Mikrovågsopoelektronik, som namnet antyder, är skärningspunkten mellan mikrovågsugn ochoptoelektronik. Mikrovågor och ljusvågor är elektromagnetiska vågor, och frekvenserna är många storleksordningar olika, och komponenterna och tekniker som utvecklats inom sina respektive fält är mycket olika. I kombination kan vi dra nytta av varandra, men vi kan få nya applikationer och egenskaper som är svåra att förverkliga respektive.
Optisk kommunikationär ett utmärkt exempel på kombinationen av mikrovågor och fotoelektroner. Tidig telefon- och telegraf trådlös kommunikation, generering, förökning och mottagning av signaler, alla använda mikrovågsenheter. Elektromagnetiska vågor med låg frekvens används initialt eftersom frekvensområdet är litet och kanalkapaciteten för växellåda är liten. Lösningen är att öka frekvensen för den överförda signalen, desto högre frekvens, desto mer spektrumresurser. Men högfrekvenssignalen i luftutbredningsförlusten är stor, men också lätt att blockeras av hinder. Om kabeln används är förlusten av kabeln stor och överföring av långdistans är ett problem. Framväxten av optisk fiberkommunikation är en bra lösning på dessa problem.Optisk fiberHar mycket låg överföringsförlust och är en utmärkt bärare för att överföra signaler över långa avstånd. Frekvensområdet för ljusvågor är mycket större än för mikrovågor och kan överföra många olika kanaler samtidigt. På grund av dessa fördelar medoptisk överföring, Optisk fiberkommunikation har blivit ryggraden i dagens informationsöverföring.
Optisk kommunikation har en lång historia, forskning och tillämpning är mycket omfattande och mogna, här är inte att säga mer. Denna artikel introducerar huvudsakligen det nya forskningsinnehållet i mikrovågsoptoelektronik under de senaste åren annat än optisk kommunikation. Mikrovågsoptoelektronik använder huvudsakligen metoderna och teknologierna inom optoelektronik som bärare för att förbättra och uppnå prestanda och tillämpning som är svåra att uppnå med traditionella mikrovågsektroniska komponenter. Ur applikationens perspektiv inkluderar det främst följande tre aspekter.
Den första är användningen av optoelektronik för att generera högpresterande mikrovågsignaler med lågt brurovågsugn, från X-bandet hela vägen till THZ-bandet.
För det andra, mikrovågsignalbehandling. Inklusive fördröjning, filtrering, frekvensomvandling, mottagning och så vidare.
För det tredje, överföringen av analoga signaler.
I den här artikeln introducerar författaren bara den första delen, genereringen av mikrovågsignal. Traditionella mikrovågs millimetervåg genereras huvudsakligen av III_V mikroelektroniska komponenter. Dess begränsningar har följande punkter: För det första till höga frekvenser som 100 GHz ovan, traditionell mikroelektronik kan ge mindre och mindre kraft, till den högre frekvensen THZ -signal, de kan inte göra någonting. För det andra, för att minska fasbrus och förbättra frekvensstabiliteten, måste den ursprungliga enheten placeras i en extremt låg temperaturmiljö. För det tredje är det svårt att uppnå ett brett utbud av frekvensmoduleringsfrekvensomvandling. För att lösa dessa problem kan optoelektronisk teknik spela en roll. De viktigaste metoderna beskrivs nedan.
1. Genom skillnadsfrekvensen för två olika frekvenslasersignaler används en högfrekvent fotodetektor för att konvertera mikrovågsignaler, såsom visas i figur 1.
Figur 1. Schematiskt diagram över mikrovågor som genereras av skillnadsfrekvensen för tvålasers.
Fördelarna med denna metod är enkel struktur, kan generera extremt högfrekvens millimetervåg och till och med THz -frekvenssignal, och genom att justera frekvensen för lasern kan utföra ett stort antal snabbfrekvensomvandlingar, svepfrekvens. Nackdelen är att linjebredden eller fasbruset från skillnadsfrekvenssignalen som genereras av två oberoende lasersignaler är relativt stor, och frekvensstabiliteten inte är hög, särskilt om en halvledarlaser med en liten volym men en stor linjebredd (~ MHz) används. Om kraven på systemvikt inte är höga kan du använda lågbrus (~ kHz) fast tillståndslasrar,fiberlasrar, yttre hålrumhalvledarlasrar, etc. Dessutom kan två olika lägen för lasersignaler genererade i samma laserkavitet också användas för att generera en skillnadsfrekvens, så att mikrovågsfrekvensstabilitetsprestanda förbättras kraftigt.
2. För att lösa problemet att de två lasrarna i föregående metod är sammanhängande och signalfasbruset som genereras är för stor kan koherensen mellan de två lasrarna erhållas med injektionsfrekvenslåsningsfas -låsmetoden eller den negativa återkopplingsfaslåsningskretsen. Figur 2 visar en typisk applicering av injektionslåsning för att generera mikrovågsmultiplar (figur 2). Genom att direkt injicera högfrekvensströmsignaler i en halvledarlaser, eller genom att använda en LinBO3-fasmodulator, kan flera optiska signaler av olika frekvenser med lika frekvensavstånd genereras eller optiska frekvenskammar. Naturligtvis är den vanligt använda metoden för att erhålla ett brett spektrum optisk frekvenskam att använda en lägeslåst laser. Alla två kamsignaler i den genererade optiska frekvenskamen väljs genom filtrering och injiceras i laser 1 respektive 2 för att realisera frekvens respektive faslåsning. Eftersom fasen mellan de olika kamsignalerna från den optiska frekvenskammen är relativt stabil, så att den relativa fasen mellan de två lasrarna är stabil, och sedan med metoden för skillnadsfrekvens som beskrivits tidigare, kan den multifaldiga frekvensmikrovågsignalen för den optiska frekvenskam-repetitionshastigheten erhållas.
Figur 2. Schematiskt diagram över mikrovågsfrekvensfördubblingssignal genererad genom injektionsfrekvenslåsning.
Ett annat sätt att minska det relativa fasbruset från de två lasrarna är att använda en negativ återkopplingsoptisk PLL, som visas i figur 3.
Figur 3. Schematiskt diagram över OPL.
Principen för optisk PLL liknar PLL inom elektronikområdet. The phase difference of the two lasers is converted into an electrical signal by a photodetector (equivalent to a phase detector), and then the phase difference between the two lasers is obtained by making a difference frequency with a reference microwave signal source, which is amplified and filtered and then fed back to the frequency control unit of one of the lasers (for semiconductor lasers, it is the injection current). Genom en sådan negativ återkopplingskontrollslinga är den relativa frekvensfasen mellan de två lasersignalerna låst till referensmikrovågsignalen. Den kombinerade optiska signalen kan sedan överföras genom optiska fibrer till en fotodetektor någon annanstans och omvandlas till en mikrovågsignal. Det resulterande fasbruset från mikrovågsignalen är nästan detsamma som för referenssignalen inom bandbredden för den faslåsta negativa återkopplingsslingan. Fasbruset utanför bandbredden är lika med det relativa fasbruset från de ursprungliga två oberoende lasrarna.
Dessutom kan referensmikrovågsignalkällan också konverteras av andra signalkällor genom frekvensfördubbling, divisorfrekvens eller annan frekvensbearbetning, så att mikrovågsignalen med lägre frekvens kan multidoubled eller konverteras till högfrekventa RF-signaler.
Jämfört med injektionsfrekvenslåsning kan endast erhålla frekvensfördubbling, faslåsta slingor är mer flexibla, kan ge nästan godtyckliga frekvenser och naturligtvis mer komplexa. Till exempel används den optiska frekvenskamen som genereras av den fotoelektriska modulatorn i figur 2 som ljuskälla, och den optiska faslåsta slingan används för att selektivt låsa frekvensen för de två lasrarna till de två optiska kamsignalerna, och sedan generera högfrekventa signaler genom skillnadsfrekvensen, som visas i figur 4. N*FREP+F1+F2 kan genereras med skillnadsfrekvensen mellan de två lasrarna.
Figur 4. Schematiskt diagram över att generera godtyckliga frekvenser med användning av optiska frekvenskammar och PLL: er.
3. Använd lägeslåst pulslaser för att konvertera optisk pulssignal till mikrovågsignal genomfotodetektor.
Den största fördelen med denna metod är att en signal med mycket god frekvensstabilitet och mycket lågfasbrus kan erhållas. Genom att låsa frekvensen av lasern till ett mycket stabilt atom- och molekylärt övergångsspektrum, eller ett extremt stabilt optiskt kavitet, och användningen av självfördubblande frekvens elimineringssystemfrekvensförskjutning och annan teknik, kan vi erhålla en mycket stabil optisk pulssignal med en mycket stabil repetitionsfrekvens, så för att erhålla en mikrovågsignal med ultraljud. Figur 5.
Figur 5. Jämförelse av relativt fasbrus från olika signalkällor.
Eftersom pulsupprepningshastigheten är omvänt proportionell mot laserens kavitetslängd, och den traditionella lägeslåsta lasern är stor är det svårt att få mikrovågsignaler med hög frekvens direkt. Dessutom begränsar storleken, vikten och energiförbrukningen för traditionella pulserade lasrar, såväl som de hårda miljökraven, deras huvudsakligen laboratorieapplikationer. För att övervinna dessa svårigheter har forskning nyligen börjat i USA och Tyskland med användning av icke-linjära effekter för att generera frekvens-stabila optiska kammar i mycket små, högkvalitativa kvitläge optiska hålrum, som i sin tur genererar högfrekvent lågbrus mikrovågsignaler.
4. Opto Electronic Oscillator, figur 6.
Figur 6. Schematiskt diagram över fotoelektrisk kopplad oscillator.
En av de traditionella metoderna för att generera mikrovågor eller lasrar är att använda en självfeedback-sluten slinga, så länge förstärkningen i den slutna slingan är större än förlusten, kan den självupptagna svängningen producera mikrovågor eller lasrar. Ju högre kvalitetsfaktor q för den slutna slingan, desto mindre är den genererade signalfasen eller frekvensbruset. För att öka slingans kvalitetsfaktor är det direkta sättet att öka slinglängden och minimera förökningsförlusten. Emellertid kan en längre slinga vanligtvis stödja genereringen av flera svängningsformer, och om ett smalt bandbreddfilter läggs till kan en enkelfrekvens lågbrus mikrovågsoscillationssignal erhållas. Fotoelektrisk kopplad oscillator är en mikrovågsignalkälla baserad på denna idé, den utnyttjar fiberns låga förökningsförlustegenskaper, med hjälp av en längre fiber för att förbättra slingan Q -värdet, kan ge en mikrovågsignal med mycket lågfasbrus. Sedan metoden föreslogs på 1990 -talet har denna typ av oscillator fått omfattande forskning och betydande utveckling, och det finns för närvarande kommersiella fotoelektriska kopplade oscillatorer. På senare tid har fotoelektriska oscillatorer vars frekvenser kan justeras över ett brett sortiment utvecklats. Det huvudsakliga problemet med mikrovågsignalkällor baserat på denna arkitektur är att slingan är lång och bruset i dess fria flöde (FSR) och dess dubbla frekvens kommer att ökas avsevärt. Dessutom är de fotoelektriska komponenterna mer, kostnaden är höga, volymen är svår att minska och den längre fibern är mer känslig för miljöstörningar.
Ovanstående introducerar kort flera metoder för fotoelektrongenerering av mikrovågsignaler, liksom deras fördelar och nackdelar. Slutligen har användningen av fotoelektroner för att producera mikrovågsugn en annan fördel är att den optiska signalen kan distribueras genom den optiska fibern med mycket låg förlust, långväga överföring till varje användning av terminal och sedan omvandlas till mikrovågsignaler, och förmågan att motstå elektromagnetisk störning förbättras avsevärt än traditionella elektroniska komponenter.
Skrivandet av denna artikel är främst för referens, och i kombination med författarens egen forskningsupplevelse och erfarenhet på detta område finns det felaktigheter och obegripliga, vänligen förstå.
Posttid: Jan-03-2024