Микровълнова оптоелектроника, Както подсказва името, е пресечната точка на микровълновата иоптоелектроника. Микровълните и леките вълни са електромагнитни вълни, а честотите са много порядъци различни, 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 комбинацията от микровълни и фотоелектрони. Безжични комуникации с ранен телефон и телеграф, генериране, разпространение и приемане на сигнали, всички използвани микровълнови устройства. Електромагнитните вълни с ниска честота се използват първоначално, тъй като честотният диапазон е малък, а капацитетът на канала за предаване е малък. Решението е да се увеличи честотата на предавания сигнал, толкова по -голяма е честотата, толкова повече спектър ресурси. Но високочестотният сигнал при загубата на разпространение на въздуха е голям, но и лесен за блокиране 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.Оптични влакнаИма много ниска загуба на 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 наоптична трансмисия, Комуникацията на оптичните влакна се превърна в гръбнака на днешното предаване на информация.
Оптичната комуникация има дълга история, изследвания и приложение са много обширни и зрели, тук не означава да се каже повече. Този документ въвежда главно новото изследователско съдържание на микровълновата оптоелектроника през последните години, различна от оптичната комуникация. Микровълновата оптоелектроника използва главно методите и технологиите в областта на оптоелектрониката като носител за подобряване и постигане на производителността и приложението, които са трудни за постигане с традиционните микровълнови електронни компоненти. От гледна точка на приложението тя включва главно следните три аспекта.
Първият е използването на оптоелектроника за генериране на високоефективни микровълнови сигнали с ниско ниво, от X-лентата чак до лентата THZ.
Второ, обработка на микровълнов сигнал. Включително забавяне, филтриране, преобразуване на честотата, получаване и т.н.
Трето, предаването на аналогови сигнали.
В тази статия авторът въвежда само първата част, генерирането на микровълнов сигнал. Традиционната микровълнова милиметрова вълна се генерира главно от III_V микроелектронни компоненти. Ограниченията му имат следните точки: Първо, до високи честоти като 100GHz по -горе, традиционната микроелектроника може да доведе до по -малко мощност, до по -високата честотна 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 изключително ниска температурна среда. Трето, е трудно да се постигне широк диапазон от честотна честота на модулация. За да решат тези проблеми, оптоелектронната технология може да играе роля. Основните методи са описани по -долу.
1. Чрез разликата честота на два различни честотни лазерни сигнала се използва високочестотен фотодетектор за преобразуване на микровълнови сигнали, както е показано на фигура 1.
Фигура 1. Схематична схема на микровълни, генерирани от разликата честота на двеЛазери.
Предимствата на този метод са проста структура, могат да генерират изключително високочестотна милиметрова вълна и дори THz честотен сигнал и чрез регулиране на честотата на лазера може да извърши голям диапазон на бързо преобразуване на честотата, честота на почистване. Недостатъкът е, че ширината на линията или фазовия шум от различния честотен сигнал, генериран от два несвързани лазерни сигнала, е сравнително голям, а честотната стабилност не е висока, особено ако се използва полупроводников лазер с малък обем, но голяма ширина на линията (~ MHz). Ако изискванията за обем на теглото на системата не са високи, можете да използвате лазери с твърдо състояние с нисък шум (kHz),Лазери от влакна, 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 различна честота, така че работата на микровълновата честота на стабилността е значително подобрена.
2. За да се реши проблема, че двата лазера в предишния метод са несъгласувани и генерираният шум от фазата на сигнала е твърде голям, съгласуваността между двата лазера може да бъде получена чрез метода за заключване на фазата на фазата на инжекционната честота или отрицателната верига за заключване на фазата на обратна връзка. Фигура 2 показва типично приложение на заключване на инжектиране за генериране на микровълнови множества (Фигура 2). Чрез директно инжектиране на високочестотни ток сигнали в полупроводников лазер или чрез използване на модулатор на Linbo3-фаза могат да се генерират множество оптични сигнали с различни честоти с разстояние между равнината честота или оптични честотни гребени. Разбира се, често използваният метод за получаване на оптична честотна честота на спектъра е да се използва лазер, заключен с режим. Всички два гребени сигнала в генерирания оптичен честотен гребен се избират чрез филтриране и се инжектират съответно в лазер 1 и 2, за да се реализира съответно честотата и фазовото заключване. Тъй като фазата между различните гребени сигнали на оптичната честотна гребена е сравнително стабилна, така че относителната фаза между двата лазера е стабилна и след това по метода на разликата, както е описано по-горе, може да се получи многократен честотен микровълнов сигнал на оптичната честотна повторение на повторение.
Фигура 2. Схематична диаграма на микровълновата честота на удвояване на честотата, генерирана от заключване на честотата на инжектиране.
Друг начин за намаляване на относителния фазов шум на двата лазера е да се използва отрицателна обратна връзка Optical PLL, 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) и след това фазовата разлика между двата лазера се получава, като се направи различна честота с референтен източник на микровълнов сигнал, който се усилва и се филтрира и след това се подава обратно към честотния контролен блок на един от лазерите). Чрез такъв отрицателен цикъл за контрол на обратната връзка, фазата на относителната честота между двата лазерни сигнала е заключена към референтния микровълнов сигнал. След това комбинираният оптичен сигнал може да се предава през оптични влакна към фотодетектор другаде и да се превърне в микровълнов сигнал. Полученият фазов шум на микровълновия сигнал е почти същият като този на референтния сигнал в рамките на честотната лента на фазовото заключено отрицателна обратна връзка. Фазовият шум извън честотната лента е равен на относителния фазов шум на първоначалните два несвързани лазера.
В допълнение, референтният източник на сигнал за микровълнова печка може да бъде преобразуван и от други източници на сигнали чрез удвояване на честотата, честота на делител или друга честотна обработка, така че сигналът на микровълновата по-ниска честота да може да бъде многоидуциран или преобразуван във високочестотни RF сигнали, THZ сигнали.
В сравнение с блокирането на честотата на инжектиране може да получи само удвояване на честотата, фазовите бримки са по-гъвкави, могат да доведат до почти произволни честоти и разбира се по-сложни. For example, the optical frequency comb generated by the photoelectric modulator in Figure 2 is used as the light source, and the optical phase-locked loop is used to selectively lock the frequency of the two lasers to the two optical comb signals, and then generate high-frequency signals through the difference frequency, as shown in Figure 4. f1 and f2 are the reference signal frequencies of the two PLLS respectively, and a microwave signal of N*Frep+F1+F2 може да бъде генериран от разликата честота между двата лазера.
Фигура 4. Схематична диаграма за генериране на произволни честоти, използвайки оптични честотни гребени и PLL.
3. Използвайте пулсиран пулсов лазер, за да преобразувате оптичния импулсен сигнал в микровълнов сигнал презФототектор.
Основното предимство на този метод е, че сигнал с много добра честотна стабилност и много нисък фазов шум може да се получи. By locking the frequency of the laser to a very stable atomic and molecular transition spectrum, or an extremely stable optical cavity, and the use of self-doubling frequency elimination system frequency shift and other technologies, we can obtain a very stable optical pulse signal with a very stable repetition frequency, so as to obtain a microwave signal with ultra-low phase noise. Фигура 5.
Фигура 5. Сравнение на относителния фазов шум от различни източници на сигнал.
Въпреки това, тъй като скоростта на повторение на импулса е обратно пропорционална на дължината на кухината на лазера, а традиционният лазер, включен в режим, е голям, е трудно да се получат директно с високочестотни микровълнови сигнали. В допълнение, размерът, теглото и потреблението на енергия на традиционните импулсни лазери, както и суровите изисквания за околната среда, ограничават основно техните лабораторни приложения. За да се преодолеят тези трудности, наскоро започнаха изследвания в Съединените щати и Германия, използвайки нелинейни ефекти за генериране на стабилни оптични гребени в честота в много малки, висококачествени оптични кухини на режим на чирп, които от своя страна генерират високочестотни сигнали с ниско ниво на шум.
4. Opto Electronic осцилатор, Фигура 6.
Фигура 6. Схематична схема на фотоелектрически свързан осцилатор.
Един от традиционните методи за генериране на микровълни или лазери е използването на затворен контур за самостоятелно връщане, стига печалбата в затворения контур да е по-голяма от загубата, самоизвършеното трептене може да произведе микровълни или лазери. Колкото по -висок е коефициентът на качество Q на затворения контур, толкова по -малък е генерираният сигнал фаза или честотен шум. За да се увеличи коефициентът на качество на цикъла, директният начин е да се увеличи дължината на контура и да се сведе до минимум загубата на разпространение. Въпреки това, по-дългият цикъл обикновено може да поддържа генерирането на множество режими на трептене и ако се добави филтър за тесно лента, може да се получи сигнал за микровълнова печка с нискочестота с ниско ниво на шум. Фотоелектрическият свързан осцилатор е източник на микровълнов сигнал, базиран на тази идея, той използва пълноценно характеристиките на загубата на загуба на влакното, използвайки по -дълго влакно за подобряване на стойността на цикъла Q, може да произведе микровълнов сигнал с много нисък фазов шум. Тъй като методът е предложен през 90 -те години, този тип осцилатор е получил обширни изследвания и значително развитие и в момента има търговски фотоелектрични свързани осцилатори. Съвсем наскоро са разработени фотоелектрически осцилатори, чиито честоти могат да се регулират в широк диапазон. Основният проблем на източниците на микровълнови сигнали, базирани на тази архитектура, е, че цикълът е дълъг, а шумът в свободния му поток (FSR) и двойната му честота ще бъдат значително увеличени. В допълнение, използваните фотоелектрически компоненти са повече, цената е висока, обемът е труден за намаляване, а по -дългите фибри са по -чувствителни към нарушаване на околната среда.
Горното накратко въвежда няколко метода на фотоелектронното генериране на микровълнови сигнали, както и техните предимства и недостатъци. И накрая, използването на фотоелектрони за производство на микровълнова печка има друго предимство е, че оптичният сигнал може да бъде разпределен през оптичното влакно с много ниска загуба, предаване на дълги разстояния към всеки терминал за употреба и след това се превръща в микровълнови сигнали и способността за устойчивост на електромагнитни смущения е значително подобрена от традиционните електронни компоненти.
Написването на тази статия е главно за справка и се комбинира със собствения изследователски опит и опит на автора в тази област, има неточности и неразбираемост, моля, разберете.
Време за публикация: януари-03-2024