Mikrovalna optoelektronika, kao što i samo ime govori, predstavlja presjek mikrovalne ioptoelektronikaMikrovalovi i svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi, a frekvencije se razlikuju za mnogo redova veličine, a komponente i tehnologije razvijene u njihovim odgovarajućim oblastima su vrlo različite. U kombinaciji možemo iskoristiti prednosti jedni drugih, ali možemo dobiti nove primjene i karakteristike koje je teško ostvariti.
Optička komunikacijaje odličan primjer kombinacije mikrovalova i fotoelektrona. Rane telefonske i telegrafske bežične komunikacije, generisanje, širenje i prijem signala, sve su koristile mikrovalne uređaje. Niskofrekventni elektromagnetni talasi su se u početku koristili jer je frekvencijski opseg mali, a kapacitet kanala za prenos mali. Rješenje je povećanje frekvencije prenesenog signala, što je veća frekvencija, to su resursi spektra veći. Međutim, gubitak u širenju visokofrekventnog signala u vazduhu je veliki, ali ga i lako blokiraju prepreke. Ako se koristi kabl, gubitak u kablu je veliki, a prenos na velike udaljenosti je problem. Pojava optičke komunikacije je dobro rješenje za ove probleme.Optička vlaknaima vrlo niske gubitke pri prijenosu i odličan je nosilac za prijenos signala na velike udaljenosti. Frekvencijski raspon svjetlosnih valova je mnogo veći od raspona mikrovalova i može istovremeno prenositi mnogo različitih kanala. Zbog ovih prednostioptički prijenos, komunikacija putem optičkih vlakana postala je osnova današnjeg prenosa informacija.
Optička komunikacija ima dugu istoriju, istraživanja i primjena su veoma opsežni i zreli, ovdje ne treba ništa više reći. Ovaj rad uglavnom predstavlja novi istraživački sadržaj mikrovalne optoelektronike posljednjih godina, pored optičke komunikacije. Mikrovalna optoelektronika uglavnom koristi metode i tehnologije u oblasti optoelektronike kao nosač za poboljšanje i postizanje performansi i primjene koje je teško postići tradicionalnim mikrovalnim elektronskim komponentama. Sa stanovišta primjene, uglavnom uključuje sljedeća tri aspekta.
Prva je upotreba optoelektronike za generiranje visokoperformansnih, niskošumnih mikrovalnih signala, od X-opsega pa sve do THz opsega.
Drugo, obrada mikrovalnog signala. Uključujući kašnjenje, filtriranje, konverziju frekvencije, prijem i tako dalje.
Treće, prenos analognih signala.
U ovom članku autor predstavlja samo prvi dio, generiranje mikrovalnog signala. Tradicionalni mikrovalni milimetarski val uglavnom generiraju iii_V mikroelektronske komponente. Njegova ograničenja imaju sljedeća: Prvo, na visokim frekvencijama poput 100 GHz i više, tradicionalna mikroelektronika može proizvesti 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, originalni uređaj mora biti smješten u okruženju izuzetno niske temperature. Treće, teško je postići širok raspon frekvencijske modulacije i konverzije frekvencije. Da bi se riješili ovi problemi, optoelektronska tehnologija može igrati ulogu. Glavne metode opisane su u nastavku.
1. Kroz razliku frekvencije dva laserska signala različite frekvencije, visokofrekventni fotodetektor se koristi za pretvaranje mikrotalasnih signala, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Šematski dijagram mikrotalasa generisanih različitom frekvencijom dvalaseri.
Prednosti ove metode su jednostavna struktura, mogućnost generiranja izuzetno visokofrekventnog milimetarskog talasnog, pa čak i THz frekventnog signala, a podešavanjem frekvencije lasera može se izvršiti širok raspon brze konverzije frekvencije, odnosno frekvencije prolaska kroz tok. Nedostatak je što je širina linije ili fazni šum signala razlike frekvencije generisanog od strane dva nepovezana laserska signala relativno velika, a stabilnost frekvencije nije visoka, posebno ako se koristi poluprovodnički laser male zapremine, ali velike širine linije (~MHz). Ako zahtjevi za težinu i zapreminu sistema nisu visoki, mogu se koristiti laseri u čvrstom stanju sa niskim šumom (~kHz).vlaknasti laseri, vanjska šupljinapoluprovodnički laseriitd. Pored toga, dva različita načina laserskih signala generisana u istoj laserskoj šupljini mogu se koristiti i za generisanje različite frekvencije, tako da se performanse stabilnosti mikrotalasne frekvencije znatno poboljšavaju.
2. Kako bi se riješio problem nekoherentnosti dva lasera u prethodnoj metodi i prevelikog generiranog šuma faze signala, koherencija između dva lasera može se postići metodom faznog zaključavanja sa zaključavanjem frekvencije ubrizgavanja ili kolom za fazno zaključavanje sa negativnom povratnom spregom. Slika 2 prikazuje tipičnu primjenu zaključavanja injekcijom za generiranje mikrovalnih višestrukih signala (Slika 2). Direktnim ubrizgavanjem visokofrekventnih strujnih signala u poluprovodnički laser ili korištenjem LinBO3-faznog modulatora, mogu se generirati višestruki optički signali različitih frekvencija sa jednakim frekvencijskim razmakom, ili optički frekvencijski češljevi. Naravno, uobičajeno korištena metoda za dobijanje širokospektralnog optičkog frekvencijskog češlja je korištenje lasera sa zaključanim modom. Bilo koja dva signala češlja u generiranom optičkom frekvencijskom češlju se odabiru filtriranjem i ubrizgavaju u laser 1 i 2 respektivno 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. Šematski dijagram signala udvostručenja mikrovalne frekvencije generiranog zaključavanjem frekvencije ubrizgavanja.
Drugi način za smanjenje relativnog faznog šuma dva lasera je korištenje optičkog PLL-a s negativnom povratnom spregom, kao što je prikazano na slici 3.
Slika 3. Šematski dijagram OPL-a.
Princip optičkog PLL-a sličan je principu PLL-a u oblasti elektronike. Fazna razlika dva lasera se pretvara u električni signal pomoću fotodetektora (ekvivalentnog faznom detektoru), a zatim se fazna razlika između dva lasera dobija stvaranjem razlike frekvencije sa referentnim izvorom mikrotalasnog signala, koja se pojačava i filtrira, a zatim vraća u jedinicu za kontrolu frekvencije jednog od lasera (kod poluprovodničkih lasera, to je struja ubrizgavanja). Kroz takvu negativnu povratnu petlju, relativna frekventna faza između dva laserska signala je zaključana na referentni mikrotalasni signal. Kombinovani optički signal se zatim može prenijeti kroz optička vlakna do fotodetektora negdje drugdje i pretvoriti u mikrotalasni signal. Rezultirajući fazni šum mikrotalasnog signala je gotovo isti kao i kod referentnog signala unutar propusnog opsega fazno zaključane negativne povratne petlje. Fazni šum izvan propusnog opsega je jednak relativnom faznom šumu originalna dva nepovezana lasera.
Osim toga, referentni izvor mikrovalnog signala može se pretvoriti i od strane drugih izvora signala putem udvostručenja frekvencije, djelitelja frekvencije ili druge obrade frekvencije, tako da se mikrovalni signal niže frekvencije može višestruko udvostručiti ili pretvoriti u visokofrekventne RF, THz signale.
U poređenju sa 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 frekventni češalj generiran fotoelektričnim modulatorom na Slici 2 koristi se kao izvor svjetlosti, a optička fazno zaključana petlja se koristi 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 respektivno, a mikrovalni signal od N*frep+f1+f2 može se generirati razlikom frekvencije između dva lasera.
Slika 4. Šematski dijagram generiranja proizvoljnih frekvencija korištenjem 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 sa vrlo dobrom frekventnom stabilnošću i vrlo niskim faznim šumom. Fiksiranjem frekvencije lasera na vrlo stabilan atomski i molekularni spektar prelaza, ili izuzetno stabilnu optičku šupljinu, i korištenjem sistema za eliminaciju samoudvostručenja frekvencije, pomjeranja frekvencije i drugih tehnologija, možemo dobiti vrlo stabilan optički impulsni signal sa vrlo stabilnom frekvencijom ponavljanja, kako bismo dobili mikrotalasni signal sa ultra niskim faznim šumom. Slika 5.
Slika 5. Poređenje relativnog faznog šuma različitih izvora signala.
Međutim, budući da je brzina ponavljanja impulsa obrnuto proporcionalna dužini šupljine lasera, a tradicionalni laser sa zaključanim modom je velik, teško je direktno dobiti visokofrekventne mikrotalasne signale. Osim toga, veličina, težina i potrošnja energije tradicionalnih pulsirajućih lasera, kao i strogi zahtjevi okoline, ograničavaju njihovu uglavnom laboratorijsku primjenu. Kako bi se prevazišle ove 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 mikrotalasne signale s niskim šumom.
4. optoelektronski oscilator, slika 6.
Slika 6. Šematski dijagram fotoelektrično spregnutog oscilatora.
Jedna od tradicionalnih metoda generiranja mikrovalova ili lasera je korištenje zatvorene petlje sa samopovratnom spregom. Sve dok je pojačanje u zatvorenoj petlji veće od gubitka, samopobudna oscilacija može proizvesti mikrovalove ili lasere. Što je veći faktor kvalitete Q zatvorene petlje, manji je generirani fazni ili frekventni šum signala. Da bi se povećao faktor kvalitete petlje, direktan način je povećanje dužine petlje i minimiziranje gubitka propagacije. Međutim, duža 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 zasnovan na ovoj ideji, koji u potpunosti koristi karakteristike niskog gubitka propagacije vlakna, a korištenjem dužeg vlakna za poboljšanje Q vrijednosti petlje može proizvesti mikrovalni signal s vrlo niskim faznim šumom. Od kada je metoda predložena 1990-ih, ova vrsta oscilatora je prošla kroz opsežna istraživanja i značajan razvoj, te 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 zasnovanih na ovoj arhitekturi je taj što je petlja dugačka, a šum u njenom slobodnom toku (FSR) i njena dvostruka frekvencija će biti značajno povećani. Osim toga, koristi se više fotoelektričnih komponenti, cijena je visoka, volumen je teško smanjiti, a duže vlakno je osjetljivije na poremećaje u okolini.
Gore navedeno ukratko predstavlja nekoliko metoda generiranja mikrovalnih signala fotoelektronom, kao i njihove prednosti i nedostatke. Konačno, upotreba fotoelektrona za proizvodnju mikrovalova ima još jednu prednost, a to je da se optički signal može distribuirati kroz optičko vlakno s vrlo malim gubicima, prenositi na velike udaljenosti do svakog korisničkog terminala, a zatim pretvoriti u mikrovalne signale, a sposobnost odupiranja elektromagnetnim smetnjama je znatno poboljšana u odnosu na tradicionalne elektroničke komponente.
Ovaj članak je napisan uglavnom u svrhu reference, a u kombinaciji s vlastitim istraživačkim iskustvom i iskustvom autora u ovoj oblasti, postoje netačnosti i nerazumljivost, molimo vas za razumijevanje.
Vrijeme objave: 03.01.2024.