Optoelektronika mikrofalowa, jak sama nazwa wskazuje, jest skrzyżowaniem mikrofal ioptoelektronika. Mikrofale i fale świetlne to fale elektromagnetyczne, których częstotliwości różnią się o wiele rzędów wielkości, a komponenty i technologie opracowane w ich odpowiednich dziedzinach są bardzo różne. W połączeniu możemy zyskać wzajemne korzyści, ale możemy uzyskać nowe zastosowania i cechy, które są odpowiednio trudne do zrealizowania.
Komunikacja optycznajest doskonałym przykładem połączenia mikrofal i fotoelektronów. Wczesna bezprzewodowa łączność telefoniczna i telegraficzna, wytwarzanie, propagacja i odbiór sygnałów, wszystkie używane urządzenia mikrofalowe. Początkowo wykorzystuje się fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości, ponieważ zakres częstotliwości jest mały, a przepustowość kanału do transmisji jest mała. Rozwiązaniem jest zwiększenie częstotliwości nadawanego sygnału, im wyższa częstotliwość, tym więcej zasobów widma. Ale sygnał o wysokiej częstotliwości w stratach propagacji powietrza jest duży, ale również łatwo go zablokować przez przeszkody. Jeśli używany jest kabel, straty na kablu są duże, a transmisja na duże odległości stanowi problem. Dobrym rozwiązaniem tych problemów jest pojawienie się komunikacji światłowodowej.Światłowódma bardzo niskie straty transmisji i jest doskonałym nośnikiem do przesyłania sygnałów na duże odległości. Zakres częstotliwości fal świetlnych jest znacznie większy niż mikrofal i może transmitować wiele różnych kanałów jednocześnie. Ze względu na te zaletytransmisja optyczna, komunikacja światłowodowa stała się podstawą dzisiejszego przesyłu informacji.
Komunikacja optyczna ma długą historię, badania i zastosowania są bardzo obszerne i dojrzałe, nie ma tu nic więcej do powiedzenia. W artykule przedstawiono głównie nowe kierunki badań optoelektroniki mikrofalowej ostatnich lat, inne niż komunikacja optyczna. Optoelektronika mikrofalowa wykorzystuje głównie metody i technologie z zakresu optoelektroniki jako nośnika w celu ulepszenia i osiągnięcia wydajności i zastosowania, które są trudne do osiągnięcia w przypadku tradycyjnych mikrofalowych komponentów elektronicznych. Z punktu widzenia aplikacyjnego obejmuje głównie trzy następujące aspekty.
Pierwszym z nich jest zastosowanie optoelektroniki do generowania wysokowydajnych i niskoszumnych sygnałów mikrofalowych, od pasma X aż do pasma THz.
Po drugie, przetwarzanie sygnału mikrofalowego. Obejmuje opóźnienie, filtrowanie, konwersję częstotliwości, odbiór i tak dalej.
Po trzecie, transmisja sygnałów analogowych.
W tym artykule autor wprowadza jedynie pierwszą część, czyli generację sygnału mikrofalowego. Tradycyjna mikrofalowa fala milimetrowa jest generowana głównie przez elementy mikroelektroniczne iii_V. Jego ograniczenia mają następujące punkty: po pierwsze, w przypadku wysokich częstotliwości, takich jak 100 GHz powyżej, tradycyjna mikroelektronika może wytwarzać coraz mniej mocy, w przypadku sygnału THz o wyższej częstotliwości nie mogą nic zrobić. Po drugie, aby zredukować szumy fazowe i poprawić stabilność częstotliwości, oryginalne urządzenie należy umieścić w środowisku o wyjątkowo niskiej temperaturze. Po trzecie, trudno jest osiągnąć szeroki zakres konwersji częstotliwości modulacji częstotliwości. Aby rozwiązać te problemy, rolę może odegrać technologia optoelektroniczna. Główne metody opisano poniżej.
1. Dzięki różnicy częstotliwości dwóch sygnałów laserowych o różnej częstotliwości fotodetektor wysokiej częstotliwości służy do konwersji sygnałów mikrofalowych, jak pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Schemat ideowy mikrofal generowanych przez różnicę częstotliwości dwóchlasery.
Zaletami tej metody jest prosta konstrukcja, możliwość generowania fali milimetrowej o bardzo wysokiej częstotliwości, a nawet sygnału o częstotliwości THz, a poprzez regulację częstotliwości lasera można przeprowadzić szeroki zakres szybkiej konwersji częstotliwości, częstotliwości przemiatania. Wadą jest to, że szerokość linii lub szum fazowy sygnału o częstotliwości różnicowej generowanej przez dwa niepowiązane sygnały laserowe jest stosunkowo duży, a stabilność częstotliwości nie jest wysoka, zwłaszcza jeśli stosuje się laser półprzewodnikowy o małej objętości, ale dużej szerokości linii (~ MHz). używany. Jeśli wymagania dotyczące masy systemu nie są wysokie, można zastosować lasery na ciele stałym o niskim poziomie szumów (~kHz),lasery światłowodowe, wnęka zewnętrznalasery półprzewodnikoweitp. Ponadto można również zastosować dwa różne tryby sygnałów laserowych generowanych w tej samej wnęce lasera w celu wygenerowania częstotliwości różnicowej, co znacznie poprawia stabilność częstotliwości mikrofalowej.
2. Aby rozwiązać problem polegający na tym, że w poprzedniej metodzie dwa lasery są niespójne, a generowany szum fazy sygnału jest zbyt duży, spójność między dwoma laserami można uzyskać metodą blokowania fazy blokowania częstotliwości wtrysku lub fazy ujemnego sprzężenia zwrotnego obwód blokujący. Rysunek 2 przedstawia typowe zastosowanie blokowania wtrysku do generowania wielokrotności mikrofal (Rysunek 2). Bezpośrednio wprowadzając sygnały prądowe o wysokiej częstotliwości do lasera półprzewodnikowego lub stosując modulator fazowy LinBO3, można wygenerować wiele sygnałów optycznych o różnych częstotliwościach z równymi odstępami częstotliwości lub optycznych grzebieni częstotliwości. Oczywiście powszechnie stosowaną metodą uzyskania grzebienia częstotliwości optycznej o szerokim spektrum jest użycie lasera z synchronizacją modów. Dowolne dwa sygnały grzebienia w wygenerowanym grzebieniu częstotliwości optycznych są wybierane poprzez filtrowanie i wstrzykiwane odpowiednio do lasera 1 i 2 w celu uzyskania odpowiednio blokowania częstotliwości i fazy. Ponieważ faza między różnymi sygnałami grzebieniowymi grzebienia częstotliwości optycznej jest stosunkowo stabilna, tak że względna faza między dwoma laserami jest stabilna, a następnie, metodą różnicy częstotliwości, jak opisano wcześniej, sygnał mikrofalowy o wielokrotnej częstotliwości można uzyskać częstotliwość powtarzania grzebienia częstotliwości optycznej.
Rysunek 2. Schemat ideowy sygnału podwojenia częstotliwości mikrofalowej generowanego przez blokowanie częstotliwości wtrysku.
Innym sposobem zmniejszenia względnego szumu fazowego obu laserów jest zastosowanie optycznej PLL z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, jak pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Schemat ideowy OPL.
Zasada optycznej PLL jest podobna do zasady PLL w elektronice. Różnica faz obu laserów jest przekształcana na sygnał elektryczny przez fotodetektor (odpowiednik detektora fazy), a następnie różnicę faz między dwoma laserami uzyskuje się poprzez dokonanie różnicy częstotliwości z referencyjnym źródłem sygnału mikrofalowego, który jest wzmacniany i filtrowany, a następnie zawracany do jednostki sterującej częstotliwością jednego z laserów (w przypadku laserów półprzewodnikowych jest to prąd wtrysku). Dzięki takiej pętli sterującej z ujemnym sprzężeniem zwrotnym faza częstotliwości względnej pomiędzy dwoma sygnałami laserowymi jest powiązana z referencyjnym sygnałem mikrofalowym. Połączony sygnał optyczny można następnie przesłać światłowodami do fotodetektora w innym miejscu i przekształcić w sygnał mikrofalowy. Powstały szum fazowy sygnału mikrofalowego jest prawie taki sam jak szum sygnału odniesienia w paśmie pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z synchronizacją fazową. Szum fazowy poza szerokością pasma jest równy względnemu szumowi fazowemu oryginalnych dwóch niepowiązanych laserów.
Ponadto referencyjne źródło sygnału mikrofalowego może być również konwertowane przez inne źródła sygnału poprzez podwajanie częstotliwości, częstotliwość dzielnika lub inne przetwarzanie częstotliwości, tak że sygnał mikrofalowy o niższej częstotliwości może być wielokrotnie podwajany lub konwertowany na sygnały RF o wysokiej częstotliwości, THz.
W porównaniu z blokowaniem częstotliwości wtrysku można jedynie uzyskać podwojenie częstotliwości, pętle synchronizacji fazowej są bardziej elastyczne, mogą wytwarzać niemal dowolne częstotliwości i oczywiście są bardziej złożone. Na przykład grzebień częstotliwości optycznej generowany przez modulator fotoelektryczny na rysunku 2 służy jako źródło światła, a optyczna pętla synchronizacji fazowej służy do selektywnego blokowania częstotliwości dwóch laserów na dwóch sygnałach grzebienia optycznego, a następnie generuje sygnały o wysokiej częstotliwości poprzez częstotliwość różnicową, jak pokazano na rysunku 4. f1 i f2 to odpowiednio częstotliwości sygnału odniesienia dwóch PLLS, a sygnał mikrofalowy N*frep+f1+f2 może być generowany przez różnicę częstotliwości pomiędzy dwa lasery.
Rysunek 4. Schemat ideowy generowania dowolnych częstotliwości za pomocą optycznych grzebieni częstotliwości i PLLS.
3. Użyj lasera impulsowego z blokadą trybu, aby przekonwertować sygnał impulsu optycznego na sygnał mikrofalowyfotodetektor.
Główną zaletą tej metody jest to, że można uzyskać sygnał o bardzo dobrej stabilności częstotliwościowej i bardzo niskim szumie fazowym. Blokując częstotliwość lasera w bardzo stabilnym widmie przejścia atomowego i molekularnego lub w wyjątkowo stabilnej wnęce optycznej, a także stosując przesunięcie częstotliwości systemu samopodwajającej się eliminacji częstotliwości i inne technologie, możemy uzyskać bardzo stabilny sygnał impulsu optycznego z bardzo stabilną częstotliwość powtarzania, dzięki czemu można uzyskać sygnał mikrofalowy z bardzo niskimi szumami fazowymi. 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 zastosowania, głównie 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 w trybie chirp, które z kolei generują sygnały mikrofalowe o wysokiej częstotliwości i niskim poziomie szumów.
4. Oscylator optoelektroniczny, rysunek 6.
Rysunek 6. Schemat ideowy oscylatora sprzężonego fotoelektrycznie.
Jedną z tradycyjnych metod wytwarzania mikrofal lub laserów jest zastosowanie zamkniętej pętli z własnym sprzężeniem zwrotnym. O ile wzmocnienie w zamkniętej pętli jest większe niż straty, samowzbudne oscylacje mogą wytwarzać mikrofale lub lasery. Im wyższy współczynnik jakości Q zamkniętej pętli, tym mniejszy jest generowany szum fazowy lub częstotliwościowy sygnału. Aby zwiększyć współczynnik jakości pętli, bezpośrednim sposobem jest zwiększenie długości pętli i zminimalizowanie strat propagacji. Jednakże dłuższa pętla może zwykle obsługiwać generowanie wielu trybów oscylacji, a jeśli dodany zostanie filtr wąskopasmowy, można uzyskać sygnał oscylacji mikrofalowej o pojedynczej częstotliwości i niskim poziomie szumów. Oscylator fotoelektryczny jest źródłem sygnału mikrofalowego opartym na tej koncepcji. W pełni wykorzystuje charakterystykę niskich strat propagacyjnych światłowodu, wykorzystując dłuższe włókno w celu poprawy wartości Q pętli, może wytwarzać sygnał mikrofalowy o bardzo niskim szumie fazowym. Od czasu zaproponowania tej metody w latach 90. XX wieku tego typu oscylatory poddano szeroko zakrojonym badaniom i znacznemu rozwojowi, a obecnie dostępne są na rynku 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 jego podwójnej częstotliwości zostanie znacznie zwiększony. Ponadto stosuje się więcej elementów fotoelektrycznych, koszt jest wysoki, objętość jest trudna do zmniejszenia, a dłuższe włókno jest bardziej wrażliwe na zakłócenia środowiskowe.
Powyżej pokrótce przedstawiono kilka metod generowania sygnałów mikrofalowych przez fotoelektrony, a także ich zalety i wady. Wreszcie, zastosowanie fotoelektronów do wytwarzania mikrofal ma jeszcze jedną zaletę: sygnał optyczny może być rozprowadzany przez światłowód przy bardzo niskich stratach i transmisji na duże odległości do każdego terminala użytkowego, a następnie przekształcany na sygnały mikrofalowe, a także odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. zakłócenia są znacznie ulepszone w porównaniu z tradycyjnymi komponentami elektronicznymi.
Napisanie tego artykułu ma głównie charakter referencyjny i w połączeniu z własnym doświadczeniem badawczym autora i doświadczeniem w tej dziedzinie zawiera nieścisłości i nierozumienie, proszę zrozumieć.
Czas publikacji: 03 stycznia 2024 r