Mikrovlnná optoelektronika, ako už názov napovedá, je priesečníkom mikrovlnnej aoptoelektronikaMikrovlny a svetelné vlny sú elektromagnetické vlny a ich frekvencie sa líšia o mnoho rádov a komponenty a technológie vyvinuté v ich príslušných oblastiach sú veľmi odlišné. V kombinácii môžeme navzájom využívať výhody, ale môžeme získať nové aplikácie a vlastnosti, ktoré je ťažké realizovať.
Optická komunikáciaje ukážkovým príkladom kombinácie mikrovĺn a fotoelektrónov. Rané telefónne a telegrafné bezdrôtové komunikácie, generovanie, šírenie a príjem signálov, všetky používali mikrovlnné zariadenia. Nízkofrekvenčné elektromagnetické vlny sa spočiatku používali, pretože frekvenčný rozsah je malý a prenosová kapacita kanála je malá. Riešením je zvýšenie frekvencie vysielaného signálu, čím vyššia je frekvencia, tým viac spektrálnych zdrojov. Vysokofrekvenčný signál je však v dôsledku straty šírenia vzduchom veľký a ľahko sa môže zablokovať prekážkami. Ak sa použije kábel, straty v kábli sú veľké a prenos na dlhé vzdialenosti je problémom. Vznik optickej komunikácie je dobrým riešením týchto problémov.Optické vláknomá veľmi nízke prenosové straty a je vynikajúcim nosičom na prenos signálov na dlhé vzdialenosti. Frekvenčný rozsah svetelných vĺn je oveľa väčší ako u mikrovĺn a dokáže prenášať mnoho rôznych kanálov súčasne. Vďaka týmto výhodámoptický prenos, optická komunikácia sa stala chrbticou dnešného prenosu informácií.
Optická komunikácia má dlhú históriu, výskum a aplikácie sú veľmi rozsiahle a zrelé, takže tu netreba hovoriť viac. Tento článok predstavuje najmä nový výskumný obsah mikrovlnnej optoelektroniky v posledných rokoch, ktorý sa líši od optickej komunikácie. Mikrovlnná optoelektronika využíva najmä metódy a technológie v oblasti optoelektroniky ako nosič na zlepšenie a dosiahnutie výkonu a aplikácií, ktoré je ťažké dosiahnuť s tradičnými mikrovlnnými elektronickými súčiastkami. Z hľadiska aplikácie zahŕňa najmä nasledujúce tri aspekty.
Prvým je použitie optoelektroniky na generovanie vysokovýkonných mikrovlnných signálov s nízkym šumom, 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 predstavuje iba prvú časť, generovanie mikrovlnného signálu. Tradičné mikrovlnné milimetrové vlny sú generované hlavne mikroelektronickými súčiastkami iii_V. Ich obmedzenia majú nasledujúce body: Po prvé, pri vysokých frekvenciách, ako je 100 GHz a viac, dokáže tradičná mikroelektronika produkovať čoraz menej energie, pri signáloch s vyššou frekvenciou THz nedokáže nič. Po druhé, na zníženie fázového šumu a zlepšenie frekvenčnej stability je potrebné pôvodné zariadenie umiestniť do prostredia s extrémne nízkou teplotou. Po tretie, je ťažké dosiahnuť široký rozsah frekvenčnej modulácie a konverzie frekvencie. Na vyriešenie týchto problémov môže zohrať úlohu optoelektronická technológia. Hlavné metódy sú opísané nižšie.
1. Prostredníctvom rozdielovej frekvencie dvoch laserových signálov s rôznou frekvenciou sa na konverziu mikrovlnných signálov používa vysokofrekvenčný fotodetektor, ako je znázornené na obrázku 1.
Obrázok 1. Schematický diagram mikrovĺn generovaných rozdielovou frekvenciou dvochlasery.
Výhody tejto metódy sú jednoduchá štruktúra, možnosť generovať extrémne vysokofrekvenčný milimetrový vlnový a dokonca aj teraHz frekvenčný signál a úpravou frekvencie laseru je možné vykonávať široký rozsah rýchlej frekvenčnej konverzie a rozptylu frekvencie. 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 sa používa polovodičový laser s malým objemom, ale veľkou šírkou čiary (~MHz). Ak požiadavky na hmotnosť a objem systému nie sú vysoké, je možné použiť nízkošumové (~kHz) lasery v pevnej fáze.vláknové lasery, vonkajšia dutinapolovodičové laseryatď. Okrem toho je možné na generovanie rozdielovej frekvencie použiť aj dva rôzne režimy laserových signálov generovaných v tej istej laserovej dutine, čím sa výrazne zlepší stabilita mikrovlnnej frekvencie.
2. Aby sa vyriešil problém, že dva lasery v predchádzajúcej metóde sú nekoherentné a generovaný fázový šum signálu je príliš veľký, koherencia medzi týmito dvoma lasermi sa dá dosiahnuť metódou fázového blokovania so vstrekovaním frekvencie alebo obvodom fázového blokovania so negatívnou spätnou väzbou. Obrázok 2 znázorňuje typickú aplikáciu vstrekovania na generovanie mikrovlnných násobkov (obrázok 2). Priamym vstrekovaním vysokofrekvenčných prúdových signálov do polovodičového laseru alebo použitím fázového modulátora LinBO3 je možné generovať viacero optických signálov rôznych frekvencií s rovnakým frekvenčným rozstupom alebo optické frekvenčné hrebene. Bežne používanou metódou na získanie širokospektrálneho optického frekvenčného hrebeňa je samozrejme použitie módovo blokovaného laseru. Ľubovoľné dva hrebeňové signály v generovanom optickom frekvenčnom hrebeni sa vyberú filtrovaním a vstreknú do lasera 1 a 2, aby sa dosiahlo frekvenčné a fázové blokovanie. Pretože fáza medzi rôznymi hrebeňovými signálmi optického frekvenčného hrebeňa je relatívne stabilná, relatívna fáza medzi týmito dvoma lasermi je stabilná, a potom metódou rozdielovej frekvencie, ako je opísané vyššie, je možné získať viacnásobný frekvenčný mikrovlnný signál s opakovacou frekvenciou optického frekvenčného hrebeňa.
Obrázok 2. Schematický diagram signálu zdvojnásobenia mikrovlnnej frekvencie generovaného synchronizáciou frekvencie vstrekovania.
Ďalším spôsobom, ako znížiť relatívny fázový šum oboch laserov, je použitie optického PLL so negatívnou spätnou väzbou, ako je znázornené na obrázku 3.
Obrázok 3. Schematický diagram OPL.
Princíp optického PLL je podobný princípu PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdiel dvoch laserov sa premieňa fotodetektorom (ekvivalentom fázového detektora) na elektrický signál a potom sa fázový rozdiel medzi týmito dvoma lasermi získa vytvorením rozdielovej frekvencie s referenčným zdrojom mikrovlnného signálu, ktorý sa zosilní, filtruje a potom sa privedie späť do frekvenčnej riadiacej jednotky jedného z laserov (pre polovodičové lasery je to vstrekovací prúd). Prostredníctvom takejto regulačnej slučky so zápornou spätnou väzbou je relatívna frekvenčná fáza medzi dvoma laserovými signálmi uzamknutá k referenčnému mikrovlnnému signálu. Kombinovaný optický signál sa potom môže prenášať cez optické vlákna do fotodetektora inde a previesť na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je takmer rovnaký ako fázový šum referenčného signálu v rámci šírky pásma fázovo uzamknutej 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 konvertovaný aj inými zdrojmi signálu prostredníctvom zdvojnásobenia frekvencie, deliteľnej frekvencie alebo iného frekvenčného spracovania, takže mikrovlnný signál s nižšou frekvenciou môže byť zdvojnásobený alebo konvertovaný na vysokofrekvenčné RF, THz signály.
V porovnaní s injekčným synchronizovaním frekvencie je možné dosiahnuť iba zdvojnásobenie frekvencie, fázovo synchronizované slučky sú flexibilnejšie, dokážu produkovať takmer ľubovoľné frekvencie a samozrejme sú zložitejšie. Napríklad optický frekvenčný hrebeň generovaný fotoelektrickým modulátorom na obrázku 2 sa používa ako zdroj svetla a optická fázovo synchronizovaná slučka sa používa na selektívne synchronizovanie frekvencie dvoch laserov na signály dvoch optických hrebeňov a následné generovanie vysokofrekvenčných signálov prostredníctvom rozdielovej frekvencie, ako je znázornené na obrázku 4. f1 a f2 sú referenčné signálové frekvencie dvoch PLLS a mikrovlnný signál N*frep+f1+f2 môže byť generovaný rozdielovou frekvenciou medzi dvoma lasermi.
Obrázok 4. Schematický diagram generovania ľubovoľných frekvencií pomocou optických frekvenčných hrebeňov a PLLS.
3. Na konverziu optického impulzného signálu na mikrovlnný signál použite pulzný laser s uzamknutým režimomfotodetektor.
Hlavnou výhodou tejto metódy je, že je možné získať signál s veľmi dobrou frekvenčnou stabilitou a veľmi nízkym fázovým šumom. Uzamknutím frekvencie laseru na veľmi stabilné spektrum atómových a molekulárnych prechodov alebo extrémne stabilnú optickú dutinu a použitím systému samozdvojnásobujúcej sa eliminácie frekvencie, frekvenčného posunu a ďalších technológií je možné získať veľmi stabilný optický impulzný signál s veľmi stabilnou opakovacou frekvenciou, čím sa získa mikrovlnný signál s ultranízkym fázovým šumom. Obrázok 5.
Obrázok 5. Porovnanie relatívneho fázového šumu rôznych zdrojov signálu.
Keďže je však frekvencia opakovania impulzov nepriamo úmerná dĺžke dutiny lasera a tradičný módovo synchronizovaný laser 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 prevažne laboratórne aplikácie. Na prekonanie týchto ťažkostí sa v Spojených štátoch a Nemecku nedávno začal výskum využívajúci nelineárne efekty na generovanie frekvenčne stabilných optických hrebeňov vo veľmi malých, vysokokvalitných optických dutinách s chirpovým režimom, ktoré následne generujú vysokofrekvenčné nízkošumové mikrovlnné signály.
4. optoelektronický oscilátor, obrázok 6.
Obrázok 6. Schéma zapojenia 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, samobudené kmitanie môže produkovať mikrovlny alebo lasery. Čím vyšší je faktor kvality Q uzavretej slučky, tým menší je generovaný fázový alebo frekvenčný šum signálu. Priamou cestou na zvýšenie faktora kvality slučky je zväčšenie dĺžky slučky a minimalizácia strát šírením. Dlhšia slučka však zvyčajne dokáže generovať viacero módov kmitania a ak sa pridá úzkopásmový filter, je možné získať jednofrekvenčný nízkošumový signál mikrovlnného kmitania. Fotoelektricky viazaný oscilátor je zdroj mikrovlnného signálu založený na tejto myšlienke, ktorý plne využíva charakteristiky nízkych strát šírením vlákna a použitím dlhšieho vlákna na zlepšenie hodnoty Q slučky je možné produkovať mikrovlnný signál s veľmi nízkym fázovým šumom. Odkedy bola táto metóda navrhnutá v 90. rokoch 20. storočia, tento typ oscilátora prešiel rozsiahlym výskumom a značným vývojom a v súčasnosti existujú komerčné fotoelektricky viazané oscilátory. V poslednej dobe 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, čo výrazne zvyšuje šum v jej voľnom toku (FSR) a jej dvojnásobnú frekvenciu. Okrem toho sa používa viac fotoelektrických komponentov, náklady sú vysoké, objem sa ťažko znižuje a dlhšie vlákno je citlivejšie na rušenie prostredia.
Vyššie uvedené stručne predstavuje niekoľko metód generovania mikrovlnných signálov fotoelektrónmi, ako aj ich výhody a nevýhody. Ďalšou výhodou použitia fotoelektrónov na generovanie mikrovlnných signálov je, že optický signál sa môže distribuovať optickým vláknom s veľmi nízkou stratou, prenosom na veľké vzdialenosti do každého používateľského terminálu a následne premeniť na mikrovlnné signály, pričom schopnosť odolávať elektromagnetickému rušeniu je výrazne lepšia ako u tradičných elektronických súčiastok.
Tento článok slúži predovšetkým na informačné účely a v kombinácii s vlastnými výskumnými skúsenosťami autora a skúsenosťami v tejto oblasti obsahuje nepresnosti a nezrozumiteľnosť, prosím o pochopenie.
Čas uverejnenia: 03.01.2024