Микроталасна оптоелектроника, као што име каже, је пресек микроталасне иоптоелектроника.Микроталаси и светлосни таласи су електромагнетни таласи, а фреквенције су много реда величине различите, а компоненте и технологије развијене у њиховим областима су веома различите.У комбинацији можемо искористити једни друге, али можемо добити нове апликације и карактеристике које је тешко реализовати.
Оптичка комуникацијаје одличан пример комбинације микроталаса и фотоелектрона.Ране телефонске и телеграфске бежичне комуникације, генерисање, ширење и пријем сигнала, сви коришћени микроталасни уређаји.У почетку се користе нискофреквентни електромагнетни таласи јер је опсег фреквенција мали, а капацитет канала за пренос мали.Решење је повећање фреквенције емитованог сигнала, што је већа фреквенција, то је више ресурса спектра.Али сигнал високе фреквенције у губитку ширења ваздуха је велики, али га такође лако блокирају препреке.Ако се користи кабл, губитак кабла је велики, а пренос на велике удаљености представља проблем.Појава комуникације оптичким влакнима је добро решење за ове проблеме.Оптичко влакноима веома мале губитке у преносу и одличан је носач за пренос сигнала на велике удаљености.Фреквенцијски опсег светлосних таласа је много већи него код микроталаса и може истовремено да преноси много различитих канала.Због ових предности одоптички пренос, комуникација оптичким влакнима постала је окосница данашњег преноса информација.
Оптичка комуникација има дугу историју, истраживања и примена су веома обимни и зрели, да не говоримо више.Овај рад углавном представља нови истраживачки садржај микроталасне оптоелектронике последњих година осим оптичке комуникације.Микроталасна оптоелектроника углавном користи методе и технологије из области оптоелектронике као носиоца за побољшање и постизање перформанси и примене које је тешко постићи традиционалним микроталасним електронским компонентама.Из перспективе примене, он углавном укључује следећа три аспекта.
Први је употреба оптоелектронике за генерисање микроталасних сигнала високих перформанси са малим шумом, од Кс-опсега па све до ТХз опсега.
Друго, микроталасна обрада 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 генерише иии_В микроелектронске компоненте.Њена ограничења имају следеће тачке: Прво, на високим фреквенцијама као што је 100ГХз изнад, традиционална микроелектроника може да произведе све мање и мање енергије, на вишој фреквенцији ТХз сигнала, не може ништа да уради.Друго, да би се смањио фазни шум и побољшала стабилност фреквенције, оригинални уређај треба да се постави у окружење изузетно ниске температуре.Треће, тешко је постићи широк опсег фреквенцијске модулације конверзије фреквенције.У решавању ових проблема, оптоелектронска технологија може играти улогу.Главне методе су описане у наставку.
1. Кроз разлику фреквенције два ласерска сигнала различите фреквенције, високофреквентни фотодетектор се користи за претварање микроталасних сигнала, као што је приказано на слици 1.
Слика 1. Шематски дијаграм микроталаса генерисаних разликом фреквенције дваласери.
Предности ове методе су једноставна структура, може да генерише изузетно високе фреквенције милиметарског таласа, па чак и ТХз фреквенцијског сигнала, а подешавањем фреквенције ласера може да изврши велики опсег брзе конверзије фреквенције, свееп фреквенције.Недостатак је што је ширина линије или фазни шум сигнала разлике фреквенције генерисан од два неповезана ласерска сигнала релативно велики, а стабилност фреквенције није висока, посебно ако је полупроводнички ласер мале запремине, али велике ширине линије (~МХз) коришћени.Ако захтеви за запремину система нису високи, можете користити солид-стате ласере са ниским шумом (~ кХз),фибер ласери, спољашња шупљинаполупроводнички ласери, итд. Поред тога, два различита режима ласерских сигнала генерисаних у истој ласерској шупљини такође се могу користити за генерисање разлике фреквенције, тако да је стабилност микроталасне фреквенције знатно побољшана.
2. Да би се решио проблем да су два ласера у претходној методи некохерентна и да је шум фазе сигнала превелик, кохерентност између два ласера се може добити методом закључавања фазе убризгавања фреквенције или фазом негативне повратне спреге. склоп за закључавање.Слика 2 приказује типичну примену закључавања убризгавања за генерисање микроталасних вишекратника (Слика 2).Директним убризгавањем високофреквентних струјних сигнала у полупроводнички ласер, или коришћењем ЛинБО3-фазног модулатора, могу се генерисати вишеструки оптички сигнали различитих фреквенција са једнаким размаком фреквенција, или оптички фреквентни чешљеви.Наравно, најчешће коришћена метода за добијање чешља широког спектра оптичке фреквенције је коришћење ласера са закључавањем мода.Било која два чешљаста сигнала у генерисаном оптичком фреквентном гребену се бирају филтрирањем и убризгавају у ласер 1 и 2 да би се реализовала блокада фреквенције и фазе.Будући да је фаза између различитих сигнала гребена оптичког фреквентног чешља релативно стабилна, тако да је релативна фаза између два ласера стабилна, а затим методом разлике фреквенције као што је описано раније, микроталасни сигнал вишеструке фреквенције може се добити стопа понављања гребена оптичке фреквенције.
Слика 2. Шематски дијаграм сигнала удвостручавања микроталасне фреквенције генерисаног закључавањем фреквенције убризгавања.
Други начин да се смањи релативни фазни шум два ласера је коришћење оптичке ПЛЛ са негативном повратном спрегом, као што је приказано на слици 3.
Слика 3. Шематски дијаграм ОПЛ.
Принцип оптичког ПЛЛ-а је сличан оном код ПЛЛ-а у области електронике.Фазна разлика два ласера се претвара у електрични сигнал помоћу фотодетектора (еквивалентног фазном детектору), а затим се фазна разлика између два ласера добија тако што се прави разлика фреквенције са референтним микроталасним извором сигнала, који се појачава. и филтрира, а затим се враћа назад у јединицу за контролу фреквенције једног од ласера (за полупроводничке ласере, то је ињекциона струја).Кроз такву контролну петљу негативне повратне спреге, релативна фреквенцијска фаза између два ласерска сигнала је закључана за 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 скоро исти као код референтног сигнала унутар пропусног опсега фазно закључане негативне повратне спреге.Фазни шум изван пропусног опсега једнак је релативном фазном шуму оригинална два неповезана ласера.
Поред тога, референтни микроталасни извор сигнала такође може бити конвертован од стране других извора сигнала путем удвостручавања фреквенције, фреквенције делиоца или друге обраде фреквенције, тако да се микроталасни сигнал ниже фреквенције може вишеструко удвостручити или конвертовати у високофреквентне РФ, ТХз сигнале.
У поређењу са ињекционим закључавањем фреквенције може се постићи само удвостручење фреквенције, петље са фазно закључавањем су флексибилније, могу произвести скоро произвољне фреквенције и наравно сложеније.На пример, оптички фреквентни чешаљ који генерише фотоелектрични модулатор на слици 2 се користи као извор светлости, а оптичка фазно закључана петља се користи за селективно закључавање фреквенције два ласера на два сигнала оптичког чешља, а затим генерише високофреквентни сигнали кроз фреквенцију разлике, као што је приказано на слици 4. ф1 и ф2 су референтне фреквенције сигнала два ПЛЛС респективно, а микроталасни сигнал од Н*фреп+ф1+ф2 може бити генерисан фреквенцијом разлике између два ласера.
Слика 4. Шематски дијаграм генерисања произвољних фреквенција коришћењем оптичких фреквентних чешља и ПЛЛС.
3. Користите пулсни ласер са закључавањем мода да бисте претворили оптички импулсни сигнал у микроталасни сигналфотодетектор.
Главна предност ове методе је што се може добити сигнал са веома добром стабилношћу фреквенције и веома ниским фазним шумом.Закључавањем фреквенције ласера на веома стабилан атомски и молекуларни прелазни спектар, или изузетно стабилну оптичку шупљину, и коришћењем система за померање фреквенције за самоудвостручавање фреквенције и других технологија, можемо добити веома стабилан оптички импулсни сигнал са веома стабилну фреквенцију понављања, тако да се добије микроталасни сигнал са ултра-ниским фазним шумом.Слика 5.
Слика 5. Поређење релативног фазног шума различитих извора сигнала.
Међутим, пошто је брзина понављања импулса обрнуто пропорционална дужини шупљине ласера, а традиционални ласер са закључавањем мода 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 потешкоће, недавно је почело истраживање у Сједињеним Државама и Немачкој користећи нелинеарне ефекте за генерисање оптичких чешља са стабилном фреквенцијом у веома малим, висококвалитетним оптичким шупљинама у режиму цирпирања, које заузврат генеришу високофреквентне микроталасне сигнале са малим шумом.
4. опто електронски осцилатор, слика 6.
Слика 6. Шематски дијаграм фотоелектрично спрегнутог осцилатора.
Једна од традиционалних метода генерисања микроталаса или ласера је употреба затворене петље са самоповратном спрегом, све док је појачање у затвореној петљи веће од губитка, самопобуђена осцилација може произвести микроталасе или ласере.Што је већи фактор квалитета К затворене петље, мања је генерисана фаза сигнала или фреквенцијски шум.Да би се повећао фактор квалитета петље, директан начин је да се повећа дужина петље и минимизира губитак пропагације.Међутим, дужа петља обично може да подржи генерисање вишеструких модова осциловања, а ако се дода филтер уског пропусног опсега, може се добити једнофреквентни нискошумни микроталасни осцилациони сигнал.Фотоелектрични спрегнути осцилатор је извор микроталасног сигнала заснован на овој идеји, он у потпуности користи карактеристике ниског губитка простирања влакана, користећи дуже влакно за побољшање К вредности петље, може произвести микроталасни сигнал са веома ниским фазним шумом.Од када је метода предложена 1990-их, овај тип осцилатора је добио опсежна истраживања и значајан развој, а тренутно постоје комерцијални фотоелектрични спрегнути осцилатори.Недавно су развијени фотоелектрични осцилатори чије се фреквенције могу подесити у широком опсегу.Главни проблем извора микроталасног сигнала заснованог на овој архитектури је тај што је петља дуга, а шум у његовом слободном току (ФСР) и његова двострука фреквенција ће бити значајно повећани.Поред тога, фотоелектричне компоненте које се користе су више, трошкови су високи, запремину је тешко смањити, а дужа влакна су осетљивија на поремећаје животне средине.
Наведено укратко представља неколико метода фотоелектронске генерисања микроталасних сигнала, као и њихове предности и недостатке.Коначно, употреба фотоелектрона за производњу микроталаса има још једну предност у томе што се оптички сигнал може дистрибуирати кроз оптичко влакно са веома малим губицима, преносом на велике удаљености до сваког терминала за употребу, а затим конвертован у микроталасне сигнале и способношћу да се одупре електромагнетним интерференција је значајно побољшана од традиционалних електронских компоненти.
Писање овог чланка је углавном за референцу, а у комбинацији са сопственим истраживачким искуством и искуством аутора у овој области, има нетачности и несхватљивости, молимо вас да разумете.
Време поста: Јан-03-2024