Mikrobølgeoptoelektronikk, som navnet antyder, er skjæringspunktet mellom mikrobølgeovn ogoptoelektronikk. Mikrobølger og lysbølger er elektromagnetiske bølger, og frekvensene er forskjellige i mange størrelsesordener, og komponentene og teknologiene som utvikles innen deres respektive felt er svært forskjellige. I kombinasjon kan vi dra nytte av hverandre, men vi kan få nye applikasjoner og egenskaper som er vanskelige å realisere hhv.
Optisk kommunikasjoner et godt eksempel på kombinasjonen av mikrobølger og fotoelektroner. Tidlig trådløs telefon- og telegrafkommunikasjon, generering, forplantning og mottak av signaler, alle brukte mikrobølgeenheter. Lavfrekvente elektromagnetiske bølger brukes i utgangspunktet fordi frekvensområdet er lite og kanalkapasiteten for overføring er liten. Løsningen er å øke frekvensen til det overførte signalet, jo høyere frekvensen er, jo flere spektrumressurser. Men det høyfrekvente signalet i luftutbredelsestapet er stort, men også lett å bli blokkert av hindringer. Hvis kabelen 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 overføringstap og er en utmerket bærer for overføring av signaler over lange avstander. Frekvensområdet til lysbølger er mye større enn for mikrobølger og kan overføre mange forskjellige kanaler samtidig. På grunn av disse fordelene vedoptisk 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 å si mer. Denne artikkelen introduserer hovedsakelig det nye forskningsinnholdet i mikrobølgeoptoelektronikk de siste årene, bortsett fra optisk kommunikasjon. Mikrobølgeoptoelektronikk bruker hovedsakelig metodene og teknologiene innen optoelektronikk som bærer for å forbedre og oppnå ytelsen og anvendelsen som er vanskelig å oppnå med tradisjonelle elektroniske mikrobølgekomponenter. Fra applikasjonsperspektivet inkluderer den hovedsakelig følgende tre aspekter.
Den første er bruken av optoelektronikk for å generere mikrobølgesignaler med høy ytelse og lavt støy, fra X-båndet helt til THz-båndet.
For det andre, mikrobølgesignalbehandling. Inkludert forsinkelse, filtrering, frekvenskonvertering, mottak og så videre.
For det tredje, overføring av analoge signaler.
I denne artikkelen introduserer forfatteren bare den første delen, generering av mikrobølgesignal. Tradisjonell mikrobølge millimeterbølge genereres hovedsakelig av iii_V mikroelektroniske komponenter. Dens begrensninger har følgende punkter: For det første, til høye frekvenser som 100GHz ovenfor, kan tradisjonell mikroelektronikk produsere mindre og mindre strøm, til høyere frekvens THz-signal 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 frekvensmodulasjonsfrekvenskonvertering. For å løse disse problemene kan optoelektronisk teknologi spille en rolle. De viktigste metodene er beskrevet nedenfor.
1. Gjennom forskjellsfrekvensen til to forskjellige frekvenslasersignaler brukes en høyfrekvent fotodetektor til å konvertere mikrobølgesignaler, som vist i figur 1.
Figur 1. Skjematisk diagram av mikrobølger generert av forskjellsfrekvensen til tolasere.
Fordelene med denne metoden er enkel struktur, kan generere ekstremt høyfrekvent millimeterbølge og til og med THz-frekvenssignal, og ved å justere frekvensen til laseren kan utføre et stort utvalg 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) er brukt. Hvis systemets vektvolumkrav ikke er høye, kan du bruke solid-state lasere med lavt støynivå (~kHz),fiberlasere, ytre hulromhalvlederlasere, etc. I tillegg kan to forskjellige moduser av lasersignaler generert i samme laserhulrom også brukes til å generere en forskjellsfrekvens, slik at mikrobølgefrekvensstabilitetsytelsen er sterkt forbedret.
2. For å løse problemet med at de to laserne i den forrige metoden er usammenhengende og signalfasestøyen som genereres er for stor, kan koherensen mellom de to laserne oppnås ved injeksjonsfrekvenslåsende faselåsemetoden eller den negative tilbakekoblingsfasen låsekrets. Figur 2 viser en typisk anvendelse av injeksjonslåsing for å generere mikrobølgemultipler (figur 2). Ved å direkte injisere høyfrekvente strømsignaler inn i en halvlederlaser, eller ved å bruke en LinBO3-fasemodulator, kan flere optiske signaler med forskjellige frekvenser med lik frekvensavstand genereres, eller optiske frekvenskammer. Selvfølgelig er den ofte brukte metoden for å oppnå en bredspektret optisk frekvenskam 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 realisere henholdsvis frekvens og faselåsing. Fordi fasen mellom de forskjellige kamsignalene til den optiske frekvenskammen er relativt stabil, slik at den relative fasen mellom de to laserne er stabil, og deretter ved metoden for forskjellsfrekvens som beskrevet tidligere, vil flerfoldsfrekvensmikrobølgesignalet til optisk frekvens kam repetisjonsfrekvens kan oppnås.
Figur 2. Skjematisk diagram av mikrobølgefrekvensdoblingssignal generert av injeksjonsfrekvenslåsing.
En annen måte å redusere den relative fasestøyen til de to laserne på er å bruke en negativ feedback optisk PLL, som vist i figur 3.
Figur 3. Skjematisk diagram av OPL.
Prinsippet for optisk PLL ligner på PLL innen elektronikk. Faseforskjellen til de to laserne konverteres til et elektrisk signal av en fotodetektor (tilsvarer en fasedetektor), og deretter oppnås faseforskjellen mellom de to laserne ved å lage en forskjellsfrekvens med en referansemikrobølgesignalkilde, som forsterkes og filtrert og deretter matet 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 omdannes til et mikrobølgesignal. Den resulterende fasestøyen til mikrobølgesignalet er nesten den samme som for referansesignalet innenfor båndbredden til den faselåste negative tilbakekoblingssløyfen. Fasestøyen utenfor båndbredden er lik den relative fasestøyen til de originale to ikke-relaterte laserne.
I tillegg kan referansemikrobølgesignalkilden også konverteres av andre signalkilder gjennom frekvensdobling, divisorfrekvens eller annen frekvensbehandling, slik at det lavere frekvensmikrobølgesignalet kan multidobles, eller konverteres til høyfrekvente RF, THz-signaler.
Sammenlignet med injeksjonsfrekvens kan låsing bare oppnå frekvensdobling, faselåste sløyfer er mer fleksible, kan produsere nesten vilkårlige frekvenser, og 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 forskjellsfrekvensen, som vist i figur 4. f1 og f2 er referansesignalfrekvensene til henholdsvis de to PLLS, og et mikrobølgesignal på N*frep+f1+f2 kan genereres av forskjellsfrekvensen mellom to lasere.
Figur 4. Skjematisk diagram av generering av vilkårlige frekvenser ved bruk av optiske frekvenskammer og PLLS.
3. Bruk moduslåst pulslaser for å konvertere optisk pulssignal til mikrobølgesignal gjennomfotodetektor.
Hovedfordelen med denne metoden er at det kan oppnås et signal med meget god frekvensstabilitet og svært lav fasestøy. Ved å låse frekvensen til laseren til et meget stabilt atom- og molekylært overgangsspektrum, eller et ekstremt stabilt optisk hulrom, og bruk av selvdobling av frekvenselimineringssystem frekvensskifte og andre teknologier, kan vi oppnå et meget stabilt optisk pulssignal med en meget stabil repetisjonsfrekvens, for å oppnå et mikrobølgesignal med ultralav fasestøy. Figur 5.
Figur 5. Sammenligning av relativ fasestøy for ulike signalkilder.
Men fordi pulsrepetisjonshastigheten er omvendt proporsjonal med hulrommet til laseren, og den tradisjonelle moduslåste laseren er stor, er det vanskelig å oppnå høyfrekvente mikrobølgesignaler direkte. I tillegg begrenser størrelsen, vekten og energiforbruket til tradisjonelle pulserende lasere, samt de strenge miljøkravene, deres hovedsakelig laboratorieapplikasjoner. For å overvinne disse vanskelighetene har forskning nylig begynt i USA og Tyskland ved å bruke ikke-lineære effekter for å generere frekvensstabile optiske kammer i svært små optiske hulrom i chirp-modus av høy kvalitet, som igjen genererer høyfrekvente mikrobølgesignaler med lav støy.
4. opto elektronisk oscillator, figur 6.
Figur 6. Skjematisk diagram av fotoelektrisk koplet 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 for den lukkede sløyfen er, desto mindre blir generert signalfase eller frekvensstøy. For å øke kvalitetsfaktoren til 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 smalbåndsfilter legges til, kan et enkeltfrekvent mikrobølgeoscillasjonssignal med lav støy oppnås. Fotoelektrisk koblet oscillator er en mikrobølgesignalkilde basert på denne ideen, den gjør full bruk av fiberens lave utbredelsestapsegenskaper, ved å bruke en lengre fiber for å forbedre sløyfen Q-verdi, kan produsere et mikrobølgesignal med svært lav fasestøy. Siden metoden ble foreslått på 1990-tallet har denne typen oscillatorer fått omfattende forskning og betydelig utvikling, og det finnes i dag kommersielle fotoelektriske koplede oscillatorer. Nylig er det utviklet fotoelektriske oscillatorer hvis frekvenser kan justeres over et bredt område. Hovedproblemet med mikrobølgesignalkilder basert på denne arkitekturen er at sløyfen er lang, og støyen i dens frie flyt (FSR) og dens doble frekvens vil økes betydelig. I tillegg er de fotoelektriske komponentene som brukes flere, kostnadene er høye, volumet er vanskelig å redusere, og jo lengre fiber er mer følsom for miljøforstyrrelser.
Ovennevnte introduserer kort flere metoder for fotoelektrongenerering av mikrobølgesignaler, så vel som deres fordeler og ulemper. Til slutt har bruken av fotoelektroner for å produsere mikrobølger en annen fordel 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.
Skrivingen av denne artikkelen er hovedsakelig for referanse, og kombinert med forfatterens egen forskningserfaring og erfaring på dette feltet, er det unøyaktigheter og uforståelighet, vennligst forstå.
Innleggstid: Jan-03-2024