Mikrobølgeoptoelektronik, som navnet antyder, er skæringspunktet mellem mikroovn ogoptoelektronik. Mikrobølger og lysbølger er elektromagnetiske bølger, og frekvenserne er mange størrelsesordener forskellige, og de komponenter og teknologier, der udvikles inden for deres respektive områder, er meget forskellige. I kombination kan vi udnytte hinanden, men vi kan få nye applikationer og egenskaber, der er svære at realisere hhv.
Optisk kommunikationer et glimrende eksempel på kombinationen af mikrobølger og fotoelektroner. Tidlig trådløs telefon- og telegrafkommunikation, generering, udbredelse og modtagelse af signaler, alt sammen brugte mikrobølgeenheder. Lavfrekvente elektromagnetiske bølger bruges i starten, fordi frekvensområdet er lille, og kanalkapaciteten til transmission er lille. Løsningen er at øge frekvensen af det transmitterede signal, jo højere frekvensen er, jo flere spektrumressourcer. Men det højfrekvente signal i luftudbredelsestabet er stort, men også let at blive blokeret af forhindringer. Hvis kablet bruges, er tabet af kablet stort, og langdistancetransmission 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 at sende 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 at sige mere. Denne artikel introducerer hovedsageligt det nye forskningsindhold i mikrobølgeoptoelektronik i de seneste år, bortset fra optisk kommunikation. Mikrobølgeoptoelektronik bruger hovedsageligt metoderne og teknologierne inden for optoelektronik som bærer til at forbedre og opnå den ydeevne og anvendelse, som er svære at opnå med traditionelle mikrobølge elektroniske komponenter. Fra anvendelsesperspektivet omfatter det hovedsageligt følgende tre aspekter.
Den første er brugen af optoelektronik til at generere højtydende mikrobølgesignaler med lav støj, fra X-båndet hele vejen til THz-båndet.
For det andet mikrobølgesignalbehandling. Herunder 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. Traditionel mikrobølge millimeterbølge er hovedsageligt genereret af iii_V mikroelektroniske komponenter. Dens begrænsninger har følgende punkter: For det første, til høje frekvenser som 100GHz ovenfor, kan traditionel mikroelektronik producere mindre og mindre strøm, til det højere frekvens THz-signal kan de intet gøre. For det andet, for at reducere fasestøj og forbedre frekvensstabiliteten, skal den originale enhed placeres i et miljø med ekstremt lav temperatur. For det tredje er det vanskeligt at opnå en bred vifte af frekvensmodulationsfrekvenskonvertering. For at løse disse problemer kan optoelektronisk teknologi spille en rolle. De vigtigste metoder er beskrevet nedenfor.
1. Gennem differensfrekvensen af to forskellige frekvenslasersignaler bruges en højfrekvent fotodetektor til at konvertere mikrobølgesignaler, som vist i figur 1.
Figur 1. Skematisk diagram af mikrobølger genereret af forskellen frekvens af tolasere.
Fordelene ved denne metode er enkel struktur, kan generere ekstremt højfrekvent millimeterbølge og endda THz-frekvenssignal, og ved at justere frekvensen af laseren kan udføre et stort udvalg af hurtig frekvenskonvertering, sweep-frekvens. Ulempen er, at linjebredden eller fasestøjen af differensfrekvenssignalet 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) er brugt. Hvis systemets vægtvolumenkrav ikke er høje, kan du bruge solid-state lasere med lav støj (~kHz),fiberlasere, ydre hulrumhalvlederlasere, osv. Derudover kan to forskellige tilstande af lasersignaler genereret i det samme laserhulrum også bruges til at generere en forskelsfrekvens, således at mikrobølgefrekvensstabilitetens ydeevne er væsentligt forbedret.
2. For at løse problemet med, at de to lasere i den foregående metode er usammenhængende, og den genererede signalfasestøj er for stor, kan kohærensen mellem de to lasere opnås ved injektionsfrekvenslåsende faselåsningsmetode eller negativ feedbackfase låsekredsløb. Figur 2 viser en typisk anvendelse af injektionslåsning til at generere mikrobølgemultipler (figur 2). Ved direkte at indsprøjte 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 tilstandslåst laser. Hvilke som helst to kamsignaler i den genererede optiske frekvenskam vælges ved filtrering og injiceres i henholdsvis laser 1 og 2 for at realisere henholdsvis frekvens og faselåsning. Fordi fasen mellem de forskellige kamsignaler fra den optiske frekvenskam er relativt stabil, således at den relative fase mellem de to lasere er stabil, og derefter ved metoden med differensfrekvens som beskrevet før, multi-fold frekvens mikrobølgesignalet fra optisk frekvens kam gentagelseshastighed kan opnås.
Figur 2. Skematisk diagram af mikrobølgefrekvensfordoblingssignal genereret af injektionsfrekvenslåsning.
En anden måde at reducere den relative fasestøj på 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 princippet for PLL inden for elektronik. Faseforskellen på 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 forskelsfrekvens med en referencemikrobølgesignalkilde, som forstærkes og filtreret og derefter ført tilbage til frekvensstyringsenheden på en af laserne (for halvlederlasere er det injektionsstrømmen). Gennem en sådan negativ tilbagekoblingskontrolsløjfe 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 for referencesignalet inden for båndbredden af den faselåste negative feedback-sløjfe. Fasestøjen 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 frekvensfordobling, divisorfrekvens eller anden frekvensbehandling, så det lavere frekvensmikrobølgesignal kan multidobles eller konverteres til højfrekvente RF, THz-signaler.
Sammenlignet med injektion frekvens låsning kan kun opnå frekvens fordobling, fase-låste sløjfer er mere fleksible, kan producere næsten vilkårlige frekvenser, og selvfølgelig mere komplekse. For eksempel bruges den optiske frekvenskam genereret 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 derefter generere højfrekvente signaler gennem differensfrekvensen, som vist i figur 4. f1 og f2 er referencesignalfrekvenserne for henholdsvis de to PLLS, og et mikrobølgesignal på N*frep+f1+f2 kan genereres af differensfrekvensen mellem to lasere.
Figur 4. Skematisk diagram af generering af vilkårlige frekvenser ved hjælp af optiske frekvenskamme og PLLS.
3. Brug tilstandslåst pulslaser til at konvertere optisk pulssignal til mikrobølgesignal igennemfotodetektor.
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 atom- og molekylært overgangsspektrum, eller et ekstremt stabilt optisk hulrum, og brugen af selvfordobling af frekvenselimineringssystem frekvensskift og andre teknologier, kan vi opnå et meget stabilt optisk pulssignal med en meget stabil gentagelsesfrekvens for at opnå et mikrobølgesignal med ultralav fasestøj. Figur 5.
Figur 5. Sammenligning af relativ fasestøj for forskellige signalkilder.
Men fordi pulsgentagelseshastigheden er omvendt proportional med laserens hulrumslængde, og den traditionelle modelåste laser er stor, er det vanskeligt at opnå højfrekvente mikrobølgesignaler direkte. Derudover begrænser størrelsen, vægten og energiforbruget af traditionelle pulserende lasere, såvel som de skrappe miljøkrav, deres primære laboratorieanvendelser. 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 optiske hulrum i højkvalitets chirp mode, som igen genererer højfrekvente lavstøjsmikrobølgesignaler.
4. opto elektronisk oscillator, figur 6.
Figur 6. Skematisk diagram af fotoelektrisk koblet oscillator.
En af de traditionelle metoder til at generere mikrobølger eller lasere er at bruge en selvfeedback lukket sløjfe, så længe forstærkningen i den lukkede sløjfe er større end tabet, kan den selv-exciterede oscillation producere mikrobølger eller lasere. Jo højere kvalitetsfaktor Q for den lukkede sløjfe er, jo mindre er den genererede signalfase eller frekvensstøj. For at øge løkkens kvalitetsfaktor er den direkte måde at øge løkkens længde og minimere udbredelsestabet. En længere sløjfe kan dog normalt understøtte genereringen af flere oscillationstilstande, og hvis der tilføjes et filter med smal båndbredde, kan der opnås et enkeltfrekvent lavstøjs-mikrobølgeoscillationssignal. Fotoelektrisk koblet oscillator er en mikrobølgesignalkilde baseret på denne idé, den gør fuld brug af fiberens lave udbredelsestabskarakteristika, ved at bruge en længere fiber til at forbedre 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 findes i dag kommercielle fotoelektriske koblede oscillatorer. For nylig er der 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 flow (FSR) og dens dobbelte frekvens vil blive væsentligt forøget. Derudover er de anvendte fotoelektriske komponenter flere, omkostningerne er høje, volumen er svær at reducere, og den længere fiber er mere følsom over for miljøforstyrrelser.
Ovenstående introducerer kort flere metoder til fotoelektrongenerering af mikrobølgesignaler, såvel som deres fordele og ulemper. Endelig har brugen af fotoelektroner til at producere mikrobølger en anden fordel, at det optiske signal kan distribueres gennem den optiske fiber med meget lavt tab, langdistancetransmission til hver brugsterminal og derefter konverteres til mikrobølgesignaler og evnen til at modstå elektromagnetiske interferens er væsentligt forbedret end traditionelle elektroniske komponenter.
Skrivningen af denne artikel er hovedsageligt til reference, og kombineret med forfatterens egen forskningserfaring og erfaring på dette område er der unøjagtigheder og uforståelighed, forstå venligst.
Indlægstid: Jan-03-2024