Opto-elektronikus oszcillátorok zajcsökkentési módszereinek tanulmányozása – I.

Opto-elektronikus oszcillátorok zajcsökkentési módszereinek tanulmányozása

– I. Dr. Berceli Tibor Károlyi Gergely Kovács Gábor Dr. Marozsák Tamás Dr. Zólomy Attila  

Bevezetés 

Az Opto-Elektronikus Oszcillátor (OEO) folytonos optikai energiát konvertál stabil, spektrálisan igen nagy tisztaságú, időben periodikusan változó mikrohullámú elektromos jellé. A struktúra magába foglal alapvető építőelemként pumpáló lézert és egy visszacsatoló hurkot, amely elektrooptikai intenzitásmodulátort, optikai szál alapú késleltető vonalat, optikai vevőt, mikrohullámú erősítőt valamint sáváteresztő szűrőt tartalmaz. Ezen összeállítás, legegyszerűbb változatában is képes közel 100GHz frekvenciájú ultrastabil mikrohullámú jelek előállítására L{Dw=10kHz}=-140dBc/Hz féloldalsávos fáziszajjal (az oszcilláció frekvenciájától 10kHz-re). A ma általánosan használt mikrohullámú jelgenerátorok ettől, ezen tulajdonságok terén jelentősen elmaradnak.

A OEO alap struktúra egy ring oszcillátor, mely egy elektrooptikai intenzitás modulátort tartalmaz visszacsatolva egy késleltető optikai hurkon, egy optikai vevőn, egy elektromos erősítőn és egy elektromos sáváteresztő szűrőn keresztül. Ilyen összeállítás oszcillátorként való lehetséges alkalmazását elsőként Neyer és Voges javasolta. A 90-es évek közepétől S. Yao és L. Maleki (Jet Propulsion Laboratory), kutatásaik során folyamatosan publikálták eredményeiket az opto-elektronikus oszcillátorok zajjellemzőinek és stabilitásának fejlesztésével kapcsolatban.

Általánosságban az opto-elektronikus oszcillátorokkal kapcsolatban megfogal­maz­ható kedvező tulajdonságok:

–         az oszcillátor egyszerre rendelkezhet elektromos kimenettel, ahol mikrohullámú tartományban, valamint optikai kimenettel, melyen keresztül a tetszőleges (pumpáló lézer által meghatározott hullámhosszú) optikai vivő körül, szintén az alapműködés során megjelenik a generált jel. Így optikai elemeket alkalmazó pl. távközlő rendszerekben nincs szükség plusz elektromos-optikai átalakításra, ezzel a szerkezeti egyszerűsítést valamint a költség hatékonyságot egyszerre szolgálva.

–         Az optikai szál mint rezonátor, a kereskedelemi forgalomban elterjedt egyéb típusú oszcillátorok rezonátoraihoz képest, jelentősen magasabb terhelt jósági tényezőt valósíthat meg, ezzel lényegesen alacsonyabb[1] zajszint elérését lehetővé téve. Emellé társul az optikai szálra számított terhelt jósági tényezőnek az a jellemzője, miszerint a konvencionális rezonátorokkal ellentétben, ez a frekvenciával arányosan növekszik (így azonos zajjellemzőket lehetővé téve a spektrum bármely pontján[2]).

–         Bár az alkalmazott sáváteresztő határozza meg az oszcilláció frekvenciáját, nem ez adja az oszcillátor jósági tényezőjét (hanem a késleltető optikai vonal).

–         Az elektromos sáváteresztő szűrő hangolásával szabadon választható (tetszőlegesen kis lépésekben hangolható) az oszcilláció frekvenciája.

–         Integrált optikai kivitelben megvalósítható a struktúra elemeinek jelentős (vagy az optikai szálat különleges optikai rezonátorra cserélve az összes) része. Így az eszköz miniatürizációja megoldható.

–          Jósági tényező 

Az optikai késleltető vonal (optikai szál) hosszának növelésével tetszőlegesen magas jósági tényező érték valósítható meg, melynek következtében az oszcilláció során előálló jel fázis tisztasága megnövekszik. A fáziszaj és a jósági tényező kapcsolatát, mely ezt biztosítja, Leeson fáziszaj modellje szerint a következő összefüggés írja le:

,

ahol F – zajtényező, Ps – átlagos jelszint a rezonátorban, QL – terhelt jósági tényező, w1/f3 – a spektrumban a zajgörbe menetének a frekvencia második ill. harmadik hatványával fordítottan arányosan meredek szakaszának határa. A jósági tényező megnövekedése a felnyitott hurok fázisátvitelének meredekebbé válásával is leírható.

Az 1. ábra szemléletesen mutatja be az optikai szál késleltetésének megnövekedésével járó másik lényeges hatást: a fázisfeltételnek eleget tevő módusok közti távolság (1/tS) a késleltetés növekedésével arányosan lecsökken. Így a korábbi elektromos sáváteresztő szűrő által meghatározott pozitív kisjelű nyílthurkú erősítéshez tartozó sávon belülre egyszerre több, a fázisfeltételnek is eleget tevő módus kerülhet. Ennek következményeként szűk spektrális

 

 

1. ábra   a.) esetben rövidebb, b. esetben hosszabb késleltető optikai szál

 

környezeten belül több módus fog éledni egyidejűleg. Így az egymódusú működést mint feltételt szem előtt tartva, az egyetlen módus kiválasztására alkalmas sáváteresztő szűrő megvalósításának technológiai lehetőségei fogják korlátozni a hurok jósági tényezője növelésének mértékét. Ez a korlát az oszcilláció tervezett frekvenciájának növekedésével egyre jelentősebbé válik, hiszen kis abszolút sávszélességű sáváteresztő szűrő realizációja egyre nagyobb kihívást jelent.

E probléma feloldására nyújt hatékony megoldást a továbbiakban ismertetésre kerülő új, általunk kifejlesztett optimalizációs eljárás, mely alkalmazásával lehetőség nyílik nagy frekvenciás, egymódusú oszcilláció előállítására különlegesen keskeny sávú sáváteresztő szűrő használata nélkül is.

Az opto-elektronikus oszcillátorok fenti leírásából kiderült, hogy az alapstruktúra szerkezeti módosítások nélkül szűk alkalmazhatóságot kínál. Ez annak a következménye, hogy a felépítésből adódóan az oszcillátor különböző műszaki működési paramétereinek javítása alapvetően ellentmond egymásnak. Ilyen egymásnak ellentmondó jellemzők a hangolhatóság, az alacsony fáziszaj szint, a nemkívánatos többmódusú gerjedés kiküszöbölése.

Egy megoldás az ezek közti egyensúly megtalálására több párhuzamos hurok alkalmazása a rendszerben.

 Többhurkos opto-elektronikus oszcillátor 

Többhurkos opto-elektronikus oszcillátor 2.ábrán megjelölt részeit pontosan megtervezve, olyan oszcillátort kaphatunk, mely egyszerre garantálja az egymódusú működést és a lehető legalacsonyabb fáziszaj karakterisztikát.

 

2. ábra  Optimalizálandó részek a többhurkos OEO-ban

 

A kék jelölés az alkalmazott hurkok száma meghatározásnak szükségességét fejezi ki. Mérési és számítási eredmények bemutatása útján a következő (3.2.2 ill. 4.1) fejezetekben bizonyítást nyer a sejtés, hogy a költségek és a gyakorlati kivitelezhetőség szabta határon belül minél nagyobb számú párhuzamos hurok használata a célszerű. Az optimalizációs eljárásnak ez a „hurokszám” lesz az egyik kiindulási alapja. A zöld szín jelöli az egyes hurkokban alkalmazott fáziskésleltetések (optikai szálhosszak) pontos beállításának szükségességét. Eljárásunkban látni fogjuk, hogy az egymódusú terjedés megfelelő biztosításához nem mindegy, hogy milyen szálhossz kombinációkat alkalmazunk. Hatékony működés eléréséhez a 3.1.3 alfejezet képlete alapján pontosan beállíthatjuk a szálak fizikai hosszát. A piros jelölés adja a kulcsát az egész optimalizációs eljárásnak: az egyes hurkokon átvitt optikai teljesítmény viszonya az oszcillátorban levő összteljesítményhez képest. Láthattuk ezen alfejezet két fenti példáján, hogy egyiknél a problémák forrása a hosszú (önmagában nagy terhelt Q-val rendelkező) hurokban az optikai teljesítmény igen kis értékű volt, ezért kevés ez hatással volt az oszcillátor eredő terhelt jósági tényezőjére. A másik példában pedig a parazita oszcillációs módusok éledésének végső oka, hogy az alkalmazott optikai iránycsatoló fele-fele arányban bocsátotta az optikai teljesítményt a két szál bemenetére. Bár e két módszert a gyakorlatban széles körben alkalmazzák, mégis az általunk kifejlesztett technika fényében ezek éppen a nem-optimalizált többhurkos OEO két végletes esetét képviselik. A következő bekezdések részletesen, kísérleti eredményeken keresztül mutatják majd be e két esetnek és ezekhez képest az optimalizált összeállításnak a működési jellemzőit is.