Mikrobangų optoelektronika, kaip rodo pavadinimas, yra mikrobangų ir mikrobangų sankirtaoptoelektronika. Mikrobangos ir šviesos bangos yra elektromagnetinės bangos, kurių dažniai skiriasi daugybe dydžių, o atitinkamose srityse sukurti komponentai ir technologijos labai skiriasi. Kartu mes galime pasinaudoti vieni kitų pranašumais, tačiau galime gauti naujų programų ir savybių, kurias atitinkamai sunku realizuoti.
Optinis ryšysyra puikus mikrobangų ir fotoelektronų derinio pavyzdys. Ankstyvas telefono ir telegrafo belaidis ryšys, signalų generavimas, sklidimas ir priėmimas, visi naudojami mikrobangų įrenginiai. Iš pradžių naudojamos žemo dažnio elektromagnetinės bangos, nes dažnių diapazonas mažas, o perdavimo kanalo talpa maža. Išeitis – padidinti perduodamo signalo dažnį, kuo didesnis dažnis, tuo daugiau spektro išteklių. Tačiau aukšto dažnio signalo sklidimo ore nuostoliai yra dideli, tačiau jį taip pat lengva užblokuoti kliūtimis. Jei naudojamas kabelis, kabelio praradimas yra didelis, o perdavimas dideliais atstumais yra problema. Šviesolaidžio ryšio atsiradimas yra geras šių problemų sprendimas.Optinis pluoštasturi labai mažus perdavimo nuostolius ir yra puikus nešiklis perduodant signalus dideliais atstumais. Šviesos bangų dažnių diapazonas yra daug didesnis nei mikrobangų ir vienu metu gali perduoti daug skirtingų kanalų. Dėl šių privalumųoptinis perdavimas, šviesolaidžio ryšys tapo šiandienos informacijos perdavimo pagrindu.
Optinė komunikacija turi ilgą istoriją, tyrimai ir pritaikymas yra labai platūs ir brandūs, čia jau nekalbant apie daugiau. Šiame darbe daugiausia pristatomas naujas pastarųjų metų mikrobangų optoelektronikos tyrimų turinys, išskyrus optinį ryšį. Mikrobangų optoelektronika daugiausia naudoja optoelektronikos srities metodus ir technologijas kaip nešiklį, kad pagerintų ir pasiektų našumą ir pritaikymą, kuriuos sunku pasiekti naudojant tradicinius mikrobangų elektroninius komponentus. Taikymo požiūriu, tai daugiausia apima šiuos tris aspektus.
Pirmasis yra optoelektronikos naudojimas generuojant didelio našumo, mažo triukšmo mikrobangų signalus nuo X juostos iki THz juostos.
Antra, mikrobangų signalo apdorojimas. Įskaitant delsą, filtravimą, dažnio konvertavimą, priėmimą ir pan.
Trečia, analoginių signalų perdavimas.
Šiame straipsnyje autorius pristato tik pirmąją dalį – mikrobangų signalo generavimą. Tradicinę mikrobangų milimetrinę bangą daugiausia generuoja iii_V mikroelektroniniai komponentai. Jo apribojimai turi šiuos dalykus: Pirma, aukštiems dažniams, pvz., 100 GHz aukščiau, tradicinė mikroelektronika gali gaminti vis mažiau energijos, o aukštesnio dažnio THz signalui jie nieko negali padaryti. Antra, norint sumažinti fazinį triukšmą ir pagerinti dažnio stabilumą, originalų įrenginį reikia patalpinti itin žemos temperatūros aplinkoje. Trečia, sunku pasiekti platų dažnio moduliavimo dažnio konvertavimo diapazoną. Sprendžiant šias problemas, optoelektroninė technologija gali atlikti svarbų vaidmenį. Pagrindiniai metodai aprašyti toliau.
1. Dėl dviejų skirtingų dažnių lazerinių signalų dažnių skirtumo, mikrobangų signalams konvertuoti naudojamas aukšto dažnio fotodetektorius, kaip parodyta 1 paveiksle.
1 pav. Scheminė mikrobangų, generuojamų pagal dviejų dažnių skirtumą, schemalazeriai.
Šio metodo privalumai yra paprasta struktūra, gali generuoti itin aukšto dažnio milimetrines bangas ir net THz dažnio signalą, o koreguojant lazerio dažnį galima atlikti platų greito dažnio keitimo, šlavimo dažnio diapazoną. Trūkumas yra tas, kad dviejų nesusijusių lazerio signalų generuojamo skirtumo dažnio signalo linijos plotis arba fazinis triukšmas yra santykinai didelis, o dažnio stabilumas nėra didelis, ypač jei puslaidininkinis lazeris, kurio tūris mažas, bet didelis linijos plotis (~MHz) naudojamas. Jei sistemos svorio reikalavimai nėra dideli, galite naudoti mažo triukšmo (~ kHz) kietojo kūno lazerius,pluošto lazeriai, išorinė ertmėpuslaidininkiniai lazeriaitt Be to, du skirtingi lazerio signalų režimai, generuojami toje pačioje lazerio ertmėje, taip pat gali būti naudojami skirtingam dažniui generuoti, kad būtų žymiai pagerintas mikrobangų dažnio stabilumas.
2. Siekiant išspręsti problemą, kad du lazeriai pagal ankstesnį metodą yra nenuoseklūs ir generuojamas signalo fazės triukšmas yra per didelis, dviejų lazerių darną galima gauti taikant įpurškimo dažnio fiksavimo fazės fiksavimo metodą arba neigiamo grįžtamojo ryšio fazę. fiksavimo grandinė. 2 paveiksle parodytas tipiškas įpurškimo fiksavimo pritaikymas mikrobangų kartotiniams generuoti (2 pav.). Tiesiogiai įpurškiant aukšto dažnio srovės signalus į puslaidininkinį lazerį arba naudojant LinBO3 fazės moduliatorių, galima generuoti kelis skirtingų dažnių optinius signalus vienodais dažnių atstumais arba optinių dažnių šukos. Žinoma, dažniausiai naudojamas būdas gauti plataus spektro optinio dažnio šukas yra naudoti lazerį su režimu. Bet kurie du šukos signalai generuojamose optinio dažnio šukose parenkami filtruojant ir įpurškiami atitinkamai į 1 ir 2 lazerį, kad būtų atitinkamai užblokuotas dažnis ir fazė. Kadangi fazė tarp skirtingų optinio dažnio šukos šukos signalų yra gana stabili, todėl santykinė fazė tarp dviejų lazerių yra stabili, o tada taikant skirtumo dažnio metodą, kaip aprašyta anksčiau, kelių kartų dažnis mikrobangų signalas galima gauti optinio dažnio šukų pasikartojimo dažnį.
2 pav. Scheminė mikrobangų dažnio padvigubinimo signalo, generuojamo užrakinant įpurškimo dažnį, schema.
Kitas būdas sumažinti santykinį dviejų lazerių fazės triukšmą yra naudoti neigiamo grįžtamojo ryšio optinį PLL, kaip parodyta 3 paveiksle.
3 pav. OPL schema.
Optinio PLL principas panašus į PLL elektronikos srityje. Dviejų lazerių fazių skirtumas fotodetektoriumi (atitinka fazių detektorių) paverčiamas elektriniu signalu, o tada fazių skirtumas tarp dviejų lazerių gaunamas nustatant skirtingą dažnį naudojant etaloninį mikrobangų signalo šaltinį, kuris sustiprinamas. ir filtruojamas, o tada grąžinamas į vieno iš lazerių dažnio valdymo bloką (puslaidininkiniams lazeriams tai yra įpurškimo srovė). Per tokią neigiamą grįžtamojo ryšio valdymo kilpą santykinė dažnio fazė tarp dviejų lazerio signalų yra užfiksuota prie etaloninio mikrobangų signalo. Tada kombinuotas optinis signalas gali būti perduodamas per optines skaidulas į fotodetektorių kitur ir paverčiamas mikrobangų signalu. Gautas mikrobangų signalo fazinis triukšmas yra beveik toks pat, kaip ir etaloninio signalo fazinio užrakto neigiamo grįžtamojo ryšio linijos dažnių juostos pločio. Fazinis triukšmas, esantis už juostos pločio, yra lygus santykiniam dviejų originalių nesusijusių lazerių faziniam triukšmui.
Be to, pamatinį mikrobangų signalo šaltinį taip pat galima konvertuoti kitais signalo šaltiniais, naudojant dažnio padvigubinimą, daliklio dažnį ar kitą dažnio apdorojimą, kad žemesnio dažnio mikrobangų signalą būtų galima padvigubinti arba konvertuoti į aukšto dažnio RF, THz signalus.
Palyginti su įpurškimo dažnio fiksavimu, dažnis gali padvigubėti, fazinės kilpos yra lankstesnės, gali sukurti beveik savavališkus dažnius ir, žinoma, sudėtingesni. Pavyzdžiui, optinio dažnio šukos, kurias generuoja fotoelektrinis moduliatorius, parodytas 2 paveiksle, naudojamos kaip šviesos šaltinis, o optinė fazinė kilpa naudojama pasirinktinai užfiksuoti dviejų lazerių dažnį prie dviejų optinių šukų signalų ir tada generuoti. aukšto dažnio signalus per skirtingą dažnį, kaip parodyta 4 paveiksle. f1 ir f2 yra atitinkamai dviejų PLLS atskaitos signalų dažniai, o mikrobangų signalas N*frep+f1+f2 gali būti generuojamas pagal dažnių skirtumą tarp du lazeriai.
4 pav. Savavališkų dažnių generavimo, naudojant optinių dažnių šukas ir PLLS, schema.
3. Norėdami konvertuoti optinį impulsinį signalą į mikrobangų signalą, naudokite blokuojamą impulsinį lazerįfotodetektoriumi.
Pagrindinis šio metodo privalumas yra tai, kad galima gauti signalą su labai geru dažnio stabilumu ir labai mažu faziniu triukšmu. Užfiksavus lazerio dažnį prie labai stabilaus atominio ir molekulinio perėjimo spektro arba itin stabilios optinės ertmės bei naudojant savaiminio dvigubinimo dažnio eliminavimo sistemos dažnio poslinkio ir kitas technologijas, galime gauti labai stabilų optinio impulso signalą su labai stabilus pasikartojimo dažnis, kad būtų gautas mikrobangų signalas su itin mažu faziniu triukšmu. 5 pav.
5 pav. Skirtingų signalų šaltinių santykinio fazinio triukšmo palyginimas.
Tačiau kadangi impulsų pasikartojimo dažnis yra atvirkščiai proporcingas lazerio ertmės ilgiui, o tradicinis lazeris su režimu yra didelis, sunku tiesiogiai gauti aukšto dažnio mikrobangų signalus. Be to, tradicinių impulsinių lazerių dydis, svoris ir energijos sąnaudos, taip pat griežti aplinkosaugos reikalavimai riboja jų naudojimą daugiausia laboratoriniais tikslais. Siekiant įveikti šiuos sunkumus, neseniai JAV ir Vokietijoje pradėti moksliniai tyrimai, naudojant netiesinius efektus, kad būtų sukurtos dažniui stabilios optinės šukos labai mažose, aukštos kokybės čirpimo režimo optinėse ertmėse, kurios savo ruožtu generuoja aukšto dažnio žemo triukšmo mikrobangų signalus.
4. optinis elektroninis osciliatorius, 6 pav.
6 pav. Fotoelektriniu sujungto generatoriaus schema.
Vienas iš tradicinių mikrobangų ar lazerių generavimo būdų yra naudoti uždarą kilpą su savaiminiu grįžtamuoju ryšiu, kol uždarojo ciklo stiprinimas yra didesnis už nuostolius, savaime sužadinamas svyravimas gali sukurti mikrobangas arba lazerius. Kuo didesnis uždarojo ciklo 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 jei pridedamas siauro dažnio pločio filtras, galima gauti vieno dažnio žemo triukšmo mikrobangų virpesių signalą. Fotoelektrinis sujungtas generatorius yra mikrobangų signalo šaltinis, pagrįstas šia idėja, jis visiškai išnaudoja mažo pluošto sklidimo nuostolių charakteristikas, naudojant ilgesnį pluoštą, kad pagerintų kilpos Q vertę, gali sukurti mikrobangų signalą su labai mažu faziniu triukšmu. Kadangi metodas buvo pasiūlytas 1990-aisiais, šio tipo generatoriai buvo plačiai ištirti ir išplėtoti, ir šiuo metu yra komercinių fotoelektrinių sujungtų generatorių. Visai neseniai buvo sukurti fotoelektriniai generatoriai, kurių dažnius galima reguliuoti plačiame diapazone. Pagrindinė mikrobangų signalo šaltinių, pagrįstų šia architektūra, problema yra ta, kad kilpa yra ilga, o triukšmas laisvame sraute (FSR) ir dvigubas dažnis bus žymiai padidintas. Be to, naudojamų fotoelektrinių komponentų yra daugiau, kaina didelė, tūrį sunku sumažinti, o ilgesnis pluoštas yra jautresnis aplinkos trikdžiams.
Aukščiau trumpai pristatomi keli mikrobangų signalų fotoelektronų generavimo būdai, taip pat jų privalumai ir trūkumai. Galiausiai, fotoelektronų naudojimas mikrobangoms gaminti turi dar vieną pranašumą: optinis signalas gali būti paskirstomas per optinį skaidulą su labai mažais nuostoliais, perdavimas dideliu atstumu į kiekvieną naudojimo terminalą, o vėliau konvertuojamas į mikrobangų signalus, ir gebėjimas atsispirti elektromagnetiniam poveikiui. trikdžiai yra žymiai geresni nei tradiciniai elektroniniai komponentai.
Šis straipsnis daugiausia skirtas nuorodai, o kartu su paties autoriaus mokslinių tyrimų patirtimi ir patirtimi šioje srityje yra netikslumų ir nesuprantamų, supraskite.
Paskelbimo laikas: 2024-03-03