Nuværende situation og hotspots inden for generering af mikrobølgesignaler i mikrobølgeoptoelektronik

Mikrobølgeoptoelektronik, som navnet antyder, er skæringspunktet mellem mikrobølgeovn ogoptoelektronikMikrobølger og lysbølger er elektromagnetiske bølger, og frekvenserne er mange størrelsesordener forskellige, og de komponenter og teknologier, der er udviklet inden for deres respektive områder, er meget forskellige. I kombination kan vi drage fordel af hinanden, men vi kan få nye anvendelser og egenskaber, der er vanskelige at realisere.

Optisk kommunikationer et godt eksempel på kombinationen af ​​mikrobølger og fotoelektroner. Tidlig trådløs telefon- og telegrafkommunikation, generering, udbredelse og modtagelse af signaler, brugte alle mikrobølgeenheder. Lavfrekvente elektromagnetiske bølger blev i første omgang brugt, fordi frekvensområdet er lille, og kanalens transmissionskapacitet er lille. Løsningen er at øge frekvensen af ​​det transmitterede signal, jo højere frekvensen er, desto flere spektrumressourcer. Men højfrekvente signaler i luftudbredelsestabet er stort, men det blokeres også let af forhindringer. Hvis der anvendes kabel, er tabet af kabel stort, og langdistancetransmission er et problem. Fremkomsten af ​​optisk fiberkommunikation er en god løsning på disse problemer.Optisk fiberhar et 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 samtidigt. På grund af disse fordele vedoptisk transmission, optisk fiberkommunikation er blevet rygraden i nutidens informationstransmission.
Optisk kommunikation har en lang historie, forskning og anvendelse er meget omfattende og moden, her er ikke mere for at sige. Denne artikel introducerer primært det nye forskningsindhold inden for mikrobølgeoptoelektronik i de senere år udover optisk kommunikation. Mikrobølgeoptoelektronik bruger primært metoder og teknologier inden for optoelektronik som bærer til at forbedre og opnå den ydeevne og anvendelse, der er vanskelig at opnå med traditionelle mikrobølgeelektroniske komponenter. Fra et anvendelsesperspektiv omfatter den primært følgende tre aspekter.
Den første er brugen af ​​optoelektronik til at generere højtydende, støjsvage mikrobølgesignaler, fra X-båndet helt til THz-båndet.
For det andet, mikrobølgesignalbehandling. Inklusive forsinkelse, filtrering, frekvenskonvertering, modtagelse og så videre.
For det tredje, transmission af analoge signaler.

I denne artikel introducerer forfatteren kun den første del, genereringen af ​​mikrobølgesignaler. Traditionelle mikrobølgemillimeterbølger genereres hovedsageligt af iii_V mikroelektroniske komponenter. Dens begrænsninger har følgende punkter: For det første kan traditionel mikroelektronik producere mindre og mindre strøm ved høje frekvenser som 100 GHz og derover, og ved højere frekvenser med THz kan de intet gøre. For det andet skal den originale enhed placeres i et miljø med ekstremt lave temperaturer for at reducere fasestøj og forbedre frekvensstabiliteten. For det tredje er det vanskeligt at opnå en bred vifte af frekvensmodulation og frekvensomdannelse. For at løse disse problemer kan optoelektronisk teknologi spille en rolle. De vigtigste metoder er beskrevet nedenfor.

1. Ved hjælp af forskelsfrekvensen af ​​to lasersignaler med forskellig frekvens bruges en højfrekvent fotodetektor til at konvertere mikrobølgesignaler, som vist i figur 1.

Figur 1. Skematisk diagram over mikrobølger genereret af forskelsfrekvensen af ​​tolasere.

Fordelene ved denne metode er den enkle struktur, den kan generere ekstremt højfrekvente millimeterbølge- og endda THz-frekvenssignaler, og ved at justere laserens frekvens kan der udføres en bred vifte af hurtig frekvenskonvertering, sweepfrekvens. Ulempen er, at linjebredden eller fasestøjen for differensfrekvenssignalet genereret af to uafhængige lasersignaler er relativt stor, og frekvensstabiliteten er ikke høj, især hvis der anvendes en halvlederlaser med et lille volumen, men en stor linjebredde (~MHz). Hvis systemets vægt- og volumenkrav ikke er høje, kan man bruge lavstøjs (~kHz) solid-state lasere.fiberlasere, ydre hulrumhalvlederlasereosv. Derudover kan to forskellige tilstande af lasersignaler genereret i det samme laserhulrum også bruges til at generere en forskelsfrekvens, således at mikrobølgefrekvensstabiliteten forbedres betydeligt.

2. For at løse problemet med, at de to lasere i den foregående metode er inkohærente, og den genererede signalfasestøj er for stor, kan kohærensen mellem de to lasere opnås ved hjælp af injektionsfrekvenslåsningsfaselåsningsmetoden eller negativ feedbackfaselåsningskredsløbet. Figur 2 viser en typisk anvendelse af injektionslåsning til at generere mikrobølgemultipler (Figur 2). Ved direkte at injicere højfrekvente strømsignaler i en halvlederlaser eller ved at bruge en LinBO3-fasemodulator kan der genereres flere optiske signaler med forskellige frekvenser med lige frekvensafstand eller optiske frekvenskamme. Den almindeligt anvendte metode til at opnå en bredspektret optisk frekvenskam er naturligvis at bruge en modelåst laser. To kamsignaler i den genererede optiske frekvenskam udvælges ved filtrering og injiceres i henholdsvis laser 1 og 2 for at realisere henholdsvis frekvens- og faselåsning. Fordi fasen mellem de forskellige kamsignaler i den optiske frekvenskamm er relativt stabil, således at den relative fase mellem de to lasere er stabil, kan der derefter ved hjælp af differensfrekvensmetoden som beskrevet tidligere opnås et flerfoldigt frekvensmikrobølgesignal for den optiske frekvenskamms repetitionshastighed.

Figur 2. Skematisk diagram over mikrobølgefrekvensfordoblingssignal genereret ved injektionsfrekvenslåsning.
En anden måde at reducere den relative fasestøj fra de to lasere er at bruge en negativ feedback optisk PLL, som vist i figur 3.

Figur 3. Skematisk diagram af OPL.

Princippet for optisk PLL ligner PLL's inden for elektronik. Faseforskellen mellem de to lasere omdannes til et elektrisk signal af en fotodetektor (svarende til en fasedetektor), og derefter opnås faseforskellen mellem de to lasere ved at lave en differensfrekvens med en referencemikrobølgesignalkilde, som forstærkes og filtreres og derefter føres tilbage til frekvensstyringsenheden på en af ​​laserne (for halvlederlasere er det injektionsstrømmen). Gennem en sådan negativ feedback-kontrolsløjfe låses den relative frekvensfase mellem de to lasersignaler til referencemikrobølgesignalet. Det kombinerede optiske signal kan derefter transmitteres gennem optiske fibre til en fotodetektor et andet sted og omdannes til et mikrobølgesignal. Den resulterende fasestøj fra mikrobølgesignalet er næsten den samme som referencesignalets inden for båndbredden af ​​den faselåste negative feedbacksløjfe. Fasestøjen uden for båndbredden er lig med den relative fasestøj fra de to oprindelige uafhængige lasere.
Derudover kan referencemikrobølgesignalkilden også konverteres af andre signalkilder via frekvensfordobling, divisorfrekvens eller anden frekvensbehandling, således at mikrobølgesignalet med lavere frekvens kan multidobles eller konverteres til højfrekvente RF- og THz-signaler.
Sammenlignet med injektionsfrekvenslåsning kan man kun opnå frekvensfordobling. Faselåste sløjfer er mere fleksible, kan producere næsten vilkårlige frekvenser og er naturligvis mere komplekse. For eksempel bruges den optiske frekvenskam, der genereres af den fotoelektriske modulator i figur 2, som lyskilde, og den optiske faselåste sløjfe bruges til selektivt at låse frekvensen af ​​de to lasere til de to optiske kamsignaler og derefter generere højfrekvente signaler gennem differensfrekvensen, som vist i figur 4. f1 og f2 er henholdsvis referencesignalfrekvenserne for de to PLLS'er, og et mikrobølgesignal på N*frep+f1+f2 kan genereres ved differensfrekvensen mellem de to lasere.

Figur 4. Skematisk diagram over generering af vilkårlige frekvenser ved hjælp af optiske frekvenskamme og PLLS'er.

3. Brug en tilstandslåst pulslaser til at konvertere et optisk pulssignal til et mikrobølgesignal viafotodetektor.

Den største fordel ved denne metode er, at der kan opnås et signal med meget god frekvensstabilitet og meget lav fasestøj. Ved at låse laserens frekvens til et meget stabilt atomart og molekylært overgangsspektrum eller et ekstremt stabilt optisk hulrum og ved at bruge et selvfordoblende frekvenselimineringssystem, frekvensforskydning og andre teknologier, kan vi opnå et meget stabilt optisk pulssignal med en meget stabil repetitionsfrekvens, så der opnås et mikrobølgesignal med ultralav fasestøj. Figur 5.

Figur 5. Sammenligning af relativ fasestøj fra forskellige signalkilder.

Men fordi pulsgentagelseshastigheden er omvendt proportional med laserens kavitetslængde, og den traditionelle mode-låste laser er stor, er det vanskeligt at opnå højfrekvente mikrobølgesignaler direkte. Derudover begrænser størrelsen, vægten og energiforbruget af traditionelle pulserede lasere, såvel som de barske miljøkrav, deres primært laboratorieanvendelser. For at overvinde disse vanskeligheder er der for nylig begyndt forskning i USA og Tyskland ved hjælp af ikke-lineære effekter til at generere frekvensstabile optiske kamme i meget små, højkvalitets chirp-mode optiske kaviteter, som igen genererer højfrekvente lavstøjsmikrobølgesignaler.

4. optoelektronisk oscillator, figur 6.

Figur 6. Skematisk diagram over en fotoelektrisk koblet oscillator.

En af de traditionelle metoder til at generere mikrobølger eller lasere er at bruge en lukket sløjfe med selvtilbagekobling. Så længe forstærkningen i den lukkede sløjfe er større end tabet, kan den selvexciterede oscillation producere mikrobølger eller lasere. Jo højere kvalitetsfaktoren Q i den lukkede sløjfe er, desto mindre er den genererede fase- eller frekvensstøj i signalet. For at øge sløjfens kvalitetsfaktor er den direkte metode at øge sløjfelængden og minimere udbredelsestabet. En længere sløjfe kan dog normalt understøtte generering af flere oscillationstilstande, og hvis der tilføjes et filter med smal båndbredde, kan der opnås et enkeltfrekvent lavstøjsmikrobølgeoscillationssignal. Fotoelektrisk koblet oscillator er en mikrobølgesignalkilde baseret på denne idé. Den udnytter fiberens lave udbredelsestab fuldt ud. Ved at bruge en længere fiber til at forbedre sløjfens Q-værdi kan der produceres et mikrobølgesignal med meget lav fasestøj. Siden metoden blev foreslået i 1990'erne, har denne type oscillator gennemgået omfattende forskning og betydelig udvikling, og der findes i øjeblikket kommercielle fotoelektrisk koblede oscillatorer. For nylig er der blevet udviklet fotoelektriske oscillatorer, hvis frekvenser kan justeres over et bredt område. Hovedproblemet med mikrobølgesignalkilder baseret på denne arkitektur er, at sløjfen er lang, og støjen i dens frie strømning (FSR) og dens dobbelte frekvens vil blive betydeligt forøget. Derudover er der flere fotoelektriske komponenter, der anvendes, omkostningerne er høje, volumen er vanskelig at reducere, og den længere fiber er mere følsom over for miljøforstyrrelser.

Ovenstående introducerer kort flere metoder til fotoelektrongenerering af mikrobølgesignaler, samt deres fordele og ulemper. Endelig har brugen af ​​fotoelektroner til at producere mikrobølger en anden fordel, nemlig at det optiske signal kan distribueres gennem den optiske fiber med meget lavt tab og langdistancetransmission til hver brugsterminal og derefter konverteres til mikrobølgesignaler, og evnen til at modstå elektromagnetisk interferens er betydeligt forbedret i forhold til traditionelle elektroniske komponenter.
Artiklen er primært skrevet til reference, og kombineret med forfatterens egen forskningserfaring og erfaring på dette område er der unøjagtigheder og uforståeligheder. Vi beder om forståelse.