eng
Выпуск #5/2020
В. М. Петров, А. В. Шамрай, И. В. Ильичев, П. М. Агрузов, В. В. Лебедев, Н. Д. Герасименко, В. С. Герасименко
Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций
Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций
Просмотры: 2368
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.5.414.423
В статье представлены результаты исследования характеристик интегрально-оптических модуляторов обоих типов – амплитудных и фазовых, разработанных и созданных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе совместно с Университетом ИТМО для систем квантовых коммуникаций. Впервые в отечественной практике для изготовления опытных образцов модуляторов были использованы оригинальные технологии формирования оптических волноводов методом термической диффузии ионов титана на кристаллических подложках Х- и Z-срезов ниобата лития и формирования СВЧ электродов бегущей волны на основе гальванического серебра с последующим золочением. Проведена оценка основных эксплуатационных характеристик модуляторов. Выявлено влияние конструкции корпуса и качества сборки модуляторов на их основные параметры.
В статье представлены результаты исследования характеристик интегрально-оптических модуляторов обоих типов – амплитудных и фазовых, разработанных и созданных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе совместно с Университетом ИТМО для систем квантовых коммуникаций. Впервые в отечественной практике для изготовления опытных образцов модуляторов были использованы оригинальные технологии формирования оптических волноводов методом термической диффузии ионов титана на кристаллических подложках Х- и Z-срезов ниобата лития и формирования СВЧ электродов бегущей волны на основе гальванического серебра с последующим золочением. Проведена оценка основных эксплуатационных характеристик модуляторов. Выявлено влияние конструкции корпуса и качества сборки модуляторов на их основные параметры.
Теги: microwave integrated optical modulators modulator performance characteristics quantum communications quantum key distribution квантовая рассылка ключа квантовые коммуникации свч интегрально-оптические модуляторы эксплуатационные характеристики модуляторов
Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций
В. М. Петров 1, А. В. Шамрай 2, И. В. Ильичев 2, П. М. Агрузов 2, В. В. Лебедев 2,
Н. Д. Герасименко 1, В. С. Герасименко 1
Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
В статье представлены результаты исследования характеристик интегрально-оптических модуляторов обоих типов – амплитудных и фазовых, разработанных и созданных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе совместно с Университетом ИТМО для систем квантовых коммуникаций. Впервые в отечественной практике для изготовления опытных образцов модуляторов были использованы оригинальные технологии формирования оптических волноводов методом термической диффузии ионов титана на кристаллических подложках Х- и Z-срезов ниобата лития и формирования СВЧ электродов бегущей волны на основе гальванического серебра с последующим золочением. Проведена оценка основных эксплуатационных характеристик модуляторов. Выявлено влияние конструкции корпуса и качества сборки модуляторов на их основные параметры.
Ключевые слова: квантовые коммуникации, квантовая рассылка ключа, СВЧ интегрально-оптические модуляторы, эксплуатационные характеристики модуляторов
Статья получена: 11.07.2020
Принята к публикации: 25.07.2020
ВВЕДЕНИЕ
СВЧ интегрально-оптические модуляторы обеспечивают высокоскоростной ввод информации в линию оптической связи. При амплитудной или фазовой модуляции в спектре оптической несущей возникают т. н. «боковые» частоты. Технология квантовой рассылки ключа (КРК) с использованием боковых частот [1] является базовой для разработки и создания квантовых линий связи, в том числе первой экспериментальной линии квантовой связи Москва – Санкт-Петербург [2]. Активное развитие отечественных систем квантовой связи, включая квантовый Интернет, требует использования соответствующей элементной базы.
Построение системы КРК на боковых частотах подразумевает использование как амплитудных (АМ), так и фазовых (ФМ) оптических модуляторов, работающих в диапазоне частот 3–30 ГГц. Как показал наш анализ, для обеспечения требований системы КРК на боковых частотах необходимо использовать электрооптические модуляторы на основе оптических волноводов на подложках ниобата лития. Они имеют самый низкий уровень вносимых шумов (примерно –156 дБ Vπ) по сравнению с альтернативными технологиями, использующими полупроводниковые материалы А3В5 и кремний. При этом применение в системах КРК выдвигает особые требования к качеству оптических волноводов, которые должны обеспечивать минимальный уровень оптических потерь для работы с оптическими сигналами в режиме счета единичных фотонов. Необходимая ширина полосы модуляции обеспечивается использованием электродов бегущей волны на основе копланарной линии [3–5].
Основными характеристиками интегрально-оптических модуляторов на основе ниобата лития являются: ширина полосы модуляции, полуволновое напряжение и оптические потери. Данные характеристики совместно с характеристиками источника оптического излучения (лазера) и фотоприемника определяют результирующие информационные характеристики системы связи, такие как пропускная способность.
Цель данной работы – продемонстрировать, что разработанные отечественные интегрально-оптические модуляторы по своим характеристикам полностью соответствуют требованиям современных систем КРК и позволяют получить высокую пропускную способность в волоконно-оптической линии, использующей в качестве источника излучения стандартный полупроводниковый лазерный диод.
УСТРОЙСТВО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ
В данной работе были исследованы оба типа интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития (АМ и ФМ), использующиеся в системах КРК (рис. 1а, b).
АМ представляет из себя волноводный интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) и изготавливается на подложках ниобата лития X‑среза. Модулятор работает с линейно- поляризованным оптическим излучением, лежащим в плоскости подложки (ТЕ‑мода).
Выделение рабочей поляризационной моды осуществлялось волноводным плазмон- поляритонным поляризатором [6]. СВЧ-электроды бегущей волны изготавливаются на основе гальванического серебра с поверхностным золочением и имеют конфигурацию копланарной СВЧ-линии [7]. Оптические волноводы двух плеч ИМЦ располагаются в межэлектродном зазоре копланарной СВЧ-линии, обеспечивая приложение к разным плечам ИМЦ поля противоположной полярности. Конфигурация электродов была рассчитана из условия обеспечения согласования фазовой скорости оптического излучения и групповой скорости СВЧ-волны с точностью 0,1% (рис. 2).
ФМ – это одиночный прямой оптический волновод, который в отличие от АМ изготавливается на подложке Z‑среза ниобата лития и работает с линейно-поляризованным оптическим излучением, перпендикулярным плоскости подложки (ТМ – мода). Волновод размещается под центральным, «горячим» электродом копланарной СВЧ-линии, что обеспечивает максимальный интеграл перекрытия модулирующего СВЧ-поля и моды оптического волновода.
Важно отметить, что для изготовления оптических волноводов с чрезвычайно малыми потерями (менее 0,01 дБ / мм) была отработана оригинальная технология диффузии ионов титана с предварительным окислением и специальными мерами подавления обратной диффузии лития [8].
Особое внимание было уделено разработке конструкции корпуса СВЧ-модуляторов и техническим решениям сборки в корпус. Прежде всего принимались специальные меры по подавлению паразитных резонансов, связанных с возбуждением СВЧ-мод подложки [9]. Чипы интегрально-оптических модуляторов были состыкованы пигтэйлами на основе одномодового оптического волокна с сохранением поляризации методом приклейки в торец. Электрические соединения были выполнены через переходные платы, обеспечивающие дополнительную функцию согласования с входным СВЧ-трактом 50 Ом.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯТОРОВ
Измерения характеристик модуляторов проводили на двух установках. Частотные характеристики электрооптического преобразования измеряли как параметры S21 и S11 с использованием векторного анализатора цепей ROHDE-SCWARZ ZNB40, обеспечивающего измерения электрического сигнала в полосе до 40 ГГц (рис. 3а).
В качестве источника когерентного излучения (2) использовался полупроводниковый лазер с длиной волны излучения λ ≈ 1 552 нм, шириной спектра <1 МГц и выходной мощностью ≈8 мВт. Калиброванный фотоприемник (4) имел ширину полосы ≈50 ГГц. Параметры представляют собой коэффициент передачи (S21) и коэффициент отражения (S11) СВЧ-сигналов в измерительной системе. На рис. 4 показаны зависимости параметров S21 и S11 амплитудного модулятора от частоты модуляции F.
Как видно из приведенной зависимости коэффициента передачи S21(F), ширину полосы частот модуляторов В можно оценить в 20 ГГц, используя критерий спада АЧХ на 3 дБ. Начальный участок зависимости, имеющий характерный максимум в интервале примерно 0–2 ГГц, как правило, не рассматривается [4, 9]. Поэтому для дальнейших оценок будем использовать границы рабочей полосы от 2 до 22 ГГц.
Отметим, что зависимость S21(F) в интервале 15–20 ГГц имеет волнообразный характер (рис. 4а, c). Из сравнения ее с зависимостью S11(F) видно, что максимумы отражения мощности модулирующего СВЧ-сигнала совпадают с минимумами коэффициента передачи.
Это говорит о том, что в СВЧ-тракте модулятора есть переотражения. Они могут быть связаны с неоптимальной конфигурацией и недостаточно точной установкой в корпус модулятора переходных СВЧ-плат. Заметный спад в частотной зависимости коэффициента передачи S21(F), начиная с частоты 30 ГГц, обусловлен использованием СВЧ-разъема, для которого 30 ГГц является предельной частотой согласно техническому описанию.
На рис. 4c, d представлены зависимости S21(F) для модуляторов, укомплектованных СВЧ‑разъемами, имеющими рабочую полосу частот выше 40 ГГц. Пример неточной установки переходных плат иллюстрирует рис. 4c (наблюдается волнообразность). На рис. 4d пример точной установки переходных плат – волнообразность сглажена, и линия имеет практически ровный вид. Наличие в районе частоты 36 ГГц (см. рис. 4c, d) узкого минимума связано с резонансными явлениями, когда в пластину ниобата лития может проникать часть входного СВЧ‑излучения.
Значение коэффициента передачи G [дБ] при фиксированной мощности лазерного источника напрямую связано с полуволновым напряжением [9]:
,
где Idc [мА] – постоянная составляющая тока на выходе калиброванного фотоприемника, Vπ [В] – полуволновое напряжение. Сделанная из спектральной зависимости оценка полуволнового напряжения 5,4 В согласуется с результатами прямых измерений на частоте 1 кГц.
Поскольку модуляторы предназначены для использования в системах КРК на боковых частотах, помимо стандартных измерений полосы частот и полуволнового напряжения, были проведены измерения оптических спектров на выходе модуляторов при модуляции синусоидальным СВЧ-сигналом. Для измерений использовался оптический анализатор спектра APEX АР 2060 (рис. 3b). На рис. 5 представлены оптические спектры несущей после одночастотного полупроводникового лазера и спектры после амплитудного и фазового модуляторов. На оптическом спектре после АМ в квадратурной рабочей точке видны две боковые гармоники, соответствующие модуляции амплитуды оптического сигнала.
Появление высших гармоник с существенно более низкими амплитудами связано с нелинейными искажениями. Оптический спектр на выходе фазового модулятора более богатый и содержит полный набор высших гармоник.
Из измерений оптического спектра на выходе интегрально-оптических модуляторов при разной амплитуде модулирующего сигнала, изменяющейся в диапазоне от –40 дБм до 25 дБм, были построены зависимости соотношения сигнал / шум для разных частотных гармоник модулирующего сигнала (рис. 6).
Для первой гармоники модулирующего сигнала соотношение (S / N)MAX составляет более 60 дБ, определяемой главным образом временем усреднения оптического анализатора спектра, при мощности модулирующего сигнала 25 дБм. Аналогичные измерения были проведены для трех частот модулирующего сигнала F = 4,8; 7,8 и 12,0 ГГц. Необходимо отметить, что в пределах точности этих измерений величина отношения (S / N)MAX для всех трех значений не отличалась и составляла ≈60 дБ (рис. 7). В связи с особенностями технических характеристик СВЧ‑генератора измерения на частотах выше 12 ГГц не производили. Тем не менее, используя измеренные частотные зависимости коэффициента передачи S21(F), можно оценить, что величина (S / N) для первой гармоники составляет не менее 57 дБ для F = 20 ГГц. Это свидетельствует о возможности эффективного использования модуляторов в системах КРК на боковых частотах во всем доступном рабочем частотном диапазоне 20 ГГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанные и изготовленные интегрально-оптические амплитудные и фазовые СВЧ-модуляторы обладают шириной полосы рабочих частот не менее 20 ГГц (по критерию спада на 3 дБ). Полуволновое напряжение 5,4 В обеспечивает эффективную генерацию боковых частот. Достигнутые параметры в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к модуляторам как для «обычных» систем оптической связи с амплитудной и фазовой модуляцией, так и для систем связи, использующих принцип квантовой рассылки ключа на боковых частотах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Gleĭm A. V., Chistyakov V. V., Bannik O. I., et al. Sideband quantum communication at 1 Mbit / s on a metropolitan area network. Journal of Optical Technology. 2017; 84(6): 362–367. DOI: 10.1364 / JOT.84.000362.
URL: https://digital.ac.gov.ru/news/4761/https://drive.google.com/file/d/1nDQLGTIfnW7suHANdXQyms-kxbc_hl3P/view?usp=s
Mahapatra A., Murphy E. J.Electrooptic Modulators. Optical Fiber Telecommunications IV A: Components, edited by I. P. Caminov and T. Li, Academic Press, San-Diego, USA. 2002; 258–294. DOI: 10.1016/B978-012395172-4/50006-1.
Chen A., Murphy E., Raton B. (ed.). Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications. – CRC Press. 2011. 568 p. ISBN 978-1-4398-2506-8.
Петров В. М., Шамрай А. В. Интерференция и дифракция для информационной фотоники. – С.-Пб.: Лань. 2019. 460 с. ISBN 978-5-8114-3567-8.
Ильичев И. В., Тогузов Н. В., Шамрай А. В. Плазмон-поляритонный поляризатор на поверхности канальных одномодовых волноводов в ниобате лития. – Письма в ЖТФ. 2009; 35(17): 97–103.
Лебедев В. В., Ильичев И. В., Агрузов П. М., Шамрай А. В. Влияние материала токоведущих частей электродов на характеристики интегрально-оптических СВЧ‑модуляторов. – Письма в ЖТФ. 2014; 40(17): 39–46.
Патент РФ № 187990 U1. Оптический модулятор / Лебедев В.В., Ильичев И. В., Агрузов П. М., Тронев А. В., Шамрай А. В.
Урик В. Дж., Мак-Кини Дж. Дб., Вилльямс К. Дж. Основы микроволновой фотоники / пер. с англ. – М.: Техносфера, 2016. 375 с. ISBN 978-5-94836-445-2.
ОБ АВТОРАХ:
Петров Виктор Михайлович, д. ф.‑ м. н. (радиофизика), д. ф.‑ м. н. (оптика), vmpetrov@itmo.ru, главный научный сотрудник, Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 8523 0336
Герасименко Наталья Дмитриевна, инженер, Национальный исследовательский университет ИТМО, факультет фотоники и оптоинформатики, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 6039 9485
Герасименко Владислав Сергеевич, инженер, факультет фотоники и оптоинформатики, Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 9709 3850
Шамрай Александр Валерьевич, д. ф.‑ м. н., e-mail: Achamrai@mail.ioffe.ru, зав. лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0003 0292 8673
Ильичев Игорь Владимирович, к. х. н., снс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0001 7803 0630
Агрузов Пётр Михайлович, мнс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: будет дополнен
Лебедев Владимир Владимирович, к. ф.‑ м. н., мнс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0003 0292 8673
В. М. Петров 1, А. В. Шамрай 2, И. В. Ильичев 2, П. М. Агрузов 2, В. В. Лебедев 2,
Н. Д. Герасименко 1, В. С. Герасименко 1
Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
В статье представлены результаты исследования характеристик интегрально-оптических модуляторов обоих типов – амплитудных и фазовых, разработанных и созданных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе совместно с Университетом ИТМО для систем квантовых коммуникаций. Впервые в отечественной практике для изготовления опытных образцов модуляторов были использованы оригинальные технологии формирования оптических волноводов методом термической диффузии ионов титана на кристаллических подложках Х- и Z-срезов ниобата лития и формирования СВЧ электродов бегущей волны на основе гальванического серебра с последующим золочением. Проведена оценка основных эксплуатационных характеристик модуляторов. Выявлено влияние конструкции корпуса и качества сборки модуляторов на их основные параметры.
Ключевые слова: квантовые коммуникации, квантовая рассылка ключа, СВЧ интегрально-оптические модуляторы, эксплуатационные характеристики модуляторов
Статья получена: 11.07.2020
Принята к публикации: 25.07.2020
ВВЕДЕНИЕ
СВЧ интегрально-оптические модуляторы обеспечивают высокоскоростной ввод информации в линию оптической связи. При амплитудной или фазовой модуляции в спектре оптической несущей возникают т. н. «боковые» частоты. Технология квантовой рассылки ключа (КРК) с использованием боковых частот [1] является базовой для разработки и создания квантовых линий связи, в том числе первой экспериментальной линии квантовой связи Москва – Санкт-Петербург [2]. Активное развитие отечественных систем квантовой связи, включая квантовый Интернет, требует использования соответствующей элементной базы.
Построение системы КРК на боковых частотах подразумевает использование как амплитудных (АМ), так и фазовых (ФМ) оптических модуляторов, работающих в диапазоне частот 3–30 ГГц. Как показал наш анализ, для обеспечения требований системы КРК на боковых частотах необходимо использовать электрооптические модуляторы на основе оптических волноводов на подложках ниобата лития. Они имеют самый низкий уровень вносимых шумов (примерно –156 дБ Vπ) по сравнению с альтернативными технологиями, использующими полупроводниковые материалы А3В5 и кремний. При этом применение в системах КРК выдвигает особые требования к качеству оптических волноводов, которые должны обеспечивать минимальный уровень оптических потерь для работы с оптическими сигналами в режиме счета единичных фотонов. Необходимая ширина полосы модуляции обеспечивается использованием электродов бегущей волны на основе копланарной линии [3–5].
Основными характеристиками интегрально-оптических модуляторов на основе ниобата лития являются: ширина полосы модуляции, полуволновое напряжение и оптические потери. Данные характеристики совместно с характеристиками источника оптического излучения (лазера) и фотоприемника определяют результирующие информационные характеристики системы связи, такие как пропускная способность.
Цель данной работы – продемонстрировать, что разработанные отечественные интегрально-оптические модуляторы по своим характеристикам полностью соответствуют требованиям современных систем КРК и позволяют получить высокую пропускную способность в волоконно-оптической линии, использующей в качестве источника излучения стандартный полупроводниковый лазерный диод.
УСТРОЙСТВО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ
В данной работе были исследованы оба типа интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития (АМ и ФМ), использующиеся в системах КРК (рис. 1а, b).
АМ представляет из себя волноводный интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) и изготавливается на подложках ниобата лития X‑среза. Модулятор работает с линейно- поляризованным оптическим излучением, лежащим в плоскости подложки (ТЕ‑мода).
Выделение рабочей поляризационной моды осуществлялось волноводным плазмон- поляритонным поляризатором [6]. СВЧ-электроды бегущей волны изготавливаются на основе гальванического серебра с поверхностным золочением и имеют конфигурацию копланарной СВЧ-линии [7]. Оптические волноводы двух плеч ИМЦ располагаются в межэлектродном зазоре копланарной СВЧ-линии, обеспечивая приложение к разным плечам ИМЦ поля противоположной полярности. Конфигурация электродов была рассчитана из условия обеспечения согласования фазовой скорости оптического излучения и групповой скорости СВЧ-волны с точностью 0,1% (рис. 2).
ФМ – это одиночный прямой оптический волновод, который в отличие от АМ изготавливается на подложке Z‑среза ниобата лития и работает с линейно-поляризованным оптическим излучением, перпендикулярным плоскости подложки (ТМ – мода). Волновод размещается под центральным, «горячим» электродом копланарной СВЧ-линии, что обеспечивает максимальный интеграл перекрытия модулирующего СВЧ-поля и моды оптического волновода.
Важно отметить, что для изготовления оптических волноводов с чрезвычайно малыми потерями (менее 0,01 дБ / мм) была отработана оригинальная технология диффузии ионов титана с предварительным окислением и специальными мерами подавления обратной диффузии лития [8].
Особое внимание было уделено разработке конструкции корпуса СВЧ-модуляторов и техническим решениям сборки в корпус. Прежде всего принимались специальные меры по подавлению паразитных резонансов, связанных с возбуждением СВЧ-мод подложки [9]. Чипы интегрально-оптических модуляторов были состыкованы пигтэйлами на основе одномодового оптического волокна с сохранением поляризации методом приклейки в торец. Электрические соединения были выполнены через переходные платы, обеспечивающие дополнительную функцию согласования с входным СВЧ-трактом 50 Ом.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯТОРОВ
Измерения характеристик модуляторов проводили на двух установках. Частотные характеристики электрооптического преобразования измеряли как параметры S21 и S11 с использованием векторного анализатора цепей ROHDE-SCWARZ ZNB40, обеспечивающего измерения электрического сигнала в полосе до 40 ГГц (рис. 3а).
В качестве источника когерентного излучения (2) использовался полупроводниковый лазер с длиной волны излучения λ ≈ 1 552 нм, шириной спектра <1 МГц и выходной мощностью ≈8 мВт. Калиброванный фотоприемник (4) имел ширину полосы ≈50 ГГц. Параметры представляют собой коэффициент передачи (S21) и коэффициент отражения (S11) СВЧ-сигналов в измерительной системе. На рис. 4 показаны зависимости параметров S21 и S11 амплитудного модулятора от частоты модуляции F.
Как видно из приведенной зависимости коэффициента передачи S21(F), ширину полосы частот модуляторов В можно оценить в 20 ГГц, используя критерий спада АЧХ на 3 дБ. Начальный участок зависимости, имеющий характерный максимум в интервале примерно 0–2 ГГц, как правило, не рассматривается [4, 9]. Поэтому для дальнейших оценок будем использовать границы рабочей полосы от 2 до 22 ГГц.
Отметим, что зависимость S21(F) в интервале 15–20 ГГц имеет волнообразный характер (рис. 4а, c). Из сравнения ее с зависимостью S11(F) видно, что максимумы отражения мощности модулирующего СВЧ-сигнала совпадают с минимумами коэффициента передачи.
Это говорит о том, что в СВЧ-тракте модулятора есть переотражения. Они могут быть связаны с неоптимальной конфигурацией и недостаточно точной установкой в корпус модулятора переходных СВЧ-плат. Заметный спад в частотной зависимости коэффициента передачи S21(F), начиная с частоты 30 ГГц, обусловлен использованием СВЧ-разъема, для которого 30 ГГц является предельной частотой согласно техническому описанию.
На рис. 4c, d представлены зависимости S21(F) для модуляторов, укомплектованных СВЧ‑разъемами, имеющими рабочую полосу частот выше 40 ГГц. Пример неточной установки переходных плат иллюстрирует рис. 4c (наблюдается волнообразность). На рис. 4d пример точной установки переходных плат – волнообразность сглажена, и линия имеет практически ровный вид. Наличие в районе частоты 36 ГГц (см. рис. 4c, d) узкого минимума связано с резонансными явлениями, когда в пластину ниобата лития может проникать часть входного СВЧ‑излучения.
Значение коэффициента передачи G [дБ] при фиксированной мощности лазерного источника напрямую связано с полуволновым напряжением [9]:
,
где Idc [мА] – постоянная составляющая тока на выходе калиброванного фотоприемника, Vπ [В] – полуволновое напряжение. Сделанная из спектральной зависимости оценка полуволнового напряжения 5,4 В согласуется с результатами прямых измерений на частоте 1 кГц.
Поскольку модуляторы предназначены для использования в системах КРК на боковых частотах, помимо стандартных измерений полосы частот и полуволнового напряжения, были проведены измерения оптических спектров на выходе модуляторов при модуляции синусоидальным СВЧ-сигналом. Для измерений использовался оптический анализатор спектра APEX АР 2060 (рис. 3b). На рис. 5 представлены оптические спектры несущей после одночастотного полупроводникового лазера и спектры после амплитудного и фазового модуляторов. На оптическом спектре после АМ в квадратурной рабочей точке видны две боковые гармоники, соответствующие модуляции амплитуды оптического сигнала.
Появление высших гармоник с существенно более низкими амплитудами связано с нелинейными искажениями. Оптический спектр на выходе фазового модулятора более богатый и содержит полный набор высших гармоник.
Из измерений оптического спектра на выходе интегрально-оптических модуляторов при разной амплитуде модулирующего сигнала, изменяющейся в диапазоне от –40 дБм до 25 дБм, были построены зависимости соотношения сигнал / шум для разных частотных гармоник модулирующего сигнала (рис. 6).
Для первой гармоники модулирующего сигнала соотношение (S / N)MAX составляет более 60 дБ, определяемой главным образом временем усреднения оптического анализатора спектра, при мощности модулирующего сигнала 25 дБм. Аналогичные измерения были проведены для трех частот модулирующего сигнала F = 4,8; 7,8 и 12,0 ГГц. Необходимо отметить, что в пределах точности этих измерений величина отношения (S / N)MAX для всех трех значений не отличалась и составляла ≈60 дБ (рис. 7). В связи с особенностями технических характеристик СВЧ‑генератора измерения на частотах выше 12 ГГц не производили. Тем не менее, используя измеренные частотные зависимости коэффициента передачи S21(F), можно оценить, что величина (S / N) для первой гармоники составляет не менее 57 дБ для F = 20 ГГц. Это свидетельствует о возможности эффективного использования модуляторов в системах КРК на боковых частотах во всем доступном рабочем частотном диапазоне 20 ГГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанные и изготовленные интегрально-оптические амплитудные и фазовые СВЧ-модуляторы обладают шириной полосы рабочих частот не менее 20 ГГц (по критерию спада на 3 дБ). Полуволновое напряжение 5,4 В обеспечивает эффективную генерацию боковых частот. Достигнутые параметры в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к модуляторам как для «обычных» систем оптической связи с амплитудной и фазовой модуляцией, так и для систем связи, использующих принцип квантовой рассылки ключа на боковых частотах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Gleĭm A. V., Chistyakov V. V., Bannik O. I., et al. Sideband quantum communication at 1 Mbit / s on a metropolitan area network. Journal of Optical Technology. 2017; 84(6): 362–367. DOI: 10.1364 / JOT.84.000362.
URL: https://digital.ac.gov.ru/news/4761/https://drive.google.com/file/d/1nDQLGTIfnW7suHANdXQyms-kxbc_hl3P/view?usp=s
Mahapatra A., Murphy E. J.Electrooptic Modulators. Optical Fiber Telecommunications IV A: Components, edited by I. P. Caminov and T. Li, Academic Press, San-Diego, USA. 2002; 258–294. DOI: 10.1016/B978-012395172-4/50006-1.
Chen A., Murphy E., Raton B. (ed.). Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications. – CRC Press. 2011. 568 p. ISBN 978-1-4398-2506-8.
Петров В. М., Шамрай А. В. Интерференция и дифракция для информационной фотоники. – С.-Пб.: Лань. 2019. 460 с. ISBN 978-5-8114-3567-8.
Ильичев И. В., Тогузов Н. В., Шамрай А. В. Плазмон-поляритонный поляризатор на поверхности канальных одномодовых волноводов в ниобате лития. – Письма в ЖТФ. 2009; 35(17): 97–103.
Лебедев В. В., Ильичев И. В., Агрузов П. М., Шамрай А. В. Влияние материала токоведущих частей электродов на характеристики интегрально-оптических СВЧ‑модуляторов. – Письма в ЖТФ. 2014; 40(17): 39–46.
Патент РФ № 187990 U1. Оптический модулятор / Лебедев В.В., Ильичев И. В., Агрузов П. М., Тронев А. В., Шамрай А. В.
Урик В. Дж., Мак-Кини Дж. Дб., Вилльямс К. Дж. Основы микроволновой фотоники / пер. с англ. – М.: Техносфера, 2016. 375 с. ISBN 978-5-94836-445-2.
ОБ АВТОРАХ:
Петров Виктор Михайлович, д. ф.‑ м. н. (радиофизика), д. ф.‑ м. н. (оптика), vmpetrov@itmo.ru, главный научный сотрудник, Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 8523 0336
Герасименко Наталья Дмитриевна, инженер, Национальный исследовательский университет ИТМО, факультет фотоники и оптоинформатики, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 6039 9485
Герасименко Владислав Сергеевич, инженер, факультет фотоники и оптоинформатики, Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0002 9709 3850
Шамрай Александр Валерьевич, д. ф.‑ м. н., e-mail: Achamrai@mail.ioffe.ru, зав. лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0003 0292 8673
Ильичев Игорь Владимирович, к. х. н., снс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0001 7803 0630
Агрузов Пётр Михайлович, мнс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: будет дополнен
Лебедев Владимир Владимирович, к. ф.‑ м. н., мнс, лаб. квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000 0003 0292 8673
Отзывы читателей
