынужденных колебаний А были рассчитаны статические и частотные модуляционные характеристики анализируемой системы, которые зависят как от электрофизических параметров ИПЛ, так и от параметров модулирующего СВЧ-излучения.

Таким образом, полученные результаты позволяют управлять параметрами исследуемой оптико-электронной системы по критерию эффективной модуляции.

4) Исследована устойчивость оптического излучения в процессе его модуляции СВЧ-сигналами. Исследование базируется на использовании фундаментальных положений 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.

Полученные результаты основываются также на скоростных уравнениях одномодовой лазерной генерации и могут быть использованы для имеющейся лазерной элементной базы, широко применяемой в настоящее время, в том числе при разработках оптических СВЧ амплитудных модуляторов и задающей части оптических передатчиков.

5) На основании данных предварительного эксперимента, результатов исследования импедансных свойств ИПЛ и анализа устойчивости исследуемой оптико-электронной системы было проведено проектирование и изготовлен макет СВЧ-модулятора отражательного типа в волноводном исполнении. Основное достоинство макета модулятора, представленного в данной работе - возможность его технической реализации без применения каких-либо сложных технологий. С целыо минимизации влияния паразитных параметров корпуса лазерного диода в данной работе был выбран бескорпусной ИПЛ, конструктивные особенности которого позволяют подводить СВЧ-энергию напрямую к р-n переходу ИПЛ, в результате чего можно существенно увеличивать частоту модулирующих сигналов.

Поставленный в процессе выполнения диссертации эксперимент подтвердил правильность избранного механизма модуляции и модели модулятора, разработанной под этот механизм. Действующий макет оптического СВЧ-модулятора, показавший удовлетворительные технические характеристики и выполненный по эскизным чертежам собственной разработки, может быть рекомендован в качестве новейшей элементной базы радиопередающих устройств оптического диапазона длин волн.

Материалы всех разделов показывают, что принятый в диссертации механизм амплитудной модуляции генерирующего ИПЛ, состоящий в управлении потоком свободных носителей зарядов положительно смещенного р-п перехода ИПЛ, осуществляемый за счёт СВЧ напряжения, вырабатываемого источником модулирующего СВЧ сигнала и приложенного к р-n переходу ИПЛ в виде малой добавки к постоянному напряжению питания ИПЛ, полностью себя оправдал.

Модель оптического СВЧ-модулятора, разработанная на основе упомянутого механизма амплитудной модуляции ИПЛ, позволила провести анализ рассмотренной оптико-электронной системы, результатом которого стали полученные в разделах диссертации аналитические соотношения, позволяющие оценивать основные характеристики оптических модуляторов при проведении их инженерных разработок.

1. Динамика, модуляция, спектры: Пер. с англ./Под ред. У. Тсанга. М.: Радио и связь, 1990. -320 с.

2. Ярив А. Введение в оптическую электронику. Пер. с англ. Г.Л. Киселева. Под ред. О.В. Богданкевича. М. Высшая школа, 1983. —400 с.

3. Хансперджер Р., Интегральная оптика: теория и технология / Р. Хансперджер ; пер. с англ. В. Ш. Берикашвили, А. Б. Мещерякова под ред. В. А. Сычугова. М. : Мир, 1985. -384 с.

4. Г.П.Катыс, Н.В.Кравцов, Л.Е. Чернов, С.М. Коновалов Модуляция и отклонение оптического излучения, М.: «Наука», 1967.

5. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров, М.: Наука • Физматлит, 1999.-368 с.

6. Р.Р.Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети М.: Эко-Трендз, 1998. -267 с.

7. Крылов К. И. Основы лазерной техники: учеб. пособие для студ. вузов / К. И. Крылов, В. Т. Прокопенко, В. А. Тарлыков. Л.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

8. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. М. Радио и связь, 1989. -504 с.

9. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М. : Логос, 2004. -470 с.

10. Волоконно-оптические системы связи на ГТС: Справочник / Б.З.Берлин, А.С. Брискер, B.C. Иванов. М.: Радио и связь, 1994. -160 с.

11. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник / И.И.Горднев, А.Г. Мурадян, P.M. Шарафутдинов и др. М.: Радио и связь, 1993. -264 с.

12. Lasher G. J. Solid-State Electron, 7, 707 (1964).

13. Paoli Т. L., Ripper J. E. Proc. IEEE, 58, 1457 (1970).

14. Ikegami Т., Suematsu Y. Electron Commun. (Japan), 51, B, 51 (1968).

15. Lee T. P., Derosier R. M. Proc. IEEE, 62, 1176 (1974).

16. Ripper J. E. et al. IEEE J., QE-2, 603 (1966).

17. Ripper J. E. IEEE, J., QE-6 129 (1970).

18. Reick H. Solid State Electron., 8, 83 (1965).

19. Kleinman D. Bell. Syst. Techn. J., 43, 1505 (1964).

20. Goldstein В., Wigand R. Proc. IEEE, 53, 195 (1965).-Nakano Т., Oku T. Japan J. Appl. Phys., 6, 1212 (1967).

21. Ikegami Т., Suematsu Y. Proc. IEEE, 55, 122 (1967)?

22. Ikegami Т., Suematsu Y. Electron Comm. (Jpn.), 51-B, 51 (1968).

23. Nishizawa J. IEEE J., QE-4, 143 (1968).

24. Ikegami Т., Suematsu Y. IEEE J., QE-4, 148 (1968)."

25. Takamiga S. et al. Proc. IEEE, 56,135 (1968). •

26. Alferov Zh. I. Sov. Phys. — Semicond., 3,1170 (1970).

27. Panish M. et al. Appl. Phys. Lett., 17, 109 (1970).

28. Thim H. Proc. IEEE Intern. Solid-State Device Conf., Philadelphia, PA (February 1973).

29. LakshminarayanaM. eta!. Electron. Lett., 14, 640 (1978).

30. Yania H. et al. IEEE J., QE-11, 519 (1975).

31. Caroll J., Farrington J. Electron. Lett., 9, 166 (1973).

32. Russer P., Schultz S. Arch. Elek. Obertragung, 27, 193 (1973).

33. Ozeki Т., Ho T. IEEE J., QE-9, 388 (1973).

34. Seeds A. J., Forrest J. R. Electron Lett, 14, 829 (1978).

35. Yen H. W. Digest of the 1979 IEEE/OSA Conf. on Laser

36. Пермякова О.И. Стабилизированный по частоте полупроводниковый лазер с внешним резонатором / О. И. Пермякова, А. В. Яковлев, П. JT. Чаповский// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 5.-С.449-453.

37. Высоцкий Д.В. Теория полупроводникового лазера с вертикальным резонатором и внешним зеркалом / Д. В. Высоцкий, А. П. Напартович// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 8.-С.705-710.

38. Спектральные возмущения в полупроводниковом лазере. Ч. 1 : Аномальное расщепление в спектре биений мод / П. Г. Елисеев и др.// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 9.-С.787-790.

39. Алексеев Ю.И. Исследование влияния лазерного излучения на частоту колебаний ганновского генератора / Ю. И. Алексеев, И. В. Малиев, С. А. Нащапский// Изв.вузов.Электроника. 2006. - № 2.-С.34-36.

40. Спектральные свойства резонатора полупроводникового a-DFB-лазера / А. П. Богатов и др.// Квантовая электрон. 2006. - Т. 36, № 8.-С.745-750.

41. Сухарев А.Г. Режим гармонической модуляции излучения полупроводникового лазера с внешней обратной связью / А. Г. Сухарев, А. П. Напартович// Квантовая электрон. -2007. Т. 37, № 2.-С.149-153.

42. Е.С.Кухаркин Основы инженерной электрофизики. М. Высшая школа, 1969.

43. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей, М.: Связь, 1972. -327 с.

44. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В.Благовещенского. М. Радио и связь, 1994.- 416 с.

45. В.Н. Щевчик, Д.И. Трубецков Аналитические методы расчёта в электронике СВЧ., М. «Сов радио», 1970.

46. Takamiga S. et al. Proc. IEEE, 56, 135 (1968). •

47. Alferov Zh. I. Sov. Phys. — Semicond., 3,1170 (1970).

48. Panish M. et al. Appl. Phys. Lett., 17, 109 (1970).

49. Thim H. Proc. IEEE Intern. Solid-State Device Conf., Philadelphia, PA (February 1973).

50. Lakshminarayana M. et a!. Electron. Lett., 14, 640 (1978).

51. Yania H. et al. IEEE J., QE-11, 519 (1975).

52. Caroll J., Farrington J. Electron. Lett., 9, 166 (1973).

53. Russer P., Schultz S. Arch. Elek. Obertragung, 27, 193 (1973).

54. Ozeki Т., Ho T. IEEE J., QE-9, 388 (1973).

55. Seeds A. J., Forrest J. R. Electron Lett, 14, 829 (1978).

56. Yen H. W. Digest of the 1979 IEEE/OS A Conf. on Laser

57. Пермякова О.И. Стабилизированный по частоте полупроводниковый лазер с внешним резонатором / О. И. Пермякова, А. В. Яковлев, П. JI. Чаповский// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 5.-С.449-453.

58. Высоцкий Д.В. Теория полупроводникового лазера с вертикальным резонатором и внешним зеркалом / Д. В. Высоцкий, А. П. Напартович// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 8.-С.705-710.

59. Спектральные возмущения в полупроводниковом лазере. Ч. 1 : Аномальное расщепление в спектре биений мод / П. Г. Елисеев и др.// Квантовая электрон. 2005. - Т. 35, № 9.-С.787-790.

60. Алексеев Ю.И. Исследование влияния лазерного излучения на частоту колебаний ганновского генератора / Ю. И. Алексеев, И. В. Малиев, С. А. Нащанский// Изв.вузов.Электроника. 2006. - № 2.-С.34-36.

61. Спектральные свойства резонатора полупроводникового a-DFB-лазера / А. П. Богатов и др.// Квантовая электрон. 2006. - Т. 36, № 8.-С.745-750.

62. Сухарев А.Г. Режим гармонической модуляции излучения полупроводникового лазера с внешней обратной связью / А. Г. Сухарев, А. П. Напартович// Квантовая электрон. -2007.-Т. 37,№2.-С.149-153.

63. Е.С.Кухаркин Основы инженерной электрофизики. М. Высшая школа, 1969.

64. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей, М.: Связь, 1972. -327 с.

65. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Г.М. Уткина, B.II. Кулешова и М.В.Благовещенского. М. Радио и связь, 1994.- 416 с.

66. В.Н. Шевчик, Д.И. Трубецков Аналитические методы расчёта в электропике СВЧ., М. «Сов радио», 1970.

67. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергия, 1971.

68. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959.

69. Ханип Я.И. Основы динамики лазеров. М.: Наука Физматлит, 1999.

70. Баутин Н.Н., Леонтович Е.А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости. М.: Наука, 1990.

71. Баутин Н.Н. Поведение динамических систем вблизи границ области устойчивости. М.: Наука, 1984.-176 с.

72. Основы теории колебаний. Мигулин В.В., Медведев В.И, Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Под ред. В.В. Мигулина. М.: Наука, 1978. -391с.

73. С.И. Баскаков. Радиотехнические цени и сигналы. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2003. -462 с.

74. В.А. Дьяков. Введение в квантовую электронику. М.: Энергия, 1969. -264 с.

75. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах, пер. с англ. Т. 1-2. М., 1981.

76. Тишер Ф. Техника измерений на свервысоких частотах-М, государственное издательство физико-математической литературы, 192 г. -367 с.

77. Бушминский И.П, Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства, М, ВШ, 1974.-304 с.

78. Конструирование экранов и СВЧ-устройств под ред. проф. Чернушенко, М, «Радио и связь», 1990.-351 с.

79. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В.Благовещенского. М. Высшая школа, 1983. -400 с.

80. А. Усанов, Ал.В. Скрипаль, Ан.В. Склипаль. Физика полупроводниковых радиочастоных и оптических автодинов. Изд. Саратовского ун-та, 2003.

81. J.Wood. Топ-10 нано в материаловедении. Materials today, 2008, v.l 1, no 1—2, p 45.

82. В.Дураев Отечественные оптоэлектронные компоненты для современных ВОСП. Электроника. 2005 г. - № 1. с.66-69

83. Дураев В.П. Источники оптического излучения. Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. -М.: Изд. Connect, 2000, с. 73-92.

84. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530-1560 нм. Квантовая электроника, 2001, т. 31, №6, с. 529-530.

85. Дураев В.П. Инжекционные лазеры для ВОСП. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1992, №3-4, с. 40.

86. Дураев В.П. и др. Одночастотный полупроводниковый лазер на длине волны 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. Квантовая электроника, 1998, т.25, №4, с. 301-302.

87. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, ed. by C.W. Wilm-sen, H. Temkin and L.A. Coldren (Cambridge Univ. Press, 1999).

88. V.M. Ustinov, A.E. Zhukov. Semicond Sci. Technol., 15, R41 (2000).

89. K. Nakahara, M. Kondow, T. Kitatani, M.C. Larson, K. Uomi. IEEE Photon. Technol. Lett, 10,487(1998).

90. T. Anan, K. Nishi, S. Sugou, M. Yamada, K. Tokutome, A. Go-myo. Electron. Lett, 34, 2127(1998).

91. D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zhou, O.B. Shchekin, D.G. Deppe. Appl. Phys. Lett, 73, 2564 (1998).

92. V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, A.V. Lunev, B.V. Volovik, I.L. Krestnikov, Yu.G. Musikhin, N.A. Bert, PS. Kop'ev, Zh.I. Alferov, N.N. Le-dentsov, D. Bimberg. Appl. Phys. Lett, 74, 1815 (1999).

93. M. Yamada, T. Anan, K. Kurihara, K. Nishi, K. Tokutome, A. Kamei, S. Sugou. Electron. Lett, 36, 637 (2000).

94. J.A. Lott, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, M.V. Maximov, B.V. Volovik, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Electron. Lett, 36, 1384 (2000).

95. G. Steinle, A.Yu. Egorov, H. Riechert Electron. Lett, 37,92 (2001).

96. K.D. Choquette, J.F. Klem, A.J. Fisher, O. Blum, A.A. Aller-man, I.J. Fritz, S.R. Kurtz, W.G. Breiland, R. Sieg, K.M. Geib, J.W. Scott, R.L. Naone. Electron. Lett, 36, 1388 (2000).

97. S. Sato, N. Nishiyama, T. Miyamoto, T. Takahashi, N. Jikutani, M. Arai, A. Matsutani, F. Koyama, K. Iga Electron. Lett, 36,2018 (2000).

98. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530-1560 нм. Квантовая электроника, 2001, т. 31, №6, с. 529-530.

99. Дураев В.П. Инжекционные лазеры для ВОСП. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1992, №3-4, с. 40.

100. Дураев В.П. и др. Одночастотный полупроводниковый лазер на длине волны 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. Квантовая электроника, 1998, т.25, №4, с. 301-302.

101. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, ed, by C.W. Wilm-sen, H. Temkin and L.A. Coldren (Cambridge Univ. Press, 1999).

102. V.M. Ustinov, A.E. Zhukov. Semicond Sci. Technol., 15, R41 (2000).

103. K. Nakahara, M. Kondow, T. Kitatani, M.C. Larson, K. Uomi. IEEE Photon. Technol. Lett, 10,487(1998).

104. T. Anan, K. Nishi, S. Sugou, M. Yamada, K. Tokutome, A. Go-myo. Electron. Lett, 34, 2127(1998).

105. D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zhou, O.B. Shchekin, D.G. Deppe. Appl, Phys. Lett, 73, 2564 (1998).

106. V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, A.V. Lunev, B.V. Volovik, I.L. Krestnikov, Yu.G. Musikhin, N.A. Bert, PS. Kop'ev, Zh.I. Alferov, N.N. Le-dentsov, D. Bimberg. Appl. Phys. Lett, 74, 1815 (1999).

107. M. Yamada, T. Anan, K. Kurihara, K. Nishi, K. Tokutome, A. Kamei, S. Sugou. Electron. Lett, 36, 637 (2000).

108. J.A. Lott, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, N.A. Maleev, A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, M.V. Maximov, B.V. Volovik, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Electron. Lett, 36, 1384 (2000).

109. G. Steinle, A.Yu. Egorov, H. Riechert Electron. Lett, 37, 92 (2001).

110. K.D. Choquette, J.F. Klem, A.J. Fisher, O. Blum, A.A. Aller-man, I.J. Fritz, S.R. Kurtz, W.G. Breiland, R. Sieg, K.M. Geib, J.W. Scott, R.L. Naone. Electron. Lett, 36, 1388 (2000).

111. S. Sato, N. Nishiyama, T. Miyamoto, T. Takahashi, N. Jikutani, M. Arai, A. Matsutani, F. Koyama, K. Iga Electron. Lett, 36, 2018 (2000).s

112. Алексеев Ю.И., М.В.Орда-Жигулина, С.С.Михеев Определение устойчивости инжекционных полупроводниковых лазеров в приближении модели, описываемой скоростными уравнениями // «Радиотехника и электроника», 2006, том 51, №4. с. 509-512.

113. Алексеев Ю. И., Орда-Жигулина М. В., Михеев С. С. Анализ устойчивости оптических модуляторов // «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 1(50). с. 60-64

114. Орда-Жигулина М.В. СВЧ модулятор GaAs лазера отражательного типа. 4 с.// «Петербургский журнал электроники», 2007, Выпуск: 2(51). с. 125-129

115. Орда-Жигулина М.В., Алексеев Ю.И. Импедансные свойства инжекционных полупроводниковых лазеров 5 с.//д PcJi(Wme/Ham (( ъ^т/юяаК*/D0f к///•

116. 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.

117. Орда-Жигулина М.В. Импульсный модулятор GaAs-лазера на IMP ATT- диоде // VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2004, с.