Mikrohullámú optoelektronika, ahogy a neve is sugallja, a mikrohullámú sütő ésoptoelektronika.A mikrohullámok és a fényhullámok elektromágneses hullámok, és a frekvenciák sok nagyságrenddel különböznek egymástól, és a saját területükön kifejlesztett komponensek és technológiák nagyon eltérőek.Kombinálva kihasználhatjuk egymás előnyeit, de rendre nehezen megvalósítható új alkalmazásokat, jellemzőket kaphatunk.
Optikai kommunikációkiváló példája a mikrohullámok és a fotoelektronok kombinációjának.Korai telefon és távíró vezeték nélküli kommunikáció, jelek generálása, terjesztése és vétele, minden használt mikrohullámú készülék.Kezdetben alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámokat használnak, mivel a frekvenciatartomány kicsi, és az átviteli csatornakapacitás kicsi.A megoldás a továbbított jel frekvenciájának növelése, minél nagyobb a frekvencia, annál több a spektrum erőforrás.De a nagyfrekvenciás jel a levegőben terjedő veszteség nagy, de könnyen elzárható akadályokkal.Kábel használata esetén nagy a kábelveszteség, és a távolsági átvitel gondot okoz.Az optikai szálas kommunikáció megjelenése jó megoldás ezekre a problémákra.Optikai szálnagyon alacsony átviteli veszteséggel rendelkezik, és kiváló hordozó a jelek nagy távolságra történő továbbításához.A fényhullámok frekvenciatartománya sokkal nagyobb, mint a mikrohullámoké, és sok különböző csatornát képes egyidejűleg továbbítani.Ezen előnyök miattoptikai átvitel, az optikai szálas kommunikáció a mai információátvitel gerincévé vált.
Az optikai kommunikáció nagy múltra tekint vissza, a kutatás és az alkalmazás nagyon kiterjedt és kiforrott, itt nem mondok többet.Ez a cikk elsősorban a mikrohullámú optoelektronika elmúlt évek új kutatási tartalmát mutatja be, az optikai kommunikáción kívül.A mikrohullámú optoelektronika elsősorban az optoelektronika területén alkalmazott módszereket és technológiákat használja hordozóként a hagyományos mikrohullámú elektronikai alkatrészekkel nehezen elérhető teljesítmény és alkalmazás javítására és elérésére.Az alkalmazás szempontjából főként a következő három szempontot tartalmazza.
Az első az optoelektronika használata nagy teljesítményű, alacsony zajszintű mikrohullámú jelek generálására, az X-sávtól egészen a THz-es 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 generálják.Korlátai a következő pontokat tartalmazzák: Először is, a magas frekvenciákkal, például 100 GHz felett, a hagyományos mikroelektronika egyre kevesebb energiát tud termelni, a magasabb frekvenciájú THz-es jelig semmit sem tud.Másodszor, a fáziszaj csökkentése és a frekvenciastabilitás javítása érdekében az eredeti eszközt rendkívül alacsony hőmérsékletű környezetbe kell helyezni.Harmadszor, nehéz elérni a frekvenciamodulációs frekvenciaátalakítás széles tartományát.E problémák megoldásában szerepet játszhat az optoelektronikai technológia.A fő módszereket az alábbiakban ismertetjük.
1. Két különböző frekvenciájú lézerjel frekvenciájának különbségén keresztül egy nagyfrekvenciás fotodetektort használnak a mikrohullámú jelek átalakítására, amint az 1. ábrán látható.
1. ábra Kettő frekvenciakülönbsége által generált mikrohullámú sütők sematikus diagramjalézerek.
Ennek a módszernek az előnyei az egyszerű felépítés, rendkívül magas frekvenciájú milliméteres hullámot és akár THz-es frekvenciájú jelet is generálhat, és a lézer frekvenciájának beállításával nagy tartományú gyors frekvenciaátalakítás, sweep frekvencia valósítható meg.Hátránya, hogy a két, egymással nem összefüggő lézerjel által keltett frekvenciakülönbség jel vonalszélessége vagy fáziszaja viszonylag nagy, a frekvenciastabilitás pedig nem magas, különösen, ha egy kis térfogatú, de nagy vonalszélességű (~MHz) félvezető lézert használt.Ha a rendszer tömegére vonatkozó követelmények nem magasak, használhat alacsony zajszintű (~ kHz) szilárdtestlézereket,szálas lézerek, külső üregfélvezető lézerekstb. Ezenkívül az ugyanabban a lézerüregben előállított lézerjelek két különböző módusa is felhasználható frekvenciakülönbség generálására, így a mikrohullámú frekvencia-stabilitás jelentősen javul.
2. Annak a problémának a megoldására, hogy az előző módszerben a két lézer inkoherens és a generált jel fáziszaj túl nagy, a két lézer közötti koherenciát a befecskendezési frekvencia-reteszelő fázisreteszeléssel vagy a negatív visszacsatolási fázissal lehet elérni. záró áramkör.A 2. ábra az injekciós reteszelés tipikus alkalmazását mutatja mikrohullámú többszörösek generálására (2. ábra).A nagyfrekvenciás áramjelek félvezető lézerbe történő közvetlen befecskendezésével, vagy LinBO3 fázismodulátor használatával több különböző frekvenciájú, azonos frekvenciatávolságú optikai jel állítható elő, vagy optikai frekvenciafésűk.Természetesen a széles spektrumú optikai frekvenciájú fésű előállításának általánosan használt módszere a mód-zárt lézer használata.A generált optikai frekvenciájú fésű bármely két fésűjele szűréssel kiválasztásra kerül, és az 1-es és 2-es lézerbe fecskendezve frekvencia-, illetve fázisreteszelést valósít meg.Mivel az optikai frekvenciájú fésű különböző fésűjei közötti fázis viszonylag stabil, így a két lézer közötti relatív fázis stabil, majd a frekvenciakülönbség módszerével a korábban leírtak szerint, a többszörös frekvenciájú mikrohullámú jel optikai frekvenciájú fésűs ismétlési arány érhető el.
2. ábra A befecskendezési frekvencia reteszelésével előállított mikrohullámú frekvencia megkettőző jelének sematikus diagramja.
A két lézer relatív fáziszajának csökkentésének másik módja a negatív visszacsatolású optikai PLL használata, amint az a 3. ábrán látható.
3. ábra Az OPL sematikus diagramja.
Az optikai PLL elve hasonló az elektronika területén alkalmazott PLL-hez.A két lézer fáziskülönbségét egy fotodetektor (amely egyenértékű a fázisdetektorral) elektromos jellé alakítja, majd a két lézer közötti fáziskülönbséget úgy kapjuk meg, hogy referencia mikrohullámú jelforrással frekvenciakülönbséget készítünk, amit felerősítünk. és szűrjük, majd visszavezetjük az egyik lézer frekvenciavezérlő egységébe (félvezető lézereknél ez a befecskendező áram).Egy ilyen negatív visszacsatolású vezérlőhurkon keresztül a két lézerjel közötti relatív frekvencia fázist a referencia mikrohullámú jelhez rögzítik.A kombinált optikai jel ezután optikai szálakon keresztül továbbítható egy máshol lévő fotodetektorhoz, és átalakítható mikrohullámú jellé.A fáziszárolt negatív visszacsatoló hurok sávszélességén belül a mikrohullámú jel eredő fáziszaja majdnem megegyezik a referenciajelével.A sávszélességen kívüli fáziszaj megegyezik az eredeti két független lézer relatív fáziszajával.
Ezenkívül a referencia mikrohullámú jelforrást más jelforrások is átalakíthatják frekvenciakettőzéssel, osztófrekvenciával vagy más frekvenciafeldolgozással, így az alacsonyabb frekvenciájú mikrohullámú jel többszörösére duplázható, vagy átalakítható nagyfrekvenciás RF, THz jelekké.
A befecskendezési frekvenciazárhoz képest csak frekvencia-duplázás érhető el, a fáziszárolt hurkok rugalmasabbak, szinte tetszőleges frekvenciákat állíthatnak elő, és természetesen bonyolultabbak is.Például a 2. ábrán látható fotoelektromos modulátor által generált optikai frekvenciafésűt használják fényforrásként, az optikai fáziszárt hurkot pedig a két lézer frekvenciájának szelektív rögzítésére a két optikai fésűjelhez, majd generálják. nagyfrekvenciás jelek a frekvenciakülönbségen keresztül, amint az a 4. ábrán látható. f1 és f2 a két PLLS referenciajel-frekvenciája, és N*frep+f1+f2 mikrohullámú jel generálható a frekvenciakülönbséggel két lézer.
4. ábra Tetszőleges frekvenciák generálásának sematikus diagramja optikai frekvenciafésűk és PLLS segítségével.
3. Használjon üzemmódzárolt impulzuslézert az optikai impulzusjelek mikrohullámú jellé alakításáhozfotodetektor.
Ennek a módszernek a fő előnye, hogy nagyon jó frekvenciastabilitású és nagyon alacsony fáziszajú jelet lehet kapni.A lézer frekvenciájának egy nagyon stabil atomi és molekuláris átmeneti spektrumhoz, vagy egy rendkívül stabil optikai üreghez való rögzítésével, valamint az önduplázó frekvencia eliminációs rendszer frekvenciaeltolásos és egyéb technológiák alkalmazásával nagyon stabil optikai impulzusjelet kaphatunk. nagyon stabil ismétlési frekvencia, hogy ultraalacsony fáziszajjal rendelkező mikrohullámú jelet kapjunk.5. ábra.
5. ábra Különböző jelforrások relatív fáziszajainak összehasonlítása.
Mivel azonban az impulzusismétlési ráta fordítottan arányos a lézer üreghosszával, és a hagyományos mód-zárolt lézer nagy, nehéz nagyfrekvenciás mikrohullámú jeleket közvetlenül szerezni.Emellett a hagyományos impulzuslézerek mérete, súlya és energiafogyasztása, valamint a szigorú környezeti követelmények korlátozzák főként laboratóriumi alkalmazásukat.E nehézségek leküzdésére a közelmúltban az Egyesült Államokban és Németországban kutatások kezdődtek, amelyek nemlineáris effektusokat használnak frekvenciastabil optikai fésűk létrehozására nagyon kicsi, jó minőségű csipogó üzemmódú optikai üregekben, amelyek viszont magas frekvenciájú, alacsony zajszintű mikrohullámú jeleket generálnak.
4. optoelektronikus oszcillátor, 6. ábra.
6. ábra A fotoelektromos csatolású oszcillátor sematikus diagramja.
A mikrohullámok vagy lézerek előállításának egyik hagyományos módszere az önvisszacsatoló zárt hurok alkalmazása, amíg a zárt hurokban az erősítés nagyobb, mint a veszteség, az öngerjesztett oszcilláció mikrohullámokat vagy lézereket hozhat létre.Minél nagyobb a zárt hurok Q minőségi tényezője, annál kisebb a generált jelfázis- vagy frekvenciazaj.A hurok minőségi tényezőjének növelése érdekében a közvetlen út a hurok hosszának növelése és a terjedési veszteség minimalizálása.Azonban egy hosszabb hurok általában több rezgésmód létrehozását tudja támogatni, és ha szűk sávszélességű szűrőt adunk hozzá, akkor egyfrekvenciás, alacsony zajú mikrohullámú oszcillációs jelet kaphatunk.A fotoelektromos csatolású oszcillátor egy ezen az elgondoláson alapuló mikrohullámú jelforrás, teljes mértékben kihasználja a szál alacsony terjedési veszteségi jellemzőit, hosszabb szálat használva a hurok Q értékének javítására, nagyon alacsony fáziszajjal képes mikrohullámú jelet előállítani.Az 1990-es években javasolt módszer óta ez a fajta oszcillátor kiterjedt kutatáson és jelentős fejlesztésen esett át, és jelenleg is léteznek kereskedelmi forgalomban kapható 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 zaj szabad áramlásában (FSR) és dupla frekvenciájában jelentősen megnő.Ezen túlmenően a felhasznált fotoelektromos alkatrészek több, a költségek magasak, a térfogatot nehéz csökkenteni, és a hosszabb szál érzékenyebb a környezeti zavarokra.
A fentiek röviden bemutatják a mikrohullámú jelek fotoelektronos előállításának számos módszerét, valamint ezek előnyeit és hátrányait.Végül, a fotoelektronok mikrohullámú előállítására való felhasználásának egy másik előnye az, hogy az optikai jel nagyon kis veszteséggel oszlik el az optikai szálon keresztül, nagy távolságra továbbítható minden egyes terminálhoz, majd mikrohullámú jelekké alakítható, és képes ellenállni az elektromágneses hatásoknak. Az interferencia jelentősen jobb, mint a hagyományos elektronikus alkatrészek.
A cikk megírása elsősorban referenciaként szolgál, és a szerző saját kutatási tapasztalataival és e területen szerzett tapasztalataival kombinálva vannak pontatlanságok és értetlenségek, kérjük, értse meg.
Feladás időpontja: 2024.01.03