Mikroaaltouunin optoelektroniikka, kuten nimestä voi päätellä, on mikroaaltouunin jaoptoelektroniikka. Mikroaallot ja valoaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja, ja niiden taajuudet ovat monen suuruusluokan erilaisia, ja omilla aloillaan kehitetyt komponentit ja teknologiat ovat hyvin erilaisia. Yhdessä voimme hyödyntää toisiamme, mutta voimme saada uusia sovelluksia ja ominaisuuksia, joita on vaikea toteuttaa vastaavasti.
Optinen viestintäon erinomainen esimerkki mikroaaltojen ja fotoelektronien yhdistelmästä. Varhainen langaton puhelin- ja lennätinviestintä, signaalien generointi, levitys ja vastaanotto, kaikki käytetyt mikroaaltouunit. Matalataajuisia sähkömagneettisia aaltoja käytetään aluksi, koska taajuusalue on pieni ja kanavan kapasiteetti on pieni. Ratkaisu on kasvattaa lähetettävän signaalin taajuutta, mitä suurempi taajuus, sitä enemmän spektriresursseja. Mutta korkean taajuuden signaali ilmassa etenemishäviö on suuri, mutta myös helppo estää esteet. Jos kaapelia käytetään, kaapelin häviö on suuri ja pitkän matkan siirto on ongelma. Valokuituviestinnän syntyminen on hyvä ratkaisu näihin ongelmiin.Optinen kuitusillä on erittäin pieni lähetyshäviö ja se on erinomainen kantoaalto signaalien lähettämiseen pitkiä matkoja. Valoaaltojen taajuusalue on paljon suurempi kuin mikroaaltojen ja voi lähettää useita eri kanavia samanaikaisesti. Näiden etujen takiaoptinen lähetys, valokuituviestinnästä on tullut nykypäivän tiedonsiirron selkäranka.
Optisella viestinnällä on pitkä historia, tutkimus ja sovellus on erittäin laajaa ja kypsää, ei tästä enempää. Tämä artikkeli esittelee pääasiassa mikroaaltooptoelektroniikan viime vuosien uutta tutkimussisältöä optisen viestinnän lisäksi. Mikroaaltooptoelektroniikka käyttää pääasiassa optoelektroniikan alan menetelmiä ja tekniikoita kantoaaltoina parantaakseen ja saavuttaakseen suorituskykyä ja sovelluksia, joita on vaikea saavuttaa perinteisillä mikroaaltoelektroniikkakomponenteilla. Sovelluksen näkökulmasta se sisältää pääasiassa seuraavat kolme näkökohtaa.
Ensimmäinen on optoelektroniikan käyttö korkean suorituskyvyn ja hiljaisten mikroaaltosignaalien tuottamiseen X-kaistalta THz-kaistalle asti.
Toiseksi, mikroaaltosignaalin käsittely. Sisältää viiveen, suodatuksen, taajuuden muuntamisen, vastaanoton ja niin edelleen.
Kolmanneksi analogisten signaalien siirto.
Tässä artikkelissa kirjoittaja esittelee vain ensimmäisen osan, mikroaaltosignaalin generoinnin. Perinteinen mikroaaltouunin millimetriaalto syntyy pääasiassa iii_V-mikroelektroniikkakomponenteista. Sen rajoituksilla on seuraavat seikat: Ensinnäkin korkeille taajuuksille, kuten 100 GHz:n yläpuolelle, perinteinen mikroelektroniikka voi tuottaa vähemmän ja vähemmän tehoa, korkeamman taajuuden THz-signaalille he eivät voi tehdä mitään. Toiseksi, jotta voidaan vähentää vaihekohinaa ja parantaa taajuuden vakautta, alkuperäinen laite on sijoitettava erittäin alhaisen lämpötilan ympäristöön. Kolmanneksi on vaikea saavuttaa laajaa taajuusmodulaatiotaajuuden muunnosaluetta. Näiden ongelmien ratkaisemisessa optoelektronisella tekniikalla voi olla roolinsa. Tärkeimmät menetelmät kuvataan alla.
1. Kahden eri taajuuden lasersignaalin erotaajuuden kautta käytetään suurtaajuista valodetektoria mikroaaltosignaalien muuntamiseen kuvan 1 mukaisesti.
Kuva 1. Kaavio kahden taajuuden erolla syntyvistä mikroaalloistalaserit.
Tämän menetelmän edut ovat yksinkertainen rakenne, se voi tuottaa erittäin korkeataajuista millimetriaaltoa ja jopa THz-taajuista signaalia, ja säätämällä laserin taajuutta voidaan suorittaa laaja valikoima nopea taajuusmuunnos, pyyhkäisytaajuus. Haittapuolena on se, että kahden toisiinsa liittymättömän lasersignaalin tuottaman erotaajuisen signaalin viivanleveys tai vaihekohina on suhteellisen suuri ja taajuuden stabiilisuus ei ole korkea, varsinkin jos puolijohdelaser, jolla on pieni tilavuus mutta suuri viivanleveys (~MHz) käytetty. Jos järjestelmän painon tilavuusvaatimukset eivät ole korkeat, voit käyttää hiljaisia (~ kHz) puolijohdelasereita,kuitulaserit, ulkoinen ontelopuolijohdelaserit, jne. Lisäksi kahta eri lasersignaalin tilaa, jotka on muodostettu samassa laserontelossa, voidaan myös käyttää generoimaan erotaajuutta, jolloin mikroaaltotaajuuden stabiilisuuskyky paranee huomattavasti.
2. Sen ongelman ratkaisemiseksi, että edellisen menetelmän kaksi laseria ovat epäkoherentteja ja signaalin vaihekohina on liian suuri, näiden kahden laserin välinen koherenssi voidaan saada injektiotaajuuden lukitusvaiheen lukitusmenetelmällä tai negatiivisen takaisinkytkentävaiheen avulla. lukituspiiri. Kuvassa 2 on tyypillinen ruiskutuslukituksen sovellus mikroaaltokertojen muodostamiseksi (kuva 2). Injektoimalla suoraan suurtaajuisia virtasignaaleja puolijohdelasereihin tai käyttämällä LinBO3-vaihemodulaattoria voidaan tuottaa useita eri taajuuksilla olevia optisia signaaleja yhtäläisin taajuusetäisyyksin tai optisia taajuuskampoja. Tietenkin yleisesti käytetty menetelmä laajaspektrin optisen taajuuden kamman saamiseksi on käyttää tilalukittua laseria. Mikä tahansa kaksi kampasignaalia generoidussa optisessa taajuuskamassa valitaan suodattamalla ja ruiskutetaan laseriin 1 ja 2 vastaavasti taajuuden ja vaiheen lukituksen toteuttamiseksi. Koska optisen taajuuden kamman eri kampasignaalien välinen vaihe on suhteellisen vakaa, joten näiden kahden laserin välinen suhteellinen vaihe on vakaa, ja sitten edellä kuvatulla erotaajuuden menetelmällä, moninkertainen taajuinen mikroaaltosignaali optisen taajuuden kampan toistotaajuus voidaan saada.
Kuva 2. Kaaviokaavio mikroaaltotaajuuden kaksinkertaistussignaalista, joka on muodostettu injektiotaajuuden lukituksella.
Toinen tapa vähentää näiden kahden laserin suhteellista vaihekohinaa on käyttää negatiivisen takaisinkytkennän optista PLL:ää, kuten kuvassa 3 on esitetty.
Kuva 3. OPL:n kaavio.
Optisen PLL:n periaate on samanlainen kuin PLL:n elektroniikan alalla. Kahden laserin vaihe-ero muunnetaan sähköiseksi signaaliksi valotunnistimella (vastaa vaiheilmaisinta), ja sitten näiden kahden laserin välinen vaihe-ero saadaan aikaan tekemällä erotaajuus referenssimikroaaltosignaalilähteellä, jota vahvistetaan. ja suodatetaan ja syötetään sitten takaisin yhden laserin taajuuden ohjausyksikköön (puolijohdelasereille se on injektiovirta). Tällaisen negatiivisen takaisinkytkennän ohjaussilmukan kautta suhteellinen taajuusvaihe kahden lasersignaalin välillä lukitaan referenssimikroaaltosignaaliin. Yhdistetty optinen signaali voidaan sitten lähettää optisten kuitujen kautta muualla olevaan valoilmaisimeen ja muuntaa mikroaaltosignaaliksi. Tuloksena oleva mikroaaltosignaalin vaihekohina on lähes sama kuin vertailusignaalin vaihelukitun negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan kaistanleveydellä. Vaihekohina kaistanleveyden ulkopuolella on yhtä suuri kuin kahden alkuperäisen riippumattoman laserin suhteellinen vaihekohina.
Lisäksi referenssimikroaaltosignaalilähde voidaan muuntaa myös muilla signaalilähteillä taajuuden kaksinkertaistamisen, jakajataajuuden tai muun taajuuden käsittelyn avulla, jolloin alemman taajuuden mikroaaltosignaali voidaan moninkertaistaa tai muuntaa korkeataajuisiksi RF-, THz-signaaleiksi.
Verrattuna injektiotaajuuden lukitsemiseen voidaan saada vain taajuuden kaksinkertaistaminen, vaihelukitut silmukat ovat joustavampia, voivat tuottaa melkein mielivaltaisia taajuuksia ja tietysti monimutkaisempia. Esimerkiksi kuvan 2 valosähköisen modulaattorin tuottamaa optista taajuuskampaa käytetään valonlähteenä, ja optista vaihelukittua silmukkaa käytetään kahden laserin taajuuden selektiiviseen lukitsemiseen kahteen optiseen kampasignaaliin ja sitten generoimaan. suurtaajuisia signaaleja erotaajuuden kautta, kuten kuvassa 4 on esitetty. f1 ja f2 ovat kummankin PLLS:n vertailusignaalin taajuudet, ja mikroaaltosignaali N*frep+f1+f2 voidaan tuottaa taajuuden erolla. kaksi laseria.
Kuva 4. Kaavio mielivaltaisten taajuuksien muodostamisesta optisten taajuuskampojen ja PLLS:n avulla.
3. Käytä tilalukittua pulssilaseria optisen pulssisignaalin muuntamiseen mikroaaltosignaaliksivalonilmaisin.
Tämän menetelmän tärkein etu on, että voidaan saada signaali, jolla on erittäin hyvä taajuusstabiilisuus ja erittäin pieni vaihekohina. Lukitsemalla laserin taajuuden erittäin vakaaseen atomi- ja molekyylisiirtymäspektriin tai äärimmäisen vakaaseen optiseen onteloon ja käyttämällä itsestään kaksinkertaistuvaa taajuuden eliminointijärjestelmää ja muita tekniikoita, voimme saada erittäin vakaan optisen pulssisignaalin. erittäin vakaa toistotaajuus, jotta saadaan mikroaaltosignaali, jossa on erittäin pieni vaihekohina. Kuva 5.
Kuva 5. Eri signaalilähteiden suhteellisen vaihekohinan vertailu.
Kuitenkin, koska pulssin toistonopeus on kääntäen verrannollinen laserin ontelon pituuteen ja perinteinen tilalukittu laser on suuri, on vaikea saada suoraan suurtaajuisia mikroaaltosignaaleja. Lisäksi perinteisten pulssilaserien koko, paino ja energiankulutus sekä ankarat ympäristövaatimukset rajoittavat niiden pääosin laboratoriosovelluksia. Näiden vaikeuksien voittamiseksi Yhdysvalloissa ja Saksassa on äskettäin aloitettu tutkimus, jossa käytetään epälineaarisia tehosteita taajuudenvakaiden optisten kammojen luomiseksi erittäin pienissä, korkealaatuisissa chirp-moodin optisissa onteloissa, jotka puolestaan tuottavat korkeataajuisia matalakohinaisia mikroaaltosignaaleja.
4. optoelektroninen oskillaattori, kuva 6.
Kuva 6. Valosähköisesti kytketyn oskillaattorin kaavio.
Yksi perinteisistä menetelmistä tuottaa mikroaaltoja tai lasereita on käyttää itsepalautteista suljettua silmukkaa, niin kauan kuin suljetun silmukan vahvistus on suurempi kuin häviö, itseherättyvä värähtely voi tuottaa mikroaaltoja tai lasereita. Mitä korkeampi suljetun silmukan laatutekijä Q, sitä pienempi on generoitu signaalin vaihe- tai taajuuskohina. Silmukan laatutekijän lisäämiseksi suora tapa on lisätä silmukan pituutta ja minimoida etenemishäviö. Pidempi silmukka voi kuitenkin yleensä tukea useiden värähtelymoodien generointia, ja jos kapeakaistainen suodatin lisätään, voidaan saada yksitaajuinen matalakohinainen mikroaaltovärähtelysignaali. Valosähköinen kytketty oskillaattori on tähän ajatukseen perustuva mikroaaltosignaalilähde, se hyödyntää täysimääräisesti kuidun alhaisia etenemishäviöominaisuuksia, käyttämällä pidempää kuitua silmukan Q-arvon parantamiseksi, voi tuottaa mikroaaltosignaalin erittäin alhaisella vaihekohinalla. Siitä lähtien, kun menetelmää ehdotettiin 1990-luvulla, tämän tyyppisiä oskillaattoria on tutkittu laajasti ja kehitetty huomattavasti, ja tällä hetkellä on kaupallisia valosähköisiä kytkettyjä oskillaattoreita. Viime aikoina on kehitetty valosähköisiä oskillaattoreita, joiden taajuuksia voidaan säätää laajalla alueella. Tähän arkkitehtuuriin perustuvien mikroaaltosignaalilähteiden suurin ongelma on, että silmukka on pitkä ja sen vapaassa virtauksessa (FSR) ja sen kaksinkertaistaajuudessa oleva kohina lisääntyy merkittävästi. Lisäksi käytettyjä valosähköisiä komponentteja on enemmän, kustannukset ovat korkeat, volyymia on vaikea vähentää ja pidempi kuitu on herkempi ympäristöhäiriöille.
Yllä oleva esittelee lyhyesti useita menetelmiä mikroaaltosignaalien fotoelektronien tuottamiseksi sekä niiden edut ja haitat. Lopuksi, fotoelektronien käytöllä mikroaaltojen tuottamiseen on toinen etu, että optinen signaali voidaan jakaa optisen kuidun läpi erittäin pienellä häviöllä, pitkän matkan lähetys jokaiseen käyttöpäätteeseen ja muuntaa sitten mikroaaltosignaaleiksi ja kyky vastustaa sähkömagneettisia signaaleja. häiriöt ovat huomattavasti parempia kuin perinteiset elektroniset komponentit.
Tämän artikkelin kirjoittaminen on pääasiassa viitteellistä, ja yhdistettynä kirjoittajan omaan tutkimuskokemukseen ja kokemukseen tällä alalla, siinä on epätarkkuuksia ja epäselvyyttä, ymmärrättehän.
Postitusaika: 03.01.2024