Optoelectronică cu microunde, așa cum sugerează și numele, este intersecția dintre microunde șioptoelectronicăMicroundele și undele luminoase sunt unde electromagnetice, iar frecvențele sunt diferite cu multe ordine de mărime, iar componentele și tehnologiile dezvoltate în domeniile lor respective sunt foarte diferite. În combinație, putem profita unul de celălalt, dar putem obține noi aplicații și caracteristici care sunt dificil de realizat, respectiv.
Comunicații opticeeste un exemplu excelent al combinației dintre microunde și fotoelectroni. Primele comunicații fără fir telefonice și telegrafice, generarea, propagarea și recepția semnalelor, au folosit toate dispozitive cu microunde. Undele electromagnetice de joasă frecvență au fost utilizate inițial deoarece intervalul de frecvență este mic, iar capacitatea canalului de transmisie este mică. Soluția este creșterea frecvenței semnalului transmis; cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai multe resurse de spectru sunt disponibile. Însă pierderile de propagare a semnalului de înaltă frecvență în aer sunt mari, dar pot fi și ușor blocate de obstacole. Dacă se utilizează cablu, pierderile de cablu sunt mari, iar transmisia pe distanțe lungi devine o problemă. Apariția comunicațiilor prin fibră optică este o soluție bună la aceste probleme.Fibră opticăare pierderi de transmisie foarte mici și este un purtător excelent pentru transmiterea semnalelor pe distanțe lungi. Gama de frecvență a undelor luminoase este mult mai mare decât cea a microundelor și poate transmite mai multe canale diferite simultan. Datorită acestor avantaje aletransmisie opticăComunicațiile prin fibră optică au devenit coloana vertebrală a transmiterii informațiilor în zilele noastre.
Comunicațiile optice au o istorie lungă, cercetările și aplicațiile sunt foarte ample și mature, nu este nevoie să spunem mai multe aici. Această lucrare prezintă în principal noile conținuturi de cercetare din optoelectronica cu microunde din ultimii ani, altele decât comunicațiile optice. Optoelectronica cu microunde utilizează în principal metodele și tehnologiile din domeniul optoelectronicii ca suport pentru a îmbunătăți și a atinge performanțe și aplicații care sunt dificil de realizat cu componentele electronice tradiționale cu microunde. Din perspectiva aplicării, aceasta include în principal următoarele trei aspecte.
Prima este utilizarea optoelectronicii pentru a genera semnale de microunde de înaltă performanță și cu zgomot redus, de la banda X până la banda THz.
În al doilea rând, procesarea semnalului cu microunde. Include întârzierea, filtrarea, conversia frecvenței, recepția și așa mai departe.
În al treilea rând, transmiterea semnalelor analogice.
În acest articol, autorul prezintă doar prima parte, generarea semnalului de microunde. Undele milimetrice tradiționale de microunde sunt generate în principal de componente microelectronice iii_V. Limitările lor au următoarele aspecte: în primul rând, la frecvențe înalte, cum ar fi 100 GHz sau mai mult, microelectronica tradițională poate produce din ce în ce mai puțină energie, în timp ce la semnale THz de frecvență mai mare nu poate face nimic. În al doilea rând, pentru a reduce zgomotul de fază și a îmbunătăți stabilitatea frecvenței, dispozitivul original trebuie plasat într-un mediu cu temperatură extrem de scăzută. În al treilea rând, este dificil să se obțină o gamă largă de modulație de frecvență și conversie de frecvență. Pentru a rezolva aceste probleme, tehnologia optoelectronică poate juca un rol. Principalele metode sunt descrise mai jos.
1. Prin diferența de frecvență a două semnale laser de frecvență diferită, un fotodetector de înaltă frecvență este utilizat pentru a converti semnalele de microunde, așa cum se arată în Figura 1.
Figura 1. Diagramă schematică a microundelor generate de diferența de frecvență a douălasere.
Avantajele acestei metode sunt structura simplă, poate genera unde milimetrice de frecvență extrem de înaltă și chiar semnale de frecvență THz, iar prin ajustarea frecvenței laserului se pot realiza o gamă largă de conversii rapide de frecvență și baleiere a frecvenței. Dezavantajul este că lățimea de linie sau zgomotul de fază al semnalului de frecvență diferențial generat de două semnale laser independente este relativ mare, iar stabilitatea frecvenței nu este ridicată, mai ales dacă se utilizează un laser semiconductor cu un volum mic, dar o lățime de linie mare (~MHz). Dacă cerințele de volum ale greutății sistemului nu sunt mari, se pot utiliza lasere în stare solidă cu zgomot redus (~kHz).lasere cu fibră, 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 diferențială, astfel încât performanța de stabilitate a frecvenței microundelor este mult îmbunătățită.
2. Pentru a rezolva problema incoerenței celor două lasere din metoda anterioară și a zgomotului de fază al semnalului generat, coerența dintre cele două lasere poate fi obținută prin metoda de blocare a fazei prin injecție sau prin circuitul de blocare a fazei cu feedback negativ. Figura 2 prezintă o aplicație tipică a blocării prin injecție pentru generarea multiplilor de 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, se pot genera semnale optice multiple de frecvențe diferite cu spațiere egală a frecvențelor, sau piepteni de frecvență optică. Desigur, metoda utilizată în mod obișnuit pentru a obține un pieptene de frecvență optică cu spectru larg este utilizarea unui laser cu mod blocat. Orice două semnale de pieptene din pieptenele de frecvență optică generat sunt selectate prin filtrare și injectate în laserul 1 și respectiv 2 pentru a realiza blocarea frecvenței și respectiv a fazei. Deoarece faza dintre diferitele semnale de pieptene ale pieptenelor de frecvență optică este relativ stabilă, astfel încât faza relativă dintre cele două lasere este stabilă, și apoi prin metoda diferenței de frecvență descrisă anterior, se poate obține semnalul de microunde cu frecvență multiplă a ratei de repetiție a pieptenelor de frecvență optică.
Figura 2. Diagramă schematică a semnalului de dublare a frecvenței microundelor generat prin blocarea frecvenței de injecție.
O altă modalitate de a reduce zgomotul de fază relativ al celor două lasere este utilizarea unui PLL optic cu feedback negativ, așa cum se arată în Figura 3.
Figura 3. Diagramă schematică a OPL.
Principiul PLL-ului optic este similar cu cel al PLL-ului din domeniul electronicii. Diferența de fază dintre cele două lasere este convertită într-un semnal electric de către un fotodetector (echivalent cu un detector de fază), iar apoi diferența de fază dintre cele două lasere se obține prin diferențierea frecvenței cu o sursă de semnal de microunde de referință, care este amplificată și filtrată și apoi retransmisă către unitatea de control al frecvenței a unuia dintre lasere (pentru laserele semiconductoare, este vorba de curentul de injecție). Printr-o astfel de buclă de control cu feedback negativ, faza relativă a frecvenței dintre cele două semnale laser este blocată la semnalul de microunde de referință. Semnalul optic combinat poate fi apoi transmis prin fibre optice către un fotodetector din altă parte și convertit într-un semnal de microunde. Zgomotul de fază rezultat al semnalului de microunde este aproape același cu cel al semnalului de referință din lățimea de bandă a buclei de feedback negativ cu blocare de fază. Zgomotul de fază din afara lățimii de bandă este egal cu zgomotul de fază relativ al celor două lasere originale, neînrudite.
În plus, sursa de semnal de referință cu microunde poate fi convertită și de alte surse de semnal prin dublarea frecvenței, divizorul de frecvență sau altă procesare a frecvenței, astfel încât semnalul de microunde de frecvență mai mică poate fi multidublat sau convertit în semnale RF de înaltă frecvență, THz.
Comparativ cu blocarea frecvenței prin injecție, se poate obține doar dublarea frecvenței, buclele blocate în fază sunt mai flexibile, pot produce frecvențe aproape arbitrare și, bineînțeles, mai complexe. De exemplu, pieptenele optic de frecvență generat de modulatorul fotoelectric din Figura 2 este utilizat ca sursă de lumină, iar bucla optică blocată în fază este utilizată pentru a bloca selectiv frecvența celor două lasere la cele două semnale de pieptene optic și apoi pentru a genera semnale de înaltă frecvență prin diferența de frecvență, așa cum se arată în Figura 4. f1 și f2 sunt frecvențele semnalului de referință ale celor două PLLS, respectiv, iar un semnal de microunde de N*frep+f1+f2 poate fi generat prin diferența de frecvență dintre cele două lasere.
Figura 4. Diagramă schematică a generării de frecvențe arbitrare folosind piepteni de frecvență optici și PLLS.
3. Folosește laserul cu impulsuri cu mod blocat pentru a converti semnalul optic al impulsurilor în semnal de microunde prinfotodetector.
Principalul avantaj al acestei metode este că se poate obține un semnal cu o stabilitate de frecvență foarte bună și un zgomot de fază foarte scăzut. Prin blocarea frecvenței laserului la un spectru de tranziție atomică și moleculară foarte stabil sau la o cavitate optică extrem de stabilă și utilizarea sistemului de eliminare a frecvenței prin auto-dublare și a altor tehnologii, putem obține un semnal de impuls optic foarte stabil, cu o frecvență de repetiție foarte stabilă, astfel încât să obținem un semnal de microunde cu zgomot de fază ultra-scăzut. Figura 5.
Figura 5. Comparație a zgomotului de fază relativ al diferitelor surse de semnal.
Totuși, deoarece rata de repetiție a impulsurilor este invers proporțională cu lungimea cavității laserului, iar laserul tradițional cu mod blocat este mare, este dificil să se obțină direct semnale de microunde de înaltă frecvență. În plus, dimensiunea, greutatea și consumul de energie al laserelor pulsate tradiționale, precum și cerințele dure de mediu, limitează aplicațiile lor în principal de laborator. Pentru a depăși aceste dificultăți, au început recent cercetări în Statele Unite și Germania, utilizând efecte neliniare pentru a genera piepteni optici stabili în frecvență în cavități optice în mod chirp foarte mici și de înaltă calitate, care la rândul lor generează semnale de microunde de înaltă frecvență și zgomot redus.
4. oscilator optoelectronic, Figura 6.
Figura 6. Schema unui oscilator cuplat fotoelectric.
Una dintre metodele tradiționale de generare a microundelor sau laserelor este utilizarea unei bucle închise cu auto-retroacționare. Atâta timp cât câștigul în bucla închisă este mai mare decât pierderea, oscilația auto-excitată poate produce microunde sau lasere. Cu cât factorul de calitate Q al buclei închise este mai mare, cu atât zgomotul de fază sau de frecvență al semnalului generat este mai mic. Pentru a crește factorul de calitate al buclei, calea directă este creșterea lungimii buclei și minimizarea pierderii de propagare. Cu toate acestea, o buclă mai lungă poate suporta de obicei generarea mai multor moduri de oscilație, iar dacă se adaugă un filtru cu lățime de bandă îngustă, se poate obține un semnal de oscilație cu microunde cu o singură frecvență și zgomot redus. Oscilatorul cuplat fotoelectric este o sursă de semnal cu microunde bazată pe această idee, care utilizează din plin caracteristicile de pierdere de propagare redusă ale fibrei. Folosind o fibră mai lungă pentru a îmbunătăți valoarea Q a buclei, se poate produce un semnal cu microunde cu zgomot de fază foarte scăzut. De când metoda a fost propusă în anii 1990, acest tip de oscilator a beneficiat de cercetări ample și de o dezvoltare considerabilă, existând în prezent oscilatoare cuplate fotoelectric 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 liber (FSR) și în frecvența dublă va fi semnificativ crescut. În plus, componentele fotoelectrice utilizate sunt mai numeroase, costul este ridicat, volumul este dificil de redus, iar fibra mai lungă este mai sensibilă la perturbațiile de mediu.
Cele de mai sus prezintă pe scurt câteva metode de generare a semnalelor de microunde prin fotoelectroni, precum și avantajele și dezavantajele acestora. În cele din urmă, utilizarea fotoelectronilor pentru producerea de microunde are un alt avantaj, și anume că semnalul optic poate fi distribuit prin fibra optică cu pierderi foarte mici, transmisie pe distanțe lungi către fiecare terminal utilizat și apoi convertit în semnale de microunde, iar capacitatea de a rezista la interferențe electromagnetice este semnificativ îmbunătățită față de componentele electronice tradiționale.
Scrierea acestui articol este în principal pentru referință, iar combinată cu propria experiență de cercetare și experiență a autorului în acest domeniu, există inexactități și lacune, vă rugăm să înțelegeți.
Data publicării: 03 ian. 2024