Οπτοηλεκτρονική μικροκυμάτων, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι η διασταύρωση του φούρνου μικροκυμάτων καιοπτοηλεκτρονική.Τα μικροκύματα και τα κύματα φωτός 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 αποκτήσουμε νέες εφαρμογές και χαρακτηριστικά που είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν αντίστοιχα.
Οπτική επικοινωνίαείναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του συνδυασμού μικροκυμάτων και φωτοηλεκτρονίων.Πρώιμες ασύρματες τηλεφωνικές και τηλεγραφικές επικοινωνίες, παραγωγή, διάδοση και λήψη σημάτων, όλες χρησιμοποιημένες συσκευές μικροκυμάτων.Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται 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 μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότεροι πόροι φάσματος.Αλλά το σήμα υψηλής συχνότητας στην απώλεια διάδοσης του αέρα είναι μεγάλο, αλλά και εύκολο να μπλοκαριστεί από εμπόδια.Εάν χρησιμοποιείται το καλώδιο, η απώλεια του καλωδίου είναι μεγάλη και η μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις είναι πρόβλημα.Η εμφάνιση της επικοινωνίας οπτικών ινών είναι μια καλή λύση σε αυτά τα προβλήματα.Οπτική ίναέχει πολύ χαμηλές απώλειες μετάδοσης και είναι εξαιρετικός φορέας για τη μετάδοση σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις.Το εύρος συχνοτήτων των κυμάτων φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των μικροκυμάτων και μπορεί να μεταδώσει πολλά διαφορετικά κανάλια ταυτόχρονα.Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων τουοπτική μετάδοση, η επικοινωνία οπτικών ινών έχει γίνει η ραχοκοκαλιά της σημερινής μετάδοσης πληροφοριών.
Η οπτική επικοινωνία έχει μακρά ιστορία, η έρευνα και η εφαρμογή είναι πολύ εκτεταμένες και ώριμες, εδώ δεν θα πω περισσότερα.Αυτή η εργασία εισάγει κυρίως το νέο ερευνητικό περιεχόμενο της οπτοηλεκτρονικής μικροκυμάτων τα τελευταία χρόνια εκτός από την οπτική επικοινωνία.Η οπτοηλεκτρονική 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 οπτοηλεκτρονικής 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 δημιουργία σήματος μικροκυμάτων.Το παραδοσιακό κύμα χιλιοστών μικροκυμάτων δημιουργείται κυρίως από μικροηλεκτρονικά εξαρτήματα iii_V.Οι περιορισμοί του έχουν τα ακόλουθα σημεία: Πρώτον, στις υψηλές συχνότητες όπως τα 100 GHz παραπάνω, τα παραδοσιακά μικροηλεκτρονικά μπορούν να παράγουν όλο και λιγότερη ισχύ, στο σήμα υψηλότερης συχνότητας THz, δεν μπορούν να κάνουν τίποτα.Δεύτερον, για να μειωθεί ο θόρυβος 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 διαμόρφωσης συχνότητας.Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία μπορεί να παίξει ρόλο.Οι κύριες μέθοδοι περιγράφονται παρακάτω.
1. Μέσω της διαφοράς συχνότητας δύο σημάτων λέιζερ διαφορετικής συχνότητας, χρησιμοποιείται ένας φωτοανιχνευτής υψηλής συχνότητας για τη μετατροπή σημάτων μικροκυμάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Εικόνα 1. Σχηματικό διάγραμμα μικροκυμάτων που δημιουργούνται από τη διαφορά συχνότητας δύολέιζερ.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι η απλή δομή, μπορεί να δημιουργήσει εξαιρετικά υψηλής συχνότητας κύμα χιλιοστόμετρου και ακόμη και σήμα συχνότητας THz, και με την προσαρμογή της συχνότητας του λέιζερ μπορεί να πραγματοποιήσει ένα μεγάλο εύρος γρήγορης μετατροπής συχνότητας, συχνότητας σάρωσης.Το μειονέκτημα είναι ότι το εύρος 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 ένα λέιζερ ημιαγωγών με μικρό όγκο αλλά μεγάλο εύρος γραμμής (~MHz) είναι μεταχειρισμένος.Εάν οι απαιτήσεις όγκου βάρους του συστήματος δεν είναι υψηλές, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λέιζερ στερεάς κατάστασης χαμηλού θορύβου (~kHz),λέιζερ ινών, εξωτερική κοιλότηταλέιζερ ημιαγωγών, κ.λπ. Επιπλέον, δύο διαφορετικοί τρόποι σημάτων λέιζερ που παράγονται στην ίδια κοιλότητα λέιζερ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία διαφοράς συχνότητας, έτσι ώστε η απόδοση της σταθερότητας της συχνότητας μικροκυμάτων να βελτιώνεται σημαντικά.
2. Για να λυθεί το πρόβλημα ότι τα δύο λέιζερ στην προηγούμενη μέθοδο είναι ασυνάρτητα και ο θόρυβος της φάσης σήματος που δημιουργείται είναι πολύ μεγάλος, η συνοχή μεταξύ των δύο λέιζερ μπορεί να επιτευχθεί με τη μέθοδο κλειδώματος φάσης κλειδώματος συχνότητας έγχυσης ή τη φάση αρνητικής ανάδρασης κύκλωμα κλειδώματος.Το σχήμα 2 δείχνει μια τυπική εφαρμογή κλειδώματος έγχυσης για τη δημιουργία πολλαπλών μικροκυμάτων (Εικόνα 2).Με την απευθείας έγχυση σημάτων ρεύματος υψηλής συχνότητας σε ένα λέιζερ ημιαγωγών ή με τη χρήση ενός διαμορφωτή φάσης LinBO3, μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλά οπτικά σήματα διαφορετικών συχνοτήτων με ίση απόσταση συχνότητας ή χτένες οπτικής συχνότητας.Φυσικά, η συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την απόκτηση μιας χτένας οπτικής συχνότητας ευρέος φάσματος είναι η χρήση λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας.Οποιαδήποτε δύο σήματα χτενίσματος στην παραγόμενη χτένα οπτικής συχνότητας επιλέγονται με φιλτράρισμα και εγχέονται στο λέιζερ 1 και 2 αντίστοιχα για να πραγματοποιηθεί το κλείδωμα συχνότητας και φάσης αντίστοιχα.Επειδή η φάση μεταξύ των διαφορετικών σημάτων χτενίσματος 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, το σήμα μικροκυμάτων πολλαπλής συχνότητας του μπορεί να επιτευχθεί ρυθμός επανάληψης χτένας οπτικής συχνότητας.
Σχήμα 2. Σχηματικό διάγραμμα του σήματος διπλασιασμού της συχνότητας μικροκυμάτων που δημιουργείται από το κλείδωμα της 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.
Εικόνα 3. Σχηματικό διάγραμμα ΟΠΛ.
Η αρχή του οπτικού PLL είναι παρόμοια με αυτή του PLL στον τομέα των ηλεκτρονικών.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 προκύπτει κάνοντας διαφορά συχνότητας 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 λέιζερ ημιαγωγών, είναι το ρεύμα έγχυσης).Μέσω ενός τέτοιου βρόχου ελέγχου αρνητικής ανάδρασης, η φάση σχετικής 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 κλειδωμένης φάσης.Ο θόρυβος φάσης εκτός του εύρους ζώνης είναι ίσος με τον σχετικό θόρυβο φάσης των αρχικών δύο άσχετων 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, THz υψηλής συχνότητας.
Σε σύγκριση με το κλείδωμα της συχνότητας έγχυσης μπορεί να επιτευχθεί μόνο διπλασιασμός συχνότητας, οι βρόχοι κλειδώματος φάσης είναι πιο ευέλικτοι, μπορούν να παράγουν σχεδόν αυθαίρετες συχνότητες και φυσικά πιο περίπλοκοι.Για παράδειγμα, η χτένα οπτικής συχνότητας που δημιουργείται από τον φωτοηλεκτρικό διαμορφωτή στο Σχήμα 2 χρησιμοποιείται ως πηγή φωτός και ο βρόχος οπτικής κλειδώματος φάσης χρησιμοποιείται για να κλειδώσει επιλεκτικά τη συχνότητα των δύο λέιζερ στα δύο σήματα οπτικής χτένας και στη συνέχεια να δημιουργήσει σήματα υψηλής συχνότητας μέσω της διαφοράς συχνότητας, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. f1 και f2 είναι οι συχνότητες σημάτων αναφοράς των δύο PLLS αντίστοιχα, και ένα σήμα μικροκυμάτων N*frep+f1+f2 μπορεί να δημιουργηθεί από τη διαφορά συχνότητας μεταξύ των δύο λέιζερ.
Εικόνα 4. Σχηματικό διάγραμμα παραγωγής αυθαίρετων συχνοτήτων με χρήση χτενών οπτικής συχνότητας και PLLS.
3. Χρησιμοποιήστε παλμικό λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας για να μετατρέψετε το οπτικό σήμα παλμού 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.Με το κλείδωμα της συχνότητας του λέιζερ σε ένα πολύ σταθερό φάσμα ατομικής και μοριακής μετάπτωσης, ή μια εξαιρετικά σταθερή οπτική κοιλότητα και τη χρήση αυτοδιπλασιαζόμενης μετατόπισης συχνότητας συστήματος εξάλειψης συχνότητας και άλλων τεχνολογιών, μπορούμε να αποκτήσουμε ένα πολύ σταθερό οπτικό σήμα παλμού με μια πολύ σταθερή συχνότητα επανάληψης, έτσι ώστε να λαμβάνεται σήμα μικροκυμάτων με εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο φάσης.Εικόνα 5.
Σχήμα 5. Σύγκριση σχετικού θορύβου φάσης διαφορετικών πηγών σήματος.
Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός επανάληψης παλμού είναι αντιστρόφως ανάλογος με το μήκος της κοιλότητας του λέιζερ και το παραδοσιακό λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας είναι μεγάλο, είναι δύσκολο να ληφθούν απευθείας 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, ξεκίνησε πρόσφατα έρευνα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Γερμανία χρησιμοποιώντας μη γραμμικά εφέ για τη δημιουργία σταθερών στη συχνότητα οπτικών χτενών σε πολύ μικρές, υψηλής ποιότητας οπτικές κοιλότητες, οι οποίες με τη σειρά τους παράγουν σήματα μικροκυμάτων χαμηλού θορύβου υψηλής συχνότητας.
4. οπτικός ηλεκτρονικός ταλαντωτής, Εικόνα 6.
Εικόνα 6. Σχηματικό διάγραμμα φωτοηλεκτρικού συζευγμένου ταλαντωτή.
Μία από τις παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής μικροκυμάτων ή λέιζερ είναι η χρήση 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 παραγόμενος θόρυβος φάσης ή συχνότητας σήματος.Προκειμένου να αυξηθεί ο παράγοντας ποιότητας του βρόχου, ο άμεσος τρόπος είναι να αυξηθεί το μήκος του βρόχου και να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια διάδοσης.Ωστόσο, ένας μεγαλύτερος 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 μονής συχνότητας.Ο φωτοηλεκτρικός συζευγμένος ταλαντωτής είναι μια πηγή σήματος μικροκυμάτων που βασίζεται σε αυτήν την ιδέα, χρησιμοποιεί πλήρως τα χαρακτηριστικά χαμηλής απώλειας διάδοσης της ίνας, χρησιμοποιώντας μακρύτερη ίνα για τη βελτίωση της τιμής βρόχου Q, 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 στο εμπόριο φωτοηλεκτρικοί συζευγμένοι ταλαντωτές.Πιο πρόσφατα, αναπτύχθηκαν 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 η διπλή του συχνότητα θα αυξηθούν 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 εισάγουν 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 είναι ότι το οπτικό σήμα μπορεί να διανεμηθεί μέσω της οπτικής ίνας με πολύ χαμηλή απώλεια, μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις σε κάθε τερματικό χρήσης και στη συνέχεια να μετατραπεί σε σήματα μικροκυμάτων και την ικανότητα να αντιστέκεται στα ηλεκτρομαγνητικά οι παρεμβολές είναι σημαντικά βελτιωμένες από τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Η συγγραφή αυτού του άρθρου είναι κυρίως για αναφορά, και σε συνδυασμό με την ερευνητική εμπειρία και την εμπειρία του ίδιου του συγγραφέα σε αυτόν τον τομέα, υπάρχουν ανακρίβειες και ανακρίβειες, παρακαλώ κατανοήστε.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-03-2024