Mikrotalasna optoelektronika, kao što ime govori, je sjecište mikrovalne ioptoelektronika.Mikrotalasi i svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi, a frekvencije su mnogo reda veličine različite, a komponente i tehnologije razvijene u njihovim područjima su vrlo različite.U kombinaciji možemo iskoristiti jedni druge, ali možemo dobiti nove aplikacije i karakteristike koje je teško realizirati.
Optička komunikacijaje odličan primjer kombinacije mikrovalova i fotoelektrona.Rane telefonske i telegrafske bežične komunikacije, generiranje, širenje i prijem signala, svi korišteni mikrovalni uređaji.U početku se koriste niskofrekventni elektromagnetski talasi jer je opseg frekvencija mali, a kapacitet kanala za prenos mali.Rješenje je povećanje frekvencije emitiranog signala, što je viša frekvencija, to je više resursa spektra.Ali signal visoke frekvencije u gubitku širenja zraka je velik, ali ga je lako blokirati preprekama.Ako se koristi kabel, gubitak kabela je velik, a prijenos na velike udaljenosti predstavlja problem.Pojava komunikacije optičkim vlaknima dobro je rješenje za ove probleme.Optičko vlaknoima vrlo male gubitke u prijenosu i odličan je nosač za prijenos signala na velike udaljenosti.Frekvencijski opseg svjetlosnih valova je mnogo veći nego kod mikrovalova i može istovremeno prenositi mnogo različitih kanala.Zbog ovih prednosti odoptički prenos, komunikacija optičkim vlaknima postala je okosnica današnjeg prijenosa informacija.
Optička komunikacija ima dugu istoriju, istraživanja i primena su veoma opsežna i zrela, da ne govorimo više.Ovaj rad uglavnom predstavlja novi istraživački sadržaj mikrovalne optoelektronike posljednjih godina osim optičke komunikacije.Mikrotalasna optoelektronika uglavnom koristi metode i tehnologije iz oblasti optoelektronike kao nosioca za poboljšanje i postizanje performansi i primene koje je teško postići tradicionalnim mikrotalasnim elektronskim komponentama.Iz perspektive primjene, uglavnom uključuje sljedeća tri aspekta.
Prvi je upotreba optoelektronike za generiranje mikrovalnih signala visokih performansi i niske razine šuma, od X-opsega pa sve do THz opsega.
Drugo, mikrovalna obrada 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 mikrotalasni milimetarski talas uglavnom generišu iii_V mikroelektronske komponente.Njegova ograničenja imaju sljedeće tačke: Prvo, na visokim frekvencijama kao što je 100GHz 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 treba postaviti u okruženje ekstremno niske temperature.Treće, teško je postići širok raspon frekvencijske modulacije pretvaranja frekvencije.U rješavanju ovih problema, optoelektronska tehnologija može igrati ulogu.Glavne metode su opisane u nastavku.
1. Kroz razliku frekvencije dva laserska signala različite frekvencije, visokofrekventni fotodetektor se koristi za pretvaranje mikrovalnih signala, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Šematski dijagram mikrovalova generiranih razlikom frekvencije dvalaseri.
Prednosti ove metode su jednostavna struktura, može generirati ekstremno visoke frekvencije milimetarskog talasa pa čak i THz frekvencijskog signala, a podešavanjem frekvencije lasera može izvršiti veliki raspon brze konverzije frekvencije, sweep frekvencije.Nedostatak je u tome što je širina linije ili fazni šum signala razlike frekvencije koji generiraju dva nepovezana laserska signala relativno velik, a stabilnost frekvencije nije visoka, posebno ako je poluprovodnički laser male zapremine, ali velike širine linije (~MHz) korišteno.Ako zahtjevi za zapreminu sistema nisu visoki, možete koristiti solid-state lasere niske buke (~kHz),fiber laseri, vanjska šupljinapoluprovodnički laseri, itd. Osim toga, dva različita načina laserskih signala generiranih u istoj laserskoj šupljini također se mogu koristiti za generiranje razlike frekvencije, tako da je stabilnost mikrovalne frekvencije znatno poboljšana.
2. Kako bi se riješio problem da su dva lasera u prethodnoj metodi nekoherentna i da je generirani fazni šum prevelik, koherentnost između dva lasera može se postići metodom zaključavanja faze ubrizgavanja frekvencije ili fazom negativne povratne sprege sklop za zaključavanje.Slika 2 prikazuje tipičnu primjenu zaključavanja ubrizgavanja za generiranje mikrovalnih višestrukih (slika 2).Direktnim ubrizgavanjem visokofrekventnih strujnih signala u poluvodički laser, ili korištenjem LinBO3-faznog modulatora, mogu se generirati višestruki optički signali različitih frekvencija sa jednakim razmakom frekvencija ili optički frekventni češljevi.Naravno, uobičajena metoda za dobivanje češlja širokog spektra optičke frekvencije je korištenje lasera s zaključavanjem moda.Bilo koja dva signala češlja u generiranoj optičkoj frekvenciji se biraju filtriranjem i ubrizgavaju u laser 1 i 2 kako bi se ostvarilo zaključavanje frekvencije i faze.Budući da je faza između različitih signala češlja optičkog frekventnog češlja relativno stabilna, tako da je relativna faza između dva lasera stabilna, a zatim metodom razlike frekvencije kao što je opisano ranije, mikrovalni signal višestruke frekvencije može se dobiti stopa ponavljanja češlja sa optičkom frekvencijom.
Slika 2. Šematski dijagram signala udvostručavanja mikrovalne frekvencije generiranog zaključavanjem frekvencije ubrizgavanja.
Drugi način da se smanji relativni fazni šum 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 onom kod 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 tako što se napravi razlika frekvencije sa referentnim mikrotalasnim izvorom signala, koji se pojačava. i filtrira, a zatim se vraća u jedinicu za kontrolu frekvencije jednog od lasera (za poluvodičke lasere, to je injekciona struja).Kroz takvu kontrolnu petlju negativne povratne sprege, relativna frekvencijska faza između dva laserska signala je zaključana za referentni mikrovalni signal.Kombinovani optički signal se zatim može prenijeti kroz optička vlakna do fotodetektora na drugom mjestu i pretvoriti u mikrovalni signal.Rezultirajući fazni šum mikrotalasnog signala je skoro isti kao i referentni signal unutar propusnog opsega fazno zaključane negativne povratne sprege.Fazni šum izvan propusnog opsega jednak je relativnom faznom šumu originalna dva nepovezana lasera.
Osim toga, referentni mikrovalni izvor signala se također može pretvoriti od strane drugih izvora signala kroz udvostručavanje frekvencije, frekvenciju djelitelja ili drugu obradu frekvencije, tako da se mikrovalni signal niže frekvencije može višestruko udvostručiti ili pretvoriti u visokofrekventne RF, THz signale.
U poređenju sa ubrizgavanjem, zaključavanje frekvencije može postići samo udvostručenje frekvencije, petlje sa faznom blokadom su fleksibilnije, mogu proizvesti gotovo proizvoljne frekvencije i naravno složenije.Na primjer, optički frekventni češalj koji generira fotoelektrični modulator na slici 2 koristi se kao izvor svjetlosti, a optička fazno zaključana petlja se koristi za selektivno zaključavanje frekvencije dva lasera na dva signala optičkog češlja, a zatim generiranje visokofrekventni signali kroz frekvenciju razlike, kao što je prikazano na slici 4. f1 i f2 su referentne frekvencije signala za dva PLLS-a, a mikrovalni signal od N*frep+f1+f2 može se generirati pomoću razlike frekvencije između dva lasera.
Slika 4. Šematski dijagram generisanja proizvoljnih frekvencija pomoću optičkih frekvencijskih češlja i PLLS-a.
3. Upotrijebite pulsni laser s blokadom moda za pretvaranje optičkog impulsnog signala u mikrovalni signalfotodetektor.
Glavna prednost ove metode je da se može dobiti signal sa vrlo dobrom stabilnošću frekvencije i vrlo niskim faznim šumom.Zaključavanjem frekvencije lasera na vrlo stabilan atomski i molekularni prijelazni spektar, ili ekstremno stabilnu optičku šupljinu, te korištenjem sistema za pomicanje frekvencije sa samoudvostručavanjem frekvencije i drugih tehnologija, možemo dobiti vrlo stabilan optički impulsni signal sa vrlo stabilnu frekvenciju ponavljanja, tako da se dobije 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 mikrovalne signale.Osim toga, veličina, težina i potrošnja energije tradicionalnih impulsnih lasera, kao i strogi zahtjevi okoliša, ograničavaju njihovu uglavnom laboratorijsku primjenu.Kako bi se prevladale ove poteškoće, nedavno je počelo istraživanje u Sjedinjenim Državama i Njemačkoj korištenjem nelinearnih efekata za generiranje frekvencijsko stabilnih optičkih češljeva u vrlo malim, visokokvalitetnim optičkim šupljinama čirp moda, koje zauzvrat stvaraju visokofrekventne mikrovalne signale niske razine šuma.
4. opto elektronski 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, samopobuđena oscilacija može proizvesti mikrovalove ili lasere.Što je veći faktor kvalitete Q zatvorene petlje, to je manja generirana faza signala ili frekvencijski šum.Da bi se povećao faktor kvaliteta petlje, direktan način je da se poveća dužina petlje i minimizira gubitak propagacije.Međutim, duža petlja obično može podržati generiranje višestrukih modova osciliranja, a ako se doda filter uskog pojasa, može se dobiti jednofrekventni mikrovalni oscilacijski signal niske razine šuma.Fotoelektrični spregnuti oscilator je izvor mikrovalnog signala zasnovan na ovoj ideji, on u potpunosti koristi karakteristike niskog gubitka propagacije vlakna, koristeći duže vlakno za poboljšanje Q vrijednosti petlje, može proizvesti mikrovalni signal sa vrlo niskim faznim šumom.Od kada je metoda predložena 1990-ih, ovaj tip oscilatora je prošao opsežno istraživanje i značajan razvoj, a trenutno postoje komercijalni fotoelektrično spregnuti oscilatori.Nedavno su razvijeni fotoelektrični oscilatori čije se frekvencije mogu podesiti u širokom rasponu.Glavni problem izvora mikrovalnih signala zasnovanih na ovoj arhitekturi je taj što je petlja duga, a šum u njegovom slobodnom toku (FSR) i njegova dvostruka frekvencija će biti značajno povećani.Osim toga, fotoelektrične komponente koje se koriste su više, cijena je visoka, volumen je teško smanjiti, a duža vlakna su osjetljivija na smetnje iz okoline.
Navedeno ukratko predstavlja nekoliko metoda fotoelektronske generacije mikrotalasnih signala, kao i njihove prednosti i nedostatke.Konačno, upotreba fotoelektrona za proizvodnju mikrovalne pećnice ima još jednu prednost u tome što se optički signal može distribuirati kroz optičko vlakno s vrlo malim gubicima, prijenosom na velike udaljenosti do svakog terminala za upotrebu, a zatim se pretvoriti u mikrovalne signale i sposobnošću otpornosti na elektromagnetne interferencija je značajno poboljšana u odnosu na tradicionalne elektronske komponente.
Pisanje ovog članka je uglavnom za referencu, a u kombinaciji sa autorovim vlastitim istraživačkim iskustvom i iskustvom u ovoj oblasti, postoje nepreciznosti i nedorečenosti, molimo za razumijevanje.
Vrijeme objave: Jan-03-2024