Mikrolaine optoelektroonika, nagu nimigi ütleb, on mikrolainete ristumiskoht jaoptoelektroonika. Mikrolained ja kerged lained on elektromagnetilised lained ning sagedused on palju suurusjärku erinevaid ning vastavatel väljadel välja töötatud komponendid ja tehnoloogiad on väga erinevad. Kombineerides saame üksteist ära kasutada, kuid saame uusi rakendusi ja omadusi, mida on vastavalt keeruline realiseerida.
Optiline suhtluson suurepärane näide mikrolainete ja fotoelektronite kombinatsioonist. Varajane telefoni- ja telegraafi juhtmeta suhtlus, genereerimine, signaalide levitamine ja vastuvõtt, kõik kasutatud mikrolaineseadmeid. Algselt kasutatakse madala sagedusega elektromagnetilisi laineid, kuna sagedusvahemik on väike ja kanalit ülekandevõime on väike. Lahendus on suurendada edastatud signaali sagedust, seda suurem on sagedus, seda rohkem spektriressursse. Kuid kõrgsageduslik signaal õhu leviku kadumisel on suur, kuid takistuste tõttu on seda lihtne blokeerida. Kaabli kasutamisel on kaabli kadu suur ja probleem on pikamaa käigukast. Optilise kiudude kommunikatsiooni tekkimine on nendele probleemidele hea lahendus.Optiline kiudSelle ülekandekaotus on väga madal ja see on suurepärane kandja signaalide edastamiseks pikkade vahemaade jooksul. Valguslainete sagedusvahemik on palju suurem kui mikrolainete oma ja suudab samaaegselt edastada paljusid erinevaid kanaleid. Nende eeliste tõttuoptiline ülekanne, Optilisest kiududest on saanud tänase teabe edastamise selgroog.
Optilise suhtlusega on pikk ajalugu, uurimistöö ja rakendamine on väga ulatuslikud ja küpsed, siin ei tähenda rohkem. See artikkel tutvustab peamiselt mikrolaine optoelektroonika uut uurimistöö sisu, välja arvatud optiline kommunikatsioon. Mikrolaine optoelektroonika kasutab optoelektroonika valdkonnas peamiselt meetodeid ja tehnoloogiaid kandjana, et parandada ja saavutada jõudlust ja rakendust, mida on traditsiooniliste mikrolainete elektrooniliste komponentide abil keeruline saavutada. Rakenduse vaatenurgast sisaldab see peamiselt kolme järgmist aspekti.
Esimene on optoelektroonika kasutamine suure jõudlusega madala müraga mikrolainesignaalide genereerimiseks X-ribast kuni thz-ribani.
Teiseks, mikrolaine signaalitöötlus. Sealhulgas viivitus, filtreerimine, sageduse muundamine, vastuvõtmine ja nii edasi.
Kolmandaks analoogsignaalide edastamine.
Selles artiklis tutvustab autor ainult esimest osa, mikrolainesignaali genereerimist. Traditsiooniline mikrolaine millimeetri laine genereerib peamiselt III_V mikroelektroonilised komponendid. Selle piirangutel on järgmised punktid: esiteks, nagu 100 GHz kõrgemal, võib traditsiooniline mikroelektroonika anda üha vähem jõudu, kõrgema sagedusega THz -signaalile, nad ei saa midagi teha. Teiseks, faasimüra vähendamiseks ja sageduse stabiilsuse parandamiseks tuleb algseadme paigutada äärmiselt madala temperatuuriga keskkonda. Kolmandaks on keeruline saavutada laia sageduse modulatsiooni sageduse muundamine. Nende probleemide lahendamiseks võib rolli mängida optoelektrooniline tehnoloogia. Peamisi meetodeid kirjeldatakse allpool.
1. Kahe erineva sageduslaserisignaali erinevuste sageduse kaudu kasutatakse mikrolainesignaalide teisendamiseks kõrgsageduslikku fotodetektorit, nagu on näidatud joonisel 1.
Joonis 1laserid.
Selle meetodi eelised on lihtne struktuur, võivad tekitada äärmiselt kõrge sagedusega millimeetri laine ja isegi THz sagedussignaali ning reguleerides laseri sagedust, võib viia suure kiire sageduse muundamise ulatus, pühkimissagedus. Puuduseks on see, et kahe sõltumatu lasersignaali tekitatud erinevuste sagedussignaali liinilaius või faasmüra on suhteliselt suur ja sageduse stabiilsus pole kõrge, eriti kui kasutatakse väikese mahuga pooljuhtide laser, kuid suure joonelaisega (~ MHz). Kui süsteemi kaalumahu nõuded pole suured, võite kasutada madala müra (~ kHz) tahkislasereid,kiudained, väline õõnsuspooljuhtide laseridjne. Lisaks saab erinevussageduse genereerimiseks kasutada ka samas laserõõnes genereeritud lasersignaalide režiimi, nii et mikrolaine sageduse stabiilsuse jõudlus oleks oluliselt paranenud.
2. Probleemi lahendamiseks, et kaks eelmise meetodi laserit on ebajärjekindlad ja genereeritud signaalifaasi müra on liiga suur, saab kahe laseri vahelise sidususe saada süstimise sageduse lukustusfaasi lukustusmeetodi või negatiivse tagasiside faasi lukustusahela abil. Joonis 2 näitab süstimise lukustamise tüüpilist kasutamist mikrolaine kordavate korrutuste genereerimiseks (joonis 2). Süstides kõrgsagedusvoolu signaale otse pooljuhtide laserisse või kasutades LINBO3-faasi modulaatorit, saab genereerida mitu erineva sageduse vahekaugusega erinevate sageduste optilisi signaale või optilise sagedusega kammi. Muidugi on tavaliselt kasutatav meetod laia spektri optilise sageduse kammi saamiseks režiimi lukustatud laseri kasutamine. Kõik kaks kammisignaali genereeritud optilise sageduse kammi valitakse filtreerides ja süstitakse vastavalt laser 1 ja 2, et realiseerida vastavalt sageduse ja faasi lukustumist. Kuna optilise sageduse kammi erinevate kammisignaalide vaheline faas on suhteliselt stabiilne, nii et kahe laseri suhteline faas on stabiilne ja seejärel erinevussageduse meetodil, nagu eespool kirjeldatud, on võimalik optilise sageduse kammi kordumiskiiruse mitmekordse sagedusega mikrolainesignaal.
Joonis 2. Süstimise sageduse lukustamisega genereeritud mikrolaine sageduse kahekordistamise signaali skemaatiline diagramm.
Teine viis kahe laseri suhtelise faasimüra vähendamiseks on negatiivse tagasiside optilise PLL kasutamine, nagu on näidatud joonisel 3.
Joonis 3. OPL -i skemaatiline diagramm.
Optilise PLL põhimõte on sarnane PLL -i põhimõtega elektroonika valdkonnas. Kahe laseri faasierinevus muundatakse fotodetektori abil elektriliseks signaaliks (samaväärne faasidetektoriga) ja seejärel saadakse faasierinevus kahe laseri vahel, tehes erinevuse sageduse võrdlus mikrolainesignaali allikaga, mis on võimendatud ja filtreeritakse ja seejärel suunatakse ühe semikondikodade sagedusjuhtimisühikule (see on semikoosseisus). Sellise negatiivse tagasiside juhtimissilmuse kaudu lukustatakse kahe lasersignaali suhteline sagedusfaas võrdlusmikrolainesignaalile. Seejärel saab kombineeritud optilise signaali optiliste kiudude kaudu mujale fotodetektoriks ja teisendada mikrolainesignaaliks. Mikrolainesignaali saadud faasimüra on peaaegu sama, mis faasilukustatud negatiivse tagasiside ahela ribalaiuses oleval võrdlussignaalil. Faasimüra väljaspool ribalaiust võrdub kahe algse sõltumatu laseri suhtelise faasimüraga.
Lisaks saab mikrolaine signaali allikaid teisendada ka muude signaali allikate abil sageduse kahekordistamise, jagaja sageduse või muu sageduse töötlemise kaudu, nii et madalama sagedusega mikrolainesignaali saab mitmesugusteks või teisendada kõrge sagedusega RF-signaalideks.
Võrreldes süstimise sageduse lukustumisega võib saada ainult sageduse kahekordistumist, faasilukustatud silmused on paindlikumad, võivad tekitada peaaegu suvalisi sagedusi ja muidugi keerukam. Näiteks kasutatakse joonisel 2 kujutatud fotoelektrilise modulaatori abil genereeritud optilise sageduse kammi ja optilise faasiga lukustatud ahelat kasutatakse kahe laseri sageduse selektiivseks lukustamiseks kahe optilise kambrite signaaliga ning seejärel genereerivad kõrgsageduslikud signaalid erinevussageduse kaudu, nagu joonisel 4 ja f2 on signaalide signaal, kahel ja f2-signaalil on kaks signaali signaalide signaalidest. N*FREP+F1+F2 saab genereerida kahe laseri erinevuse sageduse abil.
Joonis 4. Optiliste sageduskommide ja PLL -i abil suvaliste sageduste genereerimise skemaatiline diagramm.
3. Optilise impulsisignaali teisendamiseks mikrolainesignaaliks kasutage režiimi lukustatud impulsslaseritfotodetektor.
Selle meetodi peamine eelis on see, et võib saada signaali, millel on väga hea sageduse stabiilsus ja väga madala faasi müra. Lukustades laseri sageduse väga stabiilse aatomi- ja molekulaarse siirdespektri või äärmiselt stabiilse optilise õõnsuse ning iseenda suurendava sageduse elimineerimise süsteemi sageduse nihke ja muude tehnoloogiate kasutamisega, saame väga stabiilse optilise impulsi signaali väga stabiilse ümberpaigutamissageduse abil, et saada Ultra-i-faas A-faasiga mikrolaine signaal. Joonis 5.
Joonis 5. Erinevate signaaliallikate suhtelise faasimüra võrdlus.
Kuna impulsi kordumiskiirus on pöördvõrdeliselt võrdeline laseri õõnsuse pikkusega ja traditsiooniline režiimi lukustatud laser on suur, on keeruline saada kõrgsageduslikke mikrolainesignaale otse. Lisaks piiravad traditsiooniliste impulsslaserite suurus, kaalu ja energiatarbimine, aga ka karmid keskkonnavajadused, nende peamiselt laboratoorseid rakendusi. Nende raskuste ületamiseks on hiljuti alanud uuringuid Ameerika Ühendriikides ja Saksamaal, kasutades mittelineaarseid efekte sagedusstabiilsete optiliste kammide genereerimiseks väga väikestes, kvaliteetsetes CHIRP-režiimides optilistes õõnsustes, mis omakorda tekitavad kõrgsagedusega madala müraga mikrolainesignaale.
4. opto elektrooniline ostsillaator, joonis 6.
Joonis 6. Fotoelektrilise ühendatud ostsillaatori skemaatiline diagramm.
Üks traditsioonilisi mikrolainete või laserite genereerimise meetodeid on iseenda tagasõidu suletud silmuse kasutamine, kui suletud ahela võimendus on suurem kui kaotus, võib iseenesest väljamõeldud võnkumine tekitada mikrolaineid või lasereid. Mida kõrgem on suletud ahela kvaliteeditegur q, seda väiksem on genereeritud signaalifaas või sagedusmüra. Silmuse kvaliteediteguri suurendamiseks on otsene viis silmuse pikkuse suurendamine ja levimiskao minimeerimine. Pikem silmus võib tavaliselt toetada mitme võnkerežiimi genereerimist ja kui lisatakse kitsa ribalaiuse filter, on võimalik saada ühe sagedusega madala müraga mikrolaine võnkesignaal. Fotoelektriline ühendatud ostsillaator on sellel ideel põhinev mikrolainesignaaliallikas, see kasutab kiu madala leviku kadude kadude täielikku kasutamist, kasutades pikemat kiudainet silmuse Q väärtuse parandamiseks, võib tekitada väga madala faasimüraga mikrolainesignaali. Kuna meetodi välja pakuti 1990ndatel, on seda tüüpi ostsillaator saanud ulatuslikke uuringuid ja märkimisväärset arengut ning praegu on olemas kommertslikud fotoelektrilised ühendatud ostsillaatorid. Hiljuti on välja töötatud fotoelektrilised ostsillaatorid, mille sagedusi saab laias valikus reguleerida. Sellel arhitektuuril põhinevate mikrolainesignaalide allikate peamine probleem on see, et silmus on pikk ja selle vaba voolu (FSR) ja kahesageduse müra suureneb märkimisväärselt. Lisaks on kasutatud fotoelektrilised komponendid rohkem, kulud on kõrge, mahtu on keeruline vähendada ja pikem kiudained on keskkonnahäirete suhtes tundlikumad.
Ülaltoodu tutvustab lühidalt mitmeid fotoelektronide genereerimise meetodeid mikrolainesignaalide, samuti nende eeliste ja puuduste kohta. Lõpuks on fotoelektronite kasutamisel mikrolainete tootmiseks veel üks eelis, et optilise signaali saab jaotada optilise kiu kaudu väga madala kaduga, pikamaaülekandega igale kasutamise klemmile ja seejärel teisendada mikrolainesignaalideks ning võimele vastu seista elektromagnetilistele häiretele kui traditsioonilistest elektroonilistest komponentidest.
Selle artikli kirjutamine on peamiselt viitamiseks ning koos autori enda uurimiskogemuse ja kogemustega selles valdkonnas on ebatäpsusi ja arusaamatust, palun mõistke.
Postiaeg: jaanuar-03-2024