Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток

Авторы патента:

G02F1/13312 - Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика (термометры с использованием изменения цвета или прозрачности G01K 11/12; с использованием изменения параметров флуоресценцией G01K 11/32; световоды G02B 6/00; оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых элементов для управления светом от независимого источника G02B 26/00; управление светом вообще G05D 25/00; системы визуальной сигнализации G08B 5/00; устройства для индикации меняющейся информации путем выбора или комбинации отдельных элементов G09F 9/00; схемы и устройства управления для приборов

G02F1/01 - для регулирования интенсивности, фазы, поляризации или цвета (G02F 1/29, G02F 1/35 имеют преимущество; поляризирующие элементы как таковые G02B 5/30; статические запоминающие устройства как таковые G11C; экраны электронно-лучевых приборов, действующие как электронно-оптические преобразователи путем манипулирования заслонкой, H01J 29/12; экраны электронно-лучевых приборов, действующих путем изменения цвета, H01J 29/14)

Владельцы патента RU 2760107:

Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (RU)

Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники. Радиофотонное устройство сканирования антенных решеток основано на широкополосном источнике оптического сигнала, многоспектральных демультиплексорах и полупроводниковых оптических усилителях (SOA), применяемых в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, уменьшение потерь сигнала, габаритов и энергопотребления. 2 ил.

Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники, а более конкретно к быстродействующим системам сканирования широкополосных активных фазированных антенных решеток (АФАР) и радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) для скоростного сканирования их луча (лучей) в широком диапазоне углов [1,2].

Существует большое число устройств сканирования, на основе фотоники и радиофотоники для радиолокации, связи и систем навигации, причем для обеспечения функционирования таких систем в широкой полосе частот применяется временной метод, за счет изменения задержки сигналов [2-5].

1. В устройстве [3] временной метод сканирования реализован по параллельной радиофотонной схеме, в которой видеоимпульсный сигнал с радиочастотным спектром подается параллельно на 4 гетеролазера, осуществляя их непосредственную модуляцию, далее промодулированный видеоимпульсами с радиочастотным спектром оптический сигнал с 4-х гетеролазеров подается одновременно на 4 входа 4-х канальной оптической линии задержки, в каждом из каналов которой приобретает свою индивидуальную задержку. Затем оптические сигналы поступают на входы оптического разветвителя 4×8, с выходов которого сигналы поступают на входы 8-ми канальной оптической линии задержки, где приобретают дополнительные индивидуальные задержки, с выходов которых поступают на линейку из 8-ми быстродействующих фотодиодов, где преобразуются в электрические видеоимпульсные сигналы, причем выбор сигнала с необходимой в данный момент временной задержкой на общем выходе устройства осуществляется подключением соответствующего фотодиода с помощью быстродействующих ключей на полевых транзисторах, включенных в цепь смещения (питания) каждого из фотодиодов. Таким образом осуществляется 5-ти разрядное временное сканирование широкополосной антенной решетки.

Такие схемы сканирования просты и имеют высокую широкополосность и достаточное быстродействие (десятки нс), ограниченное в первую очередь быстродействием ключей, управляющих выбором того или иного фотодиода и, следовательно, временной задержкой сигнала.

Однако, в силу своей параллельности, при которой оптические сигналы одновременно разветвляются в оптическом разветвителе и присутствуют на всех входах линейки фотодиодов, причем в каждый момент времени работает только один фотодиод, энергетическая эффективность таких схем крайне мала. Например, в описываемой схеме сканирования потери сигнала составляют более 45 дБ.

Наличие 4-х гетеролазеров на входе (или 4-х оптических модуляторов), как вынужденная мера для обеспечения приемлемой энергетики и коэффициента шума такого устройства, серьезно снижает технологичность его изготовления из-за необходимости подбора и прецизионной относительной стабилизации их динамических и статических характеристик.

Эти недостатки становится почти неразрешимой проблемой, при необходимости увеличения разрядности сканирования с 4-5 до 7-8 и более, что является типичным требованием для современных антенных решеток, при которой потери сигнала могут превышать 60 дБ.

2. Известна радиофотонная схема сканирования на основе резонаторов на модах шепчущей галереи (МШГ) (фиг. 3 источника [4]), состоящая из лазеров питания, модуляторов Маха-Цендера, оптических разветвителей, устройств оптической связи с МШГ-резонаторами, МШГ-резонаторов, источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, системы управления, фотодетекторов.

Здесь переключение задержек происходит за счет теплового переключения МШГ-резонаторов, играющих роль миниатюрных оптических линий задержки, встроенных в топологию оптических разветвителей.

По сути, эта схема сканирования повторяет предыдущую, но имеет большие возможности по работе с многоэлементными антенными решетками и может быть реализована в интегральном исполнении.

Однако, тепловой способ переключения таких оптических линий задержки сильно ограничивает быстродействие системы сканирования миллисекундным уровнем [5], при высокой потребляемой мощности (до 26 Вт на одну 3-х битовую секцию), что является неприемлемым для большей части радиоэлектронных систем. Причем потери сигналов в схеме сканирования достигают значений более 55 дБ [5].

3. Известна радиофотонная схема сканирования на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей (в анг. аббревиатуре SOA) в качестве управляемых оптических линий задержки (фиг. 2а и 2б источника [6]), состоящая из источников СВЧ сигнала (антенн), лазеров накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.

Здесь изменение задержек происходит за счет изменения мощности оптических сигналов на входах полупроводниковых оптических усилителей, играющих роль управляемых оптических линий задержки, в которых каждому значению входной мощности соответствует своя задержка, благодаря эффекту изменения дисперсии на резонансах поглощения на соответствующих длинах волн (так называемый «медленный» и «быстрый» свет).

Эта схема сканирования имеет значительно большее быстродействие и позволяет работать с многоэлементными антенными решетками в многолучевом режиме, а также может быть реализована в интегральном исполнении.

Однако, такой способ сканирования на эффекте «медленного» и «быстрого» света в полупроводниковых оптических усилителях имеет малые реальные задержки сигналов (максимально достижимы задержки менее 100 пс [6]), что является неприемлемым для большей части сканирующих антенных решеток метрового и дециметрового диапазонов.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение - одновременное достижение высокого уровня комплекса основных характеристик системы сканирования для радиооптических активных фазированных антенных решеток (РОФАР), таких как высокое быстродействие (несколько нс), малые потери сигнала, высокая разрядность, широкий диапазон задержек. Сопутствующие преимущества - малые аппаратурные затраты, габариты и энергопотребление.

Для этого предлагается радиофотонное устройство сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей отдельных оптических линий задержки. Антенная решетка включает множество таких радиофотонных устройств сканирования широкополосных антенных решеток, для примера два из них (одно имеет обозначение «Вход» справа от обозначения антенны 1 и «Выход 1», другое обозначение «Вход» справа от обозначения антенны М» и «Выход М») представлены схематично на фиг. 1.

Радиофотонное устройство сканирования состоит из источников СВЧ сигнала (антенн), суперлюминесцентных диодов в качестве широкополосных источников оптического излучения для накачки оптических модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, переключаемых полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.

Сущность изобретения заключается в радиофотонной реализации быстрого выбора необходимой в данный момент задержки широкополосного сигнала для системы сканирования широкополосных антенных решеток (в том числе и конформных РОФАР).

Принцип работы радиофотонного устройства сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки проиллюстрирован на его упрощенной схеме (фиг. 1).

Из источника широкого оптического спектра (здесь N - количество оптических мод, а λ_i - соответствующие им длины волн), которым является суперлюминесцентный диод (СЛД) 2 с шириной оптического спектра до 100 нм [7], оптическое излучение подается в малошумящий оптический усилитель (МШОУ) 3, а с его выхода через одномодовое оптическое волокно (ОВ) с сохранением поляризации на оптический модулятор Маха-Цендера (ОМ) 4, где модулируется широкополосным радиочастотным сигналом (U мод), приходящем с антенны 1, затем промодулированный радиочастотой оптический сигнал с широким оптическим спектром подается на демультиплексор (ДЕМ) 5, посредством которого весь спектр промодулированного оптического излучения одновременно проходит поканальную селекцию (фиг. 2 источника [8]) и направляется по соответствующим выходам (ветвям) λ₁ - λ_N демультиплексора, каждой λ_i соответствует определенная выходная ветвь, к которой подключен свой полупроводниковый оптический усилитель (ОУ) 6, который управляется в режиме включен-выключен, причем включается ОУ каждый раз с необходимым в данный момент усилением за счет программируемого изменения его накачки. К выходу каждого ОУ подключена соответствующая отдельная оптическая линия задержки (ОЛЗ) из массива: ОЛЗ₁, ОЛЗ₂, ОЛЗ₃,…, ОЛЗ_N 7 с соответствующими временами задержки τ₁, τ₂, τ₃,…, τ_N, которая может быть реализована на микрорезонаторах на модах шепчущей галереи (ММШГ-резонаторах).

Далее оптический сигнал подается на один из входов обратно включенного оптического разветвителя (ОР) 8 и канализируется на его единый выход с которого подается на фотодиод (ФД) 9 и преобразуется в электрический сигнал. Затем, при необходимости, перед обработкой сигнал может усиливаться широкополосным электронным усилителем (ШП УС) 10.

Таким образом, каждому антенному элементу радиофотонного устройства сканирования в каждый момент времени соответствует определенная однозначная задержка τ_i и амплитуда A_i сигнала на его выходе.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:

1. в повышении быстродействия за счет реализации быстрого включения-выключения ОУ управляющим электрическим сигналом (на фиг. 1 обозначен как U упр);

2. в возможности реализации не только временного, но и амплитудного распределения по антенной решетке при временном сканировании;

3. в уменьшении зависимости потерь сигнала от разрядности для временного сканирования широкополосных приемных и передающих трактов АФАР и РОФАР за счет реализации параллельно - последовательной схемы;

4. в повышении динамического диапазона за счет уменьшения усиления либо исключения электронных усилителей в трактах устройства;

5. в снижении аппаратурных затрат, особенно при реализации высокой разрядности сканирования.

Например, возможно реализовать 6 - 12 разрядное сканирование антенных решеток (см. фиг. 2, где показаны практически идентичные характеристики 64-х канального демультиплексора - это Figure 3 в источнике [8]).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известным устройством (рисунки 2а и 2б источника [6]), являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, оптических источников излучения для накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления (на фиг. 1 не показана), фотодиодов, отличающаяся тем, что введены источники широкого оптического спектра - суперлюминисцентные диоды 2, полупроводниковые оптические усилители 3, отдельные оптические линии задержки 7, оптические разветвители 8, причем выходы источников широкого оптического спектра - суперлюминисцентных диодов 2, соединены с оптическими входами малошумящих оптических усилителей 3, выходы которых соединены с входами оптических модуляторов Маха-Цендера, выходы которых соединены с входами демультиплексоров 5, выходы которых соединены с входами соответствующих полупроводниковых оптических усилителей 6, выходы которых соединены с соответствующими оптическими линиями задержки 7, выходы которых соединены с входами обратно включенных оптических разветвителей 8, выходы которых соединены с фотодиодами 9, выходы которых соединены с широкополосными электронными усилителями 10.

Источники информации

1. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль АФАР: Патент России RU 2298810 / Д.Ф. Зайцев. - №2005130539; Заявл. 4.10.2005.

2. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 с., с илл. ISBN 978-5- 91142-045-1.

3. Lee J.J., Loo R.Y., Livingston S. et all. Photonic Wideband Array Antennas // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 1995. - V. 43, №9, p. 966-982.

4. Electronically-steered KU-band array antenna comprising an integrated photonic beamformer: US 20130194134 A1/W.P. Beeker, C. G.H. Roeloffzen, L. Zhuang, J.W. Eikenbroek, P. Klatser, P. W.L. van Dijk, Int. C1. H0Q 3/2682; US C1, 342/375; 01.08. 2013.

5. Meijerink A., Roeloffzen C. G.H., Meijerink, R. et al. Novel Ring Resonator-Based Integrated Photonic Beamformer for Broadband Phased Array Receive Antennas - Part II: Experimental Prototype // Journal of Lightwave Technology. - 2010. - V. 28, №l, p. 19-31.

6. Multibeam radio frequency photonic beamformer using a multi-signal slow light time delay unit: US 20170063461 A1/ P. Pruchnal, M. Chang, J. Chang, Int. C1. H04B 10/2575; H04B 7/06 US; H04B 10/112; US C1, H04B 10/25752; H04B 10/1123; H04B 7/0617; 02.03. 2017.

7. Temperature - Controlled (Cooled) Single - Mode Fiber - Pigtailed SLD-761-LP-PM / Data Sheet https://www.superlumdiodes.com/products.htm.

8. Arrayed waveguide grating (AWG). Application Note / FHV Research. - 2010.

9. The Enhanced Functionalities of Semiconductor Optical Amplifiers and their Role in Advanced Optical Networking. Application Instruction 001/InPhenix, Inc. - 2008. - https://www.inphenix.com/pdfdoc/Application_Notes_for_SOAs.pdf.

Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток, содержащее источники СВЧ сигнала - антенны, источники оптического излучения, модуляторы Маха-Цендера, оптические демультиплексоры, оптические усилители, оптические линии задержки, системы управления, фотодиоды, отличающееся тем, что введены источники широкого оптического спектра, полупроводниковые оптические усилители, отдельные оптические линии задержки, обратно включенные оптические разветвители, причем выходы источников широкого оптического спектра соединены с оптическими входами малошумящих оптических усилителей, выходы которых соединены с входами оптических модуляторов Маха-Цендера, радиочастотные входы которых соединены с антеннами, а оптические выходы соединены с входами демультиплексоров, выходы которых соединены с входами полупроводниковых оптических усилителей - SOA, выходы которых соединены с внешними оптическими линиями задержки, выходы которых соединены с входами обратно включенных оптических разветвителей, выходы которых соединены с фотодиодами, выходы которых соединены с широкополосными электронными усилителями.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа отражения лазерного коллимированного пучка. При осуществлении способа лазерный пучок падает под острым углом α на плоский полированный участок поверхности двулучепреломляющего кристалла с ориентацией кристаллофизических осей такой, чтобы зависящие от α коэффициенты энергетического отражения Френеля Rs и Rp ортогонально поляризованных s- и р-компонент излучения оказались бы равными для данного кристалла и данной ориентации.

Акустооптический фильтр без радиочастотного сдвига отфильтрованного излучения и лазерные устройства с его применением // 2759420

Изобретение относится к лазерной технике, прикладной оптике, акустооптике, спектроскопии, измерительной технике. В неколлинеарном акустооптическом фильтре на одноосном двулучепреломляющем кристалле произвольно поляризованного излучения с длиной волны λ с двумя ортогонально плоскополяризованными однократно дифрагировавшими на ультразвуковой волне с частотой ƒ под углами α1 и α2 в воздухе относительно нормали к задней оптической грани кристалла фильтра световыми е- и о- пучками на выходе за задней выходной оптической гранью кристалла фильтра на пути этих дифрагировавших световых пучков установлено оптическое устройство для их возврата под теми же углами α1 и α2 обратно в кристалл фильтра.

Способ быстрого выращивания кристаллов типа kdp со стержневидной затравкой // 2759189

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов типа KDP из раствора. Способ включает изготовление емкости для выращивания кристалла, при этом двигатель установлен в верхней части емкости для выращивания, а соединительный стержень кристаллодержателя присоединяется к нижнему концу вращающегося вала двигателя; изготовление кристаллодержателя для выращивания кристалла, при этом кристаллодержатель включает в себя верхнюю перекладину 7, поддон 12, соединительный стержень 6, боковые несущие стержни 8, 9 и две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10, 11; соединительный стержень 6 закрепляют по центру верхней перекладины 7; нижние концы боковых несущих стержней 8, 9 диаметрально противоположно закреплены на двух краях поддона 12, а верхние концы боковых несущих стержней 8, 9 прикреплены к двум концам верхней перекладины 7; лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10, 11 закреплены на боковых несущих стержнях 8, 9; две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10, 11, боковые несущие стержни 8, 9 и верхнюю перекладину 7 располагают в одной вертикальной плоскости; центр верхней поверхности поддона 12 является местом крепления стержневидного затравочного кристалла; все соединения выполнены плавными для обеспечения гладкости; изготовление стержневидного затравочного кристалла 13 с направлением [001] в вертикальном направлении, при этом высота стержневидного затравочного кристалла 13 меньше, чем высота боковых несущих стержней 8, 9 кристаллодержателя, а длина по горизонтали и диапазон ширины стержневидного затравочного кристалла 13 равны 5–15 мм; установку поверхности нижнего конца стержневидного затравочного кристалла 13 в центре верхней поверхности поддона 12 кристаллодержателя; подготовку маточного раствора для выращивания кристалла с точкой насыщения от 40 до 70°C; помещение кристаллодержателя с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом 13 в печь для предварительного нагрева на время от 4 до 12 ч, при этом температура предварительного нагрева является температурой точки насыщения маточного раствора; помещение кристаллодержателя с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом 13 в подготовленный маточный раствор, присоединение соединительного стержня 6 кристаллодержателя к вращающемуся валу двигателя, запуск двигателя и установку диапазона скорости вращения равным от 10 до 50 об/мин, при этом режим вращения состоит из цикла: вращение в прямом направлении – 25 с, замедление – 2 с, остановка – 1 с, ускорение в обратном направлении – 2 с, вращение в обратном направлении – 25 с, замедление – 2 с, остановка – 1 с, ускорение в прямом направлении – 2 с; нагрев маточного раствора до температуры, на 5–15°C превышающей температуру точки насыщения, для обработки перегревом, охлаждение, чтобы степень перенасыщения маточного раствора была между 5 и 15%, таким образом реализуя быстрый рост кристалла на стержневидном затравочном кристалле и получение кристалла типа KDP.

Перестраиваемая линза с наложением электродных структур // 2757074

Изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием и может быть использовано в системах дополненной или виртуальной реальности (AR/VR). Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием содержит слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения для формирования фазовых профилей оптического излучения.

Аппаратура отображения // 2756787

Изобретение относится к устройствам отображения. Аппаратура отображения содержит панель (10) отображения и экранирующую свет структуру (30).

Терагерцовый кристалл // 2756582

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам прозрачным в видимом, инфракрасном (0,5 – 50,0 мкм), терагерцовом и миллиметровом диапазонах – 0,05 – 10,0 ТГц, что соответствует длинам волн 6000,0 – 30,0 мкм. Терагерцовый кристалл согласно изобретению характеризуется тем, что он выполнен на основе хлорида и бромида серебра, и дополнительно содержит твердый раствор бромида-иодида одновалентного таллия (TlBr0,46I0,54) при следующем соотношении компонентов, мас.%:Хлорид серебра – 5,0 – 20,0;Бромид серебра – 60,0 – 75,0;Твердый раствор (TlBr0,46I0,54) – 35,0 – 5,0.Изобретение позволяет получить кристаллы с негигроскопичными и высокопластичными свойствами, прозрачные в терагерцовом, миллиметровом, видимом и инфракрасном спектральном диапазонах, причем в диапазоне от 7,0 до 10,0 ТГц кристаллы обладают оптической прозрачностью до 78%, что соответствует теоретическому пропусканию..

Терагерцовый кристалл // 2756581

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, используемым в производстве терагерцовой оптики. Терагерцовый кристалл согласно изобретению характеризуется тем, что выполнен на основе однофазных твердых растворов системы AgCl – AgBr – TlI и содержит хлорид, бромид серебра и иодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: хлорид серебра – 5,0–10,0; бромид серебра – 70,0–85,0; иодид одновалентного таллия – 25,0–5,0.

Терагерцовый кристалл // 2756580

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, а именно к кристаллам востребованных для применения в медицине, фармацевтике, таможенном дистанционном контроле и в других областях. Терагерцовый кристалл согласно изобретению характеризуется тем, что выполнен на основе однофазных твердых растворов системы AgCl - AgBr, содержит хлорида и бромида серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Терагерцовый кристалл // 2756068

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, конкретно к ТГц кристаллам, из которых изготавливают окна, линзы, пленки и оптические системы для работы в терагерцовом, миллимитровом, инфракрасном и видимом спектральном диапазонах, кристаллы нетоксичны, поэтому оптические изделия, изготовленные на их основе найдут широкое применение в медицине, фармацевтике и других областях народного хозяйства.

Акустооптическое устройство 2d отклонения и сканирования неполяризованного лазерного излучения на одном кристалле // 2755255

Изобретение относится к лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам двухкоординатного отклонения лазерных пучков. Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности 2D АО-устройства на основе одного монокристалла с неполяризованным мощным лазерным излучением видимого и ближнего ИК-диапазонов длин волн.

Способ отражения лазерных пучков с сохранением поляризации и отражатель на его основе // 2759577