ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group (ранее OSA) под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-12-03-13

УДК: 681.586.5

Интегральный оптоэлектронный осциллятор в приложениях связи и сенсорных систем

Ссылка для цитирования:
Иванов В.В., Воронков Г.С., Голубчиков А.С., Кузнецов И.В., Грахова Е.П., Кутлуяров Р.В. Интегральный оптоэлектронный осциллятор в приложениях связи и сенсорных систем // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 12. С. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023­5086­2023­90­12­03­13

 

Ivanov V.V., Voronkov G.S., Golubchikov A.S., Kuznetsov I.V., Grakhova E.P., Kutluyarov R.V. Pic­based optoelectronic oscillator for communication and sensing applications [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 12. P. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023­5086­2023­90­12­03­13

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Современные информационные технологии испытывают потребность в источниках высокочастотных радиосигналов (автогенераторах и синтезаторах частоты). Важными характеристиками таких устройств являются уровни фазовых шумов и коэффициент подавления боковых спектральных составляющих. Перспективным решением для получения радиосигналов с низким уровнем шумов и боковых спектральных составляющих является использование оптоэлектронного осциллятора с использованием технологий интегральной фотоники. Одним из ключевых элементов такого осциллятора является фазовый модулятор. В работе исследовались спектральные характеристики двух схем оптоэлектронных осцилляторов: на основе модулятора Маха–Цендера и электрооптического фазовращателя. Цель работы. Оценка качества гармонических колебаний, генерируемых оптоэлектронными осцилляторами двух типов (на основе фазового модулятора Маха–Цендера и электрооптического фазовращателя) и их сравнение по критериям уровня фазовых шумов и боковых спектральных составляющих. Анализ их применимости в телекоммуникационных и сенсорных системах. Метод. Проведено численное моделирование электрооптического фазовращателя в среде ANSYS Lumerical CHARGE и фазосдвигающей волоконной брэгговской решётки в среде ANSYS Lumerical MODE EME. В среде Ansys INTERCONNECT проведено численное моделирование работы оптоэлектронных осцилляторов. На основании полученных результатов проведены расчёты параметров качества синтезаторов частоты на основе оптоэлектронного осциллятора. Основные результаты. Рассмотрены схемы оптоэлектронных осцилляторов на основе модулятора Маха–Цендера и оптоэлектронного фазовращателя с фазосдвигающей решёткой Брэгга в качестве элемента управления частотой выходных колебаний. Произведено численное моделирование элементов схемы. Получены спектры сигналов на выходе оптоэлектронного осциллятора. Оценены уровни фазовых шумов, коэффициент подавления боковых спектральных составляющих. Показано, что в телекоммуникационных приложениях из­за более низкого уровня фазовых шумов предпочтительно использовать осциллятор на основе модулятора Маха–Цендера, в то время как для применения в системах опроса сенсоров (частотной интеррогации) допустимо использовать модулятор на основе фазовращателя. Практическая значимость. Результаты, полученные в представленной работе, могут использоваться для разработки оборудования радиосвязи в диапазоне частот до 100 ГГц, а также в полностью интегральных сенсорных системах с частотной интеррогацией, то есть регистрацией изменения длины волны оптического излучения в виде частоты электрического сигнала.

Ключевые слова:

синтезатор частоты, автогенератор, фазовый шум, интеррогация, оптоэлектроника, радиофотоника, фотонная интегральная схема

Благодарность:
исследование выполнено в рамках работ по государственному заданию Минобр­науки России для УУНиТ (код научной темы #FEUE­2021­0013, соглашение № 075­03­2023­119) в молодёжной научно­исследовательской лаборатории Евразийского НОЦ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»

Коды OCIS: 250.5300, 230.0250

Список источников:
  1. Ченакин А. Фазовые шумы в СВЧ генераторах, методы решения проблемы // Электроника, наука, технология, бизнес. 2011. Т. 4. С. 52–61
  2. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems // IEEE J. Quantum Electron. 1996. V. 32. № 7. P. 1141–1149
  3. Hao T., Liu Y., Tang J. et al. Recent advances in optoelectronic oscillators // Adv. Photonics. 2020. V. 2. № 04. P. 1. https://doi.org/10.1117/1.AP.2.4.044001
  4. Chaudhari J.P., Patel B., Patel A.V. et al. Highly stable signal generation in microwave interferometer using PLLs // Fusion Eng. Des. 2020. V. 161. P. 111993. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111993
  5. Eliyahu D., Seidel D., Maleki L. Phase noise of a high performance OEO and an ultralow noise floor cross­correlation microwave photonic homodyne system // 2008 IEEE International Frequency Control Symposium. Honolulu. 2008. P. 811–814. https://doi.org/10.1109/FREQ.2008.4623111
  6. Bogaerts W., De Heyn P., Van Vaerenbergh T. et al. Silicon microring resonators // Laser Photonics Rev. 2012. V. 6. № 1. P. 47–73. https://doi.org/10.1002/lpor.201100017
  7. Yao J. Optoelectronic oscillators for high speed and high resolution optical sensing // J. Light. Technol. 2017. V. 35. № 16. P. 3489–3497. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2586181
  8. Voronkov G., Zakoyan A., Ivanov V. et al. Design and modeling of a fully integrated microring­based photonic sensing system for liquid refractometry // Sensors. 2022. V. 22. № 23. P. 9553. https://doi.org/10.3390/s22239553
  9. Voronkov G.S., Aleksakina Y.V., Ivanov V.V. et al. Enhancing the performance of the photonic integrated sensing system by applying frequency interrogation // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 1. P. 193. https://doi.org/10.3390/nano13010193
  10. Zou X., Liu X., Li W. et al. Optoelectronic oscillators (OEOs) to sensing, measurement, and detection // IEEE J. Quantum Electron. 2016. V. 52. № 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1109/JQE.2015.2504088
  11. Zhang W., Yao J. Silicon photonic integrated optoelectronic oscillator for frequency­tunable microwave generation // J. Light. Technol. 2018. V. 36. № 19. P. 4655–4663. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2829823
  12. Yang Y., Wang M., Shen Y. et al. Refractive index and temperature sensing based on an optoelectronic oscillator incorporating a Fabry–Perot fiber Bragg grating // IEEE Photonics J. 2018. V. 10. № 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2778224
  13. Grakhova E.P., Voronkov G.S., Ishmiyarov A.A. et al. Performance analysis of the RoF uplink channel // Optical Technologies for Telecommunications / Ed. Burdin V.A. et al. Samara. Russian Federation: SPIE, 2021. P. 36. https://doi.org/10.1117/12.2593053
  14. Madan A., Yap SHK, Paulose V. et al. Investigation of a Bragg grating­based Fabry–Perot structure inscribed using femtosecond laser micromachining in an adiabatic fiber taper // Appl. Sci. 2020. V. 10. № 3. P. 1069. https://doi.org/10.3390/app10031069
  15. Li M., Hao T., Li W. et al. Tutorial on optoelectronic oscillators // APL Photonics. 2021. V. 6. № 6. P. 061101. https://doi.org/10.1063/5.0050311
  16. Microwave Wideband synthesizer with integrated VCO ADF4355 [Electronic resource]. URL: https://www.analog.com/media/en/technical­documentation/data­sheets/ADF4355.pdf (accessed: 20.02.2023)
  17. Xu L., Hu X., Zhang Y. et al. A highly sensitive and precise temperature sensor based on optoelectronic oscillator // Opt. Commun. 2021. V. 483. P. 126625. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126625
  18. Zou X., Lu B., Pan W. et al. Photonics for microwave measurements: Photonics for microwave measurements // Laser Photonics Rev. 2016. V. 10. № 5. P. 711–734. https://doi.org/10.1002/lpor.20160001