Особенности построения радиофотонных приемопередающих каналов бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга

Введение. При проектировании современных бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга остро стоит проблема улучшения качественных характеристик, таких, как увеличение рабочей частоты, расширение мгновенной полосы пропускания и повышения чувствительности приемника, улучшение электромагнитной совместимости. Кроме того, необходимо уменьшать размер системы, ее массу, мощность и стоимость. При этом полупроводниковая сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника подошла к границам достижимых частотных и динамических характеристик. Одним из оптимальных решений данной проблемы является использование радиофотонной передающей линии при построении бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга, в основе которой лежит модуляция лазерного излучения посредством электроабсорбции.

Цель работы. Основная цель данной статьи – исследование передаточных характеристик и коэффициента шума радиофотонной передающей линии, в основе которой лежит модуляция лазерного излучения посредством электроабсорбции, сопоставление теоретических расчетов и практических результатов.

Материалы и методы. Метод внешней модуляции с использованием электроабсорбционного модулятора (ЭАМ), математическое представление коэффициента передачи, коэффициента шума при использовании ЭАМ, метод сопоставления практических результатов в части коэффициента передачи, коэффициента шума и теоретических.

Результаты. Получены теоретические значения коэффициента передачи и коэффициента шума для радиофотонной передающей линии, в основу которой положен метод внешней модуляции с использованием ЭАМ. Представлены экспериментальные результаты исследования коэффициента передачи и коэффициента шума для радиофотонной линии в диапазоне частот от 100 МГц до 16 ГГц и сопоставлены с результатами как для наиболее близких серийно выпускаемых изделий зарубежного производства, так и отечественных исследований радиофотонных линий передачи сигнала.

Заключение. За счет использования ЭАМ и его главного достоинства в части возможности интеграции с лазерным излучателем был спроектирован и изготовлен малогабаритный промышленный образец радиофотонного приемопередатчика, способный передавать радиосигнал на десятки километров в диапазоне частот от 100 МГц до 12 ГГц с значением коэффициента передачи не менее −3 дБ и коэффициента шума не более 36 дБ на верхней рабочей частоте. При этом наиболее близкий аналог, изготавливаемый фирмой "Emcore", при схожих габаритах имеет коэффициент передачи на уровне −30 дБ и в качестве способа передачи использует непосредственную модуляцию лазерного излучения, что значительно снижает дальность передачи СВЧ-сигнала.

1. Особенности построения бортовой волоконно-оптической синхросети / А. А. Емельянов, М. Е. Белкин, Н. В. Топорков, В. А. Масной // Радиотехника. 2017. № 8. С. 121–125.

2. Белкин М. Е., Сигов А. С. Новое направление фотоники – сверхвысокочастотная оптоэлектроника // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 8. С. 901–914.

3. All‐optical RF amplification toward Gpbs communications and millimeter‐waves applications / A. L. Muniz, D. F. Noque, R. M. Borges, A. Bogoni, M. Hirano, A. S. Cerqueira // Microwave and Optical Technology Let. 2017. Vol. 59, № 9. P. 2185–2189. doi: 10.1002/mop.30704

4. Повышение коэффициента передачи радиочастотной волоконно-оптической линии за счет управления рабочей точкой внешнего модулятора / А. Н. Петров, А. В. Тронев, В. В. Лебедев, И. В. Ильичев, Е. Н. Величко, А. В. Шамрай // Журн. техн. физики. 2015. Т. 85, № 5. С. 131–136.

5. Универсальный радиофотонный приемный канал микроволнового диапазона / В. В. Валуев, Ю. В. Гуляев, С. М. Конторов, В. В. Кулагин, Д. А. Прохоров, В. А. Черепенин // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 9. С. 1020–1028. doi: 10.1134/S0033849418090218

6. Исследование характеристик фотодетектора с высоким фототоком при передаче сверхвысокочастотного радиосигнала по оптоволокну / И. Ю. Таценко, Т. К. Легкова, А. В. Иванов, А. Б. Устинов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 4. С. 48−56. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-4-48-56

7. Белкин М. Е., Кудж С. А., Сигов А. С. Новые принципы построения радиоэлектронной аппаратуры СВЧ-диапазона с использованием радиофотонной технологии // Russian Technological J. 2016. Т. 4, № 1. С. 4–20. doi: 10.32362/2500-316X-2016-4-1-4-20

8. Shcherbakov V. V., Solodkov A. F., Zadernovsky A. A. Transmission Of Light Intensity Modulation Signals In Analog Fiber-Optic Links // RENSIT. 2016. Vol. 8, № 1. P. 9–24. doi: 10.17725/rensit.2016.08.009

9. A Performance Based Comparative Analysis of High Speed Electro Absorption and Mach-Zehnder Modulators to Mitigate Chromatic Dispersion at 140 GHz Millimeter Wave / A. Latif, A. Hussain, F. Khan, A. Hussain, Y. Khan, A. Munir // Advances in Information Sciences and Service Sciences. 2012. Vol. 4. P. 368–377. doi: 10.4156/aiss.vol4.issue20.44

10. Hunsperger R. Direct Modulation of Semiconductor Lasers // Integrated Optics. New York: Springer, 2009. P. 325–344. doi: 10.1007/b98730_16

11. Афанасьев В. М., Пономарев Р. С. Электрооптические амплитудные модуляторы Маха–Цендера на основе ниобата лития, их модификации и форматы модуляции // Прикладная фотоника. 2017. № 4. С. 337–360. doi:10.15593/2411-4367/2017.04.08

12. Ultra-compact silicon modulator with 110 GHz bandwidth / C. Han, M. Jin, Y. Tao, B. Shen, H. Shu, X. Wang // Optical Fiber Communications Conf. and Exhibition (OFC). Diego, USA, 06–10 March 2022. IEEE, 2022. Paper Th4C.5.

13. Prasad S., Ghatol A., Patil M. A. V. Radio over fiber technology using electro-absorption modulation. Intern // J. of Engineering Science and Technology. 2010. Vol. 2, № 10. P. 5663–5671.

14. Cox III C., Ackerman E. I. Fiber-Optic Analog Radio Frequency Links // Broadband Optical Modulators / ed. by A. Chen, E. Murphy. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2016. P. 64–73. doi: 10.1201/b11444-5

15. Optoelectronic Frequency Conversion Employing an Electro-Absorption Modulated Laser for a Cube Satellite Earth Station / S. Fukushima, T. Uezono, S. Ohshima, T. Watanabe, T. Nagayama // Progress in Electromagnetics Research Symp., Toyama, Japan, 01–04 Aug. 2018. IEEE, 2018. P. 257–261. doi: 10.23919/PIERS.2018.8598042

16. Hazra P., Bhattacharya S., Pal S. Effect of noise on Electro Absorption Modulator (EAM) and optimization – Used for optical communication // 1st Intern. Conf. on Emerging Trends and Applications in Computer Science, Shillong, India, 13–14 Sept. 2013. IEEE, 2013. P. 52–56. doi: 10.1109/ICETACS.2013.6691394

17. Duque-Gomez F., Sipe, J. E. The Franz-Keldysh effect revisited: Electroabsorption including interband coupling and excitonic effects // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2015. Vol. 76. P. 138–152. doi: 10.1016/j.jpcs.2014.07.023

18. Pedersen T. G., Cornean H. D. Enhanced Stark Effect in Dirac Materials // J. of Physics: Condensed Matter. 2022. Vol. 34, № 43. P. 435301. doi: 10.1088/1361648X/ac8a34

19. Gain Limit in Analog Links Using Electroabsorption Modulators / G. E. Betts, X. B. Xie, I. Shubin, W. S. C. Chang, P. K. L. Yu // Photonics Technology Let. 2006. Vol. 18, № 19. P. 2065–2067. doi: 10.1109/LPT.2006.883292

20. Shin D.-S. Gain-bandwidth relation of electroabsorption-modulated analogue fibre link: Effect of photocurrent resistance // Electronics Let. 2012. Vol. 48, № 7. P. 387–389. doi: 10.1049/el.2012.0057

21. 50 Gb/s Electro-Absorption Modulator Integrated with a Distributed Feedback Laser for Passive Optical Network Systems / D. Zhou, S. Liang, R. Zhang, Q. Yang, X. Zhu, D. Lu, L. Zhao, W. Wang // Photonics. 2022. Vol. 9, № 10. P. 780. doi: 10.3390/photonics9100780

22. Оптические разъемы: типы, отличия, применение. URL: https://skomplekt.com/opticheskierazemy-connectors/ (дата обращения 24.05.2022)

23. Унченко И. В., Емельянов А. А. Модульная многопозиционная когерентная цифровая радиофотонная система // Russian Technological J. 2022. Т. 10, № 4. С. 27–37. doi: 10.32362/2500-316X-2022-10-4-27-37