Mikrovlnná optoelektronika, jak název napovídá, je průsečík mikrovlnné trouby aOptoelectronics. Mikrovlny a světelné vlny jsou elektromagnetické vlny a frekvence jsou mnoho řádů odlišných velikostí a komponenty a technologie vyvinuté v jejich příslušných oborech jsou velmi odlišné. V kombinaci se můžeme navzájem využít, ale můžeme získat nové aplikace a vlastnosti, které je obtížné realizovat.
Optická komunikaceje příkladem kombinace mikrovlny a fotoelektronů. Bezdrátová komunikace včasného telefonu a telegrafu, generování, šíření a přijetí signálů, všechna používaná mikrovlnná zařízení. Nízkofrekvenční elektromagnetické vlny se používají zpočátku, protože frekvenční rozsah je malý a kapacita kanálu pro přenos je malá. Řešením je zvýšit frekvenci vysílaného signálu, tím vyšší je frekvence, tím více zdrojů spektra. Vysokofrekvenční signál ve ztrátě šíření vzduchu je však velký, ale také snadno blokuje překážky. Pokud je kabel použit, ztráta kabelu je velká a přenos na dlouhé vzdálenosti je problém. Vznik komunikace optických vláken je dobrým řešením těchto problémů.Optické vláknomá velmi nízkou ztrátu přenosu a je vynikajícím nosičem pro přenos signálů na velké vzdálenosti. Frekvenční rozsah světelných vln je mnohem větší než u mikrovlny a může přenášet mnoho různých kanálů současně. Kvůli těmto výhodámOptický přenosKomunikace optických vláken se stala páteří dnešního přenosu informací.
Optická komunikace má dlouhou historii, výzkum a aplikace jsou velmi rozsáhlé a zralé, zde neznamená více. Tento článek zavádí hlavně nový výzkumný obsah mikrovlnné optoelektroniky v posledních letech jiných než optická komunikace. Mikrovlnná optoelektronika používá hlavně metody a technologie v oblasti optoelektroniky jako nosiče ke zlepšení a dosažení výkonu a aplikace, které je obtížné dosáhnout pomocí tradičních mikrovlnných elektronických komponent. Z pohledu aplikace zahrnuje hlavně následující tři aspekty.
Prvním je použití optoelektroniky k generování vysoce výkonných mikrovlnných signálů s nízkým šumem, od X-pásma až po pásmo THz.
Za druhé, zpracování mikrovlnného signálu. Včetně zpoždění, filtrování, frekvenční konverze, přijímání a tak dále.
Zatřetí, přenos analogových signálů.
V tomto článku autor představuje pouze první část, generování mikrovlnného signálu. Tradiční mikrovlnná milimetrová vlna je generována hlavně mikroelektronickými komponenty III_V. Jeho omezení mají následující body: Zaprvé, na vysoké frekvence, jako je 100 GHz výše, může tradiční mikroelektronika produkovat menší a menší výkon, na signál s vyšší frekvencí THz, nemohou nic dělat. Zadruhé, aby se snížilo fázový šum a zlepšila stabilitu frekvence, musí být původní zařízení umístěno do extrémně nízkoteplotního prostředí. Zatřetí, je obtížné dosáhnout široké škály frekvenční frekvenční konverze frekvenční modulace. K vyřešení těchto problémů může Optoelectronic Technology hrát roli. Hlavní metody jsou popsány níže.
1. Prostřednictvím rozdílné frekvence dvou různých frekvenčních laserových signálů se k převodu mikrovlnných signálů používá vysokofrekvenční fotodetektor, jak je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1. Schematické diagram mikrovlnů generovaných rozdílnou frekvencí dvoulasery.
Výhody této metody jsou jednoduchá struktura, může generovat extrémně vysokofrekvenční milimetrový vlny a dokonce i signál THz, a úpravou frekvence laseru může provádět velký rozsah rychlé frekvenční konverze, frekvence zametání. Nevýhodou je, že šum šířky nebo fázového šumu diferenčního frekvenčního signálu generovaného dvěma nesouvisejícími laserovými signály je relativně velký a stabilita frekvence není vysoká, zejména pokud je použit polovodičový laser s malým objemem, ale velká šířka linie (~ MHz). Pokud požadavky na objem hmotnosti systému nejsou vysoké, můžete použít lasery s nízkým šum (~ KHz)vláknité lasery, vnější dutinapolovodičové lasery, atd. Kromě toho lze také pro generování frekvence rozdílu použít dva různé režimy laserových signálů generovaných ve stejné laserové dutině, takže výkon stability mikrovlnné frekvence je výrazně zlepšen.
2. Abychom vyřešili problém, že dva lasery v předchozí metodě jsou nekoherentní a generovaný šum signální fáze je příliš velký, koherence mezi dvěma lasery lze získat metodou blokování fázové fáze vstřikování nebo negativním uzamykacím obvodem fáze zpětné vazby. Obrázek 2 ukazuje typickou aplikaci injekčního blokování pro generování mikrovlnných násobků (obrázek 2). Přímým injekcí vysokofrekvenčního proudového signálu do polovodičového laseru nebo pomocí modulátoru fáze Linbo3 lze generovat více optických signálů různých frekvencí se stejnou frekvenční rozestupy nebo optické frekvenční hřebeny. Běžně používanou metodou k získání širokého hřebenu optického frekvence je samozřejmě použití laseru uzamčeného režimem. Jakékoli dva hřebenové signály při generovaném optickém frekvenčním hřebenu jsou vybrány filtrováním a vstříknuty do laseru 1 a 2 pro realizaci frekvence a fázového zamykání. Protože fáze mezi různými hřebenovými signály optického frekvenčního hřebenu je relativně stabilní, takže relativní fáze mezi dvěma lasery je stabilní a poté lze získat metodou rozdílné frekvence, jak bylo popsáno dříve, lze získat vícenásobnou frekvenční mikrovlnnou signál o optické frekvenční opakování hřebenu.
Obrázek 2. Schematický diagram mikrovlnného frekvence zdvojnásobení signálu generovaného injekční frekvenční uzamčení.
Dalším způsobem, jak snížit šum relativní fáze obou laserů, je použití negativní zpětné vazby optické PLL, jak je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3. Schematický diagram OPL.
Princip optického PLL je podobný principu PLL v oblasti elektroniky. Fázový rozdíl obou laserů je přeměněn na elektrický signál fotodetektorem (ekvivalentní fázovému detektoru) a poté se fázový rozdíl mezi dvěma lasery získává frekvencí rozdílu s referenčním mikrovlnným signálem, který je amplifikován a filtrován a poté se přivádí zpět do frekvenční kontrolní jednotky jedné z laserů (pro polovodičové lasery, který je amplifikován a incingovací proud). Prostřednictvím takové negativní regulační smyčky zpětné vazby je relativní frekvenční fáze mezi dvěma laserovými signály uzamčena na referenční mikrovlnný signál. Kombinovaný optický signál může být poté přenášen optickými vlákny do fotodetektoru jinde a přeměněn na mikrovlnný signál. Výsledný fázový šum mikrovlnného signálu je téměř stejný jako u referenčního signálu v šířce pásma fázově zamčené smyčky negativní zpětné vazby. Fázový šum mimo šířku pásma se rovná relativní fázi šum původních dvou nesouvisejících laserů.
Kromě toho může být zdroj referenčního mikrovlnného signálu také přeměněn jinými zdroji signálu prostřednictvím frekvenčního zdvojnásobení, frekvence dělitele nebo jiným zpracováním frekvence, takže nižší frekvenční mikrovlnný signál může být vícezradný nebo převeden na vysokofrekvenční RF, THZ.
Ve srovnání s injekční frekvenční blokování může získat pouze frekvenční zdvojnásobení, fázové uzamčené 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 smyčka optická fázově zamlčená se používá k selektivnímu uzamčení frekvence dvou laserů na dva optické hřebenové signály a poté generuje vysokofrekvenční signály prostřednictvím frekvence rozdílu, jak je uvedeno na obrázku 4. F1 a F N*FREP+F1+F2 lze generovat rozdílnou frekvencí mezi dvěma lasery.
Obrázek 4. Schematický diagram generování libovolných frekvencí pomocí optických frekvenčních hřebenů a PLL.
3.. Pomocí pulzního laseru zamlčeného režimem pro převod optického pulzního signálu na mikrovlnný signál prostřednictvímfotodetektor.
Hlavní výhodou této metody je, že lze získat signál s velmi dobrou frekvenční stabilitou a velmi nízkým fázovým šumem. Zablokováním frekvence laseru na velmi stabilní atomové a molekulární přechodové spektrum nebo extrémně stabilní optickou dutinu a použití samoobslužné frekvenční eliminační systémové frekvenční posun a další technologie můžeme získat velmi stabilní optickou pulzní signál s velmi stabilní frekvencí opakování. Obrázek 5.
Obrázek 5. Porovnání šumu relativní fáze různých zdrojů signálu.
Protože však míra opakování pulsu je nepřímo úměrná délce dutiny laseru a tradiční režim blokovaný laser je velký, je obtížné přímo získat vysokofrekvenční mikrovlnné signály. Kromě toho velikost, hmotnost a spotřeba energie tradičních pulzních laserů, jakož i tvrdých požadavků na životní prostředí, omezují své hlavně laboratorní aplikace. K překonání těchto obtíží se výzkum nedávno začal ve Spojených státech a Německu pomocí nelineárních efektů k vytvoření frekvenčně stabilních optických hřebenů ve velmi malých, vysoce kvalitních optických dutinách chirp, které zase vytvářejí vysokofrekvenční mikrovlnné signály s nízkým šumem.
4. Opto Electronic Oscillator, Obrázek 6.
Obrázek 6. Schematický diagram fotoelektrického spojeného oscilátoru.
Jednou z tradičních metod generování mikrovlny nebo laserů je použití uzavřené smyčky s vlastní zpětnou vazbou, pokud je zisk v uzavřené smyčce větší než ztráta, samostatně excitovaná oscilace může produkovat mikrovlny nebo lasery. Čím vyšší je faktor kvality q uzavřené smyčky, tím menší je generovaná signální fáze nebo frekvenční šum. Za účelem zvýšení kvalitního faktoru smyčky je přímým způsobem prodloužit délku smyčky a minimalizovat ztrátu šíření. Delší smyčka však může obvykle podporovat generování více režimů oscilace, a pokud je přidán filtr s úzkým šířkou šířky, lze získat jednofrekvenční mikrovlnný oscilační signál s nízkým šumem. Fotoelektrický oscilátor s vázaným spojením je zdroj mikrovlnného signálu založený na této myšlence, plně využívá charakteristiky nízké šíření vlákna pomocí delšího vlákna ke zlepšení hodnoty smyčky Q, může produkovat mikrovlnný signál s velmi nízkou fázovou šum. Od doby, kdy byla metoda navržena v 90. letech, získal tento typ oscilátoru rozsáhlý výzkum a značný vývoj a v současné době existují komerční fotoelektrické oscilátory spojené. V poslední době byly vyvinuty fotoelektrické oscilátory, jejichž frekvence lze upravit v širokém rozsahu. Hlavním problémem zdrojů mikrovlnného signálu na základě této architektury je to, že smyčka je dlouhá a šum ve svém volném toku (FSR) a jeho dvojitá frekvence se výrazně zvýší. Navíc použité fotoelektrické komponenty jsou více, náklady jsou vysoké, objem je obtížné snížit a delší vlákno je citlivější na narušení životního prostředí.
Výše uvedené stručně představuje několik metod generování fotoelektronu mikrovlnných signálů, jakož i jejich výhody a nevýhody. A konečně, použití fotoelektronů k výrobě mikrovlnné trouby má další výhodu je, že optický signál může být distribuován přes optickou vlákno s velmi nízkou ztrátou, přenos na dlouhé vzdálenosti do každého terminálu a poté převedený na mikrovlnné signály a schopnost odolávat elektromagnetickému interferenci se významně zlepšuje než tradiční elektronické komponenty.
Psaní tohoto článku je hlavně pro informaci a v kombinaci s autorovy vlastní výzkumné zkušenosti a zkušenostmi v této oblasti existují nepřesnosti a nepochopitelnosti, prosím.
Čas příspěvku: leden-03-2024