Mikrobangų optoelektronika, kaip rodo pavadinimas, yra mikrobangų krosnelės iroptoelektronikaMikrobangos ir šviesos bangos yra elektromagnetinės bangos, o jų dažniai skiriasi daugeliu dydžių eilių, o jų atitinkamose srityse sukurti komponentai ir technologijos labai skiriasi. Kartu galime pasinaudoti vieni kitais, tačiau galime gauti naujų pritaikymų ir savybių, kurias atitinkamai sunku įgyvendinti.
Optinis ryšysyra puikus mikrobangų ir fotoelektronų derinio pavyzdys. Ankstyvajame telefonų ir telegrafų belaidžiame ryšyje, signalų generavimui, sklidimui ir priėmimui buvo naudojami mikrobangų įtaisai. Iš pradžių buvo naudojamos žemo dažnio elektromagnetinės bangos, nes dažnių diapazonas yra mažas, o perdavimo kanalo talpa – maža. Sprendimas – padidinti perduodamo signalo dažnį, kuo didesnis dažnis, tuo daugiau spektro išteklių. Tačiau aukšto dažnio signalo sklidimo ore nuostoliai yra dideli, be to, juos lengva užblokuoti kliūtimis. Jei naudojamas kabelis, kabelio nuostoliai yra dideli, o perdavimas dideliais atstumais yra problema. Optinio pluošto ryšio atsiradimas yra geras šių problemų sprendimas.Optinis pluoštaspasižymi labai mažais perdavimo nuostoliais ir yra puikus nešėjas signalams perduoti dideliais atstumais. Šviesos bangų dažnių diapazonas yra daug platesnis nei mikrobangų bangų ir gali perduoti daug skirtingų kanalų vienu metu. Dėl šių privalumųoptinis perdavimas, optinio pluošto ryšys tapo šiandienos informacijos perdavimo pagrindu.
Optinis ryšys turi ilgą istoriją, tyrimai ir taikymas yra labai platūs ir brandūs, ir tai jau nekalbant apie tai. Šiame straipsnyje daugiausia pristatomas naujas mikrobangų optoelektronikos tyrimų turinys, atliktas pastaraisiais metais, išskyrus optinį ryšį. Mikrobangų optoelektronika daugiausia naudoja optoelektronikos srities metodus ir technologijas kaip nešiklį, siekdama pagerinti ir pasiekti našumą bei pritaikymą, kurį sunku pasiekti naudojant tradicinius mikrobangų elektronikos komponentus. Taikymo požiūriu, ji daugiausia apima šiuos tris aspektus.
Pirmasis – optoelektronikos naudojimas generuojant didelio našumo, mažo triukšmo mikrobangų signalus nuo X juostos iki pat THz juostos.
Antra, mikrobangų signalo apdorojimas. Įskaitant vėlinimą, filtravimą, dažnio keitimą, priėmimą ir kt.
Trečia, analoginių signalų perdavimas.
Šiame straipsnyje autorius pristato tik pirmąją dalį – mikrobangų signalo generavimą. Tradicinę milimetrinę mikrobangų bangą daugiausia generuoja iii_V mikroelektronikos komponentai. Jos apribojimai yra šie: pirma, esant aukštiems dažniams, tokiems kaip 100 GHz ir didesni, tradicinė mikroelektronika gali generuoti vis mažiau energijos, o esant aukštesnio dažnio THz signalui ji nieko negali padaryti. Antra, norint sumažinti fazinį triukšmą ir pagerinti dažnio stabilumą, originalų įrenginį reikia laikyti itin žemoje temperatūroje. Trečia, sunku pasiekti platų dažnio moduliacijos dažnio konversijos diapazoną. Šioms problemoms išspręsti gali padėti optoelektroninės technologijos. Pagrindiniai metodai aprašyti toliau.
1. Dėl dviejų skirtingų dažnių lazerinių signalų dažnių skirtumo aukšto dažnio fotodetektorius naudojamas mikrobangų signalams konvertuoti, kaip parodyta 1 paveiksle.
1 pav. Dviejų dažnių skirtumo generuojamų mikrobangų schemalazeriai.
Šio metodo privalumai yra paprasta struktūra, galima generuoti itin aukšto dažnio milimetrinių bangų ir net THz dažnio signalą, o reguliuojant lazerio dažnį galima atlikti platų greito dažnio konvertavimo, skleidimo dažnio diapazoną. Trūkumas yra tas, kad dviejų nesusijusių lazerinių signalų generuojamo skirtuminio dažnio signalo linijos plotis arba fazinis triukšmas yra santykinai didelis, o dažnio stabilumas nėra didelis, ypač jei naudojamas mažo tūrio, bet didelio linijos pločio (~MHz) puslaidininkinis lazeris. Jei sistemos svorio ir tūrio reikalavimai nėra dideli, galima naudoti mažo triukšmo (~kHz) kietojo kūno lazerius.skaiduliniai lazeriai, išorinė ertmėpuslaidininkiniai lazeriaiir kt. Be to, du skirtingi lazerio signalų režimai, generuojami toje pačioje lazerio rezonatoriuje, taip pat gali būti naudojami skirtingam dažniui generuoti, todėl mikrobangų dažnio stabilumas gerokai padidėja.
2. Siekiant išspręsti problemą, kad ankstesniame metode du lazeriai yra nekoherentiniai ir generuojamas per didelis signalo fazės triukšmas, koherenciją tarp dviejų lazerių galima gauti naudojant injekcijos dažnio fiksavimo fazės fiksavimo metodą arba neigiamo grįžtamojo ryšio fazės fiksavimo grandinę. 2 paveiksle parodytas tipinis injekcijos fiksavimo taikymas mikrobangų kartotiniams generuoti (2 paveikslas). Tiesiogiai į puslaidininkinį lazerį įpurškiant aukšto dažnio srovės signalus arba naudojant LinBO3 fazės moduliatorių, galima generuoti kelis skirtingų dažnių optinius signalus su vienodu dažnių atstumu arba optinius dažnių šukus. Žinoma, dažniausiai naudojamas plataus spektro optinio dažnių šukos gavimo metodas yra naudoti režimo fiksavimo lazerį. Bet kurie du sugeneruoto optinio dažnių šukos šukų signalai atrenkami filtruojant ir įpurškiami atitinkamai į 1 ir 2 lazerį, kad būtų realizuotas atitinkamai dažnio ir fazės fiksavimas. Kadangi fazė tarp skirtingų optinio dažnių šukos šukų signalų yra santykinai stabili, todėl santykinė fazė tarp dviejų lazerių yra stabili, tada, naudojant anksčiau aprašytą dažnių skirtumo metodą, galima gauti daugiapakopį optinio dažnių šukos pasikartojimo dažnio mikrobangų signalą.
2 pav. Mikrobangų dažnio dvigubinimo signalo, generuojamo įpurškimo dažnio fiksavimo būdu, schema.
Kitas būdas sumažinti dviejų lazerių santykinį fazinį triukšmą yra naudoti neigiamo grįžtamojo ryšio optinį PLL, kaip parodyta 3 paveiksle.
3 pav. OPL schema.
Optinio PLL principas yra panašus į elektronikos srities PLL principą. Dviejų lazerių fazių skirtumas fotodetektoriumi (atitinkančiu fazės detektorių) paverčiamas elektriniu signalu, o tada fazių skirtumas tarp dviejų lazerių gaunamas sukuriant dažnių skirtumą su etaloniniu mikrobangų signalo šaltiniu, kuris sustiprinamas ir filtruojamas, o tada grąžinamas į vieno iš lazerių dažnio valdymo bloką (puslaidininkinių lazerių atveju tai yra įpurškimo srovė). Per tokią neigiamo grįžtamojo ryšio valdymo kilpą santykinis dažnio fazės skirtumas tarp dviejų lazerinių signalų yra užfiksuojamas pagal etaloninį mikrobangų signalą. Sujungtas optinis signalas gali būti perduodamas optinėmis skaidulomis į kitur esantį fotodetektorių ir paverčiamas mikrobangų signalu. Gautas mikrobangų signalo fazinis triukšmas yra beveik toks pat kaip etaloninio signalo fazės triukšmas fazės fiksuotos neigiamo grįžtamojo ryšio kilpos juostos plotyje. Fazės triukšmas už juostos pločio ribų yra lygus dviejų nesusijusių lazerių santykiniam faziniam triukšmui.
Be to, etaloninį mikrobangų signalo šaltinį taip pat gali konvertuoti kiti signalo šaltiniai, naudodami dažnio dvigubinimą, daliklio dažnį arba kitą dažnio apdorojimą, kad žemesnio dažnio mikrobangų signalas galėtų būti daugkartinis arba konvertuojamas į aukšto dažnio RF, THz signalus.
Palyginti su įpurškimo dažnio fiksavimu, galima pasiekti tik dažnio padvigubinimą, fazės fiksavimo kilpos yra lankstesnės, gali generuoti beveik savavališkus dažnius ir, žinoma, sudėtingesnės. Pavyzdžiui, 2 paveiksle pavaizduoto fotoelektrinio moduliatoriaus generuojamas optinis dažnio šukas naudojamas kaip šviesos šaltinis, o optinė fazės fiksavimo kilpa naudojama dviejų lazerių dažniui selektyviai fiksuoti pagal du optinius šukos signalus, o tada generuoti aukšto dažnio signalus per skirtuminį dažnį, kaip parodyta 4 paveiksle. f1 ir f2 yra atitinkamai dviejų PLLS etaloniniai signalo dažniai, o N*frep + f1 + f2 mikrobangų signalas gali būti generuojamas dėl skirtuminio dažnio tarp dviejų lazerių.
4 pav. Savivališkų dažnių generavimo naudojant optinius dažnių šukas ir PLLS schema.
3. Naudokite režimo fiksuoto impulso lazerį, kad konvertuotumėte optinį impulsinį signalą į mikrobangų signalą perfotodetektorius.
Pagrindinis šio metodo privalumas yra tas, kad galima gauti signalą su labai geru dažnio stabilumu ir labai mažu faziniu triukšmu. Užfiksavus lazerio dažnį labai stabiliame atominiame ir molekuliniame perėjimo spektre arba itin stabilioje optinėje rezonatoriuje ir panaudojant savaime padvigubėjančios dažnio eliminavimo sistemos dažnio poslinkio ir kitas technologijas, galime gauti labai stabilų optinį impulsų signalą su labai stabiliu pasikartojimo dažniu, taip gaunant mikrobangų signalą su itin mažu faziniu triukšmu. 5 pav.
5 pav. Skirtingų signalo šaltinių santykinio fazinio triukšmo palyginimas.
Tačiau kadangi impulsų pasikartojimo dažnis yra atvirkščiai proporcingas lazerio rezonatoriaus ilgiui, o tradicinis režimų sinchronizavimo lazeris yra didelis, sunku tiesiogiai gauti aukšto dažnio mikrobangų signalus. Be to, tradicinių impulsinių lazerių dydis, svoris ir energijos suvartojimas, taip pat griežti aplinkos reikalavimai riboja jų pritaikymą, daugiausia laboratoriniuose tyrimuose. Siekiant įveikti šiuos sunkumus, neseniai Jungtinėse Amerikos Valstijose ir Vokietijoje pradėti tyrimai, kuriuose naudojami netiesiniai efektai, siekiant generuoti dažnio stabilius optinius šukas labai mažose, aukštos kokybės čirpimo režimo optinėse rezonatoriuose, kurios savo ruožtu generuoja aukšto dažnio mažo triukšmo mikrobangų signalus.
4. Optoelektroninis osciliatorius, 6 pav.
6 pav. Fotoelektrinio sujungto osciliatoriaus schema.
Vienas iš tradicinių mikrobangų ar lazerių generavimo metodų yra naudoti savaiminio grįžtamojo ryšio uždarą kilpą. Jei uždaros kilpos stiprinimas yra didesnis už nuostolius, savaime sužadinti virpesiai gali sukelti mikrobangas ar lazerius. Kuo didesnis uždaros kilpos kokybės koeficientas Q, tuo mažesnis generuojamas signalo fazės arba dažnio triukšmas. Norint padidinti kilpos kokybės koeficientą, tiesioginis būdas yra padidinti kilpos ilgį ir sumažinti sklidimo nuostolius. Tačiau ilgesnė kilpa paprastai gali palaikyti kelių virpesių režimų generavimą, o pridėjus siaurajuostį filtrą, galima gauti vieno dažnio mažo triukšmo mikrobangų virpesių signalą. Fotoelektrinis sujungtas osciliatorius yra mikrobangų signalo šaltinis, pagrįstas šia idėja, jis visapusiškai išnaudoja mažus šviesolaidžio sklidimo nuostolius, naudodamas ilgesnį šviesolaidį kilpos Q vertei pagerinti, gali sukurti mikrobangų signalą su labai mažu fazės triukšmu. Nuo metodo pasiūlymo 1990-aisiais šio tipo osciliatoriai buvo plačiai tiriami ir gerokai patobulinti, o šiuo metu yra komercinių fotoelektrinių sujungtų osciliatorių. Pastaruoju metu buvo sukurti fotoelektriniai osciliatoriai, kurių dažnius galima reguliuoti plačiame diapazone. Pagrindinė šios architektūros pagrindu sukurtų mikrobangų signalo šaltinių problema yra ta, kad kilpa yra ilga, o laisvo srauto (FSR) ir dvigubo dažnio triukšmas žymiai padidės. Be to, naudojama daugiau fotoelektrinių komponentų, didelė kaina, sunku sumažinti tūrį, o ilgesnis pluoštas yra jautresnis aplinkos trikdžiams.
Aukščiau trumpai pristatomi keli fotoelektronų mikrobangų signalų generavimo metodai, taip pat jų privalumai ir trūkumai. Galiausiai, fotoelektronų naudojimas mikrobangoms generuoti turi dar vieną privalumą: optinis signalas gali būti paskirstytas per optinį pluoštą su labai mažais nuostoliais, perduodamas dideliais atstumais į kiekvieną naudojimo terminalą ir tada paverčiamas mikrobangų signalais, o elektromagnetinių trukdžių atsparumas yra žymiai geresnis nei tradicinių elektroninių komponentų.
Šis straipsnis daugiausia skirtas informaciniams tikslams, ir, atsižvelgiant į paties autoriaus tyrimų patirtį bei patirtį šioje srityje, jame yra netikslumų ir neaiškumų, prašome suprasti.
Įrašo laikas: 2024 m. sausio 3 d.