eng
Выпуск #3/2021
А. Б. Устинов, И. Ю. Таценко, А. А. Никитин, А. В. Кондрашов, А. В. Шамрай, А. В. Иванов
Принципы построения оптоэлектронных СВЧ генераторов
Принципы построения оптоэлектронных СВЧ генераторов
Просмотры: 2086
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.3.228.237
Статья знакомит читателей с принципами создания оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Не претендуя на полноту охвата, авторы анализируют основные типы генераторов, классифицируя их по принципу действия. Кратко рассмотрены физические процессы, лежащие в основе работы различных типов генераторов. Приведено сравнение характеристик генераторов.
Статья знакомит читателей с принципами создания оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Не претендуя на полноту охвата, авторы анализируют основные типы генераторов, классифицируя их по принципу действия. Кратко рассмотрены физические процессы, лежащие в основе работы различных типов генераторов. Приведено сравнение характеристик генераторов.
Теги: integrated ring resonators microwave generator optical frequency comb optoelectronic oscillator интегральные кольцевые резонаторы моды шепчущей галереи оптические частотные гребенки оптоэлектронные генераторы свч-генератор
Принципы построения оптоэлектронных СВЧ генераторов
А. Б. Устинов , И. Ю. Таценко , А. А. Никитин , А. В. Кондрашов , А. В. Шамрай , А. В. Иванов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия
Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН Санкт-Петербург, Россия
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Статья знакомит читателей с принципами создания оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Не претендуя на полноту охвата, авторы анализируют основные типы генераторов, классифицируя их по принципу действия. Кратко рассмотрены физические процессы, лежащие в основе работы различных типов генераторов. Приведено сравнение характеристик генераторов.
Ключевые слова: оптоэлектронные генераторы, СВЧ-генератор, оптические частотные гребенки, моды шепчущей галереи, интегральные кольцевые резонаторы
Статья получена: 15.04.2021
Принята к публикации: 11.05.2021
ВВЕДЕНИЕ
Оптоэлектронные генераторы (ОЭГ) сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала являются одним из основных устройств радиофотоники, который представляет огромный научный и практический интерес. ОЭГ находят свое применение в изучении нелинейной динамики электромагнитных волн в оптическом и СВЧ- диапазонах. Они находят важное практическое применение для оптических систем связи, генерации сверхстабильных СВЧ-сигналов, радиолокационных систем, генерации оптического хаоса и многих других. Главной особенностью ОЭГ является одновременное использование оптических и электронных компонентов, что позволяет воспользоваться ключевыми преимуществами ОЭГ в оптическом и СВЧ- диапазонах.
В статье рассматриваются основные типы оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Статья не претендует на исчерпывающую полноту охвата работ по ОЭГ. На настоящий момент времени база данных «Web of Science» по запросу «Optoelectronic oscillator» выдает более полутора тысяч статей. В последнее десятилетие публикуется порядка 150 статей в год.
Такое многообразие работ не позволяет сослаться на все публикации, внесшие вклад в развитие этого направления. Поэтому авторы ограничили себя классификацией оптоэлектронных СВЧ-генераторов по принципу действия со ссылками на основные работы и приносят свои извинения тем авторам, чьи работы не вошли в данный обзор.
1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРОВ С МОДАМИ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ
Генерацию СВЧ-сигнала можно получить при помощи оптической накачки нелинейной среды и дальнейшей генерации оптической частотной гребенки. Это возможно при проявлении собственной модуляционной неустойчивости, которая может возникать только в нелинейных диспергирующих средах. Явление собственной модуляционной неустойчивости заключается в том, что при распространении интенсивного квазимонохроматического сигнала в нелинейной диспергирующей среде возникает периодическая самомодуляция его амплитуды. При этом в спектре сигнала вокруг основной гармоники рождаются боковые гармоники (их часто называют сателлитами). Такой эффект является пороговым и обусловлен развитием четырехволнового параметрического взаимодействия волн [1].
Развитие собственной модуляционной неустойчивости качественно поясняет рис. 1. Синусоидальный сигнал вводится в нелинейную диспергирующую среду. Кроме этого сигнала в среде всегда присутствует тепловой шум, вызванный тепловыми колебаниями среды. По мере увеличения вводимой в среду мощности вследствие четырехволнового параметрического процесса мощность боковых гармоник возрастает.
Оптические гребенки во временной области представляют собой последовательность нелинейных оптических импульсов – солитонов, которые являются результатом сложения множества резонансных гармоник системы. Главной особенностью оптических частотных гребенок является эквидистантность оптических гармоник их спектра. Это позволяет использовать оптические гребенки для генерации СВЧ-сигналов.
Рис. 2 объясняет получение СВЧ-сигнала из оптической частотной гребенки. При фотодетектировании последовательности оптических импульсов получается последовательность электрических импульсов. Они характеризуются периодом повторения Tr, который напрямую определяет интервал между соседними частотами оптической гребенки как fr = 1 / Tr. Спектр детектируемого сигнала представляет собой набор эквидистантных гармоник с периодом повторения fr. Спектр частотной гребенки может быть сдвинут на частоту f0, которая является мерой когерентности между гармониками гребенки и показывает изменение фазы оптической несущей относительно огибающей импульса. Таким образом, частота N-ой гармоники в гребенке определяется следующим выражением:
νN = N · fr + f0. (1)
Нелинейные свойства оптических резонаторов с модами шепчущей галереи (МШГ) исследуются в течение долгого времени [3–5]. Типичная схема экспериментальной установки для проведения таких исследований приведена на рис. 3. В работе [6] была показана параметрическая генерация оптической частотной гребенки в дисковом резонаторе с МШГ, сделанном из фторида кальция (CaF2). Генерация осуществлялась за счет развития в резонаторе собственной модуляционной неустойчивости – четырехволнового параметрического процесса, при котором мощность из излучения накачки перекачивается в боковые гармоники. Увеличение мощности накачки приводило к каскадной генерации эквидистантных гармоник и образованию частотной гребенки.
Интервал между гармониками гребенки составлял 25 ГГц. Таким образом, в работе [6] была продемонстрирована генерация СВЧ-сигнала на частоте 25 ГГц с помощью оптической частотной гребенки. Путем изменения несущей частоты излучения накачки изменялся интервал между гармониками в гребенке. Он составлял m ∙ 25 ГГц (где m – целое число). Вследствие этого менялась частота генерации СВЧ-сигнала с шагом 25 ГГц.
В работе [7] оптическая гребенка в дисковом резонаторе с МШГ диаметром 7,1 мм, сделанном из фторида магния (MgF2), была использована для генерации СВЧ-сигнала частотой 9,9 ГГц с уровнями фазового шума –60 дБн / Гц и –120 дБн / Гц при отстройках 10 Гц и 1 кГц соответственно. Уменьшение диаметра резонатора до 2,5 мм (2 мм) обеспечило увеличение частотного интервала между гармониками в гребенке и повышение частоты генерации на выходе фотодетектора до 28 ГГц (35 ГГц) с уровнем фазового шума –120 дБн / Гц при отстройке 10 кГц [8].
Начиная с 2007 года генерация оптических частотных гребенок была получена в резонаторах с МШГ, имеющих формы микротороида [6, 9, 10], микропузырьковую форму [11,12] и резонаторов других форм, сделанных из фторидных стекол (CaF2, MgF2) [6, 9, 10, 13–15].
2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ
Генерация частотных гребенок также возможна в интегральных кольцевых резонаторах (рис. 4), выполненных из кремния [16,17] или нитрида кремния [18–24]. Эффективность четырехволнового процесса зависит от мощности накачки, нелинейности системы, длины взаимодействия и степени фазового синхронизма конкретных гармоник. Выбор геометрии и материала микрорезонатора определяет его резонансные частоты, а следовательно, и частоты, которые будут генерироваться в ходе четырехволнового параметрического процесса.
В работе [18] описываются частотные гребенки, формирующиеся в микрорезонаторах различного радиуса из нитрида кремния. На вход микрорезонатора подавалось непрерывное излучение накачки, а на его выходе наблюдалась частотная гребенка (рис. 5). Количество генерируемых гармоник и интервал между ними зависел от радиуса микрорезонатора. Так для кольца радиусом 58 мкм при накачке излучением 1 557,8 нм наблюдалась генерация 87 гармоник (рис. 6а) в диапазоне от 1 450 нм до 1 750 нм с интервалом между соседними гармониками 403 ГГц. Для кольца радиусом 20 мкм при накачке излучением 1 561 нм наблюдалась генерация 21 гармоник (рис. 6b) в диапазоне от 1 450 нм до 1 650 нм с интервалом между соседними гармониками 1,17 ТГц.
В других работах, посвященных генерации оптических частотных гребенок в интегральных кольцевых микрорезонаторах, удалось получить гребенки с интервалом между гармониками 204 ГГц [19] и 99 ГГц [23]. Для уменьшения интервала между гармониками гребенки необходимо увеличивать время задержки оптического излучения в резонаторе, а следовательно, его радиус. Однако увеличение размера резонатора снижает целесообразность его использования. В работе [25] были предложены различные топологии интегральных микрорезонаторов, позволяющие получить сравнительно небольшой интервал между соседними гармониками (25 ГГц) при сохранении миниатюрных размеров резонаторов.
В работе [26] исследован генератор на основе интегрального резонатора диаметром 2,3 мм, изготовленного из нитрида кремния. На рис. 8а показан его оптический спектр, который имеет вид гребенки вокруг интенсивной волны накачки. Добротность такого резонатора составляла 2,2 ∙ 106. Резонатор переходил в режим генерации частотной гребенки при мощности оптического излучения 35 мВт. На рисунке 8b показан фазовый шум СВЧ-сигнала на частоте 19,6 ГГц.
3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРАХ С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД
Использование импульсных лазеров с синхронизацией мод позволяет получить сверхкороткие оптические импульсы с частотой повторения порядка fr ≈ 0,1–10 ГГц. Спектр таких импульсов представляет собой частотную гребенку с интервалом между гармониками равной fr. Так в работе [27] используется импульсный лазер с синхронизацией мод для генерации высокостабильных колебаний СВЧ-диапазона (рис. 9). Для генерации частотной гребенки используется титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод, который генерировал оптические импульсы с частотой повторения 1 ГГц. При детектировании таких оптических импульсов на выходе фотодетектора образуется последовательность электрических импульсов, спектр которых представляет собой набор эквидистантных частот с интервалом 1 ГГц. Затем при помощи полосно-пропускающего фильтра выделяется гармоника частотой 10 ГГц.
За счет фазовой синхронизации оптической гребенки с опорным излучением лазера высокая стабильность лазерного излучения переносится на оптические импульсы, а затем и на детектируемую последовательность электрических импульсов. В таком случае субгерцовая ширина спектральной линии опорного лазерного излучения переносится в микрогерцовую ширину спектральной линии СВЧ-сигнала. В работе [27] генерируемый сигнал обладал рекордно низким временным джитером 0,76 фс и кратковременной нестабильностью около 8 ∙ 10–16 за 1 секунду. Фазовый шум составил –104 дБн / Гц и –157 дБн / Гц при отстройках 1 Гц и 1 МГц соответственно. Для измерения характеристик таких генераторов была сконструирована схема, показанная на рис. 9. Недостатком описанного генератора является его относительно большие размеры и возможность использования только в лабораторных условиях.
Работа частично поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (проект «Госзадание», грант № FSEE‑2020-0005).
В следующей части обзора будут рассмотрены оптоэлектронные СВЧ-генераторы, созданные на основе активных кольцевых резонансных систем, а также проведено сопоставление фазовых шумов оптоэлектронных генераторов различных типов.
REFERENCES
Zakharov V. E., Ostrovsky L. A. Modulation instability: the beginning. Physica D: Nonlinear Phenomena. 2009; 238(5): 540–548.
Fortier T., Baumann E. 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications. Communications Physics. 2019; 2: Article No. 153.
Braginsky V. B., Gorodetsky M. L., Ilchenko V. S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes. Physics letters A. 1989; 137(7–8): 393–397.
Ilchenko V. S. et al. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities. Physical review letters. 2004; 92(4): 043903.
Pasquazi A. et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. 2018; 729: 1–81.
Savchenkov A. A. et al. Tunable optical frequency comb with a crystalline whispering gallery mode resonator. Physical review letters. 2008: 101(9): 093902.
Liang W. et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature communications. 2015; 6: Article No. 7957.
Seidel D. et al. Minituarized K a-band Photonic Oscillators. 2018 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). IEEE. 2018; 1–2.
Herr T. et al. Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators. Nature photonics. 2012; 6(7): 480–487.
Grudinin I. S., Baumgartel L., Yu N. Frequency comb from a microresonator with engineered spectrum. Optics express. 2012; 20(6): 6604–6609.
Yang Y. et al. Four-wave mixing parametric oscillation and frequency comb generation at visible wavelengths in a silica microbubble resonator. Optics letters. 2016; 41(22): 5266–5269.
Li M. et al. Kerr parametric oscillations and frequency comb generation from dispersion compensated silica micro-bubble resonators. Optics express. 2013; 21(14): 16908–16913.
Wang C. Y. et al. Mid-infrared optical frequency combs at 2.5 μm based on crystalline microresonators. Nature communications. 2013; 4: Article No. 1345.
Grudinin I. S., Yu N., Maleki L. Generation of optical frequency combs with a CaF2 resonator. Optics letters. 2009; 34(7): 878–880.
Lucas E. et al. Soliton-based optical kerr frequency comb for low-noise microwave generation. 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF / IFCS). IEEE. 2017; 530–533.
Griffith A. G. et al. Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation. Nature communications. 2015; 6: Article No. 6299.
Yu M. et al. Mode-locked mid-infrared frequency combs in a silicon microresonator. Optica. 2016; 3(8): 854–860.
Levy J. S. et al. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nature photonics. 2010; 4(1): 37–40.
Kippenberg T. J., Holzwarth R., Diddams S. A. Microresonator-based optical frequency combs. Science. 2011; 332(6029):555–559.
Okawachi Y. et al. Octave-spanning frequency comb generation in a silicon nitride chip. Optics letters. 2011; 36(17): 3398–3400.
Herr T. et al. Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators. Nature photonics. 2012; 6(7): 480–487.
Okawachi Y. et al. Bandwidth shaping of microresonator-based frequency combs via dispersion engineering. Optics letters. 2014; 39(12): 3535–3538.
Liu J. et al. Ultralow-power chip-based soliton microcombs for photonic integration. Optica. 2018; 5 (10): 1347–1353.
Raja A. S. et al. Electrically pumped photonic integrated soliton microcomb. Nature communications. 2019; 10: Article No. 680.
Liu Y. et al. Investigation of mode coupling in normal-dispersion silicon nitride microresonators for Kerr frequency comb generation. Optica. 2014; 1(3): 137–144.
Liu J. et al. Photonic Integrated Microwave Oscillator Based on Silicon Nitride Soliton Microcomb. 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). IEEE. 2019.
Fortier T. M. et al. Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division. Nature Photonics. 2011; 5(7): 425–429.
Авторы
Устинов Алексей Борисович, д. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; ustinov-rus@mail.ru, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-7382-9210
Никитин Андрей Александрович, к. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; e-mail: and.a.nikitin@gmail.com, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-4226-4341
Кондрашов Александр Викторович, к. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-4192-4480
Таценко Иван Юрьевич, аспирант, кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-6320-9352
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
Иванов Андрей Викторович, начальник отдела, АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
А. Б. Устинов , И. Ю. Таценко , А. А. Никитин , А. В. Кондрашов , А. В. Шамрай , А. В. Иванов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, Россия
Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН Санкт-Петербург, Россия
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Статья знакомит читателей с принципами создания оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Не претендуя на полноту охвата, авторы анализируют основные типы генераторов, классифицируя их по принципу действия. Кратко рассмотрены физические процессы, лежащие в основе работы различных типов генераторов. Приведено сравнение характеристик генераторов.
Ключевые слова: оптоэлектронные генераторы, СВЧ-генератор, оптические частотные гребенки, моды шепчущей галереи, интегральные кольцевые резонаторы
Статья получена: 15.04.2021
Принята к публикации: 11.05.2021
ВВЕДЕНИЕ
Оптоэлектронные генераторы (ОЭГ) сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала являются одним из основных устройств радиофотоники, который представляет огромный научный и практический интерес. ОЭГ находят свое применение в изучении нелинейной динамики электромагнитных волн в оптическом и СВЧ- диапазонах. Они находят важное практическое применение для оптических систем связи, генерации сверхстабильных СВЧ-сигналов, радиолокационных систем, генерации оптического хаоса и многих других. Главной особенностью ОЭГ является одновременное использование оптических и электронных компонентов, что позволяет воспользоваться ключевыми преимуществами ОЭГ в оптическом и СВЧ- диапазонах.
В статье рассматриваются основные типы оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Статья не претендует на исчерпывающую полноту охвата работ по ОЭГ. На настоящий момент времени база данных «Web of Science» по запросу «Optoelectronic oscillator» выдает более полутора тысяч статей. В последнее десятилетие публикуется порядка 150 статей в год.
Такое многообразие работ не позволяет сослаться на все публикации, внесшие вклад в развитие этого направления. Поэтому авторы ограничили себя классификацией оптоэлектронных СВЧ-генераторов по принципу действия со ссылками на основные работы и приносят свои извинения тем авторам, чьи работы не вошли в данный обзор.
1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРОВ С МОДАМИ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ
Генерацию СВЧ-сигнала можно получить при помощи оптической накачки нелинейной среды и дальнейшей генерации оптической частотной гребенки. Это возможно при проявлении собственной модуляционной неустойчивости, которая может возникать только в нелинейных диспергирующих средах. Явление собственной модуляционной неустойчивости заключается в том, что при распространении интенсивного квазимонохроматического сигнала в нелинейной диспергирующей среде возникает периодическая самомодуляция его амплитуды. При этом в спектре сигнала вокруг основной гармоники рождаются боковые гармоники (их часто называют сателлитами). Такой эффект является пороговым и обусловлен развитием четырехволнового параметрического взаимодействия волн [1].
Развитие собственной модуляционной неустойчивости качественно поясняет рис. 1. Синусоидальный сигнал вводится в нелинейную диспергирующую среду. Кроме этого сигнала в среде всегда присутствует тепловой шум, вызванный тепловыми колебаниями среды. По мере увеличения вводимой в среду мощности вследствие четырехволнового параметрического процесса мощность боковых гармоник возрастает.
Оптические гребенки во временной области представляют собой последовательность нелинейных оптических импульсов – солитонов, которые являются результатом сложения множества резонансных гармоник системы. Главной особенностью оптических частотных гребенок является эквидистантность оптических гармоник их спектра. Это позволяет использовать оптические гребенки для генерации СВЧ-сигналов.
Рис. 2 объясняет получение СВЧ-сигнала из оптической частотной гребенки. При фотодетектировании последовательности оптических импульсов получается последовательность электрических импульсов. Они характеризуются периодом повторения Tr, который напрямую определяет интервал между соседними частотами оптической гребенки как fr = 1 / Tr. Спектр детектируемого сигнала представляет собой набор эквидистантных гармоник с периодом повторения fr. Спектр частотной гребенки может быть сдвинут на частоту f0, которая является мерой когерентности между гармониками гребенки и показывает изменение фазы оптической несущей относительно огибающей импульса. Таким образом, частота N-ой гармоники в гребенке определяется следующим выражением:
νN = N · fr + f0. (1)
Нелинейные свойства оптических резонаторов с модами шепчущей галереи (МШГ) исследуются в течение долгого времени [3–5]. Типичная схема экспериментальной установки для проведения таких исследований приведена на рис. 3. В работе [6] была показана параметрическая генерация оптической частотной гребенки в дисковом резонаторе с МШГ, сделанном из фторида кальция (CaF2). Генерация осуществлялась за счет развития в резонаторе собственной модуляционной неустойчивости – четырехволнового параметрического процесса, при котором мощность из излучения накачки перекачивается в боковые гармоники. Увеличение мощности накачки приводило к каскадной генерации эквидистантных гармоник и образованию частотной гребенки.
Интервал между гармониками гребенки составлял 25 ГГц. Таким образом, в работе [6] была продемонстрирована генерация СВЧ-сигнала на частоте 25 ГГц с помощью оптической частотной гребенки. Путем изменения несущей частоты излучения накачки изменялся интервал между гармониками в гребенке. Он составлял m ∙ 25 ГГц (где m – целое число). Вследствие этого менялась частота генерации СВЧ-сигнала с шагом 25 ГГц.
В работе [7] оптическая гребенка в дисковом резонаторе с МШГ диаметром 7,1 мм, сделанном из фторида магния (MgF2), была использована для генерации СВЧ-сигнала частотой 9,9 ГГц с уровнями фазового шума –60 дБн / Гц и –120 дБн / Гц при отстройках 10 Гц и 1 кГц соответственно. Уменьшение диаметра резонатора до 2,5 мм (2 мм) обеспечило увеличение частотного интервала между гармониками в гребенке и повышение частоты генерации на выходе фотодетектора до 28 ГГц (35 ГГц) с уровнем фазового шума –120 дБн / Гц при отстройке 10 кГц [8].
Начиная с 2007 года генерация оптических частотных гребенок была получена в резонаторах с МШГ, имеющих формы микротороида [6, 9, 10], микропузырьковую форму [11,12] и резонаторов других форм, сделанных из фторидных стекол (CaF2, MgF2) [6, 9, 10, 13–15].
2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ
Генерация частотных гребенок также возможна в интегральных кольцевых резонаторах (рис. 4), выполненных из кремния [16,17] или нитрида кремния [18–24]. Эффективность четырехволнового процесса зависит от мощности накачки, нелинейности системы, длины взаимодействия и степени фазового синхронизма конкретных гармоник. Выбор геометрии и материала микрорезонатора определяет его резонансные частоты, а следовательно, и частоты, которые будут генерироваться в ходе четырехволнового параметрического процесса.
В работе [18] описываются частотные гребенки, формирующиеся в микрорезонаторах различного радиуса из нитрида кремния. На вход микрорезонатора подавалось непрерывное излучение накачки, а на его выходе наблюдалась частотная гребенка (рис. 5). Количество генерируемых гармоник и интервал между ними зависел от радиуса микрорезонатора. Так для кольца радиусом 58 мкм при накачке излучением 1 557,8 нм наблюдалась генерация 87 гармоник (рис. 6а) в диапазоне от 1 450 нм до 1 750 нм с интервалом между соседними гармониками 403 ГГц. Для кольца радиусом 20 мкм при накачке излучением 1 561 нм наблюдалась генерация 21 гармоник (рис. 6b) в диапазоне от 1 450 нм до 1 650 нм с интервалом между соседними гармониками 1,17 ТГц.
В других работах, посвященных генерации оптических частотных гребенок в интегральных кольцевых микрорезонаторах, удалось получить гребенки с интервалом между гармониками 204 ГГц [19] и 99 ГГц [23]. Для уменьшения интервала между гармониками гребенки необходимо увеличивать время задержки оптического излучения в резонаторе, а следовательно, его радиус. Однако увеличение размера резонатора снижает целесообразность его использования. В работе [25] были предложены различные топологии интегральных микрорезонаторов, позволяющие получить сравнительно небольшой интервал между соседними гармониками (25 ГГц) при сохранении миниатюрных размеров резонаторов.
В работе [26] исследован генератор на основе интегрального резонатора диаметром 2,3 мм, изготовленного из нитрида кремния. На рис. 8а показан его оптический спектр, который имеет вид гребенки вокруг интенсивной волны накачки. Добротность такого резонатора составляла 2,2 ∙ 106. Резонатор переходил в режим генерации частотной гребенки при мощности оптического излучения 35 мВт. На рисунке 8b показан фазовый шум СВЧ-сигнала на частоте 19,6 ГГц.
3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРАХ С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД
Использование импульсных лазеров с синхронизацией мод позволяет получить сверхкороткие оптические импульсы с частотой повторения порядка fr ≈ 0,1–10 ГГц. Спектр таких импульсов представляет собой частотную гребенку с интервалом между гармониками равной fr. Так в работе [27] используется импульсный лазер с синхронизацией мод для генерации высокостабильных колебаний СВЧ-диапазона (рис. 9). Для генерации частотной гребенки используется титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод, который генерировал оптические импульсы с частотой повторения 1 ГГц. При детектировании таких оптических импульсов на выходе фотодетектора образуется последовательность электрических импульсов, спектр которых представляет собой набор эквидистантных частот с интервалом 1 ГГц. Затем при помощи полосно-пропускающего фильтра выделяется гармоника частотой 10 ГГц.
За счет фазовой синхронизации оптической гребенки с опорным излучением лазера высокая стабильность лазерного излучения переносится на оптические импульсы, а затем и на детектируемую последовательность электрических импульсов. В таком случае субгерцовая ширина спектральной линии опорного лазерного излучения переносится в микрогерцовую ширину спектральной линии СВЧ-сигнала. В работе [27] генерируемый сигнал обладал рекордно низким временным джитером 0,76 фс и кратковременной нестабильностью около 8 ∙ 10–16 за 1 секунду. Фазовый шум составил –104 дБн / Гц и –157 дБн / Гц при отстройках 1 Гц и 1 МГц соответственно. Для измерения характеристик таких генераторов была сконструирована схема, показанная на рис. 9. Недостатком описанного генератора является его относительно большие размеры и возможность использования только в лабораторных условиях.
Работа частично поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (проект «Госзадание», грант № FSEE‑2020-0005).
В следующей части обзора будут рассмотрены оптоэлектронные СВЧ-генераторы, созданные на основе активных кольцевых резонансных систем, а также проведено сопоставление фазовых шумов оптоэлектронных генераторов различных типов.
REFERENCES
Zakharov V. E., Ostrovsky L. A. Modulation instability: the beginning. Physica D: Nonlinear Phenomena. 2009; 238(5): 540–548.
Fortier T., Baumann E. 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications. Communications Physics. 2019; 2: Article No. 153.
Braginsky V. B., Gorodetsky M. L., Ilchenko V. S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes. Physics letters A. 1989; 137(7–8): 393–397.
Ilchenko V. S. et al. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities. Physical review letters. 2004; 92(4): 043903.
Pasquazi A. et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. 2018; 729: 1–81.
Savchenkov A. A. et al. Tunable optical frequency comb with a crystalline whispering gallery mode resonator. Physical review letters. 2008: 101(9): 093902.
Liang W. et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature communications. 2015; 6: Article No. 7957.
Seidel D. et al. Minituarized K a-band Photonic Oscillators. 2018 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). IEEE. 2018; 1–2.
Herr T. et al. Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators. Nature photonics. 2012; 6(7): 480–487.
Grudinin I. S., Baumgartel L., Yu N. Frequency comb from a microresonator with engineered spectrum. Optics express. 2012; 20(6): 6604–6609.
Yang Y. et al. Four-wave mixing parametric oscillation and frequency comb generation at visible wavelengths in a silica microbubble resonator. Optics letters. 2016; 41(22): 5266–5269.
Li M. et al. Kerr parametric oscillations and frequency comb generation from dispersion compensated silica micro-bubble resonators. Optics express. 2013; 21(14): 16908–16913.
Wang C. Y. et al. Mid-infrared optical frequency combs at 2.5 μm based on crystalline microresonators. Nature communications. 2013; 4: Article No. 1345.
Grudinin I. S., Yu N., Maleki L. Generation of optical frequency combs with a CaF2 resonator. Optics letters. 2009; 34(7): 878–880.
Lucas E. et al. Soliton-based optical kerr frequency comb for low-noise microwave generation. 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF / IFCS). IEEE. 2017; 530–533.
Griffith A. G. et al. Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation. Nature communications. 2015; 6: Article No. 6299.
Yu M. et al. Mode-locked mid-infrared frequency combs in a silicon microresonator. Optica. 2016; 3(8): 854–860.
Levy J. S. et al. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nature photonics. 2010; 4(1): 37–40.
Kippenberg T. J., Holzwarth R., Diddams S. A. Microresonator-based optical frequency combs. Science. 2011; 332(6029):555–559.
Okawachi Y. et al. Octave-spanning frequency comb generation in a silicon nitride chip. Optics letters. 2011; 36(17): 3398–3400.
Herr T. et al. Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators. Nature photonics. 2012; 6(7): 480–487.
Okawachi Y. et al. Bandwidth shaping of microresonator-based frequency combs via dispersion engineering. Optics letters. 2014; 39(12): 3535–3538.
Liu J. et al. Ultralow-power chip-based soliton microcombs for photonic integration. Optica. 2018; 5 (10): 1347–1353.
Raja A. S. et al. Electrically pumped photonic integrated soliton microcomb. Nature communications. 2019; 10: Article No. 680.
Liu Y. et al. Investigation of mode coupling in normal-dispersion silicon nitride microresonators for Kerr frequency comb generation. Optica. 2014; 1(3): 137–144.
Liu J. et al. Photonic Integrated Microwave Oscillator Based on Silicon Nitride Soliton Microcomb. 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). IEEE. 2019.
Fortier T. M. et al. Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division. Nature Photonics. 2011; 5(7): 425–429.
Авторы
Устинов Алексей Борисович, д. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; ustinov-rus@mail.ru, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-7382-9210
Никитин Андрей Александрович, к. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; e-mail: and.a.nikitin@gmail.com, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-4226-4341
Кондрашов Александр Викторович, к. ф.‑ м. н., кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-4192-4480
Таценко Иван Юрьевич, аспирант, кафедра физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-6320-9352
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
Иванов Андрей Викторович, начальник отдела, АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
