Optoelektronika mikrofalowa, jak sama nazwa wskazuje, jest skrzyżowaniem mikrofal ioptoelektronikaMikrofale i fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, a częstotliwości różnią się o wiele rzędów wielkości, a komponenty i technologie opracowane w ich odpowiednich dziedzinach są bardzo różne. W połączeniu możemy czerpać korzyści z siebie nawzajem, ale możemy uzyskać nowe zastosowania i cechy, które są trudne do zrealizowania.
Komunikacja optycznajest doskonałym przykładem połączenia mikrofal i fotoelektronów. Wczesna telefonia i telegrafia bezprzewodowa komunikacja, generowanie, propagacja i odbiór sygnałów, wszystkie wykorzystywały urządzenia mikrofalowe. Początkowo stosowano fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości, ponieważ zakres częstotliwości jest mały, a pojemność kanału do transmisji jest mała. Rozwiązaniem jest zwiększenie częstotliwości przesyłanego sygnału, im wyższa częstotliwość, tym więcej zasobów widma. Ale strata propagacji sygnału o wysokiej częstotliwości w powietrzu jest duża, ale również łatwa do zablokowania przez przeszkody. Jeśli używany jest kabel, strata kabla jest duża, a transmisja na duże odległości stanowi problem. Pojawienie się komunikacji światłowodowej jest dobrym rozwiązaniem tych problemów.Włókno optycznema bardzo niską stratę transmisji i jest doskonałym nośnikiem do przesyłania sygnałów na duże odległości. Zakres częstotliwości fal świetlnych jest znacznie większy niż mikrofal i może przesyłać wiele różnych kanałów jednocześnie. Ze względu na te zaletytransmisja optycznaKomunikacja światłowodowa stała się podstawą dzisiejszego przesyłu informacji.
Komunikacja optyczna ma długą historię, badania i zastosowania są bardzo rozległe i dojrzałe, nie ma co tu więcej mówić. Niniejszy artykuł przedstawia głównie nową treść badań optoelektroniki mikrofalowej w ostatnich latach, inną niż komunikacja optyczna. Optoelektronika mikrofalowa wykorzystuje głównie metody i technologie w dziedzinie optoelektroniki jako nośnik do poprawy i osiągnięcia wydajności i zastosowania, które są trudne do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych elementów elektronicznych mikrofalowych. Z perspektywy zastosowania obejmuje głównie następujące trzy aspekty.
Pierwszą metodą jest wykorzystanie optoelektroniki do generowania wydajnych sygnałów mikrofalowych o niskim poziomie szumów, od pasma X aż do pasma THz.
Po drugie, przetwarzanie sygnału mikrofalowego. W tym opóźnienie, filtrowanie, konwersja częstotliwości, odbiór itd.
Po trzecie, przesyłanie sygnałów analogowych.
W tym artykule autor przedstawia tylko pierwszą część, generowanie sygnału mikrofalowego. Tradycyjna mikrofalowa fala milimetrowa jest generowana głównie przez mikroelementy iii_V. Jej ograniczenia mają następujące punkty: Po pierwsze, przy wysokich częstotliwościach, takich jak 100 GHz powyżej, tradycyjna mikroelektronika może wytwarzać coraz mniej mocy, przy wyższej częstotliwości sygnału THz nie może nic zrobić. Po drugie, w celu zmniejszenia szumu fazowego i poprawy stabilności częstotliwości, oryginalne urządzenie musi zostać umieszczone w środowisku o ekstremalnie niskiej temperaturze. Po trzecie, trudno jest osiągnąć szeroki zakres konwersji częstotliwości modulacji częstotliwości. Aby rozwiązać te problemy, technologia optoelektroniczna może odegrać rolę. 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.
Zalety tej metody to prosta struktura, może generować ekstremalnie wysoką częstotliwość milimetrowej fali, a nawet sygnału częstotliwości THz, a poprzez dostosowanie częstotliwości lasera może wykonywać szeroki zakres szybkiej konwersji częstotliwości, częstotliwości przemiatania. Wadą jest to, że szerokość linii lub szum fazowy sygnału różnicy częstotliwości generowanego przez dwa niezwiązane sygnały laserowe jest stosunkowo duży, a stabilność częstotliwości nie jest wysoka, szczególnie jeśli używany jest laser półprzewodnikowy o małej objętości, ale dużej szerokości linii (~MHz). Jeśli wymagania dotyczące objętości masy systemu nie są wysokie, można użyć laserów półprzewodnikowych o niskim poziomie szumu (~kHz),lasery światłowodowe, jama zewnętrznalasery półprzewodnikoweitd. Ponadto dwa różne tryby sygnałów laserowych generowanych w tej samej wnęce laserowej można również wykorzystać do generowania częstotliwości różnicowej, dzięki czemu stabilność częstotliwości mikrofal ulega znacznej poprawie.
2. Aby rozwiązać problem, że dwa lasery w poprzedniej metodzie są niespójne, a generowany szum fazy sygnału jest zbyt duży, spójność między dwoma laserami można uzyskać za pomocą metody blokowania fazy z blokadą częstotliwości wtrysku lub obwodu blokowania fazy ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym. Rysunek 2 przedstawia typowe zastosowanie blokowania wtrysku w celu generowania wielokrotności mikrofalowych (rysunek 2). Poprzez bezpośrednie wstrzykiwanie sygnałów prądu o wysokiej częstotliwości do lasera półprzewodnikowego lub za pomocą modulatora fazowego LinBO3 można generować wiele sygnałów optycznych o różnych częstotliwościach z równym odstępem częstotliwości lub grzebienie częstotliwości optycznych. Oczywiście powszechnie stosowaną metodą uzyskiwania grzebienia częstotliwości optycznej o szerokim spektrum jest użycie lasera z blokadą modów. Dowolne dwa sygnały grzebieniowe w wygenerowanym grzebieniu częstotliwości optycznej są wybierane przez filtrowanie i wstrzykiwane odpowiednio do lasera 1 i 2 w celu realizacji odpowiednio blokowania częstotliwości i fazy. Ponieważ faza pomiędzy różnymi sygnałami grzebieniowymi grzebienia częstotliwości optycznych jest stosunkowo stabilna, a zatem względna faza pomiędzy dwoma laserami jest stabilna, wówczas za pomocą metody różnicy częstotliwości, jak opisano wcześniej, można uzyskać wielokrotną częstotliwość sygnału mikrofalowego częstotliwości powtarzania grzebienia częstotliwości optycznych.
Rysunek 2. Schematyczny diagram podwajającego się sygnału mikrofalowego 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 optycznego PLL jest podobna do zasady PLL w dziedzinie elektroniki. Różnica faz dwóch laserów jest przekształcana na sygnał elektryczny przez fotodetektor (odpowiednik detektora fazy), a następnie różnica faz między dwoma laserami jest uzyskiwana przez utworzenie częstotliwości różnicowej z referencyjnym źródłem sygnału mikrofalowego, która jest wzmacniana i filtrowana, a następnie przekazywana z powrotem do jednostki sterowania częstotliwością jednego z laserów (w przypadku laserów półprzewodnikowych jest to prąd wtrysku). Poprzez taką pętlę sterowania ujemnego sprzężenia zwrotnego względna faza częstotliwości między dwoma sygnałami lasera jest blokowana z referencyjnym sygnałem mikrofalowym. Połączony sygnał optyczny może być następnie przesyłany przez włókna optyczne do fotodetektora w innym miejscu i konwertowany na sygnał mikrofalowy. Powstały szum fazowy sygnału mikrofalowego jest prawie taki sam, jak szum sygnału odniesienia w paśmie sprzężenia zwrotnego ujemnego z synchronizacją fazową. Szum fazowy poza pasmem jest równy względnemu szumowi fazowemu dwóch oryginalnych, niepowiązanych ze sobą 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 do blokowania częstotliwości wtrysku może uzyskać jedynie podwojenie częstotliwości, pętle synchronizacji fazowej są bardziej elastyczne, mogą wytwarzać niemal dowolne częstotliwości i oczywiście bardziej złożone. Na przykład optyczny grzebień częstotliwości generowany przez modulator fotoelektryczny na rysunku 2 jest używany jako źródło światła, a optyczna pętla synchronizacji fazowej jest używana do selektywnego blokowania częstotliwości dwóch laserów do dwóch sygnałów grzebienia optycznego, a następnie generowania sygnałów o wysokiej częstotliwości przez częstotliwość różnicową, jak pokazano na rysunku 4. f1 i f2 są częstotliwościami sygnału odniesienia odpowiednio dwóch PLLS, a sygnał mikrofalowy N*frep+f1+f2 może być generowany przez częstotliwość różnicową między dwoma laserami.
Rysunek 4. Schemat generowania dowolnych częstotliwości za pomocą grzebieni częstotliwości optycznych i PLLS.
3. Użyj lasera impulsowego z synchronizacją modów, aby przekształcić sygnał impulsu optycznego na sygnał mikrofalowy poprzezfotodetektor.
Główną zaletą tej metody jest to, że można uzyskać sygnał o bardzo dobrej stabilności częstotliwości i bardzo niskim szumie fazowym. Blokując częstotliwość lasera do bardzo stabilnego widma przejścia atomowego i molekularnego lub niezwykle stabilnej wnęki optycznej i stosując samopodwajający się system eliminacji częstotliwości, przesunięcie częstotliwości i inne technologie, możemy uzyskać bardzo stabilny sygnał impulsu optycznego o bardzo stabilnej częstotliwości powtarzania, tak aby 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 blokadą modów jest duży, trudno jest uzyskać bezpośrednio 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, niedawno w Stanach Zjednoczonych i Niemczech rozpoczęto badania wykorzystujące efekty nieliniowe do generowania grzebieni optycznych o stabilnej częstotliwości 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 użycie zamkniętej pętli z samosprzężeniem zwrotnym, o ile wzmocnienie w zamkniętej pętli jest większe od straty, samowzbudna oscylacja może wytwarzać mikrofale lub lasery. Im wyższy współczynnik jakości Q zamkniętej pętli, tym mniejszy generowany sygnał fazowy lub szum częstotliwości. Aby zwiększyć współczynnik jakości pętli, bezpośrednim sposobem jest zwiększenie długości pętli i zminimalizowanie strat propagacyjnych. Jednak dłuższa pętla zwykle obsługuje generowanie wielu trybów oscylacji, a jeśli zostanie dodany filtr o wąskim paśmie, można uzyskać jednoczęstotliwościowy sygnał oscylacji mikrofalowej o niskim poziomie szumów. Fotoelektrycznie sprzężony oscylator jest źródłem sygnału mikrofalowego opartym na tym pomyśle, w pełni wykorzystuje niskie cechy strat propagacyjnych włókna, wykorzystując dłuższe włókno w celu poprawy wartości Q pętli, może wytwarzać sygnał mikrofalowy z bardzo niskim szumem fazowym. Od czasu zaproponowania tej metody w latach 90. XX wieku ten typ oscylatora był przedmiotem szeroko zakrojonych badań i znacznego rozwoju, a obecnie istnieją 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 to, że pętla jest długa, a szum w jej swobodnym przepływie (FSR) i jej podwójna częstotliwość znacznie wzrosną. Ponadto, używanych jest więcej elementów fotoelektrycznych, koszt jest wysoki, objętość jest trudna do zmniejszenia, a dłuższe włókno jest bardziej wrażliwe na zakłócenia środowiskowe.
Powyżej krótko przedstawiono kilka metod generowania fotoelektronów sygnałów mikrofalowych, a także ich zalety i wady. Na koniec, wykorzystanie fotoelektronów do produkcji mikrofal ma inną zaletę, mianowicie sygnał optyczny może być rozprowadzany przez światłowód z bardzo niską stratą, transmisją na duże odległości do każdego terminala użytkowego, a następnie konwertowany na sygnały mikrofalowe, a zdolność do opierania się zakłóceniom elektromagnetycznym 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