Optoelektronik gelombang mikro, seperti namanya, ialah persilangan gelombang mikro danoptoelektronikGelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet, dan frekuensinya berbeza banyak peringkat magnitud, dan komponen serta teknologi yang dibangunkan dalam bidang masing-masing adalah sangat berbeza. Secara gabungan, kita boleh memanfaatkan antara satu sama lain, tetapi kita boleh mendapatkan aplikasi dan ciri baharu yang masing-masing sukar untuk direalisasikan.
Komunikasi optikmerupakan contoh utama gabungan gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi tanpa wayar telefon dan telegraf awal, penjanaan, penyebaran dan penerimaan isyarat, semuanya menggunakan peranti gelombang mikro. Gelombang elektromagnet frekuensi rendah digunakan pada mulanya kerana julat frekuensinya kecil dan kapasiti saluran untuk penghantarannya kecil. Penyelesaiannya adalah untuk meningkatkan frekuensi isyarat yang dihantar, semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak sumber spektrum. Tetapi kehilangan penyebaran isyarat frekuensi tinggi dalam udara adalah besar, tetapi juga mudah disekat oleh halangan. Jika kabel digunakan, kehilangan kabel adalah besar, dan penghantaran jarak jauh adalah satu masalah. Kemunculan komunikasi gentian optik adalah penyelesaian yang baik untuk masalah ini.Serat optikmempunyai kehilangan penghantaran yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk menghantar isyarat pada jarak yang jauh. Julat frekuensi gelombang cahaya jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan boleh menghantar banyak saluran yang berbeza secara serentak. Disebabkan oleh kelebihan inipenghantaran optik, komunikasi gentian optik telah menjadi tulang belakang penghantaran maklumat masa kini.
Komunikasi optik mempunyai sejarah yang panjang, penyelidikan dan aplikasinya sangat luas dan matang, tidak perlu dikatakan lagi. Kertas kerja ini terutamanya memperkenalkan kandungan penyelidikan baharu optoelektronik gelombang mikro dalam beberapa tahun kebelakangan ini selain daripada komunikasi optik. Optoelektronik gelombang mikro terutamanya menggunakan kaedah dan teknologi dalam bidang optoelektronik sebagai pembawa untuk meningkatkan dan mencapai prestasi dan aplikasi yang sukar dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif aplikasi, ia terutamanya merangkumi tiga aspek berikut.
Yang pertama ialah penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan isyarat gelombang mikro berprestasi tinggi dan hingar rendah, dari jalur X hingga ke jalur THz.
Kedua, pemprosesan isyarat gelombang mikro. Termasuk kelewatan, penapisan, penukaran frekuensi, penerimaan dan sebagainya.
Ketiga, penghantaran isyarat analog.
Dalam artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bahagian pertama, iaitu penjanaan isyarat gelombang mikro. Gelombang milimeter gelombang mikro tradisional terutamanya dijana oleh komponen mikroelektronik iii_V. Batasannya mempunyai perkara berikut: Pertama, kepada frekuensi tinggi seperti 100GHz di atas, mikroelektronik tradisional boleh menghasilkan kuasa yang semakin berkurangan, manakala kepada isyarat THz frekuensi yang lebih tinggi, ia tidak boleh berbuat apa-apa. Kedua, untuk mengurangkan hingar fasa dan meningkatkan kestabilan frekuensi, peranti asal perlu diletakkan dalam persekitaran suhu yang sangat rendah. Ketiga, sukar untuk mencapai pelbagai penukaran frekuensi modulasi frekuensi. Untuk menyelesaikan masalah ini, teknologi optoelektronik boleh memainkan peranan. Kaedah utama diterangkan di bawah.
1. Melalui frekuensi perbezaan dua isyarat laser frekuensi yang berbeza, fotodetektor frekuensi tinggi digunakan untuk menukar isyarat gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1. Gambarajah skematik gelombang mikro yang dihasilkan oleh perbezaan frekuensi dualaser.
Kelebihan kaedah ini adalah struktur yang mudah, boleh menjana gelombang milimeter frekuensi yang sangat tinggi dan juga isyarat frekuensi THz, dan dengan melaraskan frekuensi laser boleh menjalankan pelbagai penukaran frekuensi pantas, frekuensi sapuan. Kelemahannya ialah lebar garis atau hingar fasa isyarat frekuensi perbezaan yang dijana oleh dua isyarat laser yang tidak berkaitan agak besar, dan kestabilan frekuensi tidak tinggi, terutamanya jika laser semikonduktor dengan isipadu kecil tetapi lebar garis besar (~MHz) digunakan. Jika keperluan isipadu berat sistem tidak tinggi, anda boleh menggunakan laser keadaan pepejal hingar rendah (~kHz).laser gentian, rongga luaranlaser semikonduktor, dsb. Di samping itu, dua mod isyarat laser berbeza yang dijana dalam rongga laser yang sama juga boleh digunakan untuk menjana frekuensi yang berbeza, supaya prestasi kestabilan frekuensi gelombang mikro dipertingkatkan dengan ketara.
2. Untuk menyelesaikan masalah bahawa kedua-dua laser dalam kaedah sebelumnya tidak koheren dan hingar fasa isyarat yang dihasilkan terlalu besar, koheren antara kedua-dua laser boleh diperolehi melalui kaedah penguncian fasa penguncian frekuensi suntikan atau litar penguncian fasa maklum balas negatif. Rajah 2 menunjukkan aplikasi tipikal penguncian suntikan untuk menjana gandaan gelombang mikro (Rajah 2). Dengan menyuntik secara langsung isyarat arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fasa LinBO3, pelbagai isyarat optik frekuensi berbeza dengan jarak frekuensi yang sama boleh dijana, atau sikat frekuensi optik. Sudah tentu, kaedah yang biasa digunakan untuk mendapatkan sikat frekuensi optik spektrum luas adalah dengan menggunakan laser berkunci mod. Mana-mana dua isyarat sikat dalam sikat frekuensi optik yang dijana dipilih dengan menapis dan disuntik ke dalam laser 1 dan 2 masing-masing untuk mencapai frekuensi dan penguncian fasa masing-masing. Oleh kerana fasa antara isyarat sikat yang berbeza bagi sikat frekuensi optik adalah agak stabil, jadi fasa relatif antara kedua-dua laser adalah stabil, dan kemudian melalui kaedah frekuensi berbeza seperti yang diterangkan sebelum ini, isyarat gelombang mikro frekuensi berbilang kali ganda bagi kadar pengulangan sikat frekuensi optik boleh diperolehi.
Rajah 2. Gambarajah skematik isyarat penggandaan frekuensi gelombang mikro yang dijana oleh penguncian frekuensi suntikan.
Satu lagi cara untuk mengurangkan hingar fasa relatif kedua-dua laser adalah dengan 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 fotodetektor (bersamaan dengan pengesan fasa), dan kemudian perbezaan fasa antara kedua-dua laser diperoleh dengan membuat perbezaan frekuensi dengan sumber isyarat gelombang mikro rujukan, yang dikuatkan dan ditapis dan kemudian diumpan balik ke unit kawalan frekuensi salah satu laser (untuk laser semikonduktor, ia adalah arus suntikan). Melalui gelung kawalan maklum balas negatif sedemikian, fasa frekuensi relatif antara dua isyarat laser dikunci kepada isyarat gelombang mikro rujukan. Isyarat optik gabungan kemudiannya boleh dihantar melalui gentian optik ke fotodetektor di tempat lain dan ditukar menjadi isyarat gelombang mikro. Bunyi fasa yang terhasil daripada isyarat gelombang mikro hampir sama dengan isyarat rujukan dalam lebar jalur gelung maklum balas negatif terkunci fasa. Bunyi fasa di luar lebar jalur 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 penggandaan frekuensi, frekuensi pembahagi atau pemprosesan frekuensi lain, supaya isyarat gelombang mikro frekuensi rendah boleh digandakan berbilang atau ditukar kepada isyarat RF frekuensi tinggi, THz.
Berbanding dengan penguncian frekuensi suntikan, hanya boleh memperoleh penggandaan frekuensi, gelung terkunci fasa lebih fleksibel, boleh menghasilkan frekuensi yang hampir sewenang-wenangnya, dan sudah tentu lebih kompleks. Contohnya, sikat frekuensi optik yang dihasilkan oleh modulator fotoelektrik dalam Rajah 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan gelung terkunci fasa optik digunakan untuk mengunci frekuensi dua laser secara selektif kepada dua isyarat sikat optik, dan kemudian menghasilkan isyarat frekuensi tinggi melalui frekuensi perbezaan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. f1 dan f2 masing-masing adalah frekuensi isyarat rujukan dua PLLS, dan isyarat gelombang mikro N*frep+f1+f2 boleh dijana oleh frekuensi perbezaan antara dua laser.
Rajah 4. Gambarajah skematik penjanaan frekuensi sewenang-wenangnya menggunakan sikat frekuensi optik dan PLLS.
3. Gunakan laser denyut berkunci mod untuk menukar isyarat denyut optik kepada isyarat gelombang mikro melaluipengesan foto.
Kelebihan utama kaedah ini ialah isyarat dengan kestabilan frekuensi yang sangat baik dan hingar fasa yang sangat rendah boleh diperolehi. Dengan mengunci frekuensi laser kepada spektrum peralihan atom dan molekul yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, dan penggunaan sistem penghapusan frekuensi penggandaan sendiri anjakan frekuensi dan teknologi lain, kita boleh mendapatkan isyarat denyut optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil, untuk mendapatkan isyarat gelombang mikro dengan hingar fasa ultra rendah. Rajah 5.
Rajah 5. Perbandingan hingar fasa relatif bagi sumber isyarat yang berbeza.
Walau bagaimanapun, oleh kerana kadar pengulangan denyutan berkadar songsang dengan panjang rongga laser, dan laser berkunci mod tradisional adalah besar, adalah sukar untuk mendapatkan isyarat gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Di samping itu, saiz, berat dan penggunaan tenaga laser berdenyut tradisional, serta keperluan persekitaran yang keras, mengehadkan aplikasi makmalnya. Untuk mengatasi kesukaran ini, penyelidikan baru-baru ini telah dimulakan di Amerika Syarikat dan Jerman menggunakan kesan tak linear untuk menghasilkan sikat optik yang stabil frekuensi dalam rongga optik mod kicauan yang sangat kecil dan berkualiti tinggi, yang seterusnya menghasilkan isyarat gelombang mikro hingar rendah frekuensi tinggi.
4. pengayun opto elektronik, Rajah 6.
Rajah 6. Gambarajah skematik pengayun bergandingan fotoelektrik.
Salah satu kaedah tradisional untuk menjana gelombang mikro atau laser adalah dengan menggunakan gelung tertutup maklum balas kendiri. Selagi gandaan dalam gelung tertutup lebih besar daripada kerugian, ayunan teruja kendiri boleh menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualiti Q bagi gelung tertutup, semakin kecil hingar fasa atau frekuensi isyarat yang dijana. Untuk meningkatkan faktor kualiti gelung, cara langsung adalah dengan meningkatkan panjang gelung dan meminimumkan kehilangan perambatan. Walau bagaimanapun, gelung yang lebih panjang biasanya boleh menyokong penjanaan pelbagai mod ayunan, dan jika penapis jalur lebar sempit ditambah, isyarat ayunan gelombang mikro hingar rendah frekuensi tunggal boleh diperolehi. Pengayun gandingan fotoelektrik adalah sumber isyarat gelombang mikro berdasarkan idea ini, ia menggunakan sepenuhnya ciri kehilangan perambatan rendah gentian, menggunakan gentian yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai gelung Q, boleh menghasilkan isyarat gelombang mikro dengan hingar fasa yang sangat rendah. Sejak kaedah ini dicadangkan pada tahun 1990-an, pengayun jenis ini telah menerima penyelidikan yang meluas dan pembangunan yang besar, dan kini terdapat pengayun gandingan fotoelektrik komersial. Baru-baru ini, pengayun fotoelektrik yang frekuensinya boleh dilaraskan dalam julat yang luas telah dibangunkan. Masalah utama sumber isyarat gelombang mikro berdasarkan seni bina ini ialah gelungnya panjang, dan hingar dalam aliran bebasnya (FSR) dan frekuensi bergandanya akan meningkat dengan ketara. Di samping itu, komponen fotoelektrik yang digunakan adalah lebih banyak, kosnya tinggi, isipadunya sukar dikurangkan, dan gentian yang lebih panjang lebih sensitif terhadap gangguan persekitaran.
Perkara di atas memperkenalkan secara ringkas beberapa kaedah penjanaan fotoelektron bagi isyarat gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangannya. Akhir sekali, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro mempunyai satu lagi kelebihan iaitu isyarat optik boleh diagihkan melalui gentian optik dengan kehilangan yang sangat rendah, penghantaran jarak jauh ke setiap terminal penggunaan dan kemudian ditukar menjadi isyarat gelombang mikro, dan keupayaan untuk menahan gangguan elektromagnet adalah jauh lebih baik berbanding komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini terutamanya untuk rujukan, dan digabungkan dengan pengalaman penyelidikan dan pengalaman penulis sendiri dalam bidang ini, terdapat ketidaktepatan dan ketidaksempurnaan, harap difahami.
Masa siaran: 03-Jan-2024