Mikrovlnná optoelektronika, jak název napovídá, je průnikem mikrovlnné trouby aoptoelektronikaMikrovlny a světelné vlny jsou elektromagnetické vlny, jejichž frekvence se liší o mnoho řádů a komponenty a technologie vyvinuté v jejich příslušných oblastech se velmi liší. V kombinaci sice můžeme vzájemně využívat výhody, ale zároveň můžeme získat nové aplikace a vlastnosti, které je obtížné realizovat.
Optická komunikaceje ukázkovým příkladem kombinace mikrovln a fotoelektronů. Raná telefonní a telegrafní bezdrátová komunikace, generování, šíření a příjem signálů, všechny používaly mikrovlnná zařízení. Nízkofrekvenční elektromagnetické vlny se zpočátku používaly, protože frekvenční rozsah je malý a kapacita kanálu pro přenos je malá. Řešením je zvýšení frekvence vysílaného signálu, čím vyšší frekvence, tím více spektrálních zdrojů. Vysokofrekvenční signál je však ve vzduchu ztrátou šíření velký, ale také snadno blokován překážkami. Pokud se používá kabel, ztráty v kabelu jsou velké a přenos na velké vzdálenosti je problém. Vznik optické komunikace je dobrým řešením těchto problémů.Optické vláknomá velmi nízké ztráty při přenosu a je vynikajícím nosičem pro přenos signálů na velké vzdálenosti. Frekvenční rozsah světelných vln je mnohem větší než u mikrovln a může přenášet mnoho různých kanálů současně. Díky těmto výhodámoptický přenos, optická vláknová komunikace se stala páteří dnešního přenosu informací.
Optická komunikace má dlouhou historii, výzkum a aplikace jsou velmi rozsáhlé a vyspělé, takže zde není co dodat. Tento článek představuje především nový výzkumný obsah mikrovlnné optoelektroniky v posledních letech, který se liší od optické komunikace. Mikrovlnná optoelektronika využívá především metody a technologie v oblasti optoelektroniky jako nosič pro zlepšení a dosažení výkonu a aplikací, kterých je obtížné dosáhnout s tradičními mikrovlnnými elektronickými součástkami. Z hlediska aplikace zahrnuje zejména následující tři aspekty.
Prvním je použití optoelektroniky ke generování vysoce výkonných mikrovlnných signálů s nízkým šumem, od pásma X až po pásmo THz.
Za druhé, zpracování mikrovlnného signálu. Včetně zpoždění, filtrování, převodu frekvence, příjmu a tak dále.
Za třetí, přenos analogových signálů.
V tomto článku autor představuje pouze první část, generování mikrovlnného signálu. Tradiční milimetrové mikrovlnné vlny jsou generovány převážně mikroelektronickými součástkami iii_V. Jejich omezení jsou následující: Za prvé, při vysokých frekvencích, jako je 100 GHz a výše, může tradiční mikroelektronika produkovat stále méně energie, při signálu s vyšší frekvencí THz nemůže dělat nic. Za druhé, aby se snížil fázový šum a zlepšila se frekvenční stabilita, musí být původní zařízení umístěno v prostředí s extrémně nízkou teplotou. Za třetí, je obtížné dosáhnout širokého rozsahu frekvenční modulace a převodu frekvence. Pro řešení těchto problémů může hrát roli optoelektronická technologie. Hlavní metody jsou popsány níže.
1. Prostřednictvím rozdílové frekvence dvou laserových signálů s různou frekvencí se vysokofrekvenční fotodetektor používá k převodu mikrovlnných signálů, jak je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1. Schéma mikrovln generovaných rozdílovou frekvencí dvoulasery.
Výhodou této metody je jednoduchá struktura, možnost generování extrémně vysokofrekvenčního signálu v milimetrových vlnách a dokonce i v teraHz frekvencích a úpravou frekvence laseru lze provádět široký rozsah rychlé frekvenční konverze a rozmítání. Nevýhodou je, že šířka čáry nebo fázový šum signálu rozdílové frekvence generovaného dvěma nesouvisejícími laserovými signály je relativně velký a frekvenční stabilita není vysoká, zejména pokud se používá polovodičový laser s malým objemem, ale velkou šířkou čáry (~MHz). Pokud požadavky na hmotnost a objem systému nejsou vysoké, lze použít nízkošumové (~kHz) pevnolátkové lasery.vláknové lasery, vnější dutinapolovodičové laseryatd. Kromě toho lze k generování rozdílové frekvence použít dva různé režimy laserových signálů generovaných ve stejné laserové dutině, čímž se výrazně zlepší stabilita mikrovlnné frekvence.
2. Aby se vyřešil problém, kdy jsou dva lasery v předchozí metodě nekoherentní a generovaný fázový šum signálu je příliš velký, lze koherenci mezi oběma lasery dosáhnout metodou fázového blokování s injekčním kmitočtem nebo obvodem fázového blokování s negativní zpětnou vazbou. Obrázek 2 ukazuje typickou aplikaci injekčního blokování pro generování mikrovlnných násobků (obrázek 2). Přímým vstřikováním vysokofrekvenčních proudových signálů do polovodičového laseru nebo použitím fázového modulátoru LinBO3 lze generovat více optických signálů různých frekvencí se stejnou frekvenční vzdáleností neboli optické frekvenční hřebeny. Běžně používanou metodou pro získání širokospektrálního optického frekvenčního hřebenu je samozřejmě použití módově blokovaného laseru. Libovolné dva hřebenové signály v generovaném optickém frekvenčním hřebenu jsou vybrány filtrováním a vstřikovány do laseru 1 a 2, aby se dosáhlo frekvenčního a fázového blokování. Protože fáze mezi různými hřebenovými signály optického frekvenčního hřebenu je relativně stabilní, takže relativní fáze mezi oběma lasery je stabilní, lze poté metodou rozdílové frekvence, jak je popsáno výše, získat vícenásobný frekvenční mikrovlnný signál s opakovací frekvencí optického frekvenčního hřebenu.
Obrázek 2. Schéma signálu zdvojnásobení mikrovlnné frekvence generovaného synchronizací frekvence vstřikováním.
Dalším způsobem, jak snížit relativní fázový šum obou laserů, je použití optického PLL s negativní zpětnou vazbou, jak je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3. Schéma zapojení OPL.
Princip optické PLL je podobný principu PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdíl obou laserů je převeden fotodetektorem (ekvivalentem fázového detektoru) na elektrický signál a poté je fázový rozdíl mezi oběma lasery získán vytvořením rozdílové frekvence s referenčním zdrojem mikrovlnného signálu, který je zesílen a filtrován a poté přiveden zpět do frekvenční řídicí jednotky jednoho z laserů (u polovodičových laserů je to injekční proud). Prostřednictvím takové negativní zpětnovazební řídicí smyčky je relativní frekvenční fáze mezi oběma laserovými signály vázána na referenční mikrovlnný signál. Kombinovaný optický signál pak může být přenesen optickými vlákny do fotodetektoru jinde a převeden na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je téměř stejný jako u referenčního signálu v rámci šířky pásma fázově vázané negativní zpětnovazební smyčky. Fázový šum mimo šířku pásma je roven relativnímu fázovému šumu původních dvou nesouvisejících laserů.
Kromě toho může být referenční zdroj mikrovlnného signálu také převeden jinými zdroji signálu prostřednictvím zdvojnásobení frekvence, dělení frekvence nebo jiného frekvenčního zpracování, takže nízkofrekvenční mikrovlnný signál může být vícenásobně zdvojnásoben nebo převeden na vysokofrekvenční RF signály, THz.
Ve srovnání s injekčním synchronizací lze dosáhnout pouze zdvojnásobení frekvence, fázově synchronizované smyčky jsou flexibilnější, mohou produkovat téměř libovolné frekvence a samozřejmě složitější. Například optický frekvenční hřeben generovaný fotoelektrickým modulátorem na obrázku 2 se používá jako zdroj světla a optická fázově synchronizovaná smyčka se používá k selektivnímu synchronizaci frekvence dvou laserů na signály dvou optických hřebenů a následnému generování vysokofrekvenčních signálů prostřednictvím rozdílové frekvence, jak je znázorněno na obrázku 4. f1 a f2 jsou referenční signálové frekvence dvou PLLS a mikrovlnný signál N*frep+f1+f2 lze generovat rozdílovou frekvencí mezi dvěma lasery.
Obrázek 4. Schéma generování libovolných frekvencí pomocí optických frekvenčních hřebenů a PLLS.
3. Použijte pulzní laser s uzamčeným režimem k převodu optického pulzního signálu na mikrovlnný signálfotodetektor.
Hlavní výhodou této metody je, že lze získat signál s velmi dobrou frekvenční stabilitou a velmi nízkým fázovým šumem. Uzamčením frekvence laseru na velmi stabilní spektrum atomových a molekulárních přechodů nebo extrémně stabilní optické dutiny a použitím systému samozdvojnásobení frekvence, frekvenčního posunu a dalších technologií můžeme získat velmi stabilní optický pulzní signál s velmi stabilní opakovací frekvencí, a tak získat mikrovlnný signál s ultranízkým fázovým šumem. Obrázek 5.
Obrázek 5. Porovnání relativního fázového šumu různých zdrojů signálu.
Protože je však frekvence opakování pulzů nepřímo úměrná délce dutiny laseru a tradiční módově synchronizovaný laser je velký, je obtížné přímo získat vysokofrekvenční mikrovlnné signály. Navíc velikost, hmotnost a spotřeba energie tradičních pulzních laserů, stejně jako náročné požadavky na prostředí, omezují jejich převážně laboratorní aplikace. Aby se tyto obtíže překonaly, byl v poslední době ve Spojených státech a Německu zahájen výzkum využívající nelineární efekty ke generování frekvenčně stabilních optických hřebenů ve velmi malých, vysoce kvalitních optických dutinách s chirpovým režimem, které následně generují vysokofrekvenční nízkošumové mikrovlnné signály.
4. optoelektronický oscilátor, obrázek 6.
Obrázek 6. Schéma zapojení fotoelektricky vázaného oscilátoru.
Jednou z tradičních metod generování mikrovln nebo laserů je použití uzavřené smyčky s vlastní zpětnou vazbou. Pokud je zesílení v uzavřené smyčce větší než ztráta, může samobuzená oscilace produkovat mikrovlny nebo lasery. Čím vyšší je činitel kvality Q uzavřené smyčky, tím menší je generovaný fázový nebo frekvenční šum signálu. Přímou cestou ke zvýšení činitele kvality smyčky je zvětšení délky smyčky a minimalizace ztrát šířením. Delší smyčka však obvykle dokáže generovat více módů kmitání a přidáním úzkopásmového filtru lze získat jednofrekvenční nízkošumový signál mikrovlnného kmitání. Fotoelektricky vázaný oscilátor je zdroj mikrovlnného signálu založený na této myšlence, který plně využívá charakteristik nízkých ztrát šířením vlákna a použitím delšího vlákna ke zlepšení hodnoty Q smyčky může produkovat mikrovlnný signál s velmi nízkým fázovým šumem. Od návrhu této metody v 90. letech 20. století prošel tento typ oscilátoru rozsáhlým výzkumem a značným vývojem a v současné době existují komerční fotoelektricky vázané oscilátory. V poslední době byly vyvinuty fotoelektrické oscilátory, jejichž frekvence lze nastavit v širokém rozsahu. Hlavním problémem zdrojů mikrovlnného signálu založených na této architektuře je, že smyčka je dlouhá, což výrazně zvyšuje šum v jejím volném toku (FSR) a její dvojnásobnou frekvenci. Kromě toho je použito více fotoelektrických součástek, náklady jsou vysoké, objem je obtížné snížit a delší vlákno je citlivější na rušení prostředí.
Výše uvedené stručně představuje několik metod generování mikrovlnných signálů fotoelektrony a jejich výhody a nevýhody. Další výhodou použití fotoelektronů k produkci mikrovln je, že optický signál lze distribuovat optickým vláknem s velmi nízkými ztrátami, přenosem na velké vzdálenosti ke každému uživatelskému terminálu a následně převést na mikrovlnné signály, což má výrazně lepší odolnost vůči elektromagnetickému rušení než u tradičních elektronických součástek.
Tento článek je napsán především pro informativní účely a v kombinaci s vlastními výzkumnými zkušenostmi a zkušenostmi autora v této oblasti se v něm vyskytují nepřesnosti a neúplnost, prosím o pochopení.
Čas zveřejnění: 3. ledna 2024