Правила хорошего фотона. Радиофотоника: преимущества технологии, области применения и измерительные задачи

Виталий Мораренко, инженер компании Keysight Technologies, ведущий блога по оптике и фотонике

В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передачи наблюдается замещение электронных систем на фотонные. Отсутствие заряда и массы наделяет фотон свойствами, невозможными для электрона, в результате чего фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям и обладают гораздо большей, в сравнении с электронными, дальностью передачи и шириной занимаемой полосы сигнала.

Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении — радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.

Радиофотоника — новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов.

Кроме того, радиофотоника представляет собой область радиоэлектроники и радиотехники, в которой реализуется объединение в одном устройстве или его части оптических и радиоэлектронных (радиотехнических) цепей, элементов, схем, устройств (в том числе интегральных), обеспечивающих улучшение параметров — тактико-технических, эксплуатационных и других, а часто и расширение функционала аппаратуры. Это возможно при сближении рабочих частотных диапазонов, радиоэлектронных цепей и устройств и оптических (интегрально-оптических и волоконно-оптических) элементов и схем. Так, при работе аппаратуры в СВЧ-диапазоне совместное (в будущем — интегрированное) использование радиоэлектронных и оптических (фотонных) устройств и элементов позволяет говорить о новом разделе радиотехники, получившем название «микроволновая фотоника» (Microwave Phononics).

Данное направление в областях беспроводной связи и кабельного телевидения получило название Radio over Fiber (ROF), или Radio over Glass (ROG). Суть перечисленных технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т. д.) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX — Transmitter) и приемника (RX — Receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами (рис. 1).

Рис. 1. Структура системы передачи ВЧ/СВЧ-радиосигнала по волокну

Среди областей применения радиофотоники находится большое количество направлений, связанных с передачей радиосигнала на дальние (десятки и сотни метров или несколько километров) расстояния. Из самых востребованных задач можно выделить следующие:

• Передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи.

• Распределение сигналов на удаленные антенны.

• Линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов.

• Системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

• Оптические линии задержки и обработки сигналов.

• Системы калибровки радаров и РЛС.

• Фазированные антенные решетки (ФАР).

Конечно, любой инженер-оптик не раздумывая назовет большинство фундаментальных преимуществ радиофотонной технологии и вообще волоконно-оптических линий связи в сравнении с проводными (медными) и даже беспроводными системами передачи. В данной статье мы возьмем за основу книгу Урика Винсента Дж.-мл. и других авторов «Основы микроволновой фотоники» и приведем основные теоретические преимущества, базирующиеся на свойствах носителей информации (фотонах) и на свойствах среды распространения (кварцевое оптическое волокно).

Итак, фундаментальные преимущества радиофотоники:

1. Базирующиеся на фундаментальных свойствах носителей информации: фотон — безмассовая элементарная частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона равен нулю. Это обеспечивает:

• повышенное быстродействие (до десятков фемтосекунд);

• расширенную полосу пропускания (до терагерцевого диапазона).

2. Базирующиеся на свойствах среды распространения (кварцевое оптическое волокно). Это обеспечивает:

• малые потери при передаче (<0,2 дБ/км) и независимость (почти) их от частоты модуляции в радиочастотном диапазоне;

• расширенную рабочую полосу частот (до 15 ТГц);

• гораздо лучшие массогабаритные характеристики (волоконный кабель: масса 1,7 кг/км, диаметр 250 мкм; коаксиальный кабель: масса 560 кг/км, диаметр 10 мм);

• нечувствительность к электромагнитным наводкам (диэлектрик): улучшение электромагнитной совместимости внутри системы, повышение имитостойкости аппаратуры;

• значительно лучшие фазотемпературные характеристики: фазовая стабильность и возможность когерентного приема и обработки сигналов.

В качестве реально достигнутых практических преимуществ можно привести пример замены узлов РЛС на базе АФАР на радиофотонные, а именно:

• Возможность работы с пространственным (сейчас до 7 сердцевин в одном волокне, в дальнейшем до 19 сердцевин) и/или спектральным (до 80 оптических несущих по одной сердцевине с шагом 50 ГГц) уплотнением: передача с терабитными скоростями, улучшение массогабаритных характеристик и упрощение схемы диаграммообразующего устройства (ДОУ), многофункциональное (локация, радиоэлектронная борьба (РЭБ), связь, мониторинг), многодиапазонное (от L- до Кa-диапазона) функционирование, связь наземной и бортовой аппаратуры по одному кварцевому волокну (например, для 1500-элементной АФАР).

• Широкополосность: расширение мгновенной полосы обработки (сейчас до 2–3 ГГц, в будущем до 10 ГГц): повышение скорости и пропускной способности систем обработки.

• Широкий динамический диапазон тракта приема: повышение скрытности функционирования РЭС за счет работы на фоне сильных сигналов и помех.

• Малые потери и дисперсия в оптическом волокне: высококачественная передача цифровых и аналоговых СВЧ-сигналов между разнесенными постами аппаратуры, что упрощает размещение аппаратуры на носителях и позволяет создавать когерентный прием в системах распределенной структуры.

Основные компоненты радиофотонной системы

Основные компоненты радиофотонной системы, как и любой другой системы связи — это передатчик и приемник. Разумеется, это общие названия. На практике в системах с внешней модуляцией передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления (микропроцессор) и схемы контроля рабочей точки. В качестве приемников используются различные ВЧ-фотодиоды, а при необходимости детектирования модулированной фазы оптического сигнала — когерентные фотоприемные системы со смешением с опорным сигналом (рис. 2).

Рис. 2. Основные компоненты радиофотонных систем

Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей — залог передачи сигнала с минимальными потерями другими искажениями. Для некоторых типов сигналов, форматов и частоты модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна, так как потери могут возрасти в зависимости от состояния поляризации сигнала на выходе из оптического волокна.

Сегодня немало зарубежных компаний предлагают высокочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и принципов действия (рис. 3, 4). Это могут быть амплитудные электрооптические модуляторы Маха-Цандера, фазовые электрооптические модуляторы, поляризационные модуляторы, лазерные диоды с прямой модуляцией и аналоговые СВЧ-фотодиоды, балансные фотоприемники, pin-фотодиоды и другие. Сейчас важным направлением развития науки и техники в России является разработка отечественной компонентной базы, в особенности активных электрооптических и оптоэлектронных устройств. При проектировании, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве необходимо получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне, то есть всесторонне характеризовать.

Рис. 3. Примеры модуляторов и лазерных диодов, использующихся в радиофотонных системах

Рис. 4. Примеры фотоприемных устройств, использующихся в радиофотонных системах

Отдельного обсуждения требует тестирование пассивных оптических компонентов (а именно измерение потерь и других базовых параметров), а сейчас предлагаю обсудить характеристики высокочастотных оптоэлектронных (О/Э), электрооптических (Э/О) и оптических (О/О) компонентов в частотной области, то есть в зависимости от частоты модуляции.

Частотно-зависимые измерения характеристик О/Э-, Э/О- и О/О-устройств

Компоненты радиофотонных систем передачи необходимо характеризовать в рабочем диапазоне частот модуляции. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств. В оптических системах активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от типа выходных и входных сигналов и соотношений между ними. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств. Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и так далее, но все это с учетом разной природы входных и выходных сигналов. К тому же нельзя измерить параметр S12 ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в данных компонентах. Анализаторы оптических компонентов, или АОК (англ. Lightwave Component Analyzer, LCA), представляют собой приборы для измерения электрооптических S-параметров, таких как S21 и S11 или S22. Они основаны на стандартном анализаторе цепей и калиброванном блоке для испытаний электрооптических компонентов.

Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств. Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала. Крутизна характеристики или чувствительность (рис. 5) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Измерительный прибор должен определять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение обеих величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.

Для измерения зависимости параметров передачи и отражения электрооптических модуляторов, лазеров и светодиодов от частоты модуляции используется АОК. Здесь можно рассматривать измерения следующих параметров передачи:

• полоса модуляции и АЧХ;

• эффективность преобразования;

• влияние смещения;

• параметры импульсов;

• чувствительность отражения;

• фазовая характеристика модуляции;

• входной импеданс лазера/модулятора.

Рис. 5. Передаточная характеристика О/Э-преобразователей

Измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А (рис. 6).

Измерения, которые выполняются на оптических приемниках, во многом подобны тем, что проводятся на источниках оптического излучения, только в данном случае в качестве испытательного сигнала используется модулированный свет, а откликом является демодулированный электрический сигнал. Эти процедуры часто включают:

• измерение чувствительности и полосы модуляции фотодиода;

• измерение трансимпедансного усиления фотоприемника;

• измерение дифференциального усиления, разбаланса и коэффициента подавления синфазного сигнала детектора/приемника с симметричным входом;

• измерение переходной и импульсной характеристики;

• измерение и оптимизация выходного электрического импеданса.

Рис. 6. Передаточная характеристика Э/О-преобразователей (лазеров и светодиодов)

Теперь поговорим о концепции и аппаратной реализации измерительного прибора. Концептуальная блок-схема АОК, реализованного на базе векторного анализатора цепей и блока, осуществляющего преобразование радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис. 7. Концепция анализа оптических компонентов очень проста. Для этого выполняются измерения линейных параметров передачи и отражения на малых уровнях сигналов различных оптических компонентов. Анализатор оптических компонентов состоит из векторного СВЧ-анализатора цепей с подключенным к нему комплектом для оптических измерений. Для подачи испытательного сигнала на тестируемый компонент используется прецизионный источник электрических (генератор) или оптических (передатчик) сигналов, а для измерения переданных (или отраженных) сигналов предусмотрен очень точный и калиброванный оптический или электрический приемник. Поскольку нужно измерять характеристики в широком диапазоне частот модуляции, выполняется свипирование частоты модуляции в необходимом диапазоне.

Рис. 7. Концептуальная блок-схема анализатора оптических компонентов

Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (табл.). В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего — на пользовательской длине волны).

Ключом к выполнению точных Э/О-, О/О- и О/Э-измерений является калибровка измерительных приборов, которая позволяет АОК компенсировать влияние измерительной системы, включая электрические и оптоволоконные кабели, а также сам измерительный прибор. Для этого нужно проделать несколько операций калибровки/настройки.

Таблица. Линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies

АОК выполняет измерения, перестраивая частоту модулирующего сигнала. Таким образом выполняются измерения в частотной области. Однако АОК может математически преобразовать результаты измерений в частотной области и представить ее во временной области. Можно оценить и реакцию устройства на специальные сигналы, например «ступенька» или «импульс». Преобразование во временную область следует использовать при измерениях передачи и отражения, каждое из которых позволяет по-разному взглянуть на характеристики компонента.

Заключение

Итак, радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами. Сверхширокополосные аналоговые линии связи на ВОЛС, линии задержки, а также использующие элементы радиофотоники фильтры, генераторы и другие устройства СВЧ-диапазона находят применение в системах радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронного противодействия и в радиолокационных станциях. Все это — актуальные и перспективные области науки и техники в нашей стране. Вот почему вопросы оснащения контрольно-измерительным оборудованием в таких важных направлениях необходимо доверять надежным производителям, способным обеспечить весь цикл разработки и тестирования: от модели до готового образца, от дискретного или интегрального компонента до законченных узлов и систем.

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": https://www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 8

Электроника Контроль, испытания, исследования Электрический контроль Измерительное оборудование Измерительное оборудование Keysight Technologies Keysight Technologies