Optoelectronica cu microunde, după cum sugerează și numele, este intersecția dintre cuptorul cu microunde șioptoelectronică. Microundele și undele luminoase sunt unde electromagnetice, iar frecvențele sunt diferite de 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, respectiv, greu de realizat.
Comunicare opticăeste un prim exemplu de combinație de microunde și fotoelectroni. Primele comunicații fără fir telefonice și telegrafice, generarea, propagarea și recepția semnalelor, toate au folosit dispozitive cu microunde. Undele electromagnetice de joasă frecvență sunt utilizate inițial deoarece intervalul de frecvență este mic și 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. Dar semnalul de înaltă frecvență în pierderea de propagare a aerului este mare, dar și ușor de blocat de obstacole. Dacă se folosește cablul, pierderea cablului este mare, iar transmisia pe distanțe lungi este 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 optică, comunicarea prin fibră optică a devenit coloana vertebrală a transmisiei de informații de astăzi.
Comunicarea optică are o istorie lungă, cercetarea și aplicarea sunt foarte extinse și mature, aici nu este să spun mai mult. Această lucrare prezintă în principal noul conținut de cercetare al optoelectronicii cu microunde din ultimii ani, altele decât comunicațiile optice. Optoelectronica cu microunde folosește în principal metodele și tehnologiile din domeniul optoelectronicii ca purtător pentru a îmbunătăți și atinge performanța și aplicarea care sunt dificil de realizat cu componentele electronice tradiționale cu microunde. Din perspectiva aplicării, acesta include în principal următoarele trei aspecte.
Prima este utilizarea optoelectronicii pentru a genera semnale cu microunde de înaltă performanță, cu zgomot redus, de la banda X până la banda THz.
În al doilea rând, procesarea semnalului cu microunde. Inclusiv întârziere, filtrare, conversie de frecvență, recepție și așa mai departe.
În al treilea rând, transmiterea semnalelor analogice.
În acest articol, autorul prezintă doar prima parte, generarea semnalului cu microunde. Unda milimetrică tradițională 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 de mai sus, microelectronica tradițională poate produce din ce în ce mai puțină putere, la semnalul de frecvență mai mare THz, nu pot face nimic. În al doilea rând, pentru a reduce zgomotul de fază și pentru a îmbunătăți stabilitatea frecvenței, dispozitivul original trebuie plasat într-un mediu cu temperatură extrem de scăzută. 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 diferența de frecvență a două semnale laser cu frecvență diferită, un fotodetector de înaltă frecvență este utilizat pentru a converti semnalele cu microunde, așa cum se arată în Figura 1.
Figura 1. Schema 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 semnal de frecvență THz, iar prin ajustarea frecvenței laserului poate efectua o gamă largă de conversie rapidă a frecvenței, frecvență de baleiaj. Dezavantajul este că lățimea de linie sau zgomotul de fază al semnalului de diferență de frecvență generat de două semnale laser nelegate este relativ mare, iar stabilitatea frecvenței nu este mare, mai ales dacă este un laser semiconductor cu un volum mic, dar cu o lățime de linie mare (~MHz). folosit. Dacă cerințele privind greutatea sistemului nu sunt mari, puteți utiliza lasere cu 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 diferență de frecvență, astfel încât performanța stabilității frecvenței cu microunde să fie mult îmbunătățită.
2. Pentru a rezolva problema că cele două lasere din metoda anterioară sunt incoerente și zgomotul de fază a semnalului generat este prea mare, coerența dintre cele două lasere poate fi obținută prin metoda de blocare a fazei de blocare a frecvenței de injecție sau faza de feedback negativ circuit de blocare. Figura 2 prezintă o aplicație tipică a blocării prin injecție pentru a genera multipli 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, pot fi generate semnale optice multiple de frecvențe diferite, cu distanță egală de frecvență, sau piepteni de frecvență optică. Desigur, metoda folosită în mod obișnuit pentru a obține un pieptene de frecvență optică cu spectru larg este utilizarea unui laser blocat în mod. Oricare două semnale pieptene din pieptene de frecvență optică generată sunt selectate prin filtrare și injectate în laserul 1 și, respectiv, 2 pentru a realiza blocarea frecvenței și, respectiv, fază. Deoarece faza dintre diferitele semnale de pieptene ale pieptenului de frecvență optică este relativ stabilă, astfel încât faza relativă dintre cele două lasere este stabilă, iar apoi prin metoda diferenței de frecvență așa cum este descris mai înainte, semnalul cu microunde cu frecvență multiplă al se poate obține rata de repetiție a pieptenelor de frecvență optică.
Figura 2. Schema schematică a semnalului de dublare a frecvenței de microunde generat de blocarea frecvenței de injecție.
O altă modalitate de a reduce zgomotul relativ de fază al celor două lasere este utilizarea unui PLL optic cu feedback negativ, așa cum se arată în Figura 3.
Figura 3. Schema schematică a OPL.
Principiul PLL optic este similar cu cel al PLL în domeniul electronicii. Diferența de fază a celor 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 este obținută prin realizarea unei diferențe de frecvență cu o sursă de semnal cu microunde de referință, care este amplificată. și filtrat și apoi alimentat înapoi la unitatea de control al frecvenței unuia dintre lasere (pentru laserele semiconductoare, este curentul de injecție). Printr-o astfel de buclă de control cu feedback negativ, faza de frecvență relativă dintre cele două semnale laser este blocată la semnalul cu microunde de referință. Semnalul optic combinat poate fi apoi transmis prin fibre optice la 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 în lățimea de bandă a buclei de feedback negativ blocat în fază. Zgomotul de fază din afara lățimii de bandă este egal cu zgomotul de fază relativ al celor două lasere inițiale neînrudite.
În plus, sursa de semnal cu microunde de referință poate fi, de asemenea, convertită de alte surse de semnal prin dublarea frecvenței, frecvența divizorului sau alte procese de frecvență, astfel încât semnalul cu microunde de frecvență inferioară să poată fi multidublat sau convertit în semnale RF de înaltă frecvență, 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, pieptene de frecvență optică 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 optice 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, iar un semnal cu microunde de N*frep+f1+f2 poate fi generat de diferența de frecvență dintre două lasere.
Figura 4. Diagrama schematică a generării de frecvențe arbitrare folosind piepteni de frecvență optică și PLLS.
3. Utilizați laser cu impulsuri blocate în mod pentru a converti semnalul de impuls optic în semnal cu microundefotodetector.
Principalul avantaj al acestei metode este că se poate obține un semnal cu stabilitate de frecvență foarte bună și zgomot de fază foarte scăzut. Prin blocarea frecvenței laserului la un spectru de tranziție atomic și molecular foarte stabil sau la o cavitate optică extrem de stabilă și prin utilizarea deplasării de frecvență a sistemului de autodublare a frecvenței și a altor tehnologii, putem obține un semnal de impuls optic foarte stabil cu o frecventa de repetitie foarte stabila, astfel incat sa se obtina un semnal de microunde cu zgomot de faza ultra-scazut. Figura 5.
Figura 5. Comparația zgomotului relativ de fază a diferitelor surse de semnal.
Cu toate acestea, deoarece rata de repetiție a pulsului este invers proporțională cu lungimea cavității laserului, iar laserul tradițional blocat în mod este mare, este dificil să se obțină semnale cu microunde de înaltă frecvență în mod direct. 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, cercetările au început recent în Statele Unite și Germania folosind efecte neliniare pentru a genera piepteni optici stabili la frecvență în cavități optice foarte mici, de înaltă calitate, care generează, la rândul lor, semnale cu microunde de înaltă frecvență și zgomot redus.
4. oscilator opto electronic, Figura 6.
Figura 6. Schema schematică a oscilatorului cuplat fotoelectric.
Una dintre metodele tradiționale de generare a microundelor sau laserelor este utilizarea unei bucle închise cu autofeedback, atâta timp cât câștigul în bucla închisă este mai mare decât pierderea, oscilația autoexcitată poate produce microunde sau lasere. Cu cât factorul de calitate Q al buclei închise este mai mare, cu atât faza semnalului generat sau zgomotul de frecvență este mai mic. Pentru a crește factorul de calitate al buclei, calea directă 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 moduri multiple de oscilație și, dacă se adaugă un filtru cu lățime de bandă îngustă, se poate obține un semnal de oscilație cu microunde cu zgomot redus cu o singură frecvență. Oscilatorul cuplat fotoelectric este o sursă de semnal cu microunde bazată pe această idee, folosește pe deplin caracteristicile de pierdere redusă de propagare ale fibrei, folosind o fibră mai lungă pentru a îmbunătăți valoarea buclei Q, poate produce un semnal de microunde cu zgomot de fază foarte scăzut. De când metoda a fost propusă în anii 1990, 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 sa dublă vor fi semnificativ crescute. În plus, componentele fotoelectrice utilizate sunt mai multe, costul este ridicat, volumul este greu de redus, iar fibra mai lungă este mai sensibilă la perturbările mediului.
Cele de mai sus prezintă pe scurt câteva metode de generare de fotoelectroni a semnalelor 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 pierderi foarte mici, transmisie la distanță lungă la fiecare terminal de utilizare și apoi convertit în semnale cu microunde și abilitatea de a rezista electromagnetice. interferența este semnificativ îmbunătățită 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 neînțelegere, vă rugăm să înțelegeți.
Ora postării: 03-ian-2024