НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АСМОЛОВА ОЛЬГА ВАСИЛІВНА

УДК 621.396.621

621.383 (06)

ДЕТЕКТУВАННЯ ОПТИЧНИХ СИГНАЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ МІКРОХВИЛЬОВОЇ МОДУЛЯЦІЇ

Спеціальність 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному технічному університеті України “КПІ”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ільченко Михайло Юхимович,

Національний технічний університет України “КПІ”,

Директор Інституту телекомунікаційних систем,

завідувач кафедри засобів Телекомунікацій ІТС.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мачуський Євген Андрійович, Фізико-технічний

інститут, НТУУ „КПІ”, декан факультету Інформаційної

безпеки, директор особливого конструкторського бюро

„Шторм”, м. Київ.

кандидат технічних наук

Наритнік Теодор Миколайович, директор СП „Інститут

електроніки та зв’язку Української академії наук

національного прогресу”, м. Київ.

Провідна установа: ВАТ “Науково-виробниче підприємство “Сатурн”

Мінпромполітики України”, м. Київ.

Захист відбудеться 29.03.2007. о 15 год. годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.14 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, корп. 1, кімн. 163.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий 22.02.2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Уривський Л.А.

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 сиг-налом 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.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі засобів телекомунікацій Національного технічного університету України “КПІ” згідно з планом наукових досліджень Національного технічного університету України “КПІ” і в компанії AMPAC, Inc. в рамках проектів „Оцінка параметрів ПЗЗ матриць для гіперспектральних систем” за договором 08/4020-2003 та “Використання апарату нечітких множин і нейрологіки для обробки сигналів у системах підводного бачення” за договором 09/4020-04, та відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні.

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 мікро-хвильовими коливаннями

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

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

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

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

6. Розробка схем використання детектора оптичного випромінювання модульо-ваного 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.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: обґрунтування математичних моделей [1]; математичне моделювання граничної частоти фотодетектора [2]; дослідження впливу світлового потоку на зміну ємності p-n переходу [8, 11]; розробка математичної моделі [9]; експериментальні дослідження [3]; синтез схем та розробка математичних моделей цифрових перетворювачів та паралельних оптичних АЦП на базі детекторів оптичних сигналів з мікрохвильовою модуляцією [5-7]; комп’ютерне моделювання [10]; розробка математичних моделей та комп’ютерне моделювання [2-4]; розробка структурної схеми експериментальної установки [2]; обґрунтування математичної моделі та експериментальні дослідження [11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях: “ Актуальне проблемы електронного приборостроения “ (АПЭП-2004), (Саратов, 2004), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо-2005), (Севастополь, 2005); “Sensors Application Symposium” (SAS 2006), (USA); наукових семінарах кафедри засобів телекомунікацій НДІ телекомунікацій.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих праць, з яких 4 статті у наукових журналах, що відповідають переліку ВАК України, 5 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних конференцій, 2 патенти України. Іншими публікаціями є матеріали, представлені в 2-х звітах по вказаним вище науково-дослідним роботам.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 56 рисунків і 29 графіків, 3 таблиці, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (105 найменувань), додатка. Загальний обсяг дисертації складає 158 сторінок, з яких основний зміст викладено на 100 сторінках.

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 CPD 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.

Рис. 1. Залежність ємності фотодіода від величини падаючого світлового потоку
для різних значень ємності (2 пФ і 4 пФ)

Вплив світлового потоку Ф(t) на ємність фотодіода СРD призводить до її збільшення. Залежності зміни ємності від світлового потоку представлені на рис. 1.

Функція перетворення для запропонованого методу модуляції має вигляд:

, (2)

де Ф(t) – світловий потік,

IPD – струм фотодіода;

CPD(t) – ємність фотодіода;

f, – частота и фаза мікрохвильового сигналу.

Тобто модуляція світлового потоку Ф(t) перетворюється в модуляцію струму фотодіода IPD(t), що призводить до зміни ємності p-n переходу фотодіода СРD(t), тобто до зміни ємнісного опору фотодіода. Модуляція ємності p-n переходу фотодіода СРD(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 приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема детектора оптичного випромінювання що базується на використанні модуляції ємності фотодіода під впливом оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями для паралельного включення фотодіода, де fmod – мікрохвильовий модулятор, fLO – гетеродин

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 fmod. Надалі модульований оптичний сигнал надходить на вхід детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями. Для перетворення падаючого світлового потоку Ф(t) у зміну ємності СРD(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 fLO і змінюється під впливом зовнішнього світлового потоку, що падає на фотодіод.

Зміна резонансної частоти f0 приводить до зміни амплітуди або фази мікрохвильового сигналу гетеродина ULO 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.

Принцип перетворення частотної модуляції в амплітудну представлений на рис. :

Рис. 3. Принцип перетворення частотної модуляції в амплітудну, де ULO – амплітуда мікрохвильового сигналу гетеродина Uвих – амплітуда сигналу на виході схеми,
f0 – резонансна частота контуру, fLO – частота гетеродина, f0 – зміна резонансної частоти, AM – амплітудна модуляція, ФM – фазова модуляція, Керування – керування частотою.

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 Фmin,

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

- 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 (рис. 4):

. (8)

Рис. 4. Залежність чутливості детектора оптичного випромінювання модульованого мікрохвильовими коливаннями від світлового потоку та від частоти гетеродина

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.

Рис. 5. Залежності глибини модуляції амплітуди і фазі від частоти для фото діодів
з різними ємностями p-n переходів FND-100, Hamamatsu S3590-01,
Hamamatsu S3590-05, Hamamatsu S3590-08.

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 |

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%

Таблиця 2

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.

Рис. 6. Залежності глибини модуляції амплітуди (дБ) а) і фази () б) від напруги зсуву (В) для фотодіодів з різними емностями p-n переходів FND-100, Hamamatsu S3590-01, Hamamatsu S3590-05, Hamamatsu S3590-08.

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 fгр і вище - (1.21.3) fгр.

Рис. 7. Структурна схема цифрового перетворювача з фазовою маніпуляцією
з паралельно включеним резонансним контуром

Рис. 8. Структурна схема цифрового перетворювача з фазовою маніпуляцією
з послідовно включеним резонансним контуром (Патент України 17112 UA, МПК Н03С 7/00 НВЧ-перетворювая для оптичних телекомунікаційних систем / Асмолова О.В., Ільченко М.Ю., Молчанов П.А. - № u200602387; заявл. 03.03.2006; опубл. 15.09.2006. Бюл. № 9)

Структурні схеми запропонованих пристроїв з паралельно і послідовно включеним резонансним контуром зображені на рис. 7 – 9.

Рис. 9. Електрична схема цифрового перетворювача з фазовою маніпуляцією

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.

Рис. 10. Діаграма, що пояснює принцип роботи цифрового перетворювача з фазовою мані-пуляцією, де ULO – амплітуда мікрохвильового сигналу генератора мікрохвильових сигналів, f2 – резонансна частота контуру, fLO – частота мікрохвильового генератора, f1 – резонансна частота на який перелаштувався контур під дією світлового потоку, – стрибкоподібна зміна фази.

Принцип роботи цифрового перетворювача з фазовою маніпуляцією проілюстрований на рис. 10.

Рис. 11. Діаграма, що пояснює принцип формування логічних сигналів на виході формува-ча цифрового перетворювача з амплітудною модуляцією в залежності від світлового потоку

У цифровому перетворювачі з амплітудною модуляцією також використовується модуляція ємності, як і у цифровому перетворювачі з фазовою маніпуляцією (рис. 11).

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

Рис. 12. Структурна схема паралельного оптичного АЦП із фазовою маніпуляцією, де А – ана-логовий вхід у вигляді оптичної лини зв'язку, L1- Ln – компаратори, LO – генератор високо-частотних коливань, блок декодувальної логіки (Патент України 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)

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

Структурна схема паралельного оптичного АЦП представлена на рис. 12.

Кожен компаратор L1 – Ln 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< fn-1< fn. Таким чином, при збільшенні амплітудно модульованого оптичного сигналу на аналоговому оптичному вході, на виходах L1 – Ln компараторів формуються логічні одиниці, пропорційні величині цього сигналу.

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

Рис. 13. Діаграма, що пояснює принцип роботи паралельного оптичного АЦП
із фазовою маніпуляцією.

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.

Рис. 14. Структурна схема оптичного перемикача мікрохвильових коливань на основі діелектричних резонаторів з послідовним резонансним контуром

Рис. 15. Структурна схема оптичного перемикача на основі діелектричних резонаторів з паралельним резонансним контуром

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.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

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 випро-мінювання 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 %. По представленим пристроям отримано два патенти України 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 та 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.

10. Розроблений детектор оптичного випромінювання модульованого мікро-хвильовими 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.

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 %. По представленим пристроям отримано два патенти України 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 та 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. 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.

Ключові слова: детектор оптичного випромінювання, мікрохвильова модуляція, модуляція ємності фотодіода, чутливість у мікрохвильовому діапазоні, глибина модуляції, паралельний оптичний АЦП, ємність фотодіода.

АННОТАЦИЯ

Асмолова О. В. Детектирование оптических сигналов с использованием микроволновой модуляции. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 – радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2006.

В диссертации, на базе проведенного анализа современных типов фотодетекторов, показана перспективность применения разработанного детектора, который базируется на использовании модуляции емкости фотодиода под влиянием оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями для детектирования оптических сигналов. Его использование позволило повысить чувствительность фотодетектора на более высоких частотах микроволнового диапазона. Обосновано использование метода модуляции емкости фотодиода под воздействием оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями, в котором фотодиод включается в микроволновую линию передачи паралельно или последовательно вместе с индуктивнстью. Расчеты показали, что реактивная составляющая сопротивления фотодиода выше на высоких частотах, чем активная, и может использоваться для модуляции. В результате исследования влияния изменения светового потока на изменение емкости p-n перехода фотодиода, получена теоретическая зависимость преобразования светового потока в изменение емкости p-n перехода, которая положенная в основу модели детектора оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями. Впервые разработана и исследована модель детектора оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями с использованием полученной зависимости преобразования светового потока в изменение емкости p-n перехода. Усовершенствован принцип детектирования оптических сигналов путем использования модуляции емкости фотодиода под влиянием оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями и доказаны его преимущества на частотах, которые превышают верхнюю предельную частоту фотодиода. Получены новые экспериментальные результаты исследования детектора оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями, которые подтвердили возможность использования емкости p-n перехода фотодиода для детектирования оптического излучения, модулированного микроволновым сигналом. Наблюдалось повышение чувствительности на 20-33% в сравнении с методом двойного смешивания. Модуляция емкости фотодиода позволила повысить рабочую частоту фотодетекторов на 15-20% и может быть использована для построения более высокочастотных устройств.

На основе разработанной модели детектора оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями с использованием преобразования светового потока в изменение емкости p-n перехода был разработан новый тип устройств для оптических систем и лазерных сенсорных систем. К преимуществам этих устройств относятся: лучшая чувствительность на высоких частотах. А их быстродействие увеличено на 22–32 %. По представленным устройствам получены два патента Украины 17112 UA, МПК Н03С 7/00 СВЧ-преобразователь для оптических телекоммуникационных систем / Асмолова О.В., Ильченко М.Е., Молчанов П.А. - № u200602387; заявл. 03.03.2006; опубл. 15.09.2006. Бюл. № 9 и патент 17122 UA, МПК Н03Г 1/12, Н03С 7/00 Параллельный оптический аналого-цифровой преобразователь / Асмолова О.В., Молчанов П.А., Ильченко М.Е. – № u200602609; заявл. 10.03.2006; опубл. 15.09.2006. Разработанный детектор оптического излучения модулированного микроволновыми колебаниями внедрен в лазерную радарную систему SeaTroll, которая используется для исследования оптических свойств воды моря и океана.

Внедрение подтверждено актом внедрения от 24.01.2006г.

Ключевые слова: детектор оптического излучения, микроволновая модуляция, модуляция емкости фотодиода, чувствительность в микроволновом диапазоне, глубина модуляции, параллельный оптический АЦП, емкость фотодиода.

SUMMARY

Asmolova O.V. Detection of optical signals with microwave modulation. – Manuscript.

The thesis for taking of a scientist degree of the candidate of technical science on speciality 05.12.13 – Radiotechnical devices and telecommunication facilities. – National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2006.

In the thesis existent types of photodiodes were