Mikrovågs optoelektronik, som namnet antyder, är skärningspunkten mellan mikrovågsugn ochoptoelektronik.Mikrovågor och ljusvågor är elektromagnetiska vågor, och frekvenserna är olika i många storleksordningar och komponenterna och teknologierna som utvecklas inom sina respektive områden är mycket olika.I kombination kan vi dra nytta av varandra, men vi kan få nya applikationer och egenskaper som är svåra att realisera respektive.
Optisk kommunikationär ett utmärkt exempel på kombinationen av mikrovågor och fotoelektroner.Tidig trådlös kommunikation via telefon och telegraf, generering, spridning och mottagning av signaler, alla använda mikrovågsapparater.Lågfrekventa elektromagnetiska vågor används initialt eftersom frekvensområdet är litet och kanalkapaciteten för överföring är liten.Lösningen är att öka frekvensen på den sända signalen, ju högre frekvens, desto mer spektrumresurser.Men den högfrekventa signalen i luftutbredningsförlusten är stor, men också lätt att blockeras av hinder.Om kabeln används är förlusten av kabeln stor, och långdistansöverföring 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 sända signaler över långa avstånd.Frekvensområdet för ljusvågor är mycket större än för mikrovågor och kan sända 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 mogen, här ska inte sägas mer.Denna artikel introducerar huvudsakligen det nya forskningsinnehållet inom mikrovågsoptoelektronik de senaste åren förutom optisk kommunikation.Mikrovågsoptoelektronik använder främst metoder och teknologier inom optoelektronikområdet som bärare för att förbättra och uppnå den prestanda och tillämpning som är svår att uppnå med traditionella mikrovågselektronikkomponenter.Ur tillämpningssynpunkt innefattar den huvudsakligen följande tre aspekter.
Den första är användningen av optoelektronik för att generera högpresterande mikrovågssignaler med låg brus, från X-bandet hela vägen till THz-bandet.
För det andra, mikrovågssignalbehandling.Inklusive fördröjning, filtrering, frekvensomvandling, mottagning och så vidare.
För det tredje, överföring av analoga signaler.
I den här artikeln introducerar författaren bara den första delen, genereringen av mikrovågssignaler.Traditionell mikrovågs millimetervåg genereras huvudsakligen av iii_V mikroelektroniska komponenter.Dess begränsningar har följande punkter: För det första, till höga frekvenser som 100GHz ovan, kan traditionell mikroelektronik producera mindre och mindre effekt, till den högre frekvensen THz-signalen 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 spektrum 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 omvandla mikrovågssignaler, som visas i figur 1.
Figur 1. Schematiskt diagram över mikrovågor som genereras av skillnadsfrekvensen för tvålasrar.
Fördelarna med denna metod är enkel struktur, kan generera extremt högfrekventa millimetervågor och till och med THz-frekvenssignaler, och genom att justera frekvensen på lasern kan utföra ett stort intervall av snabb frekvensomvandling, svepfrekvens.Nackdelen är att linjebredden eller fasbruset för skillnadsfrekvenssignalen som genereras av två icke-relaterade lasersignaler är relativt stor, och frekvensstabiliteten är inte hög, speciellt om en halvledarlaser med liten volym men stor linjebredd (~MHz) är Begagnade.Om systemets viktvolymkrav inte är höga kan du använda halvledarlasrar med lågt brus (~kHz),fiberlasrar, yttre hålighethalvledarlasrar, etc. Dessutom kan två olika moder av 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 tidigare metoden är inkoherenta och det genererade signalfasbruset är för stort, kan koherensen mellan de två lasrarna erhållas genom injektionsfrekvenslåsningsfaslåsningsmetoden eller negativ återkopplingsfas låskrets.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 vanligen använda metoden för att erhålla en optisk frekvenskam med brett spektrum att använda en lägeslåst laser.Varje 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 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, den flerfaldiga frekvensmikrovågssignalen från optisk frekvenskamrepetitionsfrekvens kan erhållas.
Figur 2. Schematiskt diagram över mikrovågsfrekvensfördubblingssignalen genererad av insprutningsfrekvenslåsning.
Ett annat sätt att minska det relativa fasbruset för de två lasrarna är att använda en optisk PLL med negativ återkoppling, som visas i figur 3.
Figur 3. Schematiskt diagram av 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 göra en skillnadsfrekvens med en referensmikrovågssignalkälla, som förstärks och filtreras och matas sedan tillbaka till frekvensstyrenheten för en av lasrarna (för halvledarlasrar är det injektionsströmmen).Genom en sådan negativ återkopplingskontrollslinga låses den relativa frekvensfasen mellan de två lasersignalerna till referensmikrovågssignalen.Den kombinerade optiska signalen kan sedan överföras genom optiska fibrer till en fotodetektor någon annanstans och omvandlas till en mikrovågssignal.Det resulterande fasbruset för mikrovågssignalen är nästan detsamma som det för referenssignalen inom bandbredden för den faslåsta negativa återkopplingsslingan.Fasbruset utanför bandbredden är lika med det relativa fasbruset för de ursprungliga två icke-relaterade lasrarna.
Dessutom kan referensmikrovågssignalkällan också omvandlas av andra signalkällor genom frekvensdubblering, divisorfrekvens eller annan frekvensbehandling, så att den lägre frekvensmikrovågssignalen kan multidubbleras eller omvandlas till högfrekventa RF-, THz-signaler.
Jämfört med injektionsfrekvenslåsning kan endast erhålla frekvensdubblering, 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 respektive, och en mikrovågssignal på N*frep+f1+f2 kan genereras av skillnadsfrekvensen mellan två lasrar.
Figur 4. Schematiskt diagram över generering av godtyckliga frekvenser med hjälp av optiska frekvenskammar och PLLS.
3. Använd lägeslåst pulslaser för att omvandla optisk pulssignal till mikrovågssignalfotodetektor.
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 användande av självfördubblande frekvenselimineringssystem frekvensskift och andra teknologier, kan vi erhålla en mycket stabil optisk pulssignal med en mycket stabil repetitionsfrekvens, för att erhålla en mikrovågssignal med ultralågt fasbrus.Bild 5.
Figur 5. Jämförelse av relativa fasbrus för olika signalkällor.
Men eftersom pulsrepetitionshastigheten är omvänt proportionell mot kavitetslängden hos lasern, och den traditionella modlåsta lasern är stor, är det svårt att erhålla högfrekventa mikrovågssignaler direkt.Dessutom begränsar storleken, vikten och energiförbrukningen för traditionella pulsade lasrar, liksom de hårda miljökraven, deras huvudsakligen laboratorieapplikationer.För att övervinna dessa svårigheter har forskning nyligen påbörjats i USA och Tyskland med användning av icke-linjära effekter för att generera frekvensstabila optiska kammar i mycket små optiska hålrum med högkvalitativ chirp-mod, som i sin tur genererar högfrekventa mikrovågssignaler med låg brus.
4. opto elektronisk oscillator, figur 6.
Figur 6. Schematiskt diagram av fotoelektriskt kopplad oscillator.
En av de traditionella metoderna för att generera mikrovågor eller lasrar är att använda en sluten slinga med självåterkoppling, så länge förstärkningen i den slutna slingan är större än förlusten kan den självexciterade oscillationen producera mikrovågor eller lasrar.Ju högre kvalitetsfaktor Q för den slutna slingan är, desto mindre är det genererade signalfas- eller frekvensbruset.För att öka slingans kvalitetsfaktor är det direkta sättet att öka slinglängden och minimera utbredningsförlusten.Emellertid kan en längre slinga vanligtvis stödja genereringen av flera oscillationsmoder, och om ett filter med smal bandbredd läggs till kan en enkelfrekvent lågbrus mikrovågsoscillationssignal erhållas.Fotoelektrisk kopplad oscillator är en mikrovågssignalkälla baserad på denna idé, den utnyttjar fiberns låga utbredningsförlustegenskaper till fullo, med hjälp av en längre fiber för att förbättra slingans Q-värde, kan den producera en mikrovågssignal med mycket lågt fasbrus.Sedan metoden föreslogs på 1990-talet har denna typ av oscillatorer fått omfattande forskning och betydande utveckling, och det finns idag kommersiella fotoelektriska kopplade oscillatorer.På senare tid har fotoelektriska oscillatorer vars frekvenser kan justeras över ett brett område utvecklats.Huvudproblemet med mikrovågssignalkällor baserade 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 som används fler, kostnaden är hög, volymen är svår att minska och den längre fibern är mer känslig för miljöstörningar.
Ovanstående introducerar kortfattat flera metoder för fotoelektrongenerering av mikrovågssignaler, såväl som deras fördelar och nackdelar.Slutligen, användningen av fotoelektroner för att producera mikrovågor har en annan fördel är att den optiska signalen kan distribueras genom den optiska fibern med mycket låg förlust, långdistansöverföring till varje användningsterminal och sedan omvandlas till mikrovågssignaler, och förmågan att motstå elektromagnetiska störningar är avsevärt förbättrade än traditionella elektroniska komponenter.
Skrivandet av den här artikeln är huvudsakligen för referens, och i kombination med författarens egen forskningserfarenhet och erfarenhet inom detta område finns det felaktigheter och obegripligheter, vänligen förstå.
Posttid: Jan-03-2024