Mikrovalna optoelektronika, kao što ime sugerira, je sjecište mikrovalne ioptoelektronika.Mikrovalovi i svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi, a frekvencije su mnogo različitih redova veličine, a komponente i tehnologije razvijene u njihovim područjima su vrlo različite.U kombinaciji, možemo iskoristiti jedni druge, ali možemo dobiti nove primjene i karakteristike koje je teško realizirati.
Optička komunikacijaje najbolji primjer kombinacije mikrovalova i fotoelektrona.Rane telefonske i telegrafske bežične komunikacije, generiranje, širenje i prijam signala, svi korišteni mikrovalni uređaji.U početku se koriste elektromagnetski valovi niske frekvencije jer je frekvencijski raspon mali i kapacitet kanala za prijenos je mali.Rješenje je povećati frekvenciju odašiljanog signala, što je veća frekvencija, to je više resursa spektra.Ali visokofrekventni signal u gubitku širenja zraka je velik, ali ga je također lako blokirati preprekama.Ako se koristi kabel, gubitak kabela je velik, a prijenos na velike udaljenosti predstavlja problem.Pojava komunikacije optičkim vlaknima je dobro rješenje za ove probleme.Optičko vlaknoima vrlo male gubitke u prijenosu i odličan je prijenosnik za prijenos signala na velike udaljenosti.Frekvencijski raspon svjetlosnih valova mnogo je veći od raspona mikrovalova i mogu odašiljati više različitih kanala istovremeno.Zbog ovih prednostioptički prijenos, komunikacija optičkim vlaknima postala je okosnica današnjeg prijenosa informacija.
Optička komunikacija ima dugu povijest, istraživanje i primjena su vrlo opsežni i zreli, da ne govorimo više.Ovaj rad uglavnom predstavlja novi sadržaj istraživanja mikrovalne optoelektronike posljednjih godina, osim optičke komunikacije.Mikrovalna optoelektronika uglavnom koristi metode i tehnologije u području optoelektronike kao nositelja za poboljšanje i postizanje performansi i primjene koje je teško postići s tradicionalnim mikrovalnim elektroničkim komponentama.Iz perspektive primjene, uglavnom uključuje sljedeća tri aspekta.
Prvi je korištenje optoelektronike za generiranje mikrovalnih signala visokih performansi s niskim šumom, od X-pojasa pa sve do THz-pojasa.
Drugo, obrada mikrovalnog signala.Uključujući kašnjenje, filtriranje, pretvorbu frekvencije, primanje 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 sljedeće točke: Prvo, na visokim frekvencijama kao što je 100 GHz iznad, tradicionalna mikroelektronika može proizvesti sve manje i manje energije, na višoj frekvenciji THz signala, ne može učiniti ništa.Drugo, kako bi se smanjio fazni šum i poboljšala stabilnost frekvencije, originalni uređaj mora biti postavljen u okolinu s ekstremno niskom temperaturom.Treće, teško je postići širok raspon frekvencijske modulacije pretvorbe frekvencije.Optoelektronička tehnologija može igrati ulogu u rješavanju ovih problema.Glavne metode opisane su u nastavku.
1. Kroz razliku frekvencija dva različita frekvencijska laserska signala, visokofrekventni fotodetektor koristi se za pretvaranje mikrovalnih signala, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Shematski dijagram mikrovalova generiranih frekvencijom razlike dvalaseri.
Prednosti ove metode su jednostavna struktura, može generirati ekstremno visoke frekvencije milimetarskog vala, pa čak i THz frekvencijski signal, a podešavanjem frekvencije laser može izvesti veliki raspon brze pretvorbe frekvencije, frekvencije prelaska.Nedostatak je što je širina linije ili fazni šum signala razlike frekvencija koji generiraju dva nepovezana laserska signala relativno velik, a stabilnost frekvencije nije visoka, posebno ako se koristi poluvodički laser s malim volumenom, ali velikom širinom linije (~MHz). koristi se.Ako zahtjevi za volumenom težine sustava nisu visoki, možete koristiti poluprovodničke lasere niske razine šuma (~kHz),vlaknasti laseri, vanjska šupljinapoluvodički laseri, itd. Osim toga, dva različita načina laserskih signala generiranih u istoj laserskoj šupljini također se mogu koristiti za generiranje različite frekvencije, tako da se performanse stabilnosti mikrovalne frekvencije znatno poboljšaju.
2. Kako bi se riješio problem da su dva lasera u prethodnoj metodi nekoherentna i da je generirani fazni šum signala prevelik, koherencija između dva lasera može se postići metodom faznog zaključavanja frekvencije ubrizgavanja ili fazom negativne povratne sprege krug zaključavanja.Slika 2 prikazuje tipičnu primjenu blokade ubrizgavanja za generiranje mikrovalnih višekratnika (Slika 2).Izravnim ubrizgavanjem visokofrekventnih strujnih signala u poluvodički laser, ili korištenjem LinBO3-faznog modulatora, mogu se generirati više optičkih signala različitih frekvencija s jednakim razmakom frekvencija, ili optički češljevi frekvencija.Naravno, uobičajeno korištena metoda za dobivanje širokog spektra optičkog frekvencijskog češlja je korištenje lasera s zaključanim modom.Bilo koja dva signala češlja u generiranom optičkom frekvencijskom češlju odabiru se filtriranjem i ubrizgavaju u laser 1 i 2 kako bi se ostvarilo zaključavanje frekvencije i faze.Budući da je faza između različitih kombiniranih signala optičkog frekvencijskog češlja relativno stabilna, tako da je relativna faza između dva lasera stabilna, a zatim metodom razlike frekvencija kao što je prije opisano, mikrovalni signal višestruke frekvencije može se dobiti stopa ponavljanja češlja optičke frekvencije.
Slika 2. Shematski dijagram signala udvostručenja mikrovalne frekvencije generiranog zaključavanjem frekvencije ubrizgavanja.
Drugi način smanjenja relativnog faznog šuma dvaju lasera je korištenje optičkog PLL-a s negativnom povratnom spregom, kao što je prikazano na slici 3.
Slika 3. Shematski dijagram OPL-a.
Princip optičkog PLL-a sličan je PLL-u u području elektronike.Fazna razlika dvaju lasera pretvara se u električni signal pomoću fotodetektora (ekvivalent faznom detektoru), a zatim se fazna razlika između dva lasera dobiva stvaranjem razlike frekvencije s izvorom referentnog mikrovalnog signala, koji se pojačava te se filtrira i zatim vraća u jedinicu za kontrolu frekvencije jednog od lasera (za poluvodičke lasere to je struja ubrizgavanja).Kroz takvu kontrolnu petlju negativne povratne sprege, relativna frekvencijska faza između dva laserska signala je zaključana na referentni mikrovalni signal.Kombinirani optički signal se zatim može prenijeti kroz optička vlakna do fotodetektora negdje drugdje i pretvoriti u mikrovalni signal.Rezultirajući fazni šum mikrovalnog signala gotovo je isti kao onaj referentnog signala unutar pojasne širine fazno zaključane petlje negativne povratne sprege.Fazni šum izvan propusnog opsega jednak je relativnom faznom šumu originalna dva nepovezana lasera.
Osim toga, izvor referentnog mikrovalnog signala također se može pretvoriti u druge izvore signala udvostručenjem frekvencije, frekvencijom djelitelja ili drugom obradom frekvencije, tako da se mikrovalni signal niže frekvencije može višestruko udvostručiti ili pretvoriti u visokofrekventne RF, THz signale.
U usporedbi s ubrizgavanjem frekvencijskog zaključavanja može se postići samo udvostručenje frekvencije, fazno zaključane petlje su fleksibilnije, mogu proizvesti gotovo proizvoljne frekvencije i, naravno, složenije.Na primjer, optički frekvencijski češalj koji generira fotoelektrični modulator na slici 2 koristi se kao izvor svjetlosti, a optička fazno zaključana petlja koristi se za selektivno zaključavanje frekvencije dvaju lasera na dva optička češljasta signala, a zatim za generiranje visokofrekventne signale kroz razliku frekvencije, kao što je prikazano na slici 4. f1 i f2 su referentne frekvencije signala dva PLLS-a, a mikrovalni signal od N*frep+f1+f2 može se generirati razlikom frekvencija između dva lasera.
Slika 4. Shematski dijagram generiranja proizvoljnih frekvencija korištenjem optičkih frekvencijskih češlja i PLLS-a.
3. Upotrijebite impulsni laser zaključanog načina rada za pretvaranje optičkog pulsnog signala u mikrovalni signalfotodetektor.
Glavna prednost ove metode je da se može dobiti signal s vrlo dobrom stabilnošću frekvencije i vrlo niskim faznim šumom.Zaključavanjem frekvencije lasera na vrlo stabilan atomski i molekularni prijelazni spektar, ili iznimno stabilnu optičku šupljinu, te korištenjem frekvencijskog pomaka sustava eliminacije samoudvostručavanja frekvencije i drugih tehnologija, možemo dobiti vrlo stabilan optički pulsni signal s vrlo stabilnu frekvenciju ponavljanja, kako bi se dobio 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.Uz to, veličina, težina i potrošnja energije tradicionalnih pulsirajućih lasera, kao i strogi ekološki zahtjevi, ograničavaju njihovu uglavnom laboratorijsku primjenu.Kako bi se prevladale ove poteškoće, nedavno su započela istraživanja u Sjedinjenim Državama i Njemačkoj upotrebom nelinearnih efekata za generiranje frekvencijski stabilnih optičkih češljeva u vrlo malim, visokokvalitetnim optičkim šupljinama u načinu cvrkutanja, koje zauzvrat generiraju visokofrekventne niskošumne mikrovalne signale.
4. optoelektronički oscilator, slika 6.
Slika 6. Shematski dijagram fotoelektrično spregnutog oscilatora.
Jedna od tradicionalnih metoda generiranja mikrovalova ili lasera je korištenje zatvorene petlje sa samopovratnom spregom, sve dok je dobitak u zatvorenoj petlji veći od gubitka, samopobuđena oscilacija može proizvesti mikrovalove ili lasere.Što je veći faktor kvalitete Q zatvorene petlje, manja je generirana faza signala ili frekvencijski šum.Kako bi se povećao faktor kvalitete petlje, izravan način je povećati duljinu petlje i minimizirati gubitak propagacije.Međutim, duža petlja obično može podržati generiranje više načina osciliranja, a ako se doda filtar uskog pojasa, može se dobiti jednofrekventni niskošumni mikrovalni oscilacijski signal.Fotoelektrični spregnuti oscilator izvor je mikrovalnog signala temeljen na ovoj ideji, u potpunosti iskorištava niske karakteristike gubitka propagacije vlakna, koristeći duže vlakno za poboljšanje Q vrijednosti petlje, može proizvesti mikrovalni signal s vrlo niskim faznim šumom.Otkako je metoda predložena 1990-ih, ovaj tip oscilatora je dobio opsežna istraživanja i značajan razvoj, a trenutno postoje komercijalni fotoelektrični spregnuti oscilatori.Nedavno su razvijeni fotoelektrični oscilatori čije se frekvencije mogu podešavati u širokom rasponu.Glavni problem izvora mikrovalnog signala temeljenog na ovoj arhitekturi je taj što je petlja duga, a šum u njenom slobodnom protoku (FSR) i njegova dvostruka frekvencija bit će značajno povećani.Osim toga, koristi se više fotoelektričnih komponenti, cijena je visoka, volumen je teško smanjiti, a duže vlakno je osjetljivije na poremećaje iz okoliša.
Gore je ukratko predstavljeno nekoliko metoda fotoelektronskog generiranja mikrovalnih signala, kao i njihove prednosti i nedostaci.Konačno, uporaba fotoelektrona za proizvodnju mikrovalova ima još jednu prednost je ta što se optički signal može distribuirati kroz optičko vlakno s vrlo niskim gubicima, prijenosom na velike udaljenosti do svakog korisničkog terminala, a zatim se pretvara u mikrovalne signale, i sposobnost da se odupre elektromagnetskim smetnje su značajno poboljšane od tradicionalnih elektroničkih komponenti.
Pisanje ovog članka je uglavnom referenca, au kombinaciji s autorovim vlastitim istraživačkim iskustvom i iskustvom u ovom području, postoje netočnosti i nerazumljivost, molimo za razumijevanje.
Vrijeme objave: 3. siječnja 2024