RU2789005C1

RU2789005C1 - Radiophoton fiber optical module

Info

Publication number: RU2789005C1
Application number: RU2022110306A
Authority: RU
Inventors: Виталий Станиславович Калиновский; Евгений Владимирович Контрош; Вячеслав Михайлович Андреев; Александр Валерьевич Шамрай; Владимир Владимирович Лебедев; Пётр Михайлович Аргузов
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-01-26

Abstract

FIELD: communication technology.

SUBSTANCE: invention relates to communication technology and can be used in radio photonic communication systems. To achieve the effect, the radio-photonic fiber-optic module includes two laser sources (15), (17) of an optical signal of microwave pulses, two assemblies of photodetectors (1) and (2), serially switched monolithic multijunction microwave photodetectors (3) and two optical splitters (4), (5). Both assemblies (1) and (2) of photodetectors (3) form a parallel back-to-back connection, and connection points (10) and (11) of assemblies (1) and (2) of photodetectors (3) are connected via microwave path (12) to the antenna (13). Secondary optical fibers (6-9) of the first and second optical splitters (4), (5) are optically coupled to assemblies (1) and (2) through docking modules (30). Assemblies (1) and (2) of photodetectors (3) are made of at least two multi-junction microwave photodetectors, in the form of a monolithic structure, including p-i-n plenary semiconductor subelements (18), having the same band gap Е_g, but different thicknesses and levels doping connected to each other by back-to-back plenary tunnel diodes (21).

EFFECT: increasing the power of the output electrical signal.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиофотонике, и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток (АФАР) для связи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронному противодействию.The invention relates to the field of radio engineering, namely to radio photonics, and can be used in the design of antenna excitation systems and active phased antenna arrays (APAA) for communication, radar, radio navigation and electronic countermeasures.

Известно микроволновое фотонное устройство (см. заявка US 20210194586, МПК Н04В 10/2575, опубл. 24.06.2021), включающее источник оптического излучения, радиочастотный источник, электрооптический модулятор, соединенный волноводом с оптическим источником и с источником радиоизлучения, причем электрооптический модулятор содержит первый кольцевой резонаторный модулятор и второй кольцевой резонаторный модулятор, маломощный фотодетектор, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный электрический сигнал, подаваемый на радиочастотный выход.A microwave photonic device is known (see application US 20210194586, IPC H04B 10/2575, publ. 06/24/2021), including an optical radiation source, a radio frequency source, an electro-optical modulator connected by a waveguide to an optical source and to a radio emission source, and the electro-optical modulator contains the first a ring resonator modulator; and a second ring resonator modulator, a low power photodetector that converts the modulated optical signal into a high frequency electrical signal for RF output.

Недостатками известного фотонного устройства является низкая мощность, много меньшая одного мВт.The disadvantages of the known photonic device is the low power, much less than one mW.

Известен оптоволоконный фотоэлектрический СВЧ модуль (см. заявка US 2006140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), включающий широтно-импульсный модулятор для приема амплитудно-модулированного радиочастотного входного сигнала и преобразования его в широтно-импульсный модулированный (ШИМ) сигнал, оптический передатчик для приема ШИМ-сигнала и преобразования его в оптический выходной сигнал, соединенный волоконно-оптическим кабелем с фотодетектором, преобразующим промодулированный оптический сигнал в высокочастотный электрический сигнал, имеющий заданную мощность, передаваемый в антенну.Known fiber optic photoelectric microwave module (see application US 2006140644, IPC H04V 10/04, publ. 06/29/2006), including a pulse-width modulator for receiving an amplitude-modulated radio frequency input signal and converting it into a pulse-width modulated (PWM) signal , an optical transmitter for receiving a PWM signal and converting it into an optical output signal, connected by a fiber optic cable to a photodetector that converts the modulated optical signal into a high-frequency electrical signal having a given power transmitted to the antenna.

Недостатком известного СВЧ модуля является малая мощность (1 мВт) устройства возбуждения, которая ограничивается мощностью одного фотодетектора, неоптимальное согласование фотодетектора с антенной, что ведет к потере мощности генерируемого антенной сигнала и к искажению самого сигнала.A disadvantage of the known microwave module is the low power (1 mW) of the excitation device, which is limited by the power of one photodetector, non-optimal matching of the photodetector with the antenna, which leads to a loss in power of the signal generated by the antenna and to distortion of the signal itself.

Известно устройство формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей (см. патент RU 2313870, МПК H01Q 21/06, опубл. 27.12.2007), содержащее генератор импульсов пилообразного тока, соединенный с накопительным конденсатором, лавинный диод, приемоизлучательный элемент и приемник. Приемоизлучательный элемент выполнен в виде двух разнесенных проводников, закороченных с одного из концов, а с входа последовательно соединенных с лавинным диодом и накопительным конденсатором и, через управляемый ограничитель, параллельно соединенных с входом приемника.A device for generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier is known (see patent RU 2313870, IPC H01Q 21/06, publ. 27.12.2007), containing a sawtooth current pulse generator connected to a storage capacitor, an avalanche diode, a transmissive element and a receiver . The transceiver element is made in the form of two spaced conductors shorted at one end, and connected in series with an avalanche diode and a storage capacitor from the input and, through a controlled limiter, connected in parallel with the receiver input.

Недостатками известного устройства являются малая мощность излучения поскольку параметры импульса электромагнитных сигналов ограничиваются параметрами лавинного диода, а излучаемый импульс униполярный.The disadvantages of the known device are low radiation power since the parameters of the pulse of electromagnetic signals are limited by the parameters of the avalanche diode, and the emitted pulse is unipolar.

Известен радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн (см. патент RU 2716269, МПК Н04В 10/70, опубл. 11.03.2020), включающий модулированный мощный лазер, на вход которого подается радиочастотный модулирующий сигнал, а оптический выход лазера соединен с входом волоконно-оптической линии связи, выход которой соединен с оптическим входом фотодетектора. В устройство введена дифференцирующая цепь, постоянная времени которой выбрана таким образом, что позволяет сформировать из короткого однополярного импульса двухполярный (двухлепестковый) импульс той же длительности на выходе, представляющая собой последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора, вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а с выхода дифференцирующей цепи, которым является точка соединения конденсатора и резистора, мощный широкополосный радиосигнал через радиочастотный фидер поступает на излучающий элемент антенной решетки.A radio photonic transmission path is known for transmitting high-power broadband signals and effective excitation of antennas (see patent RU 2716269, IPC H04V 10/70, publ. connected to the input of a fiber-optic communication line, the output of which is connected to the optical input of the photodetector. A differentiating circuit is introduced into the device, the time constant of which is chosen in such a way that it makes it possible to form a bipolar (two-leaf) pulse of the same duration at the output from a short unipolar pulse, which is a capacitor and a resistor connected in series, and the capacitor is connected to the radio signal output of the photodetector, the output of the resistor is connected with a bus of zero potential, and from the output of the differentiating circuit, which is the connection point of the capacitor and resistor, a powerful broadband radio signal through a radio frequency feeder is fed to the radiating element of the antenna array.

Недостатками известного устройства является низкое значение КПД, отсутствие идентичности формы импульса отрицательной полярности положительному импульсу фотодетектора, поскольку в пассивной дифференциальной цепи присутствуют потери. Кроме того, наличие дифференциальной цепочки способствует снижению помехоустойчивости в определенном частотном диапазоне.The disadvantages of the known device is the low value of the efficiency, the lack of identity of the shape of the pulse of negative polarity to the positive pulse of the photodetector, since there are losses in the passive differential circuit. In addition, the presence of a differential circuit helps to reduce noise immunity in a certain frequency range.

Известна радиофотонная линия передачи мощных широкополосных сигналов (см. патент RU 2674074, МПК Н04В 10/70, опубл. 07.12.2018), включающая две части, непосредственно модулированный мощный лазер, выполненный в виде гетеролазера с источником смещения и фотодетекторы, а между двумя частями волоконно-оптическая линия. В устройство введен оптический разветвитель, оптическая линия задержки и антенны. Радиочастотный модулирующий сигнал одновременно с током от источника смещения подается на вход лазера, оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии, выход которой соединен с симметричным оптическим разветвителем. Оптические выходы оптического разветвителя соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом режиме. На оптический вход второго фотодетектора сигнал поступает через оптическую линию задержки, обеспечивающую временную задержку сигнала на величину длительности импульса по основанию на выходе первого фотодетектора. Электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которого являются антенны.A radio photon transmission line for high-power broadband signals is known (see patent RU 2674074, IPC H04V 10/70, publ. 07.12.2018), including two parts, a directly modulated high-power laser made in the form of a heterolaser with a bias source and photodetectors, and between the two parts fiber optic line. An optical splitter, an optical delay line and antennas are introduced into the device. The RF modulating signal is simultaneously fed from the bias source to the input of the laser, the optical output of which is connected to the input of the fiber optic line, the output of which is connected to a symmetrical optical splitter. The optical outputs of the optical splitter are connected to the optical inputs of the first and second photodetectors connected according to the differential circuit and operating in the photovoltaic mode. The signal enters the optical input of the second photodetector through an optical delay line, which provides a time delay of the signal by the value of the pulse duration based on the output of the first photodetector. The electrical outputs of the photodetectors are push-pull outputs of a broadband radio-photon transmission path operating in class AB, the load of which is the antennas.

Недостатками известной радиофотонной линии передачи являются низкая выходная электрическая мощность фотодетекторов. Отсутствие возможности регулирования времени задержки между положительным и отрицательным плечами биполярного СВЧ импульса и оптические потери в линии задержки второго фотодетектора, что в свою очередь приводит к неидентичности каналов по коэффициенту передачи.The disadvantages of the known radio photonic transmission line are the low output electrical power of the photodetectors. The inability to control the delay time between the positive and negative arms of the bipolar microwave pulse and the optical losses in the delay line of the second photodetector, which in turn leads to non-identity of the channels in terms of the transmission coefficient.

Известно устройство передачи широкополосных сигналов с большой базой по радиофотонному тракту РОФАР (см. патент RU2748039, МПК G02F 1/01, опубл. 19.05.2021), содержащий две части, включающие непосредственно модулированный мощный гетеролазер с источником смещения, волоконно-оптическую линию между двумя частями, фотодетекторы и антенны. Устройство также содержит тройник, устройства выделения положительной и отрицательной по полярности частей лазерно частотно модулированного сигнала (ЛЧМ)-сигнала с одновременным инвертированием одной из частей и второй непосредственно модулированный мощный гетеролазер, подключенный оптическим волокном к волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). ЛЧМ-сигнал с выхода источника подается на тройник, с первого выхода которого поступает на вход устройства выделения положительной полярности сигнала, с выхода которого поступает на вход первого непосредственно модулированного мощного гетеролазера, а со второго выхода тройника сигнал поступает на вход устройства выделения отрицательной полярности сигнала с одновременным инвертированием его. С выхода устройства выделения сигнал поступает на вход второго непосредственно модулированного мощного гетеролазера. Оптические сигналы с выходов первого и второго гетеролазеров подают на первый и второй входы ВОЛС, выходы которых соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом режиме. Электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которых являются антенны, которые размещены над высокоимпедансным основанием.A device for transmitting broadband signals with a large base over the radio photonic path ROFAR (see patent RU2748039, IPC G02F 1/01, publ. 05/19/2021), containing two parts, including a directly modulated powerful heterolaser with a bias source, a fiber optic line between two parts, photodetectors and antennas. The device also contains a tee, devices for separating positive and negative polarity parts of a laser frequency modulated signal (LFM) signal with simultaneous inversion of one of the parts, and a second directly modulated powerful heterolaser connected by an optical fiber to a fiber optic communication line (FOCL). The chirp signal from the output of the source is fed to a tee, from the first output of which it is fed to the input of the device for separating the positive polarity of the signal, from the output of which it is fed to the input of the first directly modulated high-power heterolaser, and from the second output of the tee the signal is fed to the input of the device for separating the negative polarity of the signal with while inverting it. From the output of the selection device, the signal is fed to the input of the second directly modulated high-power heterolaser. Optical signals from the outputs of the first and second heterolasers are fed to the first and second inputs of the FOCL, the outputs of which are connected to the optical inputs of the first and second photodetectors connected according to the differential circuit and operating in the photovoltaic mode. The electrical outputs of the photodetectors are push-pull outputs of a broadband radio-photon transmission path operating in class AB, the load of which is antennas that are placed above a high-impedance base.

Недостатками известного устройства передачи широкополосных сигналов являются низкая выходная электрическая мощность фотодетекторов, отсутствие регулирования времени задержки между положительным и отрицательным СВЧ импульсами и потери на оптической линии задержки второго фотодетектора.The disadvantages of the known device for transmitting broadband signals are the low output electric power of the photodetectors, the lack of regulation of the delay time between positive and negative microwave pulses, and the losses in the optical delay line of the second photodetector.

Известна радиофотонная линия передачи класса АВ (см. заявка US 20070019896, МПК G02F 1/01, опубл. 25.01.2007) с низкой остаточной несущей частоты при передаче информации между источником и приемником электрического сигнала. Радиофотонная линия передачи включает передатчик, который содержит первый и второй нелинейные пороговые электрооптические преобразователи электрической информации в оптические сигналы, которые смещены для обеспечения большого искажения четного порядка, приемник оптического сигнала и, по меньшей мере, одну оптическую линию передачи комплементарных модулированных сигналов между передатчиком и оптическим приемником сигналов. При этом приемник оптических сигналов преобразует дополнительные модулированные сигналы в информацию для приема приемником электрических сигналов.Known radio photonic transmission line class AB (see application US 20070019896, IPC G02F 1/01, publ. 25.01.2007) with a low residual carrier frequency when transmitting information between the source and receiver of an electrical signal. The radio photonic transmission line includes a transmitter that contains the first and second non-linear threshold electro-optical converters of electrical information into optical signals, which are shifted to provide a large even-order distortion, an optical signal receiver and at least one optical transmission line of complementary modulated signals between the transmitter and the optical signal. signal receiver. In this case, the optical signal receiver converts the additional modulated signals into information for the receiver to receive electrical signals.

Недостатками известной радиофотонной линии передачи являются низкая выходная электрическая мощность фотодетекторов, сложность организации и, как следствие, надежности передачи информационного сигнала.The disadvantages of the known radio photonic transmission line are the low output electric power of the photodetectors, the complexity of the organization and, as a result, the reliability of the transmission of the information signal.

Известен радиофотонный оптоволоконный модуль (см. патент RU 2722085, МПК H01L 31/10, опубл. 26.05.2020), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Радиофотонный оптоволоконный модуль-прототип включает лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов, две сборки фотодетекторов с последовательно соединенными СВЧ фотодетекторами и три оптических разветвителя. Вторичные оптоволокна первого оптического разветвителя оптически стыкованы с последовательно соединенными СВЧ фотодетекторами первой сборки фотодетекторов, вторичные оптоволокна второго оптического разветвителя оптически состыкованы с последовательно с коммутированными СВЧ фотодетекторами второй сборки фотодетекторов. Обе сборки фотодетекторов образуют параллельное встречное соединение, а место соединения сборок фотодетекторов через СВЧ тракт подключено к антенне. Первичное оптическое волокно третьего разветвителя (1×2) оптически стыковано с лазерным источником оптического сигнала СВЧ импульсов. Вторичные два оптических волокна третьего разветвителя оптически стыкованы с первичными оптическим волокнами первого и второго разветвителей. Разница произведений длин L₁ и L₂ вторичных оптических волокон третьего разветвителя, выраженных в сантиметрах, умноженных на показатели преломления n₁ и n₂ материалов сердечников соответствующих оптических волокон, определяется уравнением L₁n₁-L₂n₂=30T, а суммарное количество N фотодетекторов в сборках фотодетекторов и соответствующее суммарное количество N вторичных оптических волокон в первом и втором оптических разветвителях равно

причем количество F фотодетекторов в каждой сборке и соответствующее количество F вторичных оптических волокон в первом и втором оптических разветвителях равно F=N/2, где:A radiophotonic fiber optic module is known (see patent RU 2722085, IPC H01L 31/10, publ. 05/26/2020), coinciding with the present decision in the largest number of essential features and taken as a prototype. The radio-photonic fiber optic module prototype includes a laser source of an optical signal of microwave pulses, two assemblies of photodetectors with microwave photodetectors connected in series, and three optical splitters. The secondary fibers of the first optical splitter are optically coupled to serially connected microwave photodetectors of the first photodetector assembly, the secondary fibers of the second optical splitter are optically coupled to the serially switched microwave photodetectors of the second photodetector assembly. Both assemblies of photodetectors form a parallel counter connection, and the junction of assemblies of photodetectors is connected to the antenna through a microwave path. The primary optical fiber of the third splitter (1×2) is optically coupled to a laser source of an optical signal of microwave pulses. Secondary two optical fibers of the third splitter are optically coupled with primary optical fibers of the first and second splitters. The difference between the products of the lengths L ₁ and L _{2 of} the secondary optical fibers of the third splitter, expressed in centimeters, multiplied by the refractive indices n ₁ and n _{2 of} the materials of the cores of the respective optical fibers, is determined by the equation L ₁ n ₁ -L ₂ n ₂ =30T, and the total number N photodetectors in photodetector assemblies and the corresponding total number N of secondary optical fibers in the first and second optical splitters is

moreover, the number F of photodetectors in each assembly and the corresponding number F of secondary optical fibers in the first and second optical splitters is F=N/2, where:

Т - заданный временной интервал между положительным и отрицательным максимумами амплитуд биполярного импульса, выраженный в нс и установленный в диапазоне t/2<T<2t,T is the specified time interval between the positive and negative maxima of the bipolar pulse amplitudes, expressed in ns and set in the range t/2<T<2t,

t - длительность лазерного импульса на уровне 1/20 амплитуды импульса, нс;t is the duration of the laser pulse at the level of 1/20 of the pulse amplitude, ns;

R - волновое сопротивление СВЧ тракта на входе антенны, Ом;R is the wave impedance of the microwave path at the antenna input, Ohm;

Р_л - пиковая мощность лазерного излучения в первичном оптоволокне третьего разветвителя, Вт;R _l - peak power of laser radiation in the primary optical fiber of the third splitter, W;

S - фоточувствительность СВЧ фотодетекторов, А/Вт;S - photosensitivity of microwave photodetectors, A/W;

U_р - пиковое рабочее напряжение каждого СВЧ фотодетектора, В.U _p - peak operating voltage of each microwave photodetector, V.

Недостатками известного радиофотонного оптоволоконного модуля-прототипа являются необходимость использования трех оптических разветвителей, что ведет к определенной потере оптической мощности. Каждая из встречно включенных сборок состоит из группы последовательно соединенных однопереходных GaAs/AlGaAs p-i-n фотодетекторов, что приводит к усложнению изготовления такого устройства, увеличению габаритов сборки, росту индуктивности сборки, снижению ее быстродействия и выходной электрической мощности биполярного импульса и соответственно к низкой мощности выходного электромагнитного излучения.The disadvantages of the known radiophotonic fiber optic module prototype are the need to use three optical splitters, which leads to a certain loss of optical power. Each of the back-to-back assemblies consists of a group of series-connected single-junction GaAs/AlGaAs p-i-n photodetectors, which complicates the manufacture of such a device, increases the size of the assembly, increases the inductance of the assembly, reduces its speed and the output electric power of the bipolar pulse and, accordingly, to the low power of the output electromagnetic radiation .

Задачей настоящего технического решения является разработка радиофотонного оптоволоконного модуля, который бы имел увеличенную мощность выходного электрического импульса, хорошее согласование с емкостной нагрузкой (антенной), уменьшенные габариты и тепловые потери.The objective of this technical solution is to develop a radio-photonic fiber optic module that would have an increased output electric pulse power, good matching with a capacitive load (antenna), reduced dimensions and heat losses.

Поставленная задача решается тем, что радиофотонный оптоволоконный модуль включает лазерный источник импульсного оптического сигнала СВЧ диапазона, две сборки фотодетекторов с последовательно соединенными СВЧ фотодетекторами, работающими в фотовольтаическом режиме и два оптических разветвителя (1×2), вторичные оптические волокна первого оптического разветвителя (1×2) оптически стыкованы с последовательно соединенными СВЧ фотодетекторами первой сборки фотодетекторов, вторичные оптические волокна второго оптического разветвителя (1×2) оптически стыкованы с последовательно соединенными СВЧ фотодетекторами второй сборки фотодетекторов. Обе сборки фотодетекторов образуют параллельное встречное соединение, а место соединений сборок фотодетекторов подключены через СВЧ тракт к антенне. Суммарное количество фотодетекторов в сборках фотодетекторов и соответствующее суммарное количество N вторичных оптических волокон в первом и втором оптических разветвителях (1x2) равно

гдеThe problem is solved by the fact that the radio-photonic fiber optic module includes a laser source of a pulsed microwave optical signal, two assemblies of photodetectors with series-connected microwave photodetectors operating in the photovoltaic mode and two optical splitters (1×2), secondary optical fibers of the first optical splitter (1× 2) are optically coupled to series-connected microwave photodetectors of the first assembly of photodetectors, secondary optical fibers of the second optical splitter (1×2) are optically coupled to series-connected microwave photodetectors of the second assembly of photodetectors. Both assemblies of photodetectors form a parallel counter connection, and the junction of assemblies of photodetectors is connected via a microwave path to the antenna. The total number of photodetectors in photodetector assemblies and the corresponding total number N of secondary optical fibers in the first and second optical splitters (1x2) is

where

R - волновое сопротивление СВЧ тракта антенны, (Ом);R - wave impedance of the microwave path of the antenna, (Ohm);

P_л - пиковая мощность лазерного излучения в первичном оптическом волокне оптического разветвителя, (Вт);P _l - peak power of laser radiation in the primary optical fiber of the optical splitter, (W);

S - фоточувствительность СВЧ фотодетекторов на длине волны лазерного излучения, (А/Вт),S - photosensitivity of microwave photodetectors at the wavelength of laser radiation, (A/W),

U_р - пиковое рабочее напряжение каждого СВЧ фотодетектора, (В).U _p - peak operating voltage of each microwave photodetector, (V).

Количество фотодетекторов - F в каждой сборке и соответственно количество оптических волокон - F в первом и втором оптических разветвителях (1×2) равноThe number of photodetectors - F in each assembly and, accordingly, the number of optical fibers - F in the first and second optical splitters (1×2) is

F=N/2.F=N/2.

Новым является то, что радиофотонный оптоволоконный модуль содержит второй лазерный источник оптического сигнала СВЧ импульсов, оптически соединенный с первичным оптическим волокном второго оптического разветвителя (1×2), вторичные оптические волокна первого и второго оптических разветвителей (1×2) оптически стыкованы со сборками фотодетекторов через стыковочные модули, сборки фотодетекторов выполнены из многопереходных СВЧ фотодетекторов в виде монолитной гетероструктуры, включающей в себя n_i-планарных полупроводниковых p-i-n субэлементов, имеющие одинаковую ширину Е_g запрещенной зоны, но различные толщины и уровни легирования, соединенные друг с другом встречно включенными туннельными диодами.What is new is that the radiophotonic fiber optic module contains a second laser source of an optical signal of microwave pulses, optically connected to the primary optical fiber of the second optical splitter (1×2), the secondary optical fibers of the first and second optical splitters (1×2) are optically coupled to photodetector assemblies through docking modules, assemblies of photodetectors are made of multijunction microwave photodetectors in the form of a monolithic heterostructure, which includes n _i -planar semiconductor pin subelements having the same bandgap E _g , but different thicknesses and doping levels, connected to each other by back-to-back tunnel diodes .

Использование двух источников оптического сигнала СВЧ импульсов позволяет увеличить величину оптической мощности вводимой в каждую сборку фотодетекторов и, соответственно, величину выходной электрической мощности фотодетекторных сборок, а также позволяет регулировать время задержки между положительным и отрицательным СВЧ импульсами и изменять общую длительность биполярного импульса.The use of two optical signal sources of microwave pulses makes it possible to increase the optical power input into each photodetector assembly and, accordingly, the output electric power of the photodetector assemblies, and also makes it possible to adjust the delay time between positive and negative microwave pulses and change the total duration of the bipolar pulse.

Выполнение фотодетекторов в виде монолитной структуры позволяет упростить изготовление радиофотонного оптоэлектронного модуля, уменьшить габариты и потери на паразитных емкости и индуктивности, связанных с коммутацией фотодетекторов, повысить быстродействие и согласование с нагрузкой, увеличить выходную электрическую мощность биполярного импульса и мощность электромагнитного излучения антенны.The implementation of photodetectors in the form of a monolithic structure makes it possible to simplify the manufacture of a radiophotonic optoelectronic module, reduce the dimensions and losses due to parasitic capacitances and inductances associated with switching photodetectors, increase speed and load matching, increase the output electric power of the bipolar pulse and the power of the electromagnetic radiation of the antenna.

Стыковочный модуль обеспечивает прецизионное взаиморасположение оптических волокон с заданным периодом.The docking module provides precise mutual positioning of optical fibers with a given period.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:This technical solution is illustrated by a drawing, where:

на фиг. 1 представлена схема радиофотонного оптоволоконного модуля;in fig. 1 shows a diagram of a radiophotonic fiber optic module;

на фиг. 2 приведена схема фотодетекторной сбоки;in fig. 2 shows a diagram of the photodetector side;

на фиг. 3 схематически изображено поперечное сечение радиофотонного оптоволоконного модуля на основе фотодетекторных сборок, состоящих из двух монолитных многопереходных СВЧ фотодетекторов каждая (F=2);in fig. 3 schematically shows a cross-section of a radiophotonic fiber optic module based on photodetector assemblies, each consisting of two monolithic multijunction microwave photodetectors (F=2);

на фиг. 4 приведено схематическое изображение монолитного трехпереходного p-i-n AlGaAs/GaAs СВЧ фотодетектора;in fig. 4 shows a schematic representation of a monolithic three-junction p-i-n AlGaAs/GaAs microwave photodetector;

на фиг. 5 показаны формы лазерных импульсов (кривая 31 - в настоящем радиофотонном оптоволоконном модуле; кривая 32 - в модуле - прототипе);in fig. 5 shows the shape of the laser pulses (curve 31 - in the present radiophotonic fiber optic module; curve 32 - in the prototype module);

на фиг. 6 приведены выходные биполярные электрические импульсы (кривая 33 для настоящего радиофотонного оптоволоконного модуля, состоящего из двух сборок, в каждой пять монолитных трех переходных p-i-n AlGaAs/GaAs фотодетекторов при задержке оптического импульса 700 пс; кривая 34 для модуля-прототипа, состоящего из двух сборок из шестнадцати однопереходных p-i-n AlGaAs/GaAs фотодетекторов при задержке оптического импульса 900 пс.in fig. Figure 6 shows the output bipolar electrical pulses (curve 33 for a real radiophotonic fiber-optic module, consisting of two assemblies, each with five monolithic three transitional p-i-n AlGaAs / GaAs photodetectors with an optical pulse delay of 700 ps; curve 34 for a prototype module, consisting of two assemblies of sixteen single-junction p-i-n AlGaAs/GaAs photodetectors with an optical pulse delay of 900 ps.

Радиофотонный оптоволоконный модуль (фиг. 1 - фиг. 4) включает две сборки 1 и 2 последовательно коммутированных монолитных многопереходных СВЧ фотодетекторов 3 и два оптических (1×2) разветвителя 4, 5, вторичные оптические волокна 6 и 7 первого оптического разветвителя 4 оптически стыкованы с последовательно коммутированными монолитными многопереходными СВЧ фотодетекторами 3 первой сборки 1 фотодетекторов 3, вторичные оптические волокна 8 и 9 второго оптического разветвителя 5 оптически стыкованы с последовательно коммутированными монолитными многопереходными СВЧ фотодетекторами 3 второй сборки 2. Обе сборки 1 и 2 фотодетекторов 3 образуют параллельное встречное соединение, а точки соединения 10 и 11 сборок 1 и 2 фотодетекторов подключены через СВЧ тракт 12 к антенне 13. Первичное оптическое волокно 14 первого оптического (1×2) разветвителя 4 оптически стыковано с первым лазерным источником 15 оптического сигнала СВЧ импульсов, а первичное оптическое волокно 16 второго оптического (1×2) разветвителя 5 оптически стыковано со вторым лазерным источником оптического сигнала СВЧ импульсов 17, суммарное количество N фотодетекторов 3 в сборках 1 и 2 фотодетекторов 3 и соответствующее суммарное количество вторичных оптических волокон 6-9 в первом и втором оптических разветвителях 4, 5 равно

причем количество фотодетекторов 3 в каждой сборке 1 и 2 и соответствующее количество F вторичных оптических волокон в первом и втором оптических разветвителях 4, 5 равно F=N/2. Монолитная структура многопереходных СВЧ фотодетекторов 3 может содержать (фиг. 3) два или n_i - последовательно соединенных p-i-n субэлементов 18, причем соседние p-i-n субэлементы 18, имеющие одинаковую ширину запрещенной зоны Е_g, но различные толщины и уровни легирования, соединены друг с другом посредством встречно включенных туннельных диодов 21, 22. Фотодетекторы 3 тыльным контактом 23 со стороны подложки 24 смонтированы на электроизолирующем теплоотводящем основании 25 так, что расстояние между соседними фотодетекторами 3 установлено в диапазоне не более 150 мкм, и для эффективного преобразования импульсов наносекундной и субнаносекундной длительности общая длина - d всей сборки 1, 2 должна удовлетворять условию:The radio photonic fiber optic module (Fig. 1 - Fig. 4) includes two

assemblies

1 and 2 of serially switched monolithic multijunction microwave photodetectors 3 and two optical (1 × 2)

splitters

4, 5, secondary

optical fibers

6 and 7 of the first optical splitter 4 are optically joined with serially switched monolithic multijunction microwave photodetectors 3 of the first assembly 1 of photodetectors 3, secondary

optical fibers

8 and 9 of the second optical splitter 5 are optically coupled with serially switched monolithic multijunction microwave photodetectors 3 of the second assembly 2. Both

assemblies

1 and 2 of photodetectors 3 form a parallel counter connection, and connection points 10 and 11 of

assemblies

1 and 2 of photodetectors are connected via microwave path 12 to antenna 13. The primary optical fiber 14 of the first optical (1×2) splitter 4 is optically coupled to the first laser source 15 of the optical signal of microwave pulses, and the primary optical fiber 16 second optical (1×2 ) of the splitter 5 is optically coupled to the second laser source of the optical signal of microwave pulses 17, the total number N of photodetectors 3 in

assemblies

1 and 2 of photodetectors 3 and the corresponding total number of secondary optical fibers 6-9 in the first and second

optical splitters

4, 5 is

moreover, the number of photodetectors 3 in each

assembly

1 and 2 and the corresponding number F of secondary optical fibers in the first and second

optical splitters

4, 5 is equal to F=N/2. The monolithic structure of multi-junction microwave photodetectors 3 may contain (Fig. 3) two or n _i - serially connected pin subelements 18, and adjacent pin subelements 18 having the same band gap E _g , but different thicknesses and doping levels, are connected to each other by means of back-to-

back tunnel diodes

21, 22. Photodetectors 3 with rear contact 23 on the side of substrate 24 are mounted on an electrically insulating heat-removing base 25 so that the distance between adjacent photodetectors 3 is set in the range of no more than 150 μm, and for efficient conversion of nanosecond and subnanosecond pulses, the total length - d of the

entire assembly

1, 2 must satisfy the condition:

где, τ_min - минимальная длительность оптических импульсов, с;where, τ _min is the minimum duration of optical pulses, s;

с - скорость света, м/с;c is the speed of light, m/s;

n_m - эффективный показатель преломления электромагнитной волны в теплоотводящем основании.n _m is the effective refractive index of the electromagnetic wave in the heat sink base.

Оптические волокна 6-9 равны по длине с точностью, удовлетворяющей соотношению,Optical fibers 6-9 are equal in length with an accuracy that satisfies the ratio,

где, ΔL - максимальная разность длин оптических волокон, м;where, ΔL is the maximum difference in the lengths of optical fibers, m;

τ_min - минимальная длительность преобразуемых лазерных импульсов, с;τ _min is the minimum duration of the converted laser pulses, s;

с - скорость света, м/с.s is the speed of light, m/s.

n - эффективный показатель преломления используемого лазерного излучения в оптических волокнах 6-9 оптических разветвителей 4, 5.n is the effective refractive index of the laser radiation used in the optical fibers 6-9 of the optical splitters 4, 5.

Малые расстояния между фотодетекторами обеспечивают минимальную паразитную индуктивность соединений и широкополосность преобразователя, фотодетекторы каждой сборки соединены между собой последовательно с использованием контактной шины 26, через точки соединения к аноду 27 и катоду 28 соседних СВЧ фотодетекторов 3. Обеспечение точного ввода лазерного излучения 15 и 17 в фотоактивную поверхность 29 фотодетекторов 3 из вторичных оптических волокон 6-9 первого и второго оптических разветвителей 4, 5 осуществляется с использованием стыковочных модулей 30. Стыковочный модуль 30 представляет собой подложку с канавками на строго заданном расстоянии между центрами, совпадающим с расстоянием между центрами фотоактивной поверхности 29 фотодетекторов 3 в сборках 1 и 2. Подложка может быть изготовлена из NbLiO₃, стекла или другого материала, разделительные канавки формируют травлением через литографическую маску либо прецизионной резкой алмазным диском.Small distances between the photodetectors ensure the minimum parasitic inductance of the connections and the broadband of the converter, the photodetectors of each assembly are connected in series with each other using a contact bus 26, through the connection points to the anode 27 and cathode 28 of neighboring microwave photodetectors 3. Ensuring accurate input of laser radiation 15 and 17 into the photoactive the surface 29 of photodetectors 3 from secondary optical fibers 6-9 of the first and second optical splitters 4, 5 is carried out using docking modules 30. The docking module 30 is a substrate with grooves at a strictly specified distance between the centers, coinciding with the distance between the centers of the photoactive surface 29 of the photodetectors 3 in assemblies 1 and 2. The substrate can be made of NbLiO ₃ , glass or other material, the separation grooves are formed by etching through a lithographic mask or by precision cutting with a diamond disk.

Для работы устройства необходимо обеспечение временной задержки Т между положительным и отрицательным импульсами, удовлетворяющей соотношению:For the operation of the device, it is necessary to provide a time delay T between positive and negative pulses that satisfies the relation:

т_0,1/2<T<2т_0,1,t _0.1 /2<T<2t _0.1 ,

где т_0,1 - длительность положительного и отрицательного импульса на высоте 0,1 от максимальной амплитуды, нс.where t _0.1 - the duration of the positive and negative pulse at a height of 0.1 from the maximum amplitude, ns.

Экспериментально было установлено, что при значении Т<т_0,1/2 снижается амплитуда биполярного импульса, а при T>2т_0,1 увеличивается длительность импульса без изменения амплитуды биполярного импульса, что приводит к уменьшению КПД устройства.It was experimentally found that at a value of T<t _0.1 /2, the amplitude of the bipolar pulse decreases, and at T>2t _0.1 , the pulse duration increases without changing the amplitude of the bipolar pulse, which leads to a decrease in the efficiency of the device.

Радиофотонный оптоволоконный модуль работает следующим образом. В первичное оптическое волокно 14 первого оптического разветвителя 4 из первого лазерного источника 15 подают импульс лазерного излучения с заданными оптической мощностью и длительностью на полувысоте амплитуды. Этот импульс проходит через первый оптический разветвитель 4 и из вторичных оптических волокон 6 и 7 поступает в фотоактивную поверхность 29 фотодетекторов 3 первой сборки 1. СВЧ фотодетекторы 3 первой сборки 1 преобразуют пришедший из вторичных оптических волокон 6 и 7 оптический импульс в электрический импульс с положительной полярностью согласно электрическому включению на нагрузку 12. Далее в первичное оптическое волокно 16 второго оптического разветвителя 5 подается из второго лазерного источника 17 импульс с заданной временной задержкой Т относительно запуска импульса первого лазера 15 с идентичными параметрами оптической мощности, длительности на полувысоте амплитуды. Этот импульс проходит через второй оптический разветвитель 5 и попадает из вторичных оптических волокон 8 и 9 в фотоактивную поверхность 29 фотодетекторов 3 второй сборки 2. СВЧ фотодетекторы 3 второй сборки 2 преобразуют оптический импульс в электрический импульс с отрицательной полярностью согласно электрическому включению на нагрузку 12. Поскольку СВЧ тракт 12 является общей нагрузкой для сборки 1 фотодетекторов 3 и сборки 2 фотодетекторов 3, то при сложении двух разно полярных импульсов с заданной временной задержкой Т между ними на нагрузке 12 формируется биполярный импульс с величиной амплитуды пропорциональной суммарному количеству фотодетекторов в обеих сборках.Radiophotonic fiber optic module operates as follows. In the primary optical fiber 14 of the first optical splitter 4 from the first laser source 15 serves a pulse of laser radiation with a given optical power and duration at half-height amplitude. This pulse passes through the first optical splitter 4 and from the secondary optical fibers 6 and 7 enters the photoactive surface 29 of the photodetectors 3 of the first assembly 1. The microwave photodetectors 3 of the first assembly 1 convert the optical pulse coming from the secondary optical fibers 6 and 7 into an electrical pulse with positive polarity according to the electrical connection to the load 12. Next, the primary optical fiber 16 of the second optical splitter 5 is fed from the second laser source 17 pulse with a given time delay T relative to the start of the pulse of the first laser 15 with identical parameters of optical power, duration at half-height amplitude. This pulse passes through the second optical splitter 5 and enters from the secondary optical fibers 8 and 9 into the photoactive surface 29 of the photodetectors 3 of the second assembly 2. The microwave photodetectors 3 of the second assembly 2 convert the optical pulse into an electrical pulse with a negative polarity according to the electrical connection to the load 12. Since The microwave path 12 is a common load for assembly 1 of photodetectors 3 and assembly 2 of photodetectors 3, then when two pulses of opposite polarity are added with a given time delay T between them, a bipolar pulse is formed on load 12 with an amplitude proportional to the total number of photodetectors in both assemblies.

Пример 1. Был изготовлен макет радиофотонного оптоволоконного модуля, в состав которого входили две сборки фотодетекторов, состоявшие из двух монолитных СВЧ фотодетекторов, два оптических разветвителей, два лазерных источника и стыковочный модуль на основе NbLiO₃. Первая и вторая сборки СВЧ фотодетекторов были включены встречно-параллельно. Нагрузкой являлся СВЧ тракт с волновым сопротивлением 50 Ом соединенный с антенной. Монолитная структура многопереходных СВЧ фотодетекторов содержала три последовательно соединенных p-i-n субэлемента на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры, причем соседние p-i-n субэлементы были соединены друг с другом посредством туннельных диодов. В первичное оптическое волокно первого оптического разветвителя из первого лазера подавался импульс лазерного излучения с заданными оптической мощностью 3 Вт и длительностью на полувысоте амплитуды 0,5 не. В первичное оптическое волокно второго оптического разветвителя из второго лазера подавали импульс с заданной временной задержкой 0,7 нс относительно запуска импульса первого лазера с идентичными параметрами оптической мощности 3 Вт, длительности на полувысоте амплитуды 0,5 нс. Нагрузкой являлся СВЧ тракт с волновым сопротивлением 50 Ом, который был соединен с антенной. В результате реализации такой схемы на выходе был получен электрический биполярный импульс с размахом U=10,8 В при пиковом рабочем токе I_p=0,216 А.Example 1. A model of a radiophotonic fiber optic module was made, which included two assemblies of photodetectors, consisting of two monolithic microwave photodetectors, two optical splitters, two laser sources, and a docking module based on NbLiO ₃ . The first and second assemblies of microwave photodetectors were connected in antiparallel. The load was a microwave path with a wave impedance of 50 Ω connected to the antenna. The monolithic structure of multijunction microwave photodetectors contained three pin subelements connected in series based on the AlGaAs/GaAs heterostructure, with adjacent pin subelements connected to each other by means of tunnel diodes. A pulse of laser radiation with a given optical power of 3 W and a half-height amplitude of 0.5 ns was fed from the first laser into the primary optical fiber of the first optical splitter. A pulse was applied to the primary optical fiber of the second optical splitter from the second laser with a predetermined time delay of 0.7 ns relative to the start of the first laser pulse with identical optical power parameters of 3 W and an amplitude half-height duration of 0.5 ns. The load was a microwave path with a wave impedance of 50 Ω, which was connected to the antenna. As a result of the implementation of such a circuit, an electric bipolar pulse was obtained at the output with a swing of U=10.8 V at a peak operating current I _p = 0.216 A.

Пример 2. Был изготовлен макет радиофотонного оптоволоконного модуля, в состав которого входили две сборки фотодетекторов, состоявшие из пяти монолитных трехпереходных СВЧ фотодетекторов, два оптических разветвителя, два лазерных источника и стыковочный модуль на основе стекла. Монолитная структура многопереходных СВЧ фотодетекторов содержала три последовательно соединенных p-i-n субэлемента на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры, причем соседние p-i-n субэлементы были соединены друг с другом посредством туннельных диодов. В первичное оптическое волокно первого оптического разветвителя из первого лазера подавался импульс лазерного излучения с заданными оптической мощностью 20 Вт и длительностью на полувысоте амплитуды 0,5 нс. В первичное оптическое волокно второго оптического разветвителя из второго лазера подавали импульс с заданной временной задержкой 0,7 нс относительно запуска импульса первого лазера с идентичными параметрами оптической мощности 20 Вт, длительности на полувысоте амплитуды 0,5 нс (см. фиг. 5, кривая 31). Нагрузкой являлся СВЧ тракт с волновым сопротивлением 50 Ом, который был соединен с антенной. В результате реализации такой схемы на выходе был получен электрический биполярный импульс с размахом U=27 В при пиковом рабочем токе I_p=0,54 А (см. фиг. 6, кривая 33). Как видно из фиг. 6 сборка из 5 монолитных трехпереходных ФД (кривая 33) обеспечивает на 7% больший размах амплитуды по сравнению со сборкой из 16 однопереходных ФД в прототипе, не смотря на меньшее количество последовательно соединенных фотоактивных p-i-n диодов.Example 2. A model of a radiophotonic fiber optic module was made, which included two assemblies of photodetectors, consisting of five monolithic three-junction microwave photodetectors, two optical splitters, two laser sources, and a glass-based docking module. The monolithic structure of multijunction microwave photodetectors contained three pin subelements connected in series based on the AlGaAs/GaAs heterostructure, with adjacent pin subelements connected to each other by means of tunnel diodes. A pulse of laser radiation with a given optical power of 20 W and a half-height amplitude duration of 0.5 ns was fed from the first laser into the primary optical fiber of the first optical splitter. A pulse was applied to the primary optical fiber of the second optical splitter from the second laser with a specified time delay of 0.7 ns relative to the start of the first laser pulse with identical optical power parameters of 20 W, duration at half maximum amplitude of 0.5 ns (see Fig. 5, curve 31 ). The load was a microwave path with a wave impedance of 50 Ω, which was connected to the antenna. As a result of the implementation of such a circuit, an electric bipolar pulse was obtained at the output with a swing of U=27 V at a peak operating current I _p =0.54 A (see Fig. 6, curve 33). As can be seen from FIG. 6, an assembly of 5 monolithic three-junction PDs (curve 33) provides a 7% larger amplitude swing compared to an assembly of 16 single-junction PDs in the prototype, despite the smaller number of series-connected photoactive pin diodes.

Пример 3. Был изготовлен макет радиофотонного оптоволоконного модуля, в состав которого входили две сборки фотодетекторов, состоящие из восьми монолитных СВЧ фотодетекторов, два оптических разветвителя, два лазерных источника и стыковочный модуль на основе стекла. Монолитная структура многопереходных СВЧ фотодетекторов содержала три последовательно соединенных p-i-n субэлемента на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры, причем соседние p-i-n субэлементы были соединены друг с другом посредством туннельных диодов. В первичное волокно первого оптического разветвителя из первого лазера подавали импульс лазерного излучения с заданными оптической мощностью 50 Вт и длительностью на полувысоте амплитуды 0,5 нс. В первичное оптическое волокно второго оптического разветвителя из второго лазера подавали импульс с заданной временной задержкой 0,7 нс относительно запуска импульса первого лазера с идентичными параметрами оптической мощности 50 Вт, длительности на полувысоте амплитуды 0,5 нс. Нагрузкой являлся СВЧ тракт с волновым сопротивлением 50 Ом, которая была соединена с антенной. В результате реализации такой схемы на выходе был получен электрический биполярный импульс с размахом U=43 В при пиковом рабочем токе I_p=0,86 А.Example 3. A prototype of a radiophotonic fiber optic module was made, which included two photodetector assemblies, consisting of eight monolithic microwave photodetectors, two optical splitters, two laser sources, and a glass-based docking module. The monolithic structure of multijunction microwave photodetectors contained three pin subelements connected in series based on the AlGaAs/GaAs heterostructure, with adjacent pin subelements connected to each other by means of tunnel diodes. A pulse of laser radiation with a given optical power of 50 W and an amplitude half-height of 0.5 ns was applied to the primary fiber of the first optical splitter from the first laser. A pulse was applied to the primary optical fiber of the second optical splitter from the second laser with a specified time delay of 0.7 ns relative to the start of the first laser pulse with identical optical power parameters of 50 W and an amplitude half-height duration of 0.5 ns. The load was a microwave path with a wave impedance of 50 Ω, which was connected to the antenna. As a result of the implementation of such a circuit, an electric bipolar pulse was obtained at the output with a swing of U = 43 V at a peak operating current I _p = 0.86 A.

Claims

A radio-photonic fiber optic module, including a laser source of an optical signal of microwave pulses, two assemblies of photodetectors with serially connected microwave photodetectors and two optical splitters (1 × 2), secondary fibers of the first optical splitter (1 × 2) are optically coupled to serially connected microwave photodetectors of the first assembly of photodetectors , the secondary fibers of the second optical splitter (1×2) are optically coupled to the serially connected microwave photodetectors of the second photodetector assembly, both photodetector assemblies form a parallel back-to-back connection, and the junction points of the photodetector assemblies are connected via the microwave path to the antenna, the total number N of photodetectors in the photodetector assemblies and the corresponding total number N of secondary optical fibers in the first and second optical splitters (1×2) is

moreover, the number of photodetectors (F) in each assembly and the corresponding number of secondary optical fibers (F) in the first and second optical splitters (1×2) is equal to F=N/2, where

R - wave impedance of the microwave path of the antenna,

R _l - peak power of laser radiation in the primary optical fiber of the optical splitter, W;

S - photosensitivity of microwave photodetectors, A/W,

U _p - peak operating voltage of each microwave photodetector, V,

characterized in that it contains a second laser source of an optical signal of microwave pulses, optically connected to the primary optical fiber of the second optical splitter (1×2), the secondary optical fibers of the first and second optical splitters (1×2) are optically joined to the assemblies of photodetectors through docking modules, assemblies The photodetectors are made of at least two _{multijunction} microwave photodetectors in the form of a monolithic structure, which includes plenary semiconductor pin subelements having the same band gap Eg, but different thicknesses and doping levels, connected to each other by back-to-back tunnel diodes.