Микровълнова оптоелектроника, както подсказва името, е пресечната точка на микровълновата иоптоелектроникаМикровълните и светлинните вълни са електромагнитни вълни, а честотите им се различават с много порядъци, а компонентите и технологиите, разработени в съответните им области, са много различни. В комбинация можем да се възползваме взаимно, но можем да получим нови приложения и характеристики, които са трудни за реализиране.
Оптична комуникацияе отличен пример за комбинацията от микровълни и фотоелектрони. Ранните телефонни и телеграфни безжични комуникации, генерирането, разпространението и приемането на сигнали, всички са използвали микровълнови устройства. Първоначално са използвани нискочестотни електромагнитни вълни, защото честотният диапазон е малък и капацитетът на канала за предаване е малък. Решението е да се увеличи честотата на предавания сигнал, колкото по-висока е честотата, толкова повече спектрални ресурси. Но загубата на високочестотния сигнал при разпространение във въздуха е голяма, но също така лесно може да бъде блокиран от препятствия. Ако се използва кабел, загубата по кабела е голяма и предаването на дълги разстояния е проблем. Появата на оптична комуникация е добро решение на тези проблеми.Оптично влакноима много ниски загуби при предаване и е отличен носител за предаване на сигнали на дълги разстояния. Честотният диапазон на светлинните вълни е много по-голям от този на микровълните и може да предава много различни канали едновременно. Поради тези предимства...оптично предаване, оптичната комуникация се е превърнала в гръбнака на днешното предаване на информация.
Оптичната комуникация има дълга история, изследванията и приложенията са много обширни и зрели, няма какво повече да се каже. Тази статия представя основно новото изследователско съдържание в областта на микровълновата оптоелектроника през последните години, различно от оптичната комуникация. Микровълновата оптоелектроника използва главно методи и технологии в областта на оптоелектрониката като носител за подобряване и постигане на производителност и приложение, които са трудни за постигане с традиционните микровълнови електронни компоненти. От гледна точка на приложението, тя включва главно следните три аспекта.
Първото е използването на оптоелектроника за генериране на високопроизводителни, нискошумови микровълнови сигнали, от X-диапазона чак до THz диапазона.
Второ, обработка на микровълнови сигнали. Включително забавяне, филтриране, преобразуване на честотата, приемане и т.н.
Трето, предаването на аналогови сигнали.
В тази статия авторът представя само първата част - генерирането на микровълнов сигнал. Традиционните милиметрови микровълнови вълни се генерират главно от iii_V микроелектронни компоненти. Техните ограничения са следните: Първо, при високи честоти, като например 100 GHz и нагоре, традиционната микроелектроника може да произвежда все по-малко мощност, докато при по-високи честоти от THz сигнал тя не може да произвежда нищо. Второ, за да се намали фазовият шум и да се подобри честотната стабилност, оригиналното устройство трябва да се постави в среда с изключително ниска температура. Трето, трудно е да се постигне широк диапазон на честотна модулация и честотно преобразуване. За решаването на тези проблеми може да се използва оптоелектронна технология. Основните методи са описани по-долу.
1. Чрез разликата в честотата на два лазерни сигнала с различна честота, високочестотен фотодетектор се използва за преобразуване на микровълновите сигнали, както е показано на Фигура 1.
Фигура 1. Схематична диаграма на микровълни, генерирани от разликата в честотата на двелазери.
Предимствата на този метод са проста структура, възможност за генериране на изключително високочестотен милиметров вълнов и дори терагерцов честотен сигнал, а чрез регулиране на честотата на лазера може да се осъществи голям диапазон от бързо преобразуване на честотата и сканиране. Недостатъкът е, че ширината на линията или фазовият шум на сигнала с различна честота, генериран от два несвързани лазерни сигнала, е сравнително голям и честотната стабилност не е висока, особено ако се използва полупроводников лазер с малък обем, но голяма ширина на линията (~MHz). Ако изискванията за тегло и обем на системата не са високи, могат да се използват твърдотелни лазери с нисък шум (~kHz).влакнести лазери, външна кухинаполупроводникови лазерии др. Освен това, два различни режима на лазерни сигнали, генерирани в една и съща лазерна кухина, също могат да се използват за генериране на различна честота, така че значително да се подобри стабилността на микровълновата честота.
2. За да се реши проблемът, че двата лазера в предишния метод са некохерентни и генерираният шум от фазата на сигнала е твърде голям, кохерентността между двата лазера може да се постигне чрез метода на фазово заключване с инжектиране или чрез схемата за фазово заключване с отрицателна обратна връзка. Фигура 2 показва типично приложение на инжектирането за генериране на микровълнови кратни (Фигура 2). Чрез директно инжектиране на високочестотни токови сигнали в полупроводников лазер или чрез използване на LinBO3-фазов модулатор, могат да се генерират множество оптични сигнали с различни честоти с еднакво честотно разстояние или оптични честотни гребени. Разбира се, често използваният метод за получаване на широкоспектърен оптичен честотен гребен е използването на лазер със заключени модове. Всякакви два гребенови сигнала в генерирания оптичен честотен гребен се избират чрез филтриране и се инжектират съответно в лазер 1 и 2, за да се осъществи честотно и фазово заключване. Тъй като фазата между различните гребенови сигнали на оптичния честотен гребен е относително стабилна, относителната фаза между двата лазера е стабилна, и след това чрез метода на разликата в честотата, както е описано по-горе, може да се получи многократно честотният микровълнов сигнал с честотата на повторение на оптичния честотен гребен.
Фигура 2. Схематична диаграма на сигнал за удвояване на микровълновата честота, генериран чрез заключване на честотата на инжектиране.
Друг начин за намаляване на относителния фазов шум на двата лазера е използването на оптична PLL система с отрицателна обратна връзка, както е показано на Фигура 3.
Фигура 3. Схематична диаграма на OPL.
Принципът на оптичната PLL е подобен на този на PLL в областта на електрониката. Фазовата разлика на двата лазера се преобразува в електрически сигнал от фотодетектор (еквивалентен на фазов детектор), след което фазовата разлика между двата лазера се получава чрез създаване на различна честота с референтен източник на микровълнов сигнал, който се усилва и филтрира и след това се подава обратно към честотния контролен блок на един от лазерите (за полупроводниковите лазери това е инжекционният ток). Чрез такава отрицателна обратна връзка, относителната честотна фаза между двата лазерни сигнала се фиксира спрямо референтния микровълнов сигнал. Комбинираният оптичен сигнал може след това да бъде предаден през оптични влакна към фотодетектор другаде и да бъде преобразуван в микровълнов сигнал. Полученият фазов шум на микровълновия сигнал е почти същият като този на референтния сигнал в рамките на честотната лента на фазово фиксираната отрицателна обратна връзка. Фазовият шум извън честотната лента е равен на относителния фазов шум на оригиналните два несвързани лазера.
Освен това, източникът на референтния микровълнов сигнал може да бъде преобразуван и от други източници на сигнал чрез удвояване на честотата, делител на честотата или друга честотна обработка, така че нискочестотният микровълнов сигнал може да бъде удвоен или преобразуван във високочестотни RF, THz сигнали.
В сравнение с инжекционното честотно заключване, фазово заключените контури могат да постигнат само удвояване на честотата, докато фазово заключените контури са по-гъвкави, могат да генерират почти произволни честоти и, разбира се, по-сложни. Например, оптичният честотен гребен, генериран от фотоелектричния модулатор на Фигура 2, се използва като източник на светлина, а оптичният фазово заключен контур се използва за селективно заключване на честотата на двата лазера към двата оптични гребенови сигнала и след това за генериране на високочестотни сигнали чрез разликата в честотата, както е показано на Фигура 4. f1 и f2 са съответно референтните сигнални честоти на двата PLLS, а микровълнов сигнал от N*frep+f1+f2 може да бъде генериран от разликата в честотата между двата лазера.
Фигура 4. Схематична диаграма на генериране на произволни честоти с помощта на оптични честотни гребени и PLLS.
3. Използвайте импулсен лазер със заключен режим, за да преобразувате оптичния импулсен сигнал в микровълнов сигнал чрезфотодетектор.
Основното предимство на този метод е, че може да се получи сигнал с много добра честотна стабилност и много нисък фазов шум. Чрез заключване на честотата на лазера към много стабилен атомен и молекулен преходен спектър или изключително стабилна оптична кухина, и използването на система за самоудвояване на честотата, честотно изместване и други технологии, можем да получим много стабилен оптичен импулсен сигнал с много стабилна честота на повторение, така че да се получи микровълнов сигнал с ултра нисък фазов шум. Фигура 5.
Фигура 5. Сравнение на относителния фазов шум на различни източници на сигнал.
Въпреки това, тъй като честотата на повторение на импулсите е обратно пропорционална на дължината на резонатора на лазера, а традиционният лазер със синхронизация на модовете е голям, е трудно да се получат директно високочестотни микровълнови сигнали. Освен това, размерът, теглото и консумацията на енергия на традиционните импулсни лазери, както и суровите екологични изисквания, ограничават предимно лабораторните им приложения. За да се преодолеят тези трудности, наскоро в Съединените щати и Германия започнаха изследвания, използващи нелинейни ефекти за генериране на честотно стабилни оптични гребени в много малки, висококачествени оптични резонатори с чирп режим, които от своя страна генерират високочестотни микровълнови сигнали с нисък шум.
4. оптоелектронен осцилатор, Фигура 6.
Фигура 6. Схематична диаграма на фотоелектрично свързан осцилатор.
Един от традиционните методи за генериране на микровълни или лазери е използването на затворен контур със самообратна връзка. Докато коефициентът на усилване в затворения контур е по-голям от загубата, самовъзбуждащите се трептения могат да генерират микровълни или лазери. Колкото по-висок е коефициентът на качество Q на затворения контур, толкова по-малък е генерираният фазов или честотен шум на сигнала. За да се увеличи коефициентът на качество на контура, директният начин е да се увеличи дължината на контура и да се минимизират загубите от разпространение. По-дълъг контур обаче обикновено може да поддържа генерирането на множество режими на трептене и ако се добави теснолентов филтър, може да се получи едночестотен нискошумов микровълнов трептящ сигнал. Фотоелектрическият свързан осцилатор е източник на микровълнов сигнал, базиран на тази идея. Той използва пълноценно характеристиките на влакното за ниски загуби от разпространение. Използвайки по-дълго влакно за подобряване на Q стойността на контура, може да се генерира микровълнов сигнал с много нисък фазов шум. Откакто методът е предложен през 90-те години на миналия век, този тип осцилатор е претърпял обширни изследвания и значително развитие и в момента има търговски фотоелектрически свързани осцилатори. Съвсем наскоро бяха разработени фотоелектрични осцилатори, чиито честоти могат да се регулират в широк диапазон. Основният проблем на източниците на микровълнов сигнал, базирани на тази архитектура, е, че контурът е дълъг и шумът в свободния му поток (FSR) и удвоената му честота ще бъдат значително увеличени. Освен това, използваните фотоелектрични компоненти са повече, цената е висока, обемът е труден за намаляване и по-дългите влакна са по-чувствителни към смущения от околната среда.
Горното накратко представя няколко метода за генериране на микровълнови сигнали с фотоелектрони, както и техните предимства и недостатъци. И накрая, използването на фотоелектрони за генериране на микровълни има друго предимство, а именно, че оптичният сигнал може да се разпространява през оптичното влакно с много ниски загуби, да се предава на дълги разстояния до всеки потребителски терминал и след това да се преобразува в микровълнови сигнали, а способността им да устояват на електромагнитни смущения е значително подобрена в сравнение с традиционните електронни компоненти.
Написването на тази статия е основно за справка и в съчетание със собствения изследователски опит и опит на автора в тази област, има неточности и непълнота, моля за разбиране.
Време на публикуване: 03 януари 2024 г.