Mikrovlnná optoelektronika, ako už názov napovedá, je priesečník mikrovlnnej rúry aoptoelektronika. Mikrovlnné rúry a ľahké vlny sú elektromagnetické vlny a frekvencie sú veľa rádov odlišných a komponenty a technológie vyvinuté v ich príslušných poliach sú veľmi odlišné. V kombinácii sa môžeme navzájom využívať, ale môžeme získať nové aplikácie a charakteristiky, ktoré je ťažké si uvedomiť.
Optická komunikáciaje ukážkovým príkladom kombinácie mikrovĺn a fotoelektrónov. Včasné telefónne a telegrafné bezdrôtové komunikácie, generácia, šírenie a príjem signálov, všetky používané mikrovlnné zariadenia. Nízkofrekvenčné elektromagnetické vlny sa používajú spočiatku, pretože frekvenčný rozsah je malý a kapacita kanála na prenos je malá. Riešením je zvýšenie frekvencie prenášaného signálu, čím vyššia je frekvencia, tým viac zdrojov spektra. Vysokofrekvenčný signál pri strate šírenia vzduchu je však veľký, ale tiež ľahko blokovaný prekážkami. Ak sa používa kábel, strata kábla je veľká a problém je prevodovkou na veľké vzdialenosti. Výskyt komunikácie optických vlákien je dobrým riešením týchto problémov.Optické vláknoMá veľmi nízku stratu prenosu a je vynikajúcim nosičom prenosu signálov na veľké vzdialenosti. Frekvenčný rozsah svetelných vĺn je oveľa väčší ako rozsah mikrovĺn a môže súčasne vysielať mnoho rôznych kanálov. Kvôli týmto výhodámoptický prenos, Optická komunikácia vlákien sa stala chrbtovou kosťou dnešného prenosu informácií.
Optická komunikácia má dlhú históriu, výskum a aplikácie sú veľmi rozsiahle a vyspelé, tu tu nehovorí viac. Tento dokument predstavuje hlavne nový výskumný obsah mikrovlnnej optoelektroniky v posledných rokoch okrem optickej komunikácie. Mikrovlnná optoelektronika používa hlavne metódy a technológie v oblasti optoelektroniky ako nosič na zlepšenie a dosiahnutie výkonu a aplikácie, ktoré je ťažké dosiahnuť s tradičnými mikrovlnnými elektronickými komponentmi. Z pohľadu aplikácie obsahuje hlavne nasledujúce tri aspekty.
Prvým je použitie optoelektroniky na generovanie vysokovýkonných mikrovlnných signálov s nízkym hlukom, od X-pásma až po pásmo THZ.
Po druhé, spracovanie mikrovlnného signálu. Vrátane oneskorenia, filtrovania, konverzie frekvencie, prijímania atď.
Po tretie, prenos analógových signálov.
V tomto článku autor predstavuje iba prvú časť, generovanie mikrovlnného signálu. Tradičná mikrovlnná milimeterová vlna je generovaná hlavne mikroelektronickými komponentmi III_V. Jeho obmedzenia majú nasledujúce body: Po prvé, na vysoké frekvencie, ako je 100 GHz vyššie, tradičná mikroelektronika dokáže produkovať čoraz menej energie, k signálu THZ s vyššou frekvenciou, nemôžu nič urobiť. Po druhé, aby sa znížil fázový šum a zlepšil stabilitu frekvencie, pôvodné zariadenie musí byť umiestnené v prostredí extrémne nízkej teploty. Po tretie, je ťažké dosiahnuť široký rozsah konverzie frekvenčnej frekvenčnej modulácie. Na vyriešenie týchto problémov môže zohrávať úlohu optoelektronická technológia. Hlavné metódy sú opísané nižšie.
1. Prostredníctvom rozdielovej frekvencie dvoch rôznych frekvenčných laserových signálov sa na prevod mikrovlnných signálov používa vysokofrekvenčný fotodetektor, ako je znázornené na obrázku 1.
Obrázok 1. Schematický diagram mikrovlnných riev generovaných rozdielnou frekvenciou dvochlasery.
Výhody tejto metódy sú jednoduché štruktúra, môžu generovať extrémne frekvenčnú milimetrovú vlnu a dokonca aj frekvenčný signál THZ a úpravou frekvencie laseru môže vykonať veľký rozsah konverzie rýchlej frekvencie, frekvenciu zametania. Nevýhodou je, že šírka šírky čiar alebo fázový šum rozdielového frekvenčného signálu generovaného dvoma nesúvisiacimi laserovými signálmi je relatívne veľká a frekvenčná stabilita nie je vysoká, najmä ak sa používa polovodičový laser s malým objemom, ale veľkou šírkou (~ MHZ). Ak požiadavky objemu hmotnosti systému nie sú vysoké, môžete použiť lasery s nízkym hlukom (~ kHz), lasery,lasery, vonkajšia dutinapolovodičové laseryatď. Okrem toho sa na generovanie rozdielovej frekvencie môžu použiť dva rôzne režimy laserových signálov generovaných v rovnakej laserovej dutine, takže sa výrazne zlepší výkon stability mikrovlnnej frekvencie.
2. Aby sa vyriešil problém, že dva lasery v predchádzajúcej metóde sú nesúdržné a generovaný šum signálnej fázy je príliš veľký, koherencia medzi dvoma lasermi je možné získať metódou uzamknutia frekvencie injekčnej frekvencie alebo metódy uzamknutia fázy zápornej spätnej väzby. Obrázok 2 zobrazuje typickú aplikáciu uzamknutia vstrekovania na generovanie mikrovlnných násobkov (obrázok 2). Tým, že sa priamo vstrekujú vysokofrekvenčné prúdové signály do polovodičového lasera alebo pomocou modulátora Linbo3 fázy, je možné generovať viac optických signálov rôznych frekvencií s rovnakým frekvenčným rozstupom alebo hrebene optických frekvencií. Bežne používanou metódou na získanie širokého spektra optickej frekvenčnej hrebeň je použitie lasera zamknutého režimom. Akékoľvek dva hrebeňové signály v generovanej optickej frekvenčnej hrebere sa vyberú filtrovaním a injektované do laseru 1 a 2, aby sa dosiahlo frekvenčné a fázové uzamknutie. Pretože fáza medzi rôznymi hrebeňovými signálmi hrebeňa optickej frekvencie je relatívne stabilná, takže relatívna fáza medzi týmito dvoma lasermi je stabilná a potom metódou rozdielnej frekvencie, ako je opísané vyššie, je možné získať viacnásobný frekvenčný mikrovlnný signál optickej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej frekvenčnej rýchlosti frekvenčnej frekvenčnej hrebeňovej rýchlosti.
Obrázok 2. Schematický diagram mikrovlnnej frekvenčnej frekvenčnej signálu zdvojnásobeného signálu generovaného injekčným frekvenčným uzamknutím.
Ďalším spôsobom, ako znížiť relatívny fázový hluk dvoch laserov, je použitie negatívnej spätnej väzby Optical PLL, ako je znázornené na obrázku 3.
Obrázok 3. Schematický diagram OPL.
Princíp optického PLL je podobný princípu PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdiel týchto dvoch laserov sa prevedie na elektrický signál fotodetektorom (ekvivalent s fázovým detektorom) a potom sa fázový rozdiel medzi dvoma lasermi dosiahne vytvorením frekvencie rozdielu s referenčným zdrojom mikrovlnného signálu, ktorý je zosilňovaný a filtrovaný a potom sa privádza späť na frekvenčnú jednotku laserov (pre polemické lasery, je to zranený prúd. Prostredníctvom takejto negatívnej spätnej regulačnej slučky je fáza relatívnej frekvencie medzi dvoma laserovými signálmi zamknutá k referenčnému mikrovlnnému signálu. Kombinovaný optický signál sa potom môže prenášať cez optické vlákna na fotodetektor inde a premenený na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je takmer rovnaký ako šumanie referenčného signálu v šírke pásma fázovej zápornej spätnej väzby. Fázový šum mimo šírky pásma sa rovná relatívnemu fázovému šumu pôvodných dvoch nesúvisiacich laserov.
Okrem toho môže byť referenčný zdroj mikrovlnného signálu prevedený aj inými zdrojmi signálu prostredníctvom zdvojnásobenia frekvencie, deliacej frekvencie alebo iného frekvenčného spracovania, aby sa mikrovlnný signál s nižšou frekvenciou mohol viac obojdovať alebo previesť na vysokofrekvenčné RF, THZ signály.
V porovnaní s injekčným frekvenčným uzamknutím môže získať iba zdvojnásobenie frekvencie, fázové slučky sú flexibilnejšie, môžu produkovať takmer svojvoľné frekvencie a samozrejme zložitejšie. Napríklad, hrebeň optickej frekvencie generovanej fotoelektrickým modulátorom na obrázku 2 sa používa ako zdroj svetla a optická fázová slučka sa používa na selektívne uzamknutie frekvencie dvoch laserov k dvom optickým compingovým signálom a potom generujte vysokofrekvenčné signály a mikrofrekvenčné signály a mikrofrekvenčné signály a A MIKROKOVA. N*FREP+F1+F2 sa môže generovať podľa rozdielovej frekvencie medzi dvoma lasermi.
Obrázok 4. Schematický diagram generovania ľubovoľných frekvencií pomocou hrebene optických frekvencií a PLL.
3. Použite impulzný laser s režimom, ktorý konvertuje signál optického impulzu na mikrovlnný signál cezfotodetektor.
Hlavnou výhodou tejto metódy je, že je možné získať signál s veľmi dobrou frekvenčnou stabilitou a veľmi nízkym fázovým šumom. Zamknutím frekvencie lasera do veľmi stabilného spektra atómového a molekulárneho prechodu alebo extrémne stabilnej optickej dutiny a použitia sebestačného frekvenčného frekvenčného posunu systému a iných technológií môžeme získať veľmi stabilný signál optického impulzu s veľmi stabilnou frekvenciou opakovania, aby sme získali mikrovlnný signál s ultra-lamovým fázovým šumom. Obrázok 5.
Obrázok 5. Porovnanie relatívneho fázového šumu rôznych zdrojov signálu.
Avšak, pretože miera opakovania impulzov je nepriamo úmerná dĺžke dutiny lasera a tradičný laser zamknutý v režime je veľký, je ťažké získať priamo vysokofrekvenčné mikrovlnné signály. Okrem toho veľkosť, hmotnosť a spotreba energie tradičných pulzných laserov, ako aj tvrdé environmentálne požiadavky, obmedzujú ich hlavne laboratórne aplikácie. Na prekonanie týchto ťažkostí sa výskum nedávno začal v Spojených štátoch a Nemecku, ktorý využíva nelineárne účinky na generovanie optických hrebeňov stabilných frekvencií vo veľmi malých, vysoko kvalitných optických dutinách režimu CHIRP, ktoré následne generujú vysokofrekvenčné mikrovlnné signály s nízkym obsahom nízkych noistov.
4. Opto elektronický oscilátor, obrázok 6.
Obrázok 6. Schematický diagram fotoelektrického spojeného oscilátora.
Jednou z tradičných metód generovania mikrovĺn alebo laserov je použitie uzavretej slučky samoobsluhy, pokiaľ je zisk v uzavretej slučke väčší ako strata, oscilácia samovytkania môže produkovať mikrovlnné rúry alebo lasery. Čím vyšší je faktor kvality Q uzavretej slučky, tým menšia je generovaná fáza signálu alebo frekvenčný šum. Aby sa zvýšil faktor kvality slučky, priamym spôsobom je zvýšiť dĺžku slučky a minimalizovať stratu šírenia. Dlhšia slučka však zvyčajne môže podporovať generovanie viacerých režimov oscilácie a ak sa pridá filter s úzkou šírkou, je možné získať jednofrekvenčný mikrovlnný mikrovlnný kmitačný signál. Fotoelektrický spojený oscilátor je zdrojom mikrovlnného signálu založený na tejto myšlienke, ktorý plne využíva charakteristiky straty s nízkym propagáciou vlákna, pomocou dlhšieho vlákna na zlepšenie hodnoty slučky Q môže produkovať mikrovlnný signál s veľmi nízkym fázovým šumom. Keďže táto metóda bola navrhnutá v 90. rokoch 20. storočia, tento typ oscilátora získal rozsiahly výskum a značný vývoj a v súčasnosti existujú komerčné fotoelektrické spojené oscilátory. Nedávno boli vyvinuté fotoelektrické oscilátory, ktorých frekvencie je možné upraviť v širokom rozsahu. Hlavným problémom zdrojov mikrovlnných signálov založených na tejto architektúre je to, že slučka je dlhá a hluk vo voľnom toku (FSR) a jeho dvojitá frekvencia sa výrazne zvýšia. Použité fotoelektrické komponenty sú navyše viac, náklady sú vysoké, objem je ťažké znížiť a dlhšia vláknina je citlivejšia na rušenie životného prostredia.
Vyššie uvedené stručne predstavuje niekoľko metód generovania fotoelektrónov mikrovlnných signálov, ako aj ich výhody a nevýhody. Nakoniec, použitie fotoelektrónov na výrobu mikrovlnnej rúry má ďalšiu výhodu, že optický signál sa môže distribuovať cez optické vlákno s veľmi nízkou stratou, prenosom na dlhé vzdialenosti do každého použitia terminálu a potom prevedený na mikrovlnné signály a schopnosť odolávať elektromagnetickej interferencii sa výrazne zlepšuje ako tradičné elektronické komponenty.
Písanie tohto článku je hlavne pre referenciu a v kombinácii s vlastnými výskumnými skúsenosťami a skúsenosťami v tejto oblasti, prosím, existujú nepresnosti a nepochopenie.
Čas príspevku: Jan-03-2024