Status Pengeluaran dan Tempat Panas Isyarat Mikro dalam Optoelektronik Ketuhar

Microwave optoelektronik, seperti namanya, adalah disiplin antara disiplin gelombang mikro dan optoelektronik. Kedua-dua gelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet, dan frekuensi mereka banyak pesanan magnitud yang berbeza. Komponen dan teknologi yang dibangunkan dalam bidang masing-masing sangat berbeza. Menggabungkan dan belajar dari kekuatan masing-masing dapat menghasilkan aplikasi dan ciri baru yang sukar dicapai [1,2,3].

Komunikasi optik adalah contoh terbaik kombinasi microwave dan optoelektronik. Komunikasi telefon telegraf telegram awal, penjanaan isyarat, penyebaran dan penerimaan adalah semua peralatan gelombang mikro yang digunakan. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah digunakan pada mulanya, kerana julat frekuensi kecil, dan kapasiti saluran penghantaran adalah kecil. Penyelesaiannya adalah untuk meningkatkan kekerapan isyarat yang dihantar. Semakin tinggi frekuensi, lebih banyak sumber spektrum. Walau bagaimanapun, isyarat frekuensi tinggi mempunyai kehilangan penyebaran besar di udara dan mudah dihalang oleh halangan. Sekiranya anda menggunakan penghantaran berwayar, kehilangan kabel adalah besar, dan transmisi jarak jauh adalah masalah. Kemunculan komunikasi gentian optik telah menyelesaikan masalah ini. Kehilangan penghantaran serat optik adalah sangat rendah, ia merupakan pembawa yang sangat baik untuk menghantar isyarat ke jarak yang jauh. Pelbagai frekuensi gelombang cahaya jauh melebihi ketuhar gelombang mikro, dan banyak saluran yang berbeza boleh dihantar pada masa yang sama. Oleh kerana kelebihan penghantaran optik, komunikasi serat optik telah menjadi tulang belakang penyebaran maklumat hari ini.

Komunikasi optik mempunyai sejarah panjang, penyelidikan dan aplikasi sangat luas dan matang, saya tidak akan mengatakan lebih lanjut di sini. Di sini saya terutamanya ingin memperkenalkan kandungan penyelidikan optoelektronik gelombang mikro lain yang lain selain komunikasi optikal pada tahun-tahun kebelakangan ini. Optoelektronik mikro adalah terutamanya berdasarkan kaedah dan teknik dalam bidang optoelektronik untuk meningkatkan dan merealisasikan prestasi dan aplikasi yang sukar dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif aplikasi, ia merangkumi tiga aspek berikut.

Pertama, penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan isyarat gelombang mikro yang berprestasi tinggi, dari band X ke band THz.

Kedua, pemprosesan isyarat gelombang mikro. Termasuk penangguhan, penapisan, penukaran kekerapan, penerimaan dan sebagainya.

Ketiga, penghantaran isyarat analog.

Artikel ini hanya memperkenalkan bahagian pertama artikel, penjanaan isyarat gelombang mikro. Gelombang mikro milimeter tradisional kebanyakannya dihasilkan oleh komponen mikroelektronik iii_V [4]. Batasannya adalah seperti berikut: Pertama, untuk frekuensi tinggi seperti 100 GHz atau lebih, komponen mikroelektronik tradisional boleh menghasilkan kuasa yang kurang dan kurang, dan kepada frekuensi THz yang lebih tinggi, mereka tidak berkuasa. Kedua, untuk mengurangkan kebisingan fasa dan meningkatkan kestabilan frekuensi, peranti asal perlu ditempatkan dalam persekitaran kriogenik. Ketiga, sukar untuk mencapai pelbagai penukaran frekuensi FM. Untuk menyelesaikan masalah ini, teknologi optoelektronik hanya boleh menunjukkan dirinya sendiri. Berikut adalah beberapa kaedah utama.

1. Dengan menggunakan kekerapan perbezaan dua isyarat laser frekuensi yang berbeza, photodetector frekuensi tinggi menukar untuk menghasilkan isyarat gelombang mikro [5, 6], seperti yang ditunjukkan dalam Gbr. 1.

Rajah 1. Skema skematik dua pembolehubah gelombang frekuensi pembezaan laser.

Kelebihan kaedah ini ialah ia mempunyai struktur yang mudah dan boleh menghasilkan isyarat frekuensi yang sangat tinggi, gelombang milimeter dan kekerapan THz. Selain itu, dengan menyesuaikan kekerapan laser, pelbagai penukaran frekuensi pesat dan penyebaran frekuensi boleh dilakukan. Kelemahannya ialah lebar lebar atau bunyi fasa isyarat frekuensi perbezaan yang dihasilkan oleh dua isyarat laser yang tidak mencukupi adalah agak besar, dan kestabilan kekerapan tidak tinggi, terutamanya jika laser semikonduktor bersaiz kecil tetapi luas (~ MHz) digunakan. . Sekiranya keperluan berat dan volum sistem tidak tinggi, laser serat rendah (~ kHz), laser serat (~ kHz) [7,8], laser semikonduktor luaran luar [9], boleh digunakan. Selain itu, dua mod isyarat laser yang dihasilkan dalam rongga laser yang sama juga boleh digunakan untuk menjana kekerapan perbezaan, supaya kestabilan kekerapan gelombang mikro yang dihasilkan dapat bertambah baik [10-12].

2. Untuk menyelesaikan masalah yang kedua-dua laser dalam kaedah terdahulu tidak masuk akal dan bunyi fasa isyarat yang dijana terlalu besar, kaedah penguncian suntikan atau fasa litar terkunci fasa negatif boleh digunakan untuk mendapatkan koheren antara dua laser [13]. Rajah 2 menunjukkan penggunaan tipikal ketuhar gelombang mikro frekuensi berkomputer yang dikunci secara suntikan (Rajah 2). Dengan secara langsung menyuntik isyarat semasa frekuensi tinggi kepada laser semikonduktor, atau menggunakan modulator fasa LiNbO3, pelbagai isyarat optik yang mempunyai frekuensi yang berbeza pada selang masa yang sama dapat dihasilkan, atau sikat frekuensi optik. Sudah tentu kaedah yang biasa digunakan untuk mendapatkan sikat frekuensi optik spektrum lebar adalah dengan menggunakan laser berkunci mod [14]. Mana-mana dua isyarat sikat dari sikat frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan penapisan dan disuntik ke dalam laser 1 dan 2 masing-masing untuk mencapai kekunci dikunci kekunci. Kerana fasa antara isyarat sikat yang berbeza dari sikat optik agak stabil, fasa relatif stabil antara kedua-dua laser diperolehi, dan kekerapan pengulangan sisir boleh didapati dengan kaedah frekuensi perbezaan seperti yang dinyatakan di atas. Isyarat gelombang kekerapan pelbagai.

Rajah 2. Gambarajah skematik penjanaan frekuensi injeksi terkunci gelombang isyarat gelombang mikro-dua kali ganda.

Satu lagi cara untuk mengurangkan bunyi fasa relatif kedua-dua laser adalah menggunakan gelung terkunci fasa optik fasa optik negatif, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Skema optik PLL.

Prinsip gelung terkunci fasa optik adalah sama dengan gelung terkunci fasa dalam medan elektronik [15,16,17]. Perbezaan fasa dari kedua-dua laser ditukarkan menjadi isyarat elektrik oleh photodetector (sepadan dengan pengesan fasa), dan perbezaan antara kedua-dua laser diperoleh dengan kekerapan perbezaan dengan sumber isyarat gelombang mikro rujukan, dan maklum balas dikembalikan kepada dua laser selepas amplifikasi dan penapisan. Unit kawalan kekerapan laser (suntikan semasa untuk laser semikonduktor). Dengan gelung kawalan maklum balas yang negatif, frekuensi relatif antara kedua-dua isyarat laser adalah fasa terkunci dengan isyarat gelombang mikro. Isyarat optik gabungan kemudian boleh dihantar melalui gentian optik ke photodetector di tempat lain dan ditukar kepada isyarat gelombang mikro. Bunyi fasa isyarat gelombang mikro yang dihasilkan adalah hampir sama dengan bunyi fasa isyarat rujukan dalam jalur lebar gelung maklum balas negatif terkunci fasa. Kebisingan fasa di luar jalur lebar adalah sama dengan bunyi fasa relatif dua asal yang tidak boleh dipasangkan oleh laser.

Di samping itu, sumber isyarat gelombang mikro rujukan juga boleh menjadi sumber isyarat lain yang diproses oleh penukaran kekerapan, kekerapan digital atau penukaran frekuensi lain, supaya isyarat gelombang mikro dengan kekerapan yang lebih rendah mungkin multi-frekuensi yang ditukar atau ditukar kepada kekerapan yang tinggi. Kekerapan radio, isyarat THz dan sebagainya.

Berbanding kekerapan terkunci suntikan, yang hanya dapat memperoleh pendaraban frekuensi, gelung fasa terkunci lebih fleksibel, boleh menjana kekerapan hampir apa-apa, dan tentunya lebih rumit. Sebagai contoh, dalam FIG. 2, fasa dimodulasi oleh modulator optoelektronik, atau sikat optik yang dihasilkan oleh laser berdenyut sebagai sumber cahaya, gelung terkunci fasa optik digunakan untuk secara selektif mengunci dua laser kepada dua isyarat sikat gigi optik. Menjana isyarat frekuensi tinggi melalui frekuensi perbezaan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. F1 dan f2 adalah frekuensi isyarat rujukan masing-masing dua gelung terkunci fasa, dan isyarat gelombang mikro N * frep + f1 + f2 boleh dihasilkan oleh kekerapan perbezaan antara kedua-dua laser.

Rajah 4. Menjana rajah kekerapan sewenang-wenang menggunakan sikat optik dan PLL optik.

3. Menggunakan laser denyut terkunci mod, isyarat nadi optik ditukar kepada isyarat gelombang mikro oleh photodetector [18-20].

Kelebihan utama kaedah ini ialah isyarat dengan kestabilan kekerapan yang sangat baik dan hingar fasa yang sangat rendah boleh diperolehi. Dengan mengunci frekuensi laser ke spektrum peralihan molekul atom yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, dan menggunakan kekerapan pengambilan sendiri untuk menghapuskan kekerapan frekuensi sistem, dan sebagainya, isyarat nadi optik dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil boleh didapati. Isyarat gelombang bunyi fasa ultra rendah [21-23]. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.

Rajah 5. Perbandingan bunyi fasa relatif daripada sumber isyarat yang berbeza. Petikan dari rujukan [21]

Walau bagaimanapun, kerana kekerapan pengulangan denyut nadi berkadar songsang dengan panjang rongga laser, manakala laser berkunci mod konvensional mempunyai isipadu yang besar, sukar untuk mendapatkan isyarat gelombang mikro secara langsung. Di samping itu, jumlah laser tradisional berdenyut, berat dan penggunaan tenaga, serta keperluan alam sekitar yang ketat telah membatasi penggunaannya terutamanya di makmal. Untuk mengatasi masalah ini, penyelidikan yang paling maju di Amerika Syarikat dan Jerman menggunakan kesan nonlinear untuk menghasilkan sikat optik frekuensi stabil di dalam rongga mod yang kecil dan berkualiti tinggi untuk menjana isyarat gelombang mikro yang tinggi dan frekuensi tinggi. [24 -29]].