ZASNOVA IN IZVEDBA VISOKOSTABILNEGA OPTOELEKTRONSKEGA OSCILATORJABogataj, Luka (Avtor) Vidmar, Matjaž (Mentor) Batagelj, Boštjan (Komentor) optoelektronski oscilatorfazni šumstabilnostpovratna zankabarvna disperzijamnožilnik kvalitetestranski rodfrekvenčni diskriminatorfazna modulacijaMikrovalovni oscilatorji so danes nepogrešljiv del merilne tehnike in komunikacijskih sistemov. Med seboj se ločijo po lastnostih, kot so dolgoročna stabilnost, območje frekvenčnega uglaševanja in fazni šum. Pogosto se te tri lastnosti medsebojno izključujejo. Sistemi za merjenje časa tako na primer zahtevajo izjemno točnost frekvence. Frekvenca takega oscilatorja je fiksna in se med delovanjem ne sme spreminjati. Dolgoročna stabilnost je v tem primeru zelo dobra, nizkega faznega šuma pa ni mogoče doseči brez dodatnih nizkošumnih oscilatorjev. Lokalni oscilatorji so pogosto napetostno krmiljeni. V tem primeru je pomembno, da je oscilatorju mogoče spreminjati frekvenco v določenem območju. Nizek fazni šum je zaželen, vendar pa ni izvedljiv zaradi slabših lastnosti resonatorjev (v primerjavi z oscilatorji s fiksno frekvenco). V nekaterih aplikacijah, kot je recimo radar ali merilna tehnika, je pomemben nizek fazni šum. Ta pove, kako ozka in kakšne oblike je spektralna črta signala, ki ga generira oscilator. Tip oscilatorja, pri katerem je v ospredju fazni šum, je predmet te disertacije. Fazni šum se podaja z enotami dBc/Hz. Pri nekem odmiku od nosilca se poda razmerje med močjo šuma in močjo nosilca. Fazni šum je odvisen predvsem od kvalitete resonatorja. Nanj močno vpliva tudi 1/f šum. Ta dva parametra vplivata predvsem na obliko faznega šuma oziroma na fazni šum v bližnjem območju frekvence nihanja oscilatorja. Na absolutno raven vpliva termični šum. Na področju mikrovalovnih oscilatorjev s fiksno frekvenco in nizkim faznim šumom je danes razvitih nekaj konceptov, ki dosegajo izjemne rezultate. Pri nizkošumnih oscilatorjih se v X-frekvenčnem območju pojavljajo različni resonatorji, kot je na primer votlinski ali pa optični resonator. Uporaba votlinskega resonatorja z neobremenjeno kvaliteto 80·103 tako omogoča realizacijo generiranje signala s faznim šumom -75 dBc/Hz pri odmiku 10 Hz. Fazni šum oscilatorja z votlinskim resonatorjem, ki ima v svoji notranjosti nameščen safirjev kristal, vse skupaj pa je ohlajeno na 6 K, dosega fazni šum -125 dBc/Hz pri odmiku 10 Hz od nosilca. Uporaba generatorja optičnega glavnikastega spektra omogoča pri 10 Hz odmika fazni šum -130 dBc/Hz. Vsi trije rezultati so vrhunski in zahtevajo uporabo kompleksnih rešitev in specializiranih komponent. Leta 1995 je bil predstavljen oscilator, ki kot resonator uporablja optično zakasnilno linijo. Optično vlakno zaradi majhnega slabljenja omogoča realizacijo dolgih zakasnilnih časov in s tem visokih kvalitet. Tak oscilator ne potrebuje posebnega resonatorja, nivo faznega šuma pa se določa z dolžino optičnega vlakna. Pomembna prednost tako imenovanega optoelektronskega oscilatorja je tudi neodvisnost faznega šuma od frekvence nihanja. V X-frekvenčnem območju je mogoče doseči fazni šum -70 dBc/Hz pri odmiku 10 Hz od nosilca. Na fazni šum optoelektronskega oscilatorja poleg kvalitete zakasnilne linije vplivata tudi zrnati šum fotodiode in relativni intenzitetni šum laserja. Problem optoelektronskega oscilatorja sta večrodovno nihanje in odvisnost frekvence od temperature. Rešitve, ki zmanjšujejo problem večrodovnega nihanja, so tehnike, kot je vključitev dodatne optične zakasnilne linije ali uporaba tehnike vklenitve na vsiljen signal. Problem temperaturne odvisnosti frekvence se lahko rešuje s temperaturno stabilizacijo ali dodatnim merilnim signalom. Problem rešitev, ki se za omenjena problema pojavljajo v literaturi, je recimo povečanje števila komponent oscilatorja ali pa uporaba posebnih gradnikov. V ta namen so bile v okviru te doktorske disertacije razvite tri metode, ki poenostavijo stabilizacijo s stališča dostopnosti gradnikov. Za stabilizacijo frekvence je bila razvita metoda s povratno krmilno zanko. V tem primeru se frekvenca optoelektronskega oscilatorja meri s pomočjo frekvenčnega diskriminatorja, nato pa se na podlagi informacije o frekvenci spreminja valovna dolžina laserja in s tem posredno lomni količnik vlakna. Tako je mogoče kompenzirati frekvenčne spremembe oscilatorja. Stabilnost frekvence z omenjeno metodo je 0,05 ppm/K. Za reševanje problema večrodovnega nihanja sta bili razviti dve metodi. Prva povečuje slabljenje stranskih rodov s pomočjo dodatne modulacije zanke. Gre za to, da se s pomočjo frekvenčnega mešalnika izlušči samo stranski rod nihanja oscilatorja, s tem pa se nato fazno modulira osnovna zanka oscilatorja. Tako je bilo povečano slabljenje stranskih rodov za 5 dB. Druga metoda vključuje uporabo množilnika kvalitete. To je pozitivna povratna vezava pasovno prepustnega sita. Sito skupaj z množilnikom kvalitete izkazuje manjšo pasovno širino kot samo sito brez množilnika kvalitete. Slabljenje stranskih rodov se v tem primeru poveča za 20 dB, poveča pa se tudi fazni šum (4 dB pri odmiku 1 kHz). Jedro disertacije so štirje mednarodno objavljeni članki, od katerih trije predstavljajo omenjene metode, eden pa je pregledni članek, ki je bil objavljen kot vabljeno predavanje. V disertaciji so objavljeni tudi trije patenti, ki pripadajo posamični novi metodi za stabilizacijo optoelektronskega oscilatorja.20162016-11-17 10:15:01Doktorsko delo/naloga87058sl