Optoelektronika mikrofalowa, jak sama nazwa wskazuje, jest skrzyżowaniem mikrofal ioptoelektronikaMikrofale i fale świetlne to fale elektromagnetyczne, a ich częstotliwości różnią się o wiele rzędów wielkości, a komponenty i technologie opracowane w ich odpowiednich dziedzinach są bardzo różne. Łącząc je, możemy czerpać z siebie nawzajem korzyści, ale jednocześnie możemy uzyskać nowe zastosowania i cechy, które są trudne do zrealizowania.
Komunikacja optycznajest doskonałym przykładem połączenia mikrofal i fotoelektronów. Wczesna telefonia i telegraf, bezprzewodowa komunikacja, generowanie, propagacja i odbiór sygnałów – wszystkie te urządzenia wykorzystywały mikrofale. Początkowo wykorzystywano fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości, ponieważ zakres częstotliwości był wąski, a przepustowość kanału transmisyjnego niewielka. Rozwiązaniem jest zwiększenie częstotliwości transmitowanego sygnału – im wyższa częstotliwość, tym więcej zasobów widma. Jednak strata propagacji sygnału o wysokiej częstotliwości w powietrzu jest duża, a jednocześnie łatwo ją zablokować przez przeszkody. W przypadku użycia kabla, straty w kablu są duże, a transmisja na duże odległości stanowi problem. Pojawienie się komunikacji światłowodowej stanowi dobre rozwiązanie tych problemów.Włókno optyczneCharakteryzuje się bardzo niskimi stratami transmisji i jest doskonałym nośnikiem do przesyłania sygnałów na duże odległości. Zakres częstotliwości fal świetlnych jest znacznie szerszy niż mikrofal i umożliwia jednoczesną transmisję wielu różnych kanałów. Ze względu na te zaletytransmisja optycznaKomunikacja światłowodowa stała się podstawą dzisiejszego przesyłu informacji.
Komunikacja optyczna ma długą historię, a badania i zastosowania są bardzo rozległe i dojrzałe, nie wspominając już o tym. Niniejszy artykuł przedstawia przede wszystkim nowe treści badawcze dotyczące optoelektroniki mikrofalowej w ostatnich latach, poza komunikacją optyczną. Optoelektronika mikrofalowa wykorzystuje głównie metody i technologie z dziedziny optoelektroniki jako nośniki do poprawy i osiągnięcia wydajności oraz zastosowań, które są trudne do osiągnięcia w przypadku tradycyjnych mikrofalowych elementów elektronicznych. Z perspektywy zastosowań, obejmuje ona głównie trzy następujące aspekty.
Pierwszym z nich jest zastosowanie optoelektroniki w celu generowania wydajnych sygnałów mikrofalowych o niskim poziomie szumów, od pasma X aż do pasma THz.
Po drugie, przetwarzanie sygnału mikrofalowego. Obejmuje to opóźnienie, filtrowanie, konwersję częstotliwości, odbiór itd.
Po trzecie, przesyłanie sygnałów analogowych.
W tym artykule autor omawia jedynie pierwszą część, generowanie sygnału mikrofalowego. Tradycyjna mikrofalowa fala milimetrowa jest generowana głównie przez mikroelementy iii_V. Jej ograniczenia obejmują następujące kwestie: Po pierwsze, przy wysokich częstotliwościach, takich jak 100 GHz, tradycyjna mikroelektronika może wytwarzać coraz mniej mocy, a przy sygnałach o wyższej częstotliwości THz nie jest w stanie nic zrobić. Po drugie, aby zredukować szum fazowy i poprawić stabilność częstotliwości, oryginalne urządzenie musi być umieszczone w środowisku o ekstremalnie niskiej temperaturze. Po trzecie, trudno jest osiągnąć szeroki zakres konwersji częstotliwości modulacji częstotliwości. W rozwiązaniu tych problemów istotną rolę może odegrać technologia optoelektroniczna. Główne metody opisano poniżej.
1. Wykorzystując różnicę częstotliwości dwóch sygnałów laserowych o różnych częstotliwościach, fotodetektor wysokiej częstotliwości jest używany do konwersji sygnałów mikrofalowych, jak pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Schematyczny diagram mikrofal generowanych przez różnicę częstotliwości dwóchlasery.
Zaletami tej metody są prosta konstrukcja, możliwość generowania fal milimetrowych o ekstremalnie wysokiej częstotliwości, a nawet sygnałów THz, a poprzez regulację częstotliwości lasera, możliwość szybkiego przetwarzania częstotliwości i przemiatania, szeroki zakres częstotliwości. Wadą jest stosunkowo duży szum szerokości linii lub fazy sygnału różnicowego generowanego przez dwa niezależne sygnały laserowe oraz niska stabilność częstotliwości, zwłaszcza w przypadku użycia lasera półprzewodnikowego o małej objętości, ale dużej szerokości linii (~MHz). Jeśli wymagania dotyczące objętości układu nie są wysokie, można zastosować lasery półprzewodnikowe o niskim poziomie szumów (~kHz).lasery światłowodowe, jama zewnętrznalasery półprzewodnikoweitd. Ponadto dwa różne tryby sygnałów laserowych generowanych w tej samej wnęce laserowej mogą być również wykorzystane do generowania częstotliwości różnicowej, dzięki czemu stabilność częstotliwości mikrofal ulega znacznej poprawie.
2. Aby rozwiązać problem niespójności dwóch laserów w poprzedniej metodzie i zbyt dużego szumu fazy sygnału, spójność między nimi można uzyskać za pomocą metody synchronizacji fazy z częstotliwością wtrysku lub układu synchronizacji fazy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Rysunek 2 przedstawia typowe zastosowanie synchronizacji fazy do generowania wielokrotności mikrofalowych (rysunek 2). Poprzez bezpośrednie wstrzykiwanie sygnałów prądowych o wysokiej częstotliwości do lasera półprzewodnikowego lub za pomocą modulatora fazowego LinBO3, można generować wiele sygnałów optycznych o różnych częstotliwościach z równym odstępem częstotliwości, czyli grzebienie częstotliwości optycznych. Oczywiście, powszechnie stosowaną metodą uzyskania grzebienia częstotliwości optycznej o szerokim spektrum jest użycie lasera z synchronizacją modów. Dowolne dwa sygnały grzebieniowe w wygenerowanym grzebieniu częstotliwości optycznej są wybierane poprzez filtrację i wstrzykiwane odpowiednio do lasera 1 i 2, aby zrealizować synchronizację częstotliwości i fazy. Ponieważ faza między różnymi sygnałami grzebieniowymi grzebienia częstotliwości optycznych jest stosunkowo stabilna, a zatem względna faza między dwoma laserami jest stabilna, to za pomocą metody różnicy częstotliwości, jak opisano wcześniej, można uzyskać wielokrotny sygnał mikrofalowy o częstotliwości powtarzania grzebienia częstotliwości optycznych.
Rysunek 2. Schematyczny diagram sygnału podwajającego częstotliwość mikrofal, generowanego przez blokowanie częstotliwości wtrysku.
Innym sposobem na zmniejszenie względnego szumu fazowego obu laserów jest zastosowanie optycznej pętli sprzężenia zwrotnego PLL, jak pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Schematyczny diagram OPL.
Zasada optycznej pętli sprzężenia zwrotnego PLL jest podobna do zasady PLL stosowanej w elektronice. Różnica faz dwóch laserów jest przekształcana na sygnał elektryczny przez fotodetektor (odpowiednik detektora fazy), a następnie różnica faz między dwoma laserami jest uzyskiwana poprzez wprowadzenie częstotliwości różnicowej do referencyjnego źródła sygnału mikrofalowego. Sygnał ten jest wzmacniany i filtrowany, a następnie podawany z powrotem do jednostki sterującej częstotliwością jednego z laserów (w przypadku laserów półprzewodnikowych jest to prąd wtrysku). Poprzez taką pętlę sterowania z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, względna faza częstotliwości między dwoma sygnałami laserowymi jest synchronizowana z referencyjnym sygnałem mikrofalowym. Połączony sygnał optyczny może być następnie przesyłany światłowodami do fotodetektora w innym miejscu i konwertowany na sygnał mikrofalowy. Powstały szum fazowy sygnału mikrofalowego jest prawie taki sam jak szum fazowy sygnału odniesienia w paśmie pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z synchronizacją fazową. Szum fazowy poza pasmem jest równy względnemu szumowi fazowemu dwóch oryginalnych, niezależnych laserów.
Ponadto źródło sygnału mikrofalowego odniesienia może być również konwertowane przez inne źródła sygnału poprzez podwojenie częstotliwości, dzielnik częstotliwości lub inne przetwarzanie częstotliwości, tak aby sygnał mikrofalowy o niższej częstotliwości mógł być wielokrotnie podwajany lub konwertowany na sygnały RF (THz) o wysokiej częstotliwości.
W porównaniu z wtryskiem, blokowanie częstotliwości pozwala jedynie na podwojenie częstotliwości, pętle synchronizacji fazowej są bardziej elastyczne, mogą generować niemal dowolne częstotliwości i oczywiście bardziej złożone. Na przykład, grzebień częstotliwości optycznych generowany przez modulator fotoelektryczny na rysunku 2 jest używany jako źródło światła, a optyczna pętla synchronizacji fazowej służy do selektywnego blokowania częstotliwości dwóch laserów do dwóch sygnałów grzebienia optycznego, a następnie generowania sygnałów o wysokiej częstotliwości poprzez częstotliwość różnicową, jak pokazano na rysunku 4. f1 i f2 to częstotliwości sygnału referencyjnego odpowiednio dwóch PLLS, a sygnał mikrofalowy o wartości N*frep+f1+f2 może być generowany poprzez częstotliwość różnicową między dwoma laserami.
Rysunek 4. Schemat generowania dowolnych częstotliwości przy użyciu grzebieni częstotliwości optycznych i PLLS.
3. Użyj lasera impulsowego z synchronizacją modów do konwersji sygnału impulsu optycznego na sygnał mikrofalowy poprzezfotodetektor.
Główną zaletą tej metody jest uzyskanie sygnału o bardzo dobrej stabilności częstotliwości i bardzo niskim szumie fazowym. Dzięki zablokowaniu częstotliwości lasera w bardzo stabilnym widmie przejścia atomowego i molekularnego lub w wyjątkowo stabilnej wnęce optycznej, a także zastosowaniu samopodwajającego się systemu eliminacji częstotliwości i innych technologii, możemy uzyskać bardzo stabilny sygnał impulsu optycznego o bardzo stabilnej częstotliwości powtarzania, co pozwala uzyskać sygnał mikrofalowy o ultraniskim szumie fazowym. Rysunek 5.
Rysunek 5. Porównanie względnego szumu fazowego różnych źródeł sygnału.
Jednakże, ponieważ częstotliwość powtarzania impulsów jest odwrotnie proporcjonalna do długości wnęki lasera, a tradycyjny laser z synchronizacją modów jest duży, trudno jest bezpośrednio uzyskać sygnały mikrofalowe o wysokiej częstotliwości. Ponadto, rozmiar, waga i zużycie energii tradycyjnych laserów impulsowych, a także surowe wymagania środowiskowe, ograniczają ich głównie zastosowania laboratoryjne. Aby przezwyciężyć te trudności, w Stanach Zjednoczonych i Niemczech rozpoczęto niedawno badania nad wykorzystaniem efektów nieliniowych do generowania stabilnych częstotliwościowo grzebieni optycznych w bardzo małych, wysokiej jakości wnękach optycznych z trybem chirp, które z kolei generują sygnały mikrofalowe o wysokiej częstotliwości i niskim poziomie szumów.
4. oscylator optoelektroniczny, rysunek 6.
Rysunek 6. Schematyczny diagram oscylatora sprzężonego fotoelektrycznie.
Jedną z tradycyjnych metod generowania mikrofal lub laserów jest zastosowanie zamkniętej pętli z samosprzężeniem zwrotnym. O ile wzmocnienie w pętli zamkniętej jest większe niż straty, samowzbudne oscylacje mogą generować mikrofale lub lasery. Im wyższy współczynnik jakości Q pętli zamkniętej, tym mniejszy generowany szum fazowy lub częstotliwościowy sygnału. Aby zwiększyć współczynnik jakości pętli, bezpośrednim sposobem jest zwiększenie długości pętli i zminimalizowanie strat propagacyjnych. Jednak dłuższa pętla zazwyczaj obsługuje generowanie wielu modów oscylacji, a po dodaniu filtru wąskopasmowego można uzyskać jednoczęstotliwościowy sygnał oscylacji mikrofalowej o niskim poziomie szumów. Oscylator sprzężony fotoelektrycznie jest źródłem sygnału mikrofalowego opartym na tej koncepcji, w pełni wykorzystuje on niskie straty propagacyjne światłowodu. Zastosowanie dłuższego światłowodu w celu poprawy wartości Q pętli może generować sygnał mikrofalowy o bardzo niskim szumie fazowym. Od czasu zaproponowania tej metody w latach 90. XX wieku, ten typ oscylatora był przedmiotem szeroko zakrojonych badań i został znacząco rozwinięty, a obecnie dostępne są komercyjne oscylatory sprzężone fotoelektrycznie. Niedawno opracowano oscylatory fotoelektryczne, których częstotliwości można regulować w szerokim zakresie. Głównym problemem źródeł sygnału mikrofalowego opartych na tej architekturze jest długa pętla, co znacznie zwiększa szum w jej swobodnym przepływie (FSR) i jego podwójną częstotliwość. Ponadto, liczba stosowanych komponentów fotoelektrycznych jest większa, koszt jest wysoki, objętość jest trudna do zmniejszenia, a dłuższe włókno jest bardziej wrażliwe na zakłócenia środowiskowe.
Powyżej krótko przedstawiono kilka metod generowania sygnałów mikrofalowych za pomocą fotoelektronów, a także ich zalety i wady. Kolejną zaletą wykorzystania fotoelektronów do generowania mikrofal jest możliwość dystrybucji sygnału optycznego światłowodem z bardzo niskimi stratami i transmisją na duże odległości do każdego terminala, a następnie jego konwersja na sygnały mikrofalowe. Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne jest znacznie lepsza niż w przypadku tradycyjnych komponentów elektronicznych.
Niniejszy artykuł ma charakter wyłącznie informacyjny i, biorąc pod uwagę własne doświadczenie badawcze autora oraz jego doświadczenie w tej dziedzinie, mogą w nim występować nieścisłości i niejasności, prosimy o zrozumienie.
Czas publikacji: 03-01-2024