ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2022, № 7 · ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИИ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Технологии лазера с распределенной обратной связью и резонатора "мод шепчущей галереи" для оптоэлектронного генератора РЛС

Н.К. Галкин1, Н.А. Голов1, И.И. Юрасова1

1 Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, Москва, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.7.2 УДК 621.373.826 EDN HCKGNG

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.

  • РОС-лазер
  • МШГ-резонатор
  • оптоэлектронный генератор (ОЭГ)
  • радиофотонные РЛС
Abstract (in English)

Ñreation technologies DFB laser and WGM resonator for OEO in microwave photonic radars

Technologies for creating microresonators based on the effect «whispering gallery modes» (WGM) and distributed feedback (DFB) lasers used in an optoelectronic generator (OEO) are investigated and generalized. The calculation of the natural frequencies WGM resonator and DFB laser is presented. Software modeling of electromagnetic field distribution in MATLAB environment is implemented. An approach to the manufacturing technology DFB laser with a low-level phase noise based on a photonic crystal (PC) is proposed. The possibility of using this laser and resonator in an optoelectronic system for generating an ultrahigh frequency (UHF) signal to create coherent microwave photonic radars is considered. The advantages of these lasers for creating a single master OEO of promising multi-band radar are shown.

Для цитирования

Галкин Н.К., Голов Н.А., Юрасова И.И. Технологии лазера с распределенной обратной связью и резонатора "мод шепчущей галереи" для оптоэлектронного генератора РЛС // Журнал радиоэлектроники. – 2022. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.2

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