Μικροκύματα οπτοηλεκτρονική, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι η διασταύρωση του φούρνου μικροκυμάτων καιοπτοηλεκτρονική. Τα μικροκύματα και τα ελαφρά κύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα και οι συχνότητες είναι πολλές τάξεις μεγέθους διαφορετικές και τα συστατικά και οι τεχνολογίες που αναπτύσσονται στα αντίστοιχα πεδία τους είναι πολύ διαφορετικά. Σε συνδυασμό, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε ο ένας τον άλλον, αλλά μπορούμε να λάβουμε νέες εφαρμογές και χαρακτηριστικά που είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν αντίστοιχα.
Οπτική επικοινωνίαείναι ένα πρωταρχικό παράδειγμα του συνδυασμού μικροκυμάτων και φωτοηλεκτρονίων. Πρώιμη τηλεφωνική και τηλεγραφική ασύρματη επικοινωνία, η γενιά, η διάδοση και η λήψη σημάτων, όλες οι συσκευές μικροκυμάτων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται αρχικά επειδή το εύρος συχνοτήτων είναι μικρή και η χωρητικότητα του καναλιού για μετάδοση είναι μικρή. Η λύση είναι η αύξηση της συχνότητας του μεταδιδόμενου σήματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότεροι πόροι φάσματος. Αλλά το σήμα υψηλής συχνότητας στην απώλεια διάδοσης αέρα είναι μεγάλο, αλλά και εύκολο να αποκλειστεί από εμπόδια. Εάν χρησιμοποιείται το καλώδιο, η απώλεια του καλωδίου είναι μεγάλη και η μετάδοση μεγάλων αποστάσεων είναι ένα πρόβλημα. Η εμφάνιση της επικοινωνίας οπτικών ινών είναι μια καλή λύση σε αυτά τα προβλήματα.Οπτική ίναέχει πολύ χαμηλή απώλεια μετάδοσης και είναι ένας εξαιρετικός μεταφορέας για τη μετάδοση σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Το εύρος συχνοτήτων των φωτεινών κυμάτων είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των μικροκυμάτων και μπορεί να μεταδίδει πολλά διαφορετικά κανάλια ταυτόχρονα. Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτωνοπτική μετάδοση, η επικοινωνία οπτικών ινών έχει γίνει η ραχοκοκαλιά της σημερινής μετάδοσης πληροφοριών.
Η οπτική επικοινωνία έχει μακρά ιστορία, έρευνα και εφαρμογή είναι πολύ εκτεταμένη και ώριμη, εδώ δεν σημαίνει περισσότερα. Το παρόν έγγραφο εισάγει κυρίως το νέο ερευνητικό περιεχόμενο της Optoelectronics μικροκυμάτων τα τελευταία χρόνια εκτός από την οπτική επικοινωνία. Η οπτικοηλεκτρονική των μικροκυμάτων χρησιμοποιεί κυρίως τις μεθόδους και τις τεχνολογίες στον τομέα της οπτοηλεκτρονικής ως φορέα για τη βελτίωση και την επίτευξη της απόδοσης και της εφαρμογής 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 της οπτικοηλεκτρονικής για τη δημιουργία σημάτων μικροκυμάτων υψηλής απόδοσης, χαμηλού θορύβου, από τη ζώνη X μέχρι 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 εισάγει μόνο το πρώτο μέρος, τη γενιά του σήματος μικροκυμάτων. Το παραδοσιακό κύμα χιλιοστού μικροκυμάτων παράγεται κυρίως από μικροηλεκτρονικά συστατικά III_V. Οι περιορισμοί του έχουν τα ακόλουθα σημεία: Πρώτον, σε υψηλές συχνότητες όπως 100GHz παραπάνω, η παραδοσιακή μικροηλεκτρονική μπορεί να παράγει όλο και λιγότερη ισχύ, στο σήμα υψηλότερης συχνότητας THz, δεν μπορούν να κάνουν τίποτα. Δεύτερον, προκειμένου να μειωθεί ο θόρυβος της φάσης και να βελτιωθεί η σταθερότητα της συχνότητας, η αρχική συσκευή πρέπει να τοποθετηθεί σε περιβάλλον εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Τρίτον, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ένα ευρύ φάσμα μετατροπής συχνότητας συχνότητας. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία μπορεί να διαδραματίσει κάποιο ρόλο. Οι κύριες μέθοδοι περιγράφονται παρακάτω.
1 μέσω της συχνότητας διαφοράς δύο διαφορετικών σημάτων λέιζερ συχνότητας, χρησιμοποιείται φωτοανιχνευτής υψηλής συχνότητας για τη μετατροπή σήματος μικροκυμάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Εικόνα 1. Σχηματικό διάγραμμα μικροκυμάτων που παράγονται από τη συχνότητα διαφοράς δύολέιζερ.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι απλή δομή, μπορούν να παράγουν εξαιρετικά υψηλής συχνότητας χιλιοστό κύμα και ακόμη και σήμα συχνότητας THz και ρυθμίζοντας τη συχνότητα του λέιζερ μπορεί να πραγματοποιήσει ένα μεγάλο εύρος μετατροπής γρήγορης συχνότητας, συχνότητα σάρωσης. Το μειονέκτημα είναι ότι ο θόρυβος γραμμής ή ο θόρυβος φάσης του σήματος συχνότητας διαφοράς που παράγεται από δύο μη σχετιζόμενα σήματα λέιζερ είναι σχετικά μεγάλος και η σταθερότητα συχνότητας δεν είναι υψηλή, ειδικά εάν χρησιμοποιείται ένα λέιζερ ημιαγωγού με μικρό όγκο αλλά ένα μεγάλο εύρος γραμμής (~ MHz). Εάν οι απαιτήσεις όγκου βάρους του συστήματος δεν είναι υψηλές, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λέιζερ στερεάς κατάστασης χαμηλού θορύβου (~ kHz),λέιζερ ινών, εξωτερική κοιλότηταΤα λέιζερ ημιαγωγών, κλπ. Επιπλέον, δύο διαφορετικοί τρόποι σημείων λέιζερ που παράγονται στην ίδια κοιλότητα λέιζερ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία συχνότητας διαφοράς, έτσι ώστε η απόδοση της σταθερότητας της συχνότητας μικροκυμάτων να βελτιωθεί σημαντικά.
2. Προκειμένου να λυθεί το πρόβλημα ότι τα δύο λέιζερ στην προηγούμενη μέθοδο είναι ασυνάρτητες και ο θόρυβος φάσης σήματος που παράγεται είναι πολύ μεγάλος, η συνοχή μεταξύ των δύο λέιζερ μπορεί να ληφθεί με τη μέθοδο κλειδώματος συχνότητας συχνότητας έγχυσης ή το κύκλωμα κλειδώματος αρνητικής φάσης ανάδρασης. Το σχήμα 2 δείχνει μια τυπική εφαρμογή κλειδώματος έγχυσης για τη δημιουργία πολλαπλών πολλαπλών μικροκυμάτων (Εικόνα 2). Με την απευθείας έγχυση σημάτων ρεύματος υψηλής συχνότητας σε λέιζερ ημιαγωγού ή χρησιμοποιώντας έναν διαμορφωτή φάσης Linbo3, μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλά οπτικά σήματα διαφορετικών συχνότητας με απόσταση ίσης συχνότητας ή χτένες οπτικής συχνότητας. Φυσικά, η κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος για να αποκτήσετε μια χτένα οπτικής συχνότητας ευρείας φάσματος είναι να χρησιμοποιήσετε ένα λέιζερ κλειδωμένου με λειτουργία. Οποιαδήποτε δύο σημάδια χτένας στην παραγόμενη χτένα οπτικής συχνότητας επιλέγονται με φιλτράρισμα και εγχέονται σε λέιζερ 1 και 2 αντίστοιχα για να υλοποιήσουν τη συχνότητα και το κλείδωμα φάσης αντίστοιχα. Επειδή η φάση μεταξύ των διαφόρων 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 της συχνότητας διαφοράς όπως περιγράφηκε προηγουμένως, μπορεί να ληφθεί το σήμα μικροκυμάτων πολλαπλών φορές της οπτικής συχνότητας.
Εικόνα 2. Σχηματικό διάγραμμα του σήματος διπλασιασμού συχνότητας μικροκυμάτων που παράγεται με κλείδωμα συχνότητας έγχυσης.
Ένας άλλος τρόπος για να μειωθεί ο σχετικός θόρυβος φάσης των δύο λέιζερ είναι να χρησιμοποιηθεί μια αρνητική ανάδραση οπτική PLL, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.
Εικόνα 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 ένα ηλεκτρικό σήμα από έναν φωτοανιχνευτή (ισοδύναμο με έναν ανιχνευτή φάσης) και στη συνέχεια η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο λέιζερ λαμβάνεται με τη συχνότητα διαφοράς με μια πηγή σήματος μικροκυμάτων αναφοράς, η οποία ενισχύεται και φιλτράρεται και στη συνέχεια τροφοδοτείται πίσω στη μονάδα ελέγχου συχνότητας ενός από τα λέιζερ (για τα λέιζερ, είναι το ρεύμα εισόδου). Μέσω ενός τέτοιου βρόχου ελέγχου αρνητικής ανάδρασης, η σχετική φάση συχνότητας μεταξύ των δύο σημάτων λέιζερ είναι κλειδωμένη στο σήμα μικροκυμάτων αναφοράς. Το συνδυασμένο οπτικό σήμα μπορεί στη συνέχεια να μεταδοθεί μέσω οπτικών ινών σε φωτοανιχνευτή αλλού και να μετατραπεί σε σήμα μικροκυμάτων. Ο θόρυβος φάσης που προκύπτει από το σήμα μικροκυμάτων είναι σχεδόν ο ίδιος με αυτόν του σήματος αναφοράς εντός του εύρους ζώνης του βρόχου αρνητικής ανάδρασης που κλειδώνεται από φάση. Ο θόρυβος φάσης έξω από το εύρος ζώνης είναι ίσος με τον σχετικό θόρυβο φάσης των αρχικών δύο 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 είναι πολλαπλό ή να μετατραπεί σε σήματα RF υψηλής συχνότητας.
Σε σύγκριση με το κλείδωμα συχνότητας έγχυσης μπορεί να αποκτήσει μόνο διπλασιασμό συχνότητας, οι βρόχοι με κλειδαριά φάσης είναι πιο ευέλικτοι, μπορούν να παράγουν σχεδόν αυθαίρετες συχνότητες και φυσικά πιο πολύπλοκες. Για παράδειγμα, η χτένα οπτικής συχνότητας που παράγεται από τον φωτοηλεκτρικό διαμορφωτή στο Σχήμα 2 χρησιμοποιείται ως πηγή φωτός και ο οπτικός βρόχος που έχει κλειδωθεί φάσης χρησιμοποιείται για να κλειδώσει επιλεκτικά τη συχνότητα των δύο λέιζερ στα δύο οπτικά σήματα χτένας και στη συνέχεια να δημιουργούν σημάδια υψηλής συχνότητας μέσω της συχνότητας διαφοράς, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Το N*FREP+F1+F2 μπορεί να δημιουργηθεί από τη συχνότητα διαφοράς μεταξύ των δύο λέιζερ.
Σχήμα 4. Σχηματικό διάγραμμα δημιουργίας αυθαίρετων συχνότητας χρησιμοποιώντας χτένες οπτικής συχνότητας και PLLs.
3. Χρησιμοποιήστε το λέιζερ παλμού κλειδώματος για τη μετατροπή του οπτικού παλμού σε σήμα μικροκυμάτωνφωτοανιχνευτής.
Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να ληφθεί ένα σήμα με πολύ καλή σταθερότητα συχνότητας και πολύ χαμηλό θόρυβο φάσης. Κλείδοντας τη συχνότητα του λέιζερ σε ένα πολύ σταθερό ατομικό και μοριακό φάσμα μετάβασης ή μια εξαιρετικά σταθερή οπτική κοιλότητα και τη χρήση της μετατόπισης της συχνότητας εξάλειψης της συχνότητας και άλλων τεχνολογιών, μπορούμε να αποκτήσουμε ένα πολύ σταθερό σήμα οπτικού παλμού με πολύ σταθερή συχνότητα επανάληψης, έτσι ώστε να αποκτήσουμε ένα σήμα μικροβιδίου με εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο φάσης. Εικόνα 5.
Εικόνα 5. Σύγκριση του σχετικού θορύβου φάσης διαφορετικών πηγών σήματος.
Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός επανάληψης των παλμών είναι αντιστρόφως ανάλογος με το μήκος της κοιλότητας του λέιζερ και το παραδοσιακό λέιζερ κλειδωμένου τρόπου 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 σκληρές περιβαλλοντικές απαιτήσεις, περιορίζουν τις κυρίως εργαστηριακές εφαρμογές τους. Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες, η έρευνα ξεκίνησε πρόσφατα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Γερμανία χρησιμοποιώντας μη γραμμικά αποτελέσματα για τη δημιουργία οπτικών χτέρων σταθερής συχνότητας σε πολύ μικρές, υψηλής ποιότητας Optical Cavities, οι οποίες με τη σειρά τους παράγουν σήματα μικροκυμάτων υψηλής συχνότητας.
4. Opto Electronic Oscillator, Εικόνα 6.
Εικόνα 6. Σχηματικό διάγραμμα φωτοηλεκτρικού συζευγμένου ταλαντωτή.
Μία από τις παραδοσιακές μεθόδους δημιουργίας μικροκυμάτων ή λέιζερ είναι η χρήση ενός κλειστού βρόχου αυτοκαταστροφής, εφόσον το κέρδος στον κλειστό βρόχο είναι μεγαλύτερο από την απώλεια, η αυτο-εκφρασμένη ταλάντωση μπορεί να παράγει μικροκύματα ή λέιζερ. Όσο υψηλότερος είναι ο συντελεστής ποιότητας Q του κλειστού βρόχου, τόσο μικρότερη είναι η φάση σήματος ή ο θόρυβος της συχνότητας. Προκειμένου 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 υποστηρίζει τη δημιουργία πολλαπλών τρόπων ταλάντωσης και εάν προστεθεί ένα φίλτρο στενού εύρους ζώνης, μπορεί να ληφθεί ένα σήμα ταλάντωσης μικροκυμάτων χαμηλής συχνότητας. Ο φωτοηλεκτρικός συζευγμένος ταλαντωτής είναι μια πηγή σήματος μικροκυμάτων που βασίζεται σε αυτή την ιδέα, χρησιμοποιεί πλήρως τα χαρακτηριστικά απώλειας της ίνας χαμηλής διάδοσης, χρησιμοποιώντας μια μεγαλύτερη ίνα για τη βελτίωση της τιμής βρόχου Q, μπορεί να παράγει ένα σήμα μικροκυμάτων με πολύ χαμηλό θόρυβο φάσης. Δεδομένου ότι η μέθοδος προτάθηκε στη 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 προσαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα έχουν αναπτυχθεί. Το κύριο πρόβλημα των πηγών σήματος μικροκυμάτων που βασίζονται σε αυτή την αρχιτεκτονική είναι ότι ο βρόχος είναι μακρύς και ο θόρυβος στην ελεύθερη ροή (FSR) και η διπλή συχνότητά του θα αυξηθούν σημαντικά. Επιπλέον, τα φωτοηλεκτρικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται είναι περισσότερο, το κόστος είναι υψηλό, ο όγκος είναι δύσκολο να μειωθεί και η μεγαλύτερη ίνα είναι πιο ευαίσθητη στις περιβαλλοντικές διαταραχές.
Τα παραπάνω εισάγουν συνοπτικά διάφορες μεθόδους δημιουργίας φωτοηλεκτρονίων σημάτων μικροκυμάτων, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Τέλος, η χρήση των φωτοηλεκτρονίων για την παραγωγή μικροκυμάτων έχει ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι το οπτικό σήμα μπορεί να διανεμηθεί μέσω της οπτικής ίνας με πολύ χαμηλή απώλεια, μετάδοση μεγάλων αποστάσεων σε κάθε ακροδέκτη χρήσης και στη συνέχεια μετατρέπεται σε σήματα μικροκυμάτων και η ικανότητα να αντισταθεί στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή είναι σημαντικά βελτιωμένη από τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Η γραφή αυτού του άρθρου είναι κυρίως για αναφορά και σε συνδυασμό με την ερευνητική εμπειρία και την εμπειρία του συγγραφέα στον τομέα αυτό, υπάρχουν ανακρίβειες και ακατανόητες, παρακαλούμε να καταλάβετε.
Χρόνος δημοσίευσης: Ιαν-03-2024