Оптоэлектронные и микроэлектронные принципы построения твердотельных генераторов сверхвысокочастотного диапазона

Лопарев, Алексей Викторович

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптоэлектронные и микроэлектронные принципы построения твердотельных генераторов сверхвысокочастотного диапазона

кандидата технических наук: Лопарев, Алексей Викторович
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.11.07

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Оптоэлектронные и микроэлектронные принципы построения твердотельных генераторов сверхвысокочастотного диапазона»

Автореферат диссертации по теме "Оптоэлектронные и микроэлектронные принципы построения твердотельных генераторов сверхвысокочастотного диапазона"

Лопарев Алексей Викторович

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Специальности: 05. И.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы и 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АВГ 2011

Москва-2011

4852124

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

Научный руководитель: доктор технических наук

БЕЛКИН Михаил Евсеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КУЗИН Александр Юрьевич

кандидат технических наук, доцент СТАРИКОВСКИЙ Анатолий Иванович

Ведущая организация: ФГУП «НПП «Пульсар»

Защита состоится "27" сентября 2011 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454 г. Москва, пр. Вернадского, д. 78.

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

Автореферат разослан " {) { " 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

«Ж

кандидат технических наук, доцент

Вальднер В.О.

Общая характеристика работы

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

Традиционно в качестве активного элемента автогенераторов в СВЧ диапазоне используются диоды (генераторы на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах) и транзисторы (биполярные и полевые). Повышение рабочей частоты генерации и других вышеперечисленных показателей обеспечивается за счет совершенствования технологии изготовления гомо-структурных полевых транзисторов с барьером Шотгки (MESFET) [1] и гетероструктурных биполярных и полевых транзисторов (НВТ/НЕМТ) [2].

Революционным шагом на пути совершенствования технологии создания генераторов СВЧ диапазона явился переход от гибридных к монолитным интегральным схемам (МИС) на арсенид-галлиевых подложках. Этот процесс сопровождается не только ужесточением требований к традиционным параметрам СВЧ генератора: мощности, полосе перестройки, частотным шумам, уровню гармоник, но и появлением новых критических параметров, характеризующих степень интегрирования, например, габаритных размеров МИС. Последний параметр должен выбираться на базе компромиссного решения с учетом технологических ограничений, современных тенденций по развитию многофункциональных СВЧ МИС, взаимодействия электромагнитных полей схемных элементов и т. д.

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

висную инфраструктуру связи [7].

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

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

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

системы телекоммуникации, радиолокации и метрологии.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Путем моделирования и экспериментального подтверждения показана возможность разрешения с помощью ОЭГ известного недостатка

традиционных генераторов сигналов СВЧ диапазона, заключающегося в компромиссе между низкими частотными шумами и широкой полосой перестройки.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

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

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

3. Разработаны методики компьютерного проектирования одно-тактной и балансной монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных СВЧ генераторов.

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009, Moscow, Russia); International Conference on Micro- and nanoelectronics (ICMNE 2009, Moscow-Zvenigorod, Russia); 52-я научная конференция МФТИ (52-я НК МФТИ, 2009 г., Москва-Долгопрудный); Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронно-

го приборостроения» (Ыегтайс 2009, 2010, Москва); 1Х-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар - 2010, Звенигород); 58-я, 59-я и 60-я научно-технические конференции МИРЭА (НТК МИРЭА 2009 и 2010, Москва), Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения», МИРЭА, 2011; научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики, ФИАН им. П.Н. Лебедева (1 июня 2011 г.).

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

4. Сравнение результатов компьютерного расчета частотных шумов ОЭГ по предложенной объектно-ориентированной модели позволяет уточ-

нить результаты, полученные с помощью широко известной формулы Ли-сона, при отстройках от несущей более 10 кГц.

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

6. Принцип действия, варианты реализации, результаты моделирования и экспериментального исследования прецизионного двухрежимного датчика оптико-физических параметров волноводных сред на основе ОЭГ. Полученная чувствительность 1,3 МГц/мм на частоте генерации 12 ГГц в прецизионном режиме измерений и чувствительность 74 кГц/м в стандартном режиме измерений обосновывает перспективность его применения в области исследования оптических интегральных схем и прецизионной рефрактометрии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 160 стр. машинописного текста, который содержит 6 таблиц, 81 рисунок, 54 формулы, 119 наименований библиографии.

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

Основное содержание работы

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

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

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

Как видно из рис. 1, ОЭГ включает в себя оптический узел и радиотехнический узел. В состав оптического узла входят полупроводниковый лазерный модуль (ПЛМ), модулятор интенсивности излучения (МИИ), волоконно-оптический тракт (ВОТ) и фотодиодный модуль (ФДМ), а в состав радиотехнического узла - предварительный электрический усилитель (ПЭУ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ), усилитель мощности (УМ) и делитель мощности (ДМ).

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

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

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

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

Вторая глава посвящена особенностям разработки полной модели функционирования ОЭГ. В частности, приводится подробное описание разработанной аналитической модели ОЭГ, основанной на едином волно-

Рис. 1. Структурная схема оптоэлектрон-ного генератора

вом подходе. В качестве нелинейного элемента в разработанной модели ОЭГ рассматривался электрооптический модулятор на основе интегрального интерферометра Маха - Цандера, а в качестве ППФ фильтр второго порядка. В результате было получено нелинейное дифференциальное уравнение ОЭГ 2-го порядка:

/2/т 1,\ ап 1А тт (Л (............

вх

, „¿МО, М'). Л_ ш.

Л Л С ия

-+ф„

и я у

(1)

где ию(0- напряжение, поступающее на управляющий вход модулятора, зависящее от времени; Ь.СД - величины индуктивности, емкости и сопротивления нагрузки ППФ 2-го порядка, а - коэффициент передачи в оптическом узле ОЭГ, /?- коэффициент передачи в радиотехническом узле, I]п - полуволновое напряжение МИИ, Фи - набег разности фаз, обусловленный технологическим неравенством длин оптических путей плеч интерферометра, А1 - время задержки ВОТ.

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

А(г) = ~-= ) . , (2)

где а = 0,5(0,5 + бш 2 («Л/)|$21 Д?о - О' У = о-

А(0) - амплитуда шумов ОЭГ в момент времени !=0, соответствующее моменту времени подачи постоянного напряжения смещения на управляющий вход МИИ, 1}рж - напряжение рабочей точки МИИ,

ал/3

50=-

ия

ТГирж и) + -5-тМФнР1п,.

и„ у 211%

р алЪВ . /, ч ¿2 =-^8ш(Ф„).

2 и3„

В качестве примера рассмотрен генератор со следующими типичными значениями параметров элементов схемы ОЭГ: ил=5,5 В, Фн=-22°, С=1,6 пФ, 1=0,23 нГн, Я=50 Ом, а = 3,0778-Ю-2 В, (3 = 40, А(0)=10"6 В.

На рис. 2, а показан процесс нарастания амплитуды колебаний ОЭГ во времени А(0, и изменение переменной составляющей напряжения 11(0, поступающего на управляющий вход МИИ. Значение амплитуды было рассчитано для следующих типичных значений параметров элементов схемы ОЭГ: иж= 5,5 В, Ф„=-22°, С= 1,6 пФ, 1=0,23 нГн, Л=50 Ом, а = 3,0778-Ю"2В, |3 = 40, А(0)=10"6 В. На рис. 2, б показана зависимость амплитуды колебаний ОЭГ от коэффициента передачи в радиотехническом узле [3: А,(О при /?;=39.895, А2(1) при /5¿=40, А3(1) при /З3=40.125, А4(0 при Р4=40.25, А3(1) при Рз=40.5, А6(() при Рв=41. Время установления стацио-

нарного режима работы показано пунктирной линией.

0 2 4 б 5 10 12 М 16 18 1х10'с

Рис. 2. Процесс самовозбуждения и нарастания амплитуды колебаний ОЭГ (а) Зависимость амплитуды 11(1) на управляющем входе МИИ при разных значениях передата в радиотехническом узле (3 (б).

Как известно, для прецизионного контроля оптико-физических параметров сред, в частности волноводных структур, традиционно используются интерференционные методы. Так задача измерения длины волновода может быть решена с помощью интерферометра Майкельсона с модуляцией фазы в опорном плече, а задача измерения показателя преломления - с помощью интерференционного микроскопа [18]. Однако применение сложных интерферометрических методов для исследования параметров интегрально-оптических волноводов имеет ряд ограничений. Так, например, для измерения длины волновода основной проблемой является эффективный ввод лазерного излучения в изучаемую структуру. В свою очередь, измерение показателя преломления возможно лишь при отсутствии оптически непрозрачных покрытий на верхней поверхности волновода, что, как правило, нереально для оптоэлектронных интегральных схем.

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

к ск

/о к=—=—, (3)

А/ п1

где /о - частота генерации к-й моды, с - скорость света в вакууме, п -

групповой показатель преломления кварцевого стекла, / - длина ВОТ. Из (3) следует, что расстояние между соседними модами А/ (ОСД) определяется следующим образом: ОСД = с/{п •/). Нужная мода в спектре генерации ОЭГ выделяется с помощью ППФ. Как следует из (3), при введении испытуемого волновода произойдет увеличение общей длины ВОТ, что вызовет уменьшение частоты генерации, которое может быть зарегистрировано с помощью подключенного к выходному порту ОЭГ (рис. 1) анализатора спектра. Соответствующий сдвиг частоты генерации при введении испытуемого волновода в петлю обратной связи ОЭГ:

А/ =-/0

где Ь, п - длина и показатель преломления эталонного волокна соответственно; ¿1, п] - соответственно длина и показатель преломления испытуемого оптического волновода. На рис. 3 приведена зависимость спектральной чувствительности датчика оптико-физических параметров оптических волноводов на основе ОЭГ от частоты его генерации и длины эталонного волокна.

5. МГц/мм

5, МГц/мм

30 ГГц

го ггц

: 10 ГГц

100 200 300 400 500 длина эталонного волокна, м

10 20 30 40 50 частота генерации, ГГц

Рис. 3. Зависимость спектральной чувствительности датчика на основе ОЭГ от частоты генерации и длины эталонного волокна (а), сечения графика по оси частоты генерации (б) и оси длины эталонного волокна (в)

Как следует из рис. 3, (а), чувствительность датчика оптико-физических параметров интегральных волноводов на основе ОЭГ линейно возрастает с увеличением частоты генерации и обратно пропорциональна длине эталонного волокна в петле обратной связи. При этом длина эталонного волокна должна подбираться исходя из компромисса между ОСД и ЧМ шумами ОЭГ. Поэтому, основным путем повышения

чувствительности рассматриваемого датчика является повышение частоты генерации ОЭГ.

Для моделирования спектральных и шумовых характеристик ОЭГ в САПР VPI Transmission Maker нами была разработана объектно-ориентированная модель ОЭГ. На рис. 4, а приведена структурная схема одноконтурного ОЭГ, реализованная в САПР VPI Transmission Maker. Кроме того, на рис. 4,6 приведена предложенная схема для измерения ЧМ шумов ОЭГ.

Рис. 4. Структурная схема модели одноконтурного ОЭГ в САПР VPI Transmission Maker (а), схема для измерения его ЧМ шумов (б) и зависимость подавления побочных мод ОЭГ для различной полосы пропускания

ППФ

С целью определения оптимальной длины ВОТ для эффективного подавления боковых гармоник был проведен модельный эксперимент по изучению влияния типа используемого фильтра в качестве ППФ и полосы его пропускания на уровень подавления соседних гармоник в спектре генерации ОЭГ. Результаты моделирования приведены на рис. 4, в. Как следует из рисунка, при полосе пропускания фильтра 12 МГц, подавление соседних боковых гармоник составило более 20 дБ (при 1вот=70 м) и 35 дБ (при /йот=50 м). Таким образом, для обеспечения одночастотного режима генерации одноконтурного ОЭГ наиболее оптимально, исходя из компромисса уровня подавления соседних гармоник и уровня ЧМ-шумов ОЭГ, будет использование ВОТ длиной 50-70 м.

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

Рис. 5. Спектр генерации одноконтурного ОЭГ (1ВОт=б5 м) (а) и уровень мощности 4M шумов в полосе 10 Гц (б)

Как следует из рис. 5, а, ОСД составила 2,35 МГц; при этом соседние моды подавлены более чем на 40 дБ при мощности генерации 7,14 дБ. Как известно [19], мощность ЧМ-шумов Sdf определяется, исходя из следующего соотношения: Sjj = P0SC/{Pdf ■ А/), где Posc - мощность генерации ОЭГ;

Pjf— мощность в полосе фильтра при отстройке от несущей на df\ Af - шумовая полоса. С учетом этого соотношения и данных рис. 5, б, приведенные уровни ЧМ-шума ОЭГ соответствуют следующим значениям: SioKru= -105,28 дБн/Гц, SiookTu= - 121,05 дБн/Гц и Simtu= - 138,69 дБн/Гц. Разработанная объектно-ориентированная модель ОЭГ была успешно использована для моделирования основных характеристик многоконтурных и инжек-ционно синхронизированных схем ОЭГ. Результаты моделирования сведены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение основных рассмотренных вариантов реализации ОЭГ

Варианты реализации структурной схемы ОЭГ Мощность гене- Уровень 4M шумов, дБн/Гц при

рации, дБм/ ОСД, МГц отстройке от несущей:

Подавление

побочных мол. дБ 10 кГц 100 кГц 1 МГц

Одноконтурная (1вот=65 м) 7,14 / 40 2,35 -105,28 -121,05 - 138.69

Одноконтурная Ово-г^О м) 7,09/- 0,295 - 115,48 -131,73 -

Двухконтурная с однпм управляемым пле- 8,48/30 2,29 .-109,32 - 126,18 -142,89

чом МИИ (1вот1=65 м и 1во1=650 м)

Двухконтурная с двумя управляемыми 5,57/35 2,31 -109,71 -127,02 -144,11

плечами МИИ (1вот1=65 м и 1ВОТ2=650 м)

Трехконтурная с одним управляемым пле-

чом МИИ (1вои=65 м, 1Вот2=650 м и 6,26/45 2,36 -113,71 - 130,17 -146,23

1вотз=3,25 км)

Трехконтурная с двумя управляемыми

плечами МИИ (1Вот1=65 м, 1Вот2=650 м II 5,12/60 2,35 -113,82 - 130,21 -146,37

1вотз=3,25 км)

Инжекционно синхрошгшрованная 6Д6/60 2.33 -116,03 -131,32 -146,87

0вот1=65 м 111вот=650 м)

Исходя из анализа результатов, приведенных в таблице, следует, что наименьшими ЧМ шумами при одинаковом значении ОСД обладает ин-жекционно синхронизированный ОЭГ. Однако данный вариант построения ОЭГ содержит два МИИ в отличие от двухконтурных схем, что значительно усложняет структурную схему такого ОЭГ. Также схема инжекционно синхронизированного более критична к соотношению длин ВОТ в линиях обратной связи ведущего и ведомого ОЭГ для достижения режима стационарной генерации. С другой стороны, трехконтурные схемы ОЭГ обладают схожими значениями ЧМ шумов за счет использования дополнительной линии задержки (1Вот=3,25 км). Поэтому, вариант построения структурной схемы ОЭГ должен выбираться из конкретных технико-экономических условий эксплуатации.

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

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

• выбор структуры схемы генератора и способа обратной связи;

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

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

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

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

. ш,-

С1

, .....1(-

ПЗ N

тан

"И

С6

ь 5в,!

: и

УШпе '

С2

С5 146 ОиТ С1

•Ь [. ъ 0 УТ1

г утз

МТ1.5 ;т[_7 г • СЗ

N - 1.....I*-.

Т14

СЗ г' С4

Р, дБм 2010 О •10 -20 -30 -40

-50

16.65 ГГц

илца»

I 33.26 ГГц 1

I 49.37 ГГц' '-13 19дВ»;

|ГЗЗЗГГц 11-35.23 дБм|

1 Г

»96 ГГц | 9.12 дВм|

Р, ГГц

¿кГц

Однотактный СВЧ генератор с общим затвором Балансный СВЧ генератор е общим истоком

О 20 40 60

•- Однотактный генератор на ГПТ с общим затвором

о---Балансный генератор на ГПТ с общим истоком

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

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

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

• Вторая и третья гармоники однотактного варианта разработанного твердотельного генератора подавлены соответственно на 51 и 55 дБ, а балансного - соответственно на 11 и 28 дБ. Такая большая разница объясняется принятием в схеме однотактного генератора специальных мер по подавлению высших гармоник (шлейф ТЬ5 на рис. 6, а).

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

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

• Ток потребления балансной схемы получился в два раза больше (138 мА по сравнению с 65 мА), что объясняется наличием в ней двух активных элементов.

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

В четвертой главе проводится экспериментальная верификация результатов теоретических исследований. В частности, рассматриваются вопросы разработки и экспериментального исследования макета пе-

одномодовым оптическим волокном (Х.= 1550 нм, ДХ=0,2 нм (по уровню -20 дБ при мощности излучения 10 мВт)). Для предотвращения попадания отраженного от оптических разъемов и чувствительного окна фотодиода лазерного излучения, к выходу ПЛМ подключен оптический изолятор (ОИ). Для передачи максимальной мощности оптического излучения на вход МИИ в схеме разработанного макета ОЭГ к выходу ОИ подключен волоконный контроллер поляризации (КП). В качестве МИИ использовался модулятор на основе интегрального интерферометра Маха-Цандера с одним управляемым плечом (полоса модуляции 40 ГГц, и„=2 В). В качестве ВОТ использовались катушки одномодово-го волокна с длиной 3,5; 65 и 650 м являющиеся резонатором модели ОЭГ. В разработанном макете ОЭГ использовался ФДМ с токовой чувствительностью 0,65 А/Вт, напряжением смещения 2,8 В, полосой пропускания 50 ГГц. В качестве ПЭУ использовались малошумящие усилители МШУ 1-2 и МШУ 1-3. В качестве ППФ использовался фильтр с резонатором на резонатор на железо-иттриевом гранате (мгновенная

Рис. 7. Внешний вид макета ОЭГ

КП

рестраиваемого ОЭГ на дискретных компонентах с полосой перестройки в диапазоне 312 ГГц с шагом около 3 МГц. Внешний вид макета ОЭГ приведен на рис. 7. В качестве ПЛМ использовался лазерный излучатель с распределенной обратной связью, согласованный с

полоса пропускания 12 МГц при частоте генерации, диапазон электрической перестройки составляет 1-12,5 ГГц, при этом соответствующем изменении управляющего тока в пределах 30-750 мА). Спектральные и шумовые характеристики модели регистрировались на одном из выходе ДМ с помощью анализатора спектра Agilent Е4448А с рабочим частотным диапазоном 3 Гц - 50 ГГц. На рис. 8. приведены спектральные и шумовые характеристики макета ОЭГ на частоте генерации 3 ГГц (а, б) и 12 ГГц (в, г) при общей длине ВОТ 65 м.

I . 1

W kHz Frequency Offset 1 MHz

Marker Trace Type ^ X Axis ^ ^ Value

Рис. 8. Спектр генерации макета ОЭГ (1вот= 65 м) на частоте генерации 3 ГГц (а) и его ЧМ шумы (б) и частоте генерации 12 ГГц (в) и его ЧМ-шумы.

Как видно из рис. 8, а, в спектре генерации макета ОЭГ при 1вот= 65 м присутствуют три спектральных компоненты, при этом ОСД составило 2,49 МГц, которые подавлены свыше 45 дБ при мощности генерации центральной моды 8,04 дБм. Отметим, что половина полосы пропускания ЖИГ-фильтра, которая соответствует расстоянию от середины его полосы пропускания до уровня ее спада на 3 дБ, составляет 6 МГц. Однако, за счет многократного прохода СВЧ сигналом петли обратной связи ОЭГ, полоса пропускания ППФ сужается, что было предсказано результатами моделирования, приведенными на рис. 5. Как следует из рис. 8, б, уровни ЧМ-шумов составили 810кгц= - 103,41 дБн/Гц, 8юокГц= - 119,46 дБн/Гц и 51мгд= -137,57 дБн/Гц. Как следует из рис. 8, в, при частоте генерации 12 ГГц, бо-

Carrier Power i.til JBn fltten Им JB Mkr: 1Ш R.f -7MM&/te __-157.3! _

10.10 Г* [-—-.---- ¡-7777; i......pi- J

Harker Trace

ковые спектральные компоненты подавлены свыше 54 дБ при мощности генерации центральной моды 9,13 дБм. При этом уровни ЧМ-шумов составили 8)0кГц= - 125,39 дБн/Гц, 8100кГц= - 128,25 дБн/Гц и Бщпг - 137,38 дБн/Гц (рис. 8, г).

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

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования спектральных и шумовых характеристик разработанного макета ОЭГ

Частота генерации. Мощность генерации, дБм/ По- ОСД, Уровень ЧМ шумов, дБн/Гц при отстройке от несущей:

длина ВОТ давление побочных мод, дБ МГц 10 кГц 100 кГц 1 МГц

5>=3 ГГц, 1вот~3,5 м 9,98 / - 59,1' - 102,06 - 114,47 - 120,21

$1=3 ГГц, 1вот=65 м 8,04 / 45 2,49 - 103,41 - 119,46 - 137,57

Го=12 ГГц, 1вот=3,5 м 10,51 /- 59,11 - 121,76 - 122,50 - 128,19

¡0=12 ГГц, 1вот=65 м 9,13/54 2,58 - 125,39 - 128,25 - 137,88

$=12 ГГц, 1ВОт=б50 м 8,6 / 44 0,307 -130,46 -134,68 -

£)=12 ГГц, 1вот1=65 м; 1вот2=650 м 7,33/57 2,47 -127,73 -132,83 -131,10

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

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

1 ОСД рассчитано с помощью формулы (5)

Рис. 9. Структурная схема исследуемого макета ОЭГ в качестве датчика оптико-физических параметров волноводов (а), а также установка юстировки оптического волокна (б)

ПОрТ Радиотехнический узел

Как показано на рис. 9, а, при работе датчика оптико-физических параметров волноводных сред в проходном режиме работы, измеряемый волновод (ИВОТ) непосредственно включается в петлю обратной связи, образованную с помощью эталонного ВОТ (ЭВОТ, 1=3,5 м). В качестве примера волноводной среды для экспериментального исследования датчика на основе ОЭГ был выбран воздушный разъем регулируемой толщины. Юстировка соответствия оптических осей и регулировка толщины воздушного зазора осуществлялась с помощью установки юстировки оптического волокна (рис. 9, б). Рассмотрим принцип работы разработанной экспериментальной установки. Для достижения максимальной чувствительности разработанного датчика на основе макета ОЭГ, он был настроен на максимальную частоту генерации (12 ГГн). На рис. 10 приведено семейство спектральных характеристик ОЭГ в начальном положении подвижной платформы и при ее параллельном смещении на 0,1 и на 0,5 мм вдоль оптической оси открытого участка волновода.

Рис. 10. Спектры генерации макета ОЭГ (а) в начальном положении (маркер 1) и при увеличении воздушного зазора на 0,1 мм (маркер 2) и 0,5 мм (маркер 3), а также сравнение экспериментальных данных изменения частоты генерации от величины воздушного зазора с результатами проведенного моделирования (б)

Как следует из рис. 10, в начальном положении подвижной платформы частота генерации составляла 12,114062 ГГц (мощность генерации 6,78 дБм). При увеличении толщины воздушного зазора на 0,1 мм, частота генерации составила 12,113930 ГГц при уровне мощности 6,10 дБм, а при увеличении толщины воздушного зазора на 0,5 мм, частота генерации составила 12,113468 ГГц при уровне мощности 4,04 дБм. Уменьшение мощности генерации ОЭГ при увеличении толщины воздушного зазора связано с расходимостью распространяемого в нем оптического пучка и, соответственно, уменьшением оптической мощности, вводимой в ВОТ. Чувствительности датчика на основе ОЭГ к толщине воздушного зазора составила 1,296 МГц/мм. Также следует отметить что, разработанный датчик на основе ОЭГ может применяться для прецизионного контроля показателя преломления волноводов при наличии априорной информации о его геометрических размерах.

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

Рис. 11. Структурная схема (а) и внешний вид экспериментальной (б) установки датчика оптико-физических параметров интегральных волноводов на основе ОЭГ в режиме работы на отражение

Для экспериментального исследования датчика оптико-физических параметров в отражательном режиме работы на основе ОЭГ в качестве исследуемого волновода использовался кабель кварцевого волокна SMF - 28 с разъемами FC/PC - FC/APC (/=3 м). На рис. 12, показано изменение спектральной характеристики ОЭГ при введении в петлю обратной связи исследуемого волновода при 1эвот=65 м. Как следует из рис. 12, при

подключении в петлю обратной связи ОЭГ эталонного волокна, ОСД составила 2,52 МГц (маркеры 1-3). При аддитивном введении с помощью оптического циркулятора (ОЦ на рис. 11, а) в петлю обратной связи ИВОТ, ОСД составила 2,298 МГЦ (рис. 12, маркеры 1-2). Таким образом, чувствительность датчика на ОЭГ в данной конфигурации составила 74 кГц/м.

Также в данной главе приводятся результаты экспериментального исследования монолитной интегральной схемы однотакт-ного генератора СВЧ сигналов на гетероструктурном полевом транзисторе с общим затвором. Данные МИС были выполнены на подложке ОаАв методом проекционной фотолитографии в ИСВЧПЭ РАН. На рис. 13 приведена микрофотография его топологии (а), внешний вид измерительной камеры (б), а также результаты измерения его основных характеристик (в,г).

Рис. 12. Изменение спектральной характеристики макета ОЭГ при введении Зм ИВОТ

Рис. 13. Топология монолитной интегральной схемы однотактного СВЧ генератора (а), внешний вид измерительной камеры (б), его спектральная характеристика (в) и характеристика перестройки частоты генерации (г)

Из рис. 13, в, следует, что мощность генерации испытуемой МИС ГУН составила 14,5 дБм, частота генерации - 16,11 ГГц. Как следует из рис. 13, г, диапазон электрической перестройки частоты генерации составил 340 МГц. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность испытанного макета мо-

нолитной интегральной схемы твердотельного генератора и соответствие его основных характеристик полученным ранее результатам моделирования в пределах 5%.

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы

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

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

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

4. Белкин M.E., Сигов A.C. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника. // Радиотехника и электроника, 2009, т. 54, №8, с. 901-914.

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

6. Sauer M., Kobyakov A., George J. Radio over Fiber for Picocellu-lar Network Architectures. // Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no. 11,

2007, p. 3301-3320.

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

8. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems. // IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 32, no. 7, 1996 pp. 1141-1149.

9. Yao X. S., Lutes G. A High Speed Photonic Clock and Carrier Recovery Device. // IEEE Photonic Technology Letters, vol. 8, no. 5, May 1996, p. 688-690.

10. Maleki L. Recent Progress in Op to-Electronic Oscillator. // Microwave Photonics, International Topical Meeting on MWP, 12-14 Oct. 2005, p. 81-84.

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

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

13. Белкин M.E.. Разработка модели оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона. // Материалы международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24-28 октября 2006 г., Москва. - М.: МИРЭА, 2008. -с. 269-270.

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

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

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

Список публикаций по теме диссертации

1. Лопарев А.В., Белкин М.Е. Моделирование датчика на основе оптоэлектронного генератора для прецизионных измерений оптико-физических параметров различных сред. Измерительная техника, №11, 2010, с. 33-38.

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

3. Белкин М.Е., Лопарев А.В. Компьютерное проектирование монолитной интегральной схемы сверхвысокочастотного генератора на ге-

тероструктурных полевых транзисторах. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2010, вып. 1(224), с. 45-52.

4. Лопарев A.B. Моделирование процесса самовозбуждения оп-тоэлектронного генератора СВЧ колебаний. Научный вестник МИРЭА. №2 (9), 2010, с. 41-48.

5. Белкин М.Е., Лопарев A.B. Исследование шумовых характеристик оптоэлектронного генератора СВЧ сигналов. Материалы IX науч-но-техш1ческой конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». М: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010, с. 6265.

6. Лопарев A.B., Белкин М.Е. Моделирование многоконтурных схем оптоэлектронного генератора сверхвысокочастотных колебаний. Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» Intermatic-2010, с. 159-163.

7. Лопарев A.B. Проектирование монолитной интегральной схемы балансного сверхвысокочастотного генератора на гетерострук-турных полевых транзисторах. Труды 52-й Научной конференции МФТИ. Том 1, часть V, Физическая и квантовая электроника, с. 168170, 2009 г.,

8. Белкин М.Е., Лопарев A.B. Проектирование монолитной интегральной схемы перестраиваемого транзисторного СВЧ генератора. Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» Intermatic-2009, с. 198-201.

Подписано в печать 21.06.2011. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,40. Усл. кр.-отт. 5,58. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 363

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Лопарев, Алексей Викторович

Список сокращений и обозначений.

Введение.

1. Анализ современного состояния научно-методического аппарата и обоснование оптимального направления исследований.

1.1. Современные принципы построения и тенденции развития твердотельных генераторов сигналов СВЧ диапазона.

1.2. Оптоэлектронный генератор сигналов СВЧ диапазона.

1.2.1. Основные характеристики оптоэлектронного генератора и пути их улучшения.

1.2.2. Современное состояние исследований и разработок оптоэлектронного генератора.

1.3 Транзисторный генератор СВЧ диапазона на базе монолитной интегральной схемы.

1.4. Выводы.

2. Моделирование оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний.

2.1. Аналитическая модель оптоэлектронного генератора.

2.1.1. Дифференциальное уравнение оптоэлектронного генератора.

2.1.2. Условие самовозбуждения оптоэлектронного генератора и переход к стационарному режиму генерации.

2.1.3. Оптоэлектронный генератор в качестве датчика оптико-физических параметров оптических волноводов.

2.2. Объектно-ориентированная модель оптоэлектронного генератора.

2.2.1. Объектно-ориентированная модель оптоэлектронного генератора в САПР VPI Transmission Maker.

2.2.2. Моделирование многоконтурных и инжекционно синхронизированной схем оптоэлектронного генератора.

2.3.2. Моделирование оптоэлектронного генератора в качестве прецизионного датчика оптико-физических параметров интегральных волноводов.

2.3. Выводы.

3. Моделирование и анализ транзисторного СВЧ генератора в монолитном исполнении.

3.1. Моделирование однотактного СВЧ генератора на гетероструктурном полевом транзисторе с общим затвором.

3.2. Моделирование балансного СВЧ генератора на гетероструктурном полевом транзисторе с общим истоком.

3.3. Сравнительный анализ параметров твердотельных СВЧ генераторов

3.4. Выводы.

4. Экспериментальная верификация результатов теоретических исследований

4.1. Разработка макета перестраиваемого оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний.

4.2. Исследование спектральных и шумовых характеристик разработанного макета оптоэлектронного генератора.

4.3. Экспериментальное исследование датчика оптико-физических параметров волноводов на основе оптоэлектронного генератора.

4.4. Разработка и экспериментальное исследование макета монолитной интегральной схемы транзисторного СВЧ генератора.

4.5. Выводы.

Введение 2011 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Лопарев, Алексей Викторович

В настоящее время наблюдается активное развитие радиоэлектронных приборов и устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Данная тенденция обусловлена постоянно возрастающими объемами информации, передаваемых посредством электронных устройств. К настоящему времени твердотельные СВЧ генераторы в составе электронных приборов успешно используются в космической, сотовой и спутниковой связи, телевидении и радиовещании, широкополосных технологиях беспроводной передачи данных Wi-Fi и WiMax.

Среди основных параметров СВЧ генераторов выделяют уровень мощности генерации, КПД, диапазон рабочих частот, полосу перестройки частоты, стабильность частоты и мощности колебаний, уровень частотных (ЧМ) шумов вблизи несущей, чистоту генерируемого спектра [1]. Традиционно в качестве активного элемента автогенераторов в СВЧ диапазоне использовались диоды (генераторы на диодах Ганна и лавино-пролетных диодах) и транзисторы (биполярные и полевые) [2]. Традиционно повышение рабочей частоты генерации обеспечивалось совершенствованием технологии изготовления гетероструктурных полевых транзисторов с барьером Шоттки (MESFET) [3] и транзисторов с высокой подвижностью электронов и псевдоморфных транзисторов (НЕМТ/РНЕМТ) [4, 5].

Альтернативным путем улучшения основных характеристик твердотельных СВЧ генераторов является внедрение технологий сверхвысокочастотной оптоэлектроники (СОЭ), предмет исследований которой находится на стыке фотоники и СВЧ радиоэлектроники [6,7]. СОЭ охватывает область исследования и разработки сверхбыстродействующих активных оптоэлектронных приборов и устройств с полосой пропускания в СВЧ диапазоне, а также активных СВЧ приборов и устройств с оптическим управлением. Возникшая наряду с оптоэлектроникой в конце прошлого столетия, она продолжает развиваться в наши дни в направлении слияния с микро- и наноэлектроникой, результат которого состоит в создании оптоэлектронных интегральных схем. Среди основных направлений внедрения устройств СОЭ выделяют смешение сигналов в телекоммуникации (RF mixing) [8], управление диаграммами направленности фазированных антенных решеток [9, 10], фильтрация сигналов [11, 12]. Широкое" внедрение приборов СВЧОЭ обусловлено их преимуществами присущими волоконно-оптическим линиям связи. Среди их основных преимуществ выделяют низкие потери сигнала в волоконно-оптическом кабеле (0,2 дБ/км), высокие пропускные способности канала связи, высокую защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа и невосприимчивость к электромагнитным наводкам.

Среди активно исследуемых в настоящее время систем СВЧОЭ можно выделить сети абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры (HFCN) [13, 14], а также системы локальной информационно-телекоммуникационной системы распределения волоконно-эфирной структуры (иностранная аббревиатура RoF - radio-over-fiber) [15, 16]. Основными тенденциями их развития являются увеличение пропускной способности канала связи, а также их объединение в единую систему связи [17].

Одним из наиболее перспективных функциональных элементов СВЧОЭ является оптоэлектронный генератор (ОЭГ, Optoelectronic oscillator, ОЕО) [18]. Основным преимуществом оптоэлектронного генератора по сравнению с современными СВЧ генераторами является сверхнизкий уровень шумов (порядка - 160 дБн/Гц при отстройке от несущей 10 кГц) и расширенный рабочий диапазон частот до 100 ГГц [19], что представляет собой принципиально новый подход к созданию прецизионных малошумящих источников радиосигналов [20]. Помимо этого, проведенные исследования его термостабильности и чувствительности к перегрузкам I продемонстрировали долговременную стабильность частоты генерации (относительное изменение частоты генерации составляет 2,5-10"6 1/°С) [21] и чувствительности к ускорению [22] показали перспективность применения ОЭГ в системах бортовой аппаратуры авиационного, наземного и морского базирования.

Другое важное достоинство ОЭГ состоит в возможности преодоления известного компромисса .при проектировании монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ генераторов, управляемых напряжением (ГУН), заключающегося в выборе между широкой полосой перестройки и низкими частотными шумами, поскольку для расширения полосы перестройки МИС ГУН нужно уменьшать его внешнюю добротность, а для уменьшения уровня частотных шумов ее необходимо увеличивать [23]. В случае ОЭГ полоса перестройки частоты не зависит от внешней добротности и определяется минимальной полосами пропускания элементов его структурной схемы.

Кроме того, верхний диапазон частоты генерации ОЭГ ограничен полосой пропускания оптоэлектронных компонентов, которая в настоящее время уже составляет сотни гигагерц [24], что, вследствие фундаментальных ограничений, трудно достижимо для современных интегральных СВЧ генераторов [20].

К настоящему времени реализовано достаточно большое количество схем ОЭГ. Однако в них можно выделить следующие общие черты. Так, предложенные схемы ОЭГ принципиально состоят из двух модулей: радиотехнического и оптического, между которыми введена петля обратной связи.

Проведенный анализ публикаций показал, что в последние годы ОЭГ активно исследовался в основном для телекоммуникационных применений [25]. Следует также отметить, что исследования ОЭГ в своем подавляющем большинстве носили экспериментальный характер. Так, к настоящему времени была разработана теоретическая модель функционирования ОЭГ в режиме малого сигнала [26]. Кроме того, в работе [23] на основе единого волнового подхода разработана стационарная модель ОЭГ в приближении большого сигнала. С другой стороны, отсутствие полной модели функционирования ОЭГ значительно ограничивает его внедрение в систему телекоммуникации, радионавигации и метрологии.

Поэтому целью данной работы являлась дальнейшее усовершенствование методов и процессов моделирования и разработки твердотельного СВЧ генератора с использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового, оптоэлектронного подходов. Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:

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

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

Научная новизна

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

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

Практическая ценность работы: состоит в следующем.

2. Реализован и исследован макет ОЭГ, обладающий. ультраширокой полосой перестройки 3-15 ГГц и на 20 дБ меньшими фазовыми шумами по сравнению с традиционными транзисторными СВЧ генераторами.

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

Реализация и внедрение результатов работы

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

Сверхвысокочастотные и оптоэлектронные устройства», МИРЭА.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009, Moscow, Russia); International Conference on Micro- and nanoelectronics (ICMNE 2009, Moscow

Zvenigorod, Russia); 52-я научная конференция МФТИ (52-я НК МФТИ, 2009 г., Москва-Долгопрудный); Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic 2009, 2010, Москва); IX-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар - 2010, Звенигород); 58-я, 59-я и 60-я, научно-техническая конференция МИРЭА (НТК МИРЭА 2009, 2010 и 2011, Москва); Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения» (16 мая 2011 г, МИРЭА, Москва); научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики, ФИАН им. П.Н. Лебедева (1 июня 2011 г).

Публикации пличный вклад автора^

По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 в ведущих российских журналах, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Все результаты диссертационной работы получены автором лично или в соавторстве с научным руководителем, о чем свидетельствует приведенный ниже список публикаций по теме диссертации.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Условие самовозбуждения ОЭГ определяется интегральной крутизной его модуляционной характеристики в петле обратной связи. При этом длина волоконно-оптического тракта не влияет на время установления стационарного режима и должна подбираться исходя из компромисса между уровнем ЧМ шумов и областью свободной дисперсии в спектре генерации ОЭГ. Время установления стационарного режима определяется коэффициентами усиления предварительного электрического усилителя и усилителя мощности, а также амплитудой шума напряжения на управляющем входе модулятора интенсивности оптического излучения.

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

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 160 стр. машинописного текста, который содержит 6 таблиц, 81 рисунок, 54 формулы, 119 наименований библиографии.

Заключение диссертация на тему "Оптоэлектронные и микроэлектронные принципы построения твердотельных генераторов сверхвысокочастотного диапазона"

4.5. Выводы

В данной главе был рассмотрен разработанный в рамках данной диссертационной работы макет ОЭГ с возможностью перестройки частоты генерации в диапазоне 3-12 ГГц. Были подробно рассмотрены ключевые характеристики элементов его структурной схемы. Проведенное экспериментальное исследование спектральных и шумовых характеристик одноконтурной и двухконтурной схем его реализации подтвердили приведенные во 2-й главе результаты моделирования ОЭГ. Кроме того, была продемонстрирована чувствительность датчика оптико-физических параметров оптических волноводов свыше 1,3 МГц/мм, что превышает чувствительность, полученную в [47] более чем в 17 раз. Кроме того, разработанный датчик на основе ОЭГ может применяться для контроля показателя преломления волноводов при наличии априорной информации о его геометрических размерах.

Также в данной главе приведены результаты экспериментального исследования однотактного ГУН с общим затвором. Данные результаты подтвердили корректность разработанной модели и функциональное соответствие его основных характеристик. I

Заключение

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

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

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

Автором диссертации были разработаны аналитическая и объектно-ориентированная модели ОЭГ, разработан макет ОЭГ, функционирующий в диапазоне частот 3-12 ГГц. Была выполнена серия экспериментов по изучению его спектральных и шумовых характеристик, а также возможности применения ОЭГ в качестве прецизионного датчика оптико-физических параметров волноводов метода для исследования динамических процессов в биологических объектах. Кроме того, были смоделированы и экспериментально исследованы монолитные интегральные схемы перестраиваемых транзисторных генераторов Ки диапазона.

Предметом дальнейшего исследования является дополнительное изучение возможности интегральной реализации ОЭГ, а также дальнейшее совершенствование методов моделирования и проектирования МИС г генераторов на ПТГ.

По теме диссертационной работы было опубликовано 8 научных работ, 3 из которых (№ 1-3) включены в перечень ведущих периодических изданий ВАК министерства образования и науки РФ:

1. Лопарев A.B., Белкин М.Е. Моделирование датчика на основе оптоэлектронного генератора для прецизионных измерений оптико-физических параметров различных сред. Измерительная техника, №11, 2010, с. 33-38.

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

3. Белкин М.Е., Лопарев A.B. Компьютерное проектирование монолитной интегральной схемы сверхвысокочастотного генератора на гетероструктурных полевых транзисторах. Электронная техника Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2010, вып. 1(224), с. 45-52.

4. Лопарев A.B. Моделирование процесса самовозбуждения оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний. Научный вестник

МИРЭА. №2 (9), 2010, с. 41-48.

5. Белкин М.Е., Лопарев A.B. Исследование шумовых характеристик оптоэлектронного генератора СВЧ сигналов. Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». М: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2010, с. 62-65.

7. Лопарев A.B. Проектирование монолитной интегральной схемы балансного сверхвысокочастотного генератора на гетероструктурных полевых транзисторах. Труды 52-й Научной конференции МФТИ. Том 1, часть V, Физическая и квантовая электроника, с. 168-170, 2009 г.,

Библиография Лопарев, Алексей Викторович, диссертация по теме Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике и связи. //М: «Радио и связь», 1988 -288 с.

2. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. // М: «Высшая школа», 1989 232 с.

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

4. Kaper V.S., Tilak V., Hyungtak K. et al. High-power monolithic AlGaN/GaN HEMT oscillator. // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, Issue 9, 2003, p.1457-1461.

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

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

7. Белкин M.E., Сигов A.C. Новое направление фотоники -сверхвысокочастотная оптоэлектроника. // Радиотехника и электроника, 2009, т. 54, № 8, с. 901-914.

8. Gopalakrishnan G.K., Burns W.K., Bulmer С.Н. Microwave-optical mixing in LiNb03 modulators. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, 1994, pp. 2383-2391.

9. Toughlian E., Zmuda H. A Photonic variable RF delay line for phased array antennas. // J. Lightwave Technology, vol. 8, 1990, pp. 1824-1828.

10. Yao X.S., Maleki L. A nowel 2-D programmable photonic time-delay device for millimeter-wave signal processing application. // IEEE Photonic Technology Letters, vol.6, 1994, pp. 1463-1465.

11. Nortton D., Johns S., Soref R. Tunable wideband microwave transversal filter using high dispertive fiber delay line. // In Proc. 4th Biennial Dept. Of Defense Fiber Opt. And Photon. Conf., McLean, VA, 1994, pp. 297-301.

12. Moslehi B., Chau K., and Goodman J. Fiber optic signal processors with optical gain and reconfigurable weights. // In Proc. 4th Biennial Dept. Of Defense Fiber Opt. And Photon. Conf., McLean, VA, 1994, pp. 303-309

13. Yin W.M., Lin Y.D. Statistically Optimized Minislot Allocation for Initial and Collision Resolution in Hybrid Fiber Coaxial Networks. // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 9, 2000, p. 1764-1773.

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

15. Larrode M.G., Koonen A.M.J., Olmos J.J.V., et al. Bidirectional Radio-OverFiber Link Employing Optical Frequency Multiplication. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 18, no. 1, 2006, p. 241-243.

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

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

18. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems. // IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 32, no. 7, 1996 pp. 1141-1149.

19. Yao X. S., Lutes G. A High Speed Photonic Clock and Carrier Recovery Device. // IEEE Photonic Technology Letters, vol. 8, no. 5, May 1996, p. 688690.

20. Maleki L. Recent Progress in Opto-Electronic Oscillator. // Microwave Photonics, International Topical Meeting on MWP, 12-14 Oct. 2005, p. 8184.

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

22. Huang, M. Tu, S. Yao, L. Maleki. A "Turn-key" optoelectronic oscillator with low acceleration sensitivity. //Proceedings of the 2000 IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition, 2000, p. 267279.

23. Белкин M.E. Разработка модели оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона. // Материалы международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24-28 октября 2006 г., Москва. М.: МИРЭА, 2008. -с. 269-270.

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

25. Yao X. S., Maleki L., Eliyahu D. Progress in the opto-electronic oscillator a ten year anniversary review. // IEEE MTT Symposium Digest, TU6C-4, 2004, p. 287-290.

26. Yao X. S. Opto-electronic Oscillators. // In. book: RP Photonic Technology in Optical Fiber Links. /Ed. by W. S. C. Chang. Cambridge University Press. -2002. - p. 255-292.

27. Вамберский M.B., Казанцев В.И., Шелухин C.A. Передающие устройства СВЧ. // М.: Высшая школа, 1984 448 с.

28. Odyniec М. RF and Microwave Transistor Oscillator Design // Art tech House, London, 2002 398 pp.

29. Loboda M.J., Parker Т.Е., Montress G.K. Frequency stability of L-band, two-port dielectric resonator oscillators. // IEEE Trans. Microwave Theoiy & Tech, vol. 35, no.12, 1987, p. 1334-1339.

30. Sparanga S. L-band dielectric resonator filters and oscillators with low vibration sensitivity and ultra low noise. // Proc. 43rd Annual Symposium on Frequency Control, 1989, p. 94-106.

31. Sallin M., Zhou L., Broomfield C., ct al. Broad tuning ultra low noise DROs at 10 GHz utilizing ceramic based resonators. // Proc. Joint 2003 IEEE Frequency control Symposium and 17th European Frequency and Time Forum, May 2003, p. 411-416.

32. Lakin K.M., Kline G.R., McCarron K.T. High-Q microwave acoustic resonators and filters. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 41 issue 12, 2002, p. 2139 2146.

33. Галдецкий А., Калиникос Б., Королев А. Монолитные генераторы СВЧ-диапазона с частотозадающими элементами на основе акустических волн. // Электроника НТБ, №4, 2005, с. 34-36.

34. Khanna A.P.S. Microwave oscillators: The state of the technology. // Microwave Journal, vol. 49, no. 4, 2006, p. 22-44.

35. Тараненко В.П. Электрическая перестройка частоты твердотельных СВЧ генераторов варакторами. // Известия ВУЗов / сер. Радиоэлектроника, т. 19, № 10, 1976, с. 5-15.

36. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ. /Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана: Пер. с англ./ Под ред. В. С. Эткина. М.: Мир, 1979 - 444 с.

37. Безруков А.В. Измерение шумов радиоприемных устройств. // М: Связь, 1971 -21 с.

38. Rohde U. L., Poddar А. К., Bock G. The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization. // John Wiley & Sons, Inc. N.J., 2005 543 p.

39. Белов JI., Хилькевич В. Генераторы с диэлектрическими резонаторами для стабилизации частоты. // Электроника НТБ, №7, 2006, с. 54-59.

40. Neyer A., Voges Е. Dynamics of Electrooptic Bistable Devices with Delayed Feedback. // IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-18, no. 12, 1982, p. 2009-2015.

41. Nakazawa M., Nakashima Т., Tokuda M. An Optoelectronic Self-Oscillatory Circuit with an Optical Fiber Delayed Feedback and its Injection Locking

42. Technique. // IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. LT-2, no.5, 1984, p. 719-730.

43. Yao X.S., Maleki L. High frequency optical subcarrier generator // Electronic Letters, vol. 30, Issue 18, 1994, p. 1525-1526.

44. Yao X.S., Maleki L. Converting light into spectrally pure microwave oscillation. // Optics Letters, vol. 21, no. 7, 1996, pp. 483-485.

45. Yao X. S., Maleki L. Dual microwave and optical oscillator. // Opt. Lett., vol. 22, no. 24, 1997, p. 1867-1869.

46. Shin M., Kumar P. 1.25 Gbps Optical Data Channel Up-conversion in 20 GHz-Band via a Frequency-Doubling Optoelectronic Oscillator for RadioOver-Fiber Systems. // IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, Honolulu, HI, 3-8 June 2007, p. 63-66.

47. Larger L., Udaltsov V. S., Poinsot S. Optoelectronic phase chaos generator for secure communication. // Journal of Optical Technology, vol. 72, Issue 5, 2005, p. 378-382.

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

49. Romeira B., Figueiredo J. Optoelectronic Oscillators for Communication Systems. // IFIP Advances in Information and Communication Technology, vol.314, 2010, p. 273-280.

50. Leeson D. B. A simple model of the feedback oscillator noise spectrum. // Proceedings of the IEEE, 1966, vol. 54, no 2, p. 329-330.

51. Yao X. S., Maleki L., Ji Y., et al. A Dual-Loop Opto-Electronic Oscillator. // TMO Progress Report 42-135, November 15, 1998, p. 1-8.

52. Yao X. S., Maleki L. Multi-loop optoelectronic oscillator. // IEEE J. Quantum Electron., vol. 36, no. 1, 2000, p. 79-84.

53. Eliyahu D., Maleki L. Low phase noise and spurious level in multiloop optoelectronic oscillator. // IEEE Int. Frequency Control Symp. Proc., 2003, p. 405-407.

54. Zhou W., Blasche G. Injcction-Locked Dual Opto-Electronic Oscillator with Ultra-Low Phase Noise and Ultra-Low Spurious Level. // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. 53, no.3, March 2005, p. 929-933.

55. De-Wu K., Jin-Long Y., Bo W. An optoelectronic oscillator based on duallasers. // Optoelectronics Letters, vol.5, no. 5, 2009, p. 344-346.

56. Ott M., Plante J., Shaw J., et al. Fiber Optic Cable Assemblies for Space Flight: Issues and Remedies. // Paper number 975592 AIAA/SAE World Aviation Congress, Anaheim, CA 1997, pp. 1-7.

57. Eliyahu D., Maleki L. Tunable, Ultra-Low Phase Noise YIG Based OptoElectronic Oscillator. // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2003, Vol.3, pp. 2185-2187.

58. Yao X.S., Maleki L., Davis L. Coupled opto-electronic oscillators. // Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium, 1998, p. 540.

59. Yao X.S., Davis L., Maleki L. Coupled opto-electronic oscillator for generating both RF signals and optical pulses. // Journal of Lightwave Technology, vol. 18, 2000, p.73.

60. Salik E., Yu N., Tu M. et al. EDFA-based coupled opto-electronic oscillator and its phase noise. // Optics Express, vol. 16, no. 12, 9 June 2008, p. 90679072.

61. Salik E., Yu N., Maleki L. An Ultralow Phase Noise Coupled Optoelectronic Oscillator. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 6, 2007, p. 444446.

62. Quinlan F., Williams C., Ozharar S., et al. Self-Stabilization of the Optical Frequencies and the Pulse Repetition Rate in a Coupled Optoelectronic

63. Oscillator. //IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 26, no. 15, August 1,2008, p. 2571-2577.

64. Stys C., Shockman P. System Clock Generators:A Comparison of a PLL Synthesizer vs. a Crystal Oscillator Clock. // Semiconductor Components Industries, LLC, AND8248/D, 2006, p. 1-5 (http://www.onsemi.com/publink/Collateral/AND8248-D.PDF)

65. Tsuchida H., Suzuki M. 40-Gb/s Optical Clock Recovery Using an Injection-Locked Optoelectronic Oscillator. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 1, January 2005, p 211-213.

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

67. Vig J. Military applications of high accuracy frequency standards and clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 40, no. 5, 1993, p. 522-527.

68. Huang S., Tu M., Yao S., Maleki L. A "Turn-key" optoelectronic oscillator with low acceleration sensitivity. // Proceedings of the 2000IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition, 2000, p. 267279.

69. Huang S., Tu M., Yao S. Acceleration-insensitive opto-electronic oscillators. //US patent№US006594061B2, 15.07.2003.

70. Hayat A., Varon M., Bacou A. et al. 2,49 GHz Low Phase-Noise Optoelectronic Oscillator using 1,55 VCSEL for Avionics and Aerospace Applications. // Proceedings of International Topics Meeting on Microwave Photonics MPW/APMP, 2008, p. 98-101.

71. Choi C.S., Seo J.H., Choi W.Y. et al. 60-GHz Bidirectional Radio-over-Fiber Links Based on InP-InGaAs HPT Optoelectronic Mixers. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 12, 2005, p. 2721-2723.

72. Xu Z., Zhang X., Yu J. Frequency upconversion of multiple RF signals using optical carrier suppression for radio over fiber downlinks. // Optics Express, vol. 15, Issue 25, 2007, p. 16737-16747.

73. Kim H. J., Song J. I., Song H. J. An all-optical frequency up-converter utilizing four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier for subcarrier multiplexed radio-over-fiber applications. // Optics Express, vol. 15, Issue 6, 2007, p. 3384-3389.

74. Shin M., Grigoryan V.S., Kumar P. Frequency-doubling optoelectronic oscillator for generating high-frequency microwave signals with low phase noise. // Electronics Letters, vol. 43, Issue 4, 2007, p. 242-244.

75. Pan S., Yao J. A Frequency-Doubling Optoelectronic Oscillator Using a Polarization Modulator. // IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, no. 13, 2009, p. 929-931.

76. Белкин M.E., Лопарев A.B. Оптоэлектронный генератор первое практическое устройство СВЧ- оптоэлектроники. // Электроника НТБ, №6/104, 2010, с. 62-70.

77. Product Brief. Compact Opto-Electronic Oscillator (OEO). Low Phase Noise Microwave Signal Source Module. OEwaves (www.oewaves.com).

78. Product Brief. Advanced Opto-Electronic Oscillator (OEO). Ultra-Low Phase Noise Microwave Signal Source Module. OEwaves (www.oewaves.com).

79. Marsh S. Practical MMIC Design. Artech House, Boston, 2006. 356 p.

80. Александров P. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри. // Компоненты и технологии №9 2005, с. 174-182.

81. GaN НЕМТ MMIC Products overview http://www.cree.com

82. Golio М. The RF and Microwave Handbook, CRC Press, London, 2001 -1376 p.

83. Kurokawa К. Some basic characteristics of broadband negative resistance oscillator circuit. //Bell Sys. Tech. J. vol. 48, 1969, p. 1937-1945.

84. Андреев B.C. Теория Нелинейных электрических цепей. // М: Радио и Связь, 1982.-280 с.

85. Хелзайн Д. Пассивные и активные цепи СВЧ./ Пер. с англ. под ред. Галина А.С.//М: Радио и Связь, 1981 -200 с.

86. Li G.L., Yu P.K.L. Wide-Bandwidth Optical Intensity Modulators. // Handbook of Optical Components and Engineering./ Ed. K. Chang. John Wiley & Sons, Inc. 2003, p. 1009-1078.

87. Product Brief. LN05S Fixed Chirp Intensity Modulator with external DC Bias Covega (http://www.covega.com).

88. Шевцов Э.А., Белкин M.E. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М: Радио и связь, 1992. 224 с.

89. Белкин М.Е., Дзичковский Н.А., Индришенок В.И. Моделирование сверхбыстродействующих pin-фото диодных гетероструктур. // Нано- и микросистемная техника. №10 (2008), с. 23-27.

90. Alwyn J. Seeds and Keith J. Williams. Microwave Photonics. // J. Lightwave Technol. no. 24, 2006, p. 4628-4641.

91. Фильтры и цепи СВЧ. Пер. с англ. Алексеева JI.B., Знаменского А.Е., Полякова B.C. М.: «Связь», 1976. 246 с.

92. Kinayman N., Aksun I. Modern Microwave Circuits. // Artech House Inc., London, 2005. 624 p.

93. Лопарев A.B. Моделирование процесса самовозбуждения оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний. // Научный вестник МИРЭА. №2 (9), 2010, с. 41-48.

94. Andreev V. A., Indukaev К. V. The Rytov-Vladimirskii Phase and Interferometric Measurements. // Journal of Russian Laser Research, 2001, vol. 22, no. l,p. 1-22.

95. Himeno A., Kato K., Miya T. Silica-based planar lightwave circuits. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, no 6, 1998, p. 913924.

96. Microwave office product overview, AWR corp. (http://web.awrcorp.com)

97. Microwave & RF Components design overview, CST Inc. (http://www.cst.com/)

98. Optical Communication System and Amplifier Design Suite overview (http://www.optiwave.eu/)

99. VPI transmissionMaker Optical Systems, product information (http://www.vpisystems.com/)

100. RF and microwave circuits, measurements, and modeling. / Editor-in-chief M. Golio. CRC- Press, 2008. - 876 p.

101. Maas S.A. Nonlinear Microwave and RF Circuits. Artech House, 2003. -582 p.

102. Данилин В. H., Кушниренко А. И., Петров Г. В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.

103. Baek D., et al. Ku-Band InGaP-GaAs HBT MMIC VCOs with balanced and differential topologies. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 4, 2004, p. 1353-1359.

104. Description of fully integrated Ku-band HBT VCO CHV2270-98, United Monolithic Semiconductors (www.ums-gaas.com)

105. Specification of the Voltage Controlled Oscillator V2060, (www.herley.com)

106. Voltage controlled oscillator TOM9317 performance datasheet, (http://www.spectrummicrowave.com)

107. Synergy Microwave Corporation: Voltage Controlled oscillator Online Datasheet (http://www.synergymwave.c0m/pr0ducts/l/ds/DXOl 0701095-5.pdf)

108. Hittite Microwave Corporation, VCO Product Details (http://www.hittite.com/content/documents/datasheet/hmc3881p4.pdf)

109. Hittite Microwave Corporation, VCO Product Details (http://www.hittite.com/content/documcnts/datasheet/hmc7351p5.pdf)

110. Лазерные диодные модули LDI H-DFB(CWDM)-A,-10P. Институт информационных технологий, Минск (http://www.beliit.com/).

111. Specification of the single-mode 1550/1590 nm polarization insensitive isolators, Ascentta Inc., USA (www.ascentta.com)

112. Product Brief. Fiber Polarization Controllers -Thorlabs (www.thorlabs.de).

113. Product Brief. Mach-40™ 005: 40 Gb/s Fixed Chirp Intensity Modulator with external DC Bias Covega (www.covega.com).

114. Product Brief. Photodetector XPDV-2120R- U2t (www.thorlabs.de).

115. Технические характеристики СВЧ-усилителя МШУ 1-2 (http://www.istok-mw.ru/Products/uhf/products527.htm)

116. Технические характеристики СВЧ-усилителя МШУ 1-3 (http://www.istok-mw.ru/Products/uhf/products 527 .htm)

117. Medium Power Amplifier HMC383LC4, Product Data Sheet (http ://www.hittite.com/)

118. Делитель мощности 37.43 SMA с полосой пропускания 2-18 ГГц , Амитрон (www.amel.ru).

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00