Mikroviļņu optoelektronika, kā norāda nosaukums, ir mikroviļņu unoptoelektronikaMikroviļņi un gaismas viļņi ir elektromagnētiskie viļņi, un to frekvences atšķiras par daudzām lieluma kārtām, un to attiecīgajās jomās izstrādātās komponentes un tehnoloģijas ir ļoti atšķirīgas. Apvienojumā mēs varam izmantot viens otra priekšrocības, bet mēs varam iegūt jaunus pielietojumus un īpašības, kuras attiecīgi ir grūti realizēt.
Optiskā komunikācijair spilgts mikroviļņu un fotoelektronu kombinācijas piemērs. Agrīnajos telefona un telegrāfa bezvadu sakaros signālu ģenerēšanai, izplatīšanai un uztveršanai tika izmantotas mikroviļņu ierīces. Sākotnēji tika izmantoti zemfrekvences elektromagnētiskie viļņi, jo frekvenču diapazons ir mazs un pārraides kanāla kapacitāte ir maza. Risinājums ir palielināt pārraidītā signāla frekvenci, jo augstāka frekvence, jo vairāk spektra resursu. Taču augstfrekvences signāla izplatīšanās zudumi gaisā ir lieli, un tos var arī viegli bloķēt šķēršļi. Ja tiek izmantots kabelis, kabeļa zudumi ir lieli, un pārraide lielos attālumos ir problēma. Optisko šķiedru sakaru parādīšanās ir labs risinājums šīm problēmām.Optiskā šķiedrair ļoti zemi pārraides zudumi un ir lielisks nesējs signālu pārraidīšanai lielos attālumos. Gaismas viļņu frekvenču diapazons ir daudz lielāks nekā mikroviļņu viļņiem, un tas var vienlaikus pārraidīt daudzus dažādus kanālus. Šo priekšrocību dēļoptiskā pārraideOptisko šķiedru sakari ir kļuvuši par mūsdienu informācijas pārraides mugurkaulu.
Optiskajai komunikācijai ir sena vēsture, pētījumi un pielietojums ir ļoti plaši un nobrieduši, nemaz nerunājot par to. Šajā rakstā galvenokārt tiek iepazīstināts ar mikroviļņu optoelektronikas jaunāko pētījumu saturu pēdējos gados, izņemot optisko komunikāciju. Mikroviļņu optoelektronika galvenokārt izmanto optoelektronikas metodes un tehnoloģijas 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 ģenerētu augstas veiktspējas, zema trokšņa mikroviļņu signālus no X joslas līdz pat THz joslai.
Otrkārt, mikroviļņu signālu apstrāde. Ieskaitot aizkavi, filtrēšanu, frekvences pārveidošanu, uztveršanu un tā tālāk.
Treškārt, analogo signālu pārraide.
Šajā rakstā autors iepazīstina tikai ar pirmo daļu – mikroviļņu signāla ģenerēšanu. Tradicionālos mikroviļņu milimetru vilni galvenokārt ģenerē iii_V mikroelektroniskie komponenti. Tam ir šādi ierobežojumi: pirmkārt, augstām frekvencēm, piemēram, virs 100 GHz, tradicionālā mikroelektronika var radīt arvien mazāku jaudu, savukārt augstākas frekvences THz signālam tā neko nevar darīt. Otrkārt, lai samazinātu fāzes troksni un uzlabotu frekvences stabilitāti, oriģinālā ierīce jānovieto ārkārtīgi zemā temperatūrā. Treškārt, ir grūti panākt plašu frekvenču modulācijas un frekvences pārveidošanas diapazonu. Lai atrisinātu šīs problēmas, lomu var spēlēt optoelektroniskās tehnoloģijas. Galvenās metodes ir aprakstītas turpmāk.
1. Izmantojot divu dažādu frekvenču lāzera signālu atšķirīgo frekvenci, augstfrekvences fotodetektors tiek izmantots mikroviļņu signālu pārveidošanai, kā parādīts 1. attēlā.
1. attēls. Mikroviļņu shematiska diagramma, ko rada divu starojuma frekvenču starpībalāzeri.
Šīs metodes priekšrocības ir vienkārša struktūra, tā var ģenerēt ārkārtīgi augstas frekvences milimetru viļņu un pat THz frekvences signālu, un, regulējot lāzera frekvenci, var veikt plašu ātras frekvences pārveidošanas un slaucīšanas frekvenču diapazonu. Trūkums ir tāds, ka divu nesaistītu lāzera signālu ģenerētā atšķirīgās frekvences signāla līnijas platums vai fāzes troksnis ir relatīvi liels, un frekvences stabilitāte nav augsta, īpaši, ja tiek izmantots pusvadītāju lāzers ar mazu tilpumu, bet lielu līnijas platumu (~MHz). Ja sistēmas svara un tilpuma prasības nav augstas, var izmantot zema trokšņa (~kHz) cietvielu lāzerus.šķiedru lāzeri, ārējā dobumapusvadītāju lāzeri, utt. Turklāt divus dažādus lāzera signālu režīmus, kas ģenerēti vienā lāzera rezonatorā, var izmantot arī, lai ģenerētu atšķirīgu frekvenci, tādējādi ievērojami uzlabojot mikroviļņu frekvences stabilitātes rādītājus.
2. Lai atrisinātu problēmu, ka iepriekšējā metodē izmantotie divi lāzeri ir nekoherenti un ģenerētais signāla fāzes troksnis ir pārāk liels, koherenci starp abiem lāzeriem var iegūt, izmantojot injekcijas frekvences bloķēšanas fāzes bloķēšanas metodi vai negatīvās atgriezeniskās saites fāzes bloķēšanas shēmu. 2. attēlā parādīts tipisks injekcijas bloķēšanas pielietojums mikroviļņu daudzkārtņu ģenerēšanai (2. attēls). Tieši injicējot augstfrekvences strāvas signālus pusvadītāju lāzerā vai izmantojot LinBO3 fāzes modulatoru, var ģenerēt vairākus dažādu frekvenču optiskos signālus ar vienādu frekvenču atstarpi jeb optiskās frekvenču ķemmes. Protams, visbiežāk izmantotā metode plaša spektra optiskās frekvenču ķemmes iegūšanai ir režīmu bloķēta lāzera izmantošana. Jebkuri divi ķemmes signāli ģenerētajā optiskajā frekvenču ķemmē tiek atlasīti, filtrējot, un injicēti attiecīgi 1. un 2. lāzerā, lai realizētu attiecīgi frekvences un fāzes bloķēšanu. Tā kā fāze starp dažādiem optiskās frekvenču ķemmes signāliem ir relatīvi stabila, tāpēc relatīvā fāze starp abiem lāzeriem ir stabila, un pēc tam, izmantojot iepriekš aprakstīto diferenciālās frekvences metodi, var iegūt optiskās frekvenču ķemmes atkārtošanās ātruma daudzkārtēju frekvences mikroviļņu signālu.
2. attēls. Injekcijas frekvences bloķēšanas ģenerēta mikroviļņu frekvences dubultošanas signāla shematiska diagramma.
Vēl viens veids, kā samazināt abu lāzeru relatīvo fāzes troksni, ir izmantot negatīvas atgriezeniskās saites optisko PLL, kā parādīts 3. attēlā.
3. attēls. OPL shematiska diagramma.
Optiskā PLL princips ir līdzīgs PLL principam elektronikas jomā. Divu lāzeru fāžu starpība tiek pārveidota elektriskā signālā ar fotodetektora (kas atbilst fāzes detektoram) palīdzību, un pēc tam fāžu starpība starp abiem lāzeriem tiek iegūta, radot diferenciālo frekvenci ar atsauces mikroviļņu signāla avotu, kas tiek pastiprināta un filtrēta, un pēc tam padota atpakaļ uz viena no lāzeriem frekvences vadības bloku (pusvadītāju lāzeriem tā ir injekcijas strāva). Izmantojot šādu negatīvās atgriezeniskās saites vadības cilpu, relatīvā frekvences fāze starp abiem lāzera signāliem tiek fiksēta ar atsauces mikroviļņu signālu. Apvienoto optisko signālu pēc tam var pārraidīt pa 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 cilpas 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, dalītāja frekvenci vai citu frekvences apstrādi, lai zemākas frekvences mikroviļņu signālu varētu vairākkārt dubultot vai pārveidot par augstas frekvences RF, THz signāliem.
Salīdzinot ar iesmidzināšanas frekvences bloķēšanu, var panākt tikai frekvences dubultošanu, fāzes bloķēšanas cilpas ir elastīgākas, var radīt gandrīz patvaļīgas frekvences un, protams, sarežģītākas. Piemēram, 2. attēlā redzamā fotoelektriskā modulatora ģenerētā optiskā frekvenču ķemme tiek izmantota kā gaismas avots, un optiskā fāzes bloķēšanas cilpa tiek izmantota, lai selektīvi fiksētu abu lāzeru frekvenci ar abiem optiskajiem ķemmes signāliem un pēc tam ģenerētu augstfrekvences signālus, izmantojot atšķirīgo frekvenci, kā parādīts 4. attēlā. f1 un f2 ir attiecīgi abu PLLS atskaites signāla frekvences, un mikroviļņu signālu N*frep+f1+f2 var ģenerēt, izmantojot atšķirīgo frekvenci starp abiem lāzeriem.
4. attēls. Patvaļīgu frekvenču ģenerēšanas shematiska diagramma, izmantojot optiskās frekvenču ķemmes un PLLS.
3. Izmantojiet režīma bloķētu impulsa lāzeru, lai pārveidotu optisko impulsa signālu mikroviļņu signālā, izmantojotfotodetektors.
Šīs metodes galvenā priekšrocība ir tā, ka var iegūt signālu ar ļoti labu frekvences stabilitāti un ļoti zemu fāzes troksni. Fiksējot lāzera frekvenci ļoti stabilā atomu un molekulu pārejas spektrā vai ārkārtīgi stabilā optiskajā rezonatorā un izmantojot pašdubultojošās frekvences eliminācijas sistēmas frekvences nobīdes un citas tehnoloģijas, mēs varam iegūt ļoti stabilu optisko impulsa signālu ar ļoti stabilu atkārtošanās frekvenci, tādējādi iegūstot mikroviļņu signālu ar īpaši zemu fāzes troksni. 5. attēls.
5. attēls. Dažādu signāla avotu relatīvā fāzes trokšņa salīdzinājums.
Tomēr, tā kā impulsa atkārtošanās ātrums ir apgriezti proporcionāls lāzera rezonatora garumam un tradicionālais režīmu bloķētais lāzers ir liels, ir grūti tieši iegūt augstfrekvences mikroviļņu signālus. Turklāt tradicionālo impulslāzeru izmērs, svars un enerģijas patēriņš, kā arī skarbās vides prasības ierobežo to galvenokārt laboratorijas pielietojumu. Lai pārvarētu šīs grūtības, nesen Amerikas Savienotajās Valstīs un Vācijā ir uzsākti pētījumi, kuros izmanto nelineārus efektus, lai ģenerētu frekvenču ziņā stabilas optiskās ķemmes ļoti mazos, augstas kvalitātes čirprežīma optiskajos rezonatoros, kas savukārt ģenerē augstfrekvences zema trokšņa mikroviļņu signālus.
4. optoelektroniskais oscilators, 6. attēls.
6. attēls. Fotoelektriski savienotā oscilatora shematiska diagramma.
Viena no tradicionālajām mikroviļņu vai lāzeru ģenerēšanas metodēm ir izmantot pašatgriezenisko slēgtu cilpu. Ja vien slēgtās cilpas pastiprinājums ir lielāks par zudumiem, pašuzbudinātās 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, pievienojot šaura joslas platuma filtru, var iegūt vienas frekvences zema trokšņa mikroviļņu svārstību signālu. Fotoelektriski savienots oscilators ir mikroviļņu signāla avots, kas balstīts uz šo ideju, pilnībā izmantojot šķiedras zemā izplatīšanās zuduma raksturlielumus, izmantojot garāku šķiedru, lai uzlabotu cilpas Q vērtību, var radīt mikroviļņu signālu ar ļoti zemu fāzes troksni. Kopš metodes ierosināšanas 20. gs. deviņdesmitajos gados šāda veida oscilatori ir plaši pētīti un ievērojami attīstīti, un pašlaik ir pieejami komerciāli fotoelektriski savienoti oscilatori. Pavisam nesen ir izstrādāti fotoelektriskie oscilatori, kuru frekvences var regulēt plašā diapazonā. Galvenā problēma, kas balstīta uz šo arhitektūru, ir tā, ka cilpa ir gara, un troksnis tās brīvajā plūsmā (FSR) un tās dubultajā frekvencē ievērojami palielināsies. Turklāt tiek izmantoti vairāk fotoelektrisko komponentu, izmaksas ir augstas, apjomu ir grūti samazināt, un garāka šķiedra ir jutīgāka pret vides traucējumiem.
Iepriekš minētais īsumā iepazīstina ar vairākām fotoelektronu mikroviļņu signālu ģenerēšanas metodēm, kā arī to priekšrocībām un trūkumiem. Visbeidzot, fotoelektronu izmantošanai mikroviļņu radīšanai ir vēl viena priekšrocība – optisko signālu var izplatīt pa optisko šķiedru ar ļoti zemiem zudumiem, pārraidīt lielos attālumos uz katru lietošanas termināli un pēc tam pārveidot mikroviļņu signālos, un spēja pretoties elektromagnētiskajiem traucējumiem ir ievērojami uzlabota salīdzinājumā ar tradicionālajām elektroniskajām komponentēm.
Šī raksta pamatā ir uzziņa, un, apvienojumā ar autora paša pētījumu pieredzi un pieredzi šajā jomā, tajā ir neprecizitātes un nesaprotamība, lūdzu, saprotiet.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 3. janvāris