Mikrovalovna optoelektronika, kot pove že ime, je stičišče mikrovalovke inoptoelektronika.Mikrovalovi in svetlobni valovi so elektromagnetni valovi, frekvence pa se za veliko velikosti razlikujejo, komponente in tehnologije, razvite na njihovih področjih, pa so zelo različne.V kombinaciji lahko izkoriščamo drug drugega, lahko pa dobimo nove aplikacije in lastnosti, ki jih je težko realizirati.
Optična komunikacijaje odličen primer kombinacije mikrovalov in fotoelektronov.Zgodnje telefonske in telegrafske brezžične komunikacije, ustvarjanje, širjenje in sprejemanje signalov, vse uporabljene mikrovalovne naprave.Na začetku se uporabljajo nizkofrekvenčni elektromagnetni valovi, ker je frekvenčno območje majhno in zmogljivost kanala za prenos majhna.Rešitev je povečanje frekvence oddanega signala, višja kot je frekvenca, več virov spektra.Toda visokofrekvenčni signal pri izgubi širjenja zraka je velik, vendar ga je tudi enostavno blokirati z ovirami.Če se uporablja kabel, je izguba kabla velika in prenos na dolge razdalje je problem.Pojav komunikacije po optičnih vlaknih je dobra rešitev za te težave.Optična vlaknaima zelo nizke izgube pri prenosu in je odličen nosilec za prenos signalov na velike razdalje.Frekvenčni razpon svetlobnih valov je veliko večji kot pri mikrovalovih in lahko hkrati oddaja več različnih kanalov.Zaradi teh prednostioptični prenos, je komunikacija po optičnih vlaknih postala hrbtenica današnjega prenosa informacij.
Optične komunikacije imajo dolgo zgodovino, raziskave in aplikacije so zelo obsežne in zrele, da ne rečem več.Ta prispevek v glavnem predstavlja nove raziskovalne vsebine mikrovalovne optoelektronike v zadnjih letih, razen optičnih komunikacij.Mikrovalovna optoelektronika v glavnem uporablja metode in tehnologije na področju optoelektronike kot nosilec za izboljšanje in doseganje zmogljivosti in uporabe, ki ju je težko doseči s tradicionalnimi mikrovalovnimi elektronskimi komponentami.Z vidika uporabe vključuje predvsem naslednje tri vidike.
Prvi je uporaba optoelektronike za generiranje visokozmogljivih mikrovalovnih signalov z nizkim šumom, od pasu X pa vse do pasu THz.
Drugič, obdelava mikrovalovnega signala.Vključno z zakasnitvijo, filtriranjem, pretvorbo frekvence, sprejemom in tako naprej.
Tretjič, prenos analognih signalov.
V tem članku avtor predstavi le prvi del, generiranje mikrovalovnega signala.Tradicionalni mikrovalovni milimetrski val v glavnem ustvarjajo mikroelektronske komponente iii_V.Njegove omejitve so naslednje: Prvič, pri visokih frekvencah, kot je 100 GHz več, lahko tradicionalna mikroelektronika proizvede vedno manj energije, pri signalu višje frekvence THz pa ne more narediti ničesar.Drugič, da bi zmanjšali fazni šum in izboljšali stabilnost frekvence, je treba originalno napravo postaviti v okolje z izjemno nizko temperaturo.Tretjič, težko je doseči širok razpon frekvenčne modulacije pretvorbe frekvence.Optoelektronska tehnologija lahko igra vlogo pri reševanju teh težav.Glavne metode so opisane spodaj.
1. Z razliko frekvence dveh različnih frekvenčnih laserskih signalov se visokofrekvenčni fotodetektor uporablja za pretvorbo mikrovalovnih signalov, kot je prikazano na sliki 1.
Slika 1. Shematski diagram mikrovalov, ki jih ustvarja razlika frekvence dvehlaserji.
Prednosti te metode so preprosta struktura, lahko ustvari izjemno visokofrekvenčni milimetrski val in celo THz frekvenčni signal, s prilagoditvijo frekvence laserja pa lahko izvede velik razpon hitre pretvorbe frekvence, frekvenco brisanja.Pomanjkljivost je, da je širina črte ali fazni šum diferenčnega frekvenčnega signala, ki ga ustvarita dva nepovezana laserska signala, sorazmerno velik, frekvenca pa ni visoka, zlasti če je polprevodniški laser z majhno prostornino, vendar veliko širino črte (~MHz). rabljeno.Če zahteve glede prostornine teže sistema niso visoke, lahko uporabite polprevodniške laserje z nizkim šumom (~kHz),vlakneni laserji, zunanja votlinapolprevodniški laserji, itd. Poleg tega se lahko dva različna načina laserskih signalov, ustvarjenih v isti laserski votlini, uporabita tudi za ustvarjanje različne frekvence, tako da se stabilnost frekvence mikrovalov močno izboljša.
2. Da bi rešili problem, da sta dva laserja v prejšnji metodi nekoherentna in je ustvarjeni fazni šum signala prevelik, je mogoče koherenco med obema laserjema doseči z metodo faznega zaklepanja frekvence vbrizgavanja ali fazo negativne povratne informacije zaklepno vezje.Slika 2 prikazuje tipično uporabo zaklepanja vbrizgavanja za generiranje mikrovalovnih mnogokratnikov (slika 2).Z neposrednim vbrizgavanjem visokofrekvenčnih tokovnih signalov v polprevodniški laser ali z uporabo faznega modulatorja LinBO3 je mogoče ustvariti več optičnih signalov različnih frekvenc z enakim frekvenčnim razmikom ali optične frekvenčne glavnike.Seveda je običajno uporabljena metoda za pridobitev optičnega frekvenčnega glavnika širokega spektra uporaba laserja z zaklenjenim načinom.Katera koli dva glavnika signala v ustvarjenem optičnem frekvenčnem glavniku se izbereta s filtriranjem in vbrizgata v laser 1 oziroma 2, da se izvede frekvenčno oziroma fazno zaklepanje.Ker je faza med različnimi signali glavnika optičnega frekvenčnega glavnika razmeroma stabilna, tako da je relativna faza med obema laserjema stabilna, nato pa z metodo različne frekvence, kot je opisano prej, mikrovalovni signal z več frekvencami mogoče doseči stopnjo ponavljanja glavnika optične frekvence.
Slika 2. Shematski diagram signala za podvajanje mikrovalovne frekvence, ustvarjenega z zaklepanjem frekvence vbrizgavanja.
Drug način za zmanjšanje relativnega faznega šuma obeh laserjev je uporaba optičnega PLL z negativno povratno zvezo, kot je prikazano na sliki 3.
Slika 3. Shematski diagram OPL.
Načelo optičnega PLL je podobno kot PLL na področju elektronike.Fazno razliko obeh laserjev pretvori fotodetektor v električni signal (enakovredno faznemu detektorju), nato pa se fazna razlika med obema laserjema pridobi z ustvarjanjem razlike frekvence z referenčnim virom mikrovalovnega signala, ki se ojača in filtriran ter nato doveden nazaj v frekvenčno krmilno enoto enega od laserjev (pri polprevodniških laserjih je to injekcijski tok).Skozi takšno krmilno zanko negativne povratne zveze je relativna frekvenčna faza med dvema laserskima signaloma zaklenjena na referenčni mikrovalovni signal.Kombinirani optični signal se lahko nato prenese prek optičnih vlaken do fotodetektorja drugje in pretvori v mikrovalovni signal.Nastali fazni šum mikrovalovnega signala je skoraj enak tistemu referenčnega signala znotraj pasovne širine fazno zaklenjene negativne povratne zanke.Fazni šum zunaj pasovne širine je enak relativnemu faznemu šumu izvirnih dveh nepovezanih laserjev.
Poleg tega lahko vir referenčnega mikrovalovnega signala pretvorijo tudi drugi viri signala s podvajanjem frekvence, frekvenco delilnika ali drugo frekvenčno obdelavo, tako da je mogoče mikrovalovni signal nižje frekvence večkrat podvojiti ali pretvoriti v visokofrekvenčne RF, THz signale.
V primerjavi z zaklepanjem frekvence vbrizgavanja lahko dosežemo le podvojitev frekvence, so fazno zaklenjene zanke bolj prilagodljive, lahko proizvedejo skoraj poljubne frekvence in seveda bolj zapletene.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 dveh laserjev na oba signala optičnega glavnika in nato generiranje visokofrekvenčne signale skozi diferenčno frekvenco, kot je prikazano na sliki 4. f1 in f2 sta referenčni frekvenci signala obeh PLLS, mikrovalovni signal N*frep+f1+f2 pa lahko ustvari različna frekvenca med dva laserja.
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 spekter atomskega in molekularnega prehoda ali izjemno stabilno optično votlino ter uporabo frekvenčnega premika sistema za izločanje frekvence s samopodvojitvijo in drugih tehnologij lahko pridobimo zelo stabilen signal optičnega impulza z zelo stabilno ponavljalno frekvenco, da dobimo mikrovalovni signal z ultra nizkim faznim šumom.Slika 5.
Slika 5. Primerjava relativnega faznega šuma različnih virov signala.
Ker pa je hitrost ponavljanja impulza obratno sorazmerna z dolžino votline laserja in ker 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 stroge okoljske zahteve omejujejo njihovo predvsem laboratorijsko uporabo.Za premagovanje teh težav so se nedavno v Združenih državah in Nemčiji začele raziskave z uporabo nelinearnih učinkov za ustvarjanje frekvenčno stabilnih optičnih glavnikov v zelo majhnih, visokokakovostnih optičnih votlinah v načinu čirpanja, ki nato ustvarjajo visokofrekvenčne mikrovalovne signale z nizkim šumom.
4. optoelektronski oscilator, slika 6.
Slika 6. Shematski diagram fotoelektrično sklopljenega oscilatorja.
Eden od tradicionalnih načinov generiranja mikrovalov ali laserjev je uporaba zaprte zanke s samopovratno povezavo; dokler je dobiček v zaprti zanki večji od izgube, lahko samovzbujeno nihanje proizvaja mikrovalove ali laserje.Višji kot je faktor kakovosti Q zaprte zanke, manjši je fazni ali frekvenčni šum ustvarjenega signala.Da bi povečali faktor kakovosti zanke, je neposredna pot povečati dolžino zanke in zmanjšati izgubo pri širjenju.Vendar lahko daljša zanka običajno podpira ustvarjanje več načinov nihanja in če dodamo filter z ozko pasovno širino, lahko dobimo enofrekvenčni nizkošumni mikrovalovni nihajni signal.Fotoelektrični sklopljeni oscilator je vir mikrovalovnega signala, ki temelji na tej ideji, v celoti izkorišča nizke lastnosti izgube pri širjenju vlakna, z uporabo daljšega vlakna za izboljšanje vrednosti Q zanke lahko proizvede mikrovalovni signal z zelo nizkim faznim šumom.Odkar je bila metoda predlagana v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, je bil ta tip oscilatorja deležen obsežnih raziskav in znatnega razvoja, trenutno pa obstajajo komercialni fotoelektrični sklopljeni oscilatorji.Nedavno so bili razviti fotoelektrični oscilatorji, katerih frekvence je mogoče prilagoditi v širokem območju.Glavna težava virov mikrovalovnih signalov, ki temeljijo na tej arhitekturi, je, da je zanka dolga, šum v njenem prostem pretoku (FSR) in dvojna frekvenca pa se bosta znatno povečala.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 fotoelektronskega generiranja mikrovalovnih signalov ter njihove prednosti in slabosti.Končno ima uporaba fotoelektronov za proizvodnjo mikrovalovne pečice še eno prednost, saj je optični signal mogoče porazdeliti po optičnem vlaknu z zelo nizko izgubo, prenos na velike razdalje do vsakega uporabniškega terminala in nato pretvorjen v mikrovalovne signale ter sposobnost odpornosti na elektromagnetne motnje so bistveno izboljšane kot tradicionalne elektronske komponente.
Pisanje tega članka je v glavnem referenca in v kombinaciji z avtorjevimi raziskovalnimi izkušnjami in izkušnjami na tem področju obstajajo netočnosti in nerazumljivosti, prosimo za razumevanje.
Čas objave: 3. januarja 2024