Mikrovlnná optoelektronika, ako už názov napovedá, je priesečníkom mikrovlnnej aoptoelektronika. Mikrovlny a svetelné vlny sú elektromagnetické vlny a ich frekvencie sú o mnoho rádov rozdielne a komponenty a technológie vyvinuté v ich príslušných oblastiach sú veľmi odlišné. V kombinácii môžeme využiť jeden druhého, ale môžeme získať nové aplikácie a vlastnosti, ktoré je ťažké realizovať.
Optická komunikáciaje ukážkovým príkladom kombinácie mikrovĺn a fotoelektrónov. Skorá telefónna a telegrafná bezdrôtová komunikácia, generovanie, šírenie a príjem signálov, všetko používané mikrovlnné zariadenia. Na začiatku sa používajú nízkofrekvenčné elektromagnetické vlny, pretože frekvenčný rozsah je malý a kapacita kanála na prenos je malá. Riešením je zvýšenie frekvencie prenášaného signálu, čím vyššia frekvencia, tým viac zdrojov spektra. Ale vysokofrekvenčný signál v strate šírenia vzduchu je veľký, ale tiež ho ľahko zablokujú prekážky. Ak sa používa kábel, strata kábla je veľká a prenos na veľké vzdialenosti je problém. Vznik komunikácie z optických vlákien je dobrým riešením týchto problémov.Optické vláknomá veľmi nízku prenosovú stratu a je vynikajúcim nosičom pre prenos signálov na veľké vzdialenosti. Frekvenčný rozsah svetelných vĺn je oveľa väčší ako u mikrovĺn a môže súčasne prenášať mnoho rôznych kanálov. Kvôli týmto výhodámoptický prenos, komunikácia pomocou optických vlákien sa stala chrbticou dnešného prenosu informácií.
Optická komunikácia má dlhú históriu, výskum a aplikácie sú veľmi rozsiahle a vyspelé, tu sa nedá povedať viac. Tento článok predstavuje hlavne nový obsah výskumu mikrovlnnej optoelektroniky v posledných rokoch okrem optickej komunikácie. Mikrovlnná optoelektronika využíva hlavne metódy a technológie v oblasti optoelektroniky ako nosiča na zlepšenie a dosiahnutie výkonu a aplikácie, ktoré je ťažké dosiahnuť s tradičnými mikrovlnnými elektronickými komponentmi. Z hľadiska aplikácie zahŕňa najmä nasledujúce tri aspekty.
Prvým je použitie optoelektroniky na generovanie vysokovýkonných, nízkošumových mikrovlnných signálov, od pásma X až po pásmo THz.
Po druhé, spracovanie mikrovlnného signálu. Vrátane oneskorenia, filtrovania, frekvenčnej konverzie, príjmu atď.
Po tretie, prenos analógových signálov.
V tomto článku autor uvádza len prvú časť, generovanie mikrovlnného signálu. Tradičná mikrovlnná milimetrová vlna je generovaná najmä mikroelektronickými komponentmi iii_V. Jeho obmedzenia majú nasledujúce body: Po prvé, s vysokými frekvenciami, ako je 100 GHz vyššie, môže tradičná mikroelektronika produkovať stále menej energie, s vyššou frekvenciou signálu THz nedokáže nič. Po druhé, aby sa znížil fázový šum a zlepšila sa frekvenčná stabilita, pôvodné zariadenie musí byť umiestnené v prostredí s extrémne nízkou teplotou. Po tretie, je ťažké dosiahnuť široký rozsah frekvenčnej modulácie frekvenčnej konverzie. Pri riešení týchto problémov môže zohrávať úlohu optoelektronická technológia. Hlavné metódy sú popísané nižšie.
1. Prostredníctvom rozdielovej frekvencie dvoch rôznych frekvenčných laserových signálov sa na konverziu mikrovlnných signálov používa vysokofrekvenčný fotodetektor, ako je znázornené na obrázku 1.
Obrázok 1. Schematický diagram mikrovĺn generovaných rozdielovou frekvenciou dvochlasery.
Výhodou tejto metódy je jednoduchá štruktúra, môže generovať extrémne vysokofrekvenčné milimetrové vlny a dokonca aj THz frekvenčný signál a úpravou frekvencie lasera môže vykonávať veľký rozsah rýchlej frekvenčnej konverzie, frekvencie rozmietania. Nevýhodou je, že šírka čiary alebo fázový šum signálu rozdielovej frekvencie generovaného dvoma nesúvisiacimi laserovými signálmi je relatívne veľký a frekvenčná stabilita nie je vysoká, najmä ak je polovodičový laser s malým objemom, ale veľkou šírkou čiary (~ MHz). použité. Ak požiadavky na hmotnosť systému nie sú vysoké, môžete použiť nízkošumové (~kHz) polovodičové lasery,vláknové lasery, vonkajšia dutinapolovodičové lasery, atď. Okrem toho, dva rôzne režimy laserových signálov generovaných v rovnakej laserovej dutine môžu byť tiež použité na generovanie rozdielovej frekvencie, takže výkon stability mikrovlnnej frekvencie je výrazne zlepšený.
2. Aby sa vyriešil problém, že dva lasery v predchádzajúcej metóde sú nekoherentné a generovaný fázový šum signálu je príliš veľký, možno koherenciu medzi týmito dvoma lasermi získať metódou fázového uzamknutia frekvencie vstrekovania alebo fázou negatívnej spätnej väzby. uzamykací obvod. Obrázok 2 zobrazuje typickú aplikáciu blokovania vstrekovania na generovanie mikrovlnných násobkov (obrázok 2). Priamym vstrekovaním vysokofrekvenčných prúdových signálov do polovodičového lasera alebo použitím LinBO3-fázového modulátora je možné generovať viacero optických signálov rôznych frekvencií s rovnakým frekvenčným odstupom alebo optických frekvenčných hrebeňov. Samozrejme, bežne používanou metódou na získanie širokospektrálneho optického frekvenčného hrebeňa je použitie lasera s uzamknutým režimom. Akékoľvek dva hrebeňové signály vo vygenerovanom optickom frekvenčnom hrebeni sa vyberú filtrovaním a vstreknú sa do lasera 1 a 2 na realizáciu frekvenčného a fázového uzamknutia. Pretože fáza medzi rôznymi hrebeňovými signálmi hrebeňa s optickou frekvenciou je relatívne stabilná, takže relatívna fáza medzi dvoma lasermi je stabilná, a potom metódou rozdielovej frekvencie, ako je opísané vyššie, mikrovlnný signál s viacnásobnou frekvenciou možno získať opakovaciu frekvenciu hrebeňa s optickou frekvenciou.
Obrázok 2. Schematický diagram signálu zdvojnásobenia mikrovlnnej frekvencie generovaného blokovaním frekvencie vstrekovania.
Ďalším spôsobom zníženia relatívneho fázového šumu týchto dvoch laserov je použitie negatívnej spätnej väzby optickej PLL, ako je znázornené na obrázku 3.
Obrázok 3. Schéma OPL.
Princíp optického PLL je podobný ako pri PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdiel dvoch laserov sa premení na elektrický signál fotodetektorom (ekvivalentom fázového detektora) a potom sa fázový rozdiel medzi dvoma lasermi získa vytvorením rozdielovej frekvencie s referenčným zdrojom mikrovlnného signálu, ktorý sa zosilní. a prefiltrovaný a potom privedený späť do frekvenčnej riadiacej jednotky jedného z laserov (v prípade polovodičových laserov je to vstrekovací prúd). Prostredníctvom takejto negatívnej spätnoväzbovej riadiacej slučky je fáza relatívnej frekvencie medzi dvoma laserovými signálmi viazaná na referenčný mikrovlnný signál. Kombinovaný optický signál môže byť potom prenesený cez optické vlákna do fotodetektora inde a prevedený na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je takmer rovnaký ako šum referenčného signálu v rámci šírky pásma fázovo uzamknutej negatívnej spätnej väzby. Fázový šum mimo šírky pásma sa rovná relatívnemu fázovému šumu pôvodných dvoch nesúvisiacich laserov.
Okrem toho môže byť referenčný zdroj mikrovlnného signálu tiež konvertovaný inými zdrojmi signálu prostredníctvom zdvojnásobenia frekvencie, deliacej frekvencie alebo iného frekvenčného spracovania, takže mikrovlnný signál s nižšou frekvenciou môže byť viacnásobne zdvojnásobený alebo konvertovaný na vysokofrekvenčné RF, THz signály.
V porovnaní s blokovaním frekvencie vstrekovania možno dosiahnuť iba zdvojnásobenie frekvencie, slučky s fázovým závesom sú flexibilnejšie, môžu produkovať takmer ľubovoľné frekvencie a samozrejme zložitejšie. Napríklad optický frekvenčný hrebeň generovaný fotoelektrickým modulátorom na obrázku 2 sa používa ako zdroj svetla a optická slučka fázového závesu sa používa na selektívne uzamknutie frekvencie dvoch laserov na dva optické hrebeňové signály a potom na generovanie vysokofrekvenčné signály cez rozdielovú frekvenciu, ako je znázornené na obrázku 4. f1 a f2 sú referenčné frekvencie signálu dvoch PLLS a mikrovlnný signál N*frep+f1+f2 môže byť generovaný rozdielovou frekvenciou medzi dva lasery.
Obrázok 4. Schematický diagram generovania ľubovoľných frekvencií pomocou optických frekvenčných hrebeňov a PLLS.
3. Na premenu optického impulzného signálu na mikrovlnný signál použite pulzný laser s uzamknutým režimomfotodetektor.
Hlavnou výhodou tejto metódy je, že možno získať signál s veľmi dobrou frekvenčnou stabilitou a veľmi nízkym fázovým šumom. Uzamknutím frekvencie lasera na veľmi stabilné atómové a molekulárne prechodové spektrum alebo extrémne stabilnú optickú dutinu a použitím systému frekvenčného posunu s automatickým zdvojením frekvencie a ďalších technológií môžeme získať veľmi stabilný optický pulzný signál s veľmi stabilnú opakovaciu frekvenciu, aby sa získal mikrovlnný signál s ultranízkym fázovým šumom. Obrázok 5.
Obrázok 5. Porovnanie relatívneho fázového šumu rôznych zdrojov signálu.
Avšak, pretože frekvencia opakovania impulzov je nepriamo úmerná dĺžke dutiny lasera a tradičný laser s uzamknutým režimom je veľký, je ťažké priamo získať vysokofrekvenčné mikrovlnné signály. Okrem toho veľkosť, hmotnosť a spotreba energie tradičných pulzných laserov, ako aj prísne environmentálne požiadavky obmedzujú ich hlavne laboratórne aplikácie. Na prekonanie týchto ťažkostí sa nedávno v Spojených štátoch a Nemecku začal výskum využívajúci nelineárne efekty na generovanie frekvenčne stabilných optických hrebeňov vo veľmi malých, vysokokvalitných optických dutinách v režime cvrlikania, ktoré zase generujú vysokofrekvenčné nízkošumové mikrovlnné signály.
4. optoelektronický oscilátor, obrázok 6.
Obrázok 6. Schéma fotoelektricky viazaného oscilátora.
Jednou z tradičných metód generovania mikrovĺn alebo laserov je použitie uzavretej slučky s vlastnou spätnou väzbou, pokiaľ je zisk v uzavretej slučke väčší ako strata, samobudená oscilácia môže produkovať mikrovlny alebo lasery. Čím vyšší je faktor kvality Q uzavretej slučky, tým menšia je generovaná signálová fáza alebo frekvenčný šum. Aby sa zvýšil faktor kvality slučky, priamym spôsobom je zväčšiť dĺžku slučky a minimalizovať stratu šírenia. Dlhšia slučka však zvyčajne môže podporovať generovanie viacerých režimov oscilácie a ak sa pridá filter s úzkou šírkou pásma, možno získať jednofrekvenčný nízkošumový mikrovlnný oscilačný signál. Fotoelektrický spojený oscilátor je zdroj mikrovlnného signálu založený na tejto myšlienke, plne využíva vlastnosti vlákna s nízkymi stratami pri šírení, pomocou dlhšieho vlákna na zlepšenie hodnoty slučky Q môže produkovať mikrovlnný signál s veľmi nízkym fázovým šumom. Odkedy bola metóda navrhnutá v 90. rokoch 20. storočia, tento typ oscilátora prešiel rozsiahlym výskumom a značným vývojom a v súčasnosti existujú komerčné fotoelektrické spojené oscilátory. Nedávno boli vyvinuté fotoelektrické oscilátory, ktorých frekvencie je možné nastaviť v širokom rozsahu. Hlavným problémom zdrojov mikrovlnného signálu založených na tejto architektúre je, že slučka je dlhá a šum v jej voľnom toku (FSR) a jej dvojnásobná frekvencia sa výrazne zvýši. Okrem toho je použitých fotoelektrických komponentov viac, náklady sú vysoké, objem sa ťažko zmenšuje a dlhšie vlákno je citlivejšie na rušenie prostredia.
Vyššie uvedené stručne predstavuje niekoľko spôsobov fotoelektrónového generovania mikrovlnných signálov, ako aj ich výhody a nevýhody. A napokon, použitie fotoelektrónov na výrobu mikrovĺn má ďalšiu výhodu spočívajúcu v tom, že optický signál môže byť distribuovaný cez optické vlákno s veľmi nízkou stratou, diaľkovým prenosom ku každému použitému terminálu a potom prevedený na mikrovlnné signály a schopnosť odolávať elektromagnetickým rušenie je výrazne lepšie ako tradičné elektronické komponenty.
Tento článok je písaný hlavne pre referenciu a v kombinácii s vlastnými výskumnými skúsenosťami a skúsenosťami autora v tejto oblasti sa vyskytujú nepresnosti a nezrozumiteľnosti, prosím pochopte.
Čas odoslania: Jan-03-2024