Mikrovågsoptoelektronik, som namnet antyder, är skärningspunkten mellan mikrovågsugn ochoptoelektronikMikrovågor och ljusvågor är elektromagnetiska vågor, och frekvenserna är många storleksordningar olika, och komponenterna och teknikerna som utvecklats inom deras respektive områden är mycket olika. I kombination kan vi dra nytta av varandra, men vi kan få nya tillämpningar och egenskaper som är svåra att realisera.
Optisk kommunikationär ett utmärkt exempel på kombinationen av mikrovågor och fotoelektroner. Tidig trådlös telefon- och telegrafkommunikation, generering, spridning och mottagning av signaler, användes alla med mikrovågsenheter. Lågfrekventa elektromagnetiska vågor användes initialt eftersom frekvensområdet är litet och kanalens överföringskapacitet är liten. Lösningen är att öka frekvensen på den sända signalen, ju högre frekvens, desto fler spektrumresurser. Men högfrekventa signalers utbredningsförlust i luften är stor, men det blockeras lätt av hinder. Om kabel används är kabelförlusten stor, vilket orsakar problem med långdistansöverföring. Framväxten av optisk fiberkommunikation är en bra lösning på dessa problem.Optisk fiberhar mycket låg transmissionsförlust och är en utmärkt bärvåg för att överföra signaler över långa avstånd. Frekvensomfånget 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 tillämpningar är mycket omfattande och mogna, här är inte mer att säga. Denna artikel introducerar huvudsakligen det nya forskningsinnehållet inom mikrovågsoptoelektronik under senare år utöver optisk kommunikation. Mikrovågsoptoelektronik använder huvudsakligen metoder och tekniker inom optoelektronik som bärare för att förbättra och uppnå prestanda och tillämpningar som är svåra att uppnå med traditionella mikrovågselektroniska komponenter. Ur ett tillämpningsperspektiv omfattar den huvudsakligen följande tre aspekter.
Den första är användningen av optoelektronik för att generera högpresterande, brusfria mikrovågssignaler, från X-bandet hela vägen till THz-bandet.
För det andra, mikrovågssignalbehandling. Inklusive fördröjning, filtrering, frekvensomvandling, mottagning och så vidare.
För det tredje, överföringen av analoga signaler.
I den här artikeln presenterar författaren endast den första delen, genereringen av mikrovågssignaler. Traditionella mikrovågsmillimetervågor genereras huvudsakligen av iii_V mikroelektroniska komponenter. Dess begränsningar har följande punkter: För det första, vid höga frekvenser som 100 GHz och högre, kan traditionell mikroelektronik producera mindre och mindre effekt, och vid högre THz-signaler kan de inte göra någonting. För det andra, för att minska fasbrus och förbättra frekvensstabiliteten måste den ursprungliga enheten placeras i en miljö med extremt låg temperatur. För det tredje är det svårt att uppnå ett brett frekvensomvandlingsområde med modulering och frekvensomvandling. För att lösa dessa problem kan optoelektronisk teknik spela en roll. De viktigaste metoderna beskrivs nedan.
1. Genom skillnadsfrekvensen hos två lasersignaler med olika frekvenser används en högfrekvent fotodetektor för att omvandla mikrovågssignaler, såsom visas i figur 1.
Figur 1. Schematiskt diagram över mikrovågor som genereras av skillnadsfrekvensen mellan tvålasrar.
Fördelarna med denna metod är enkel struktur, den kan generera extremt högfrekventa millimetervågssignaler och till och med THz-frekvenssignaler, och genom att justera laserfrekvensen kan man utföra ett brett spektrum av snabb frekvensomvandling, svepfrekvens. Nackdelen är att linjebredden eller fasbruset hos skillnadsfrekvenssignalen som genereras av två orelaterade lasersignaler är relativt stort, och frekvensstabiliteten är inte hög, särskilt om en halvledarlaser med liten volym men stor linjebredd (~MHz) används. Om systemviktsvolymkraven inte är höga kan man använda lågbrusiga (~kHz) fasttillståndslasrar.fiberlasrar, yttre hålighethalvledarlasrar, etc. Dessutom kan två olika lägen för lasersignaler som genereras i samma laserkavitet också användas för att generera en skillnadsfrekvens, så att mikrovågsfrekvensstabiliteten förbättras avsevärt.
2. För att lösa problemet med att de två lasrarna i den föregående metoden är inkoherenta och att det genererade signalfasbruset är för stort, kan koherensen mellan de två lasrarna erhållas med hjälp av injektionsfrekvenslåsningsmetoden eller den negativa återkopplingsfaslåsningskretsen. Figur 2 visar en typisk tillämpning av injektionslåsning för att generera mikrovågsmultiplar (Figur 2). Genom att direkt injicera högfrekventa strömsignaler i en halvledarlaser, eller genom att använda en LinBO3-fasmodulator, kan flera optiska signaler med olika frekvenser med lika frekvensavstånd genereras, eller optiska frekvenskammar. Naturligtvis är den vanligt förekommande metoden för att erhålla en bredspektrum optisk frekvenskam att använda en modlåst laser. Två kamsignaler i den genererade optiska frekvenskammen väljs genom filtrering och injiceras i laser 1 respektive 2 för att realisera frekvens- respektive faslåsning. Eftersom fasen mellan de olika kamsignalerna i den optiska frekvenskammen är relativt stabil, så att den relativa fasen mellan de två lasrarna är stabil, kan sedan, genom metoden med skillnadsfrekvens som beskrivits tidigare, den flerfaldiga frekvensmikrovågssignalen för den optiska frekvenskammens repetitionshastighet erhållas.
Figur 2. Schematiskt diagram över mikrovågsfrekvensfördubblingssignal genererad genom låsning av injektionsfrekvensen.
Ett annat sätt att minska det relativa fasbruset hos de två lasrarna är att använda en negativ återkopplingsbar optisk PLL, som visas i figur 3.
Figur 3. Schematiskt diagram över OPL.
Principen för optisk PLL liknar den för PLL inom elektronikområdet. Fasskillnaden mellan de två lasrarna omvandlas till en elektrisk signal av en fotodetektor (motsvarande en fasdetektor), och sedan erhålls fasskillnaden mellan de två lasrarna genom att skapa en skillnadsfrekvens med en referensmikrovågssignalkälla, vilken förstärks och filtreras och sedan matas tillbaka till frekvensstyrenheten hos en av lasrarna (för halvledarlasrar är det injektionsströmmen). Genom en sådan negativ återkopplingsstyrslinga låses den relativa frekvensfasen mellan de två lasersignalerna till referensmikrovågssignalen. Den kombinerade optiska signalen kan sedan överföras via optiska fibrer till en fotodetektor någon annanstans och omvandlas till en mikrovågssignal. Det resulterande fasbruset från mikrovågssignalen är nästan detsamma som för referenssignalen inom bandbredden för den faslåsta negativa återkopplingsslingan. Fasbruset utanför bandbredden är lika med det relativa fasbruset hos de två ursprungliga oberoende lasrarna.
Dessutom kan referensmikrovågssignalkällan också konverteras av andra signalkällor genom frekvensdubblering, divisorfrekvens eller annan frekvensbehandling, så att mikrovågssignalen med lägre frekvens kan multidubbleras eller konverteras till högfrekventa RF- och THz-signaler.
Jämfört med injektionsfrekvenslåsning kan man bara uppnå frekvensfördubbling, medan faslåsta slingor är mer flexibla, kan producera nästan godtyckliga frekvenser och naturligtvis mer komplexa. Till exempel används den optiska frekvenskammen 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. f1 och f2 är referenssignalfrekvenserna för de två PLLS:erna, och en mikrovågssignal på N*frep+f1+f2 kan genereras av skillnadsfrekvensen mellan de två lasrarna.
Figur 4. Schematiskt diagram över generering av godtyckliga frekvenser med hjälp av optiska frekvenskammar och PLLS.
3. Använd modlåst pulslaser för att omvandla optisk pulssignal till mikrovågssignal genomfotodetektor.
Den största fördelen med denna metod är att en signal med mycket god frekvensstabilitet och mycket lågt fasbrus kan erhållas. Genom att låsa laserns frekvens till ett mycket stabilt atomärt och molekylärt övergångsspektrum, eller en extremt stabil optisk kavitet, och använda självfördubblande frekvenselimineringssystem med frekvensskift och andra tekniker, kan vi erhålla en mycket stabil optisk pulssignal med en mycket stabil repetitionsfrekvens, för att erhålla en mikrovågssignal med ultralågt fasbrus. Figur 5.
Figur 5. Jämförelse av relativt fasbrus från olika signalkällor.
Eftersom pulsrepetitionsfrekvensen är omvänt proportionell mot laserns kavitetslängd, och den traditionella modlåsta lasern är stor, är det dock svårt att erhålla högfrekventa mikrovågssignaler direkt. Dessutom begränsar storleken, vikten och energiförbrukningen hos traditionella pulsade lasrar, liksom de hårda miljökraven, deras huvudsakligen laboratorietillämpningar. För att övervinna dessa svårigheter har forskning nyligen påbörjats i USA och Tyskland med hjälp av ickelinjära effekter för att generera frekvensstabila optiska kammar i mycket små, högkvalitativa chirp-läges optiska kaviteter, vilka i sin tur genererar högfrekventa mikrovågssignaler med lågt brus.
4. optoelektronisk 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 självåterkopplad sluten slinga. Så länge förstärkningen i den slutna slingan är större än förlusten kan den självexciterade oscillationen producera mikrovågor eller lasrar. Ju högre kvalitetsfaktorn Q för den slutna slingan är, desto mindre genererat signalfas- eller frekvensbrus. För att öka slingans kvalitetsfaktor är det direkta sättet att öka slinglängden och minimera utbredningsförlusten. En längre slinga kan dock vanligtvis stödja generering av flera oscillationslägen, och om ett filter med smal bandbredd läggs till kan en enfrekvent lågbrusig mikrovågsoscillationssignal erhållas. Fotoelektriskt kopplad oscillator är en mikrovågssignalkälla baserad på denna idé. Den utnyttjar fiberns låga utbredningsförlustegenskaper fullt ut. Genom att använda en längre fiber för att förbättra slingans Q-värde kan en mikrovågssignal produceras med mycket lågt fasbrus. Sedan metoden föreslogs på 1990-talet har denna typ av oscillator fått omfattande forskning och avsevärd utveckling, och det finns för närvarande kommersiella fotoelektriskt kopplade oscillatorer. På senare tid har fotoelektriska oscillatorer utvecklats vars frekvenser kan justeras över ett brett område. Det största problemet med mikrovågssignalkällor baserade på denna arkitektur är att slingan är lång, och bruset i dess fria flöde (FSR) och dess dubbla frekvens kommer att öka avsevärt. Dessutom används fler fotoelektriska komponenter, kostnaden är hög, volymen är svår att reducera och den längre fibern är mer känslig för miljöstörningar.
Ovanstående introducerar kortfattat flera metoder för fotoelektrongenerering av mikrovågssignaler, samt deras fördelar och nackdelar. Slutligen har användningen av fotoelektroner för att producera mikrovågor en annan fördel, nämligen att den optiska signalen kan distribueras genom den optiska fibern med mycket låg förlust och långdistansöverföring till varje användarterminal och sedan omvandlas till mikrovågssignaler, och förmågan att motstå elektromagnetisk störning är avsevärt förbättrad jämfört med traditionella elektroniska komponenter.
Skrivandet av denna artikel är huvudsakligen för referens, och i kombination med författarens egen forskningserfarenhet och erfarenhet inom detta område finns det felaktigheter och ofullständigheter, vänligen förstå.
Publiceringstid: 3 januari 2024