Мікрохвильова оптоелектроніка, як випливає з назви, є перетином мікрохвиль іоптоелектроніка.Мікрохвилі та світлові хвилі є електромагнітними хвилями, і частоти відрізняються на багато порядків, а компоненти та технології, розроблені у відповідних областях, дуже різні.У поєднанні ми можемо скористатися перевагами один одного, але ми можемо отримати нові програми та характеристики, які важко реалізувати відповідно.
Оптичний зв'язокє яскравим прикладом поєднання мікрохвиль і фотоелектронів.Перший телефонний і телеграфний бездротовий зв'язок, генерація, розповсюдження та прийом сигналів, усі використовували мікрохвильові пристрої.Електромагнітні хвилі низької частоти використовуються спочатку, тому що діапазон частот невеликий і пропускна здатність каналу для передачі невелика.Рішення полягає в тому, щоб збільшити частоту переданого сигналу, чим вище частота, тим більше ресурсів спектру.Але високочастотний сигнал у втратах розповсюдження повітря великий, але його також легко блокувати перешкодами.Якщо використовується кабель, втрати кабелю великі, і передача на великі відстані є проблемою.Поява оптоволоконного зв'язку є хорошим вирішенням цих проблем.Оптичне волокномає дуже низькі втрати при передачі і є чудовим носієм для передачі сигналів на великі відстані.Діапазон частот світлових хвиль набагато більший, ніж у мікрохвиль, і вони можуть передавати багато різних каналів одночасно.Через ці перевагиоптична передача, волоконно-оптичний зв’язок став основою сучасної передачі інформації.
Оптичний зв’язок має довгу історію, дослідження та застосування є дуже обширними та зрілими, не кажучи більше.Ця стаття в основному представляє новий зміст досліджень мікрохвильової оптоелектроніки за останні роки, крім 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, це в основному включає наступні три аспекти.
По-перше, це використання оптоелектроніки для генерації високопродуктивних мікрохвильових сигналів із низьким рівнем шуму від X-діапазону до ТГц.
По-друге, мікрохвильова обробка сигналу.Включаючи затримку, фільтрацію, перетворення частоти, прийом і так далі.
По-третє, передача аналогових сигналів.
У цій статті автор лише вводить першу частину, генерацію мікрохвильового сигналу.Традиційна мікрохвильова міліметрова хвиля в основному генерується мікроелектронними компонентами iii_V.Його обмеження мають такі моменти: по-перше, на високих частотах, таких як 100 ГГц вище, традиційна мікроелектроніка може виробляти все менше і менше енергії, на вищих частотах ТГц сигналу вони нічого не можуть зробити.По-друге, щоб зменшити фазовий шум і покращити стабільність частоти, оригінальний пристрій потрібно помістити в середовище з надзвичайно низькою температурою.По-третє, важко досягти широкого діапазону частотної модуляції перетворення частоти.Для вирішення цих проблем може зіграти роль оптоелектронна технологія.Основні методи описані нижче.
1. Через різницю частот двох лазерних сигналів різної частоти високочастотний фотодетектор використовується для перетворення мікрохвильових сигналів, як показано на малюнку 1.
Малюнок 1. Принципова діаграма мікрохвиль, що генеруються різницею частот двохлазери.
Переваги цього методу полягають у простій структурі, він може генерувати надзвичайно високочастотний сигнал міліметрової хвилі та навіть сигнал частоти ТГц, і, регулюючи частоту лазера, можна виконувати великий діапазон швидкого перетворення частоти, частоти розгортки.Недоліком є те, що ширина лінії або фазовий шум різницевої частоти сигналу, створеного двома непов’язаними лазерними сигналами, є відносно великою, а стабільність частоти невисока, особливо якщо напівпровідниковий лазер з малим об’ємом, але великою шириною лінії (~ МГц) використовується.Якщо вимоги до ваги системи невисокі, можна використовувати твердотільні лазери з низьким рівнем шуму (~ кГц),волоконних лазерів, зовнішня порожнинанапівпровідникові лазери, і т. д. Крім того, два різних режими лазерних сигналів, що генеруються в одній лазерній порожнині, також можуть використовуватися для генерації різницевої частоти, завдяки чому продуктивність стабільності мікрохвильової частоти значно покращується.
2. Щоб вирішити проблему, пов’язану з тим, що два лазери в попередньому методі некогерентні, а генерований фазовий шум сигналу занадто великий, когерентність між двома лазерами можна отримати за допомогою методу синхронізації частоти інжекції або фази негативного зворотного зв’язку. ланцюг блокування.На рисунку 2 показано типове застосування інжекційного блокування для генерації мікрохвильових кратних (рис. 2).Безпосередньо вводячи високочастотні сигнали струму в напівпровідниковий лазер або використовуючи фазовий модулятор LinBO3, можна генерувати кілька оптичних сигналів різних частот з однаковим інтервалом між частотами або оптичні частотні гребінки.Звичайно, зазвичай використовуваним методом отримання оптичної гребінки широкого спектру є використання лазера з синхронізованим режимом.Будь-які два гребінчасті сигнали у згенерованій оптичній частотній гребінці вибираються шляхом фільтрації та вводяться в лазер 1 і 2 відповідно для реалізації частотної та фазової синхронізації відповідно.Оскільки фаза між різними сигналами гребінки оптичної гребінки частоти є відносно стабільною, тож відносна фаза між двома лазерами є стабільною, а потім за допомогою методу різниці частот, як описано раніше, багатократний мікрохвильовий сигнал частоти можна отримати частоту повторення гребінки оптичної частоти.
Малюнок 2. Принципова діаграма мікрохвильового сигналу подвоєння частоти, створеного блокуванням частоти інжекції.
Іншим способом зменшення відносного фазового шуму двох лазерів є використання оптичної ФАПЧ з негативним зворотним зв’язком, як показано на малюнку 3.
Рисунок 3. Принципова схема OPL.
Принцип оптичної ФАПЧ подібний до ФАПЧ у галузі електроніки.Різниця фаз двох лазерів перетворюється в електричний сигнал за допомогою фотодетектора (еквівалентного фазовому детектору), а потім різниця фаз між двома лазерами отримується шляхом створення різниці частот за допомогою опорного джерела мікрохвильового сигналу, який посилюється і фільтрується, а потім повертається в блок керування частотою одного з лазерів (для напівпровідникових лазерів це інжекційний струм).Через таку петлю керування негативним зворотним зв’язком відносна фаза частоти між двома лазерними сигналами прив’язується до опорного мікрохвильового сигналу.Комбінований оптичний сигнал може бути переданий через оптичні волокна на фотодетектор в іншому місці та перетворений у мікрохвильовий сигнал.Результуючий фазовий шум мікрохвильового сигналу майже такий самий, як і опорного сигналу в межах смуги пропускання петлі негативного зворотного зв’язку з фазовим автопідстроюванням.Фазовий шум за межами смуги пропускання дорівнює відносному фазовому шуму вихідних двох незв’язаних лазерів.
Крім того, джерело еталонного мікрохвильового сигналу також може бути перетворено іншими джерелами сигналу за допомогою подвоєння частоти, частоти дільника або іншої обробки частоти, так що мікрохвильовий сигнал нижчої частоти можна подвоювати або перетворювати на високочастотні сигнали РЧ, ТГц.
Порівняно з інжекційним блокуванням частоти можна отримати лише подвоєння частоти, петлі фазового автопідстроювання є більш гнучкими, можуть створювати майже довільні частоти, і, звичайно, більш складні.Наприклад, оптична частотна гребінка, створена фотоелектричним модулятором на малюнку 2, використовується як джерело світла, а оптична фазова схема автопідстроювання частоти використовується для вибіркової синхронізації частоти двох лазерів з двома оптичними гребінчастими сигналами, а потім для генерації високочастотні сигнали через різницю частот, як показано на малюнку 4. f1 і f2 є опорними частотами сигналу двох PLLS відповідно, і мікрохвильовий сигнал N*frep+f1+f2 може бути згенерований різницею частот між два лазери.
Рисунок 4. Принципова діаграма генерації довільних частот за допомогою оптичних частотних гребінок і PLLS.
3. Використовуйте імпульсний лазер із синхронізованим режимом для перетворення оптичного імпульсного сигналу в мікрохвильовийфотодетектор.
Основна перевага цього методу полягає в тому, що можна отримати сигнал з дуже хорошою стабільністю частоти та дуже низьким фазовим шумом.Зафіксувавши частоту лазера на дуже стабільному спектрі атомних і молекулярних переходів або надзвичайно стабільному оптичному резонаторі, а також використовуючи зсув частоти системи усунення самоподвоєння частоти та інші технології, ми можемо отримати дуже стабільний сигнал оптичного імпульсу з дуже стабільну частоту повторення, щоб отримати мікрохвильовий сигнал із наднизьким фазовим шумом.малюнок 5.
Рисунок 5. Порівняння відносного фазового шуму різних джерел сигналу.
Однак, оскільки частота повторення імпульсів обернено пропорційна довжині резонатора лазера, а традиційний лазер із синхронізованим режимом є великим, важко отримати високочастотні мікрохвильові сигнали безпосередньо.Крім того, розмір, вага та енергоспоживання традиційних імпульсних лазерів, а також суворі вимоги до навколишнього середовища обмежують їх переважно лабораторне застосування.Щоб подолати ці труднощі, у Сполучених Штатах і Німеччині нещодавно почалися дослідження з використанням нелінійних ефектів для створення частотно-стабільних оптичних гребінок у дуже маленьких оптичних резонаторах у режимі ЛЧМ високої якості, які, у свою чергу, генерують високочастотні мікрохвильові сигнали з низьким рівнем шуму.
4. оптоелектронний генератор, малюнок 6.
Малюнок 6. Принципова схема фотоелектричного зв'язаного генератора.
Одним із традиційних методів генерації мікрохвиль або лазерів є використання замкнутого контуру самозворотного зв’язку, оскільки посилення в замкнутому контурі перевищує втрати, автоколивання можуть створювати мікрохвилі або лазери.Чим вищий коефіцієнт добротності Q замкнутого контуру, тим менше генерується фаза сигналу або частотний шум.Щоб збільшити коефіцієнт якості петлі, прямим шляхом є збільшення довжини петлі та мінімізація втрат при розповсюдженні.Однак довша петля зазвичай може підтримувати генерацію кількох мод коливань, і якщо додати фільтр з вузькою смугою пропускання, можна отримати одночастотний сигнал мікрохвильових коливань з низьким рівнем шуму.Генератор із фотоелектричним зв’язком є джерелом мікрохвильового сигналу, заснованого на цій ідеї, він повністю використовує характеристики низьких втрат при розповсюдженні волокна, використовуючи довше волокно для покращення значення добротності петлі, може створювати мікрохвильовий сигнал із дуже низьким фазовим шумом.Оскільки метод був запропонований у 1990-х роках, цей тип осциляторів отримав значні дослідження та значний розвиток, і зараз існують комерційні осцилятори з фотоелектричним зв’язком.Зовсім недавно були розроблені фотоелектричні осцилятори, частоти яких можна регулювати в широкому діапазоні.Основна проблема джерел мікрохвильового сигналу на основі такої архітектури полягає в тому, що петля є довгою, і шум у її вільному потоці (FSR) і подвійна частота будуть значно збільшені.Крім того, використовується більше фотоелектричних компонентів, висока вартість, важко зменшити обсяг, а довше волокно більш чутливе до впливу навколишнього середовища.
Вище коротко представлено декілька методів фотоелектронної генерації мікрохвильових сигналів, а також їх переваги та недоліки.Нарешті, використання фотоелектронів для виробництва мікрохвиль має ще одну перевагу: 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 також здатність протистояти електромагнітним випромінюванням. Перешкоди значно покращені, ніж традиційні електронні компоненти.
Написання цієї статті в основному для довідки, і в поєднанні з власним дослідницьким досвідом автора та досвідом у цій галузі є неточності та незрозумілість, будь ласка, зрозумійте.
Час публікації: 3 січня 2024 р