Mikrolaine optoelektroonika, nagu nimigi ütleb, on mikrolaineahju jaoptoelektroonikaMikrolained ja valguslained on elektromagnetlained ning nende sagedused erinevad suurusjärkude võrra ja ka nende vastavates valdkondades väljatöötatud komponendid ja tehnoloogiad on väga erinevad. Koos saame teineteist ära kasutada, kuid saame uusi rakendusi ja omadusi, mida on vastavalt raske realiseerida.
Optiline sideon suurepärane näide mikrolainete ja fotoelektronide kombinatsioonist. Varajane telefoni- ja telegraafijuhtmeside, signaalide genereerimine, levitamine ja vastuvõtmine, kasutasid kõik mikrolaineseadmeid. Algselt kasutati madalsageduslikke elektromagnetlaineid, kuna sagedusvahemik oli väike ja edastuskanali läbilaskevõime väike. Lahenduseks oli edastatava signaali sageduse suurendamine, mida kõrgem on sagedus, seda rohkem on spektriressursse. Kuid kõrgsagedussignaali leviku kadu õhus on suur ja seda võivad kergesti takistused blokeerida. Kui kasutatakse kaablit, on kaabli kadu suur ja pikamaaülekanne on probleem. Optilise kiudside teke on nendele probleemidele hea lahendus.Optiline kiudon väga väikese edastuskaoga ja suurepärane kandevõime signaalide edastamiseks pikkade vahemaade taha. Valguslainete sagedusvahemik on palju suurem kui mikrolainetel ja see suudab samaaegselt edastada palju erinevaid kanaleid. Nende eeliste tõttuoptiline ülekanne, kiudoptilisest kommunikatsioonist on saanud tänapäeva infoedastuse selgroog.
Optilisel sidel on pikk ajalugu ning uuringud ja rakendused on väga ulatuslikud ja küpsed, rääkimata sellest. See artikkel tutvustab peamiselt mikrolaine-optoelektroonika uusi uuringuid viimastel aastatel peale optilise side. Mikrolaine-optoelektroonika kasutab peamiselt optoelektroonika valdkonna meetodeid ja tehnoloogiaid, et parandada ja saavutada jõudlust ja rakendusvõimalusi, mida on traditsiooniliste mikrolaine-elektroonikakomponentidega raske saavutada. Rakenduse seisukohast hõlmab see peamiselt järgmisi kolme aspekti.
Esimene on optoelektroonika kasutamine suure jõudlusega ja madala müratasemega mikrolainesignaalide genereerimiseks X-sagedusribast kuni THz-sagedusribani.
Teiseks, mikrolaine signaali töötlemine. See hõlmab viivitust, filtreerimist, sagedusmuundust, vastuvõtmist ja nii edasi.
Kolmandaks, analoogsignaalide edastamine.
Selles artiklis tutvustab autor ainult esimest osa, mikrolainesignaali genereerimist. Traditsioonilist mikrolaine-millimeetrilainet genereerivad peamiselt iii_V mikroelektroonikakomponendid. Selle piirangud on järgmised: esiteks, kõrgete sageduste, näiteks üle 100 GHz, korral suudab traditsiooniline mikroelektroonika toota üha vähem energiat, kõrgema sagedusega THz signaali korral aga mitte midagi. Teiseks, faasimüra vähendamiseks ja sageduse stabiilsuse parandamiseks tuleb algne seade paigutada äärmiselt madala temperatuuriga keskkonda. Kolmandaks, laia sagedusmodulatsiooni ja sagedusmuundamise vahemiku saavutamine on keeruline. Nende probleemide lahendamiseks võib rolli mängida optoelektrooniline tehnoloogia. Peamised meetodid on kirjeldatud allpool.
1. Kahe erineva sagedusega lasersignaali erinevuse sageduse abil teisendatakse mikrolainesignaale kõrgsagedusfotodetektoriga, nagu on näidatud joonisel 1.
Joonis 1. Kahe erineva sageduse poolt tekitatud mikrolainete skemaatiline diagrammlaserid.
Selle meetodi eelisteks on lihtne struktuur, see suudab genereerida äärmiselt kõrge sagedusega millimeetrilaine ja isegi THz-sagedussignaali ning laseri sageduse reguleerimisega saab teostada laiaulatuslikke kiireid sagedusmuundeid ja pühkimissagedust. Puuduseks on see, et kahe omavahel mitteseotud lasersignaali tekitatud erinevussagedussignaali joonelaius või faasimüra on suhteliselt suur ja sageduse stabiilsus ei ole kõrge, eriti kui kasutatakse väikese mahuga, kuid suure joonelaiusega (~MHz) pooljuhtlaserit. Kui süsteemi kaalu ja mahu nõuded ei ole suured, saab kasutada madala müratasemega (~kHz) tahkislasereid.kiudlaserid, väline õõnsuspooljuhtlaseridjne. Lisaks saab samas laserõõnsuses genereeritud kahte erinevat lasersignaali režiimi kasutada ka erineva sageduse genereerimiseks, nii et mikrolaine sageduse stabiilsus paraneb oluliselt.
2. Eelmises meetodis kirjeldatud kahe laseri ebakoherentse signaali ja liiga suure faasimüra probleemi lahendamiseks saab kahe laseri vahelise koherentsuse saavutada süstimissageduse lukustusfaasilukustusmeetodi või negatiivse tagasiside faasilukustusahela abil. Joonis 2 näitab süstimislukustuse tüüpilist rakendust mikrolainekordiste genereerimiseks (joonis 2). Kõrgsageduslike voolusignaalide otse pooljuhtlaserisse süstimise või LinBO3-faasimodulaatori abil saab genereerida mitu erineva sagedusega ja võrdse sagedusvahega optilist signaali ehk optilisi sageduskamme. Loomulikult on laia spektriga optilise sageduskammi saamiseks tavaliselt kasutatav meetod moodilukustatud laseri kasutamine. Genereeritud optilise sageduskammi kaks kammisignaali valitakse filtreerimise teel ja süstitakse vastavalt laserisse 1 ja 2, et realiseerida vastavalt sageduse ja faasi lukustus. Kuna optilise sageduskammi erinevate kammisignaalide faas on suhteliselt stabiilne, on kahe laseri suhteline faas stabiilne ja seejärel saab eelnevalt kirjeldatud diferentsiaalsageduse meetodi abil saada optilise sageduskammi kordussageduse mitmekordse sagedusega mikrolainesignaali.
Joonis 2. Süstimissageduse lukustamise teel genereeritud mikrolaine sageduse kahekordistamise signaali skemaatiline diagramm.
Teine viis 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 elektroonika valdkonnas kasutatava PLL-i põhimõttega. Kahe laseri faaside erinevus teisendatakse fotodetektori (mis on samaväärne faasidetektoriga) abil elektriliseks signaaliks ja seejärel saadakse kahe laseri faaside erinevus, tekitades võrdlusmikrolaine signaaliallikaga diferentssageduse, mis võimendatakse ja filtreeritakse ning suunatakse tagasi ühe laseri sagedusjuhtimisseadmesse (pooljuhtlaserite puhul on see sissepritsevool). Sellise negatiivse tagasiside juhtimisahela kaudu lukustatakse kahe lasersignaali suhteline sagedusfaas võrdlusmikrolaine signaaliga. Seejärel saab kombineeritud optilise signaali edastada optiliste kiudude kaudu mujale fotodetektorisse ja teisendada mikrolaine signaaliks. Mikrolaine signaali saadud faasimüra on peaaegu sama kui võrdlussignaalil faasilukustatud negatiivse tagasiside ahela ribalaiuses. Ribalaiusest väljaspool olev faasimüra on võrdne kahe algse mitteseotud laseri suhtelise faasimüraga.
Lisaks saab võrdlusmikrolaine signaaliallikat teisendada ka teiste signaaliallikate abil sageduse kahekordistamise, jagamissageduse või muu sagedustöötluse abil, nii et madalama sagedusega mikrolaine signaali saab mitmekordselt kahekordistada või teisendada kõrgsageduslikeks raadiosageduslikeks THz signaalideks.
Võrreldes süstimissageduse lukustamisega, mis võimaldab saavutada ainult sageduse kahekordistamist, on faasilukud paindlikumad, suudavad tekitada peaaegu suvalisi sagedusi ja loomulikult keerukamad. Näiteks joonisel 2 kujutatud fotoelektrilise modulaatori poolt genereeritud optilist sageduskammi kasutatakse valgusallikana ja optilist faasiluku, mis lukustab valikuliselt kahe laseri sageduse kahe optilise kammi signaali järgi ja seejärel genereerib kõrgsagedussignaale erinevussageduse kaudu, nagu on näidatud joonisel 4. f1 ja f2 on vastavalt kahe PLLS-i võrdlussignaali sagedused ja kahe laseri erinevussageduse abil saab genereerida mikrolainesignaali N*frep+f1+f2.
Joonis 4. Suvaliste sageduste genereerimise skemaatiline diagramm optiliste sageduskammide ja PLLS-i abil.
3. Kasutage režiimilukustusega impulsslaserit optilise impulssignaali muundamiseks mikrolainesignaaliksfotodetektor.
Selle meetodi peamine eelis on see, et saadakse väga hea sagedusstabiilsuse ja väga madala faasimüraga signaal. Lukustades laseri sageduse väga stabiilsele aatomi- ja molekulaarsele üleminekuspektrile või äärmiselt stabiilsele optilisele õõnsusele ning kasutades isekahekordistuva sageduse elimineerimise süsteemi sagedusnihet ja muid tehnoloogiaid, saame väga stabiilse optilise impulssignaali väga stabiilse kordussagedusega, et saada ülimadala faasimüraga mikrolainesignaal. Joonis 5.
Joonis 5. Erinevate signaaliallikate suhtelise faasimüra võrdlus.
Kuna impulsi kordumissagedus on pöördvõrdeline laseri õõnsuse pikkusega ja traditsiooniline moodilukustusega laser on suur, on kõrgsageduslike mikrolainesignaalide otsene saamine keeruline. Lisaks piiravad traditsiooniliste impulsslaserite suurus, kaal ja energiatarve, aga ka karmid keskkonnanõuded nende peamiselt laboratoorseid rakendusi. Nende raskuste ületamiseks on Ameerika Ühendriikides ja Saksamaal hiljuti alustatud uuringuid, milles kasutatakse mittelineaarseid efekte sagedusstabiilsete optiliste kammid genereerimiseks väga väikestes ja kvaliteetsetes sirinarežiimi optilistes õõnsustes, mis omakorda genereerivad kõrgsageduslikke madala müratasemega mikrolainesignaale.
4. optoelektrooniline ostsillaator, joonis 6.
Joonis 6. Fotoelektrilise sidestatud ostsillaatori skemaatiline diagramm.
Üks traditsioonilisi mikrolainete või laserite genereerimise meetodeid on kasutada isetagasisidet omavat suletud ahelat. Kui suletud ahela võimendus on suurem kui kadu, saab iseergastuv võnkumine tekitada mikrolaineid või lasereid. Mida kõrgem on suletud ahela kvaliteeditegur Q, seda väiksem on tekitatud signaali faasi- või sagedusmüra. Ahela kvaliteediteguri suurendamiseks on otsene tee suurendada ahela pikkust ja minimeerida levimiskadu. Pikem silmus suudab aga tavaliselt toetada mitme võnkerežiimi genereerimist ning kitsa ribalaiusega filtri lisamisel saab saada ühesagedusliku madala müratasemega mikrolaine võnkesignaali. Fotoelektriline sidestusostsillaator on sellel ideel põhinev mikrolaine signaaliallikas, mis kasutab täielikult ära kiu madala levimiskao omadusi. Pikema kiu kasutamine ahela Q väärtuse parandamiseks võimaldab toota väga madala faasimüraga mikrolaine signaali. Alates meetodi väljapakkumisest 1990. aastatel on seda tüüpi ostsillaatorit põhjalikult uuritud ja märkimisväärselt arendatud ning praegu on olemas kaubanduslikud fotoelektrilised sidestusostsillaatorid. Hiljuti on välja töötatud fotoelektrilisi ostsillaatoreid, mille sagedusi saab laias vahemikus reguleerida. Sellel arhitektuuril põhinevate mikrolaine signaaliallikate peamine probleem on see, et silmus on pikk ning selle vabavoolu (FSR) ja kahekordse sageduse müra suureneb märkimisväärselt. Lisaks on kasutatavaid fotoelektrilisi komponente rohkem, hind on kõrge, mahtu on raske vähendada ja pikem kiud on keskkonnahäirete suhtes tundlikum.
Ülaltoodud lühidalt tutvustab mitmeid mikrolaine signaalide fotoelektronide abil genereerimise meetodeid, samuti nende eeliseid ja puudusi. Lõpuks on fotoelektronide kasutamisel mikrolaine tootmiseks veel üks eelis: optilist signaali saab jaotada läbi optilise kiu väga väikeste kadudega, pikamaaülekandega igale kasutusterminalile ja seejärel mikrolaine signaaliks teisendada, samuti on elektromagnetiliste häirete taluvus oluliselt parem kui traditsioonilistel elektroonikakomponentidel.
Selle artikli kirjutamine on peamiselt viitamiseks ning koos autori enda uurimiskogemuse ja kogemustega selles valdkonnas esineb ebatäpsusi ja umbusku, palun mõistke.
Postituse aeg: 03.01.2024