Mikroviļņu optoelektronika, kā norāda nosaukums, ir mikroviļņu unoptoelektronika. Mikroviļņi un gaismas viļņi ir elektromagnētiskie viļņi, un to frekvences ir daudzkārt atšķirīgas, un to attiecīgajās jomās izstrādātās sastāvdaļas un tehnoloģijas ir ļoti atšķirīgas. Kombinācijā mēs varam izmantot viens otra priekšrocības, bet mēs varam iegūt jaunas lietojumprogrammas un īpašības, kuras attiecīgi ir grūti realizēt.
Optiskā komunikācijair lielisks piemērs mikroviļņu un fotoelektronu kombinācijai. Agrīnie telefona un telegrāfa bezvadu sakari, signālu ģenerēšana, izplatīšana un uztveršana, visas izmantotās mikroviļņu ierīces. Zemfrekvences elektromagnētiskos viļņus sākotnēji izmanto, jo frekvenču diapazons ir mazs un kanāla kapacitāte pārraidei ir maza. Risinājums ir palielināt pārraidītā signāla frekvenci, jo augstāka frekvence, jo vairāk spektra resursu. Bet augstfrekvences signāla izplatīšanās gaisā zudumi ir lieli, taču tos arī viegli bloķē šķēršļi. Ja tiek izmantots kabelis, kabeļa zudums ir liels, un tālsatiksmes pārraide rada problēmas. Optisko šķiedru sakaru parādīšanās ir labs šo problēmu risinājums.Optiskā šķiedrair ļoti zems pārraides zudums, un tas ir lielisks nesējs signālu pārraidīšanai lielos attālumos. Gaismas viļņu frekvenču diapazons ir daudz lielāks nekā mikroviļņu frekvenču diapazons un vienlaikus var pārraidīt daudzus dažādus kanālus. Šo priekšrocību dēļoptiskā pārraide, optiskās šķiedras sakari ir kļuvuši par mūsdienu informācijas pārraides mugurkaulu.
Optiskajai komunikācijai ir sena vēsture, pētījumi un pielietojums ir ļoti apjomīgs un nobriedis, lai neteiktu vairāk. Šis raksts galvenokārt iepazīstina ar jauno mikroviļņu optoelektronikas pētījumu saturu pēdējos gados, izņemot optisko komunikāciju. Mikroviļņu optoelektronika galvenokārt izmanto metodes un tehnoloģijas optoelektronikas jomā kā nesēju, lai uzlabotu un sasniegtu veiktspēju un pielietojumu, ko ir grūti sasniegt ar tradicionālajiem mikroviļņu elektroniskajiem komponentiem. No pielietojuma viedokļa tas galvenokārt ietver šādus trīs aspektus.
Pirmais ir optoelektronikas izmantošana, lai radītu augstas veiktspējas, zema trokšņa līmeņa mikroviļņu signālus no X joslas līdz pat THz joslai.
Otrkārt, mikroviļņu signālu apstrāde. Ieskaitot aizkavi, filtrēšanu, frekvences pārveidošanu, saņemšanu un tā tālāk.
Treškārt, analogo signālu pārraide.
Šajā rakstā autors iepazīstina tikai ar pirmo daļu — mikroviļņu signāla ģenerēšanu. Tradicionālo mikroviļņu milimetru vilni galvenokārt ģenerē iii_V mikroelektroniskie komponenti. Tā ierobežojumiem ir šādi punkti: Pirmkārt, augstām frekvencēm, piemēram, 100 GHz virs, tradicionālā mikroelektronika var ražot mazāk un mazāk enerģijas, bet augstākas frekvences THz signālam tā nevar darīt neko. Otrkārt, lai samazinātu fāzes troksni un uzlabotu frekvences stabilitāti, oriģinālā ierīce ir jānovieto ārkārtīgi zemas temperatūras vidē. Treškārt, ir grūti sasniegt plašu frekvences modulācijas frekvences pārveidošanas diapazonu. Šo problēmu risināšanā savu lomu var spēlēt optoelektroniskās tehnoloģijas. Galvenās metodes ir aprakstītas zemāk.
1. Izmantojot divu dažādu frekvenču lāzera signālu atšķirības frekvenci, augstfrekvences fotodetektoru izmanto, lai pārveidotu mikroviļņu signālus, kā parādīts 1. attēlā.
1. attēls. Mikroviļņu shematiskā diagramma, ko rada divu frekvenču starpībalāzeri.
Šīs metodes priekšrocības ir vienkārša struktūra, tā var radīt ārkārtīgi augstas frekvences milimetru viļņu un pat THz frekvences signālu, un, pielāgojot lāzera frekvenci, var veikt lielu ātru frekvences pārveidošanu, slaucīšanas frekvenci. Trūkums ir tāds, ka divu nesaistītu lāzera signālu ģenerētā atšķirības frekvenču signāla līnijas platums vai fāzes troksnis ir salīdzinoši liels, un frekvences stabilitāte nav augsta, it īpaši, ja pusvadītāju lāzers ar mazu tilpumu, bet lielu līnijas platumu (~MHz). lietots. Ja sistēmas svara prasības nav augstas, varat izmantot zema trokšņa (~ kHz) cietvielu lāzerus,šķiedru lāzeri, ārējā dobumāpusvadītāju lāzeriuc Turklāt divus dažādus lāzera signālu režīmus, kas ģenerēti vienā un tajā pašā lāzera dobumā, var izmantot arī, lai radītu atšķirīgu frekvenci, tādējādi ievērojami uzlabojot mikroviļņu frekvences stabilitātes veiktspēju.
2. Lai atrisinātu problēmu, ka divi lāzeri iepriekšējā metodē ir nesakarīgi un signāla fāzes troksnis ir pārāk liels, saskaņotību starp diviem lāzeriem var iegūt ar injekcijas frekvences bloķēšanas fāzes bloķēšanas metodi vai negatīvās atgriezeniskās saites fāzi. bloķēšanas ķēde. 2. attēlā parādīts tipisks injekcijas bloķēšanas pielietojums, lai ģenerētu mikroviļņu atkārtojumus (2. attēls). Tiešā veidā ievadot augstfrekvences strāvas signālus pusvadītāju lāzerā vai izmantojot LinBO3 fāzes modulatoru, var ģenerēt vairākus dažādu frekvenču optiskos signālus ar vienādu frekvenču atstatumu vai optiskās frekvences ķemmes. Protams, plaši izmantotā metode plaša spektra optiskās frekvences ķemmes iegūšanai ir izmantot režīmā bloķētu lāzeru. Jebkuri divi ķemmes signāli ģenerētajā optiskās frekvences ķemmē tiek atlasīti, filtrējot un ievadīti attiecīgi lāzerā 1 un 2, lai realizētu attiecīgi frekvences un fāzes bloķēšanu. Tā kā fāze starp dažādiem optiskās frekvences ķemmes ķemmes signāliem ir relatīvi stabila, tāpēc relatīvā fāze starp diviem lāzeriem ir stabila, un pēc tam, izmantojot iepriekš aprakstīto frekvenču atšķirības metodi, daudzkārtējas frekvences mikroviļņu signāls var iegūt optiskās frekvences ķemmes atkārtošanās ātrumu.
2. attēls. Mikroviļņu frekvences dubultošanās signāla shematiskā diagramma, ko rada injekcijas frekvences bloķēšana.
Vēl viens veids, kā samazināt abu lāzeru relatīvo fāzes troksni, ir izmantot negatīvas atgriezeniskās saites optisko PLL, kā parādīts 3.
3. attēls. OPL shematiskā diagramma.
Optiskā PLL princips ir līdzīgs PLL principam elektronikas jomā. Abu lāzeru fāzu starpība tiek pārveidota elektriskajā signālā ar fotodetektoru (ekvivalents fāzes detektoram), un pēc tam fāzes starpība starp diviem lāzeriem tiek iegūta, izveidojot starpības frekvenci ar atsauces mikroviļņu signāla avotu, kas tiek pastiprināts. un filtrē un pēc tam padod atpakaļ uz viena lāzera frekvences vadības bloku (pusvadītāju lāzeriem tā ir injekcijas strāva). Izmantojot šādu negatīvu atgriezeniskās saites vadības cilpu, relatīvā frekvences fāze starp diviem lāzera signāliem tiek bloķēta atsauces mikroviļņu signālam. Apvienoto optisko signālu pēc tam var pārraidīt caur optiskajām šķiedrām uz fotodetektoru citur un pārveidot par mikroviļņu signālu. Iegūtais mikroviļņu signāla fāzes troksnis ir gandrīz tāds pats kā atsauces signālam fāzes bloķētās negatīvās atgriezeniskās saites joslas platumā. Fāzes troksnis ārpus joslas platuma ir vienāds ar sākotnējo divu nesaistīto lāzeru relatīvo fāzes troksni.
Turklāt atsauces mikroviļņu signāla avotu var pārveidot arī citi signāla avoti, izmantojot frekvences dubultošanu, dalītāju frekvenci vai citu frekvenču apstrādi, lai zemākas frekvences mikroviļņu signālu varētu vairākkārtīgi dubultot vai pārveidot par augstas frekvences RF, THz signāliem.
Salīdzinot ar injekcijas frekvences bloķēšanu, var iegūt tikai frekvences dubultošanu, fāzes bloķētās cilpas ir elastīgākas, var radīt gandrīz patvaļīgas frekvences un, protams, sarežģītākas. Piemēram, optiskās frekvences ķemme, ko ģenerē 2. attēlā redzamais fotoelektriskais modulators, tiek izmantota kā gaismas avots, un optiskā fāzes bloķētā cilpa tiek izmantota, lai selektīvi bloķētu divu lāzeru frekvenci diviem optiskās ķemmes signāliem un pēc tam ģenerētu. augstfrekvences signālus, izmantojot atšķirības frekvenci, kā parādīts 4. attēlā. f1 un f2 ir attiecīgi abu PLLS atsauces signālu frekvences, un mikroviļņu signālu N*frep+f1+f2 var ģenerēt ar frekvences starpību starp divi lāzeri.
4. attēls. Patvaļīgu frekvenču ģenerēšanas shematiskā diagramma, izmantojot optiskās frekvences ķemmes un PLLS.
3. Izmantojiet režīmā bloķētu impulsu lāzeru, lai pārveidotu optisko impulsu signālu mikroviļņu signālāfotodetektors.
Šīs metodes galvenā priekšrocība ir tāda, ka var iegūt signālu ar ļoti labu frekvences stabilitāti un ļoti zemu fāzes troksni. Bloķējot lāzera frekvenci ļoti stabilam atomu un molekulu pārejas spektram vai ārkārtīgi stabilam optiskam dobumam un izmantojot pašdubultojošās frekvences eliminācijas sistēmas frekvences nobīdes un citas tehnoloģijas, mēs varam iegūt ļoti stabilu optiskā impulsa signālu ar ļoti stabila atkārtošanās frekvence, lai iegūtu mikroviļņu signālu ar īpaši zemu fāzes troksni. 5. attēls.
5. attēls. Dažādu signālu avotu relatīvo fāzes trokšņu salīdzinājums.
Tomēr, tā kā impulsa atkārtošanās ātrums ir apgriezti proporcionāls lāzera dobuma garumam un tradicionālais lāzera režīms ir liels, ir grūti tieši iegūt augstfrekvences mikroviļņu signālus. Turklāt tradicionālo impulsu lāzeru izmērs, svars un enerģijas patēriņš, kā arī skarbās vides prasības ierobežo to izmantošanu galvenokārt laboratorijās. Lai pārvarētu šīs grūtības, Amerikas Savienotajās Valstīs un Vācijā nesen tika uzsākti pētījumi, izmantojot nelineārus efektus, lai radītu frekvences stabilas optiskās ķemmes ļoti mazos, augstas kvalitātes čivināšanas režīma optiskajos dobumos, kas savukārt rada augstas frekvences zema trokšņa mikroviļņu signālus.
4. opto elektroniskais oscilators, 6. attēls.
6. attēls. Fotoelektriski savienota oscilatora shematiskā diagramma.
Viena no tradicionālajām mikroviļņu vai lāzeru ģenerēšanas metodēm ir slēgtā cikla pašatgriezeniskās saites izmantošana, ja vien pastiprinājums slēgtajā cilpā ir lielāks par zudumu, paša ierosmes svārstības var radīt mikroviļņus vai lāzerus. Jo augstāks ir slēgtās cilpas kvalitātes koeficients Q, jo mazāks ir ģenerētā signāla fāzes vai frekvences troksnis. Lai palielinātu cilpas kvalitātes koeficientu, tiešais veids ir palielināt cilpas garumu un samazināt izplatīšanās zudumus. Tomēr garāka cilpa parasti var atbalstīt vairāku svārstību režīmu ģenerēšanu, un, ja tiek pievienots šauras joslas platuma filtrs, var iegūt vienas frekvences zema trokšņa mikroviļņu svārstību signālu. Fotoelektriskais savienotais oscilators ir mikroviļņu signāla avots, kas balstīts uz šo ideju, tas pilnībā izmanto šķiedras zemo izplatīšanās zudumu īpašības, izmantojot garāku šķiedru, lai uzlabotu cilpas Q vērtību, var radīt mikroviļņu signālu ar ļoti zemu fāzes troksni. Kopš metodes ierosināšanas deviņdesmitajos gados šāda veida oscilatori ir saņēmuši plašu izpēti un ievērojamu attīstību, un pašlaik ir komerciāli fotoelektriski savienoti oscilatori. Pavisam nesen tika izstrādāti fotoelektriskie oscilatori, kuru frekvences var regulēt plašā diapazonā. Galvenā mikroviļņu signālu avotu problēma, kas balstīta uz šo arhitektūru, ir tā, ka cilpa ir gara, un troksnis tās brīvajā plūsmā (FSR) un tā dubultā frekvence tiks ievērojami palielināta. Turklāt izmantoto fotoelektrisko komponentu ir vairāk, izmaksas ir augstas, apjomu ir grūti samazināt, un garāka šķiedra ir jutīgāka pret vides traucējumiem.
Iepriekš minētais īsumā iepazīstina ar vairākām mikroviļņu signālu fotoelektronu ģenerēšanas metodēm, kā arī to priekšrocībām un trūkumiem. Visbeidzot, fotoelektronu izmantošanai mikroviļņu ražošanā ir vēl viena priekšrocība ir tā, ka optisko signālu var izplatīt caur optisko šķiedru ar ļoti zemiem zudumiem, pārraidīt lielos attālumos uz katru lietošanas termināli un pēc tam pārveidot mikroviļņu signālos, kā arī spēju pretoties elektromagnētiskajiem signāliem. traucējumi ir ievērojami uzlaboti nekā tradicionālie elektroniskie komponenti.
Šī raksta rakstīšana galvenokārt ir paredzēta uzziņai, un apvienojumā ar paša autora pētniecības pieredzi un pieredzi šajā jomā ir neprecizitātes un nesaprotamība, lūdzu, saprotiet.
Ievietošanas laiks: Jan-03-2024