О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 24

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

Ефект невзаємної взаємодії збільшується застосуванням вентильного кристала, який інтенсивно поглинає відбиту хви­лю та практично не створює загасання для хвилі, що рухається в прямому напрямі.

При будь-якій конструкції коливальної системи до парама­гнітного кристала через окремий хвилевідний, або коаксіаль­ний, фідер підводиться від спеціального генератора сигнал на­качування. Вентильний пристрій використовується для захи­сту генератора накачування від впливу відбитої від коливальної системи хвилі. Атенюатор використовується для регулювання рівня потужності накачування, що підводиться до парамагні­тного кристала. Як бачимо з рис. 7.2, активна речовина разом з коливальною системою та частиною підвідних фідерних ліній розміщуються у посудинах Д'юара, які містить рідкий газ. Для підтримання дуже низької температури рідкого гелію (4,2° К) внутрішня посудина розміщена у зовнішній посудині, яка за­повнена рідким азотом (Т=77° К).Глибоке охолодження робочої речовини КПП та коливаль­ної системи необхідне з багатьох причин. По-перше, зниження температури робочої речовини до температури рідкого гелію до­зволяє різко збільшити різницю заселеності на робочому пере­ході та отримати в КПП достатньо великі коефіцієнти підсиле­ння (20—30 дБ). Друга причина глибокого охолодження підси­лювача — зменшення інтенсивності теплових процесів у актив­ній речовині та відповідне збільшення часу релаксації системи. Таким чином, при низьких температурах для отримання необ­хідного коефіцієнта інверсії заселеності необхідна менша по­тужність сигналу накачування. I, нарешті, глибоке охолодже­ння дозволяє істотно знизити рівень власних шумів підсилюва­ча, природа яких має в основному тепловий характер (теплове випромінювання активної речовини, стінок резонатора, хвиле­водів та ін.).

Система робочих рівнів. Вибір робочих енергетичних рів­нів у рубіні залежить від робочої частоти підсилювача. У діапа­зоні хвиль 3—5 см (6—10 ГГц) частіше за все використовують чотири енергетичні рівні кристала рубіну, орієнтованого відно­сно зовнішнього магнітного поля під кутом в = 54°44' (рис. 7.3 а). Енергетичне накачування відбувається одночасно на пере­ходах 1 — 3 та 2 — 4 , частоти яких дорівнюють v24 = v13 у широкому діапазоні зміни магнітного поля В. Для цього засе­ляється верхній рівень E3 робочого переходу 3 — 2 та збідню­ється його нижній рівень E2.

Такий методнакачування дозволяє отримати інверсний стан системи за умови, що частота накачування буде більшою за ча­стоту сигналу (v13 > v32 ), а не за подвоєну частоту сигналу, яка необхідна в трирівневій системі. Таким чином, при робочій частоті 6—10 ГГц як генератор накачування можна використо­вувати, наприклад, клістронний генератор із частотою v =12— 20 ГГц. На більш довгих хвилях >5 см, А < 6 ГГц) частіше за все використовують системи з трьох робочих рівнів для орі­
єнтації кристала відносно поля В під кутом в = 90°. На рис. 7.3 б зображені робочий перехід 4 — 3 та допоміжний пе­рехід накачування 2 — 4 або, що те саме 1 — 4 , оскільки в слабкому магнітному полі рівні 1 та 2 практично зливаються. Як бачимо з рисунка, AE14 > 2AE43. Цей режим вигідний можливістю використання слабкого магнітного поля, порядку200—700 Гс. Найбільший коефіцієнт інверсії заселеності дося­гається у разі використання режиму, зображеного на рис. 7.3 в. У зв'язку слабкого розщеплення рівнів 1 та 2 в цьому режимі необхідне використання більш сильних магнітних полів, що дає істотне збільшення коефіцієнта інверсії та відповідно коефіці­єнта підсилення.

Основними параметрами квантових парамагнітних підси­лювачів є: робоча частота vc, або довжина хвилі Ac сигналу, для підсилення якої розрахований підсилювач; частота vn, або дов­жина хвилі An сигналу накачування; смуга пропускання підси­лювача vc; коефіцієнт підсилення сигналу за потужністю; вели­чина магнітної індукції або напруженості зовнішнього постійно­го магнітного поля; температура робочої речовини; фактор шу­мів, або температура шумів, та динамічний діапазон підсилення.

Вибір робочої речовини та конструкції НВЧ- вузлів у бага­то чому визначається робочою частотою сигналу. У свою чергу, конструктивне рішення істотно впливає на величини коефіцієн­та підсилення, смугу пропускання та інші параметри. Розгляне­мо основні параметри КПП [17], [61]— [65].

Робоча частота сигналу. Квантові парамагнітні підси­лювачі використовуються для підсилення сигналів у достатньо широкому діапазоні надвисоких частот: від 0,6 до 75 ГГц або відповідно в діапазоні від 0,4 до 50 см. У довгохвильовій части­ні цього діапазону, а також на хвилях Ac ~ 1 6 см як робочу речовину зазвичай використовують рубін. На хвилях менше 1 см застосовують рутил, який знаходить застосування і в більш довгохвильовій частині діапазону. Як уже відмічалося раніше, на більш довгих хвилях використовується енергетичний спектр кристала рубіну, тригональна вісь якого розміщується перпен­дикулярно до напряму магнітного поля (в = 90°). В області більш коротких хвиль зазвичай використовують систему чоти­рьох рівнів кристала рубіну, орієнтованого відносно магнітного поля під кутом в = 54х .Частота сигналу накачування. Енергетичне накачуван­ня в КПП зазвичай виконується за допомогою клістронних ге­нераторів із довжиною хвилі An ~ 2,0 — 2,6 см — у дециметро­вому діапазоні хвиль An ~ 0, 2 — 1, 3 см — у сантиметровому та міліметровому діапазонах. Як було показано раніше, частота накачування повинна в крайньому випадку вдвічі перевищува­ти частоту сигналу. Це відношення найважче виконувати у ко­роткохвильовій частині діапазону, де, як правило, vn/vc « 2. У дециметровому діапазоні хвиль величина відношення vn/vc мо­же досягати значення 15 та більше.

Температура робочої речовини. Зазвичай квантові пара­магнітні підсилювачі працюють при температурах рідкого гелію (Т = 4,2° К). У деяких пристроях завдяки відкачуванню парів гелію до тиску приблизно 5—20 мм рт. ст. температура знижує­ться до значень 1,5—2° К.

Величина їндукцїї постїйного магнїтного поля лежить у межах 0,1 —5 кГс, збільшуючись зі зменшенням довжини ро­бочої хвилі. Вище вже відмічалося, що для створення постійно­го магнітного поля використовуються як зовнішні магнітні си­стеми, що розміщуються зовні кріостата, так і системи електро­магнітів (або постійних магнітів), що розміщуються разом із ко­ливальною системою в посудині з рідким гелієм.

Коефїцїєнт підсилення та смуга пропускання КПП істотним чином залежать від конструкції їх коливальної систе­ми. Розглянемо ці параметри стосовно основних типів кванто­вих підсилювачів.

Підсилювальні властивості КПП характеризуються магні­тною добротністю речовини Qm. Використання цієї величини в поєднанні з еквівалентною схемою коливальної системи підси­лювача дозволяє за допомогою добре відомих з теорії кіл та ра­діотехніки методів знайти величину Kp коефіцієнт підсилення амплітуди хвилі, рівняння частотної характеристики, величину смуги пропускання та інші параметри.Побудова однорезонаторного підсилювача прохідного та відбивного типів було показано на рис. 7.2 а, б. Найбільше по­ширення отримав відбивний підсилювач, у якому ефективність взаємодії поля з активною речовиною приблизно у 2 рази біль­ша, ніж у підсилювачі прохідного типу. Це зумовлене тим, що у відбивному підсилювачі сигнал випромінюється лише у напря­мі вихідного фідера, у той час як у прохідному підсилювачі це випромінювання відбувається через вхідний і вихідний отвори зв'язку.

У підсилювачі відбивного типу підсиленим є сигнал, відби­тий від резонатора, тобто той сигнал, який утворився на виході резонатора внаслідок поєднання вхідного сигналу та індукова­ного випромінювання активної речовини, утвореного під впли­вом уведеного раніше сигналу. Таким чином, коефіцієнт підси­лення сигналу за потужністю дорівнює квадрату модуля коефі­цієнта відбиття [61]: Kpp =| Г |2. Тоді, користуючись методами аналізу теорії кіл, можна отримати вираз для коефіцієнта під­силення за умови, що частота парамагнітного резонансу екві­валентна частоті резонатора та частоті сигналу:

(-L - Л_____ і_)2

 

^ Qo   Qzv   Qm '

де Qo'Qzv ,Qm відповідно магнітні добротності резонатора, приладів зв'язку та речовини.

За умови, що смуга парамагнітного резонансу Avt набагато ширша за смугу пропускання навантаженого резонатора Avra, що виконується в довгохвильовому діапазоні, смугу пропуска­ння підсилювача можна визначити з

Avc « 2Avra/yKp. (7.4)

У разі короткохвильового діапазону смуга пропускання підси­лювача визначається як

Avc w 2Av1/v/Kp. (7.5)Зі збільшенням Kp смуга пропускання підсилювача звужує­ться. Величина Kp для одноконтурних КПП зазвичай не пере­вищує 20—25 дБ, а величина смуги пропускання лежить у ме­жах від десятих часток до одиниць МГц. Для розширення смуги пропускання часто у КПП використовують систему з двох зв'я­заних контурів.

Перший резонатор може бути пасивним, тобто не містити активної речовини. Для підсилювача, в якому обидва резонато­ри містять активну речовину, смуга пропускання збільшується у л/2 разів у порівнянні з випадком одного активного резонатора. В загальному випадку використання системи з двома зв'язани­ми контурами дозволяє розширити смугу пропускання у 1,5—2 рази.

Величину коефіцієнта підсилення КПП рухомої хвилі мо­жна розрахувати методами звичайного аналізу кіл із врахува­нням поняття магнітної добротності речовини та за умови резо­нансу [61]:

krrNrr

Kp = 27, 3-Q--^ - вес, (7.6)

 

де kcc коефіцієнт сповільнення хвилі; Ncc = Ьее/Х0 Lcc, Л0 відповідно довжина системи сповільнення та довжина хвилі у вільному просторі; вее, Kp коефіцієнти підсилення та втрат у системі сповільнення, які виражені в дБ.

Як і в будь-якому регенеративному підсилювачі, ширина смуги пропускання КПП рухомої хвилі пов'язана з величиною коефіцієнта підсилення:Ave =


3

Kp + все - 3


(7.7)Наведені вище вирази справедливі у тому разі, якщо в КПП ви­конується режим рухомої хвилі.У КПП рухомої хвилі величина Kp досягає 50 дБ, а смуга

пропускання (для -ее = 200 ----- 300) становить 20—30 відсотків

від центральної робочої частоти.

Власні шуми квантового парамагнітного підсилюва­ча визначаються, головним чином, спонтанним випромінюва­нням активної речовини та тепловим випромінюванням стінок резонатора. Рівень спонтанного випромінювання в діапазоні НВЧ дуже малий, його величина порядку hve/k. При темпе­ратурі рідкого гелію рівень теплових шумів також невеликий. У загальному випадку спектральна густина потужності шумів КПП рухомої хвилі може бути розрахована за формулою

Bv = 1-r-       Pvsp + (Pvsp + Pvo) ^-ГГ    , (7.8)

 

де Pvsp ,Pv0 спектральна густина потужності спонтанних та теплових шумів відповідно; -ее, Kp коефіцієнти підсилення та втрат у системі сповільнення, виражені в дБ.

Tv =| Ts | +Toвее, (7.9) K-

де Ts від'ємна температура робочого переходу; T0 абсолю­тна температура резонатора.

Температура шумів квантового підсилювача дуже низька, вона не перевищує значень одиниць К°. Застосування КПП на вході радіоприймальних пристроїв призводить до істотного зро­стання їх чутливості, однак потрібно пам'ятати, що в реальних пристроях до власних шумів КПП додаються ще шуми антени, фідерних пристроїв та інші.

 

7.2.   Волоконні підсилювачі та лазери

 

Розвиток техніки волоконно-оптичного зв'язку та необхі­дність збільшувати інформаційну перепускність ліній зв'язкудля великих відстаней стали чинниками створення підсилюва­чів оптичних сигналів. Створення оптичних пiдсилювачiв стало можливим завдяки успіхам у технологіях отримання та легуван­ня оптичних волокон високої якості, створенню потужних інже­кційних лазерів і систем обробки оптичних сигналів [22], [66]— [71].

Залежно від призначення та вихідних параметрів діаметр



Принципова схема волоконного лазера та підсилювача на­ведена на рис. 7.4. Активний елемент виконаний у вигляді кварцового волокна, який у його центрі є легованими іонами-активаторами. Як такі використовують рідкісноземельні еле­менти та лантаноїди. Залежно від призначення оптичні хвиле­води можуть бути одномодовими і багатомодовими, а також містити декілька жил активатора, які мають різні конфігура­ції перетинів. Відмінність підсилювача від генератора полягає у відсутності відбивачів, що забезпечують позитивний зворотний зв'язок. Відбивачі, як правило, виконуються на базі фотонних кристалів або волоконних бреггівських решіток і довгоперіо-дних волоконних решіток [71]. У цих відбивачах періодично змі­нюється показник заломлення середовища уздовж хвилеводу, що є аналогом багатошарових дзеркал. У довгоперіодних воло­конних решітках збільшений період ще і зв'язує типи коливань активованої серцевини (ядра) та кварцової оболонки.серцевини волокна може змінюватися від десятка і сотень мі­крон у лазерних генераторах та одиниць мікрон у лазерних під­силювачах. При цьому довжина активного елемента може до­сягати одиниць та сотень метрів; як правило, оптоволокно змо­тується в компактні бухти. Поширення електромагнітних хвиль в оптичних хвилеводах аналогічно поширенню хвиль у діеле­ктричних хвилеводах, у яких реалізований режим повного вну­трішнього відбиття.

Потужність волоконного лазера в першу чергу визначає­ться потужністю елементів накачування, як такі використову­ють світлові діоди та інжекційні лазери. У малопотужних лазе­рах накачування реалізується безпосередньо в серцевину во­локна, що накладає обмеження на розміри джерела нака­чування (5 — 10 мкм). При цьому потужність накачування не перевищує сотень міліватів і саме тому вихідна потужність ста­новить 10-1—102 мВт. Малопотужні лазери знайшли застосува­ння у волоконно-оптичних лініях зв'язку, волоконних датчиках та спектроскопії.

Розроблення потужних напівпровідникових джерел дозво­лило збільшити вихідну потужність від сотень міліватів до де­сятків ватів. У цих лазерах середньої потужності використову­ють бреггівські решітки і в них майже відсутні нелінійні оптичні ефекти завдяки відсутності об'ємних елементів конструкції.

Уже при вихідній потужності, яка перевищує 1 Вт, у воло­кні виникає збудження вимушеного комбінаційного розсіюван­ня, що дозволяє ефективно перетворювати випромінювання во­локонного лазера у випромінювання іншої частоти [68]. Воло­конні лазери та конвертори середньої потужності отримали за­стосування як системи накачування ербієвих підсилювачів рі­зних оптичних діапазонів. Крім того, їх використовують у меди­цині, обробці металів, системах оптичної локації та наведення, бездротових системах зв'язку. Поєднання волоконних лазерів і конверторів на вимушеному комбінаційному розсіюванні до­зволяє отримати генерацію на будь-якій довжині хвилі в межах 0,9—2 мкм.

Останніми роками стрімкий розвиток отримали волоконні лазери з вихідною потужністю на одній поперечній моді, що пе­ревищує 100 Вт та 1 кВт у багатомодовому режимі. Особливі­стю конструкції таких лазерів є наявність об'ємних дзеркал та достатньо великий діаметр серцевини (до 30 мкм). Це ускла­днює їх комутацію з іншими волоконно-оптичними системами. Потужні багатомодові лазери є набором багатьох одномодових, які зібрані в один джгут. Застосовуються у медицині та техно­логічних процесах обробки металів.

Розглянемо особливості твердотільного волоконного лазе­ра, який працює у режимі підсилення. Найбільш перспектив­ним у цьому плані є лазери на склі, що активоване іонами ербію Er [22], а для лазерних систем широко використовуються іони Nd,Ho, Tm, Yb. Робоча довжина хвилі іона Er (1,52—1,57 мкм) відповідає вікнам прозорості волокна кварцу. Накачування ви­конується напівпровідниковим лазером, що забезпечує високу ефективність та надійність. Такі оптичні підсилювачі викори­стовуються в наддовгих волоконно-оптичних лініях зв'язку та для підсилення сигналу при розгалуженні його серед абонентів.

Схема енергетичних рівнів Er3+ у кварцовому волокні по­дана на рис. 7.5.

Накачування може виконуватися в одній із трьох областей спектра: 1,48 мкм, 0,989 мкм або 0,545 мкм. З них перші дві забезпечують найкращу ефективність. Ці спектри отримали на-звуС - областей [22] та відповідають мінімумувтраткварцового волокна.

При накачуванні в області 1,48 мкм ефективність оптичного перетворення є високою, але шумові характеристики при цьому погіршуються, ніж при накачуванні на 0,98 мкм. Довгохвильо­ве накачування є більш перспективним із причини мінімальної енергії, що виділяється при безвипромінювальних переходах, —
Рисунок 7.5 Схема енергетичних рівнів іона Er3+ у кварцовому волокні. Показані характерні смуги поглинання та люмінесценції, а також час життя збуджених станів

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка