Mikroviļņu optoelektronika, kā norāda nosaukums, ir mikroviļņu unoptoelektronikaApvidū Mikroviļņi un gaismas viļņi ir elektromagnētiski viļņi, un frekvences ir daudz atšķirīgas, un to attiecīgajos laukos izstrādātās sastāvdaļas un tehnoloģijas ir ļoti atšķirīgas. Kombinācijā mēs varam izmantot viens otra priekšrocības, bet mēs varam iegūt jaunas lietojumprogrammas un īpašības, kuras ir grūti realizēt.
Optiskā komunikācijair lielisks mikroviļņu un fotoelektronu kombinācijas piemērs. Agrīnie telefona un telegrāfa bezvadu sakari, signālu ģenerēšana, izplatīšana un uztveršana, visas izmantotās mikroviļņu ierīces. Sākotnēji tiek izmantoti zemas frekvences elektromagnētiskie viļņi, jo frekvenču diapazons ir mazs un kanāla ietilpība pārnešanai ir maza. Risinājums ir palielināt pārraidītā signāla frekvenci, jo augstāka frekvence, jo vairāk spektra resursi. Bet augstas frekvences signāls gaisa izplatīšanās zudumā ir liels, bet arī viegli bloķēt ar šķēršļiem. Ja kabelis tiek izmantots, kabeļa zaudēšana ir liela, un problēma ir tālsatiksmes pārraide. Optisko šķiedru sakaru parādīšanās ir labs risinājums šīm problēmām.Optiskā šķiedrair ļoti zems pārraides zudums un tas ir lielisks nesējs signālu pārraidīšanai lielos attālumos. Gaismas viļņu frekvenču diapazons ir daudz lielāks nekā mikroviļņu krāsnī un vienlaikus var pārraidīt daudzus dažādus kanālus. Šo priekšrocību dēļoptiskā pārraide, Optiskā šķiedru komunikācija ir kļuvusi par mūsdienu informācijas pārraides mugurkaulu.
Optiskai komunikācijai ir sena vēsture, pētījumi un pielietojums ir ļoti plašs un nobriedis, šeit nav vairāk. Šis dokuments 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 piemērošanas viedokļa tas galvenokārt ietver šādus trīs aspektus.
Pirmais ir optoelektronikas izmantošana, lai radītu augstas veiktspējas, zema trokšņa mikroviļņu signālus, sākot no X joslas līdz THZ joslai.
Otrkārt, mikroviļņu signāla apstrāde. Ieskaitot kavēšanos, filtrēšanu, frekvences konvertēšanu, saņemšanu un tā tālāk.
Treškārt, analogo signālu pārraide.
Šajā rakstā autors ievieš tikai pirmo daļu - mikroviļņu signāla ģenerēšanu. Tradicionālo mikroviļņu milimetru vilni galvenokārt ģenerē III_V mikroelektroniskās sastāvdaļas. Tās ierobežojumiem ir šādi punkti: pirmkārt, līdz augstām frekvencēm, piemēram, 100 GHz, tradicionālā mikroelektronika var radīt mazāk un mazāk jaudas, līdz augstākas frekvences THz signālam viņi neko nevar darīt. Otrkārt, lai samazinātu fāzes troksni un uzlabotu frekvences stabilitāti, sākotnējā ierīce ir jānovieto ārkārtīgi zemā temperatūras vidē. Treškārt, ir grūti sasniegt plašu frekvences modulācijas frekvences konvertēšanas diapazonu. Lai atrisinātu šīs problēmas, var būt nozīme optoelektroniskajai tehnoloģijai. Galvenās metodes ir aprakstītas zemāk.
1. Izmantojot divu dažādu frekvences lāzera signālu atšķirības frekvenci, mikroviļņu signālu pārveidošanai izmanto augstfrekvences fotodetektoru, kā parādīts 1. attēlā.
1. attēls. Mikroviļņu shematiska diagramma, ko rada divu starpības frekvencelāzeri.
Šīs metodes priekšrocības ir vienkārša struktūra, var radīt ārkārtīgi augstfrekvences milimetru viļņu un pat THz frekvences signālu, un, pielāgojot lāzera frekvenci, var veikt lielu ātrās frekvences konvertācijas diapazonu, slaucīšanas frekvenci. Trūkums ir tāds, ka starpības frekvences signāla līnijas platums vai fāzes troksnis, ko rada divi nesaistīti lāzera signāli lietots. Ja sistēmas svara tilpuma prasības nav augstas, varat izmantot zemu troksni (~ kHz) cietvielu lāzerus,šķiedru lāzeri, ārējs dobumspusvadītāju lāzeriutt. Turklāt divus dažādus lāzera signālu veidus, kas ģenerēti vienā un tajā pašā lāzera dobumā, var izmantot arī atšķirības frekvences ģenerēšanai, lai mikroviļņu frekvences stabilitātes veiktspēja būtu ievērojami uzlabota.
2. Lai atrisinātu problēmu, ka divi lāzeri iepriekšējā metodē ir nesakarīgi un radītais signāla fāzes troksnis ir pārāk liels, abus lāzerus var iegūt ar injekcijas frekvences bloķēšanas fāzes bloķēšanas metodi vai negatīvo atgriezeniskās saites fāzi bloķēšanas shēma. 2. attēlā parādīts tipisks iesmidzināšanas bloķēšanas pielietojums, lai ģenerētu mikroviļņu daudzkārtņus (2. attēls). Tieši ievadot augstfrekvences strāvas signālus pusvadītāju lāzerā vai izmantojot Linbo3-fāzes modulatoru, var ģenerēt vairākus dažādu frekvenču optiskos signālus ar vienādas frekvences atstatumu vai optiskās frekvences ķemmes. Protams, parasti izmantotā metode, lai iegūtu plašu spektra optiskās frekvences ķemmi, ir lāzera lāzera izmantošana ar režīmu. Visi divi ķemmes signāli ģenerētajā optiskās frekvences ķemmē tiek izvēlēti, filtrējot un injicējot attiecīgi 1. un 2. lāzerā, lai attiecīgi realizētu frekvences un fāzes bloķēšanu. Tā kā fāze starp dažādiem optiskās frekvences ķemmes ķemmēšanas signāliem ir samērā stabila, tā ka relatīvā fāze starp abiem lāzeriem ir stabila un pēc tam ar atšķirības frekvences metodi, kā aprakstīts iepriekš, daudzkārtīga frekvences mikroviļņu signāls Var iegūt optiskās frekvences ķemmes atkārtošanās ātrumu.
2. attēls. Mikroviļņu frekvences shēmas shēma Divkāršošanās signāls, ko rada injekcijas frekvences bloķēšana.
Vēl viens veids, kā samazināt divu lāzeru relatīvo fāzes troksni, ir negatīvas atgriezeniskās saites optiskās PLL izmantošana, kā parādīts 3. attēlā.
3. attēls. OPL shematiskā diagramma.
Optiskā PLL princips ir līdzīgs PLL principam elektronikas jomā. Abu lāzeru fāzes starpība tiek pārveidota par elektrisko signālu ar fotodetektoru (ekvivalents fāzes detektoram), un pēc tam fāzes starpību starp abiem lāzeriem iegūst, veicot starpības frekvenci ar atsauces mikroviļņu signāla avotu, kas tiek pastiprināts un filtrē un pēc tam tiek barots ar viena lāzera frekvences kontroles vienību (pusvadītāju lāzeriem tā ir injekcijas strāva). Izmantojot šādu negatīvu atgriezeniskās saites kontroles cilpu, relatīvās frekvences fāze starp diviem lāzera signāliem ir bloķēta uz atsauces mikroviļņu signālu. Pēc tam kombinēto optisko signālu var pārnest caur optiskām šķiedrām uz fotodetoru citur un pārveidot par mikroviļņu signālu. Iegūtais mikroviļņu signāla fāzes troksnis ir gandrīz tāds pats kā atsauces signālam, kas atrodas fāzē bloķētas negatīvās atgriezeniskās saites cilpas joslas platumā. Fāzes troksnis ārpus joslas platuma ir vienāds ar divu nesaistītu lāzeru relatīvo fāzes troksni.
Turklāt atsauces mikroviļņu signāla avotu var pārveidot arī ar citiem signāla avotiem, divkāršojot frekvenci, dalīšanas frekvenci vai citu frekvences apstrādi, lai zemākas frekvences mikroviļņu signāls varētu būt daudzdumēts vai pārveidot par augstfrekvences RF, THz signāliem.
Salīdzinot ar injekcijas frekvences bloķēšanu, var iegūt tikai frekvences divkāršošanu, fāzes bloķētās cilpas ir elastīgākas, var radīt gandrīz patvaļīgas frekvences un, protams, sarežģītākas. Piemēram, kā gaismas avotu tiek izmantota optiskās frekvences ķemme, ko ģenerē fotoelektriskais modulators 2. attēlā, un optiskās fāzes bloķētā cilpa tiek izmantota, lai selektīvi bloķētu divu lāzeru frekvenci līdz diviem optiskajiem ķemmes signāliem, un pēc tam ģenerētu Augstas frekvences signāli caur starpības frekvenci, kā parādīts 4. attēlā. F1 un F2 ir attiecīgi abu PLL atsauces signāla frekvences un mikroviļņu signāls ar N*FREP+F1+F2 var ģenerēt ar atšķirības frekvenci starp abiem lāzeriem.
4. attēls. Patvaļīgu frekvenču ģenerēšanas shēma, izmantojot optiskās frekvences ķemmes un PLL.
3. Izmantojiet ar režīmu bloķētu impulsa lāzeru, lai pārveidotu optiskā impulsa signālu mikroviļņu signālā caurfotodetektors.
Šīs metodes galvenā priekšrocība ir tā, ka var iegūt signālu ar ļoti labu frekvences stabilitāti un ļoti zemu fāzes troksni. Bloķējot lāzera frekvenci uz ļoti stabilu atomu un molekulārās pārejas spektru vai ārkārtīgi stabilu optisko dobumu, kā arī pašnodarbinātas frekvences eliminācijas sistēmas frekvences maiņu 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 relatīvā fāzes trokšņa salīdzinājums.
Tā kā impulsa atkārtošanās ātrums ir apgriezti proporcionāls lāzera dobuma garumam, un tradicionālais ar režīmu bloķētais lāzers ir liels, ir grūti tieši iegūt augstfrekvences mikroviļņu signālus tieši. Turklāt tradicionālo impulsu lāzeru lielums, svars un enerģijas patēriņš, kā arī skarbās vides prasības ierobežo to galvenokārt laboratorijas pielietojumu. Lai pārvarētu šīs grūtības, pētījumi nesen ir sākušies Amerikas Savienotajās Valstīs un Vācijā, izmantojot nelineārus efektus, lai radītu frekvences stabilas optiskās ķemmes ļoti mazās, augstas kvalitātes čirkstēšanas režīma optiskajos dobumos, kas savukārt rada augstas frekvences zemas trokšņa mikroviļņu signālus.
4. Opto elektroniskais oscilators, 6. attēls.
6. attēls. Fotoelektriskā savienotā oscilatora shematiska diagramma.
Viena no tradicionālajām mikroviļņu vai lāzeru ģenerēšanas metodēm ir izmantot aizvērto cilpu pašatgriezeniski, ja vien aizvērtā cilpas ieguvums ir lielāks nekā zaudējumi, pašsaprotamā svārstība var radīt mikroviļņu krāsni vai lāzerus. Jo augstāks ir slēgtas cilpas kvalitātes koeficients Q, jo mazāks ir ģenerētā signāla fāze vai frekvences troksnis. Lai palielinātu cilpas kvalitātes koeficientu, tiešais veids ir palielināt cilpas garumu un samazināt izplatīšanās zudumu. Tomēr garāka cilpa parasti var atbalstīt vairāku svārstību režīmu ģenerēšanu, un, ja tiek pievienots šaurs joslas platuma filtrs, var iegūt vienfrekvences zema trokšņa mikroviļņu svārstības signālu. Fotoelektriskais savienotais oscilators ir mikroviļņu signāla avots, kas balstīts uz šo ideju, tas pilnībā izmanto šķiedras zemo izplatīšanās zudumu raksturlielumus, izmantojot garāku šķiedru, lai uzlabotu cilpas Q vērtību, var radīt mikroviļņu signālu ar ļoti zemu fāzes troksni. Kopš metode tika ierosināta 1990. gados, šāda veida oscilators ir saņēmis plašu pētījumu un ievērojamu attīstību, un šobrīd ir komerciāli fotoelektriski savienoti oscilatori. Pavisam nesen ir izstrādāti fotoelektriskie oscilatori, kuru frekvences var pielāgot plašā diapazonā. Galvenā mikroviļņu signālu avotu problēma, pamatojoties uz šo arhitektūru, ir tā, ka cilpa ir gara, un troksnis brīvajā plūsmā (FSR) un tās dubultā frekvence tiks ievērojami palielināta. Turklāt izmantotās fotoelektriskās sastāvdaļas ir vairāk, izmaksas ir augstas, tilpumu ir grūti samazināt, un garāka šķiedra ir jutīgāka pret vides traucējumiem.
Iepriekš minētais īsi ievieš vairākas mikroviļņu signālu fotoelektronu ģenerēšanas metodes, kā arī to priekšrocības un trūkumus. Visbeidzot, fotoelektronu izmantošanai mikroviļņu krāsnī ir vēl viena priekšrocība, ir tā, ka optisko signālu var sadalīt caur optisko šķiedru ar ļoti zemiem zaudējumiem, tālsatiksmes pārraidi katram lietošanas terminālim un pēc tam pārveidot par mikroviļņu signāliem un spēju izturēt elektromagnētisko Traucējumi ir ievērojami uzlaboti nekā tradicionālie elektroniskie komponenti.
Šī raksta rakstīšana galvenokārt ir paredzēta atsaucei, un tā apvienojumā ar paša autora pieredzi un pieredzi šajā jomā ir neprecizitātes un neizpratne, lūdzu, saprotiet.
Pasta laiks: janvāris-03-244