Mikrovalna optoelektronika, kao što i samo ime govori, je presjek mikrovalova ioptoelektronikaMikrovalovi i svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi, a frekvencije se razlikuju za mnogo redova veličine, a komponente i tehnologije razvijene u njihovim područjima vrlo su različite. U kombinaciji možemo iskoristiti prednosti jedni drugih, ali možemo dobiti nove primjene i karakteristike koje je teško ostvariti.
Optička komunikacijaje glavni primjer kombinacije mikrovalova i fotoelektrona. Rane telefonske i telegrafske bežične komunikacije, generiranje, širenje i prijem signala, sve su koristile mikrovalne uređaje. Niskofrekventni elektromagnetski valovi u početku su se koristili jer je frekvencijski raspon mali, a kapacitet kanala za prijenos mali. Rješenje je povećanje frekvencije odašiljanog signala, što je veća frekvencija, to su resursi spektra veći. Ali visokofrekventni signal u zraku gubi na gubitku širenja, ali ga također lako blokiraju prepreke. Ako se koristi kabel, gubici u kabelu su veliki, a prijenos na velike udaljenosti predstavlja problem. Pojava optičke komunikacije dobro je rješenje za ove probleme.Optička vlaknaima vrlo niske gubitke pri prijenosu i izvrstan je nositelj signala na velike udaljenosti. Frekvencijski raspon svjetlosnih valova mnogo je veći od raspona mikrovalova i može istovremeno prenositi mnogo različitih kanala. Zbog ovih prednostioptički prijenos, optička komunikacija postala je okosnica današnjeg prijenosa informacija.
Optička komunikacija ima dugu povijest, istraživanja i primjena su vrlo opsežni i zreli, ovdje ne treba ništa više reći. Ovaj rad uglavnom predstavlja novi istraživački sadržaj mikrovalne optoelektronike u posljednjih nekoliko godina, osim optičke komunikacije. Mikrovalna optoelektronika uglavnom koristi metode i tehnologije u području optoelektronike kao nositelj za poboljšanje i postizanje performansi i primjene koje je teško postići s tradicionalnim mikrovalnim elektroničkim komponentama. S gledišta primjene, uglavnom uključuje sljedeća tri aspekta.
Prva je upotreba optoelektronike za generiranje visokoučinkovitih, niskošumnih mikrovalnih signala, od X-pojasa pa sve do THz pojasa.
Drugo, obrada mikrovalnog signala. Uključujući kašnjenje, filtriranje, pretvorbu frekvencije, prijem i tako dalje.
Treće, prijenos analognih signala.
U ovom članku autor predstavlja samo prvi dio, generiranje mikrovalnog signala. Tradicionalni mikrovalni milimetarski val uglavnom generiraju iii_V mikroelektroničke komponente. Njegova ograničenja imaju sljedeća područja: Prvo, na visokim frekvencijama poput 100 GHz i više, tradicionalna mikroelektronika može proizvoditi sve manje i manje snage, dok na višim frekvencijama THz signala ne može ništa učiniti. Drugo, kako bi se smanjio fazni šum i poboljšala stabilnost frekvencije, izvorni uređaj mora biti smješten u okruženju s izuzetno niskom temperaturom. Treće, teško je postići širok raspon frekvencijske modulacije i pretvorbe frekvencije. Optoelektronička tehnologija može igrati ulogu u rješavanju ovih problema. Glavne metode opisane su u nastavku.
1. Kroz razliku frekvencije dvaju laserskih signala različitih frekvencija, visokofrekventni fotodetektor se koristi za pretvaranje mikrovalnih signala, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Shematski dijagram mikrovalova generiranih različitom frekvencijom dvajulaseri.
Prednosti ove metode su jednostavna struktura, mogućnost generiranja izuzetno visokofrekventnog milimetarskog vala, pa čak i THz frekvencijskog signala, a podešavanjem frekvencije lasera može se izvršiti širok raspon brze pretvorbe frekvencije, odnosno frekvencije pomicanja. Nedostatak je što je širina linije ili fazni šum signala razlike frekvencije generiranog od strane dva nepovezana laserska signala relativno velika, a stabilnost frekvencije nije visoka, posebno ako se koristi poluvodički laser s malim volumenom, ali velikom širinom linije (~MHz). Ako zahtjevi za težinom i volumenom sustava nisu visoki, mogu se koristiti laseri u čvrstom stanju s niskim šumom (~kHz).vlaknasti laseri, vanjska šupljinapoluvodički laseriitd. Osim toga, dva različita načina laserskih signala generirana u istoj laserskoj šupljini također se mogu koristiti za generiranje različite frekvencije, tako da se performanse stabilnosti mikrovalne frekvencije znatno poboljšavaju.
2. Kako bi se riješio problem nekoherentnosti dvaju lasera u prethodnoj metodi i prevelikog generiranog šuma faze signala, koherencija između dva lasera može se postići metodom faznog zaključavanja s ubrizgavanjem frekvencije ili krugom faznog zaključavanja s negativnom povratnom spregom. Slika 2 prikazuje tipičnu primjenu ubrizgavanja za generiranje mikrovalnih višekratnika (Slika 2). Izravnim ubrizgavanjem visokofrekventnih strujnih signala u poluvodički laser ili korištenjem LinBO3-faznog modulatora mogu se generirati višestruki optički signali različitih frekvencija s jednakim frekvencijskim razmakom ili optički frekvencijski češljevi. Naravno, uobičajeno korištena metoda za dobivanje širokospektralnog optičkog frekvencijskog češlja je korištenje lasera sa zaključanim modom. Bilo koja dva signala češlja u generiranom optičkom frekvencijskom češlju odabiru se filtriranjem i ubrizgavaju u laser 1 odnosno 2 kako bi se ostvarilo frekvencijsko i fazno zaključavanje. Budući da je faza između različitih signala češlja optičkog frekvencijskog češlja relativno stabilna, relativna faza između dva lasera je stabilna, a zatim metodom razlike frekvencija kao što je prethodno opisano, može se dobiti višestruki frekvencijski mikrovalni signal brzine ponavljanja optičkog frekvencijskog češlja.
Slika 2. Shematski dijagram signala udvostručenja mikrovalne frekvencije generiranog zaključavanjem frekvencije ubrizgavanja.
Drugi način smanjenja relativnog faznog šuma dvaju lasera je korištenje negativnog povratnog optičkog PLL-a, kao što je prikazano na slici 3.
Slika 3. Shematski dijagram OPL-a.
Princip optičkog PLL-a sličan je principu PLL-a u području elektronike. Fazna razlika dva lasera pretvara se u električni signal fotodetektorom (ekvivalentom faznog detektora), a zatim se fazna razlika između dva lasera dobiva stvaranjem razlike frekvencije s referentnim izvorom mikrovalnog signala, koja se pojačava i filtrira, a zatim vraća u jedinicu za kontrolu frekvencije jednog od lasera (kod poluvodičkih lasera to je struja ubrizgavanja). Kroz takvu petlju kontrole negativne povratne sprege, relativna frekvencijska faza između dva laserska signala zaključava se na referentni mikrovalni signal. Kombinirani optički signal zatim se može prenijeti kroz optička vlakna do fotodetektora negdje drugdje i pretvoriti u mikrovalni signal. Rezultirajući fazni šum mikrovalnog signala gotovo je isti kao i referentni signal unutar propusnosti fazno zaključane petlje negativne povratne sprege. Fazni šum izvan propusnosti jednak je relativnom faznom šumu izvorna dva nepovezana lasera.
Osim toga, referentni izvor mikrovalnog signala može se pretvoriti i drugim izvorima signala putem udvostručenja frekvencije, frekvencije djelitelja ili druge obrade frekvencije, tako da se mikrovalni signal niže frekvencije može višestruko udvostručiti ili pretvoriti u visokofrekventne RF, THz signale.
U usporedbi s injekcijskim zaključavanjem frekvencije, zaključavanje frekvencije može postići samo udvostručenje frekvencije, fazno zaključane petlje su fleksibilnije, mogu proizvesti gotovo proizvoljne frekvencije i naravno složenije. Na primjer, optički frekvencijski češalj generiran fotoelektričnim modulatorom na slici 2 koristi se kao izvor svjetlosti, a optička fazno zaključana petlja koristi se za selektivno zaključavanje frekvencije dva lasera na signale dva optička češlja, a zatim generiranje visokofrekventnih signala kroz razliku frekvencije, kao što je prikazano na slici 4. f1 i f2 su referentne signalne frekvencije dva PLLS-a, a mikrovalni signal od N*frep+f1+f2 može se generirati razlikom frekvencije između dva lasera.
Slika 4. Shematski dijagram generiranja proizvoljnih frekvencija pomoću optičkih frekvencijskih češljeva i PLLS-a.
3. Koristite pulsni laser sa zaključanim modom za pretvaranje optičkog pulsnog signala u mikrovalni signal putemfotodetektor.
Glavna prednost ove metode je što se može dobiti signal s vrlo dobrom frekvencijskom stabilnošću i vrlo niskim faznim šumom. Zaključavanjem frekvencije lasera na vrlo stabilan atomski i molekularni spektar prijelaza ili izuzetno stabilnu optičku šupljinu, te korištenjem sustava za uklanjanje samoudvostručenja frekvencije, pomaka frekvencije i drugih tehnologija, možemo dobiti vrlo stabilan optički impulsni signal s vrlo stabilnom frekvencijom ponavljanja, kako bismo dobili mikrovalni signal s ultra niskim faznim šumom. Slika 5.
Slika 5. Usporedba relativnog faznog šuma različitih izvora signala.
Međutim, budući da je brzina ponavljanja impulsa obrnuto proporcionalna duljini šupljine lasera, a tradicionalni laser sa zaključanim modom je velik, teško je izravno dobiti visokofrekventne mikrovalne signale. Osim toga, veličina, težina i potrošnja energije tradicionalnih pulsirajućih lasera, kao i strogi zahtjevi okoliša, ograničavaju njihovu uglavnom laboratorijsku primjenu. Kako bi se prevladale te poteškoće, nedavno su u Sjedinjenim Državama i Njemačkoj započela istraživanja koja koriste nelinearne efekte za generiranje frekvencijski stabilnih optičkih češljeva u vrlo malim, visokokvalitetnim optičkim šupljinama cvrkutavog moda, koji zauzvrat generiraju visokofrekventne mikrovalne signale s niskim šumom.
4. optoelektronički oscilator, slika 6.
Slika 6. Shematski prikaz fotoelektrično spregnutog oscilatora.
Jedna od tradicionalnih metoda generiranja mikrovalova ili lasera je korištenje zatvorene petlje s vlastitom povratnom spregom. Sve dok je pojačanje u zatvorenoj petlji veće od gubitka, samopobuđena oscilacija može proizvesti mikrovalove ili lasere. Što je veći faktor kvalitete Q zatvorene petlje, manji je generirani fazni ili frekvencijski šum signala. Kako bi se povećao faktor kvalitete petlje, izravan način je povećanje duljine petlje i minimiziranje gubitka propagacije. Međutim, dulja petlja obično može podržati generiranje više modova oscilacije, a ako se doda filter uskog pojasa, može se dobiti jednofrekventni signal mikrovalne oscilacije s niskim šumom. Fotoelektrično spregnuti oscilator je izvor mikrovalnog signala temeljen na ovoj ideji, koji u potpunosti koristi karakteristike niskog gubitka propagacije vlakna, a korištenjem duljeg vlakna za poboljšanje Q vrijednosti petlje može proizvesti mikrovalni signal s vrlo niskim faznim šumom. Otkad je metoda predložena 1990-ih, ova vrsta oscilatora je prošla opsežna istraživanja i značajan razvoj, a trenutno postoje komercijalni fotoelektrično spregnuti oscilatori. U novije vrijeme razvijeni su fotoelektrični oscilatori čije se frekvencije mogu podešavati u širokom rasponu. Glavni problem izvora mikrovalnog signala temeljenih na ovoj arhitekturi je taj što je petlja dugačka, a šum u njenom slobodnom toku (FSR) i njena dvostruka frekvencija bit će značajno povećani. Osim toga, koristi se više fotoelektričnih komponenti, cijena je visoka, volumen je teško smanjiti, a dulje vlakno je osjetljivije na poremećaje u okolini.
Gore navedeno ukratko predstavlja nekoliko metoda generiranja mikrovalnih signala fotoelektronima, kao i njihove prednosti i nedostatke. Konačno, korištenje fotoelektrona za proizvodnju mikrovalova ima još jednu prednost, a to je da se optički signal može distribuirati kroz optičko vlakno s vrlo malim gubicima, prijenosom na velike udaljenosti do svakog korisničkog terminala, a zatim pretvoriti u mikrovalne signale, a sposobnost otpora elektromagnetskim smetnjama znatno je poboljšana u odnosu na tradicionalne elektroničke komponente.
Ovaj članak je napisan uglavnom kao referenca, a u kombinaciji s vlastitim istraživačkim iskustvom i iskustvom autora u ovom području, postoje netočnosti i nerazumljivost, molimo za razumijevanje.
Vrijeme objave: 03.01.2024.