Mikrobølgeoptoelektronikk, som navnet antyder, er skjæringspunktet mellom mikrobølgeovn ogoptoelektronikkMikrobølger og lysbølger er elektromagnetiske bølger, og frekvensene er mange størrelsesordener forskjellige, og komponentene og teknologiene som er utviklet i deres respektive felt er svært forskjellige. I kombinasjon kan vi dra nytte av hverandre, men vi kan få nye bruksområder og egenskaper som er vanskelige å realisere.
Optisk kommunikasjoner et godt eksempel på kombinasjonen av mikrobølger og fotoelektroner. Tidlig trådløs telefon- og telegrafkommunikasjon, generering, forplantning og mottak av signaler, ble all brukt i mikrobølgeenheter. Lavfrekvente elektromagnetiske bølger ble i utgangspunktet brukt fordi frekvensområdet er lite og kanalens overføringskapasitet er liten. Løsningen er å øke frekvensen til det overførte signalet, jo høyere frekvens, desto flere spektrumressurser. Men tapet av forplantning i luften for høyfrekvente signaler er stort, men det kan også lett blokkeres av hindringer. Hvis kabel brukes, er tapet av kabelen stort, og langdistanseoverføring er et problem. Fremveksten av optisk fiberkommunikasjon er en god løsning på disse problemene.Optisk fiberhar svært lavt transmisjonstap og er en utmerket bærer for overføring av signaler over lange avstander. Frekvensområdet for lysbølger er mye større enn for mikrobølger og kan overføre mange forskjellige kanaler samtidig. På grunn av disse fordelene medoptisk overføring, har optisk fiberkommunikasjon blitt ryggraden i dagens informasjonsoverføring.
Optisk kommunikasjon har en lang historie, forskning og anvendelse er svært omfattende og moden, her er det ikke mer å si. Denne artikkelen introduserer hovedsakelig det nye forskningsinnholdet innen mikrobølgeoptoelektronikk de siste årene, bortsett fra optisk kommunikasjon. Mikrobølgeoptoelektronikk bruker hovedsakelig metoder og teknologier innen optoelektronikk som bærer for å forbedre og oppnå ytelse og anvendelse som er vanskelig å oppnå med tradisjonelle mikrobølgeelektroniske komponenter. Fra et anvendelsesperspektiv inkluderer den hovedsakelig følgende tre aspekter.
Den første er bruk av optoelektronikk for å generere høytytende, støysvake mikrobølgesignaler, fra X-båndet helt til THz-båndet.
For det andre, mikrobølgesignalbehandling. Inkluderer forsinkelse, filtrering, frekvensomforming, mottak og så videre.
For det tredje, overføring av analoge signaler.
I denne artikkelen introduserer forfatteren bare den første delen, generering av mikrobølgesignaler. Tradisjonelle mikrobølgemillimeterbølger genereres hovedsakelig av iii_V mikroelektroniske komponenter. Dens begrensninger har følgende punkter: For det første, ved høye frekvenser som 100 GHz og over, kan tradisjonell mikroelektronikk produsere mindre og mindre strøm, og ved høyere frekvenser i THz kan de ikke gjøre noe. For det andre, for å redusere fasestøy og forbedre frekvensstabiliteten, må den originale enheten plasseres i et miljø med ekstremt lav temperatur. For det tredje er det vanskelig å oppnå et bredt spekter av frekvensmodulasjon og frekvensomforming. For å løse disse problemene kan optoelektronisk teknologi spille en rolle. De viktigste metodene er beskrevet nedenfor.
1. Gjennom differansfrekvensen til to lasersignaler med ulik frekvens brukes en høyfrekvent fotodetektor til å konvertere mikrobølgesignaler, som vist i figur 1.
Figur 1. Skjematisk diagram av mikrobølger generert av differansefrekvensen til tolasere.
Fordelene med denne metoden er enkel struktur, den kan generere ekstremt høyfrekvente millimeterbølger og til og med THz-frekvenssignaler, og ved å justere laserfrekvensen kan man utføre et bredt spekter av rask frekvenskonvertering, sveipefrekvens. Ulempen er at linjebredden eller fasestøyen til differansefrekvenssignalet generert av to urelaterte lasersignaler er relativt stor, og frekvensstabiliteten er ikke høy, spesielt hvis en halvlederlaser med lite volum, men stor linjebredde (~MHz) brukes. Hvis systemvekt-volumkravene ikke er høye, kan man bruke lavstøy (~kHz) faststofflasere.fiberlasere, ytre hulromhalvlederlasere, osv. I tillegg kan to forskjellige moduser av lasersignaler generert i samme laserhulrom også brukes til å generere en differansefrekvens, slik at mikrobølgefrekvensstabilitetsytelsen forbedres betraktelig.
2. For å løse problemet med at de to laserne i den forrige metoden er inkoherente og den genererte signalfasestøyen er for stor, kan koherensen mellom de to laserne oppnås ved hjelp av faselåsingsmetoden med injeksjonsfrekvens eller faselåsing med negativ tilbakekobling. Figur 2 viser en typisk anvendelse av injeksjonslåsing for å generere mikrobølgemultipler (figur 2). Ved å injisere høyfrekvente strømsignaler direkte i en halvlederlaser, eller ved å bruke en LinBO3-fasemodulator, kan flere optiske signaler med forskjellige frekvenser med lik frekvensavstand genereres, eller optiske frekvenskammer. Den vanligste metoden for å oppnå en bredspektret optisk frekvenskam er selvfølgelig å bruke en moduslåst laser. Hvilke som helst to kamsignaler i den genererte optiske frekvenskammen velges ved filtrering og injiseres i henholdsvis laser 1 og 2 for å oppnå henholdsvis frekvens- og faselåsing. Fordi fasen mellom de forskjellige kamsignalene i den optiske frekvenskammen er relativt stabil, slik at den relative fasen mellom de to laserne er stabil, kan man deretter oppnå et flerfoldig frekvensmikrobølgesignal for den optiske frekvenskammens repetisjonshastighet ved hjelp av differansefrekvensmetoden som beskrevet tidligere.
Figur 2. Skjematisk diagram av mikrobølgefrekvensdoblingssignal generert ved injeksjonsfrekvenslåsing.
En annen måte å redusere den relative fasestøyen til de to laserne på er å bruke en optisk PLL med negativ tilbakekobling, som vist i figur 3.
Figur 3. Skjematisk diagram av OPL.
Prinsippet for optisk PLL ligner på PLL innen elektronikk. Faseforskjellen mellom de to laserne konverteres til et elektrisk signal av en fotodetektor (tilsvarende en fasedetektor), og deretter oppnås faseforskjellen mellom de to laserne ved å lage en differansefrekvens med en referansemikrobølgesignalkilde, som forsterkes og filtreres og deretter mates tilbake til frekvenskontrollenheten til en av laserne (for halvlederlasere er det injeksjonsstrømmen). Gjennom en slik negativ tilbakekoblingskontrollsløyfe låses den relative frekvensfasen mellom de to lasersignalene til referansemikrobølgesignalet. Det kombinerte optiske signalet kan deretter overføres gjennom optiske fibre til en fotodetektor et annet sted og konverteres til et mikrobølgesignal. Den resulterende fasestøyen fra mikrobølgesignalet er nesten den samme som referansesignalet innenfor båndbredden til den faselåste negative tilbakekoblingssløyfen. Fasestøyen utenfor båndbredden er lik den relative fasestøyen til de to opprinnelige urelaterte laserne.
I tillegg kan referansemikrobølgesignalkilden også konverteres av andre signalkilder gjennom frekvensdobling, divisorfrekvens eller annen frekvensbehandling, slik at mikrobølgesignalet med lavere frekvens kan multidobles eller konverteres til høyfrekvente RF- og THz-signaler.
Sammenlignet med injeksjonsfrekvenslåsing kan man bare oppnå frekvensdobling. Faselåste løkker er mer fleksible, kan produsere nesten vilkårlige frekvenser, og er selvfølgelig mer komplekse. For eksempel brukes den optiske frekvenskammen generert av den fotoelektriske modulatoren i figur 2 som lyskilde, og den optiske faselåste sløyfen brukes til å selektivt låse frekvensen til de to laserne til de to optiske kamsignalene, og deretter generere høyfrekvente signaler gjennom differansefrekvensen, som vist i figur 4. f1 og f2 er henholdsvis referansesignalfrekvensene til de to PLLS-ene, og et mikrobølgesignal på N*frep+f1+f2 kan genereres av differansefrekvensen mellom de to laserne.
Figur 4. Skjematisk diagram av generering av vilkårlige frekvenser ved hjelp av optiske frekvenskammer og PLLS.
3. Bruk moduslåst pulslaser til å konvertere optisk pulssignal til mikrobølgesignal gjennomfotodetektor.
Hovedfordelen med denne metoden er at man kan oppnå et signal med svært god frekvensstabilitet og svært lav fasestøy. Ved å låse laserens frekvens til et svært stabilt atomært og molekylært overgangsspektrum, eller et ekstremt stabilt optisk hulrom, og bruke et selvfordoblende frekvenselimineringssystem med frekvensforskyvning og andre teknologier, kan vi oppnå et svært stabilt optisk pulssignal med en svært stabil repetisjonsfrekvens, slik at man får et mikrobølgesignal med ultralav fasestøy. Figur 5.
Figur 5. Sammenligning av relativ fasestøy fra forskjellige signalkilder.
Men fordi pulsrepetisjonsfrekvensen er omvendt proporsjonal med laserens kavitetslengde, og den tradisjonelle moduslåste laseren er stor, er det vanskelig å oppnå høyfrekvente mikrobølgesignaler direkte. I tillegg begrenser størrelsen, vekten og energiforbruket til tradisjonelle pulserte lasere, samt de tøffe miljøkravene, deres hovedsakelig laboratorieanvendelser. For å overvinne disse vanskelighetene har forskning nylig startet i USA og Tyskland ved bruk av ikke-lineære effekter for å generere frekvensstabile optiske kammer i svært små, høykvalitets chirp-modus optiske kaviteter, som igjen genererer høyfrekvente lavstøymikrobølgesignaler.
4. optoelektronisk oscillator, figur 6.
Figur 6. Skjematisk diagram av fotoelektrisk koblet oscillator.
En av de tradisjonelle metodene for å generere mikrobølger eller lasere er å bruke en lukket sløyfe med selvtilbakemelding. Så lenge forsterkningen i den lukkede sløyfen er større enn tapet, kan den selveksiterte oscillasjonen produsere mikrobølger eller lasere. Jo høyere kvalitetsfaktor Q i den lukkede sløyfen er, desto mindre er den genererte fase- eller frekvensstøyen i signalet. For å øke kvalitetsfaktoren i sløyfen er den direkte måten å øke sløyfelengden og minimere forplantningstapet. Imidlertid kan en lengre sløyfe vanligvis støtte generering av flere oscillasjonsmoduser, og hvis et filter med smal båndbredde legges til, kan man oppnå et enkeltfrekvent lavstøysmikrobølgeoscillasjonssignal. Fotoelektrisk koblet oscillator er en mikrobølgesignalkilde basert på denne ideen. Den utnytter fiberens lave forplantningstapegenskaper fullt ut. Ved å bruke en lengre fiber for å forbedre sløyfens Q-verdi kan man produsere et mikrobølgesignal med svært lav fasestøy. Siden metoden ble foreslått på 1990-tallet, har denne typen oscillator gjennomgått omfattende forskning og betydelig utvikling, og det finnes for tiden kommersielle fotoelektriske koblede oscillatorer. Nylig har det blitt utviklet fotoelektriske oscillatorer med frekvenser som kan justeres over et bredt område. Hovedproblemet med mikrobølgesignalkilder basert på denne arkitekturen er at sløyfen er lang, og støyen i den frie flyten (FSR) og den doble frekvensen vil økes betydelig. I tillegg er det flere fotoelektriske komponenter som brukes, kostnadene er høye, volumet er vanskelig å redusere, og den lengre fiberen er mer følsom for miljøforstyrrelser.
Ovennevnte introduserer kort flere metoder for fotoelektrongenerering av mikrobølgesignaler, samt deres fordeler og ulemper. Til slutt har bruken av fotoelektroner for å produsere mikrobølger en annen fordel, nemlig at det optiske signalet kan distribueres gjennom den optiske fiberen med svært lavt tap, langdistanseoverføring til hver bruksterminal og deretter konverteres til mikrobølgesignaler, og evnen til å motstå elektromagnetisk interferens er betydelig forbedret enn tradisjonelle elektroniske komponenter.
Denne artikkelen er hovedsakelig ment som referanse, og kombinert med forfatterens egen forskningserfaring og erfaring på dette feltet, er det unøyaktigheter og uforståeligheter. Vennligst forstå.
Publisert: 03.01.2024