Optoelectronics gelombang mikro, seperti namanya, adalah persimpangan gelombang mikro danOptoelectronics. Gelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet, dan frekuensi adalah banyak pesanan magnitud yang berbeza, dan komponen dan teknologi yang dibangunkan dalam bidang masing -masing sangat berbeza. Dalam kombinasi, kita boleh mengambil kesempatan antara satu sama lain, tetapi kita boleh mendapatkan aplikasi dan ciri -ciri baru yang sukar untuk direalisasikan.
Komunikasi optikadalah contoh utama gabungan gelombang mikro dan fotoelektrik. Telefon awal dan komunikasi tanpa wayar telegraf, generasi, penyebaran dan penerimaan isyarat, semua peranti gelombang mikro yang digunakan. Gelombang elektromagnet frekuensi rendah digunakan pada mulanya kerana julat kekerapan kecil dan kapasiti saluran untuk penghantaran adalah kecil. Penyelesaiannya adalah untuk meningkatkan kekerapan isyarat yang dihantar, semakin tinggi kekerapan, sumber spektrum yang lebih banyak. Tetapi isyarat frekuensi tinggi dalam kehilangan penyebaran udara adalah besar, tetapi juga mudah disekat oleh halangan. Jika kabel digunakan, kehilangan kabel adalah besar, dan penghantaran jarak jauh adalah masalah. Kemunculan komunikasi serat optik adalah penyelesaian yang baik untuk masalah ini.Serat optikMempunyai kehilangan penghantaran yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk menghantar isyarat dalam jarak jauh. Julat frekuensi gelombang cahaya jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan boleh menghantar banyak saluran yang berbeza secara serentak. Kerana kelebihan inipenghantaran optik, komunikasi serat optik telah menjadi tulang belakang penghantaran maklumat hari ini.
Komunikasi optik mempunyai sejarah yang panjang, penyelidikan dan aplikasi sangat luas dan matang, di sini bukan untuk mengatakan lebih banyak. Makalah ini terutamanya memperkenalkan kandungan penyelidikan baru optoelektronik gelombang mikro pada tahun -tahun kebelakangan ini selain komunikasi optik. Optoelektronik gelombang mikro terutamanya menggunakan kaedah dan teknologi dalam bidang optoelektronik sebagai pembawa untuk memperbaiki dan mencapai prestasi dan aplikasi yang sukar dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif permohonan, ia merangkumi tiga aspek berikut.
Yang pertama ialah penggunaan optoelectronics untuk menjana isyarat gelombang mikro yang berprestasi tinggi dan rendah, dari X-band sepanjang jalan ke band THZ.
Kedua, pemprosesan isyarat gelombang mikro. Termasuk kelewatan, penapisan, penukaran kekerapan, penerimaan dan sebagainya.
Ketiga, penghantaran isyarat analog.
Dalam artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bahagian pertama, penjanaan isyarat gelombang mikro. Gelombang milimeter gelombang mikro tradisional terutamanya dihasilkan oleh komponen mikroelektronik III_V. Keterbatasannya mempunyai titik berikut: Pertama, frekuensi tinggi seperti 100GHz di atas, mikroelektronik tradisional dapat menghasilkan kuasa yang kurang dan kurang, kepada isyarat THz frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak dapat melakukan apa -apa. Kedua, untuk mengurangkan bunyi fasa dan meningkatkan kestabilan frekuensi, peranti asal perlu diletakkan dalam persekitaran suhu yang sangat rendah. Ketiga, sukar untuk mencapai pelbagai penukaran kekerapan modulasi frekuensi. Untuk menyelesaikan masalah ini, teknologi optoelektronik boleh memainkan peranan. Kaedah utama diterangkan di bawah.
1. Melalui kekerapan perbezaan dua isyarat laser frekuensi yang berbeza, photodetector frekuensi tinggi digunakan untuk menukar isyarat gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1. Skema gambarajah gelombang mikro yang dihasilkan oleh kekerapan perbezaan dualaser.
Kelebihan kaedah ini adalah struktur yang mudah, boleh menghasilkan gelombang milimeter frekuensi yang sangat tinggi dan juga isyarat kekerapan THz, dan dengan menyesuaikan kekerapan laser boleh menjalankan pelbagai penukaran frekuensi cepat, kekerapan sapu. Kelemahannya adalah bahawa bunyi linewidth atau fasa isyarat frekuensi perbezaan yang dihasilkan oleh dua isyarat laser yang tidak berkaitan adalah agak besar, dan kestabilan kekerapan tidak tinggi, terutama jika laser semikonduktor dengan jumlah kecil tetapi linewidth besar (~ MHz) digunakan. Sekiranya keperluan volum berat sistem tidak tinggi, anda boleh menggunakan laser keadaan pepejal yang rendah (~ kHz),laser serat, rongga luaranlaser semikonduktor, dan lain -lain. Di samping itu, dua mod isyarat laser yang dihasilkan dalam rongga laser yang sama juga boleh digunakan untuk menghasilkan kekerapan perbezaan, supaya prestasi kestabilan frekuensi gelombang mikro semakin bertambah baik.
2. Rajah 2 menunjukkan penggunaan tipikal penguncian suntikan untuk menghasilkan gandaan gelombang mikro (Rajah 2). Dengan secara langsung menyuntik isyarat arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fasa Linbo3, isyarat optik pelbagai frekuensi yang berbeza dengan jarak frekuensi yang sama dapat dihasilkan, atau gabungan frekuensi optik. Sudah tentu, kaedah yang biasa digunakan untuk mendapatkan sikat frekuensi optik spektrum yang luas adalah dengan menggunakan laser terkunci mod. Mana -mana dua isyarat sikat dalam sikat frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan penapisan dan disuntik ke dalam laser 1 dan 2 masing -masing untuk merealisasikan kekerapan dan penguncian fasa masing -masing. Kerana fasa di antara isyarat sikat yang berlainan dari sikat kekerapan optik agak stabil, supaya fasa relatif antara kedua-dua laser stabil, dan kemudian dengan kaedah kekerapan perbezaan seperti yang diterangkan sebelum ini, isyarat gelombang mikro frekuensi multi-kali ganda kadar pengulangan kekerapan optik boleh diperolehi.
Rajah 2. Skema gambarajah frekuensi gelombang mikro dua kali ganda isyarat yang dihasilkan oleh penguncian kekerapan suntikan.
Satu lagi cara untuk mengurangkan bunyi fasa relatif kedua -dua laser adalah menggunakan PLL optik maklum balas negatif, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.
Rajah 3 gambarajah skematik OPL.
Prinsip PLL optik adalah serupa dengan PLL dalam bidang elektronik. Perbezaan fasa kedua -dua laser ditukar menjadi isyarat elektrik oleh photodetector (bersamaan dengan pengesan fasa), dan kemudian perbezaan fasa antara kedua -dua laser diperolehi dengan membuat kekerapan perbezaan dengan sumber isyarat gelombang mikro, yang dikuatkan dan ditapis dan kemudian dimasukkan ke dalam unit kawalan. Melalui gelung kawalan maklum balas yang negatif, fasa kekerapan relatif antara kedua -dua isyarat laser dikunci ke isyarat gelombang mikro rujukan. Isyarat optik gabungan kemudiannya boleh dihantar melalui gentian optik ke photodetector di tempat lain dan ditukar menjadi isyarat gelombang mikro. Kebisingan fasa yang dihasilkan dari isyarat gelombang mikro hampir sama dengan isyarat rujukan dalam jalur lebar gelung maklum balas negatif yang terkunci fasa. Kebisingan fasa di luar jalur lebar adalah sama dengan bunyi fasa relatif dua laser asal yang tidak berkaitan.
Di samping itu, sumber isyarat gelombang mikro rujukan juga boleh ditukar oleh sumber isyarat lain melalui frekuensi dua kali ganda, kekerapan pembahagi, atau pemprosesan frekuensi lain, supaya isyarat gelombang mikro kekerapan yang lebih rendah dapat dihidupkan, atau ditukar kepada RF frekuensi tinggi, isyarat THZ.
Berbanding penguncian kekerapan suntikan hanya dapat memperoleh kekerapan dua kali ganda, gelung terkunci fasa lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir sewenang-wenang, dan tentu saja lebih kompleks. Contohnya, sikat kekerapan optik yang dihasilkan oleh modulator fotoelektrik dalam Rajah 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan gelung terkunci fasa optik digunakan untuk mengunci kekerapan dua laser ke dua isyarat sikat optik, dan kemudian menghasilkan isyarat frekuensi tinggi melalui N*FREP+F1+F2 boleh dihasilkan oleh kekerapan perbezaan antara kedua -dua laser.
Rajah 4. Gambarajah skematik menghasilkan frekuensi sewenang -wenang menggunakan sikat frekuensi optik dan PLL.
3. Gunakan laser nadi terkunci mod untuk menukar isyarat nadi optik ke dalam isyarat gelombang mikro melaluiPhotodetector.
Kelebihan utama kaedah ini ialah isyarat dengan kestabilan frekuensi yang sangat baik dan bunyi fasa yang sangat rendah dapat diperolehi. Dengan mengunci kekerapan laser ke spektrum peralihan atom dan molekul yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, dan penggunaan frekuensi kekerapan kekerapan kekerapan kekerapan dan teknologi lain, kita boleh mendapatkan isyarat pulse optik yang sangat stabil dengan kekerapan pengulangan yang sangat stabil, sehingga untuk mendapatkan isyarat mikro-mikro. Rajah 5.
Rajah 5. Perbandingan bunyi fasa relatif sumber isyarat yang berbeza.
Walau bagaimanapun, kerana kadar pengulangan nadi adalah berkadar songsang dengan panjang rongga laser, dan laser terkunci mod tradisional adalah besar, sukar untuk mendapatkan isyarat gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Di samping itu, saiz, berat dan penggunaan tenaga laser berdenyut tradisional, serta keperluan alam sekitar yang keras, mengehadkan aplikasi makmalnya. Untuk mengatasi kesukaran ini, penyelidikan baru-baru ini bermula di Amerika Syarikat dan Jerman menggunakan kesan tak linear untuk menjana sikat optik frekuensi yang stabil dalam rongga optik mod yang sangat kecil, berkualiti tinggi, yang seterusnya menjana isyarat gelombang mikro berkumpul tinggi.
4. Opto pengayun elektronik, Rajah 6.
Rajah 6. Skema gambarajah pengayun fotoelektrik.
Salah satu kaedah tradisional untuk menghasilkan gelombang mikro atau laser adalah menggunakan gelung tertutup maklum balas diri, selagi keuntungan dalam gelung tertutup adalah lebih besar daripada kerugian, ayunan diri yang diluahkan dapat menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualiti Q gelung tertutup, semakin kecil fasa isyarat yang dihasilkan atau bunyi kekerapan. Untuk meningkatkan faktor kualiti gelung, cara langsung adalah untuk meningkatkan panjang gelung dan meminimumkan kehilangan penyebaran. Walau bagaimanapun, gelung yang lebih panjang biasanya boleh menyokong penjanaan pelbagai mod ayunan, dan jika penapis jalur sempit ditambah, isyarat ayunan gelombang mikro yang rendah frekuensi boleh diperolehi. Pengayun yang digabungkan dengan fotoelektrik adalah sumber isyarat gelombang mikro berdasarkan idea ini, ia memanfaatkan sepenuhnya ciri -ciri kehilangan penyebaran serat yang rendah, menggunakan serat yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai gel gelung, boleh menghasilkan isyarat gelombang mikro dengan bunyi fasa yang sangat rendah. Sejak kaedah itu dicadangkan pada tahun 1990 -an, jenis pengayun ini telah menerima penyelidikan yang luas dan pembangunan yang besar, dan kini terdapat pengayun fotoelektrik komersial. Baru -baru ini, pengayun fotoelektrik yang frekuensi boleh diselaraskan dalam pelbagai jenis telah dibangunkan. Masalah utama sumber isyarat gelombang mikro berdasarkan seni bina ini adalah bahawa gelung itu panjang, dan bunyi bising dalam aliran bebas (FSR) dan kekerapan gandanya akan meningkat dengan ketara. Di samping itu, komponen fotoelektrik yang digunakan lebih banyak, kosnya tinggi, jumlahnya sukar dikurangkan, dan serat yang lebih lama lebih sensitif terhadap gangguan alam sekitar.
Di atas secara ringkas memperkenalkan beberapa kaedah generasi fotoelektron isyarat gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangan mereka. Akhirnya, penggunaan fotoelektrik untuk menghasilkan gelombang mikro mempunyai kelebihan lain ialah isyarat optik boleh diedarkan melalui serat optik dengan kehilangan yang sangat rendah, penghantaran jarak jauh ke setiap terminal penggunaan dan kemudian ditukar kepada isyarat gelombang mikro, dan keupayaan untuk menahan gangguan elektromagnetik dengan ketara daripada komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini terutamanya untuk rujukan, dan digabungkan dengan pengalaman dan pengalaman penyelidikan pengarang sendiri dalam bidang ini, terdapat ketidaktepatan dan tidak dapat difahami, sila faham.
Masa Post: Jan-03-2024