Mikrohullámú optoelektronika, ahogy a neve is sugallja, a mikrohullám és aoptoelektronikaA mikrohullámok és a fényhullámok elektromágneses hullámok, a frekvenciák nagyságrendekkel eltérőek, és az egyes területeken kifejlesztett komponensek és technológiák is nagyon eltérőek. Kombinációban kihasználhatjuk egymás előnyeit, de új alkalmazásokat és jellemzőket kaphatunk, amelyeket külön-külön nehéz megvalósítani.
Optikai kommunikációA mikrohullámok és a fotoelektronok kombinációjának kiváló példája. A korai telefon- és távíró vezeték nélküli kommunikáció, a jelek generálása, továbbítása és vétele mind mikrohullámú eszközöket használt. Kezdetben alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámokat használtak, mivel a frekvenciatartomány kicsi, és az átviteli csatorna kapacitása kicsi. A megoldás az átvitt jel frekvenciájának növelése, minél magasabb a frekvencia, annál több spektrumforrás áll rendelkezésre. A levegőben lévő nagyfrekvenciás jel terjedési vesztesége azonban nagy, és könnyen blokkolható akadályokkal. Kábel használata esetén a kábel vesztesége nagy, és a nagy távolságú átvitel problémát jelent. Az optikai szálas kommunikáció megjelenése jó megoldást jelent ezekre a problémákra.Optikai szálnagyon alacsony az átviteli vesztesége, és kiváló vivőanyag a jelek nagy távolságra történő továbbítására. A fényhullámok frekvenciatartománya sokkal nagyobb, mint a mikrohullámoké, és egyszerre sok különböző csatornát képes továbbítani. Ezen előnyök miattoptikai átvitelAz optikai szálas kommunikáció a mai információátvitel gerincévé vált.
Az optikai kommunikációnak hosszú története van, a kutatás és az alkalmazások rendkívül kiterjedtek és kiforrtak, nem is beszélve erről. Ez a tanulmány főként a mikrohullámú optoelektronika optikai kommunikáción kívüli új kutatási tartalmait mutatja be az elmúlt években. A mikrohullámú optoelektronika elsősorban az optoelektronika területén alkalmazott módszereket és technológiákat használja hordozóként a hagyományos mikrohullámú elektronikus alkatrészekkel nehezen elérhető teljesítmény és alkalmazási területek javítása és elérése érdekében. Az alkalmazás szempontjából főként a következő három szempontot foglalja magában.
Az első az optoelektronika használata nagy teljesítményű, alacsony zajszintű mikrohullámú jelek előállítására, az X-sávtól egészen a THz-sávig.
Másodszor, mikrohullámú jelfeldolgozás. Beleértve a késleltetést, szűrést, frekvenciaátalakítást, vételt és így tovább.
Harmadszor, az analóg jelek továbbítása.
Ebben a cikkben a szerző csak az első részt, a mikrohullámú jel generálását mutatja be. A hagyományos mikrohullámú milliméteres hullámot főként iii_V mikroelektronikai alkatrészek állítják elő. Korlátai a következők: Először is, a magas frekvenciákon, például 100 GHz felett, a hagyományos mikroelektronikai eszközök egyre kevesebb energiát tudnak előállítani, a magasabb frekvenciájú THz jellel szemben pedig semmit sem tudnak tenni. Másodszor, a fáziszaj csökkentése és a frekvenciastabilitás javítása érdekében az eredeti eszközt rendkívül alacsony hőmérsékletű környezetbe kell helyezni. Harmadszor, nehéz széles frekvenciamodulációs frekvenciaátalakítási tartományt elérni. Ezen problémák megoldásában az optoelektronikai technológia játszhat szerepet. A főbb módszereket az alábbiakban ismertetjük.
1. Két különböző frekvenciájú lézerjel különbségi frekvenciáján keresztül egy nagyfrekvenciás fotodetektort használnak mikrohullámú jelek átalakítására, ahogy az az 1. ábrán látható.
1. ábra. Két anyag frekvenciakülönbsége által keltett mikrohullámok vázlatos rajzalézerek.
A módszer előnyei közé tartozik az egyszerű szerkezet, rendkívül nagyfrekvenciás milliméteres hullámú, sőt THz frekvenciájú jel generálása, valamint a lézer frekvenciájának változtatásával széles tartományú, gyors frekvenciaátalakítás, sweep frekvencia hajtható végre. Hátránya, hogy két, egymással nem összefüggő lézerjel által generált különbségi frekvenciajel vonalszélessége vagy fáziszaja viszonylag nagy, és a frekvenciastabilitás sem magas, különösen akkor, ha kis térfogatú, de nagy vonalszélességű (~MHz) félvezető lézert használnak. Ha a rendszer tömeg-térfogatkövetelményei nem magasak, akkor alacsony zajszintű (~kHz) szilárdtest lézereket is használhatunk.szálas lézerek, külső üregfélvezető lézerek, stb. Ezenkívül két különböző lézerjel-módus, amelyeket ugyanabban a lézerüregben generálnak, szintén felhasználhatók különbségi frekvencia előállítására, így a mikrohullámú frekvenciastabilitási teljesítmény jelentősen javul.
2. Az előző módszerben alkalmazott két lézer inkoherens működésének és a túl nagy jelfázis-zaj keletkezésének problémájának megoldására a két lézer közötti koherencia a befecskendezési frekvencia-zárási fáziszárási módszerrel vagy a negatív visszacsatolású fáziszárási áramkörrel érhető el. A 2. ábra a befecskendezési zárás egy tipikus alkalmazását mutatja mikrohullámú többszörösök előállítására (2. ábra). Nagyfrekvenciás áramjelek közvetlen befecskendezésével egy félvezető lézerbe, vagy LinBO3-fázismodulátor használatával több különböző frekvenciájú, azonos frekvenciatávolságú optikai jel, vagy optikai frekvenciafésülés generálható. Természetesen a széles spektrumú optikai frekvenciafésülés előállításának általánosan használt módszere a móduszáras lézer használata. A generált optikai frekvenciafésülés bármely két fésűjelét szűréssel kiválasztják, és az 1., illetve 2. lézerbe injektálják, hogy megvalósítsák a frekvencia- és fáziszárolást. Mivel az optikai frekvenciafésülés különböző fésűjelei közötti fázis viszonylag stabil, így a két lézer közötti relatív fázis stabil, majd a korábban leírt különbségi frekvencia módszerével az optikai frekvenciafésülés ismétlési sebességének többszörös frekvenciájú mikrohullámú jele érhető el.
2. ábra. A befecskendezéses frekvenciazárással generált mikrohullámú frekvenciakettőzési jel vázlata.
A két lézer relatív fáziszajának csökkentésére egy másik módszer a negatív visszacsatolású optikai PLL használata, ahogy az a 3. ábrán látható.
3. ábra. Az OPL vázlatos rajza.
Az optikai PLL elve hasonló az elektronikai PLL-hez. A két lézer fáziskülönbségét egy fotodetektor (ami egyenértékű egy fázisdetektorral) elektromos jellé alakítja, majd a két lézer közötti fáziskülönbséget egy referencia mikrohullámú jelforrással létrehozott különbségi frekvencia létrehozásával kapják meg, amelyet felerősítenek és szűrnek, majd visszavezetnek az egyik lézer frekvenciaszabályozó egységébe (félvezető lézerek esetén ez a befecskendezési áram). Egy ilyen negatív visszacsatolású szabályozóhurokon keresztül a két lézerjel közötti relatív frekvenciafázis a referencia mikrohullámú jelhez igazodik. Az egyesített optikai jel ezután optikai szálakon keresztül egy másik fotodetektorba továbbítható, és mikrohullámú jellé alakítható. A mikrohullámú jel eredő fáziszaja majdnem megegyezik a fáziszárt negatív visszacsatolású hurok sávszélességén belüli referenciajelével. A sávszélességen kívüli fáziszaj megegyezik az eredeti két, egymással nem összefüggő lézer relatív fáziszajával.
Ezenkívül a referencia mikrohullámú jelforrás más jelforrásokkal is átalakítható frekvenciakettőzéssel, osztófrekvenciával vagy más frekvenciafeldolgozással, így az alacsonyabb frekvenciájú mikrohullámú jel többszörösen megkettőzhető, vagy nagyfrekvenciás RF, THz jelekké alakítható.
A befecskendezéses frekvenciazárral összehasonlítva, ahol csak frekvenciakettőzést lehet elérni, a fáziszárt hurkok rugalmasabbak, szinte tetszőleges frekvenciákat tudnak előállítani, és természetesen összetettebbek is. Például a 2. ábrán látható fotoelektromos modulátor által generált optikai frekvenciakeveréket használják fényforrásként, és az optikai fáziszárt hurkot arra használják, hogy szelektíven rögzítsék a két lézer frekvenciáját a két optikai fésűjelhez, majd a különbségi frekvencián keresztül nagyfrekvenciás jeleket állítsanak elő, ahogy az a 4. ábrán látható. Az f1 és f2 a két PLLS referenciajel-frekvenciái, és a két lézer közötti különbségi frekvencia alapján N*frep+f1+f2 mikrohullámú jel generálható.
4. ábra. Optikai frekvenciakeverők és PLLS segítségével tetszőleges frekvenciák generálásának vázlata.
3. Móduskapcsolt impulzuslézer használata optikai impulzusjel mikrohullámú jellé alakításáhozfotodetektor.
Ennek a módszernek a fő előnye, hogy nagyon jó frekvenciastabilitású és nagyon alacsony fáziszajjal rendelkező jelet lehet előállítani. A lézer frekvenciájának egy nagyon stabil atomi és molekuláris átmeneti spektrumhoz, vagy egy rendkívül stabil optikai üreghez való rögzítésével, valamint az önduplázódó frekvenciakiküszöbölő rendszer frekvenciaeltolásának és más technológiáknak a használatával nagyon stabil optikai impulzusjelet kaphatunk nagyon stabil ismétlési frekvenciával, így ultraalacsony fáziszajjal rendelkező mikrohullámú jelet kaphatunk. 5. ábra.
5. ábra. Különböző jelforrások relatív fáziszajának összehasonlítása.
Azonban, mivel az impulzusismétlési frekvencia fordítottan arányos a lézer üreghosszával, és a hagyományos móduskapcsolt lézer nagy, nehéz közvetlenül nagyfrekvenciás mikrohullámú jeleket előállítani. Ezenkívül a hagyományos impulzuslézerek mérete, súlya és energiafogyasztása, valamint a zord környezeti követelmények korlátozzák főként laboratóriumi alkalmazásaikat. E nehézségek leküzdésére az Egyesült Államokban és Németországban a közelmúltban kutatások indultak nemlineáris effektusok alkalmazásával frekvenciastabil optikai fésűk előállítására nagyon kicsi, kiváló minőségű csipogó módusú optikai üregekben, amelyek viszont nagyfrekvenciás, alacsony zajszintű mikrohullámú jeleket generálnak.
4. optoelektronikus oszcillátor, 6. ábra.
6. ábra. Fotoelektromos csatolású oszcillátor vázlatos rajza.
A mikrohullámok vagy lézerek előállításának egyik hagyományos módszere az önvisszacsatolásos zárt hurok használata. Amíg a zárt hurok erősítése nagyobb, mint a veszteség, az öngerjesztett oszcilláció mikrohullámokat vagy lézereket hozhat létre. Minél nagyobb a zárt hurok Q minőségi tényezője, annál kisebb a generált jel fázis- vagy frekvenciazajja. A hurok minőségi tényezőjének növelése érdekében a közvetlen út a hurok hosszának növelése és a terjedési veszteség minimalizálása. Egy hosszabb hurok azonban általában több oszcillációs mód generálását is lehetővé teszi, és egy keskeny sávszélességű szűrő hozzáadásával egyfrekvenciás, alacsony zajszintű mikrohullámú oszcillációs jel állítható elő. A fotoelektromos csatolású oszcillátor egy ezen az elképzelésen alapuló mikrohullámú jelforrás, amely teljes mértékben kihasználja a szál alacsony terjedési veszteségi jellemzőit, egy hosszabb szál használatával javítva a hurok Q értékét, nagyon alacsony fáziszajjal rendelkező mikrohullámú jelet tud előállítani. A módszer 1990-es években történt javaslata óta ez a típusú oszcillátor széleskörű kutatáson és jelentős fejlesztésen esett át, és jelenleg is kaphatók kereskedelmi forgalomban lévő fotoelektromos csatolású oszcillátorok. Újabban olyan fotoelektromos oszcillátorokat fejlesztettek ki, amelyek frekvenciája széles tartományban állítható. Az ezen az architektúrán alapuló mikrohullámú jelforrások fő problémája, hogy a hurok hosszú, és a szabad áramlásában (FSR) és a kettős frekvenciájában fellépő zaj jelentősen megnő. Ezenkívül a felhasznált fotoelektromos alkatrészek száma is magas, a költség magas, a hangerőt nehéz csökkenteni, és a hosszabb szál érzékenyebb a környezeti zavarokra.
A fentiek röviden bemutatják a mikrohullámú jelek fotoelektronokkal történő előállításának számos módszerét, valamint azok előnyeit és hátrányait. Végül a fotoelektronok mikrohullámok előállítására való felhasználásának további előnye, hogy az optikai jel nagyon alacsony veszteséggel, nagy távolságú átvitellel osztható el az optikai szálon az egyes felhasználói terminálokhoz, majd mikrohullámú jelekké alakítható, és az elektromágneses interferenciával szembeni ellenállás jelentősen javul a hagyományos elektronikus alkatrészekhez képest.
Ez a cikk elsősorban tájékoztató jellegű, és a szerző saját kutatási tapasztalataival, valamint a területen szerzett tapasztalataival kombinálva pontatlanságok és érthetetlenségek találhatók benne, kérjük, szíveskedjenek megérteni.
Közzététel ideje: 2024. január 3.