ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №7
Оглавление выпуска

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.2

УДК: 621.373.826

ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
И РЕЗОНАТОРА «МОД ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ»
ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА РЛС

Н.К. Галкин, Н.А. Голов, И.И. Юрасова

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5

Статья поступила в редакцию 17 мая 2022 г.

Аннотация. Исследованы и обобщены технологии создания микрорезонаторов на основе эффекта «мод шепчущей галереи» (МШГ) и лазеров с распределенной обратной связью (РОС), применяемых в оптоэлектронном генераторе (ОЭГ) радиочастотных колебаний. Представлен расчет собственных частот МШГ резонатора и РОС-лазера. Реализовано программное моделирование распределения электромагнитного поля в среде MATLAB. Предложен подход к технологии изготовления РОС-лазера с низким уровнем фазовых шумов на основе фотонного кристалла (ФК). Рассмотрена возможность применения данного лазера и резонатора в оптоэлектронной системе формирования сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала для создания когерентных радиофотонных радиолокаторов. Показаны преимущества данных лазеров для создания единого задающего ОЭГ перспективных многодиапазонных радиолокационных станций.

Ключевые слова: РОС-лазер, МШГ-резонатор, оптоэлектронный генератор (ОЭГ), радиофотонные РЛС.

Автор для переписки: Галкин Никита Константинович, selenium322@gmail.com

Литература

1. Дианов Е.М., Прохоров А.М. Лазеры и волоконная оптика. Успехи физических наук. 1986. Т.148. №2. С.289-311. http://doi.org/10.3367/UFNr.0148.198602c.0289

2. Борцов А.А. Технологии создания сверхмалошумящих (прецизионных) СВЧ-генераторов на основе лазерного оптоэлектронного автогенератора. Наукоемкие технологии. 2011. Т.12. №9. С.33-40.

3. Городецкий М.Л., и др. Высокодобротные оптические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи и их применение в прецизионных измерениях. Метрология. 2014. №12. С.22-40.

4. Лукьянов В.Н., и др. Лазеры с распределенной обратной связью (обзор). Квантовая электроника. 1975. Т.2. №11. С.2373-2398.

5. Vollmer F., et al. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Applied physics letters. 2002. Т.80. №21. С.4057-4059. http://doi.org/10.1063/1.1482797

6. Rostami A., et al. Microsphere and Fiber Optics based Optical Sensors. Optical Sensors - New Developments and Practical Applications. INTECH Publ. 2014. P.83-102. https://doi.org/10.5772/57465

7. Abdalmalak K.A., et al. Microwave radiation coupling into a WGM resonator for a high-photonic-efficiency nonlinear receiver. 2018 48th European Microwave Conference (EuMC). IEEE, 2018. С.781-784. http://doi.org/10.23919/EuMC.2018.8541628

8. Volyanskiy K. et al. Compact optoelectronic oscillator using whispering gallery mode resonators for radio-frequency and millimeter wave generation. International Society for Optics and Photonics. 2011. Т.7936. С.79360B. https://doi.org/10.1117/12.876985

9. Merrer P.H. et al. Characterization technique of optical whispering gallery mode resonators in the microwave frequency domain for optoelectronic oscillators. Applied optics. 2012. Т.51. №20. С.4742-4748. https://doi.org/10.1364/AO.51.004742

10. Браунфельдс Я. и др. Получение частотных гребенок в генераторах на WGM в микросферах для телекоммуникационных приложений. Квантовая электроника. 2020. Т.50. №11. С.1043-1049.

11. Патент РФ №2710002 C1. Биленко И.А. и др. Компактный прибор с лазерами с множеством продольных мод, стабилизированными высокодобротными микрорезонаторами с генерацией оптических частотных гребенок. Дата заявки: 27.03.2019. Дата публикации: 23.12.2019. URL: https://patenton.ru/patent/RU2710002C1

12. Ryu H.Y., et al. High quality-factor whispering-gallery mode in the photonic crystal hexagonal disk cavity. Optics express. 2004. Т.12. №8. С.1708-1719. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.001708

13. Srinivasan K., et al. Experimental demonstration of a high quality factor photonic crystal microcavity. Applied Physics Letters. 2003. Т.83. №10. С.1915-1917. https://doi.org/10.1063/1.1606866

14. Lee P.T., et al. High quality factor microcavity lasers realized by circular photonic crystal with isotropic photonic band gap effect. Applied physics letters. 2007. Т.90. №15. С.151125. https://doi.org/10.1063/1.2724899

15. Sumetsky M. Whispering-gallery-bottle microcavities: the three-dimensional etalon. Optics letters. 2004. Т.29. №1. С.8-10. https://doi.org/10.1364/OL.29.000008

16. Murugan G.S., Wilkinson J.S., Zervas M.N. Optical excitation and probing of whispering gallery modes in bottle microresonators: potential for all-fiber add–drop filters. Optics letters. 2010. Т.35. №11. С.1893-1895. https://doi.org/10.1364/OL.35.001893

17. Sumetsky M., Dulashko Y., Windeler R.S. Super free spectral range tunable optical microbubble resonator. Optics letters. 2010. Т.35. №11. С.1866-1868. https://doi.org/10.1364/OL.35.001866

18. Sumetsky M., Dulashko Y., Windeler R.S. Optical microbubble resonator. Optics letters. 2010. Т.35. №7. С.898-900. https://doi.org/10.1364/OL.35.000898

19. Li H. et al. Analysis of single nanoparticle detection by using 3-dimensionally confined optofluidic ring resonators. Optics express. 2010. Т.18. №24. С.25081-25088. https://doi.org/10.1364/OE.18.025081

20. Vollmer F., Arnold S., Keng D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2008. Т.105. №52. С. 20701-20704. https://doi.org/10.1073/pnas.0808988106

21. Zhang M., et al. In-fiber whispering-gallery mode microsphere resonatorbased integrated device. Optics letters. 2018. Т.43. №16. С.3961-3964. https://doi.org/10.1364/OL.43.003961

22. Li C., et al. In-Fiber BaTiO3 Microsphere Resonator for High-Sensitivity Temperature Measurement. Micromachines. 2021. Т.12. №3. С.318. https://doi.org/10.3390/mi12030318

23. Lin J. et al. Fabrication of three-dimensional microdisk resonators in calcium fluoride by femtosecond laser micromachining. Applied Physics A. 2014. Т.116. №4. С.2019-2023. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8388-1

24. Maker A.J., Armani A.M. Fabrication of silica ultra high quality factor microresonators. Journal of visualized experiments: JoVE. 2012. №65. С.4164. https://doi.org/10.3791/4164

25. Maleki L., et al. Microwave Oscillators Based on Nonlinear WGM Resonators [web]. Tech Briefs. Дата обращения: 30.03.2022. URL: https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/ptb/briefs/12121

26. Savchenkov A.A., et al. Whispering-gallery mode based opto-electronic oscillators. 2010 IEEE International Frequency Control Symposium. IEEE. 2010. P.554-557.

27. DSG3000B Series RF Signal Generator [web]. RIGOL. Дата обращения: 05.04.2022. URL: https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/ptb/briefs/12121

28. Генераторы СВЧ сигналов [web]. Keysight. Дата обращения: 05.04.2022. URL: https://www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-04483/brochures/5991-4876.pdf

29. Задорин А.С., Лукина А.А. Резонансная система оптоэлектронного автогенератора на основе проходного планарного оптического дискового микрорезонатора. Компьютерная оптика. 2018. Т.42. №1. С.60-66. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-1-60-66

30. Зарецкая Г.А., Дроздовский А.В., Калиникос Б.А. Метод расчета собственных резонансных частот оптических резонаторов с модами шепчущей галереи. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2017. №1. С.56-64.

31. Suematsu Y. Dynamic single-mode lasers. Journal of lightwave technology. 2013. Т.32. №6. С.1144-1158. https://doi.org/10.1109/JLT.2013.2293817

32. Коgelnik H., Shank С.V. Stimulated emission in a periodic structure. Appl. Phys. Letts. 1971. V18. P.152 https://doi.org/10.1063/1.1653605

33. Matsuo S., et al. Directly Modulated DFB Laser on SiO₂/Si Substrate for Datacenter Networks. Journal of Lightwave Technology. 2015. Т.33. №6. С.1217-1222. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2386875

34. Duprez H., et al. Hybrid III–V on Silicon Laterally Coupled Distributed Feedback Laser Operating in the O-Band. IEEE Photonics Technology Letters. 2016. Т.28. №18. С.1920-1923. https://doi.org/10.1109/LPT.2016.2576021

35. Wang Q., et al. A Directly Modulated Laterally Coupled Distributed Feedback Laser Array Based on SiO2 Planarization Process. Applied Sciences. 2021. Т.11. №1. С.221. https://doi.org/10.3390/app11010221

36. Aihara T., et al. Membrane III-V/Si DFB Laser Using Uniform Grating and Width-Modulated Si Waveguide. Journal of Lightwave Technology. 2020. Т.38. №11. С.2961-2967. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2978808

37. Teng J.H., et al. Complex-Coupled DFB Laser Using a Buried SiO2 Grating. IEEE Photonics Technology Letters. 2008. Т.20. №4. С.231-233. https://doi.org/10.1109/LPT.2007.913262

38. Hiraki T., et al. Integration of a high-efficiency Mach-Zehnder modulator with a DFB laser using membrane InP-based devices on a Si photonics platform. Optics Express. 2021. Т.29. №2. С.2431-2441. https://doi.org/10.1364/OE.411483

39. Галкин Н.К., Голов Н.А. Методы синтеза зондирующих сигналов со ступенчатым изменением частоты. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.6.15

40. Kumar R., et al. Integrated multi-wavelength DFB laser with 200 GHz channel spacing. Proc. of SPIE. 2022. Т.12021. С.1202106-1. https://doi.org/10.1117/12.2626494

41. Liu Y. et al. Optical and RIN Spectrum Improvements in Necked Waveguide High-Power DFB Laser Diode. IEEE Photonics Technology Letters. 2022. Т.34. №5. С.275-278. https://doi.org/10.1109/LPT.2022.3150799

42. Li M. et al. Development of narrow linewidth distribution feedback fiber laser for fiber hydrophone system. Third International Conference on Optoelectronic Science and Materials (ICOSM 2021). SPIE. 2021. Т.12030. С.1203002.

43. Kumar R. et al. A multi-wavelength III-V/Si hybrid DFB laser with even wavelength spacing and uniform output power. 2021 IEEE 17th International Conference on Group IV Photonics (GFP). IEEE. 2021. С.1-2. https://doi.org/10.1109/GFP51802.2021.9673975

44. Gulzar A., Qazi G. Investigation and performance evaluation of DFB-(SP) EDFA configuration with optimum intrinsic EDFA parameters. Optical and Quantum Electronics. 2022. Т. 54. №1. С.1-19. https://doi.org/10.1007/s11082-021-03381-1

45. Zhang F., Pan S. Microwave photonic signal generation for radar applications. 2016 IEEE International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM). IEEE, 2016. С.1-3. https://doi.org/10.1109/iWEM.2016.7504991

46. Pan S., and Zhang Y. Microwave photonic radars. Journal of Lightwave Technology. 2020. Т.38. №19. С.5450-5484. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2993166

47. Sinitskii A.S., Klimonsky S.O., Garshev A.V., Primenko A.E., Tretyakova Y.D. Synthesis and microstructure of silica photonic crystals. Mendeleev Commun. 2004. Т.14. №4. С.165-167. https://doi.org/10.1070/MC2004v014n04ABEH001968

48. Якиманский А.В., Меньшикова А.Ю., Евсеева Т.Г., Шевченко Н.Н., Билибин А.Ю. Монодисперсные полимерные частицы с ковалентно присоединенными хромофорными группировками как структурные элементы фотонных кристаллов. Российские нанотехнологии. 2006. Т.1. №1-2. С.171-178.

49. Меньшикова А.Ю. и др. Синтез монодисперсных частиц полистирола с контролируемой структурой привитых сополимеров в поверхностном слое. Высокомолек. соед. А. 2004. Т.46. №9. С.1479-1487.

50. Vlasov Y.V., Bo X.-Zh., Sturm J.C., Norris D.J. On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals. Nature. 2001. Т.414. С.289-293. https://doi.org/10.1038/35104529

51. Плеханов А.И., Калинин Д.В., Сердобинцева В.В. Нанокристаллизация монокристаллических пленок опала и пленочных опаловых гетероструктур. Российские нанотехнологии. 2006. Т.1. С.233-239.

52. Mayoral R., Requena J., Moya J.S., López C., Cintas A., Miguez H., Meseguer F., Vázquez L., Holgado M., Blanco A. 3D Long-range ordering in ein SiO2 submicrometer-sphere sintered superstructure. Adv. Mater. 1997. Т.9. №3. С.257-260. https://doi.org/10.1002/adma.19970090318

53. Калинин Д.В., Сердобинцева В.В., Шабанов В.Ф. Механизм укладки монодисперных сферических частиц кремнезема в фотоннокристаллическую пленочную структуру из лиофильных суспензий. Доклады Академии наук. 2008. Т.419. №5. C.609-611.

54. Johnson N.P., McComb D.W., Richel A., Treble B.M., De La Rue R.M. Synthesis and optical properties of opal and inverse opal photonic crystals. Synthetic Metals. 2001. Т.116. №1. С.469-473. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(00)00417-3

55. Юрасова И.И. и др. О скорости роста нанокластеров SiO₂ при различном соотношении числа молей компонентов системы (вода–ТЭОС) при щелочном катализе. Журнал физической химии. 2021. Т.95. №6. С.923-927. https://doi.org/10.31857/S0044453721060297

56. Юрасова И. И., Юрасов Н. И., Галкин Н. К. Стадии процесса синтеза глобул аморфного кремнезема в технологии изготовления фотонного кристалла. Необратимые процессы в природе и технике. 2021. С.106-108.

57. Yurasov N.I. et al. Irreversible phase transitions in structural elements of synthetic opal. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2019. Т.1348. №1. С.012082. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1348/1/012082