Mikrovalovna optoelektronika, kot že ime pove, je presečišče mikrovalovne pečice inOptoelectronics. Mikrovalovne pečice in svetlobni valovi so elektromagnetni valovi, frekvence pa so številna vrha, ki so različna, komponente in tehnologije, razvite na njihovih področjih, pa so zelo različne. V kombinaciji lahko medsebojno izkoristimo, vendar lahko dobimo nove aplikacije in značilnosti, ki jih je težko uresničiti.
Optična komunikacijaje odličen primer kombinacije mikrovalov in fotoelektronov. Zgodnja telefonska in telegrafska brezžična komunikacija, generacija, širjenje in sprejem signalov, vse uporabljene mikrovalovne naprave. Elektromagnetni valovi z nizko frekvenco se na začetku uporabljajo, ker je frekvenčno območje majhno, zmogljivost kanala za prenos pa majhna. Rešitev je povečati frekvenco prenašanega signala, večja kot je frekvenca, več spektralnih virov. Toda visokofrekvenčni signal pri izgubi širjenja zraka je velik, hkrati pa ga je enostavno blokirati z ovirami. Če se uporablja kabel, je izguba kabla velika, prenos na dolge razdalje pa je težava. Pojav komunikacije optičnih vlaken je dobra rešitev za te težave.Optična vlaknaima zelo nizko izgubo prenosa in je odličen nosilec za prenos signalov na dolge razdalje. Frekvenčni razpon svetlobnih valov je veliko večji kot pri mikrovalovnih pečicah in lahko hkrati prenaša veliko različnih kanalov. Zaradi teh prednostiOptični prenos, komunikacija optičnih vlaken je postala hrbtenica današnjega prenosa informacij.
Optična komunikacija ima dolgo zgodovino, raziskave in uporabo so zelo obsežne in zrele, tukaj ne pove več. Ta članek v glavnem uvaja novo raziskovalno vsebino mikrovalovne optoelektronike v zadnjih letih, razen 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 težko doseči s tradicionalnimi mikrovalovnimi elektronskimi komponentami. Z vidika uporabe v glavnem vključuje naslednje tri vidike.
Prva je uporaba optoelectronics za ustvarjanje visokozmogljivih mikrovalovnih signalov z nizkim šumom, od X-pasu vse do pasu THZ.
Drugič, obdelava mikrovalovnih signalov. Vključno z zamudo, filtriranjem, pretvorbo frekvence, sprejemanjem in tako naprej.
Tretjič, prenos analognih signalov.
V tem članku avtor uvaja samo prvi del, ustvarjanje mikrovalovnega signala. Tradicionalni mikrovalovni milimetrski val nastaja predvsem z mikroelektronskimi komponentami III_V. Njegove omejitve imajo naslednje točke: najprej na visoke frekvence, kot je 100 GHz zgoraj, tradicionalna mikroelektronika lahko proizvede manj in manj moči, na signal višje frekvence THz, ne morejo storiti ničesar. Drugič, za zmanjšanje faznega hrupa in izboljšanje frekvenčne stabilnosti je treba prvotno napravo namestiti v izjemno nizko temperaturno okolje. Tretjič, težko je doseči široko paleto pretvorbe frekvence frekvence modulacije. Za reševanje teh težav lahko optoelektronska tehnologija igra vlogo. Glavne metode so opisane spodaj.
1. Skozi različno frekvenco dveh različnih frekvenčnih laserskih signalov se za pretvorbo mikrovalovnih signalov uporablja visokofrekvenčni fotodektor, kot je prikazano na sliki 1.
Slika 1. Shematski diagram mikrovalovnih pečilaserji.
Prednosti te metode so preprosta struktura, lahko ustvarijo izjemno visokofrekvenčni milimetrski val in celo THz frekvenčni signal, s prilagoditvijo frekvence laserja pa lahko izvede velik obseg hitro frekvenčne pretvorbe, pometa frekvence. Pomanjkljivost je, da je širina ali fazni hrup razlike frekvenčnega signala, ki ga ustvarita dva nepovezana laserska signala, razmeroma velika, frekvenčna stabilnost pa ni visoka, še posebej, če se polprevodniški laser z majhno prostornino, vendar se uporablja velika širina (~ MHz). Če zahteve glede volumna teže sistema niso visoke, lahko uporabite laserji z nizkim hrupom (~ kHz), ki so v trdnem stanju,Laserji vlaken, zunanja votlinapolprevodniški laserji, itd. Poleg tega lahko uporabimo tudi dva različna načina laserskih signalov, ustvarjenih v isti laserski votlini, za ustvarjanje razlike frekvence, tako da se zmogljivost mikrovalovne frekvence stabilnosti močno izboljša.
2. Da bi rešili težavo, da sta dva laserja v prejšnji metodi neskladna in da je nastali hrup signalne faze prevelik, lahko koherenco med obema laserjem dobimo z metodo zaklepanja frekvence vbrizgavanja ali negativnim povratnim zaklepanjem. Slika 2 prikazuje značilno uporabo zaklepanja injiciranja za ustvarjanje mikrovalovnih večkratnikov (slika 2). Z neposredno vbrizgavanjem signalov visokofrekvenčnega toka v polprevodniški laser ali z uporabo modulatorja faze LINBO3 faze lahko ustvarite več optičnih signalov različnih frekvenc z enakim frekvenčnim razmikom ali optično frekvenčno glavno. Seveda je pogosto uporabljena metoda za pridobivanje širokega glavne optične frekvence širokega spektra uporaba laserja, zaklenjenega na način. Vsaka dva glavna signala v ustvarjenem glavniku optične frekvence sta izbrana s filtriranjem in vbrizgata v laser 1 in 2, da se uresniči frekvenca in fazno zaklepanje. Ker je faza med različnimi glavnimi signali optičnega frekvenčnega glavnika sorazmerno stabilna, tako da je relativna faza med obema laserjema stabilna, nato pa lahko z metodo razlike frekvence, kot je opisano prej, pridobiti večkratni frekvenčni mikrovalovni signal za optično frekvenčno hitrost ponavljanja.
Slika 2. Shematski diagram signala za podvojitev frekvence mikrovalovne frekvence, ustvarjenega z zaklepanjem frekvence vbrizgavanja.
Drug način za zmanjšanje relativnega faznega hrupa obeh laserjev je uporaba negativnega povratnega optičnega PLL, kot je prikazano na sliki 3.
Slika 3. Shematski diagram Opl.
Načelo optičnega PLL je podobno kot pri PLL na področju elektronike. Fazna razlika obeh laserjev se pretvori v električni signal s fotodetektorjem (enakovrednim faznim detektorjem), nato pa se fazna razlika med obema laserjem dobi tako, da se z referenčnim mikrovalovnim virom signala, ki se ojača in filtrira nazaj v referenčni mikrovalovni signal, dobimo, in se nato pomeri v injicingu ene od frekvenčnih kontrolnih enot (za semimične lase). S tako negativno regulacijsko zanko povratnih informacij je relativna frekvenčna faza med obema lasersko signalom zaklenjena na referenčni mikrovalovni signal. Kombinirani optični signal se lahko nato prek optičnih vlaken prenaša na fotodetektor drugje in pretvori v mikrovalovni signal. Nastali fazni hrup mikrovalovnega signala je skoraj enak tiskanju referenčnega signala znotraj pasovne širine fazne zaklenjene negativne povratne zanke. Fazni hrup zunaj pasovne širine je enak relativnemu faznemu hrupu prvotnih dveh nepovezanih laserjev.
Poleg tega lahko referenčni mikrovalovnik vir signala pretvorimo tudi z drugimi viri signala z podvojitvijo frekvence, frekvenco delitve ali drugo frekvenčno obdelavo, tako da se lahko signal mikrovalovne pečice z nižjo frekvenco pomnoži ali pretvori v visokofrekvenčne RF, THZ signale.
V primerjavi z zaklepanjem frekvence injiciranja lahko dobijo le podvojitev frekvence, fazno zaklenjene zanke so bolj prožne, lahko proizvajajo skoraj poljubne frekvence in seveda bolj zapletene. Na primer, glavnik optične frekvence, ki ga ustvari fotoelektrični modulator na sliki 2, se uporablja kot vir svetlobe, optična fazno zaklenjena zanka pa se uporablja za selektivno zaklepanje frekvence obeh laserjev na dva optična signala glavnika, nato pa ustvarijo visokofrekvenčne signale s pomočjo frekvence razlike, kot je prikazano na sliki F1 in A, in A so referenčni signalni frekvenci in A, ki so prikazani na sliki F1 in F2 N*Frep+F1+F2 se lahko ustvari z različno frekvenco med obema laserjem.
Slika 4. Shematski diagram generiranja poljubnih frekvenc z uporabo optičnih frekvenčnih glavnikov in PLL -jev.
3. Uporabite način zaklenjenega impulznega laserja za pretvorbo optičnega impulznega signala v mikrovalovni signal skozifotodetektor.
Glavna prednost te metode je, da je mogoče dobiti signal z zelo dobro frekvenčno stabilnostjo in zelo nizkim faznim hrupom. Z zaklepanjem frekvence laserja na zelo stabilen atomski in molekularni prehodni spekter ali izjemno stabilno optično votlino ter uporabo samo dvoma frekvenčnega sistema za odstranjevanje frekvenčnega premika in drugih tehnologij lahko pridobimo zelo stabilen signal za optično pulzno, tako da dobimo mikrovalovnega signala z ultra-lovcem. Slika 5.
Slika 5. Primerjava relativnega faznega hrupa različnih virov signala.
Ker pa je hitrost ponavljanja impulza obratno sorazmerna z dolžino votline laserja in je tradicionalni laser, zaprti na način, velik, je težko neposredno pridobiti visokofrekvenčne mikrovalovne signale. Poleg tega velikost, teža in poraba energije tradicionalnih impulznih laserjev in ostrih okoljskih potreb omejujejo predvsem njihove laboratorijske aplikacije. Da bi premagali te težave, so se v ZDA in Nemčiji nedavno začele raziskave z uporabo nelinearnih učinkov za ustvarjanje frekvenčno stabilnih optičnih glavnikov v zelo majhnih, visokokakovostnih optičnih votlinah Chirp, ki posledično ustvarjajo visokofrekvenčne mikrovalovne signale z nizkim hrupom.
4. Opto elektronski oscilator, slika 6.
Slika 6. Shematski diagram fotoelektričnega sklopljenega oscilatorja.
Ena od tradicionalnih načinov ustvarjanja mikrovalov ali laserjev je uporaba zaprte zanke za samopodobo, če je dobiček v zaprti zanki večji od izgube, lahko samoizražena nihanje proizvaja mikrovalovne pečice ali laserje. Višji kot je faktor kakovosti Q zaprte zanke, manjši je ustvarjena signalna faza ali frekvenčni hrup. Da bi povečali faktor kakovosti zanke, je neposreden način povečati dolžino zanke in zmanjšati izgubo širjenja. Vendar pa lahko daljša zanka običajno podpira nastajanje več načinov nihanja, in če je dodan filter ozke pasovne širine, lahko dobimo enofrekvenčni mikrovalovni signal z nizkim hrupom. Fotoelektrični oscilator je vir mikrovalovnega signala, ki temelji na tej ideji, v celoti uporablja značilnosti izgube z nizko širjenjem vlaken, pri čemer lahko uporabi daljša vlakna za izboljšanje vrednosti zanke Q, lahko ustvari mikrovalovni signal z zelo nizkim faznim hrupom. Ker je bila metoda predlagana v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, je ta vrsta oscilatorja prejela obsežne raziskave in velik razvoj, trenutno pa obstajajo komercialni fotoelektrični oscilatorji. V zadnjem času so razviti fotoelektrični oscilatorji, katerih frekvence je mogoče prilagoditi v širokem razponu. Glavni problem virov mikrovalovnega signala, ki temelji na tej arhitekturi, je, da je zanka dolga, hrup v prostem toku (FSR) in njegova dvojna frekvenca pa se bo znatno povečala. Poleg tega so uporabljene fotoelektrične komponente več, stroški so visoki, volumen je težko zmanjšati, daljše vlaknine pa so bolj občutljive na motnje v okolju.
Zgoraj na kratko predstavi več načinov ustvarjanja fotoelektronov mikrovalovnih signalov, pa tudi njihove prednosti in slabosti. Nazadnje ima uporaba fotoelektronov za izdelavo mikrovalovne pečice še eno prednost, da lahko optični signal porazdelimo skozi optično vlakno z zelo nizko izgubo, prenosom na dolge razdalje na vsakega terminala uporabe in nato pretvorimo v mikrovalovne signale, sposobnost odpornosti na elektromagnetne motnje pa je bistveno izboljšana kot tradicionalne elektronske komponent.
Pisanje tega članka je predvsem za referenco in v kombinaciji z avtorjevimi lastnimi raziskovalnimi izkušnjami in izkušnjami na tem področju obstajajo netočnosti in nerazumnost, prosim, razumejte.
Čas objave: januar-03-2024