Optoelektronika mikrofalowa, jak sama nazwa wskazuje, jest przecięcie mikrofalów iOptoelektronika. Mikrofale i fale światła to fale elektromagnetyczne, a częstotliwości mają wiele rzędów wielkości różnej, a komponenty i technologie opracowane w odpowiednich dziedzinach są bardzo różne. W połączeniu możemy się wzajemnie wykorzystać, ale możemy uzyskać odpowiednio nowe zastosowania i cechy, które są trudne do realizacji.
Komunikacja optycznajest doskonałym przykładem kombinacji mikrofal i fotoelektronów. Wczesna komunikacja bezprzewodowa telefoniczna i telegraficzna, generowanie, propagacja i odbiór sygnałów, wszystkie używane urządzenia mikrofalowe. Fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości są początkowo stosowane, ponieważ zakres częstotliwości jest mały, a pojemność kanału do transmisji jest niewielka. Rozwiązaniem jest zwiększenie częstotliwości przesyłanego sygnału, im wyższa częstotliwość, tym więcej zasobów widma. Ale sygnał wysokiej częstotliwości w utraty propagacji powietrza jest duży, ale również łatwy do zablokowania przez przeszkody. Jeśli używany jest kabel, utrata kabla jest duża, a transmisja na duże odległości jest problemem. Pojawienie się komunikacji światłowodowej jest dobrym rozwiązaniem tych problemów.Światłowódma bardzo niską utratę transmisji i jest doskonałym nośnikiem do transmisji sygnałów na duże odległości. Zakres częstotliwości fal światła jest znacznie większy niż w mikrofalach i może przesyłać wiele różnych kanałów jednocześnie. Z powodu tych zalettransmisja optycznaKomunikacja światłowodowa stała się kręgosłupem dzisiejszej transmisji informacji.
Komunikacja optyczna ma długą historię, badania i zastosowanie są bardzo obszerne i dojrzałe, tutaj nie jest więcej. Niniejszy artykuł przedstawia głównie nową zawartość badań optoelektroniki mikrofalowej w ostatnich latach innych niż komunikacja optyczna. Optorelektronika mikrofalowa wykorzystuje głównie metody i technologie w dziedzinie optoelektroniki jako nośnika w celu poprawy i osiągnięcia wydajności i zastosowania, które są trudne do osiągnięcia za pomocą tradycyjnych elementów elektronicznych mikrofalowych. Z perspektywy zastosowania zawiera głównie trzy następujące aspekty.
Pierwszym z nich jest zastosowanie optoelektroniki do generowania wysokowydajnych sygnałów mikrofalowych o niskiej zawartości szumów, od pasma X aż do pasma THZ.
Po drugie, przetwarzanie sygnału mikrofalowego. W tym opóźnienie, filtrowanie, konwersja częstotliwości, odbieranie i tak dalej.
Po trzecie, transmisja sygnałów analogowych.
W tym artykule autor wprowadza tylko pierwszą część, generowanie sygnału mikrofalowego. Tradycyjna fala milimetrowa mikrofalowa jest generowana głównie przez komponenty mikroelektroniczne III_V. Jego ograniczenia mają następujące punkty: po pierwsze, na wysokie częstotliwości, takie jak 100 GHz powyżej, tradycyjna mikroelektronika może wytwarzać coraz mniej mocy, do sygnału THz o wyższej częstotliwości, nie mogą nic zrobić. Po drugie, aby zmniejszyć szum fazowy i poprawić stabilność częstotliwości, oryginalne urządzenie musi być umieszczone w środowisku o bardzo niskiej temperaturze. Po trzecie, trudno jest osiągnąć szeroki zakres konwersji częstotliwości częstotliwości. Aby rozwiązać te problemy, technologia optoelektroniczna może odgrywać pewną rolę. Główne metody opisano poniżej.
1. Dzięki częstotliwości różnicowej dwóch różnych sygnałów laserowych częstotliwości fotodetektor o wysokiej częstotliwości służy do konwersji sygnałów mikrofalowych, jak pokazano na rycinie 1.
Ryc. 1. Schemat schematyczny mikrofalów generowanych przez częstotliwość różnicy dwóchLasery.
Zaletami tej metody są prosta struktura, może generować wyjątkowo wysoką częstotliwość fali milimetrowej, a nawet sygnał częstotliwości THz, a poprzez dostosowanie częstotliwości lasera może wykonywać duży zakres konwersji szybkiej częstotliwości, częstotliwość zamiatania. Wadą jest to, że szerokość linii lub szum fazowy sygnału częstotliwości różnicowania generowanego przez dwa niezwiązane sygnały laserowe jest stosunkowo duża, a stabilność częstotliwości nie jest wysoka, szczególnie jeśli zastosowana jest laser półprzewodnikowy o niewielkiej objętości, ale stosuje się dużą szerokość linii (~ MHz). Jeśli zapotrzebowanie na objętość masy systemu nie są wysokie, możesz użyć laserów stałego niskiego hałasu (~ kHz),Lasery światłowodowe, Wnęka zewnętrznaLasery półprzewodnikówitp. Ponadto dwa różne tryby sygnałów laserowych generowane w tej samej jamie laserowej można również zastosować do generowania częstotliwości różnicowej, tak aby wydajność stabilności częstotliwości mikrofalowej była znacznie poprawia.
2. W celu rozwiązania problemu, że dwa lasery w poprzedniej metodzie są niespójne, a wygenerowany szum fazy sygnału jest zbyt duża, spójność między dwoma laserami można uzyskać metodą blokowania fazy częstotliwości wtrysku lub obwodu blokowania fazy ujemnej. Ryc. 2 pokazuje typowe zastosowanie blokowania wtrysku do generowania wielokrotności mikrofalowych (ryc. 2). Dzięki bezpośrednim wstrzyknięciu sygnałów prądu o wysokiej częstotliwości do lasera półprzewodnikowego lub za pomocą modulatora fazowego Linbo3, można wygenerować wiele sygnałów optycznych o różnych częstotliwościach o równych odstępachcie częstotliwości lub łowienia częstotliwości optycznej. Oczywiście powszechnie stosowaną metodą do uzyskania szerokiej częstotliwości częstotliwości widma jest użycie lasera zablokowanego w trybie. Wszelkie dwa sygnały grzebienia w wygenerowanym grzebieniu częstotliwości optycznej są wybierane przez filtrowanie i wstrzykiwane odpowiednio do lasera 1 i 2 w celu realizacji odpowiednio częstotliwości i blokowania faz. Ponieważ faza między różnymi sygnałami grzebienia grzebienia częstotliwości optycznej jest stosunkowo stabilna, tak że faza względna między dwoma laserami jest stabilna, a następnie metodą częstotliwości różnicowej, jak opisano wcześniej, można uzyskać wielokrotnie mikrofalową szybkość powtarzania czwu częstotliwości.
Ryc. 2. Schemat schematu sygnału podwojenia częstotliwości mikrofalowej generowanego przez blokowanie częstotliwości wtryskowej.
Innym sposobem zmniejszenia względnego szumu fazowego dwóch laserów jest zastosowanie optycznego PLL optycznego ujemnego, jak pokazano na rycinie 3.
Rycina 3. Schemat Schemat OPL.
Zasada optycznego PLL jest podobna do zasady PLL w dziedzinie elektroniki. Różnica faz dla dwóch laserów jest przekształcana w sygnał elektryczny przez fotodetektor (równoważny detektora fazowego), a następnie różnicę fazową między dwoma laserami jest uzyskiwana przez częstotliwość różnicowania przy odniesieniu źródła sygnału mikrofalowego, które jest amplifikowane i filtrowane, a następnie podawane z powrotem do częstotliwości kontroli częstotliwości. Dzięki takiej ujemnej pętli sterowania sprzężeniem zwrotnym względna faza częstotliwości między dwoma sygnałami laserowymi jest zablokowana do odniesienia sygnału mikrofalowego. Połączony sygnał optyczny może być następnie przesyłany przez włókna optyczne do fotodetektora gdzie indziej i przekształcić w sygnał mikrofalowy. Powstały szum fazowy sygnału mikrofalowego jest prawie taki sam, jak sygnał odniesienia w ramach przepustowości blokowanej fazowej pętli sprzężenia zwrotnego. Hałas fazowy poza szerokością pasma jest równy względnym szumowi fazowym oryginalnych dwóch niepowiązanych laserów.
Ponadto, odniesione źródło sygnału mikrofalowego można również przekonwertować przez inne źródła sygnału poprzez podwojenie częstotliwości, częstotliwość dzieliny lub inne przetwarzanie częstotliwości, dzięki czemu sygnał mikrofalowy o niższej częstotliwości można było wieloczynnikowego lub przekonwertować na sygnały RF o wysokiej częstotliwości.
W porównaniu z blokowaniem częstotliwości wtrysku może jedynie uzyskać podwojenie częstotliwości, pętle z blokadą faz są bardziej elastyczne, mogą wytwarzać prawie dowolne częstotliwości i oczywiście bardziej złożone. Na przykład komenka częstotliwości optycznej generowana przez modulator fotoelektryczny na ryc. 2 jest używany jako źródło światła, a optyczna pętla blokowana w fazie jest używana do selektywnego zablokowania częstotliwości dwóch laserów do dwóch sygnałów optycznych, a następnie generowanie sygnałów o wysokiej częstotliwości poprzez częstotliwość różnicę, jak pokazano sygnał referencyjny. N*FREP+F1+F2 można wygenerować przez częstotliwość różnicy między dwoma laserami.
Rycina 4. Schemat generowania dowolnych częstotliwości przy użyciu Combs i PLL o częstotliwości optycznych.
3. Użyj lasera impulsowego zablokowanego trybu, aby przekonwertować optyczny sygnał impulsu na sygnał mikrofalowyfotodetektor.
Główną zaletą tej metody jest to, że można uzyskać sygnał o bardzo dobrej stabilności częstotliwości i bardzo niski szum fazowy. Blokując częstotliwość lasera do bardzo stabilnego spektrum przejściowego atomowego i molekularnego lub wyjątkowo stabilnej wnęki optycznej oraz zastosowania samokontroli częstotliwości przesunięcia częstotliwości i innych technologii z fazą o bardzo stabilnym sygnał pulsowym z bardzo stabilną częstotliwością powtarzania. Rysunek 5.
Rycina 5. Porównanie względnego szumu fazowego różnych źródeł sygnałów.
Ponieważ jednak szybkość powtarzania impulsu jest odwrotnie proporcjonalna do długości wnęki lasera, a tradycyjny laser blokowany w trybie jest duży, trudno jest bezpośrednio uzyskać sygnały mikrofalowe o wysokiej częstotliwości. Ponadto wielkość, waga i zużycie energii przez tradycyjne pulsacyjne lasery, a także surowe wymagania środowiskowe, ograniczają ich głównie zastosowania laboratoryjne. Aby przezwyciężyć te trudności, badania rozpoczęły się niedawno w Stanach Zjednoczonych i Niemczech, wykorzystując nieliniowe efekty do generowania stałych częstotliwości połowów optycznych w bardzo małych, wysokiej jakości jamach optycznych w trybie ćwierkania, które z kolei generują niskie sygnały mikrofalowe o niskiej częstotliwości.
4. Oscylator opto elektroniczny, ryc. 6.
Rycina 6. Schemat oscylatora sprzężonego fotoelektrycznego.
Jedną z tradycyjnych metod generowania mikrofal lub laserów jest użycie zamkniętej pętli, o ile wzmocnienie w pętli zamkniętej jest większe niż strata, oscylacja samozwańca może wytwarzać mikrofale lub lasery. Im wyższy współczynnik jakości q zamkniętej pętli, tym mniejsza wygenerowana faza sygnału lub szum częstotliwości. Aby zwiększyć współczynnik jakości pętli, bezpośrednim sposobem jest zwiększenie długości pętli i zminimalizowanie utraty propagacji. Jednak dłuższa pętla może zwykle obsługiwać wytwarzanie wielu trybów oscylacji, a jeśli dodano filtr wąskoprzepustowy, można uzyskać sygnał oscylacji mikrofalowej o niskiej częstotliwości. Oscylator sprzężony z fotoelektrycznym jest źródłem sygnału mikrofalowego W oparciu o ten pomysł, w pełni wykorzystuje charakterystykę utraty niskiej propagacji włókna, wykorzystując dłuższe włókno w celu poprawy wartości Q, może wytwarzać sygnał mikrofalowy o bardzo niskim szumie fazowym. Ponieważ metoda została zaproponowana w latach 90. XX wieku, ten rodzaj oscylatora otrzymał obszerne badania i znaczny rozwój, a obecnie istnieją komercyjne oscylatory sprzężone z fotoelektrycznym. Niedawno opracowano oscylatory fotoelektryczne, których częstotliwości można dostosować w szerokim zakresie. Głównym problemem źródeł sygnałów mikrofalowych opartych na tej architekturze jest to, że pętla jest długa, a szum w swobodnym przepływie (FSR) i jego podwójna częstotliwość zostaną znacznie zwiększone. Ponadto zastosowane elementy fotoelektryczne są więcej, koszt jest wysoki, objętość jest trudna do zmniejszenia, a dłuższe błonnik jest bardziej wrażliwe na zaburzenia środowiska.
Powyższe krótko wprowadza kilka metod generowania fotoelektronów sygnałów mikrofalowych, a także ich zalety i wady. Wreszcie, zastosowanie fotoelektronów do produkcji mikrofalowej ma inną zaletę, że sygnał optyczny można rozdzielić przez światłowód optyczny o bardzo niskiej transmisji, transmisji na duże odległości do każdego zażywania, a następnie przekształcone w sygnały mikrofalowe, a zdolność do oporu interferencji elektromagnetycznej jest znacznie ulepszona niż tradycyjne komponenty elektroniczne.
Pisanie tego artykułu jest głównie w celach informacyjnych i w połączeniu z własnym doświadczeniem badawczym i doświadczeniem autora w tej dziedzinie, istnieją niedokładności i niezrozumiałości, proszę zrozumieć.
Czas po: 03-2024