Mikrolaineahju optoelektroonika, nagu nimigi ütleb, on mikrolaineahju jaoptoelektroonika. Mikrolained ja valguslained on elektromagnetlained ning nende sagedused on mitmes suurusjärgus erinevad ning nende vastavates valdkondades välja töötatud komponendid ja tehnoloogiad on väga erinevad. Kombineerides saame üksteist ära kasutada, kuid võime saada uusi rakendusi ja omadusi, mida on vastavalt raske realiseerida.
Optiline sideon suurepärane näide mikrolainete ja fotoelektronide kombinatsioonist. Varajane telefoni- ja telegraafi traadita side, signaalide genereerimine, levitamine ja vastuvõtmine, kõik kasutatud mikrolaineseadmed. Madala sagedusega elektromagnetlaineid kasutatakse esialgu seetõttu, et sagedusvahemik on väike ja kanali edastusmaht on väike. Lahenduseks on edastatava signaali sageduse suurendamine, mida kõrgem on sagedus, seda rohkem spektriressursse. Kuid õhus leviva kõrgsagedusliku signaali kadu on suur, kuid seda on lihtne takistustega blokeerida. Kui kasutatakse kaablit, on kaabli kadu suur ja pikamaaedastus on probleem. Kiudoptilise side tekkimine on nendele probleemidele hea lahendus.Optiline kiudon väga väikese edastuskadu ja on suurepärane kandja signaalide edastamiseks pikkadel vahemaadel. Valguslainete sagedusvahemik on palju suurem kui mikrolainetel ja suudab üheaegselt edastada paljusid erinevaid kanaleid. Nende eeliste tõttuoptiline ülekanne, kiudoptilisest sidest on saanud tänapäeva teabeedastuse selgroog.
Optiline kommunikatsioon on pika ajalooga, uurimustöö ja rakendus on väga ulatuslik ja küps, siinkohal pole enam öelda. See artikkel tutvustab peamiselt mikrolaine optoelektroonika viimaste aastate uut uurimissisu peale optilise side. Mikrolaine optoelektroonika kasutab peamiselt optoelektroonika valdkonna meetodeid ja tehnoloogiaid kandjana, et parandada ja saavutada jõudlust ja rakendust, mida on traditsiooniliste mikrolaine elektrooniliste komponentidega raske saavutada. Rakenduse seisukohast hõlmab see peamiselt kolme järgmist aspekti.
Esimene on optoelektroonika kasutamine suure jõudlusega madala müratasemega mikrolainesignaalide genereerimiseks X-ribast kuni THz sageduseni.
Teiseks, mikrolaine signaali töötlemine. Sealhulgas viivitus, filtreerimine, sageduse teisendamine, vastuvõtmine ja nii edasi.
Kolmandaks analoogsignaalide edastamine.
Selles artiklis tutvustab autor ainult esimest osa, mikrolainesignaali genereerimist. Traditsioonilist mikrolaine millimeeterlainet genereerivad peamiselt iii_V mikroelektroonilised komponendid. Selle piirangutel on järgmised punktid: Esiteks, kõrgete sagedustega, nagu 100 GHz üle, suudab traditsiooniline mikroelektroonika toota üha vähem energiat, kõrgema sagedusega THz signaaliga ei saa nad midagi teha. Teiseks, faasimüra vähendamiseks ja sageduse stabiilsuse parandamiseks tuleb originaalseade paigutada äärmiselt madala temperatuuriga keskkonda. Kolmandaks on raske saavutada laia valikut sagedusmodulatsiooni sagedusmuundust. Nende probleemide lahendamisel võib oma rolli mängida optoelektrooniline tehnoloogia. Peamisi meetodeid kirjeldatakse allpool.
1. Kahe erineva sagedusega lasersignaali sageduse erinevuse kaudu kasutatakse mikrolainesignaalide teisendamiseks kõrgsageduslikku fotodetektorit, nagu on näidatud joonisel 1.
Joonis 1. Kahe sageduse vahega genereeritud mikrolainete skemaatiline diagrammlaserid.
Selle meetodi eelisteks on lihtne struktuur, see võib genereerida äärmiselt kõrge sagedusega millimeeterlainet ja isegi THz sagedussignaali ning laseri sagedust reguleerides saab läbi viia suure hulga kiire sageduse muundamise, pühkimissageduse. Puuduseks on see, et kahe mitteseotud lasersignaali tekitatud sageduse vahesignaali joonelaius või faasimüra on suhteliselt suur ja sageduse stabiilsus ei ole kõrge, eriti kui väikese helitugevusega, kuid suure joonelaiusega (~MHz) pooljuhtlaser on kasutatud. Kui süsteemi kaalu ja helitugevuse nõuded ei ole kõrged, võite kasutada madala müratasemega (~ kHz) pooljuhtlasereid,kiudlaserid, välimine õõnsuspooljuhtlaseridjm. Lisaks saab erineva sageduse genereerimiseks kasutada ka kahte erinevat lasersignaali režiimi, mis genereeritakse samas laserõõnes, nii et mikrolaine sageduse stabiilsus paraneb oluliselt.
2. Probleemi lahendamiseks, et eelmise meetodi kaks laserit on ebaühtlased ja signaali faasimüra on liiga suur, saab kahe laseri vahelise koherentsuse saada süstimissageduse lukustusfaasi lukustusmeetodi või negatiivse tagasiside faasi abil. lukustusahel. Joonisel 2 on kujutatud tüüpiline sissepritselukustuse rakendus mikrolainekordade genereerimiseks (joonis 2). Sisestades kõrgsageduslikud voolusignaalid otse pooljuhtlaserisse või kasutades LinBO3 faasimodulaatorit, saab genereerida mitu erineva sagedusega optilist signaali võrdse sagedusvahemikuga või optilise sagedusega kammi. Loomulikult on laia spektriga optilise sagedusega kammi saamiseks tavaliselt kasutatav meetod režiimilukuga laseri kasutamine. Genereeritud optilise sagedusega kammi mis tahes kaks kammisignaali valitakse filtreerimise teel ja süstitakse vastavalt laseritesse 1 ja 2, et realiseerida vastavalt sagedus- ja faasilukustus. Kuna faas optilise sagedusega kammi erinevate kammsignaalide vahel on suhteliselt stabiilne, nii et suhteline faas kahe laseri vahel on stabiilne, ja seejärel sageduse erinevuse meetodil, nagu eespool kirjeldatud, on mitmekordse sagedusega mikrolainesignaal. optilise sagedusega kammi kordussagedust.
Joonis 2. Mikrolainesageduse kahekordistussignaali skemaatiline diagramm, mis on genereeritud sissepritsesageduse lukustamise teel.
Teine võimalus kahe laseri suhtelise faasimüra vähendamiseks on kasutada negatiivse tagasisidega optilist PLL-i, nagu on näidatud joonisel 3.
Joonis 3. OPL-i skemaatiline diagramm.
Optilise PLL-i põhimõte sarnaneb elektroonikavaldkonna PLL-iga. Kahe laseri faasierinevus muudetakse fotodetektoriga (vastab faasidetektorile) elektriliseks signaaliks ja seejärel saadakse kahe laseri faaside erinevus, tehes võrdlusmikrolaine signaaliallikaga sageduse erinevuse, mida võimendatakse. ja filtreeritakse ning seejärel juhitakse tagasi ühe laseri sagedusjuhtimisseadmesse (pooljuhtlaserite puhul on see süstimisvool). Sellise negatiivse tagasiside juhtkontuuri kaudu lukustatakse suhtelise sageduse faas kahe lasersignaali vahel mikrolaine võrdlussignaaliga. Seejärel saab kombineeritud optilise signaali edastada läbi optiliste kiudude mujal asuvasse fotodetektorisse ja teisendada mikrolainesignaaliks. Saadud mikrolainesignaali faasimüra on peaaegu sama, mis võrdlussignaali faasimüra faasilukuga negatiivse tagasiside ahela ribalaiuses. Ribalaiusest väljaspool olev faasimüra on võrdne kahe algse sõltumatu laseri suhtelise faasimüraga.
Lisaks saab võrdlusmikrolainesignaali allikat teisendada ka teiste signaaliallikatega sageduse kahekordistamise, jagaja sageduse või muu sageduse töötlemise teel, nii et madalama sagedusega mikrolainesignaali saab mitmekordselt kahekordistada või teisendada kõrgsageduslikeks RF, THz signaalideks.
Võrreldes sissepritsesageduse lukustamisega saab sagedust kahekordistada, on faasilukuga silmused paindlikumad, võivad tekitada peaaegu suvalisi sagedusi ja loomulikult keerukamad. Näiteks kasutatakse valgusallikana joonisel 2 kujutatud fotoelektrilise modulaatori poolt genereeritud optilise sagedusega kammi ja optilist faasilukuga silmust kasutatakse kahe laseri sageduse valikuliseks lukustamiseks kahe optilise kammi signaaliga ja seejärel genereerimiseks. kõrgsageduslikud signaalid läbi sageduse erinevuse, nagu on näidatud joonisel 4. f1 ja f2 on vastavalt kahe PLLS-i võrdlussignaali sagedused ning mikrolainesignaali N*frep+f1+f2 saab genereerida sageduste erinevuse abil kaks laserit.
Joonis 4. Skemaatiline diagramm suvaliste sageduste genereerimisest optiliste sageduskammide ja PLLS-i abil.
3. Kasutage režiimilukuga impulsslaserit, et teisendada optiline impulsssignaal mikrolainesignaaliksfotodetektor.
Selle meetodi peamine eelis on see, et on võimalik saada väga hea sagedusstabiilsusega ja väga madala faasimüraga signaal. Lukustades laseri sageduse väga stabiilsele aatomi- ja molekulaarsele üleminekuspektrile või äärmiselt stabiilsele optilisele õõnsusele ning kasutades ise kahekordistuva sageduse eliminatsioonisüsteemi sageduse nihke ja muid tehnoloogiaid, saame väga stabiilse optilise impulsi signaali. väga stabiilne kordussagedus, et saada ülimadala faasimüraga mikrolainesignaal. Joonis 5.
Joonis 5. Erinevate signaaliallikate suhtelise faasimüra võrdlus.
Kuna aga impulsi kordussagedus on pöördvõrdeline laseri õõnsuse pikkusega ja traditsiooniline režiimilukuga laser on suur, on kõrgsageduslikke mikrolainesignaale raske otse saada. Lisaks piiravad traditsiooniliste impulsslaserite suurus, kaal ja energiatarve ning karmid keskkonnanõuded nende peamiselt laboratoorseid rakendusi. Nendest raskustest ülesaamiseks on USA-s ja Saksamaal hiljuti alustatud uuringuid, mis kasutavad mittelineaarseid efekte, et tekitada väga väikestes kvaliteetsetes piiksurežiimis optilistes õõnsustes sagedusstabiilseid optilisi kammi, mis omakorda genereerivad kõrgsageduslikke madala müratasemega mikrolainesignaale.
4. optoelektrooniline ostsillaator, joonis 6.
Joonis 6. Fotoelektrilise sidestatud ostsillaatori skemaatiline diagramm.
Üks traditsioonilisi meetodeid mikrolainete või laserite genereerimiseks on enesetagasiside suletud ahela kasutamine, seni kuni suletud ahela võimendus on suurem kui kadu, võib iseergastuv võnkumine tekitada mikrolaineid või lasereid. Mida kõrgem on suletud ahela kvaliteeditegur Q, seda väiksem on genereeritud signaali faasi- või sagedusmüra. Silmuse kvaliteediteguri suurendamiseks on otsene viis silmuse pikkuse suurendamine ja levikao minimeerimine. Kuid pikem silmus võib tavaliselt toetada mitme võnkerežiimi genereerimist ja kui lisada kitsa ribalaiusega filter, on võimalik saada ühe sagedusega madala müratasemega mikrolaine võnkesignaal. Fotoelektriline sidestatud ostsillaator on sellel ideel põhinev mikrolainesignaali allikas, see kasutab täielikult ära kiu madala levimiskao omadusi, kasutades pikemat kiudu, et parandada silmuse Q väärtust, võib tekitada väga madala faasimüraga mikrolainesignaali. Alates selle meetodi väljapakumisest 1990. aastatel on seda tüüpi ostsillaatoreid põhjalikult uuritud ja palju arendatud ning praegu on kaubanduslikult saadaval fotoelektrilised ühendatud ostsillaatorid. Viimasel ajal on välja töötatud fotoelektrilised ostsillaatorid, mille sagedusi saab reguleerida laias vahemikus. Sellel arhitektuuril põhinevate mikrolaine signaaliallikate peamine probleem on see, et silmus on pikk ning selle vaba voolu (FSR) ja selle topeltsageduse müra suureneb oluliselt. Lisaks kasutatakse rohkem fotoelektrilisi komponente, hind on kõrge, mahtu on raske vähendada ja pikem kiud on keskkonnahäirete suhtes tundlikum.
Ülaltoodu tutvustab lühidalt mitmeid mikrolainesignaalide fotoelektronide genereerimise meetodeid, samuti nende eeliseid ja puudusi. Lõpuks on fotoelektronide kasutamisel mikrolainete tootmiseks veel üks eelis, et optilist signaali saab jaotada läbi optilise kiu väga väikese kaoga, edastada pika vahemaa kaudu igasse kasutusterminali ja seejärel muundada mikrolainesignaalideks ning võime vastu pidada elektromagnetilistele mõjudele. häired on oluliselt paremad kui traditsioonilised elektroonilised komponendid.
Selle artikli kirjutamine on peamiselt viide ning koos autori enda uurimiskogemuse ja kogemustega selles valdkonnas on ebatäpsusi ja arusaamatust, palun mõistke.
Postitusaeg: jaan-03-2024