Mikrovlnná optoelektronika, jak název napovídá, je průsečíkem mikrovlnné aoptoelektronika. Mikrovlny a světelné vlny jsou elektromagnetické vlny a jejich frekvence se liší o mnoho řádů a komponenty a technologie vyvinuté v příslušných oborech jsou velmi odlišné. V kombinaci můžeme využít jeden druhého, ale 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, to vše používaná mikrovlnná zařízení. Nízkofrekvenční elektromagnetické vlny se používají zpočátku, protože frekvenční rozsah je malý a kapacita kanálu pro přenos je malá. Řešením je zvýšení frekvence přenášeného signálu, čím vyšší frekvence, tím více zdrojů spektra. Ale vysokofrekvenční signál ve ztrátě šíření vzduchu je velký, ale také jej snadno zablokují překážky. Pokud je použit kabel, ztráta kabelu je velká a přenos na dlouhé vzdálenosti je problém. Vznik komunikace pomocí optických vláken je dobrým řešením těchto problémů.Optické vláknomá velmi nízkou přenosovou ztrátu a je vynikajícím nosičem pro přenos signálů na velké vzdálenosti. Frekvenční rozsah světelných vln je mnohem větší než u mikrovln a může vysílat mnoho různých kanálů současně. Kvůli těmto výhodámoptický přenos, komunikace pomocí optických vláken se stala páteří dnešního přenosu informací.
Optická komunikace má dlouhou historii, výzkum a aplikace jsou velmi rozsáhlé a vyspělé, o více zde nejde. Tento článek představuje především nový obsah výzkumu mikrovlnné optoelektroniky v posledních letech kromě optické komunikace. Mikrovlnná optoelektronika využívá především metody a technologie v oblasti optoelektroniky jako nosiče ke zlepšení a dosažení výkonu a aplikace, které je obtížné dosáhnout s tradičními mikrovlnnými elektronickými součástkami. Z hlediska aplikace zahrnuje především následující tři aspekty.
První je použití optoelektroniky pro 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 uvádí pouze první část, generování mikrovlnného signálu. Tradiční mikrovlnná milimetrová vlna je generována především mikroelektronickými součástkami iii_V. Její omezení mají následující body: Za prvé, s vysokými frekvencemi, jako je 100 GHz výše, může tradiční mikroelektronika produkovat stále méně energie, s vyšší frekvencí THz signálu nezmůže 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 frekvenční konverze. Při řešení těchto problémů může hrát roli optoelektronická technologie. Hlavní metody jsou popsány níže.
1. Prostřednictvím rozdílové frekvence dvou různých frekvenčních laserových signálů se k převodu mikrovlnných signálů používá vysokofrekvenční fotodetektor, jak je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1. Schematický diagram mikrovln generovaných rozdílovou frekvencí dvoulasery.
Výhodou této metody je jednoduchá struktura, může generovat extrémně vysokofrekvenční milimetrové vlny a dokonce i THz frekvenční signál a úpravou frekvence laseru může provádět velký rozsah rychlé frekvenční konverze, rozmítací frekvence. Nevýhodou je, že šířka čáry nebo fázový šum signálu rozdílové frekvence generovaného dvěma nesouvisejícími laserovými signály je relativně velký a frekvenční stabilita není vysoká, zvláště pokud je použit polovodičový laser s malým objemem, ale velkou šířkou čáry (~MHz). použitý. Pokud požadavky na hmotnost systému nejsou vysoké, můžete použít nízkošumové (~kHz) pevnolátkové lasery,vláknové lasery, vnější dutinapolovodičové laseryatd. Kromě toho mohou být pro generování rozdílové frekvence také použity dva různé režimy laserových signálů generovaných ve stejné laserové dutině, takže výkon stability mikrovlnné frekvence je výrazně zlepšen.
2. Aby se vyřešil problém, že dva lasery v předchozí metodě jsou nekoherentní a generovaný fázový šum signálu je příliš velký, lze koherenci mezi dvěma lasery získat metodou zamykání fáze vstřikovací frekvence nebo fází negativní zpětné vazby. zamykací obvod. Obrázek 2 ukazuje typickou aplikaci blokování vstřikování pro generování mikrovlnných násobků (obrázek 2). Přímým vstřikováním vysokofrekvenčních proudových signálů do polovodičového laseru nebo použitím LinBO3-fázového modulátoru lze generovat více optických signálů různých frekvencí se stejným frekvenčním odstupem nebo optických frekvenčních hřebenů. Samozřejmě běžně používanou metodou pro získání širokospektrálního optického frekvenčního hřebenu je použití laseru s uzamčeným režimem. Libovolné dva hřebenové signály ve vygenerovaném optickém frekvenčním hřebenu jsou vybrány filtrací a injektovány do laseru 1 a 2, aby se dosáhlo frekvenčního a fázového zamykání. Protože fáze mezi různými hřebenovými signály hřebenu s optickým kmitočtem je relativně stabilní, takže relativní fáze mezi dvěma lasery je stabilní, a pak metodou rozdílové frekvence, jak je popsáno výše, mikrovlnný signál s několikanásobnou frekvencí Optická frekvence hřebenového opakování lze získat.
Obrázek 2. Schematický diagram signálu zdvojnásobení mikrovlnné frekvence generovaného blokováním frekvence vstřikování.
Dalším způsobem, jak snížit relativní fázový šum těchto dvou laserů, je použití optické PLL s negativní zpětnou vazbou, jak je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3. Schéma OPL.
Princip optického PLL je podobný jako u PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdíl dvou laserů je převeden na elektrický signál pomocí fotodetektoru (ekvivalent fázového detektoru) a poté je fázový rozdíl mezi dvěma lasery získán vytvořením rozdílové frekvence s referenčním zdrojem mikrovlnného signálu, který je zesílen a filtrován a poté přiváděn zpět do jednotky řízení frekvence jednoho z laserů (u polovodičových laserů je to injekční proud). Prostřednictvím takové regulační smyčky se zápornou zpětnou vazbou je fáze relativní frekvence mezi dvěma laserovými signály zablokována k referenčnímu mikrovlnnému signálu. Kombinovaný optický signál pak může být přenášen přes optická vlákna do fotodetektoru jinde a přeměněn na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je téměř stejný jako u referenčního signálu v rámci šířky pásma fázově uzamčené záporné zpětné vazby. Fázový šum mimo šířku pásma se rovná relativnímu fázovému šumu původních dvou nesouvisejících laserů.
Kromě toho může být zdroj referenčního mikrovlnného signálu také konvertován jinými zdroji signálu prostřednictvím zdvojení frekvence, dělící frekvence nebo jiného frekvenčního zpracování, takže mikrovlnný signál s nižší frekvencí může být vícenásobně zdvojnásoben nebo převeden na vysokofrekvenční RF, THz signály.
Ve srovnání s blokováním frekvence vstřikování lze dosáhnout pouze zdvojnásobení frekvence, smyčky s fázovým závěsem 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 smyčka fázového závěsu se používá k selektivnímu uzamčení frekvence dvou laserů ke dvěma optickým hřebenovým signálům a poté generování vysokofrekvenční signály přes rozdílovou frekvenci, jak je znázorněno na obrázku 4. f1 a f2 jsou referenční frekvence signálu dvou PLLS a mikrovlnný signál N*frep+f1+f2 může být generován rozdílovou frekvencí mezi dva lasery.
Obrázek 4. Schéma generování libovolných frekvencí pomocí optických frekvenčních hřebenů a PLLS.
3. Použijte pulzní laser s uzamčeným režimem pro převod 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. Uzamknutím frekvence laseru na velmi stabilní atomové a molekulární přechodové spektrum nebo extrémně stabilní optickou dutinu a použití systému eliminace frekvence samočinného zdvojení frekvence a dalších technologií můžeme získat velmi stabilní optický pulzní signál s velmi stabilní opakovací frekvence, aby se získal mikrovlnný signál s ultra nízkým fázovým šumem. Obrázek 5.
Obrázek 5. Porovnání relativního fázového šumu různých zdrojů signálu.
Protože však frekvence opakování pulsů je nepřímo úměrná délce dutiny laseru a tradiční laser s uzamčeným režimem je velký, je obtížné přímo získat vysokofrekvenční mikrovlnné signály. Kromě toho velikost, hmotnost a spotřeba energie tradičních pulzních laserů, stejně jako náročné ekologické požadavky, omezují jejich převážně laboratorní aplikace. K překonání těchto obtíží byl nedávno zahájen výzkum ve Spojených státech a Německu pomocí nelineárních efektů pro generování frekvenčně stabilních optických hřebenů ve velmi malých, vysoce kvalitních optických dutinách v režimu cvrlikání, které zase generují vysokofrekvenční nízkošumové mikrovlnné signály.
4. optoelektronický oscilátor, obrázek 6.
Obrázek 6. Schéma fotoelektricky vázaného oscilátoru.
Jednou z tradičních metod generování mikrovln nebo laserů je použití uzavřené smyčky s vlastní zpětnou vazbou, pokud je zisk v uzavřené smyčce větší než ztráta, může samobuzená oscilace produkovat mikrovlny nebo lasery. Čím vyšší je faktor kvality Q uzavřené smyčky, tím menší je generovaná fáze signálu nebo frekvenční šum. Aby se zvýšil faktor kvality smyčky, přímým způsobem je zvětšit délku smyčky a minimalizovat ztráty šířením. Delší smyčka však obvykle může podporovat generování více režimů kmitání, a pokud je přidán filtr s úzkou šířkou pásma, lze získat jednofrekvenční nízkošumový signál mikrovlnné oscilace. Fotoelektrický vázaný oscilátor je zdroj mikrovlnného signálu založený na této myšlence, plně využívá vlastnosti vlákna s nízkými ztrátami při šíření, pomocí delšího vlákna ke zlepšení hodnoty smyčky Q může produkovat mikrovlnný signál s velmi nízkým fázovým šumem. Od doby, kdy byla metoda navržena v 90. letech 20. století, prošel tento typ oscilátoru rozsáhlým výzkumem a značným rozvojem 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 to, že smyčka je dlouhá a šum v jejím volném toku (FSR) a její dvojnásobná frekvence se výrazně zvýší. Kromě toho je použitých fotoelektrických komponent více, náklady jsou vysoké, objem se obtížně zmenšuje a delší vlákno je citlivější na narušení prostředí.
Výše uvedené stručně představuje několik metod fotoelektronového generování mikrovlnných signálů, jakož i jejich výhody a nevýhody. A konečně, použití fotoelektronů k výrobě mikrovln má další výhodu v tom, že optický signál může být distribuován optickým vláknem s velmi nízkou ztrátou, přenosem na velkou vzdálenost ke každému uživatelskému terminálu a poté převeden na mikrovlnné signály a schopností odolávat elektromagnetickému záření. rušení je výrazně lepší než u tradičních elektronických součástek.
Psaní tohoto článku je především orientační a v kombinaci s vlastními výzkumnými zkušenostmi a zkušenostmi autora v této oblasti se vyskytují nepřesnosti a nepochopení, prosím pochopte.
Čas odeslání: leden-03-2024