Детектування оптичних сигналів з використанням мікрохвильової модуляції

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Спеціальність 05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

ДЕТЕКТУВАННЯ ОПТИЧНИХ СИГНАЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ МІКРОХВИЛЬОВОЇ МОДУЛЯЦІЇ

ВИКОНАЛА АСМОЛОВА ОЛЬГА ВАСИЛІВНА

Київ 2007

АНОТАЦІЯ

Асмолова О.В. Детектування оптичних сигналів з використанням мікрохвильової модуляції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2006.

У дисертації, на базі проведеного аналізу сучасних типів фотодетекторів, показана перспективність застосування для детектування оптичних сигналів розробленого детектора, що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями. Його використання дозволяє підвищити чутливість фотодетектора на більш високих частотах мікрохвильового діапазону. Здійснено обґрунтування використання методу модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, у якому фотодіод включається в мікрохвильову лінію передачі паралельно або послідовно разом з індуктивністю.

Розрахунково доведено, що реактивна складова опору фотодіода вища на високих частотах, ніж активна, і може використовуватись для модуляції. В результаті дослідження впливу зміни світлового потоку на зміну ємності p-n переходу фотодіода, отримано теоретичну залежність перетворення світлового потоку в зміну ємності p-n переходу, яка покладена в основу моделі детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями. Вперше розроблено та досліджено модель детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з використанням отриманої залежності перетворення світлового потоку в зміну ємності p-n переходу. Удосконалено принцип детектування оптичних сигналів шляхом використання модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями та доведені його переваги на частотах, що перевищують верхню граничну частоту фотодіода. Отримано нові експериментальні результати дослідження детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, які підтвердили можливість використання ємності p-n переходу фотодіода для детектування оптичного випромінювання, модульованого мікрохвильовим сигналом. Спостерігалось підвищення чутливості на 20-33% у порівнянні з методом подвійного змішування. Використання модуляції ємності фотодіода дозволило підвищити робочу частоту фотодетекторів на 15-20% та може бути використана для побудови більш високочастотних пристроїв.

На основі розробленої моделі детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з використанням перетворення світлового потоку в зміну ємності p-n переходу було розроблено новий тип пристроїв для оптичних систем і лазерних сенсорних систем. До переваг цих пристроїв відносяться: краща чутливість на високих частотах. А їхня швидкодія збільшена на 22-32 %. Розроблений детектор оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями впроваджений у лазерну радарну систему SeaTroll, яка використовується для дослідження оптичних властивостей води моря та океану.

оптичний сигнал мікрохвильовий фотодіод



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час досягнуті значні успіхи в створенні різноманітних фотодетекторів завдяки використанню досягнень сучасної технології й елементної бази . Однак одержання високих технічних характеристик досягається за рахунок збільшення їх складності, габаритів, маси і вартості, а інтенсивне зростання обсягів переданої інформації вимагає практичної реалізації оптичних систем усе більш високої інформативної ємності.

Необхідність збільшення швидкості передачі даних і підвищення ефективності використання виділеного діапазону частот призвели до створення терабітних систем, можливість ефективної передачі даних в яких здійснюється за рахунок підвищення частоти модуляції. Для підвищення пропускної здатності каналів оптичних систем потрібна більш висока частота модуляції сигналів і, відповідно, детектори оптичного випромінювання, які повинні детектувати оптичні сигнали, модульовані коливаннями більш високої частоти, зокрема мікрохвильовими.

Однак з підвищенням частоти модуляції зменшується чутливість детекторів оптичного випромінювання, через вплив реактивних складових опору фотодіода. Задача збільшення чутливості фотоприймачів буде актуальна завжди, незалежно від досягнутої величини чутливості. В лазерних сенсорних системах модуляція лазерного променя мікрохвильовими коливаннями дозволяє підвищити роздільну здатність системи, тобто контрастність, якість зображення та дальність дії.

Для підвищення якості оптичних та лазерних сенсорних систем необхідно розробляти фотодетектори, оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовим сигналом, що відрізняються високою чутливістю на більш високих частотах та збільшеною робочою частотою.

Детектори оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовим сигналом дозволяють поліпшити роздільну здатність і чутливість звичайного лазерного локатора, підвищити контрастність об'єкта виявлення, тобто підвищити якість його зображення. А цифрові перетворювачі та оптичні паралельні аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), розроблені на основі детекторів дозволяють підвищити швидкість перетворення аналогово сигналу в цифровий при збільшеній точності.

В розвиток напрямку оптоелектроніки, що займається теорією та практикою створення і використання детекторів оптичного випромінювання з мікрохвильовою модуляцією, значний внесок зробили: М.Ю. Ільченко, П.А. Молчанов, В.М. Контаріно (V.M. Contarino), Л. Муллен (L. Mullen), Т. Берселлі (T. Bercelli), В.П. Кожем'яко, М.Т. Бова, Осадчук В.С. Філінюк М.А. і ін.

Розробка таких детекторів та удосконалення методу детектування з їх використанням відкриває додаткові можливості для створення оптичних та лазерних сенсорних систем та АЦП на їх основі.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка і дослідження детекторів оптичних сигналів модульованих мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю в мікрохвильовому діапазоні, використання яких дозволить підвищити швидкість та обсяги передачі інформації в оптичних системах, а також збільшить дальність виявлення та роздільну здатність і контрастність об'єктів в лазерних сенсорних системах.

Для досягнення поставленої мети розв'язуються такі задачі:

1. Проведення аналізу існуючих методів детектування модульованого оптичного випромінювання і детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями

2. Розробка моделі детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот

3. Проведення дослідження моделі детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот

4. Розробка детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот

5. Дослідження характеристик детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот для оптичних і лазерних сенсорних систем.

6. Розробка схем використання детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот в оптико-електронних перетворювачах і лазерних сенсорних системах

Об'єктом досліджень є детектор оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями в діапазоні частот 1…20 ГГц.

Предметом досліджень є модель детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот та метод детектування оптичного випромінювання на основі модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями

Методи досліджень. Використані в дисертації методи базуються на: теорії матриць для розробки узагальнених математичних моделей чотириполюсників на базі чотирьох типів моделей фотодіодів; теорії планування експерименту і комп'ютерного моделювання для експериментальної перевірки отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримані наступні наукові результати:

1. Вперше досліджено закономірності зміни активних та реактивних параметрів детекторів під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями.

2. Удосконалено метод детектування оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями який відрізняється від відомих тим, що в ньому використано модуляцію ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання, що дозволяє значно підвищити частоту модуляції оптичного випромінювання та чутливість детекторів при роботі на мікрохвильових частотах.

3. Розроблена модель детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями.

4. Вперше розроблені схеми оптичних детекторів для лазерних сенсорних систем та оптико-електронних перетворювачів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що базуються на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що дозволило підвищити їх робочу частоту на 10-50 %.

Практичне значення одержаних результатів

1. Вперше досліджена залежність ємності p-n переходу фотодіодів від величини оптичного потоку, яка покладена в основу побудови детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю у мікрохвильовому діапазоні частот

2. Розроблені і досліджені нові схеми детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями що базуються на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання, які дозволили значно підвищити частоту модуляції оптичного випромінювання та чутливість фотодетекторів при роботі на мікрохвильових частотах.

3. Розроблені нові схеми цифрового перетворювача та паралельного оптичного АЦП на базі детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями в якому використано модуляцію ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання, що захищені патентами України.

Отримані результати орієнтовані на практичне використання:

1. Для детектування оптичних сигналів модульованих мікрохвильовими коливаннями у високошвидкісних оптичних системах, що суттєво вплине на обсяги переданої інформації, швидкість та якість її обробки;

2. Для використання в лазерних сенсорних системах для дистанційних вимірювань, виявлення об'єктів у повітрі та воді, що базуються на використанні оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що суттєво вплине на чутливість, роздільну здатність, завадозахищеність та точність детектування об'єктів.

Результати досліджень впроваджені та використовуються в компанії AMPAC, Inc. (США). Впровадження підтверджуються відповідним актом.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображені актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведені відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.

У першому розділі проведений аналіз сучасних досягнень в області оптичних сигналів в оптичних та лазерних сенсорних системах. Зроблено класифікацію фотодетекторів для таких систем. Проведено оцінку технічного рівня сучасних детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями. Показано, що чутливість відомих фотодетекторів зменшується із підвищенням частоти. Визначено проблему створення детекторів оптичних сигналів модульованих мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю в мікрохвильовому діапазоні. На базі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначені основні напрямки та задачі досліджень.

В другому розділі, на основі розробленої математичної моделі детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, досліджені частотні характеристики детекторів оптичних сигналів модульованих мікрохвильовими коливаннями. В основу роботи розробленого детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями покладено принцип модуляції ємності p-n-переходу фотодіода зовнішнім світловим потоком. Проведено розрахунок активних та реактивних параметрів детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями.

Проведено розрахунок зміни ємності фотодіода C_PD в залежності від величини світлового потоку Ф(t). У досліджуваному фотодіоді величина контактної різниці потенціалів складала 0.5В, світловий потік змінювався від 1 до 600 лм. Формула залежності ємності від освітлення набуває такого вигляду:

, (1)

де r² - відстань від джерела світла до освітлювальної поверхні фотодіода, - магнітна

стала, - кут падіння променів світла на поверхню фотодіода, а - параметр, що залежить від конструктивних особливостей фотодіода.

Функція перетворення для запропонованого методу модуляції має вигляд:

, (2)



де Ф(t) - світловий потік,

I_PD - струм фотодіода;

C_PD(t) - ємність фотодіода;

f, - частота и фаза мікрохвильового сигналу.

Тобто модуляція світлового потоку Ф(t) перетворюється в модуляцію струму фотодіода I_PD(t), що призводить до зміни ємності p-n переходу фотодіода С_РD(t), тобто до зміни ємнісного опору фотодіода. Модуляція ємності p-n переходу фотодіода С_РD(t) перетворюється в модуляцію частоти f(t) або фази (t) мікрохвильових коливань гетеродинного генератора.

Структурна схема детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями для паралельного включення фотодіода в мікрохвильову лінію передачі. Схема детектора оптичного випромінювання, що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями складається з джерела випромінювання або лазера, мікрохвильового модулятора, гетеродина, фотодіода з додатковою індуктивністю, яка включена паралельно йому, мікрохвильового детектора, осцилографа і схеми синхронізації.

Лазер генерує оптичний сигнал, що модулюється зовнішнім мікрохвильовим модулятором з частотою f_mod. Надалі модульований оптичний сигнал надходить на вхід детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями. Для перетворення падаючого світлового потоку Ф(t) у зміну ємності С_РD(t) у мікрохвильову лінію передачі паралельно фотодіоду включена додаткова індуктивність, що утворить з ємністю фотодіода резонансний контур. Резонансна частота f₀ такого контуру найчастіше близька до частоти мікрохвильового сигналу гетеродина f_LO і змінюється під впливом зовнішнього світлового потоку, що падає на фотодіод.

Зміна резонансної частоти f₀ приводить до зміни амплітуди або фази мікрохвильового сигналу гетеродина U_LO на виході схеми детектора оптичного випромінювання.

З урахуванням цього, функція перетворення для методу частотної модуляції може бути записана у вигляді:

, (3)

де - резонансна частота контуру.

Загасання мікрохвильового сигналу в лінії передач L зв'язано з активною і реактивною складовими комплексної провідності фотодіода, тобто :

. (4)

Залежність ємності фотодіода від світлового потоку (1) була використана для розрахунку внесеного загасання (4), де реактивна складова враховує ємність фотодіода:

. (5)

. (6)

де ₀ - величина, що характеризує вплив активної складової G на глибину модуляції при мінімальному світловому потоці Ф_min,

_z - величина, що характеризує вплив активної складової G на глибину модуляції при мінімальному світловому потоці Ф_max.,

- коефіцієнт.

Залежності (5) і (6) представляють собою модель детектора, де залежність (5) пов'язує загасання мікрохвильового сигналу зі світловим потоком через зміну ємності та конструктивними параметрами фотодіода. Залежність (6) пов'язує глибину модуляції при мінімальному та максимальному освітленні фотодіода внаслідок зміни ємності.

Чутливість детектора на частоті гетеродина прямо пропорційна зміні резонансної частоти контуру під впливом світлового потоку та вимірюється в Гц/Лм:

(7)

Або, враховуючи наведені вище формули, чутливість може бути визначена як зміна загасання мікрохвильового сигналу під впливом потужності світлового потоку:

. (8)

Використовуючи модель детектора (5, 6) було доведено збільшення чутливості детектора оптичного випромінювання на більш високих частотах.

Третій розділ присвячений дослідженню частотних характеристик та глибини модуляції детектора оптичного випромінювання для паралельного та послідовного включення фотодіода в мікрохвильову лінію передачі.

Виконано дослідження динамічних характеристик детектора оптичного випромінювання в діапазоні частот 1…4 ГГц.

Глибина модуляції по амплітуді визначалася як різниця амплітуд при наявності і відсутності освітлення. А глибина модуляції по фазі визначалася як різниця фаз при наявності і відсутності освітлення.

У фотодіода з найбільшою ємністю Hamamatsu S3590-01 глибина модуляції по амплітуді досягала свого максимуму на частоті 168 МГц і склала 4.97 дБ при максимальній глибині модуляції по фазі 71.72 уже на частоті 187 Мгц. Фотодіод Hamamatsu S3590-08 з більшою ємністю має максимум глибини модуляції 6.79 дБ на частоті 208 Мгц при максимальній глибині модуляції по фазі 84.38 уже на частоті 220 Мгц. Для фотодіода Hamamatsu S3590-05 максимум глибини модуляції дорівнює 11.39 дБ на частоті 286 Мгц при максимальній глибині модуляції по фазі 88.5 уже на частоті 301Мгц. А для фотодіода FND-100 максимум глибини модуляції дорівнює 13.82 дБ на частоті 720 Мгц при максимальній глибині модуляції по фазі 65.39 уже на частоті 818.

Результат експерименту підтвердив вплив ємності p-n переходу фотодіода на його глибину модуляції. Чим більше ємність фотодіода, тим менше його глибина модуляції на високих частотах. Причому максимум глибини модуляції по амплітуді для фотодіодів з меншою ємністю розташований на більш високій частоті. А максимум глибини модуляції по фазі для того самого фотодіода знаходиться вище по частоті, чим максимум глибини модуляції по амплітуді. Наприклад, якщо для фотодіода FND-100 максимум глибини модуляції по амплітуді знаходиться на частоті 720 Мгц, то максимум глибини модуляції по фазі - на 818 Мгц, для фотодіода Hamamatsu S3590-08 - по амплітуді - на частоті 208 Мгц, то по фазі - на 220 Мгц, для фотодіода Hamamatsu S3590-05 - по амплітуді - на частоті 286 Мгц, то по фазі - на 301 Мгц і фотодіода Hamamatsu S3590-01 - по амплітуді - на частоті 168 Мгц, то по фазі - на 190 Мгц.

Результати зведені в наступні таблиці:



Таблиця 1. Результат експерименту

	Метод прямого детектування	Метод Берселі	Метод детектування на основі модуляції ємності фотодіода	Підвищення відносно методу прямого детектування
Частота модуляції	105 МГц	105 MГц	220МГц	На 15-20%
Чутливість на резонансній частоті	0 дБ	10-15 дБ	15-20 дБ	20-33%
Детектори	Частота модуляції, МГц	Відносне підвищення
	по амплітуді	по фазі
Hamamatsu(01)	168	187	11%
Hamamatsu(08)	208	220	6%
Hamamatsu(05)	286	301	5%
FND (100)	720	818	12%

Тобто проведений експеримент підтвердив, що модуляція ємності фотодіода можлива на більш високих частотах, ніж модуляція амплітуди.

Наступний експеримент полягав у дослідженні частотної характеристики загасання внесеного в мікрохвильову лінію передачі або глибини модуляції кожного фотодіода при відсутності напруги зсуву або при різних напругах зсуву - 0.5В, -30В, -90 В в двох станах - під впливом світлового потоку і без.

Глибина модуляції по амплітуді кремнієвого фотодіода FND-100 лежить у межах 14-20 дБ і майже незмінна у всьому діапазоні прикладених напруг зсуву, так само як і глибина модуляції по фазі, а глибина модуляції по амплітуді для p-i-n фотодіодів Hamamatsu S3590 залежить від прикладеної напруги зсуву і максимальна при нульовому значенні напруги зсуву. У такий спосіб для фотодіода Hamamatsu S3590-05 максимальне значення глибини модуляції при відсутності напруги зсуву складає 26 дБ, а для фотодіода Hamamatsu S3590-01 - 16 дБ.

Четвертий розділ присвячений розробці і дослідженню цифрових перетворювачів для оптичних систем з фазовою маніпуляцією і з амплітудною модуляцією, паралельного оптичного АЦП із фазовою маніпуляцією і з амплітудною модуляцією, а також оптичного перемикача на основі діелектричних резонаторів.

Викладено методику розрахунку детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями.

Подано рекомендації з використання детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями і пристроїв на їх основі в оптичних системах, лазерних сенсорних системах для дистанційних вимірів, виявлення об'єктів у повітрі і воді.

Цифрові перетворювачі з фазовою маніпуляцією та амплітудною модуляцією призначені для перетворення оптичного амплітудно модульованого сигналу в мікрохвильові коливання з фазовою маніпуляцією. Особливістю пристроїв є підвищена чутливість у мікрохвильовому діапазоні частот. Перетворювачі можуть бути використані на граничній частоті фотодетектора f_гр і вище - (1.21.3) f_гр.

Ці пристрої відрізняються від відомих тим, що формувач виконано у вигляді паралельного, послідовного чи послідовно-паралельного резонансного контуру, утвореного ємністю фотодіода і додатковою індуктивністю, і включеного в мікрохвильову лінію передачі. Генератор керуючого сигналу формує оптичні амплітудно модульовані сигнали. І керування формувачем здійснюється оптично.

У цифровому перетворювачі з амплітудною модуляцією також використовується модуляція ємності, як і у цифровому перетворювачі з фазовою маніпуляцією.

Перевагами цих перетворювачів є: по-перше, підвищена швидкодія. По-друге, підвищена чутливість, що підвищується зі збільшенням частоти, на відміну від традиційних фотодетекторів.

Паралельний оптичний аналого-цифровий перетворювачі з фазовою маніпуляцією та з амплітудною модуляцією призначені для високошвидкісного перетворення оптичного амплітудно модульованого сигналу у високочастотні коливання з фазовою маніпуляцією, а потім у цифровий код.

Кожен компаратор L₁ - L_n виконаний у вигляді паралельного чи послідовного резонансного контуру, утвореного ємністю фотодіода і додатковою індуктивністю, причому кожен контур налаштований на свою, відмінну від інших компараторів близько лежачу частоту, причому f₁< f₂< f_n-1< f_n. Таким чином, при збільшенні амплітудно модульованого оптичного сигналу на аналоговому оптичному вході, на виходах L₁ - L_n компараторів формуються логічні одиниці, пропорційні величині цього сигналу.

В результаті, максимальному оптичному сигналу буде відповідати наявність логічних “1” на виходах усіх L_n компараторів.

При відсутності оптичного керуючого сигналу резонансна частота повертається в початковий стан і фаза вихідного мікрохвильового сигналу перекидається у вихідний стан, а вихідний сигнал у вигляді логічного “0” надходить на входи блоку декодувальної логіки. Який перетворить інвертовані фази сигналів джерела у вихідний код.

Його перевагами є: підвищена чутливість на високих частотах, на відміну від традиційних фотодетекторів. Перетворювачі працюють з частотою модуляції на 15-20% вище ніж при використанні традиційних схем.

Оптичний перемикач мікрохвильових коливань на основі діелектричних резонаторів складається з вхідного відрізка мікрохвильової лінії передачі, першого і другого відрізків мікрохвильової лінії передачі, першого і другого діелектричних резонаторів з резонансними частотами f₁ і f₂ і фотодіода з додатковою індуктивністю L, що утворять паралельний або послідовний резонансний контур.

В залежності від величини світлового потоку, будуть збуджуватись електромагнітні коливання в першому вихідному відрізку мікрохвильової лінії передачі з частотою f₁ чи в другому вихідному відрізку мікрохвильової лінії передачі з частотою f₂. Тобто відбувається оптичне переключення мікрохвильових коливань на виходах 1 і 2.

Перевагами таких перемикачів є їх швидкодія, що обмежується тільки швидкістю зміни резонансної частоти контуру, утвореного фотодіодом і індуктивністю. А так само можливість використання на більш високих частотах.



ВИСНОВКИ

У дисертації, на базі проведеного аналізу сучасних типів фотодетекторів, обґрунтовано перспективність застосування модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями для детектування оптичних сигналів розробленого детектора, що дозволяє підвищити чутливість фотодетектора у мікрохвильовому діапазоні частот.

Застосувавши методи електронного моделювання, теорії матричного числення, отримані наступні теоретичні і практичні результати:

1. Розглянувши характеристики та властивості існуючих типів фотодетекторів, було підтверджено, що їх чутливість зменшується на більш високих частотах. Методи гетеродинного детектування і подвійного змішування частково усувають цей недолік, тобто дозволяють підвищити чутливість фотодетекторів у вузькій смузі частот у порівнянні з методом прямого детектування. Однак вони так само не забезпечують потрібної чутливості на більш високих частотах мікрохвильового діапазону.

Тому необхідно розробляти нові моделі роботи детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з підвищеною чутливістю на більш високих частотах.

2. Здійснено обґрунтування використання методу детектування на основі модуляції ємності, у якому фотодіод включається в мікрохвильову лінію передачі паралельно або послідовно разом з індуктивністю. Розрахунково доведено, що реактивна складова опору фотодіода вища на високих частотах, ніж активна, і може використовуватись для модуляції.

3. В результаті дослідження впливу світлового потоку на ємність p-n переходу фотодіода, отримано теоретичну залежність перетворення світлового потоку в зміну ємності p-n переходу, яка покладена в основу детектора оптичного випромінювання з мікрохвильовою модуляцією.

4. Вперше розроблено та досліджено модель детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями з використанням отриманої теоретичної залежності перетворення світлового потоку в зміну ємності p-n переходу. Удосконалено метод детектування оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями який відрізняється від відомих тим, що в ньому використано модуляцію ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання, та доведені його переваги на частотах, що перевищують верхню граничну частоту фотодіода.

5. Отримано нові експериментальні результати дослідження, які підтвердили можливість використання ємності p-n переходу фотодіода для детектування оптичного випромінювання, модульованого мікрохвильовими коливаннями. Спостерігалось підвищення чутливості на 20-33% у порівнянні з методом подвійного змішування.

6. Порівняння результатів розрахунку й експериментів показало, що погрішність не перевищує 10 %, що дозволяє судити про гарну збіжність результатів і можливості застосування теоретичної моделі детекторів оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями для розробки нових високочастотних пристроїв для оптичних систем і лазерних сенсорних систем.

7. Розроблено методику розрахунку детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями..

8. Використання модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання дозволило підвищити робочу частоту фотодетекторів на 15-20% та може бути використана для побудови більш високочастотних пристроїв.

9. На основі розробленої моделі детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями, що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями було розроблено новий тип швидкодіючих пристроїв для оптичних систем і лазерних сенсорних систем, а саме цифровий перетворювач з фазовою маніпуляцією, цифровий перетворювач з амплітудною модуляцією, паралельний оптичний АЦП із фазовою маніпуляцією, паралельний оптичний АЦП з амплітудною модуляцією, оптичний перемикач на основі діелектричних резонаторів і детектор оптичного випромінювання з мікрохвильовою модуляцією для лазерних сенсорних систем. До переваг цих пристроїв відносяться: краща чутливість на високих частотах та збільшена частота модуляції на 15-20 %.

10. Розроблений детектор оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями впроваджений у лазерну радарну систему SeaTroll, яка використовується для дослідження оптичних властивостей води моря та океану. Впровадження підтверджено актом впровадження від 24.01.2006р.



СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ільченко М.Ю., Асмолова О.В. Фотодетектор з мікрохвильовою модуляцією в лазерних системах обробки сигналів // "Наукові Вісті Національного Технічного Університету України "Київський політехнічний інститут". - 2006. - № 3. - С. 5-9.

2. О.В. Асмолова, М.Ю. Ільченко. Модуляція НВЧ коливань за допомогою фотодетектора // Электроника и связь. Научно-технический сборник. - 2006. - №4. - C. 44-47.

3. O.V. Asmolova, “New Approach to detection and Modulation of Light”, “Microwave and Optical Information Technologies” Kyiv “Politehnika”. - 2004. - P. 13-17.

4. Асмолова О.В. Використання мікрохвильового фотодетектора в оптичних телекомунікаційних системах // Вісник Хмельницького національного університету - 2006. - №4 - С. 165 - 172.

5. Патент 17112 UA, МПК Н03С 7/00 НВЧ-перетворювач для оптичних телекомунікаційних систем / Асмолова О.В., Ільченко М.Ю., Молчанов П.А. - № u200602387; заявл. 03.03.2006; опубл. 15.09.2006. Бюл. № 9.

6. Патент 17122 UA, МПК Н03М 1/12, Н03С 7/00 Паралельний оптичний аналого-цифровий перетворювач / Асмолова О.В., Молчанов П.А., Ільченко М.Ю. - № u200602609; заявл. 10.03.2006; опубл. 15.09.2006. Бюл. № 9.

7. П.А. Молчанов, И.М. Петросюк, О.В. Асмолова, А.И. Лученко, Чувствительность оптических негасенсоров // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2003. - Т. 2, №3. - С.138-141.

8. P.Molchanov, V. Contarino, M. Ilchenko, O. Asmolova. Capacitive Modulation in High-speed Photodetectors // Proc. of SPIE. Optical Sensing II. Vol. 6189 - 2006. - P. 61891V-1 - 61891V-8.

9. V.M. Contarino, P.A. Molchanov, O.V. Asmolova, I.M. Petrosyuk. Microwave modulation in highspeed photodetectors // International Conference on Actual Problems of Electron Device Engineering (АПЭП-2004). - Saratov, 2004. - P. 37-41.

10. Ильченко М.Е., Асмолова О.В. Исследование частотного метода для детектирования оптического луча с микроволновой модуляцией // 15-я международная крымская микроволновая конференция СВЧ-техника и телекоммуникационные технологи. - 2005. - C. 298 - 299.

11. P.A. Molchanov, V.M. Contarino, B.M. Concannon, O.V. Asmolova, I.M. Petrosyuk, Yu.Yu. Podobna. Nanosecond Gated Optical Sensors for Ocean Optic Application // Sensors Application Symposium (SAS 2006), Houston, Texas. - 2006. - Р. 147 - 150.

Размещено на Allbest.ru