Optoelektronik gelombang mikro, seperti namanya, adalah persimpangan gelombang mikro danoptoelektronik.Gelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet, dan frekuensinya adalah banyak urutan magnitud yang berbeza, dan komponen dan teknologi yang dibangunkan dalam bidang masing-masing adalah sangat berbeza.Secara gabungan, kita boleh mengambil kesempatan antara satu sama lain, tetapi kita boleh mendapatkan aplikasi dan ciri baharu yang masing-masing sukar untuk direalisasikan.
Komunikasi optikadalah contoh utama gabungan gelombang mikro dan fotoelektron.Komunikasi tanpa wayar telefon dan telegraf awal, penjanaan, penyebaran dan penerimaan isyarat, semua peranti gelombang mikro yang digunakan.Gelombang elektromagnet frekuensi rendah digunakan pada mulanya kerana julat frekuensi adalah kecil dan kapasiti saluran untuk penghantaran adalah kecil.Penyelesaiannya adalah untuk meningkatkan frekuensi isyarat yang dihantar, lebih tinggi frekuensi, lebih banyak sumber spektrum.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 menjadi masalah.Kemunculan komunikasi gentian optik adalah penyelesaian yang baik untuk masalah ini.Gentian optikmempunyai kehilangan penghantaran yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk menghantar isyarat pada jarak jauh.Julat frekuensi gelombang cahaya adalah jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan boleh menghantar banyak saluran yang berbeza secara serentak.Kerana kelebihan inipenghantaran optik, komunikasi gentian optik telah menjadi tulang belakang penghantaran maklumat masa kini.
Komunikasi optik mempunyai sejarah yang panjang, penyelidikan dan aplikasi adalah sangat luas dan matang, di sini bukan untuk mengatakan lebih.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 menambah baik dan mencapai prestasi dan aplikasi yang sukar dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional.Dari perspektif aplikasi, ia merangkumi tiga aspek berikut.
Yang pertama ialah penggunaan optoelektronik untuk menjana isyarat gelombang mikro berprestasi tinggi, bunyi rendah, daripada 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 dijana terutamanya oleh komponen mikroelektronik iii_V.Hadnya mempunyai perkara berikut: Pertama, kepada frekuensi tinggi seperti 100GHz di atas, mikroelektronik tradisional boleh menghasilkan kuasa yang semakin berkurangan, kepada isyarat THz frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak boleh berbuat 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 frekuensi 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, pengesan foto frekuensi tinggi digunakan untuk menukar isyarat gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1. Gambarajah skematik gelombang mikro yang dihasilkan oleh kekerapan perbezaan dualaser.
Kelebihan kaedah ini adalah struktur mudah, boleh menghasilkan gelombang milimeter frekuensi yang sangat tinggi dan juga isyarat frekuensi THz, dan dengan melaraskan frekuensi laser boleh menjalankan julat besar penukaran frekuensi cepat, frekuensi sapuan.Kelemahannya ialah bunyi lebar talian atau fasa bagi isyarat frekuensi perbezaan yang dihasilkan oleh dua isyarat laser yang tidak berkaitan adalah agak besar, dan kestabilan frekuensi tidak tinggi, terutamanya jika laser semikonduktor dengan volum kecil tetapi lebar talian besar (~MHz) adalah digunakan.Jika keperluan volum berat sistem tidak tinggi, anda boleh menggunakan laser keadaan pepejal hingar rendah (~kHz),laser gentian, rongga luarlaser semikonduktor, dsb. Di samping itu, dua mod berbeza isyarat laser yang dihasilkan dalam rongga laser yang sama juga boleh digunakan untuk menjana kekerapan perbezaan, supaya prestasi kestabilan frekuensi gelombang mikro bertambah baik.
2. Untuk menyelesaikan masalah bahawa kedua-dua laser dalam kaedah sebelumnya tidak koheren dan bunyi fasa isyarat yang dihasilkan adalah terlalu besar, keselarasan antara kedua-dua laser boleh diperolehi dengan kaedah penguncian fasa pengunci frekuensi suntikan atau fasa maklum balas negatif. litar mengunci.Rajah 2 menunjukkan aplikasi tipikal penguncian suntikan untuk menjana gandaan gelombang mikro (Rajah 2).Dengan menyuntik terus isyarat arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fasa LinBO3, isyarat optik berbilang frekuensi berbeza dengan jarak frekuensi yang sama boleh dihasilkan, atau sikat frekuensi optik.Sudah tentu, kaedah yang biasa digunakan untuk mendapatkan sikat frekuensi optik spektrum luas adalah dengan menggunakan laser terkunci mod.Mana-mana dua isyarat sikat dalam sikat frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan menapis dan disuntik ke dalam laser 1 dan 2 masing-masing untuk merealisasikan penguncian frekuensi dan fasa masing-masing.Kerana fasa antara isyarat sikat berbeza sikat frekuensi optik adalah agak stabil, supaya fasa relatif antara kedua-dua laser adalah stabil, dan kemudian dengan kaedah kekerapan perbezaan seperti yang diterangkan sebelum ini, isyarat gelombang mikro frekuensi berbilang kali ganda kadar pengulangan sikat frekuensi optik boleh diperolehi.
Rajah 2. Gambar rajah skema isyarat penggandaan frekuensi gelombang mikro yang dihasilkan 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 optikal adalah serupa dengan PLL dalam bidang elektronik.Perbezaan fasa kedua-dua laser ditukar kepada isyarat elektrik oleh pengesan foto (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 disalurkan semula 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 pengesan foto di tempat lain dan ditukar kepada isyarat gelombang mikro.Bunyi fasa isyarat gelombang mikro yang terhasil adalah 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 bagi dua laser asal yang tidak berkaitan.
Di samping itu, sumber isyarat gelombang mikro rujukan juga boleh ditukar oleh sumber isyarat lain melalui penggandaan frekuensi, kekerapan pembahagi, atau pemprosesan frekuensi lain, supaya isyarat gelombang mikro frekuensi rendah boleh digandakan, atau ditukar kepada isyarat RF, THz frekuensi tinggi.
Berbanding dengan penguncian kekerapan suntikan hanya boleh memperoleh penggandaan kekerapan, gelung terkunci fasa lebih fleksibel, boleh menghasilkan frekuensi yang hampir sewenang-wenangnya, dan sudah tentu lebih kompleks.Sebagai contoh, 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 menjana isyarat frekuensi tinggi melalui kekerapan perbezaan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. f1 dan f2 ialah frekuensi isyarat rujukan bagi kedua-dua PLLS masing-masing, dan isyarat gelombang mikro N*frep+f1+f2 boleh dijana oleh kekerapan perbezaan antara dua laser.
Rajah 4. Gambarajah skematik menjana frekuensi arbitrari menggunakan sikat frekuensi optik dan PLLS.
3. Gunakan laser nadi terkunci mod untuk menukar isyarat nadi optik kepada isyarat gelombang mikro melaluipengesan foto.
Kelebihan utama kaedah ini ialah isyarat dengan kestabilan frekuensi yang sangat baik dan bunyi 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 peralihan frekuensi sistem penghapusan frekuensi penggandaan sendiri dan teknologi lain, kita boleh mendapatkan isyarat nadi optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil, untuk mendapatkan isyarat gelombang mikro dengan bunyi fasa ultra-rendah.Rajah 5.
Rajah 5. Perbandingan bunyi fasa relatif bagi 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 persekitaran yang keras, mengehadkan aplikasi terutamanya makmal mereka.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 berkualiti tinggi yang sangat kecil, yang seterusnya menjana isyarat gelombang mikro hingar rendah frekuensi tinggi.
4. pengayun elektronik opto, Rajah 6.
Rajah 6. Gambarajah skematik pengayun berganding fotoelektrik.
Salah satu kaedah tradisional untuk menghasilkan gelombang mikro atau laser ialah menggunakan gelung tertutup maklum balas sendiri, selagi keuntungan dalam gelung tertutup lebih besar daripada kerugian, ayunan yang teruja sendiri boleh menghasilkan gelombang mikro atau laser.Semakin tinggi faktor kualiti Q bagi gelung tertutup, semakin kecil bunyi fasa isyarat atau frekuensi yang dihasilkan.Untuk meningkatkan faktor kualiti gelung, cara langsung ialah menambah panjang gelung dan meminimumkan kehilangan perambatan.Walau bagaimanapun, gelung yang lebih panjang biasanya boleh menyokong penjanaan pelbagai mod ayunan, dan jika penapis lebar jalur sempit ditambah, isyarat ayunan gelombang mikro hingar rendah frekuensi tunggal boleh diperolehi.Pengayun berganding fotoelektrik ialah 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 bunyi fasa yang sangat rendah.Sejak kaedah itu dicadangkan pada tahun 1990-an, pengayun jenis ini telah menerima penyelidikan yang meluas dan pembangunan yang banyak, dan pada masa ini terdapat pengayun berganding 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 lebih banyak, kosnya tinggi, volum sukar dikurangkan, dan serat yang lebih panjang lebih sensitif terhadap gangguan alam sekitar.
Di atas secara ringkas memperkenalkan beberapa kaedah penjanaan fotoelektron isyarat gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangannya.Akhir sekali, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro mempunyai kelebihan lain ialah isyarat optik boleh diedarkan melalui gentian optik dengan kehilangan yang sangat rendah, penghantaran jarak jauh ke setiap terminal penggunaan dan kemudian ditukar kepada isyarat gelombang mikro, dan keupayaan untuk menentang elektromagnet. gangguan bertambah baik dengan ketara berbanding komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini adalah terutamanya untuk rujukan, dan digabungkan dengan pengalaman penyelidikan dan pengalaman penulis sendiri dalam bidang ini, terdapat ketidaktepatan dan tidak komprehensif, harap maklum.
Masa siaran: Jan-03-2024