Mikroaaltouunin optoelektroniikka, kuten nimestä voi päätellä, on mikroaaltojen jaoptoelektroniikkaMikroaallot ja valoaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja, ja niiden taajuudet ovat monella suuruusluokalla erilaisia, ja niiden omilla aloilla kehitetyt komponentit ja teknologiat ovat hyvin erilaisia. Yhdessä voimme hyödyntää toisiamme, mutta voimme saada uusia sovelluksia ja ominaisuuksia, joita on vaikeampi toteuttaa.
Optinen tiedonsiirtoon erinomainen esimerkki mikroaaltojen ja fotoelektronien yhdistelmästä. Varhaisissa puhelin- ja lennätinlangattomissa tietoliikenneyhteyksissä, signaalien generoinnissa, etenemisessä ja vastaanotossa käytettiin mikroaaltolaitteita. Aluksi käytettiin matalataajuisia sähkömagneettisia aaltoja, koska taajuusalue on pieni ja lähetyskapasiteetti pieni. Ratkaisuna on lisätä lähetettävän signaalin taajuutta, mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän taajuusresursseja. Mutta korkeataajuisen signaalin etenemishäviö ilmassa on suuri, ja esteet voivat myös helposti estää sen. Jos käytetään kaapelia, kaapelin häviö on suuri, ja pitkän matkan siirto on ongelma. Optisten kuituyhteyksien syntyminen on hyvä ratkaisu näihin ongelmiin.Optinen kuituon erittäin pieni lähetyshäviö ja se on erinomainen kantoaalto signaalien lähettämiseen pitkillä etäisyyksillä. Valoaaltojen taajuusalue on paljon laajempi kuin mikroaaltojen ja ne voivat lähettää useita eri kanavia samanaikaisesti. Näiden etujen vuoksioptinen siirtoOptisista kuituyhteyksistä on tullut nykypäivän tiedonsiirron selkäranka.
Optisella tietoliikenteellä on pitkä historia, ja tutkimus ja sovellukset ovat erittäin laajoja ja kypsiä, enempää ei ole sanottavaa. Tässä artikkelissa esitellään pääasiassa mikroaaltooptoelektroniikan uutta tutkimussisältöä viime vuosina optisen tietoliikenteen lisäksi. Mikroaaltooptoelektroniikka käyttää pääasiassa optoelektroniikan alan menetelmiä ja teknologioita kantoaaltoina parantaakseen ja saavuttaakseen suorituskyvyn ja sovellukset, joita on vaikea saavuttaa perinteisillä mikroaaltoelektroniikkakomponenteilla. Sovelluksen näkökulmasta se sisältää pääasiassa seuraavat kolme näkökohtaa.
Ensimmäinen on optoelektroniikan käyttö korkean suorituskyvyn ja vähäkohinaisten mikroaaltosignaalien tuottamiseen X-kaistalta aina THz-kaistalle asti.
Toiseksi, mikroaaltosignaalin käsittely. Sisältää viiveen, suodatuksen, taajuusmuunnoksen, vastaanoton ja niin edelleen.
Kolmanneksi, analogisten signaalien siirto.
Tässä artikkelissa kirjoittaja esittelee vain ensimmäisen osan, mikroaaltosignaalin generoinnin. Perinteistä mikroaaltomillimetriaaltoa generoivat pääasiassa iii_V-mikroelektroniset komponentit. Sen rajoitukset ovat seuraavat: Ensinnäkin, korkeilla taajuuksilla, kuten yli 100 GHz:n taajuuksilla, perinteinen mikroelektroniikka pystyy tuottamaan yhä vähemmän tehoa, kun taas korkeammilla THz-taajuuksilla ne eivät pysty tekemään mitään. Toiseksi, vaihekohinan vähentämiseksi ja taajuusvakauden parantamiseksi alkuperäinen laite on sijoitettava erittäin alhaiseen lämpötilaan. Kolmanneksi, laajan taajuusmodulaatio- ja taajuusmuunnosalueen saavuttaminen on vaikeaa. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi optoelektronisella teknologialla voi olla rooli. Tärkeimmät menetelmät kuvataan alla.
1. Kahden eritaajuisen lasersignaalin taajuuden erotuksen avulla korkeataajuista fotodetektoria käytetään mikroaaltosignaalien muuntamiseen, kuten kuvassa 1 on esitetty.
Kuva 1. Kaaviokuva kahden taajuuden erotuksesta syntyvistä mikroaalloistalaserit.
Tämän menetelmän etuja ovat yksinkertainen rakenne, se voi tuottaa erittäin korkeataajuisia millimetriaalto- ja jopa THz-taajuisia signaaleja, ja laserin taajuutta säätämällä voidaan suorittaa laaja valikoima nopeita taajuusmuunnosta ja pyyhkäisytaajuutta. Haittapuolena on, että kahden toisiinsa liittymättömän lasersignaalin tuottaman erotustaajuussignaalin viivanleveys tai vaihekohina on suhteellisen suuri, eikä taajuusstabiilisuus ole korkea, varsinkin jos käytetään puolijohdelaseria, jolla on pieni tilavuus, mutta suuri viivanleveys (~MHz). Jos järjestelmän paino- ja tilavuusvaatimukset eivät ole korkeat, voidaan käyttää pienikohinaisia (~kHz) puolijohdelasereita.kuitulaserit, ulkoinen ontelopuolijohdelaseritjne. Lisäksi samassa laserontelossa tuotettuja kahta eri lasersignaalimoodia voidaan käyttää myös erotaajuusgeneraattorin tuottamiseen, jolloin mikroaaltojen taajuusvakaus paranee huomattavasti.
2. Edellisessä menetelmässä käytettyjen kahden laserin epäkoherenssin ja liian suuren signaalin vaihekohinan ongelman ratkaisemiseksi kahden laserin välinen koherenssi voidaan saavuttaa injektiotaajuuden lukitsevalla vaihelukitusmenetelmällä tai negatiivisen takaisinkytkennän vaihelukituspiirillä. Kuva 2 esittää tyypillisen injektiolukituksen sovelluksen mikroaaltojen monikertojen luomiseksi (kuva 2). Syöttämällä suurtaajuisia virtasignaaleja suoraan puolijohdelaseriin tai käyttämällä LinBO3-vaihemodulaattoria voidaan tuottaa useita eri taajuisia optisia signaaleja samalla taajuusvälillä eli optisia taajuuskampoja. Yleisesti käytetty menetelmä laaja-alaisen optisen taajuuskamman saamiseksi on tietenkin käyttää moodilukittua laseria. Mitkä tahansa kaksi generoidun optisen taajuuskamman kampasignaalia valitaan suodattamalla ja ruiskutetaan laseriin 1 ja 2 vastaavasti taajuus- ja vaihelukituksen toteuttamiseksi. Koska optisen taajuuskamman eri kampasignaalien välinen vaihe on suhteellisen vakaa, kahden laserin välinen suhteellinen vaihe on vakaa, ja sitten edellä kuvatulla taajuuserotusmenetelmällä voidaan saada optisen taajuuskamman toistotaajuuden moninkertainen mikroaaltosignaali.
Kuva 2. Kaaviokuva mikroaaltojen taajuuden kaksinkertaistavasta signaalista, joka on generoitu injektiotaajuuslukituksella.
Toinen tapa vähentää kahden laserin suhteellista vaihekohinaa on käyttää negatiivisen takaisinkytkennän omaavaa optista PLL:ää, kuten kuvassa 3 on esitetty.
Kuva 3. OPL:n kytkentäkaavio.
Optisen PLL:n periaate on samanlainen kuin elektroniikan PLL:n. Kahden laserin vaihe-ero muunnetaan sähköiseksi signaaliksi fotodetektorilla (vastaa vaiheilmaisinta), ja sitten kahden laserin välinen vaihe-ero saadaan aikaan tekemällä erotaajuus referenssimikroaaltosignaalilähteen kanssa, joka vahvistetaan ja suodatetaan ja syötetään sitten takaisin toisen laserin taajuussäätöyksikköön (puolijohdelasereissa se on injektiovirta). Tällaisen negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan kautta kahden lasersignaalin suhteellinen taajuusvaihe lukitaan referenssimikroaaltosignaaliin. Yhdistetty optinen signaali voidaan sitten lähettää optisten kuitujen kautta muualle fotodetektoriin ja muuntaa mikroaaltosignaaliksi. Tuloksena oleva mikroaaltosignaalin vaihekohina on lähes sama kuin referenssisignaalin vaihelukon negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan kaistanleveyden sisällä. Kaistanleveyden ulkopuolella oleva vaihekohina on yhtä suuri kuin kahden alkuperäisen toisiinsa liittymättömän laserin suhteellinen vaihekohina.
Lisäksi referenssi-mikroaaltosignaalilähde voidaan muuntaa myös muilla signaalilähteillä taajuuden kaksinkertaistamisen, jakajan taajuuden tai muun taajuuskäsittelyn avulla, jolloin matalamman taajuuden mikroaaltosignaali voidaan moninkertaistaa tai muuntaa korkeataajuisiksi RF- ja THz-signaaleiksi.
Verrattuna injektiotaajuuslukitukseen, jossa voidaan saavuttaa vain taajuuden kaksinkertaistaminen, vaihelukitut silmukat ovat joustavampia, voivat tuottaa lähes mielivaltaisia taajuuksia ja tietenkin monimutkaisempia. Esimerkiksi kuvassa 2 esitettyä valosähköisen modulaattorin tuottamaa optista taajuuskampaa käytetään valonlähteenä, ja optista vaihelukittua silmukkaa käytetään kahden laserin taajuuden lukitsemiseen valikoivasti kahteen optiseen kampasignaaliin ja sitten korkeataajuisten signaalien generointiin erotustaajuuden avulla, kuten kuvassa 4 on esitetty. f1 ja f2 ovat vastaavasti kahden PLLS:n referenssisignaalitaajuudet, ja kahden laserin välinen erotustaajuus voi tuottaa mikroaaltosignaalin N*frep+f1+f2.
Kuva 4. Kaaviokuva mielivaltaisten taajuuksien generoinnista optisten taajuuskampojen ja PLLS:n avulla.
3. Käytä moodilukittua pulssilaseria optisen pulssisignaalin muuntamiseen mikroaaltosignaaliksivaloilmaisin.
Tämän menetelmän tärkein etu on, että sillä saadaan signaali, jolla on erittäin hyvä taajuusstabiilius ja erittäin alhainen vaihekohina. Lukitsemalla laserin taajuus erittäin vakaaseen atomi- ja molekyylisiirtymäspektriin tai erittäin vakaaseen optiseen onteloon ja käyttämällä itsekaksinkertaistuvaa taajuuden eliminointijärjestelmää ja muita tekniikoita, voimme saada erittäin vakaan optisen pulssisignaalin, jolla on erittäin vakaa toistotaajuus, jolloin saadaan mikroaaltosignaali, jolla on erittäin alhainen vaihekohina. Kuva 5.
Kuva 5. Eri signaalilähteiden suhteellisen vaihekohinan vertailu.
Koska pulssin toistotaajuus on kuitenkin kääntäen verrannollinen laserin ontelon pituuteen ja perinteinen moodilukittu laser on suuri, korkeataajuisten mikroaaltosignaalien saaminen suoraan on vaikeaa. Lisäksi perinteisten pulssilasereiden koko, paino ja energiankulutus sekä ankarat ympäristövaatimukset rajoittavat niiden pääasiassa laboratoriosovelluksia. Näiden vaikeuksien voittamiseksi Yhdysvalloissa ja Saksassa on äskettäin aloitettu tutkimus, jossa käytetään epälineaarisia vaikutuksia taajuusstabiilien optisten kampojen luomiseen erittäin pienissä, korkealaatuisissa sirinämoodin optisissa onteloissa, jotka puolestaan tuottavat korkeataajuisia, matalakohinaisia mikroaaltosignaaleja.
4. optoelektroninen oskillaattori, kuva 6.
Kuva 6. Valosähköisen kytketyn oskillaattorin kytkentäkaavio.
Yksi perinteisistä menetelmistä mikroaaltojen tai lasereiden tuottamiseksi on käyttää itsepalauteista suljettua silmukkaa. Niin kauan kuin suljetun silmukan vahvistus on suurempi kuin häviö, itsevirittyvä oskillaatio voi tuottaa mikroaaltoja tai lasereita. Mitä korkeampi suljetun silmukan laatutekijä Q on, sitä pienempi on syntyvän signaalin vaihe- tai taajuuskohina. Silmukan laatutekijän lisäämiseksi suora tapa on lisätä silmukan pituutta ja minimoida etenemishäviö. Pidempi silmukka voi kuitenkin yleensä tukea useiden oskillaatiomoodien tuottamista, ja jos lisätään kapeakaistainen suodatin, voidaan saada yksitaajuinen, matalakohinainen mikroaaltooskillaatiosignaali. Valosähköisesti kytketty oskillaattori on tähän ajatukseen perustuva mikroaaltosignaalilähde, joka hyödyntää täysin kuidun alhaisia etenemishäviöominaisuuksia. Pidemmän kuidun käyttö silmukan Q-arvon parantamiseksi voi tuottaa mikroaaltosignaalin, jolla on erittäin alhainen vaihekohina. Menetelmän ehdottamisesta 1990-luvulla lähtien tämäntyyppistä oskillaattoria on tutkittu ja kehitetty huomattavasti, ja tällä hetkellä on olemassa kaupallisia valosähköisesti kytkettyjä oskillaattoreita. Viime aikoina on kehitetty valosähköisiä oskillaattoreita, joiden taajuuksia voidaan säätää laajalla alueella. Tähän arkkitehtuuriin perustuvien mikroaaltosignaalilähteiden pääongelmana on, että silmukka on pitkä ja sen vapaassa virtauksessa (FSR) ja sen kaksinkertaisessa taajuudessa oleva kohina kasvaa merkittävästi. Lisäksi käytettyjä valosähköisiä komponentteja on enemmän, kustannukset ovat korkeat, äänenvoimakkuutta on vaikea vähentää ja pidempi kuitu on herkempi ympäristön häiriöille.
Yllä olevassa esitellään lyhyesti useita menetelmiä mikroaaltosignaalien tuottamiseksi fotoelektronien avulla sekä niiden edut ja haitat. Lopuksi fotoelektronien käytöllä mikroaaltojen tuottamiseen on toinenkin etu: optinen signaali voidaan jakaa optisen kuidun kautta erittäin pienillä häviöillä ja pitkän matkan siirrolla jokaiseen käyttöpäätteeseen ja sitten muuntaa mikroaaltosignaaleiksi, ja sähkömagneettisten häiriöiden sietokyky paranee merkittävästi perinteisiin elektronisiin komponentteihin verrattuna.
Tämän artikkelin kirjoittaminen on pääasiassa viitteeksi, ja yhdistettynä kirjoittajan omaan tutkimuskokemukseen ja alan kokemukseen siinä on epätarkkuuksia ja epäkäsiteltävyyttä, pyydämme ymmärtämään.
Julkaisun aika: 03.01.2024