ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ СВЧ МОДУЛЬ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/232 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиофотонике, и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток (АФАР) для связи, радиолокации и радионавигации.

Основной задачей при разработке передающих трактов радиофотонных систем является максимально возможные мощность и быстродействие такой системы. Существующие перспективные направления по применению радиофотонных устройств для различных радиофотонных систем, используют преобразование электрического сигнала в оптический (лазерный) и из оптического в электрический.

Известно микроволновое фотонное устройство (см. US 20210194586, МПК Н04В 10/2575, опубл. 24.06.2021), включающее источник оптического излучения, радиочастотный источник, электрооптический модулятор, соединенный волноводом с оптическим источником и с источником радиоизлучения, причем электрооптический модулятор содержит первый кольцевой резонаторный модулятор и второй кольцевой резонаторный модулятор, маломощный фотодетектор, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный электрический сигнал, подаваемый на радиочастотный выход.

Недостатками известного фотонного устройства является низкая мощность, много меньшая одного мВт.

Известен фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль (см. RU 2670719, МПК H04D 10/25, G02B 6/42, опубл. 24.10.2018), включающий симметричный оптоволоконный разветвитель, в первичное оптоволокно которого вводятся мощные импульсы оптического излучения, длина вторичных оптоволокон разветвителя установлена отличающейся не более чем на 3 мм. Каждое из вторичных оптоволокон оптически стыковано с AIGaAs-GaAs фотодетектором. Фотодетекторы работают в вентильном режиме без приложения внешнего напряжения. Фотодетекторы напаяны на электроизолирующем теплопроводящем основании так, что расстояние между соседними фотодетекторами установлено в диапазоне не более 150 мкм. Контакты к n- и р-областям электронного (n) и дырочного (р) типов проводимости каждого фотодетектора соединены электрически последовательно в сборку, а контакты к крайним фотодетекторам сборки электрически подсоединены с помощью согласующих СВЧ линий к электрической нагрузке с эффективным сопротивлением R_н, причем количество фотодетекторов N в модуле установлено в соответствии с определенным условием. При оптимальной мощности входного оптического импульса, который подается на фоточувствительную поверхность каждого фотодетектора, последовательное соединение фотодетекторов (в количестве N) позволяет увеличить в N - раз выходное сопротивление, что дает возможность согласовать фотоэлектрический модуль с нагрузкой.

Недостатками известного фотоэлектрического оптоволоконного модуля являются' низкие мощность и надежность вследствие использования оптических разветвителей.

Известен фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль (см. CN 206117559, МПК H01S 01/00, опубл. 19.04.2017), включающий лазерный модуль, состоящий из лазерных излучателей с различной длиной волны, оптической системы ввода излучения в оптоволокно, оптоволокна и многопереходного фотодетектора.

Недостатком известного устройства является необходимость подстройки мощности лазерных излучателей для получения одинаковых токов в каждом переходе многопереходного фотодетектора.

Известен фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль (см. US 2006140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков, принятый за прототип. Фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль-прототип включает оптически последовательно соединенные лазер, многомодовое оптоволокно и СВЧ фотодетектор для преобразования оптического выходного сигнала в электрический сигнал.

Недостатком известного устройства-прототипа является небольшая выходная мощность (1 мВт) устройства, которая ограничивается малой мощностью фотодетектора.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка фотоэлектрического оптоволоконного СВЧ модуля, который бы имел повышенную выходную мощность и высокое быстродействие.

Поставленная задача достигается тем, что фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль включает СВЧ фотодетектор и многомодовое оптоволокно, оптически соединенное с СВЧ фотодетектором. Новым является то, что между сердечником оптоволокна и СВЧ фотодетектором установлен оптический элемент, изготовленный из того же материала, что и сердечник оптоволокна, и выполненный в виде усеченного конуса, соосного с сердечником оптоволокна, выполненного с числовой апертурой NA, установленной в диапазоне 0.1-0.3, большее основание усеченного конуса установлено монолитно соединенным с торцом сердечника оптоволокна и выполнено с диаметром, равным диаметру d₀ сердечника оптоволокна, угол β наклона образующих конической поверхности усеченного конуса к оси оптического элемента установлен в соответствии с соотношением sinβ = (0.2-1)⋅NA, высота h усеченного конуса установлена в диапазоне h = (0.1-1)d₀/NA, при этом меньшее основание диаметром d₁ усеченного конуса оптически соединено с фотодетектором иммерсией (жидкостью, обеспечивающей уменьшение преломления лучей, выходящих из оптического элемента) с оптической плотностью, превышающей оптическую плотность сердечника оптоволокна, причем толщина f иммерсии установлена в диапазоне (0.03-0.10)d₁, а диаметр фоточувствительной поверхности СВЧ фотодетектора установлен превышающим диаметр d₁ меньшего основания конуса не более, чем на 10%.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение быстродействия мощного СВЧ модуля, благодаря уменьшению площади СВЧ фотодетектора и пропорциональному уменьшению емкости. Это обеспечивается добавлением оптического элемента в виде усеченного конуса, встраиваемого в модуль между сердечником оптоволокна и СВЧ фотодетектором. При этом также обеспечивается снижение омических потерь в СВЧ фотодетекторе и увеличение мощности СВЧ фотодетектора за счет гомогенизации падающего на СВЧ фотодетектор лазерного излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена конструкция фотоэлектрического оптоволоконного СВЧ модуля: 1 - сердечник оптоволокна; 2 - оболочка оптоволокна; 3 - большее основание усеченного конуса; 4 - оптический элемент в форме усеченного конуса; 5 - меньшее основание усеченного конуса; 6 - иммерсия; 7 - СВЧ фотодетектор.

На фиг. 2 приведена схема части конструкции фотоэлектрического оптоволоконного СВЧ модуля, включающего оптоволокно 1 и оптический элемент 4 (СВЧ фотодетектор и иммерсия на схеме не показаны). Являющиеся продолжением сплошных линий 8, 9 штриховые линии 10, 11, составляющие коническую поверхность оптического элемента. 12 - оптическая ось оптоволокна и оптического элемента.

На фиг. 3 показана оптическая схема фотоэлектрического оптоволоконного СВЧ модуля, демонстрирующая распространение лазерного луча 13 в сердечнике 1 оптоволокна и в оптическом элементе 4 с полным внутренним отражением от конической поверхности 9.

На фиг. 4 изображены формы импульсов фотоответа фотоэлектрического оптоволоконного СВЧ модуля с СВЧ фотодетекторами 7, имеющими различные диаметры фоточувствительной поверхности: кривая 14 - в СВЧ фотодетекторе 7 с диаметром фотоактивной поверхности 70 мкм и длительностью импульса на полувысоте амплитуды равной т_0,5 = 160 пс; кривая 15 - в СВЧ фотодетекторе 7 с диаметром фотоактивной поверхности 300 мкм и длительностью импульса на полувысоте амплитуды равной т_0,5 = 620 пс.

Фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль включает многомодовое оптоволокно, состоящее из сердечника 1 и оболочки 2 (фиг. 1), оптически соединенное с СВЧ фотодетектором 7 и источником лазерного излучения (на чертеже не показан). Между сердечником 1 оптоволокна, защищенного оболочкой 2, и СВЧ фотодетектором 7 установлен оптический элемент 4 (фиг. 1), изготовленный из того же материала, что и сердечник 1 оптоволокна с числовой апертурой NA, установленной в диапазоне 0.1-0.3. Оптический элемент 4 выполнен в виде усеченного конуса, соосного 12 (фиг. 2) с сердечником 1 оптоволокна. Большее основание 3 усеченного конуса монолитно соединено с торцом сердечника 1 оптоволокна и выполнено с диаметром d₀ (фиг. 1), равным диаметру d₀ сердечника 1 оптоволокна. Угол β (фиг. 2) наклона образующих конической поверхности усеченного конуса к оси оптического элемента 4 установлен в соответствии с соотношением sin β = (0.2-1,0)⋅NA, высота h (фиг. 1) усеченного конуса установлена в диапазоне (0.1-1,0)d₀/NA, при этом меньшее основание 5 (фиг. 1) диаметром d₁ усеченного конуса оптически соединено с СВЧ фотодетектором иммерсией 6 с оптической плотностью, превышающей оптическую плотность сердечника 1 оптоволокна, причем толщина f (фиг. 1) иммерсии установлена в диапазоне (0.03-0.1)⋅d₁, а диаметр D (фиг. 1) фоточувствительной поверхности СВЧ фотодетектора 7 установлен превышающим диаметр d₁ меньшего основания конуса не более, чем на 10%.

Добавление оптического элемента 4 в форме усеченного конуса между торцом сердечника 1 оптоволокна и СВЧ фотодетектором 7 позволяет выполнить следующие задачи. Во-первых, оптический элемент 4 обеспечивает уменьшение площади лазерного пятна на поверхности СВЧ фотодетектора 7 пропорционально квадрату отношения диаметров меньшего основания 5 и большего основания 3 усеченного конуса. Это, в свою очередь, позволяет во столько же раз уменьшить площадь фоточувствительной поверхности СВЧ фотодетектора 7 и, как следствие этого, уменьшить пропорционально емкость СВЧ фотодетектора 7 и время фотоответа СВЧ фотодетектора 7, т.е. улучшить важнейший параметр СВЧ модуля - быстродействие СВЧ фотодетектора 7.

Изготовление упомянутого оптического элемента 4 (фиг. 1) из того же материала, что и сердечник 1 оптоволокна, позволяет исключить оптические потери лазерного излучения на границе сердечника 1 оптоволокна и оптического элемента 4 при их монолитном соединении.

Выполнение оптического элемента 4 в виде усеченного конуса соосным с оптоволокном позволяет при отражении лазерных лучей 13 (фиг. 3) от конической поверхности 9 оптического элемента 4 осуществить уменьшение апертуры лазерного пятна на выходе из усеченного конуса без искажений круглой формы пятна.

Большее основание 3 (фиг. 1) оптического элемента 4 монолитно соединено с сердечником 1 оптоволокна и выполнено с диаметром, равным диаметру d₀ (фиг. 1) сердечника 1 оптоволокна. Такое соединение оптоволокна с оптическим элементом 4 позволяет исключить оптические потери лазерного излучения на границе торца сердечника 1 оптоволокна с оптическим элементом 4.

Угол β (фиг. 2) наклона образующих 8, 9 (фиг. 2) боковой поверхности усеченного конуса к оси 12 (фиг. 2) оптического элемента 4 установлен в соответствии с соотношением sin β = (0.2-1,0)⋅NA.

Теоретически и экспериментально было установлено, что при значении sin β меньше 0.2 NA возможно возникновение оптических потерь на конической поверхности вследствие увеличения числа отражений лазерных лучей внутри оптического элемента 4. Кроме того, при sin β<0.2⋅NA для обеспечения необходимого соотношения диаметра d₀ большего основания 3 к диаметру d₁ меньшего основания 5 усеченного конуса необходимо увеличение длины оптического элемента 4, что усложняет технологию изготовления такого оптического элемента 4.

При значении sin β>NA часть лазерных лучей может падать на коническую поверхность 9 усеченного конуса под углами, меньшими угла полного внутреннего отражения, и выходить из оптического элемента 4 минуя СВЧ фотодетектор 7, что приведет к оптическим потерям и снижению КПД модуля.

Высота h усеченного конуса установлена в диапазоне (0.1-1,0)⋅d₀/NA.

Теоретически и экспериментально было установлено, что при высоте h<0.1⋅d₀/NA возникают оптические потери в оптическом элементе 4 вследствие попадания части лазерных лучей на коническую поверхность под углами, меньшими угла полного внутреннего отражения и выхода этих лучей из оптического элемента 4.

Теоретически и экспериментально было установлено, что при высоте h>d₀/NA часть лазерных лучей претерпевает значительное количество отражений внутри оптического элемента 4, что может приводить к оптическим потерям. Кроме того, необоснованно усложняется технология изготовления оптического элемента 4 такой увеличенной длины.

Меньшее основание 5 (фиг. 1) диаметром d₁ усеченного конуса оптически соединено с СВЧ фотодетектором 7 иммерсией 6 с оптической плотностью, превышающей оптическую плотность сердечника 1 оптоволокна. При этом необходимо и достаточно превышение оптической плотности иммерсии 6 не более, чем на 10% для исключения оптических потерь на отражение лазерных лучей от границы оптического элемента 4 с иммерсией 6. Кроме того, превышение оптической плотности иммерсии 6 более, чем на 10% относительно оптической плотности оптического элемента 4 технологически затруднено из-за особых труднореализуемых требований к иммерсионным средам с такой повышенной оптической плотностью.

Толщина f (фиг. 1) упомянутой иммерсии 6 установлена в диапазоне (0.03-0.10)⋅d₁.

Экспериментально было установлено, что при f<0.03⋅d₁ возникают разрывы иммерсионной среды, приводящие к дополнительным оптическим потерям в модуле. Также экспериментально было установлено, что при f>0.10⋅d₁ часть лазерных лучей, выходящих в иммерсию 6 под большими углами к поверхности меньшего основания 5, проникают сквозь боковую поверхность иммерсионной среды, что приводит к оптическим потерям в модуле.

Диаметр D (фиг. 1) фоточувствительной поверхности СВЧ фотодетектора 7 установлен превышающим диаметр d₁ меньшего основания 5 не более, чем на 10%. Выполнение условия D>d₁ необходимо для полного «перехвата» лазерных лучей выходящих к СВЧ фотодетектору 7 из оптического элемента 4 через иммерсионную среду. При превышении диаметра фоточувствительной поверхности более, чем на 10% диаметра меньшего основания 5 оптического элемента 4 недопустимо увеличивается диаметр и, как следствие этого, емкость СВЧ фотодетектора 7, что препятствует решению основной задачи настоящей конструкции - снижение площади СВЧ фотодетектора 7 для уменьшения емкости СВЧ фотодетектора 7 и увеличения быстродействия оптоволоконного фотоэлектрического СВЧ модуля.

Фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль работает следующим образом.

Лазерные лучи 10 (фиг. 3) подводятся к фотоэлектрическому модулю по оптическому волокну, сердечник 1 которого монолитно соединен с оптическим элементом 4. Часть лазерных лучей, например, луч 10 (фиг. 3), падают на коническую поверхность 9 оптического элемента 4, отражаются и проходят без отражения сквозь меньшее основание 5 усеченного конуса, иммерсию 6 и попадают на поверхность СВЧ фотодетектора 7, диаметр которого превышает диаметр меньшего основания 5 не более, чем на 10%. При этом площадь СВЧ фотодетектора 7 и его емкость уменьшаются пропорционально квадрату отношения диаметров большего основания 3 и меньшего основания 5. Время фотоответа СВЧ фотодетектора 7 при этом уменьшается пропорционально снижению его емкости. Наряду с улучшением быстродействия модуля достигается также увеличение удельной (Вт/см²) мощности СВЧ фотодетектора 7 (вследствие уменьшения его площади) и уменьшаются омические потери, вследствие гомогенизации светового потока благодаря отражению лазерных лучей от конической поверхности 9 оптического элемента 4.

Пример 1. Изготовленный фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль включает многомодовое оптоволокно, выполненное из оптического кварца с показателем преломления 1,45-1,46 на длине волны 850 нм, с диаметром сердечника равным 200 мкм. К торцу сердечника монолитно присоединен оптический элемент, выполненный в виде усеченного конуса с диаметром большего основания d₀=200 мкм, с диаметром меньшего основания d₁=100 мкм и с высотой h=1 мм. К меньшему основанию через полимерную иммерсию с показателем преломления n=1,48 прикреплен СВЧ фотодетектор диаметром фоточувствительной поверхности 105 мкм. Изготовленный СВЧ модуль обеспечил снижение на полувысоте амплитуды времени фотоответа до 190 пс (на согласованной нагрузке), что в 2,4 раза меньше времени 460 пс длительности импульса фотоответа фотоэлектрического СВЧ модуля без дополнительного оптического элемента.

Пример 2. Изготовленный фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль включает многомодовое оптоволокно с диаметром сердечника равным 200 мкм, выполненного из оптического кварца. Оптический элемент выполнен в виде усеченного конуса также из оптического кварца с тем же значением показателя преломления, что и материал сердечника оптоволокна. Диаметр большего основания оптического элемента равен 200 мкм; диаметр меньшего основания равен 70 мкм; высота оптического элемента равна 1 мм. Диаметр фоточувствительной поверхности СВЧ фотодетектора, прикрепленного к меньшему основанию оптического элемента, равен 70 мкм. Фотоэлектрический СВЧ модуль с приведенными выше параметрами обеспечивает снижение времени фотоответа до 140 пс, что в 3,3 раза меньше времени фотоответа аналогичного модуля без дополнительного оптического элемента (фиг. 4).

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиофотонике. Фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль включает СВЧ фотодетектор и многомодовое оптоволокно, оптически соединенное с СВЧ фотодетектором, между сердечником оптоволокна и СВЧ фотодетектором установлен оптический элемент, выполненный в виде усеченного конуса, соосного с сердечником оптоволокна. Большее основание усеченного конуса монолитно соединено с торцом сердечника оптоволокна и выполнено с диаметром, равным диаметру d₀ сердечника оптоволокна. Высота h усеченного конуса установлена в диапазоне равной (0,1-1,0)⋅d₀/NA. Угол β наклона образующих конической поверхности усеченного конуса установлен соотношением sin β=(0,2-1,0)⋅NA. Меньшее основание усеченного конуса оптически соединено с фотодетектором иммерсией с оптической плотностью, превышающей оптическую плотность сердечника оптоволокна. Достигнутые времена фотоответа СВЧ модуля были уменьшены в 3-4 раза и составили 120-160 пс в СВЧ модуле. Технический результат - увеличение быстродействия мощного СВЧ модуля. 4 ил.

Фотоэлектрический оптоволоконный СВЧ модуль, включающий СВЧ фотодетектор и многомодовое оптоволокно, оптически соединенное с фотодетектором, отличающийся тем, что между сердечником оптоволокна и фотодетектором установлен оптический элемент, изготовленный из того же материала, что и сердечник оптоволокна, и выполненный в виде усеченного конуса, соосного с сердечником оптоволокна, выполненного с числовой апертурой NA, установленной в диапазоне NA=0,1-0,3, большее основание усеченного конуса установлено монолитно соединенным с торцом сердечника оптоволокна и выполнено с диаметром, равным диаметру d₀ сердечника оптоволокна, угол β наклона образующих конической поверхности усеченного конуса к оси оптического элемента установлен в соответствии с соотношением sin β = (0,2-1,0)⋅NA, высота h усеченного конуса установлена равной (0,1-1,0)⋅d₀/NA, при этом меньшее основание диаметром d₁ усеченного конуса оптически соединено с фотодетектором иммерсией с оптической плотностью, превышающей оптическую плотность сердечника оптоволокна, причем толщина f иммерсии установлена равной (0,03÷0,10)⋅d₁, а диаметр фоточувствительной поверхности фотодетектора установлен превышающим диаметр d₁ меньшего основания конуса не более чем на 10%.