Мікрохвильова оптоелектроніка, як випливає з назви, є перетином мікрохвильової хвилі таоптоелектронікаМікрохвилі та світлові хвилі – це електромагнітні хвилі, частоти яких відрізняються на багато порядків, а компоненти та технології, розроблені у відповідних галузях, дуже різні. У поєднанні ми можемо використовувати переваги один одного, але можемо отримати нові застосування та характеристики, які важко реалізувати відповідно.
Оптичний зв'язокє яскравим прикладом поєднання мікрохвиль та фотоелектронів. Ранній телефонний та телеграфний бездротовий зв'язок, генерація, поширення та прийом сигналів, усі використовували мікрохвильові пристрої. Спочатку використовувалися низькочастотні електромагнітні хвилі, оскільки діапазон частот невеликий, а пропускна здатність каналу для передачі невелика. Рішення полягає у збільшенні частоти переданого сигналу, чим вища частота, тим більше спектральних ресурсів. Але втрати високочастотного сигналу в повітрі через поширення є великими, але також його легко блокувати перешкодами. Якщо використовується кабель, втрати в кабелі великі, і передача на великі відстані є проблемою. Поява волоконно-оптичного зв'язку є гарним рішенням цих проблем.Оптичне волокномає дуже низькі втрати при передачі та є чудовим носієм для передачі сигналів на великі відстані. Діапазон частот світлових хвиль набагато більший, ніж у мікрохвиль, і може передавати багато різних каналів одночасно. Завдяки цим перевагамоптична передача, волоконно-оптичний зв'язок став основою сучасної передачі інформації.
Оптичний зв'язок має довгу історію, дослідження та застосування є дуже широкими та зрілими, тут не буде зайвих слів. У цій статті представлено новий зміст досліджень мікрохвильової оптоелектроніки останніх років, окрім оптичного зв'язку. Мікрохвильова оптоелектроніка в основному використовує методи та технології в галузі оптоелектроніки як носій для покращення та досягнення продуктивності та застосування, яких важко досягти за допомогою традиційних мікрохвильових електронних компонентів. З точки зору застосування, вона в основному включає наступні три аспекти.
Перший — це використання оптоелектроніки для генерації високопродуктивних, малошумних мікрохвильових сигналів, від X-діапазону аж до терагерцового діапазону.
По-друге, обробка мікрохвильових сигналів. Включаючи затримку, фільтрацію, перетворення частоти, прийом тощо.
По-третє, передача аналогових сигналів.
У цій статті автор представляє лише першу частину – генерацію мікрохвильового сигналу. Традиційні міліметрові хвилі мікрохвильового діапазону в основному генеруються мікроелектронними компонентами iii_V. Їхні обмеження мають такі моменти: по-перше, на високих частотах, таких як 100 ГГц і вище, традиційна мікроелектроніка може виробляти все менше і менше потужності, а на вищих частотах сигналу ТГц вона нічого не може зробити. По-друге, для зменшення фазового шуму та покращення стабільності частоти оригінальний пристрій необхідно розміщувати в середовищі з надзвичайно низькою температурою. По-третє, важко досягти широкого діапазону частотної модуляції та перетворення частоти. Для вирішення цих проблем може бути корисною оптоелектронна технологія. Основні методи описані нижче.
1. За допомогою різниці частот двох лазерних сигналів різної частоти, високочастотний фотодетектор використовується для перетворення мікрохвильових сигналів, як показано на рисунку 1.
Рисунок 1. Принципова схема мікрохвиль, що генеруються різницею частот двохлазери.
Перевагами цього методу є проста структура, можливість генерувати надзвичайно високочастотний сигнал міліметрової хвилі та навіть терагерцової частоти, а також, регулюючи частоту лазера, можна здійснювати широкий діапазон швидкого перетворення частоти та частоти розгортки. Недоліком є те, що ширина лінії або фазовий шум сигналу різницевої частоти, що генерується двома непов'язаними лазерними сигналами, є відносно великим, а стабільність частоти невисока, особливо якщо використовується напівпровідниковий лазер з малим об'ємом, але великою шириною лінії (~ МГц). Якщо вимоги до маси та об'єму системи не високі, можна використовувати твердотільні лазери з низьким рівнем шуму (~ кГц).волоконні лазери, зовнішня порожнинанапівпровідникові лазеритощо. Крім того, для генерації різницевої частоти також можна використовувати два різні режими лазерних сигналів, що генеруються в одному лазерному резонаторі, що значно покращує стабільність мікрохвильової частоти.
2. Щоб вирішити проблему некогерентності двох лазерів у попередньому методі та занадто великого фазового шуму сигналу, когерентність між двома лазерами можна отримати за допомогою методу синхронізації частоти інжекції або схеми синхронізації фази з негативним зворотним зв'язком. На рисунку 2 показано типове застосування синхронізації інжекції для генерації мікрохвильових кратних сигналів (рисунок 2). Шляхом безпосередньої інжекції високочастотних струмових сигналів у напівпровідниковий лазер або за допомогою фазового модулятора LinBO3 можна генерувати кілька оптичних сигналів різних частот з однаковим частотним інтервалом, або оптичні частотні гребінці. Звичайно, поширеним методом отримання широкоспектрального оптичного частотного гребеня є використання лазера з синхронізацією мод. Будь-які два сигнали гребеня в згенерованому оптичному частотному гребінці вибираються шляхом фільтрації та інжектуються в лазери 1 та 2 відповідно для реалізації частотної та фазової синхронізації. Оскільки фаза між різними сигналами гребеня оптичного частотного гребеня є відносно стабільною, то стабільною є і відносна фаза між двома лазерами, а потім методом різницевої частоти, як описано раніше, можна отримати багатократний частотний мікрохвильовий сигнал частоти повторення оптичного частотного гребеня.
Рисунок 2. Принципова діаграма сигналу подвоєння мікрохвильової частоти, що генерується синхронізацією частоти інжекції.
Іншим способом зменшення відносного фазового шуму двох лазерів є використання оптичної системи ФАПЧ з негативним зворотним зв'язком, як показано на рисунку 3.
Рисунок 3. Принципова схема OPL.
Принцип оптичної ФАПЧ подібний до принципу ФАПЧ в електроніці. Різниця фаз двох лазерів перетворюється на електричний сигнал фотодетектором (еквівалентом фазового детектора), а потім різниця фаз між двома лазерами отримується шляхом створення різницевої частоти за допомогою джерела опорного мікрохвильового сигналу, який посилюється та фільтрується, а потім подається назад до блоку керування частотою одного з лазерів (для напівпровідникових лазерів це струм інжекції). Через таку петлю керування негативним зворотним зв'язком відносна фаза частоти між двома лазерними сигналами синхронізується з опорним мікрохвильовим сигналом. Об'єднаний оптичний сигнал потім може бути переданий через оптичні волокна до фотодетектора в іншому місці та перетворений на мікрохвильовий сигнал. Результуючий фазовий шум мікрохвильового сигналу майже такий самий, як і опорний сигнал у смузі пропускання петлі фазового синхронізації негативного зворотного зв'язку. Фазовий шум поза смугою пропускання дорівнює відносному фазовому шуму вихідних двох непов'язаних лазерів.
Крім того, джерело опорного мікрохвильового сигналу також може бути перетворене іншими джерелами сигналу шляхом подвоєння частоти, дільника частоти або іншої обробки частоти, так що мікрохвильовий сигнал нижчої частоти може бути подвоєний або перетворений на високочастотні радіочастотні сигнали, терагерцові.
Порівняно з синхронізацією частоти інжекцією, синхронізація частоти може призвести лише до подвоєння частоти, тоді як фазова синхронізація частот є більш гнучкою, може створювати майже довільні частоти та, звичайно, складнішою. Наприклад, оптичний гребінець частот, що генерується фотоелектричним модулятором на рисунку 2, використовується як джерело світла, а оптична фазова синхронізація частоти використовується для вибіркового синхронізації частоти двох лазерів до сигналів двох оптичних гребінців, а потім генерації високочастотних сигналів через різницю частот, як показано на рисунку 4. f1 та f2 – це опорні частоти сигналів двох PLLS відповідно, а мікрохвильовий сигнал N*frep+f1+f2 може бути згенерований через різницю частот між двома лазерами.
Рисунок 4. Принципова схема генерації довільних частот за допомогою оптичних частотних гребенів та PLLS.
3. Використовуйте імпульсний лазер із синхронізацією мод для перетворення оптичного імпульсного сигналу в мікрохвильовий сигнал черезфотодетектор.
Головною перевагою цього методу є те, що можна отримати сигнал з дуже хорошою стабільністю частоти та дуже низьким фазовим шумом. Фіксуючи частоту лазера на дуже стабільному спектрі атомних та молекулярних переходів або надзвичайно стабільному оптичному резонаторі, а також використовуючи систему усунення самоподвоєння частоти, зсув частоти та інші технології, можна отримати дуже стабільний оптичний імпульсний сигнал із дуже стабільною частотою повторення, що дозволяє отримати мікрохвильовий сигнал з наднизьким фазовим шумом. Рисунок 5.
Рисунок 5. Порівняння відносного фазового шуму різних джерел сигналу.
Однак, оскільки частота повторення імпульсів обернено пропорційна довжині резонатора лазера, а традиційний лазер із синхронізацією мод є великим, важко безпосередньо отримувати високочастотні мікрохвильові сигнали. Крім того, розмір, вага та енергоспоживання традиційних імпульсних лазерів, а також суворі екологічні вимоги обмежують їх переважно лабораторне застосування. Щоб подолати ці труднощі, нещодавно в Сполучених Штатах та Німеччині розпочалися дослідження з використанням нелінійних ефектів для генерації частотно-стабільних оптичних гребенів у дуже малих, високоякісних оптичних резонаторах з чирп-модою, які, у свою чергу, генерують високочастотні малошумові мікрохвильові сигнали.
4. оптоелектронний генератор, рисунок 6.
Рисунок 6. Принципова схема фотоелектричного зв'язаного генератора.
Одним із традиційних методів генерації мікрохвиль або лазерів є використання замкнутого контуру із самозворотним зв'язком. Якщо коефіцієнт підсилення в замкнутому контурі перевищує втрати, самозбуджені коливання можуть генерувати мікрохвилі або лазери. Чим вищий коефіцієнт якості Q замкнутого контуру, тим менший генерований фазовий або частотний шум сигналу. Для збільшення коефіцієнта якості контуру прямим шляхом є збільшення довжини контуру та мінімізація втрат на поширення. Однак довший контур зазвичай може підтримувати генерацію кількох мод коливань, і якщо додати вузькосмуговий фільтр, можна отримати одночастотний сигнал мікрохвильових коливань з низьким рівнем шуму. Фотоелектричний зв'язаний генератор - це джерело мікрохвильового сигналу, засноване на цій ідеї. Він повністю використовує характеристики волокна з низькими втратами на поширення. Використання довшого волокна для покращення значення Q контуру може створювати мікрохвильовий сигнал з дуже низьким фазовим шумом. З моменту запропоновання методу в 1990-х роках цей тип генератора пройшов широкі дослідження та значний розвиток, і наразі існують комерційні фотоелектричні зв'язані генератори. Зовсім недавно були розроблені фотоелектричні генератори, частоти яких можна регулювати в широкому діапазоні. Основна проблема джерел мікрохвильового сигналу на основі цієї архітектури полягає в тому, що петля є довгою, а шум у її вільному потоці (FSR) та її подвійна частота значно зростають. Крім того, використовується більше фотоелектричних компонентів, вартість висока, обсяг важко зменшити, а довше волокно чутливіше до впливу навколишнього середовища.
Вищезазначене коротко описує кілька методів генерації мікрохвильових сигналів за допомогою фотоелектронів, а також їх переваги та недоліки. Нарешті, використання фотоелектронів для генерації мікрохвиль має ще одну перевагу, яка полягає в тому, що оптичний сигнал може поширюватися через оптичне волокно з дуже низькими втратами, передаватися на великі відстані до кожного терміналу використання, а потім перетворюватися на мікрохвильові сигнали, а здатність протистояти електромагнітним перешкодам значно покращена порівняно з традиційними електронними компонентами.
Ця стаття написана переважно для ознайомлення, і, враховуючи власний дослідницький досвід автора та його досвід у цій галузі, вона містить неточності та незрозумілість, будь ласка, зрозумійте це.
Час публікації: 03 січня 2024 р.