Mikrobølgeoptoelektronik, som navnet antyder, er skæringspunktet mellem mikrobølgeovn ogOptoelectronics. Mikrobølger og lette bølger er elektromagnetiske bølger, og frekvenserne er mange størrelsesordener forskellige, og komponenterne og teknologierne, der er udviklet inden for deres respektive felter, er meget forskellige. I kombination kan vi drage fordel af hinanden, men vi kan få nye applikationer og egenskaber, der er vanskelige at realisere.
Optisk kommunikationer et godt eksempel på kombinationen af mikrobølger og fotoelektroner. Tidlig telefon- og telegraf trådløs kommunikation, generation, forplantning og modtagelse af signaler, alle brugte mikrobølgeenheder. Elektromagnetiske bølger med lav frekvens anvendes oprindeligt, fordi frekvensområdet er lille, og kanalkapaciteten til transmission er lille. Løsningen er at øge hyppigheden af det transmitterede signal, jo højere er frekvensen, jo flere spektrumressourcer. Men det højfrekvenssignal i tabet af luftformering er stort, men også let at blive blokeret af forhindringer. Hvis kablet bruges, er tabet af kablet stort, og langdistance transmission er et problem. Fremkomsten af optisk fiberkommunikation er en god løsning på disse problemer.Optisk fiberHar meget lavt transmissionstab og er en fremragende bærer til transmission af signaler over lange afstande. Frekvensområdet for lysbølger er meget større end for mikrobølger og kan transmittere mange forskellige kanaler samtidig. På grund af disse fordele vedOptisk transmission, Optisk fiberkommunikation er blevet rygraden i nutidens informationsoverførsel.
Optisk kommunikation har en lang historie, forskning og anvendelse er meget omfattende og modne, her er ikke at sige mere. Dette papir introducerer hovedsageligt det nye forskningsindhold i mikrobølgeoptoelektronik i de senere andre år end optisk kommunikation. Mikrobølgeoptoelektronik bruger hovedsageligt metoder og teknologier inden for optoelektronik som transportør til at forbedre og opnå ydeevnen og anvendelsen, der er vanskelige at opnå med traditionelle mikrobølgeelektroniske komponenter. Fra anvendelsesperspektivet inkluderer det hovedsageligt følgende tre aspekter.
Den første er brugen af optoelektronik til at generere højtydende mikrobølgesignaler med lavt støj, fra X-båndet helt til THz-båndet.
For det andet mikrobølgesignalbehandling. Inklusive forsinkelse, filtrering, frekvensomdannelse, modtagelse og så videre.
For det tredje transmission af analoge signaler.
I denne artikel introducerer forfatteren kun den første del, genereringen af mikrobølgesignal. Traditionel mikrobølgebølgebølge genereres hovedsageligt af III_V -mikroelektroniske komponenter. Dens begrænsninger har følgende punkter: For det første, til høje frekvenser, såsom 100 GHz ovenfor, kan traditionel mikroelektronik producere mindre og mindre effekt, til det højere frekvens THz -signal kan de ikke gøre noget. For det andet skal den originale enhed for at reducere fasestøj og forbedre frekvensstabiliteten placeres i et ekstremt lavt temperaturmiljø. For det tredje er det vanskeligt at opnå en lang række frekvensmoduleringsfrekvensomdannelse. For at løse disse problemer kan optoelektronisk teknologi spille en rolle. De vigtigste metoder er beskrevet nedenfor.
1. Gennem forskelfrekvensen for to forskellige frekvenslasersignaler bruges en højfrekvent fotodetektor til at konvertere mikrobølgesignaler, som vist i figur 1.
Figur 1. Skematisk diagram over mikrobølger genereret af forskellen frekvens for tolasere.
Fordelene ved denne metode er enkel struktur, kan generere ekstremt højfrekvente millimeterbølge og endda THz -frekvenssignal, og ved at justere laserens hyppighed kan der udføre et stort udvalg af hurtigfrekvensomdannelse, fejefrekvens. Ulempen er, at linjebredde eller fasestøj fra forskellens frekvenssignal genereret af to ikke -relaterede lasersignaler er relativt stor, og frekvensstabiliteten er ikke høj, især hvis en halvlederlaser med et lille volumen, men en stor linjebredde (~ MHz) bruges. Hvis kravene til systemvægtvolumen ikke er høje, kan du bruge lav støj (~ KHz) faststof-lasere,Fiberlasere, eksternt hulrumhalvlederlasereosv. Derudover kan to forskellige tilstande med lasersignaler genereret i det samme laserhulrum også bruges til at generere en forskelfrekvens, så mikrobølgefrekvensstabilitetsydelsen forbedres meget.
2. For at løse problemet, at de to lasere i den forrige metode er usammenhængende, og den genererede signalfasestøj er for stor, kan sammenhængen mellem de to lasere opnås ved injektionsfrekvenslåsningsfaselåsemetode eller den negative feedback -faselåsekredsløb. Figur 2 viser en typisk påføring af injektionslåsning til at generere mikrobølgemultipler (figur 2). Ved direkte at injicere højfrekvensstrømssignaler i en halvlederlaser eller ved at bruge en Linbo3-fase-modulator kan flere optiske signaler af forskellige frekvenser med lige frekvensafstand genereres eller optisk frekvenskomme. Naturligvis er den almindeligt anvendte metode til opnåelse af en bred spektrum optisk frekvenskam at bruge en mode-låst laser. Alle to kamsignaler i den genererede optiske frekvenskam vælges ved filtrering og injiceres i henholdsvis laser 1 og 2 for at realisere frekvens og faselåsning. Fordi fasen mellem de forskellige kamsignaler af den optiske frekvenskam er relativt stabil, så den relative fase mellem de to lasere er stabil, og derefter ved metoden til forskelfrekvens som beskrevet tidligere, kan det multi-fold frekvensmikrobølgesignal fra den optiske frekvens-gentagelseshastighed opnås.
Figur 2. Skematisk diagram over mikrobølgefrekvens fordoblingssignal genereret ved indsprøjtningsfrekvenslåsning.
En anden måde at reducere den relative fasestøj fra de to lasere på er at bruge en negativ feedback -optisk PLL, som vist i figur 3.
Figur 3. Skematisk diagram over OPL.
Princippet om optisk PLL svarer til princippet for PLL inden for elektronikområdet. Faseforskellen for de to lasere omdannes til et elektrisk signal med en fotodetektor (svarende til en fasedetektor), og derefter opnås faseforskellen mellem de to lasere ved at gøre en forskelfrekvens med en referencemikrobølgesignalskilde, som er amplificeret og filtreret og derefter tilbage til frekvensstyringsenheden for en af laserne (til Semicingor Lasers, det er injektionsstrømmen). Gennem en sådan negativ feedback -kontrolsløjfe er den relative frekvensfase mellem de to lasersignaler låst til referencemikrobølgesignalet. Det kombinerede optiske signal kan derefter overføres gennem optiske fibre til en fotodetektor andetsteds og konverteres til et mikrobølgesignal. Den resulterende fasestøj fra mikrobølgesignalet er næsten den samme som for referencesignalet inden for båndbredden af den faselåste negative feedback-loop. Fasestøj uden for båndbredden er lig med den relative fasestøj for de originale to ikke -relaterede lasere.
Derudover kan referencemikrobølgesignalkilden også konverteres af andre signalkilder gennem frekvensdobling, divisorfrekvens eller anden frekvensbehandling, så det lavere frekvensmikrobølgesignal kan multidouberes eller konverteres til højfrekvent RF, THz-signaler.
Sammenlignet med injektionsfrekvenslåsning kan kun opnå frekvensopdobling, faselåste sløjfer er mere fleksible, kan producere næsten vilkårlige frekvenser og selvfølgelig mere komplekse. For eksempel bruges den optiske frekvenskam, der genereres af den fotoelektriske modulator i figur 2, som lyskilden, og den optiske faselåste sløjfe bruges til selektivt at låse frekvensen af de to lasere til de to optiske kamsignaler og genererer derefter højfrekvenssignaler gennem forskellen frekvens, som i figur 4. F1 og F2 er referencesignalernes frekvenser for henholdsvis to plls og en mikro og en mikro-signal til signalet til signal på N*FREP+F1+F2 kan genereres af forskellenfrekvensen mellem de to lasere.
Figur 4. Skematisk diagram over generering af vilkårlige frekvenser ved hjælp af optiske frekvenskommer og PLL'er.
3. brug mode-locked pulslaser til at konvertere optisk pulssignal til mikrobølgesignal gennemfotodetektor.
Den største fordel ved denne metode er, at der kan opnås et signal med meget god frekvensstabilitet og meget lav fasestøj. Ved at låse frekvensen af laseren til et meget stabilt atom- og molekylært overgangsspektrum eller et ekstremt stabilt optisk hulrum og brugen af selvdoblingsfrekvens elimineringssystemfrekvensskift og andre teknologier, kan vi opnå et meget stabilt optisk pulssignal med en meget stabil gentagelsesfrekvens for at opnå et mikrobølgesignal med ultra-low-fase støjstøjstøj. Figur 5.
Figur 5. Sammenligning af relativ fasestøj fra forskellige signalkilder.
Fordi pulsrepetitionshastigheden er omvendt proportional med hulrumets længde på laseren, og den traditionelle tilstandslåste laser er stor, er det vanskeligt at opnå højfrekvente mikrobølgesignaler direkte. Derudover begrænser størrelsen, vægt og energiforbrug for traditionelle pulserede lasere såvel som de barske miljøbehov deres hovedsageligt laboratorieapplikationer. For at overvinde disse vanskeligheder er forskning for nylig begyndt i USA og Tyskland ved hjælp af ikke-lineære effekter til at generere frekvensstabile optiske kamme i meget små chirp-tilstand optiske hulrum, som igen genererer højfrekvente mikrobølgesignaler med lav støj.
4. Opto elektronisk oscillator, figur 6.
Figur 6. Skematisk diagram over fotoelektrisk koblet oscillator.
En af de traditionelle metoder til at generere mikrobølger eller lasere er at bruge en selvfodback-lukket loop, så længe gevinsten i den lukkede sløjfe er større end tabet, kan den selvudviklede svingning producere mikrobølger eller lasere. Jo højere kvalitetsfaktor Q for den lukkede sløjfe er, jo mindre er den genererede signalfase eller frekvensstøj. For at øge kvalitetsfaktoren i løkken er den direkte måde at øge looplængden og minimere forplantningstabet. Imidlertid kan en længere loop normalt understøtte genereringen af flere svingningsmetoder, og hvis der tilføjes et smalbåndbreddefilter, kan der opnås et enkeltfrekvente mikrobølgesignal med lavt støj. Fotoelektrisk koblet oscillator er en mikrobølgesignalkilde baseret på denne idé, den gør fuld brug af fiberens lave udbredelsestabskarakteristika ved hjælp af en længere fiber til forbedring af loop Q -værdien, kan producere et mikrobølgesignal med meget lav fasestøj. Siden metoden blev foreslået i 1990'erne, har denne type oscillator modtaget omfattende forskning og betydelig udvikling, og der er i øjeblikket kommercielle fotoelektriske koblede oscillatorer. For nylig er fotoelektriske oscillatorer, hvis frekvenser kan justeres over en lang rækkevidde. Hovedproblemet med mikrobølgesignalkilder baseret på denne arkitektur er, at løkken er lang, og støjen i sin frie strøm (FSR) og dens dobbeltfrekvens øges markant. Derudover er de anvendte fotoelektriske komponenter mere, omkostningerne er høje, volumen er vanskelige at reducere, og den længere fiber er mere følsom over for miljømæssig forstyrrelse.
Ovenstående introducerer kort flere metoder til fotoelektrongenerering af mikrobølgesignaler samt deres fordele og ulemper. Endelig er brugen af fotoelektroner til at producere mikrobølgeovn en anden fordel, at det optiske signal kan distribueres gennem den optiske fiber med meget lavt tab, langdistance transmission til hver brugsterminal og derefter konverteres til mikrobølgesignaler, og evnen til at modstå elektromagnetisk interferens forbedres markant end traditionelle elektroniske komponenter.
Skrivningen af denne artikel er hovedsageligt til reference, og kombineret med forfatterens egen forskningsoplevelse og erfaring på dette område er der unøjagtigheder og uforståelse, vær venlig at forstå.
Posttid: Jan-03-2024