Микроталасна оптоелектроника, као што и само име сугерише, је пресек микроталасне иоптоелектроникаМикроталаси и светлосни таласи су електромагнетни таласи, а фреквенције се разликују за много редова величине, а компоненте и технологије развијене у њиховим одговарајућим областима су веома различите. У комбинацији можемо искористити једни друге, али можемо добити нове примене и карактеристике које је тешко реализовати.
Оптичка комуникацијаје одличан пример комбинације микроталаса и фотоелектрона. Ране телефонске и телеграфске бежичне комуникације, генерисање, простирање и пријем сигнала, све су користиле микроталасне уређаје. Нискофреквентни електромагнетни таласи су се у почетку користили јер је фреквентни опсег мали, а капацитет канала за пренос мали. Решење је повећање фреквенције пренетог сигнала, што је фреквенција већа, то је више спектралних ресурса. Али губитак високофреквентног сигнала у ваздуху због простирања је велики, али га препреке лако блокирају. Ако се користи кабл, губитак кабла је велики, а пренос на велике удаљености је проблем. Појава оптичке комуникације је добро решење за ове проблеме.Оптичко влакноима веома мале губитке при преносу и одличан је носач за пренос сигнала на велике удаљености. Фреквентни опсег светлосних таласа је много већи од опсега микроталаса и може истовремено да преноси много различитих канала. Због ових предностиоптички пренос, комуникација оптичким влакнима постала је окосница данашњег преноса информација.
Оптичка комуникација има дугу историју, истраживања и примена су веома опсежни и зрели, овде нема шта да се каже више. Овај рад углавном представља нови истраживачки садржај микроталасне оптоелектронике последњих година, поред оптичке комуникације. Микроталасна оптоелектроника углавном користи методе и технологије у области оптоелектронике као носач за побољшање и постизање перформанси и примене које је тешко постићи са традиционалним микроталасним електронским компонентама. Са становишта примене, она углавном обухвата следећа три аспекта.
Прва је употреба оптоелектронике за генерисање високоперформансних, нискошумних микроталасних сигнала, од X-опсега па све до THz опсега.
Друго, обрада микроталасног сигнала. Укључујући кашњење, филтрирање, конверзију фреквенције, пријем и тако даље.
Треће, пренос аналогних сигнала.
У овом чланку, аутор представља само први део, генерисање микроталасног сигнала. Традиционални микроталасни милиметарски талас углавном генеришу iii_V микроелектронске компоненте. Његова ограничења имају следећа: Прво, на високим фреквенцијама као што је 100 GHz и више, традиционална микроелектроника може да произведе све мање и мање снаге, док на вишим фреквенцијама THz сигнала не може ништа да уради. Друго, да би се смањио фазни шум и побољшала фреквентна стабилност, оригинални уређај мора бити постављен у окружење са изузетно ниском температуром. Треће, тешко је постићи широк опсег фреквентне модулације и конверзије фреквенције. Да би се решили ови проблеми, оптоелектронска технологија може играти улогу. Главне методе су описане у наставку.
1. Преко разлике фреквенције два ласерска сигнала различите фреквенције, високофреквентни фотодетектор се користи за конвертовање микроталасних сигнала, као што је приказано на слици 1.
Слика 1. Шематски дијаграм микроталаса генерисаних разликом фреквенције дваласери.
Предности ове методе су једноставна структура, могућност генерисања милиметарског таласа, па чак и терахертског фреквентног сигнала, а подешавањем фреквенције ласера може се извршити широк опсег брзе конверзије фреквенције и фреквенције преласка. Мана је што је ширина линије или фазни шум сигнала разлике фреквенције генерисаног од стране два неповезана ласерска сигнала релативно велика, а стабилност фреквенције није висока, посебно ако се користи полупроводнички ласер мале запремине, али велике ширине линије (~MHz). Ако захтеви за тежину и запремину система нису високи, могу се користити чврсти ласери са ниским нивоом шума (~kHz).влакнасти ласери, спољашња шупљинаполупроводнички ласериитд. Поред тога, два различита режима ласерских сигнала генерисаних у истој ласерској шупљини такође се могу користити за генерисање различите фреквенције, тако да се перформансе стабилности микроталасне фреквенције значајно побољшавају.
2. Да би се решио проблем да су два ласера у претходној методи некохерентна и да је генерисани шум фазе сигнала превелик, кохеренција између два ласера може се постићи методом фазног закључавања са убризгавањем фреквенције или колом фазног закључавања са негативном повратном спрегом. Слика 2 приказује типичну примену убризгавања закључавања за генерисање микроталасних вишеструких сигнала (слика 2). Директним убризгавањем високофреквентних струјних сигнала у полупроводнички ласер или коришћењем LinBO3-фазног модулатора, могу се генерисати вишеструки оптички сигнали различитих фреквенција са једнаким фреквентним размаком, или оптички фреквентни чешљеви. Наравно, уобичајена метода за добијање широкоспектралног оптичког фреквентног чешља је употреба ласера са закључаним модом. Било која два сигнала чешља у генерисаном оптичком фреквентном чешљу се бирају филтрирањем и убризгавају у ласер 1 и 2 респективно да би се остварило фреквентно и фазно закључавање, респективно. Пошто је фаза између различитих сигнала чешља оптичког фреквентног чешља релативно стабилна, тако да је релативна фаза између два ласера стабилна, а затим методом разлике фреквенције као што је претходно описано, може се добити вишеструки фреквентни микроталасни сигнал брзине понављања оптичког фреквентног чешља.
Слика 2. Шематски дијаграм сигнала удвостручавања микроталасне фреквенције генерисаног закључавањем фреквенције убризгавања.
Други начин за смањење релативног фазног шума два ласера је коришћење оптичког PLL-а са негативном повратном спрегом, као што је приказано на слици 3.
Слика 3. Шематски дијаграм OPL-а.
Принцип оптичког PLL-а је сличан принципу PLL-а у области електронике. Фазна разлика два ласера се претвара у електрични сигнал помоћу фотодетектора (еквивалентно фазном детектору), а затим се фазна разлика између два ласера добија стварањем разлике фреквенције са референтним извором микроталасног сигнала, која се појачава и филтрира, а затим враћа у јединицу за контролу фреквенције једног од ласера (код полупроводничких ласера, то је струја убризгавања). Кроз такву негативну повратну петљу, релативна фреквентна фаза између два ласерска сигнала је закључана на референтни микроталасни сигнал. Комбиновани оптички сигнал се затим може пренети кроз оптичка влакна до фотодетектора негде другде и претворити у микроталасни сигнал. Резултујући фазни шум микроталасног сигнала је готово исти као и шум референтног сигнала унутар пропусног опсега фазно закључане негативне повратне петље. Фазни шум ван пропусног опсега је једнак релативном фазном шуму оригинална два неповезана ласера.
Поред тога, извор референтног микроталасног сигнала може се конвертовати и другим изворима сигнала путем удвостручавања фреквенције, фреквенције делиоца или друге фреквентне обраде, тако да се микроталасни сигнал ниже фреквенције може вишеструко удвостручити или конвертовати у РФ, ТХз сигнале високе фреквенције.
У поређењу са убризгавањем, фреквентно закључавање може постићи само удвостручавање фреквенције, фазно закључане петље су флексибилније, могу произвести готово произвољне фреквенције и наравно сложеније. На пример, оптички фреквентни чешаљ генерисан фотоелектричним модулатором на слици 2 користи се као извор светлости, а оптичка фазно закључана петља се користи за селективно закључавање фреквенције два ласера на два оптичка сигнала чешља, а затим генерисање високофреквентних сигнала кроз разлику фреквенција, као што је приказано на слици 4. f1 и f2 су референтне фреквенције сигнала два PLLS-а, респективно, а микроталасни сигнал од N*frep+f1+f2 може се генерисати помоћу разлике фреквенције између два ласера.
Слика 4. Шематски дијаграм генерисања произвољних фреквенција коришћењем оптичких фреквентних чешљева и PLLS-а.
3. Користите импулсни ласер са закључаним режимом за претварање оптичког импулсног сигнала у микроталасни сигнал крозфотодетектор.
Главна предност ове методе је што се може добити сигнал са веома добром фреквентном стабилношћу и веома ниским фазним шумом. Фиксирањем фреквенције ласера на веома стабилан атомски и молекуларни прелазни спектар, или изузетно стабилну оптичку шупљину, и употребом система за самоудвостручавање фреквенције, померања фреквенције и других технологија, можемо добити веома стабилан оптички импулсни сигнал са веома стабилном фреквенцијом понављања, како бисмо добили микроталасни сигнал са ултраниским фазним шумом. Слика 5.
Слика 5. Поређење релативног фазног шума различитих извора сигнала.
Међутим, пошто је брзина понављања импулса обрнуто пропорционална дужини резонаторске шупљине ласера, а традиционални ласер са закључаним модом је велики, тешко је директно добити високофреквентне микроталасне сигнале. Поред тога, величина, тежина и потрошња енергије традиционалних импулсних ласера, као и строги захтеви животне средине, ограничавају њихову углавном лабораторијску примену. Да би се превазишле ове тешкоће, недавно су у Сједињеним Државама и Немачкој почела истраживања која користе нелинеарне ефекте за генерисање фреквентно стабилних оптичких чешљева у веома малим, висококвалитетним оптичким шупљинама чирп мода, које заузврат генеришу високофреквентне микроталасне сигнале са ниским нивоом шума.
4. оптоелектронски осцилатор, слика 6.
Слика 6. Шематски дијаграм фотоелектрично спрегнутог осцилатора.
Једна од традиционалних метода генерисања микроталаса или ласера јесте коришћење затворене петље са самоповратном спрегом. Све док је појачање у затвореној петљи веће од губитка, самопобуђена осцилација може произвести микроталасе или ласере. Што је фактор квалитета Q затворене петље већи, мањи је генерисани фазни или фреквентни шум сигнала. Да би се повећао фактор квалитета петље, директан начин је повећање дужине петље и минимизирање губитка пропагације. Међутим, дужа петља обично може подржати генерисање више модова осцилације, а ако се дода филтер уског пропусног опсега, може се добити једнофреквентни сигнал микроталасне осцилације са ниским шумом. Фотоелектрично спрегнути осцилатор је извор микроталасног сигнала заснован на овој идеји, који у потпуности користи карактеристике ниског губитка пропагације влакна, користећи дуже влакно за побољшање вредности Q петље, може произвести микроталасни сигнал са веома ниским фазним шумом. Од када је метод предложен 1990-их, овај тип осцилатора је прошао кроз опсежна истраживања и значајан развој, и тренутно постоје комерцијални фотоелектрично спрегнути осцилатори. У скорије време, развијени су фотоелектрични осцилатори чије се фреквенције могу подешавати у широком опсегу. Главни проблем извора микроталасног сигнала заснованих на овој архитектури је тај што је петља дугачка, а шум у њеном слободном протоку (FSR) и њена двострука фреквенција ће бити значајно повећани. Поред тога, користи се више фотоелектричних компоненти, трошкови су високи, јачина звука је тешко смањити, а дуже влакно је осетљивије на поремећаје у околини.
Горе наведено укратко представља неколико метода генерисања микроталасних сигнала фотоелектронима, као и њихове предности и мане. Коначно, употреба фотоелектрона за производњу микроталаса има још једну предност, а то је да се оптички сигнал може дистрибуирати кроз оптичко влакно са веома малим губицима, преносом на велике удаљености до сваког корисничког терминала, а затим претворити у микроталасне сигнале, а способност отпорности на електромагнетне сметње је значајно побољшана у односу на традиционалне електронске компоненте.
Писање овог чланка је углавном у сврху референце, и у комбинацији са ауторовим сопственим истраживачким искуством и искуством у овој области, постоје нетачности и несвеобухватност, молим вас за разумевање.
Време објаве: 03.01.2024.