Микровълнова оптоелектроника, както подсказва името, е пресечната точка на микровълнова печка иоптоелектроника. Микровълните и светлинните вълни са електромагнитни вълни и честотите са различни в много порядъци, а компонентите и технологиите, разработени в съответните им области, са много различни. В комбинация можем да се възползваме един от друг, но можем да получим нови приложения и характеристики, които са трудни за реализиране съответно.
Оптична комуникацияе отличен пример за комбинация от микровълни и фотоелектрони. Ранни телефонни и телеграфни безжични комуникации, генериране, разпространение и приемане на сигнали, всички използвани микровълнови устройства. Първоначално се използват нискочестотни електромагнитни вълни, тъй като 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 ресурси на спектъра. Но високочестотният сигнал в загубата на разпространение на въздуха е голям, но също така лесно се блокира от препятствия. Ако се използва кабелът, загубата на кабела е голяма и предаването на дълги разстояния е проблем. Появата на комуникация с оптични влакна е добро решение на тези проблеми.Оптично влакноима много ниски загуби при предаване и е отличен носител за предаване на сигнали на големи 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 наоптично предаване, комуникацията с оптични влакна се превърна в гръбнака на днешното предаване на информация.
Оптичната комуникация има дълга история, изследванията и приложението са много обширни и зрели, тук няма да кажем повече. Този документ представя главно новото изследователско съдържание на микровълновата оптоелектроника през последните години, различно от оптичната комуникация. Микровълновата оптоелектроника използва главно методите и технологиите в областта на оптоелектрониката като носител за подобряване и постигане на производителност и приложение, които са трудни за постигане с традиционни микровълнови електронни компоненти. От гледна точка на приложението, той включва главно следните три аспекта.
Първият е използването на оптоелектроника за генериране на микровълнови сигнали с висока производителност и ниско ниво на шум от X-обхвата до THz обхвата.
Второ, микровълнова обработка на сигнала. Включително забавяне, филтриране, честотно преобразуване, получаване и т.н.
Трето, предаване на аналогови сигнали.
В тази статия авторът представя само първата част, генерирането на микровълнов сигнал. Традиционната микровълнова милиметрова вълна се генерира главно от iii_V микроелектронни компоненти. Неговите ограничения имат следните точки: Първо, за високи честоти като 100GHz по-горе, традиционната микроелектроника може да произвежда все по-малко енергия, за по-високочестотен THz сигнал, те не могат да направят нищо. Второ, за да се намали фазовият шум и да се подобри стабилността на честотата, оригиналното устройство трябва да бъде поставено в среда с изключително ниска температура. Трето, трудно е да се постигне широк диапазон на честотно преобразуване на честотна модулация. За решаването на тези проблеми оптоелектронната технология може да играе роля. Основните методи са описани по-долу.
1. Чрез разликата в честотата на два лазерни сигнала с различна честота се използва високочестотен фотодетектор за преобразуване на микровълнови 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, може да генерира изключително висока честота на милиметрова вълна и дори THz честотен сигнал и чрез регулиране на честотата на лазера може да извърши голям диапазон от бързо преобразуване на честотата, честота на почистване. Недостатъкът е, че широчината на линията или фазовият шум на сигнала на разликата в честотата, 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 широчина на линията (~MHz). използвани. Ако изискванията за обем на теглото на системата не са високи, можете да използвате нискошумни (~kHz) твърдотелни лазери,влакнести лазери, външна кухинаполупроводникови лазерии т.н. В допълнение, два различни режима на лазерни сигнали, генерирани в една и съща лазерна кухина, също могат да се използват за генериране на разлика в честотата, така че стабилността на микровълновата честота е значително подобрена.
2. За да се реши проблемът, че двата лазера в предишния метод са некохерентни и генерираният фазов шум на сигнала е твърде голям, кохерентността между двата лазера може да се получи чрез метода за заключване на фазата на инжектиране на честотата или фазата на отрицателна обратна връзка заключваща верига. Фигура 2 показва типично приложение на инжекционно заключване 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 заключен режим. Всеки два гребеновидни сигнала в генерирания оптичен честотен гребен се избират чрез филтриране и се инжектират съответно в лазер 1 и 2, за да се реализира съответно заключване на честотата и фазата. Тъй като фазата между различните гребенови сигнали на оптичния честотен гребен е относително стабилна, така че относителната фаза между двата лазера е стабилна, и след това чрез метода на разликата в честотата, както е описано по-горе, микровълновият сигнал с многократна честота на може да се получи честота на повторение на гребена на оптичната честота.
Фигура 2. Схематична диаграма на микровълнов сигнал за удвояване на честотата, генериран чрез заключване на честотата на инжектиране.
Друг начин за намаляване на относителния фазов шум на двата лазера е използването на оптичен PLL с отрицателна обратна връзка, както е показано на фигура 3.
Фигура 3. Схематична диаграма на OPL.
Принципът на оптичния 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), а след това фазовата разлика между двата лазера се получава чрез създаване на разлика в честотата с референтен източник на микровълнов сигнал, който се усилва и се филтрира и след това се връща обратно към блока за управление на честотата на един от лазерите (за полупроводниковите лазери това е инжекционният ток). Чрез такъв контролен контур с отрицателна обратна връзка относителната честотна фаза между двата лазерни сигнала се заключва към референтния микровълнов сигнал. След това комбинираният оптичен сигнал може да бъде предаден през оптични влакна към фотодетектор на друго място и 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 заключената отрицателна обратна връзка. Фазовият шум извън честотната лента е равен на относителния фазов шум на оригиналните два несвързани лазера.
В допълнение източникът на референтен микровълнов сигнал може също да бъде преобразуван от други източници на сигнал чрез удвояване на честотата, честота на делителя или друга честотна обработка, така че микровълновият сигнал с по-ниска честота да може да бъде многократно удвоен или преобразуван във високочестотни RF, THz сигнали.
В сравнение с честотното заключване на инжектиране може да получи само удвояване на честотата, фазово заключените контури са по-гъвкави, могат да произвеждат почти произволни честоти и, разбира се, по-сложни. Например оптичният честотен гребен, генериран от фотоелектрическия 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 генериране високочестотни сигнали през разликата в честотата, както е показано на фигура 4. f1 и f2 са референтните честоти на сигнала съответно на двата PLLS и микровълнова 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 сигналфотодетектор.
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 молекулярен преходен спектър или изключително стабилна оптична кухина и използването на система за елиминиране на самоудвояване на честотата и други технологии, можем да получим много стабилен оптичен импулсен сигнал с много стабилна честота на повторение, така че да се получи микровълнов сигнал със свръхнисък фазов шум. Фигура 5.
Фигура 5. Сравнение на относителния фазов шум на различни източници на сигнал.
Въпреки това, тъй като честотата на повторение на импулса е обратно пропорционална на дължината на кухината на лазера и традиционният лазер със заключен режим е голям, е трудно да се получат високочестотни микровълнови сигнали директно. В допълнение, размерът, теглото и консумацията на енергия на традиционните импулсни лазери, както и суровите екологични изисквания, ограничават техните предимно лабораторни приложения. За да се преодолеят тези трудности, наскоро започнаха изследвания в Съединените щати и Германия, използващи нелинейни ефекти за генериране на честотно стабилни оптични гребени в много малки, висококачествени оптични кухини в режим на чуруликане, които от своя страна генерират високочестотни микровълнови сигнали с нисък шум.
4. оптоелектронен осцилатор, фигура 6.
Фигура 6. Схематична диаграма на фотоелектрически свързан осцилатор.
Един от традиционните методи за генериране на микровълни или лазери е да се използва затворена верига със самозаснемане, докато печалбата в затворената верига е по-голяма от загубата, самовъзбуждащото се трептене може да произведе микровълни или лазери. Колкото по-висок е качественият фактор Q на затворения контур, толкова по-малък е генерираният фазов сигнал или честотен шум. За да се увеличи качественият фактор на веригата, прекият начин е да се увеличи дължината на веригата и да се минимизират загубите при разпространение. Въпреки това, по-дългата верига обикновено може да поддържа генерирането на множество режими на трептене и ако се добави филтър с тясна честотна лента, може да се получи едночестотен нискошумящ микровълнов осцилационен сигнал. Фотоелектрически свързаният осцилатор е източник на микровълнов сигнал, базиран на тази идея, той използва пълноценно характеристиките на ниската загуба на разпространение на влакното, използвайки по-дълго влакно за подобряване на Q стойността на веригата, може да произведе микровълнов сигнал с много нисък фазов шум. Откакто методът беше предложен през 90-те години на миналия век, този тип осцилатори получи 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 цикълът е дълъг и шумът в неговия свободен поток (FSR) и неговата двойна честота ще бъдат значително увеличени. В допълнение, използваните фотоелектрични компоненти са повече, цената е висока, обемът е труден за намаляване и по-дългото влакно е по-чувствително към смущения в околната среда.
Горното въвежда накратко няколко метода за фотоелектронно генериране на микровълнови сигнали, както и техните предимства и недостатъци. И накрая, използването на фотоелектрони за производство на микровълни има друго предимство е, че оптичният сигнал може да бъде разпределен през оптичното влакно с много ниски загуби, предаване на дълги разстояния до всеки терминал за употреба и след това преобразуван в микровълнови сигнали и способността да устои на електромагнитни смущенията са значително подобрени в сравнение с традиционните електронни компоненти.
Написването на тази статия е предимно за справка и съчетано със собствения изследователски опит и опит на автора в тази област, има неточности и неразбираемост, моля, разберете.
Време на публикуване: 3 януари 2024 г