Mikrovalovna optoelektronika, kot že ime pove, je presečišče mikrovalovne inoptoelektronikaMikrovalovi in svetlobni valovi so elektromagnetni valovi, katerih frekvence se razlikujejo za veliko velikostnih razredov, komponente in tehnologije, razvite na njihovih področjih, pa so zelo različne. V kombinaciji lahko izkoristimo drug drugega, vendar lahko dobimo nove aplikacije in značilnosti, ki jih je težko uresničiti.
Optična komunikacijaje odličen primer kombinacije mikrovalov in fotoelektronov. Zgodnje telefonske in telegrafske brezžične komunikacije, generiranje, širjenje in sprejemanje signalov, so vse uporabljale mikrovalovne naprave. Nizkofrekvenčni elektromagnetni valovi so se sprva uporabljali, ker je frekvenčno območje majhno in je prenosna zmogljivost kanala majhna. Rešitev je povečanje frekvence oddanega signala, višja kot je frekvenca, več spektralnih virov je na voljo. Toda visokofrekvenčni signal je v zraku izguba zaradi širjenja velike, vendar ga lahko tudi zlahka blokirajo ovire. Če se uporablja kabel, so izgube kabla velike in prenos na dolge razdalje je problem. Pojav optične komunikacije je dobra rešitev za te težave.Optična vlaknaima zelo nizke izgube pri prenosu in je odličen nosilec za prenos signalov na dolge razdalje. Frekvenčno območje svetlobnih valov je veliko večje od območja mikrovalovnih valov in lahko hkrati prenaša veliko različnih kanalov. Zaradi teh prednostioptični prenos, komunikacija z optičnimi vlakni je postala hrbtenica današnjega prenosa informacij.
Optična komunikacija ima dolgo zgodovino, raziskave in uporaba so zelo obsežne in zrele, zato tukaj ni treba povedati več. Ta članek predstavlja predvsem nove raziskovalne vsebine mikrovalovne optoelektronike v zadnjih letih, ki niso del optične komunikacije. Mikrovalovna optoelektronika v glavnem uporablja metode in tehnologije na področju optoelektronike kot nosilec za izboljšanje in doseganje zmogljivosti in uporabe, ki jih je s tradicionalnimi mikrovalovnimi elektronskimi komponentami težko doseči. Z vidika uporabe vključuje predvsem naslednje tri vidike.
Prva je uporaba optoelektronike za generiranje visokozmogljivih mikrovalovnih signalov z nizkim šumom, od X-pasu vse do THz pasu.
Drugič, obdelava mikrovalovnega signala. Vključno z zakasnitvijo, filtriranjem, pretvorbo frekvence, sprejemom in tako naprej.
Tretjič, prenos analognih signalov.
V tem članku avtor predstavlja le prvi del, generiranje mikrovalovnega signala. Tradicionalne mikrovalovne milimetrske valove v glavnem generirajo mikroelektronske komponente iii_V. Njihove omejitve so naslednje: Prvič, pri visokih frekvencah, kot je 100 GHz in več, lahko tradicionalna mikroelektronika proizvede vedno manj energije, pri višjefrekvenčnem THz signalu pa ne more storiti ničesar. Drugič, za zmanjšanje faznega šuma in izboljšanje frekvenčne stabilnosti je treba originalno napravo namestiti v okolje z izjemno nizko temperaturo. Tretjič, težko je doseči širok razpon frekvenčne modulacije in pretvorbe frekvence. Za rešitev teh težav lahko igra vlogo optoelektronska tehnologija. Glavne metode so opisane spodaj.
1. Z razliko v frekvenci dveh laserskih signalov z različnimi frekvencami se visokofrekvenčni fotodetektor uporablja za pretvorbo mikrovalovnih signalov, kot je prikazano na sliki 1.
Slika 1. Shematski diagram mikrovalov, ki jih generira razlika frekvenc dvehlaserji.
Prednosti te metode so preprosta struktura, možnost generiranja izjemno visokofrekvenčnega milimetrskega valovnega in celo teraherčnega frekvenčnega signala, s prilagajanjem frekvence laserja pa je mogoče izvesti širok razpon hitrih frekvenčnih pretvorb in premikov. Slabost je, da je širina črte ali fazni šum signala razlike frekvenc, ki ga ustvarita dva nepovezana laserska signala, relativno velik, frekvenčna stabilnost pa ni visoka, zlasti če se uporablja polprevodniški laser z majhno prostornino, vendar veliko širino črte (~MHz). Če zahteve glede teže in prostornine sistema niso visoke, se lahko uporabijo trdno-tesni laserji z nizkim šumom (~kHz).vlakenski laserji, zunanja votlinapolprevodniški laserjiitd. Poleg tega se lahko za ustvarjanje razlike v frekvenci uporabita tudi dva različna načina laserskih signalov, ki se generirata v isti laserski votlini, tako da se stabilnost mikrovalovne frekvence močno izboljša.
2. Da bi rešili problem nekoherentnosti obeh laserjev v prejšnji metodi in prevelikega ustvarjenega faznega šuma signala, lahko koherenco med obema laserjema dosežemo z metodo faznega zaklepanja z vbrizgavanjem frekvence ali z vezjem za fazno zaklepanje z negativno povratno zanko. Slika 2 prikazuje tipično uporabo vbrizgavanja zaklepanja za generiranje mikrovalovnih večkratnikov (slika 2). Z neposrednim vbrizgavanjem visokofrekvenčnih tokovnih signalov v polprevodniški laser ali z uporabo faznega modulatorja LinBO3 lahko generiramo več optičnih signalov različnih frekvenc z enakim frekvenčnim razmikom ali optične frekvenčne glavnike. Seveda je najpogosteje uporabljena metoda za pridobitev širokospektralnega optičnega frekvenčnega glavnika uporaba laserja z zaklepanjem modov. Poljubna dva signala glavnika v generiranem optičnem frekvenčnem glavniku se izbereta s filtriranjem in vbrizgata v laser 1 oziroma 2, da se doseže frekvenčno oziroma fazno zaklepanje. Ker je faza med različnimi signali glavnika optičnega frekvenčnega glavnika relativno stabilna, je relativna faza med obema laserjema stabilna, nato pa z metodo razlike frekvenc, kot je opisano zgoraj, lahko dobimo večkratni frekvenčni mikrovalovni signal hitrosti ponovitve optičnega frekvenčnega glavnika.
Slika 2. Shematski diagram signala podvojitve mikrovalovne frekvence, ki ga ustvari zaklepanje frekvence vbrizgavanja.
Drug način za zmanjšanje relativnega faznega šuma obeh laserjev je uporaba optičnega PLL z negativno povratno zanko, kot je prikazano na sliki 3.
Slika 3. Shematski diagram OPL.
Načelo optičnega PLL je podobno načelu PLL na področju elektronike. Fazna razlika obeh laserjev se s fotodetektorjem (enakovrednim faznemu detektorju) pretvori v električni signal, nato pa se fazna razlika med obema laserjema dobi z ustvarjanjem razlike frekvence z referenčnim virom mikrovalovnega signala, ki se ojača in filtrira ter nato vrne v frekvenčno krmilno enoto enega od laserjev (pri polprevodniških laserjih je to injekcijski tok). S takšno negativno povratno zanko se relativna frekvenčna faza med obema laserskima signaloma ujema z referenčnim mikrovalovnim signalom. Kombinirani optični signal se nato lahko prenese skozi optična vlakna do fotodetektorja drugje in pretvori v mikrovalovni signal. Nastali fazni šum mikrovalovnega signala je skoraj enak faznemu šumu referenčnega signala znotraj pasovne širine fazno zaklenjene negativne povratne zanke. Fazni šum zunaj pasovne širine je enak relativnemu faznemu šumu prvotnih dveh nepovezanih laserjev.
Poleg tega lahko referenčni vir mikrovalovnega signala pretvorijo tudi drugi viri signalov s podvojitvijo frekvence, delilnikom frekvence ali drugo frekvenčno obdelavo, tako da se lahko nižjefrekvenčni mikrovalovni signal večkrat podvoji ali pretvori v visokofrekvenčne RF, THz signale.
V primerjavi z injekcijskim frekvenčnim zaklepanjem je mogoče doseči le podvojitev frekvence, fazno zaklenjene zanke pa so bolj fleksibilne, lahko ustvarijo skoraj poljubne frekvence in seveda bolj kompleksne. Na primer, optični frekvenčni glavnik, ki ga generira fotoelektrični modulator na sliki 2, se uporablja kot vir svetlobe, optična fazno zaklenjena zanka pa se uporablja za selektivno zaklepanje frekvence obeh laserjev na signala obeh optičnih glavnikov in nato za generiranje visokofrekvenčnih signalov prek razlike v frekvenci, kot je prikazano na sliki 4. f1 in f2 sta referenčni signalni frekvenci obeh PLLS, mikrovalovni signal N*frep+f1+f2 pa se lahko generira z razliko v frekvenci med obema laserjema.
Slika 4. Shematski diagram generiranja poljubnih frekvenc z uporabo optičnih frekvenčnih glavnikov in PLLS.
3. Uporabite impulzni laser z zaklenjenim načinom za pretvorbo optičnega impulznega signala v mikrovalovni signalfotodetektor.
Glavna prednost te metode je, da je mogoče dobiti signal z zelo dobro frekvenčno stabilnostjo in zelo nizkim faznim šumom. Z zaklepanjem frekvence laserja na zelo stabilen atomski in molekularni prehodni spekter ali izjemno stabilno optično votlino ter z uporabo sistema za samopodvajanje frekvence, frekvenčnega premika in drugih tehnologij lahko dobimo zelo stabilen optični impulzni signal z zelo stabilno frekvenco ponavljanja, s čimer dobimo mikrovalovni signal z ultra nizkim faznim šumom. Slika 5.
Slika 5. Primerjava relativnega faznega šuma različnih virov signala.
Ker pa je hitrost ponavljanja impulzov obratno sorazmerna z dolžino votline laserja in je tradicionalni laser z zaklenjenim načinom velik, je težko neposredno pridobiti visokofrekvenčne mikrovalovne signale. Poleg tega velikost, teža in poraba energije tradicionalnih impulznih laserjev ter ostre okoljske zahteve omejujejo njihovo predvsem laboratorijsko uporabo. Da bi premagali te težave, so se v Združenih državah Amerike in Nemčiji pred kratkim začele raziskave z uporabo nelinearnih učinkov za ustvarjanje frekvenčno stabilnih optičnih glavnikov v zelo majhnih, visokokakovostnih optičnih votlinah s čirp načinom, ki nato ustvarjajo visokofrekvenčne mikrovalovne signale z nizkim šumom.
4. optoelektronski oscilator, slika 6.
Slika 6. Shematski diagram fotoelektrično sklopljenega oscilatorja.
Ena od tradicionalnih metod za generiranje mikrovalovnih valov ali laserjev je uporaba zaprte zanke s samopovratno zanko. Dokler je ojačanje v zaprti zanki večje od izgube, lahko samovzburjeno nihanje ustvari mikrovalovne valove ali laserje. Višji kot je faktor kakovosti Q zaprte zanke, manjši je ustvarjeni fazni ali frekvenčni šum signala. Za povečanje faktorja kakovosti zanke je neposredna pot povečanje dolžine zanke in zmanjšanje izgub zaradi širjenja. Vendar pa lahko daljša zanka običajno podpira generiranje več načinov nihanja, in če dodamo ozkopasovni filter, lahko dobimo enofrekvenčni signal mikrovalovnega nihanja z nizkim šumom. Fotoelektrično sklopljeni oscilator je vir mikrovalovnega signala, ki temelji na tej ideji in v celoti izkorišča značilnosti nizkih izgub zaradi širjenja vlaken. Z uporabo daljšega vlakna za izboljšanje vrednosti Q zanke lahko ustvari mikrovalovni signal z zelo nizkim faznim šumom. Odkar je bila metoda predlagana v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, je bila ta vrsta oscilatorja deležna obsežnih raziskav in precejšnjega razvoja, trenutno pa obstajajo komercialni fotoelektrično sklopljeni oscilatorji. V zadnjem času so bili razviti fotoelektrični oscilatorji, katerih frekvence je mogoče prilagajati v širokem območju. Glavna težava virov mikrovalovnega signala, ki temeljijo na tej arhitekturi, je, da je zanka dolga, šum v njenem prostem toku (FSR) in njena dvojna frekvenca pa se znatno povečata. Poleg tega je uporabljenih več fotoelektričnih komponent, stroški so visoki, prostornino je težko zmanjšati, daljša vlakna pa so bolj občutljiva na okoljske motnje.
Zgoraj je na kratko predstavljenih več metod za generiranje mikrovalovnih signalov s fotoelektroni ter njihove prednosti in slabosti. Uporaba fotoelektronov za proizvodnjo mikrovalovnih signalov ima še eno prednost, in sicer, da se optični signal lahko porazdeli po optičnem vlaknu z zelo majhnimi izgubami, se prenese na dolge razdalje do vsakega uporabniškega terminala in se nato pretvori v mikrovalovne signale, sposobnost odpornosti na elektromagnetne motnje pa je bistveno izboljšana v primerjavi s tradicionalnimi elektronskimi komponentami.
Ta članek je napisan predvsem v referenco in v kombinaciji z avtorjevimi lastnimi raziskovalnimi izkušnjami in izkušnjami na tem področju vsebuje netočnosti in nerazumljivost, zato vas prosimo za razumevanje.
Čas objave: 3. januar 2024