Οπτοηλεκτρονική μικροκυμάτων, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι η τομή των μικροκυμάτων καιοπτοηλεκτρονικήΤα μικροκύματα και τα φωτεινά κύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα και οι συχνότητές τους διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους, ενώ τα εξαρτήματα και οι τεχνολογίες που αναπτύσσονται στους αντίστοιχους τομείς τους είναι πολύ διαφορετικά. Σε συνδυασμό, μπορούμε να επωφεληθούμε ο ένας από τον άλλον, αλλά μπορούμε να αποκτήσουμε νέες εφαρμογές και χαρακτηριστικά που είναι δύσκολο να υλοποιηθούν αντίστοιχα.
Οπτική επικοινωνίααποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του συνδυασμού μικροκυμάτων και φωτοηλεκτρονίων. Οι πρώτες ασύρματες τηλεφωνικές και τηλεγραφικές επικοινωνίες, για την παραγωγή, διάδοση και λήψη σημάτων, χρησιμοποιούσαν όλες συσκευές μικροκυμάτων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιήθηκαν αρχικά επειδή το εύρος συχνοτήτων είναι μικρό και η χωρητικότητα του καναλιού για μετάδοση είναι μικρή. Η λύση είναι να αυξηθεί η συχνότητα του μεταδιδόμενου σήματος, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότεροι πόροι φάσματος. Αλλά το σήμα υψηλής συχνότητας στον αέρα, η απώλεια διάδοσης είναι μεγάλη, αλλά είναι επίσης εύκολο να μπλοκαριστεί από εμπόδια. Εάν χρησιμοποιηθεί καλώδιο, η απώλεια του καλωδίου είναι μεγάλη και η μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις αποτελεί πρόβλημα. Η εμφάνιση της επικοινωνίας με οπτικές ίνες είναι μια καλή λύση σε αυτά τα προβλήματα.Οπτική ίναέχει πολύ χαμηλή απώλεια μετάδοσης και είναι ένας εξαιρετικός φορέας για τη μετάδοση σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Η περιοχή συχνοτήτων των φωτεινών κυμάτων είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μικροκυμάτων και μπορεί να μεταδώσει πολλά διαφορετικά κανάλια ταυτόχρονα. Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων τουοπτική μετάδοση, η επικοινωνία μέσω οπτικών ινών έχει γίνει η ραχοκοκαλιά της σημερινής μετάδοσης πληροφοριών.
Η οπτική επικοινωνία έχει μακρά ιστορία, η έρευνα και οι εφαρμογές της είναι πολύ εκτεταμένες και ώριμες, δεν χρειάζεται να πούμε περισσότερα. Αυτή η εργασία παρουσιάζει κυρίως το νέο ερευνητικό περιεχόμενο της μικροκυματικής οπτοηλεκτρονικής τα τελευταία χρόνια, εκτός από την οπτική επικοινωνία. Η μικροκυματική οπτοηλεκτρονική χρησιμοποιεί κυρίως τις μεθόδους και τις τεχνολογίες στον τομέα της οπτοηλεκτρονικής ως φορέα για τη βελτίωση και την επίτευξη επιδόσεων και εφαρμογών που είναι δύσκολο να επιτευχθούν με τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα μικροκυμάτων. Από την άποψη της εφαρμογής, περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες τρεις πτυχές.
Η πρώτη είναι η χρήση οπτοηλεκτρονικής για την παραγωγή σημάτων μικροκυμάτων υψηλής απόδοσης και χαμηλού θορύβου, από τη ζώνη Χ έως τη ζώνη THz.
Δεύτερον, επεξεργασία σήματος μικροκυμάτων. Συμπεριλαμβανομένης της καθυστέρησης, του φιλτραρίσματος, της μετατροπής συχνότητας, της λήψης και ούτω καθεξής.
Τρίτον, η μετάδοση αναλογικών σημάτων.
Σε αυτό το άρθρο, ο συγγραφέας παρουσιάζει μόνο το πρώτο μέρος, την παραγωγή σήματος μικροκυμάτων. Το παραδοσιακό χιλιοστομετρικό κύμα μικροκυμάτων παράγεται κυρίως από μικροηλεκτρονικά εξαρτήματα iii_V. Οι περιορισμοί του έχουν τα ακόλουθα σημεία: Πρώτον, σε υψηλές συχνότητες όπως τα 100GHz και άνω, η παραδοσιακή μικροηλεκτρονική μπορεί να παράγει όλο και λιγότερη ισχύ, ενώ σε σήμα υψηλότερης συχνότητας THz δεν μπορεί να κάνει τίποτα. Δεύτερον, για να μειωθεί ο θόρυβος φάσης και να βελτιωθεί η σταθερότητα συχνότητας, η αρχική συσκευή πρέπει να τοποθετηθεί σε περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Τρίτον, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ένα ευρύ φάσμα μετατροπής συχνότητας διαμόρφωσης συχνότητας. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία μπορεί να διαδραματίσει κάποιο ρόλο. Οι κύριες μέθοδοι περιγράφονται παρακάτω.
1. Μέσω της διαφοράς συχνότητας δύο σημάτων λέιζερ διαφορετικής συχνότητας, ένας φωτοανιχνευτής υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται για τη μετατροπή σημάτων μικροκυμάτων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1. Σχηματικό διάγραμμα μικροκυμάτων που παράγονται από τη διαφορά συχνότητας δύολέιζερ.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι η απλή δομή, η δυνατότητα παραγωγής εξαιρετικά υψηλής συχνότητας χιλιοστομετρικού κύματος και ακόμη και σήματος συχνότητας THz, και ρυθμίζοντας τη συχνότητα του λέιζερ, μπορεί να πραγματοποιηθεί ένα μεγάλο εύρος γρήγορης μετατροπής συχνότητας, συχνότητας σάρωσης. Το μειονέκτημα είναι ότι το πλάτος γραμμής ή ο θόρυβος φάσης του σήματος διαφοράς συχνότητας που παράγεται από δύο άσχετα σήματα λέιζερ είναι σχετικά μεγάλο και η σταθερότητα συχνότητας δεν είναι υψηλή, ειδικά εάν χρησιμοποιείται λέιζερ ημιαγωγών με μικρό όγκο αλλά μεγάλο πλάτος γραμμής (~MHz). Εάν οι απαιτήσεις βάρους-όγκου του συστήματος δεν είναι υψηλές, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λέιζερ στερεάς κατάστασης χαμηλού θορύβου (~kHz).λέιζερ οπτικών ινών, εξωτερική κοιλότηταλέιζερ ημιαγωγών, κ.λπ. Επιπλέον, δύο διαφορετικές λειτουργίες σημάτων λέιζερ που παράγονται στην ίδια κοιλότητα λέιζερ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία διαφοράς συχνότητας, έτσι ώστε η απόδοση σταθερότητας συχνότητας μικροκυμάτων να βελτιώνεται σημαντικά.
2. Για να λυθεί το πρόβλημα ότι τα δύο λέιζερ στην προηγούμενη μέθοδο είναι ασυνεπή και ο θόρυβος φάσης σήματος που παράγεται είναι πολύ μεγάλος, η συνοχή μεταξύ των δύο λέιζερ μπορεί να επιτευχθεί με τη μέθοδο κλειδώματος φάσης κλειδώματος συχνότητας έγχυσης ή με το κύκλωμα κλειδώματος φάσης αρνητικής ανάδρασης. Το Σχήμα 2 δείχνει μια τυπική εφαρμογή του κλειδώματος έγχυσης για τη δημιουργία πολλαπλασίων μικροκυμάτων (Σχήμα 2). Με την άμεση έγχυση σημάτων ρεύματος υψηλής συχνότητας σε ένα λέιζερ ημιαγωγών ή χρησιμοποιώντας έναν διαμορφωτή φάσης LinBO3, μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλά οπτικά σήματα διαφορετικών συχνοτήτων με ίση απόσταση συχνότητας ή οπτικές χτένες συχνότητας. Φυσικά, η συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την απόκτηση μιας χτένας οπτικής συχνότητας ευρέος φάσματος είναι η χρήση ενός λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας. Οποιαδήποτε δύο σήματα χτένας στην παραγόμενη χτένα οπτικής συχνότητας επιλέγονται με φιλτράρισμα και εισάγονται στο λέιζερ 1 και 2 αντίστοιχα για να επιτευχθεί κλείδωμα συχνότητας και φάσης αντίστοιχα. Επειδή η φάση μεταξύ των διαφορετικών σημάτων χτένας της χτένας οπτικής συχνότητας είναι σχετικά σταθερή, έτσι ώστε η σχετική φάση μεταξύ των δύο λέιζερ να είναι σταθερή, και στη συνέχεια με τη μέθοδο διαφοράς συχνότητας όπως περιγράφηκε προηγουμένως, μπορεί να ληφθεί το πολλαπλάσιο σήμα μικροκυμάτων συχνότητας του ρυθμού επανάληψης της χτένας οπτικής συχνότητας.
Σχήμα 2. Σχηματικό διάγραμμα σήματος διπλασιασμού συχνότητας μικροκυμάτων που παράγεται από κλείδωμα συχνότητας έγχυσης.
Ένας άλλος τρόπος για να μειωθεί ο σχετικός θόρυβος φάσης των δύο λέιζερ είναι η χρήση ενός οπτικού PLL αρνητικής ανάδρασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.
Σχήμα 3. Σχηματικό διάγραμμα του OPL.
Η αρχή του οπτικού PLL είναι παρόμοια με αυτή του PLL στον τομέα της ηλεκτρονικής. Η διαφορά φάσης των δύο λέιζερ μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα από έναν φωτοανιχνευτή (ισοδύναμο με ανιχνευτή φάσης) και στη συνέχεια η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο λέιζερ λαμβάνεται δημιουργώντας μια διαφορά συχνότητας με μια πηγή σήματος αναφοράς μικροκυμάτων, η οποία ενισχύεται και φιλτράρεται και στη συνέχεια ανατροφοδοτείται στη μονάδα ελέγχου συχνότητας ενός από τα λέιζερ (για λέιζερ ημιαγωγών, είναι το ρεύμα έγχυσης). Μέσω ενός τέτοιου βρόχου ελέγχου αρνητικής ανάδρασης, η σχετική φάση συχνότητας μεταξύ των δύο σημάτων λέιζερ κλειδώνεται στο σήμα αναφοράς μικροκυμάτων. Το συνδυασμένο οπτικό σήμα μπορεί στη συνέχεια να μεταδοθεί μέσω οπτικών ινών σε έναν φωτοανιχνευτή αλλού και να μετατραπεί σε σήμα μικροκυμάτων. Ο προκύπτων θόρυβος φάσης του σήματος μικροκυμάτων είναι σχεδόν ο ίδιος με αυτόν του σήματος αναφοράς εντός του εύρους ζώνης του βρόχου αρνητικής ανάδρασης με κλειδωμένη φάση. Ο θόρυβος φάσης εκτός του εύρους ζώνης είναι ίσος με τον σχετικό θόρυβο φάσης των δύο αρχικών μη σχετιζόμενων λέιζερ.
Επιπλέον, η πηγή σήματος μικροκυμάτων αναφοράς μπορεί επίσης να μετατραπεί από άλλες πηγές σήματος μέσω διπλασιασμού συχνότητας, συχνότητας διαιρέτη ή άλλης επεξεργασίας συχνότητας, έτσι ώστε το σήμα μικροκυμάτων χαμηλότερης συχνότητας να μπορεί να πολλαπλασιαστεί ή να μετατραπεί σε σήματα RF υψηλής συχνότητας, THz.
Σε σύγκριση με το κλείδωμα συχνότητας έγχυσης, μπορεί να επιτευχθεί μόνο διπλασιασμός συχνότητας, οι βρόχοι με κλείδωμα φάσης είναι πιο ευέλικτοι, μπορούν να παράγουν σχεδόν αυθαίρετες συχνότητες και φυσικά πιο σύνθετοι. Για παράδειγμα, η οπτική χτένα συχνότητας που παράγεται από τον φωτοηλεκτρικό διαμορφωτή στο Σχήμα 2 χρησιμοποιείται ως πηγή φωτός και ο οπτικός βρόχος με κλείδωμα φάσης χρησιμοποιείται για να κλειδώσει επιλεκτικά τη συχνότητα των δύο λέιζερ στα δύο σήματα οπτικής χτένας και στη συνέχεια να παράγει σήματα υψηλής συχνότητας μέσω της διαφοράς συχνότητας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Τα f1 και f2 είναι οι συχνότητες σήματος αναφοράς των δύο PLLS αντίστοιχα και ένα σήμα μικροκυμάτων N*frep+f1+f2 μπορεί να παραχθεί από τη διαφορά συχνότητας μεταξύ των δύο λέιζερ.
Σχήμα 4. Σχηματικό διάγραμμα δημιουργίας αυθαίρετων συχνοτήτων χρησιμοποιώντας οπτικές χτένες συχνότητας και PLLS.
3. Χρησιμοποιήστε παλμικό λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία για να μετατρέψετε το οπτικό παλμικό σήμα σε σήμα μικροκυμάτων μέσωφωτοανιχνευτής.
Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να ληφθεί ένα σήμα με πολύ καλή σταθερότητα συχνότητας και πολύ χαμηλό θόρυβο φάσης. Κλειδώνοντας τη συχνότητα του λέιζερ σε ένα πολύ σταθερό ατομικό και μοριακό φάσμα μετάβασης ή σε μια εξαιρετικά σταθερή οπτική κοιλότητα και χρησιμοποιώντας σύστημα αυτοδιπλασιασμού εξάλειψης συχνότητας, μετατόπιση συχνότητας και άλλες τεχνολογίες, μπορούμε να λάβουμε ένα πολύ σταθερό οπτικό παλμικό σήμα με πολύ σταθερή συχνότητα επανάληψης, έτσι ώστε να λάβουμε ένα σήμα μικροκυμάτων με εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο φάσης. Σχήμα 5.
Σχήμα 5. Σύγκριση του σχετικού θορύβου φάσης διαφορετικών πηγών σήματος.
Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός επανάληψης παλμών είναι αντιστρόφως ανάλογος με το μήκος της κοιλότητας του λέιζερ, και το παραδοσιακό λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας είναι μεγάλο, είναι δύσκολο να ληφθούν άμεσα σήματα μικροκυμάτων υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, το μέγεθος, το βάρος και η κατανάλωση ενέργειας των παραδοσιακών παλμικών λέιζερ, καθώς και οι αυστηρές περιβαλλοντικές απαιτήσεις, περιορίζουν τις κυρίως εργαστηριακές εφαρμογές τους. Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες, έχει ξεκινήσει πρόσφατα έρευνα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Γερμανία χρησιμοποιώντας μη γραμμικά φαινόμενα για τη δημιουργία οπτικών χτενών σταθερής συχνότητας σε πολύ μικρές, υψηλής ποιότητας οπτικές κοιλότητες με λειτουργία τσιρπ, οι οποίες με τη σειρά τους παράγουν σήματα μικροκυμάτων υψηλής συχνότητας χαμηλού θορύβου.
4. οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής, Σχήμα 6.
Σχήμα 6. Σχηματικό διάγραμμα φωτοηλεκτρικού συζευγμένου ταλαντωτή.
Μία από τις παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής μικροκυμάτων ή λέιζερ είναι η χρήση ενός κλειστού βρόχου αυτοανάδρασης. Εφόσον το κέρδος στον κλειστό βρόχο είναι μεγαλύτερο από την απώλεια, η αυτοδιεγερμένη ταλάντωση μπορεί να παράγει μικροκύματα ή λέιζερ. Όσο υψηλότερος είναι ο συντελεστής ποιότητας Q του κλειστού βρόχου, τόσο μικρότερος είναι ο θόρυβος φάσης ή συχνότητας του παραγόμενου σήματος. Για να αυξηθεί ο συντελεστής ποιότητας του βρόχου, ο άμεσος τρόπος είναι να αυξηθεί το μήκος του βρόχου και να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια διάδοσης. Ωστόσο, ένας μακρύτερος βρόχος μπορεί συνήθως να υποστηρίξει τη δημιουργία πολλαπλών τρόπων ταλάντωσης και, εάν προστεθεί ένα φίλτρο στενού εύρους ζώνης, μπορεί να ληφθεί ένα σήμα ταλάντωσης μικροκυμάτων χαμηλού θορύβου μίας συχνότητας. Ο φωτοηλεκτρικός συζευγμένος ταλαντωτής είναι μια πηγή σήματος μικροκυμάτων που βασίζεται σε αυτήν την ιδέα, αξιοποιώντας πλήρως τα χαρακτηριστικά χαμηλής απώλειας διάδοσης της οπτικής ίνας. Χρησιμοποιώντας μια μακρύτερη ίνα για να βελτιώσει την τιμή Q του βρόχου, μπορεί να παράγει ένα σήμα μικροκυμάτων με πολύ χαμηλό θόρυβο φάσης. Από τότε που προτάθηκε η μέθοδος τη δεκαετία του 1990, αυτός ο τύπος ταλαντωτή έχει λάβει εκτεταμένη έρευνα και σημαντική ανάπτυξη και υπάρχουν επί του παρόντος εμπορικοί φωτοηλεκτρικοί συζευγμένοι ταλαντωτές. Πιο πρόσφατα, έχουν αναπτυχθεί φωτοηλεκτρικοί ταλαντωτές των οποίων οι συχνότητες μπορούν να ρυθμιστούν σε ένα ευρύ φάσμα. Το κύριο πρόβλημα των πηγών σήματος μικροκυμάτων που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική είναι ότι ο βρόχος είναι μακρύς και ο θόρυβος στην ελεύθερη ροή του (FSR) και στη διπλή συχνότητά του θα αυξηθεί σημαντικά. Επιπλέον, τα φωτοηλεκτρικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται είναι περισσότερα, το κόστος είναι υψηλό, ο όγκος είναι δύσκολο να μειωθεί και η μακρύτερη ίνα είναι πιο ευαίσθητη στις περιβαλλοντικές διαταραχές.
Τα παραπάνω παρουσιάζουν εν συντομία διάφορες μεθόδους παραγωγής φωτοηλεκτρονίων σημάτων μικροκυμάτων, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Τέλος, η χρήση φωτοηλεκτρονίων για την παραγωγή μικροκυμάτων έχει ένα άλλο πλεονέκτημα, το οποίο είναι ότι το οπτικό σήμα μπορεί να διανεμηθεί μέσω της οπτικής ίνας με πολύ χαμηλές απώλειες, μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις σε κάθε τερματικό χρήσης και στη συνέχεια να μετατραπεί σε σήματα μικροκυμάτων, ενώ η ικανότητα αντοχής στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σχέση με τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Η συγγραφή αυτού του άρθρου είναι κυρίως για αναφορά και, σε συνδυασμό με την ερευνητική εμπειρία και την εμπειρία του συγγραφέα σε αυτόν τον τομέα, υπάρχουν ανακρίβειες και ασάφειες, παρακαλώ κατανοήστε το.
Ώρα δημοσίευσης: 03 Ιανουαρίου 2024