Авторский блог Александр Барков 15:36 20 декабря 2018

Оптоэлектронный генератор «размером с грецкий орех». К 110-му юбилею академика Котельникова.Барков-Борцов

Статья написана к 110-му юбилею академика Котельникова, выпускника радиотехнического факультета Московского энергетического института (МЭИ) и директора Института Радиотехники и электроники (ИРЭ) Академии наук (АН).  Изложена  история создания и история исследования  в СССР и России «Оптоэлектронного генератора ОЭГ» (или в английской версии «Optoelectronic oscillator, OEO») . Отмечено, что первые изобретения и разработки оптоэлектронного генератора проведённые советскими и российскими учеными из МЭИ и  ИРЭ АН  относятся к периоду 1983-1991.   Приведены ссылки  на статьи, авторские свидетельства и патенты по ОЭГ. С учетом приведённых публикаций можно утверждать, что совместная Квантовая группа учёных  из МЭИ и  ИРЭ АН  положила основы нового научного направления,  внесла  вклад в развитие ОЭГ (или OEO),  и разработала новые способы генерирования радиочастотных  колебаний с низким уровнем фазового шума на основе квантовых и оптоэлектронных методов. Работы  ученых имеют международное значение.

История исследования наноструктурного оптоэлектронного генератора «размером с грецкий орех» в МЭИ в период 1984-2018

К 110-летию рождения Котельникова В.А.

А. А. Борцов

Аннотация

Статья написана к 110-му юбилею академика Котельникова, выпускника радиотехнического факультета Московского энергетического института (МЭИ) и директора Института Радиотехники и электроники (ИРЭ) Академии наук (АН). Изложена история создания и история исследования в СССР и России «Оптоэлектронного генератора ОЭГ» (или в английской версии «Optoelectronic oscillator, OEO») . Отмечено, что первые изобретения и разработки оптоэлектронного генератора проведённые советскими и российскими учеными из МЭИ и ИРЭ АН относятся к периоду 1983-1991. Приведены ссылки на статьи, авторские свидетельства и патенты по ОЭГ. С учетом приведённых публикаций можно утверждать, что совместная Квантовая группа учёных из МЭИ и ИРЭ АН положила основы нового научного направления, внесла вклад в развитие ОЭГ (или OEO), и разработала новые способы генерирования радиочастотных колебаний с низким уровнем фазового шума на основе квантовых и оптоэлектронных методов. Работы ученых имеют международное значение.

6 сентября 2018 году отмечается 110-й юбилей рождения выдающегося советского и российского ученого академика Котельникова В.А.. Владимир Александрович является признанным в мире создателем теории помехоустойчивости и автором теоремы об отсчетах, известной в мире, как теорема Котельникова – Шеннона – Найквиста. С 1969 по 1988 годы он являлся вице-президентом АН СССР, а с 1955 по 1988, он возглавлял Институт радиотехники и электроники АН (ИРЭ АН). Под руководством Котельникова советские учёные заложили основы радиофизики, радиотехники, радиолокации, информации и криптографии.

Колоссальный вклад научной мысли и мужественные усилия групп ученых из ИРЭ и МЭИ позволили создать противовоздушной щит обороны страны, который оказывает влияние на международную политику сегодня. Можно вспомнить, что военный американский самолёт-разведчик U-2 пилота Паурса в 1960 году был сбит именно комплексом ПВО С-75, в разработке основных радиолокационных методов приёма и передачи принимали ученые из ИРЭ АН, сотрудники и выпускники Радиотехнического факультета (РТФ) МЭИ.

Котельников, окончил радиотехнический факультета МЭИ в 1930 г. и не только успешно занимался преподавательской деятельностью на кафедре Основ радиотехники, но создавал и развивал долговременные научные связи между «альма- матер» МЭИ и Академией наук. Так родились несколько направлений исследований.

К одному из таких прорывных направлений совместных научных исследований МЭИ и ИРЭ АН относится создание и разработка лазерного автогенератора с волоконно-оптической линией задержки или оптоэлектронного генератора (ОЭГ). В англоязычной литературе такой радиочастотный генератор принято называть Opto-Electronic Oscillator (OEO).

Главной задачей интенсивных исследований OЭГ (или OEO), на которых сосредоточены усилия несколько ведущих лабораторий мира с миллионными бюджетами, нацелено на создание коммерчески доступных высокостабильных генераторов СВЧ и КВЧ диапазона с ультра низким фазовым шумом менее -140 дБ/Гц [1-3]. Габаритные размеры генератора с учетом современных требований должны составлять менее 1000 куб.мм . Такие генераторы особенно востребованы беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), а также сетями или роями «беспилотников» (20…100 малых БПЛА, запускаемых одновременно).

Кратковременная относительная стабильность частоты (менее 10-12 , при средней рабочей частоте 10 ГГц) и сверх малые фазовые шумы (менее -140 дБ/Гц , при отстройке частоты 10 кГц от несущей средней рабочей частоты 10 ГГц) должно обеспечить широкополосную (до 10..100ГГб/c), сверх скрытую передачу кодированной информации по радиоканалу на большое расстояние (100 км и более). Использование оптоэлектронного генератора с подобными рекордными характеристиками в радиолокации позволяет надёжно определять малые, малозаметные и малоподвижные цели на уровне помех на больших расстояниях. Особый интерес имеет использование малогабаритных радиолокаторов для БПЛА.

На современном этапе оптоэлектронный генератор является продуктом нанотехнологий. В нем используются квантоворазмерные (или наноразмерные) лазерные диоды, обладающие малыми фазовыми шумами и высокой выходной мощностью оптического излучения(1…10 мВт). Оптическое волокно (ОВ) в миниатюрных ОЭГ является специальным, наноструктуированным, что позволяет обеспечить малый радиус изгиба ОВ (до 1…5 мм) с малыми оптическими потерями на один изгиб менее 0,001 дБ.

Можно без преувеличения сказать, что появление коммерчески доступных миниатюрных оптоэлектронных генераторов размером с грецкий орех сделают очередной прорыв в радиолокации, радиотехники, БПЛА, ВОЛС и мобильной радиотелефонии.

Первые статьи и авторские свидетельства советских ученых МЭИ и ИРЭ [1-5] были сделаны и опубликованы в престижных журналах «Optical and Quantum Electronics», «Quantum and Quantum Electronics» (группы Springer Science), «Квантовая электроника», «Радиотехника» и др. более 30 лет назад. За это время ОЭГ (или OEO) из лабораторного макета, представляющего интерес для учёных, превратился в прибор СВЧ техники, будущее которого можно сравнить с квантовыми стандартами частоты, или полупроводниковыми лазерами. Число публикаций в мире на тему стабилизированного волоконно-оптической линией генератора ОЭГ с каждым годом увеличивается и исчисляется сотнями единиц.

Приятно отметить, что ученые из технического университета МЭИ совместно с исследователями из ИРЭ стояли у истоков нового научного направления по изучению лазерного оптоэлектронного генератора. При этом исследователям необходимо было сочетать искусное знание нескольких точных дисциплин: радиофизику, радиотехнику, квантовую электронику и квантовую механику.

Оптоэлектронный генератор относится к сложным гибридным устройствам, основой которого является квантовый генератор оптических колебаний или лазер. Схема построения OЭГ включает последовательно замкнутые в кольцо обратной связи лазер или лазерный диод с модулятором светового излучения, оптическое волокно, фотодетектор на базе фотодиода, нелинейный электронный усилитель, частотной избирательный элемент радиочастотный фильтр и ответвитель.

Схемы ОЭГ по принципу модуляции можно подразделить на два класса: 1)ОЭГ с прямой модуляцией тока накачки лазерного диода; 2) ОЭГ с внешней модуляцией оптического излучения лазера или лазерного диода: с акустооптическим модулятором , с оптоэлектронным модулятором, с модулятором на базе интерферометра Маха-Цендера. Первые исследования оптоэлектронного генератора относятся к 1984-1990 годам [4-13]. Они были произведены группой исследователей в Московском энергетическом институте на кафедре Радио передающих устройств (РПдУ) и ИРЭ АН.

В этих работах [4-12] были экспериментально исследованы OЭГ с прямой модуляцией лазерного диода на частотах 30- 60 МГц. Первое название в статьях оптоэлектронного генератора было «лазерный автогенератор с волоконно-оптической линией задержки или ЛАГ ВОЛЗ». Были построены математические модели ЛАГ, исследованы нестабильность частоты, температурные зависимости частоты от температуры оптического волокна, фазовые зависимости частоты и др. В то время заведующим кафедрой РПдУ являлся Профессор, д.т.н, Герман Михайлович Уткин. В квантовую группу исследователей OЭГ, руководимую заведующим лабораторией №228 ИРЭ АН Профессором, д.ф-м.н, Виль Валентиновичем Григорьянцем входили (фото 1):

-Юрий Б. Ильин, доцент, к.т.н., МЭИ

-Алексей А.Дворников, к.т.н., д.т.н.(1987), МЭИ

-Виктор Н.Константинов, к.т.н., МЭИ

-Владимир А.Прокофьев, инженер, МЭИ

-Александр А.Борцов, инженер, аспирант, к.т.н.(2005), МЭИ.

двойной клик - редактировать изображение

Следует отметить пионерскую работу (1985) [4], в которой была обоснована схема OЭГ и с помощью системы уравнений на основе баланса амплитуд и фаз были рассчитаны амплитуда и частота генерации OЭГ.

двойной клик - редактировать изображение

В другой работе [5] предлагалась и исследовалась совершенно новая схема построения ОЭГ с внешним акустооптическим модулятором на базе интерферометра Маха-Цендера с гетеродинированием оптических гармоник колебаний разных частот. Здесь схема ОЭГ представляла лазер, излучение которого модулировалось акустооптическим модулятором и направлялось в два оптических волокна, которые возбуждались лазерным излучением, прошедшим акустооптический модулятор. Далее излучение после прохождения оптических волокон поступало на фотодетектор, а затем электрический сигнал усиливался электронным усилителем, проходил узкополосный радиочастотный фильтр и поступал на вход акустооптического модулятора.

В работе [6] была исследована схема OEO с двумя оптическими волокнами разной длины и рассчитаны зависимости перестройки частоты при изменениях мощности, вводимые в оптические каналы. По существу конструкция представляла интерферометр, охваченный обратной связью. В работах [7,8] были исследованы коэффициенты передачи одиночного много модового волокна и волоконно-оптической линии задержки, образованной двум оптическими волокнами разной длины. Было изучено влияние модового состава оптического волокна, и степени возбуждения различных оптических волокон разной длины, входящих в ОЭГ. На исследованные образцы OЭГ были получены ряд патентов на изобретение USSR. Один из них упомянут в списке публикаций [11]. В начале девяностых годов продолжались исследования OЭГ с внешним модулятором на основе акустооптической ячейки [9,10].

Работы по исследованию оптоэлектронного генератора были продолжены в России в МЭИ с 2003 по 2018. Запатентован новый метод подстройки частоты с использование в OEO фазовой автоподстройки частоты на базе дифференциального волоконного дискриминатора [12]. Была получена генерация OEO на частоте 8…10 ГГц с использованием квантоворазмерного лазерного диода, (2005) [13], исследован оптоэлектронный генератор c модулятором Маха-Цендера [14]. Построена и исследована новая теоретическая шумовая модель ОЭГ, в которой учтён лазер с ультра малыми фазовыми шумами [15] . Были объяснены многие не понятные до этого явления и причинные связи параметров генератора. Разработанные методы изучения характеристик волоконно-оптической линии задержки в ОЭГ позволили Квантовой группе из МЭИ с коллегами из МВТУ им.Баумана создать и запатентовать новую технологию производства радиационно-стойкого оптического волокна [16].

Заключение

С учетом приведённых публикаций можно сказать, что Квантовой группой МЭИ и ИРЭ АН, основанного выпускником РТФ академиком Котельниковым В.А., юбилей которого отмечается в 2018-м году, был внесен существенный вклад в развитие наноструктурного оптоэлектронного генератора (Opto-electronic oscillator, OEO), а также методов генерирования стабильных радиочастотных колебаний на основе квантового оптического генератора. Упомянутые в статье пионерские работы учёных являются значимыми в научном мире, как определившие новое направление исследований на 30 лет впедёд.

Литература:

1. 1. T. Sakamoto, T. Kawanishi, M. Izutsu, «Optoelectronic oscillator using a LiNbO3 phase modulator for self-oscillating frequency comb generation», Optics Letters, 31(6),. 811-813, (2006). DOI: 10.1364/OL.31.000811

2. 2. C. X. Li et al., «A Novel Optoelectronic Oscillator with Series-Coupled Double Recirculating Delay Lines», Advanced Materials Research, Vols. 986-987, pp. 1730-1733, (2014).

3. 3. Xihua Zou, Xinkai Liu, et al., Optoelectronic Oscillators (OEOs) to Sensing, Measurement, and Detection, IEEE Journal of Quantum Electronics 52(1):0601116, (2016). DOI: 10.1109/JQE.2015.2504088, (2016).

4. V.V. Grigor’yns, Dvornikov, Yu.B. Il'in ,V.N.Konstantinov, V.A. Prokof’ev, G.M. Utkin ,«A laser diode with feedback using a fibre delay line as a stable-frequency signal generator and potential fibre sensor», Optical and Quantum Electronics, 17(4),263-267,(1985).

5. V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, «Laser optical fibre heterodyne interferometer with frequency indicating of the phase shift of a light signal in an optical waveguide », Quantum and Quantum Electronics,21(5),423-427,(1989)

6. A.A. Bortsov, V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, «Effect of the lightguide excitation efficiency on the frequency of a self-excited oscillator with a differential fiber optic delay line»Telecommunications and Radio Engineering 44(8):137-142, August ,(1989)

7. A.A. Bortsov, V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, ,V.N.Konstantinov «Transfer function of a composite fiber-optic delay line» Telecommunications and Radio Engineering 43(9):40-42, September, (1988)

8. A.A. Bortsov, V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, « Frequency tuning in a self-excited oscillator with a fiber-optic delay line» Telecommunications and Radio Engineering 44(4):74-77, April, (1989)

9. T V Babkina, V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, V.A. Prokof’ev, «Use of a laser oscillator heterodyne interferometer as an optical sensor of microdisplacements» Soviet Journal of Quantum Electronics 21(12), Dec (1991).

10. T V Babkina, V.V. Grigor’yns, Yu.B. Il'in, V.A. Prokof’ev, «Self-sustained operation of a laser oscillating Mach-Zehnder interferometer» Soviet Journal of Quantum Electronics 21(2), Feb. (1991).

11. A.A. Bortsov and etc. «Opto-electronic Oscillator- «Device for the functional transformation of acoustic pressure into frequency»,Patent№1538265,(1988)

12. A.A. Bortsov , Yu.B. Il'in, «Opto-electronic Oscillator - «Generator of frequency-modulated signals». Patent RF(Russia)№ 2282302, Nov. ( 2004)

13. A.A. Bortsov «Phase-frequency and amplitude-frequency characteristics of a mesadjusted laser diode with a modulation frequency band of up to 12 GHz», Radio Engineering -Publishing house «Radioteknika» no.9,p 43-47,(2006)

14. A.A. Bortsov , Yu.B. Il'in, « Laser Spectral Line Widening Effect on RF Phase and Amplitude Noises of an Optoelectronic Oscillator OEO», Journal Radio Engineering- Radioteknika Journal (Moscow), 2010, No2, Feb.( 2010)

15. A.A. Bortsov «The influence of the quality of laser resonator to microwave phase noise in opto-electronic oscillator OEO» , Electromagnetic Waves and Electronic Systems -Publishing house Radiotekhnika(Moscow),No11,(2012)

16. «Method of manufacturing workpieces for opticasing on nitrogen-doped quartz glass» Patent RU: №2537450, A.A. Bortsov , Yu.B. Il'in, V.E.Karasik, A.Karachev and etc. (2015).

двойной клик - редактировать изображение

1.0x