КОМПАКТНЫЙ РАДИОФОТОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА ГИГАГЕРЦОВОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК H03B17/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и радиофотоники и может быть использовано в качестве источника терагерцового излучения или источника тактового сигнала.

Патентуемое устройство является прецизионным стабильным генератором сверхвысокочастотного радиосигнала высокой мощности. Устройство может генерировать радиосигнал в частотном диапазоне от десятков ГГц до единиц ТГц при собственной ширине спектра на уровне единиц кГц, частотными шумами на уровне 0,001% от несущей частоты, возможностью плавной перестройки на 0,02% и дискретной перестройки от 100 МГц до 1 ТГц в зависимости от конструкции интегрального фотонного чипа, выходной мощностью более 1 мВт электрической мощности (выходная электрическая мощность в радиочастотном диапазоне определяется параметрами фотоприемника).

К преимуществам предлагаемого устройства можно отнести:

• Компактность, которая достигается благодаря использованию фотонных интегральных схем.

• Частотная стабильность, достигаемая за счет использования эффекта самозатягивания лазерного излучения на высокодобротный кольцевой микрорезонатор.

• Малое энергопотребление и устойчивость к воздействиям окружающей среды. Благодаря эффекту самозатягивания можно отказаться от сложных схем, используемых для стабилизации частот независимых лазерных источников. Вследствие этого значительно уменьшается количество и сложность требующихся электронных схем, упрощается компонентная база, уменьшается энергопотребление и увеличивается живучесть.

• Низкая стоимость, которая достигается за счет упрощения компонентной базы.

Эффект самозатягивания излучения лазерного диода на высокодобротный кольцевой резонатор [1] позволяет добиться существенного уменьшения ширины линии излучения и увеличить временную стабильность выходного излучения. Данный эффект основан на резонансном релеевском рассеянии лазерного излучения на объемных и поверхностных неоднородностях материала, что приводит к появлению узкополосной обратной волны, необходимой для инжекционной стабилизации лазерного диода. Использование эффекта самозатягивания позволило создать компактные герцовые лазерные источники на основе интегральных микрорезонаторов [2] и стабильные генераторы оптических гребенок [3].

Предлагаемое нами устройство содержит как минимум два независимых лазерных диода (Рис. 1 (2, 8)), которые работают в режиме самозатягивания на две различные частотные моды одного высокодобротного микрорезонатора (Рис. 1 (5)). Концептуальная схема устройства представлена на Рис. 1.

Одновременное затягивание двух независимых лазерных диодов на две различные частотные моды высокодобротного микрорезонатора приведет к привязке частоты сигнала биений к межмодовому частотному интервалу микрорезонатора. Такой подход позволит получить стабильный сигнал биений без применения сложных систем частотной стабилизации независимых лазерных источников. Для работы предложенной схемы требуются только два прецизионных источника тока (Рис. 1 (1, 10)) для питания лазерных диодов и термальная стабилизация диодов (Рис. 1 (3, 9)) и микрорезонатора (Рис. 1 (6)). Плавная перестройка с частотой до десятка килогерц может быть обеспечена в узком диапазоне (0,02% от частоты биений) за счет изменения токов лазерных диодов внутри диапазона затягивания. Кроме этого, можно обеспечить перестройку частоты сигнала биений (Рис. 1 (12)) с дискретным шагом, соответствующим межмодовому расстоянию микрорезонатора.

Интегральный кольцевой микрорезонатор может быть произведен из нитрида кремния (SNOI) или кремния (SOI) на изоляторе. Данные технологии являются КМОП совместимыми, что позволяет использовать существующие технологические мощности и добиться высокой повторяемости характеристик получаемых устройств. Помимо кольцевого микрорезонатора может быть использован интегральный резонатор фабри-перо с длиной более 1 м, что позволит обеспечит дискретную перестройку на уровне сотен мегагерц.

Также на фотонном чипе могут быть размещены ретрорефлекторы любого типа (зеркало саньяка, брэговская решетка и т.д.) для усиления интенсивности обратной волны с целью увеличения эффективности затягивания.

В качестве лазерных источников могут быть использованы дешевые и мощные лазерные диоды с распределенный обратной связью (DFB), лазерные диоды с резонатором фабри-перо, а также поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL). Помимо этого, возможно гибридным способом интегрировать лазерные диоды из фосфида индия (InP) на фотонную интегральную схему, изготовленную по технологии SNOI [4], что позволит получить полностью монолитное устройство.

Количество используемых лазерных диодов и частотных мод микрорезонатора может быть увеличено за счет использования массива волноводов в интегральном исполнении.

[1] Kondratiev, N. M. et al. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q WGM microresonator. Opt. Express 25, 28167 (2017).

[2] Warren Jin et al. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nature photonics 15, pages 346-353 (2021).

[3] Voloshin, A. S. et al. Dynamics of soliton self-injection locking in optical microresonators. Nat. Commun. 12, 235 (2021).

[4] Zhao, R. et al. Hybrid dual-gain tunable integrated InP-Si 3 N 4 external cavity laser. Opt. Express 29, 10958 (2021).

[1] Патент US 6,963,442 B2, «Малошумящий переключаемый радиофотонный синтезатор частот». Синтезатор частот для генерации многотонального светового сигнала, который может быть преобразован в сигнал РЧ несущей или гетеродина. Синтезатор частот включает в себя многорежимный ведущий лазер, два подчиненных лазера, синхронизированных с генератором, оптический соединитель, соединяющий оптические выходы двух подчиненных лазеров, который формирует выходной оптический гетеродин. Синтезатор частот дополнительно содержит гомодинный контур фазовой синхронизации, обеспечивающий управление с обратной связью над одним из подчиненных лазеров, и гетеродинный контур фазовой синхронизации, обеспечивающий управление с обратной связью для другого подчиненного лазера. Селектор гетеродина используется для выбора оптического режима, к которому привязан один из подчиненных лазеров, что обеспечивает выбор частот на выходе гетеродина.

Авторы: Daniel Yap, HRL Laboratories (8 ноября, 2005 год)

Отличие РИД от прототипа: предлагаемое нами устройство обладает большей эффективностью за счет отсутствия необходимости генерации оптической гребенки частот.

[2] Патент US 8,681,827 В2, «Генерация одиночного оптического тона, радиочастотного колебательного сигнала и оптической гребенки в устройстве с тремя осцилляторами на основе нелинейно-оптического резонатора». Способы и устройства на основе оптических резонаторов из нелинейно-оптических материалов для формирования устройств с тремя осцилляторами для генерации одиночного оптического тона, радиочастотного (РЧ) колебательного сигнала и оптического частотного гребенчатого сигнала с разными оптическими частотами.

Авторы: Малеки, Мацко. ОЕ waves (2012 год)

Отличие РИД от прототипа: предлагаемое нами устройство является более компактным и живучим за счет использования интегрального микрорезонатора и возможности использовать интегральные лазерные источники.

[3] Патент US 9,036,971 В2, «Лазерные стандарты частоты и их применение». Патент охватывает несколько техник. Изобретение относится к стандартам частоты, основанным на волоконных лазерах с синхронизацией мод, волоконных усилителях и волоконных источниках света со сверхширокой полосой пропускания, а также к их применению.

Авторы: Ingmar Hartl, Martin Fermann (2015 год)

Отличие РИД от прототипа: предложенное нами решение является более простым, стабильным и компактным, так как основано на интегральных микрорезонаторах и не требует использования оптических усилителей.

[4] Патент US 10,009,103 В2, «Стабилизированный источник СВЧ». Область настоящего изобретения относится к генерированию электрических сигналов сверхвысокой частоты и источников сверхвысокой частоты, использующих двойной источник оптической частоты и оптическое частотное разделение. В частности, здесь описаны устройство и способы для генерации электрических сигналов микроволновой частоты, демонстрирующих пониженный фазовый шум по сравнению с двойным опорным источником оптической частоты.

Автор: Вахала (2018 год)

Отличие РИД от прототипа: описанное устройство в отличии от предлагаемого нами решения требует применения генератора боковых частот, в качестве которого может выступать акустооптический или электрооптический модулятор. Отсутствие этого дорогого компонента для нашего устройства является преимуществом

[5] Патент US 8,659,814 В2, «Параметрические регенерационные осцилляторы на основе оптоэлектронной обратной связи и оптической регенерации на нелинейном оптическом смешивании в wgm резонаторах». Методы и устройства на основе оптических резонаторов из нелинейно-оптических материалов и нелинейного смешения волн для генерации ВЧ- или СВЧ-колебаний с использованием активной оптоэлектронной петли.

Авторы: Малеки, Мацко. ОЕ waves (2014 год)

Отличие РИД от прототипа: описанное изобретение основывается на использовании кристаллического микрорезонатора, требующего использования объемной оптики, что с конструктивной точки зрения делает систему более габаритной и менее стойкой к перегрузкам.

[6] Статья 10.1109/LPT.2002.803326 "Toward a Photonic Arbitrary Waveform Generator Using a Modelocked External Cavity Semiconductor Laser".

Предлагается архитектура фотонного генератора сигнала произвольной формы, при котором продольные моды с фазовой синхронизацией полупроводникового лазера с внешним резонатором синхронизацией мод с частотой 12,4 ГГц, модулируются индивидуально. Мы сообщаем о фотонном синтезе микроволновых тонов на 37,2 ГГц (ограничение обосновано полосой пропускания фотодетектора) с шириной линии 100 Гц и динамическим диапазоном 50 дБ. Мы показываем фотонно-синтезированные Синусоидальные волны 12,4 ГГц с наложенными синусоидальными и импульсными ВЧ сигналами модуляции, демонстрирующими потенциал для фотонных генераторов сигнала произвольной формы.

Авторы: Tolga Yilmaz, Christopher М. DePriest et. al. (2002 год)

Отличие РИД от прототипа: описываемая в статье система включает в себя сложную систему компенсации дисперсии, представляющую собой набор объемных оптических элементов, требующих юстировки. Также эта система не позволяет получить сигнал биения на частоте более ста ГГц гигагерц.

[7] Статья 10.1109/PHOTONICS.2010.5698824 "Stable Optically Generated RF Signals

from a Fibre Mode-Locked Laser". В статье проанализирована фазовая стабильность радиочастотных сигналов, полученных с помощью двухмодовой фильтрации волоконного лазера с синхронизацией мод. Показано, что временной джиттер остается постоянным с выбранным интервалом между модами, что подтверждает способность схемы генерировать стабильные радиочастотные сигналы вплоть до чрезвычайно высоких частот.

Авторы: Giovanni Serafino, Paolo Ghelfi et. al. (2010 год)

Отличие РИД от прототипа: в сравнении с описанной схемой предложенная нами схема является более компактной, в то время как ширина полосы сигнала биений получается значительно более узкой за счет использования высокодобротного резонатора. Так же за счет эффекта затягивания предложенная нами система является более стабильной на больших временах.

[8] Статья 10.1038/NPHOTON.2009.266 "Ultrabroad-bandwidth arbitrary radiofrequency waveform generation with a silicon photonic chip-based spectral shaper".

Продемонстрирован радиофотонный генератор произвольный частот с программируемой частотой, амплитудой и фазой с рабочими частотами до 60 ГГц.

Авторы: Maroof Н. Khan, Нао Shen et.al. (2009 год)

Отличие РИД от прототипа: наиболее близкая технология к тому, что предлагается в нашем устройстве, однако за счет использования эффекта затягивания лазера на моды резонатора предлагаемая нами система обладает значительно более высоким коэффициентом стабилизации и существенно меньшим дрейфом частоты в области больших времен.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 - Концептуальная схема устройства. Используется два лазерных диода (2, 8), которые работают в режиме самозатягивания на две разные частотные моды кольцевого микрорезонатора (5). Излучение лазерных диодов попадает в микрорезонатор через элементы связи (4, 7). Лазерные диоды и чип термостабилизированны элементами (3, 6, 9). Используются источники тока (1, 10) и фотодетектор (11). Получаемый сигнал биений (12) стабилизирован к межмодовому интервалу микрорезонатора.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и радиофотоники и может быть использовано в качестве источника терагерцового излучения или источника тактового сигнала. Техническим результатом изобретения является компактность, частотная стабильность, малое энергопотребление и устойчивость к воздействиям окружающей среды. В компактном радиофотонном генераторе гармонического сигнала гигагерцового и терагерцового диапазона стабилизация частот лазерных диодов и снижение уровня фазовых шумов диодов осуществляется путем одновременного самозатягивания излучения обоих лазерных диодов на различные частотные моды высокодобротного резонатора. 1 ил.

Компактный радиофотонный генератор гармонического сигнала гигагерцового и терагерцового диапазона, осуществляющий преобразование оптического сигнала биений двух независимых лазерных диодов в электрический гармонический сигнал за счет использования фотодетектора, отличающийся тем, что стабилизация частот лазерных диодов и снижение уровня фазовых шумов диодов осуществляется путем одновременного самозатягивания излучения обоих лазерных диодов на различные частотные моды высокодобротного резонатора, причем радиофотонный генератор реализован в полностью интегральном исполнении за счет использования в качестве высокодобротного резонатора интегрального кольцевого микрорезонатора и использования в качестве лазерных диодов интегральных лазерных диодов.