Optoelectronică cu microunde, așa cum sugerează și numele, este intersecția cu microunde șiOptoelectronică. Microundele și undele de lumină sunt unde electromagnetice, iar frecvențele sunt multe ordine de mărime diferite, iar componentele și tehnologiile dezvoltate în câmpurile respective sunt foarte diferite. În combinație, putem profita unul de celălalt, dar putem obține noi aplicații și caracteristici dificil de realizat.
Comunicare opticăeste un exemplu primordial al combinației de microunde și fotoelectroni. Comunicări fără fir timpuriu și telegraf, generarea, propagarea și recepția semnalelor, toate dispozitivele cu microunde folosite. Undele electromagnetice cu frecvență joasă sunt utilizate inițial, deoarece intervalul de frecvență este mic, iar capacitatea canalului pentru transmisie este mică. Soluția este de a crește frecvența semnalului transmis, cu cât frecvența este mai mare, cu atât resursele cu mai multe spectre. Dar semnalul de înaltă frecvență în pierderea de propagare a aerului este mare, dar și ușor de blocat de obstacole. Dacă este utilizat cablul, pierderea cablului este mare, iar transmisia pe distanțe lungi este o problemă. Apariția comunicării cu fibre optice este o soluție bună la aceste probleme.Fibra opticăAre o pierdere de transmisie foarte mică și este un purtător excelent pentru transmiterea semnalelor pe distanțe lungi. Gama de frecvență a undelor de lumină este mult mai mare decât cea a microundelor și poate transmite simultan multe canale diferite. Din cauza acestor avantaje aletransmisie optică, comunicarea cu fibre optice a devenit coloana vertebrală a transmiterii informaționale de astăzi.
Comunicarea optică are o istorie lungă, cercetarea și aplicarea sunt foarte extinse și mature, aici nu înseamnă că mai multe. Această lucrare introduce în principal noul conținut de cercetare al optoelectronicii cu microunde în ultimii ani, altele decât comunicarea optică. Optoelectronica cu microunde folosește în principal metodele și tehnologiile în domeniul optoelectronicii ca purtător pentru a îmbunătăți și a obține performanța și aplicarea care sunt dificil de realizat cu componente electronice tradiționale cu microunde. Din perspectiva aplicării, include în principal următoarele trei aspecte.
Primul este utilizarea optoelectronicii pentru a genera semnale cu microunde de înaltă performanță, de înaltă performanță, de la banda X până la banda THz.
În al doilea rând, procesarea semnalului cu microunde. Inclusiv întârzierea, filtrarea, conversia frecvenței, primirea și așa mai departe.
În al treilea rând, transmiterea semnalelor analogice.
În acest articol, autorul introduce doar prima parte, generarea de semnal cu microunde. Unda tradițională de milimetru cu microunde este generată în principal de componentele microelectronice III_V. Limitările sale au următoarele puncte: În primul rând, la frecvențe înalte, cum ar fi 100GHz mai sus, microelectronica tradițională poate produce din ce în ce mai puțină putere, la semnalul THz cu frecvență mai mare, nu pot face nimic. În al doilea rând, pentru a reduce zgomotul de fază și pentru a îmbunătăți stabilitatea frecvenței, dispozitivul original trebuie să fie plasat într -un mediu de temperatură extrem de scăzut. În al treilea rând, este dificil să se realizeze o gamă largă de conversie a frecvenței de modulare a frecvenței. Pentru a rezolva aceste probleme, tehnologia optoelectronică poate juca un rol. Principalele metode sunt descrise mai jos.
1. Prin frecvența de diferență a două semnale laser cu frecvență diferită, este utilizat un fotodetector de înaltă frecvență pentru a converti semnale cu microunde, așa cum se arată în figura 1.
Figura 1. Diagrama schematică a microundelor generate de frecvența de diferență a douălasere.
Avantajele acestei metode sunt o structură simplă, pot genera undă de milimetri de înaltă frecvență și chiar semnal de frecvență THz, iar prin reglarea frecvenței laserului poate efectua o gamă largă de conversie a frecvenței rapide, frecvență de măturare. Dezavantajul este că lățimea de linie sau zgomotul de fază al semnalului de frecvență de diferență generat de două semnale laser fără legătură este relativ mare, iar stabilitatea frecvenței nu este ridicată, mai ales dacă se folosește un laser semiconductor cu un volum mic, ci o lățime de linie mare (~ MHz). Dacă cerințele de volum ale sistemului de sistem nu sunt mari, puteți utiliza lasere cu stare solidă cu zgomot redus (~ kHz),Lasere cu fibre, Cavitate externăLasere semiconductoare, etc. În plus, două moduri diferite de semnale laser generate în aceeași cavitate laser pot fi, de asemenea, utilizate pentru a genera o frecvență de diferență, astfel încât performanța stabilității frecvenței cu microunde este mult îmbunătățită.
2. Pentru a rezolva problema că cele două lasere din metoda anterioară sunt incoerente, iar zgomotul de fază de semnal generat este prea mare, coerența dintre cele două lasere poate fi obținută prin metoda de blocare a fazelor de blocare a frecvenței injecției sau prin circuitul de blocare a fazelor de feedback negativ. Figura 2 prezintă o aplicare tipică a blocării injecției pentru a genera multipli cu microunde (figura 2). Prin injectarea directă a semnalelor de curent de înaltă frecvență într-un laser semiconductor sau prin utilizarea unui modulator de fază LinBO3, pot fi generate mai multe semnale optice de frecvențe diferite cu distanțare de frecvență egală sau pieptene de frecvență optică. Desigur, metoda utilizată frecvent pentru a obține un pieptene de frecvență optică cu spectru larg este utilizarea unui laser blocat în mod. Orice două semnale de pieptene în pieptene de frecvență optică generată sunt selectate prin filtrare și, respectiv, injectate în laser 1 și 2 pentru a realiza frecvența și, respectiv, blocarea fazelor. Deoarece faza dintre diferitele semnale de pieptene ale pieptenei de frecvență optică este relativ stabilă, astfel încât faza relativă dintre cele două lasere este stabilă, iar apoi prin metoda de frecvență a diferenței așa cum s-a descris anterior, se poate obține semnalul cu microunde cu frecvență multiplă a ratei de repetare a pieptenei de frecvență optică.
Figura 2. Diagrama schematică a semnalului de dublare a frecvenței cu microunde generat de blocarea frecvenței injecției.
Un alt mod de a reduce zgomotul de fază relativ al celor două lasere este utilizarea unui PLL optic de feedback negativ, așa cum se arată în figura 3.
Figura 3. Diagrama schematică a OPL.
Principiul PLL optic este similar cu cel al PLL în domeniul electronicelor. Diferența de fază a celor două lasere este transformată într -un semnal electric de către un fotodetector (echivalent cu un detector de fază), iar apoi diferența de fază dintre cele două lasere este obținută făcând o frecvență de diferență cu o sursă de semnal cu microunde de referință, care este amplificată și filtrată și apoi alimentat înapoi la unitatea de control a frecvenței unuia dintre lasierii (pentru semiconductor, este unitatea de injecție). Printr -o astfel de buclă de control a feedback -ului negativ, faza de frecvență relativă dintre cele două semnale laser este blocată la semnalul de referință cu microunde. Semnalul optic combinat poate fi apoi transmis prin fibre optice către un fotodetector în altă parte și transformat într -un semnal cu microunde. Zgomotul de fază rezultat al semnalului cu microunde este aproape același cu cel al semnalului de referință din lățimea de bandă a buclei de feedback negativ blocate în fază. Zgomotul de fază în afara lățimii de bandă este egal cu zgomotul relativ de fază a celor două lasere originale fără legătură.
În plus, sursa de semnal cu microunde de referință poate fi, de asemenea, transformată de alte surse de semnal prin dublarea frecvenței, frecvența divizorului sau alte prelucrări a frecvenței, astfel încât semnalul cu microunde cu frecvență mai mică să poată fi multidoubilat sau convertit în RF de înaltă frecvență RF, semnale THz.
În comparație cu blocarea frecvenței de injecție poate obține doar dublarea frecvenței, buclele blocate în fază sunt mai flexibile, pot produce frecvențe aproape arbitrare și, desigur, mai complexe. De exemplu, pieptenele de frecvență optică generată de modulatorul fotoelectric din figura 2 este utilizat ca sursă de lumină, iar bucla blocată în fază optică este utilizată pentru a bloca selectiv frecvența celor două lasere la cele două semnale de pieptene optice, și apoi pentru a genera semnale de înaltă frecvență prin frecvența diferenței, așa cum se arată în figura 4. N*FREP+F1+F2 poate fi generat de frecvența de diferență între cele două lasere.
Figura 4. Diagrama schematică a generarii de frecvențe arbitrare folosind piepteni și PLL -uri de frecvență optică.
3. Utilizați laserul pulsului blocat în mod pentru a converti semnalul de impuls optic în semnal cu microunde prinfotodetector.
Principalul avantaj al acestei metode este că se poate obține un semnal cu o stabilitate de frecvență foarte bună și un zgomot în fază foarte mică. Blocând frecvența laserului într-un spectru de tranziție atomic și molecular foarte stabil, sau o cavitate optică extrem de stabilă și utilizarea deplasării de frecvență a frecvenței auto-dublate a frecvenței și a altor tehnologii, putem obține un semnal de impuls optic foarte stabil, cu o frecvență de repetare foarte stabilă, pentru a obține un semnal de microwave cu un zgomot de fază foarte stabilă. Figura 5.
Figura 5. Comparația zgomotului de fază relativă a diferitelor surse de semnal.
Cu toate acestea, deoarece rata de repetare a pulsului este invers proporțională cu lungimea cavității laserului, iar laserul tradițional blocată în mod este mare, este dificil să obțineți semnale cu microunde de înaltă frecvență direct. În plus, dimensiunea, greutatea și consumul de energie al laserelor tradiționale pulsate, precum și cerințele dure de mediu, limitează aplicațiile lor în principal de laborator. Pentru a depăși aceste dificultăți, cercetările au început recent în Statele Unite și Germania folosind efecte neliniare pentru a genera pieptene optice stabile de frecvență în cavități optice de înaltă calitate, de înaltă calitate, care la rândul lor generează semnale cu microunde cu zgomot redus.
4. Oscilatorul electronic Opto, Figura 6.
Figura 6. Diagrama schematică a oscilatorului cuplat fotoelectric.
Una dintre metodele tradiționale de a genera microunde sau lasere este utilizarea unei bucle închise cu auto-feedback, atât timp cât câștigul în bucla închisă este mai mare decât pierderea, oscilația autoexcitată poate produce microunde sau lasere. Cu cât factorul de calitate Q este mai mare al buclei închise, cu atât este mai mică faza de semnal generată sau zgomotul de frecvență. Pentru a crește factorul de calitate al buclei, modul direct este de a crește lungimea buclei și de a minimiza pierderea de propagare. Cu toate acestea, o buclă mai lungă poate susține, de obicei, generarea de mai multe moduri de oscilație și, dacă se adaugă un filtru cu lățime de bandă îngustă, se poate obține un semnal de oscilație cu microunde cu un singur frecvență cu zgomot redus. Oscilatorul cuplat fotoelectric este o sursă de semnal cu microunde bazată pe această idee, utilizează pe deplin caracteristicile pierderii scăzute ale fibrei, folosind o fibră mai lungă pentru a îmbunătăți valoarea buclei Q, poate produce un semnal cu microunde cu zgomot în fază foarte mică. Deoarece metoda a fost propusă în anii 90, acest tip de oscilator a primit cercetări ample și o dezvoltare considerabilă, iar în prezent există oscilatoare cuplate fotoelectrice comerciale. Mai recent, au fost dezvoltate oscilatoare fotoelectrice ale căror frecvențe pot fi ajustate pe o gamă largă. Principala problemă a surselor de semnal cu microunde bazate pe această arhitectură este că bucla este lungă, iar zgomotul în fluxul său liber (FSR) și frecvența dublă a acesteia va fi semnificativ crescută. În plus, componentele fotoelectrice utilizate sunt mai mari, costul este mare, volumul este dificil de redus, iar fibra mai lungă este mai sensibilă la perturbarea mediului.
Mai sus introduce pe scurt mai multe metode de generare a fotoelectronilor de semnale cu microunde, precum și avantajele și dezavantajele acestora. În cele din urmă, utilizarea fotoelectronilor pentru a produce microunde are un alt avantaj este că semnalul optic poate fi distribuit prin fibra optică cu o pierdere foarte mică, transmiterea pe distanțe lungi la fiecare terminal de utilizare și apoi transformată în semnale cu microunde, iar capacitatea de a rezista interferenței electromagnetice este îmbunătățită semnificativ decât componentele electronice tradiționale.
Scrierea acestui articol este în principal pentru referință și combinată cu experiența și experiența de cercetare a autorului în acest domeniu, există inexactități și incomprehensivitate, vă rugăm să înțelegeți.
Timpul post: 03-2024 ianuarie