Optoelectrònica de microones, com el seu nom indica, és la intersecció de microones ioptoelectrònicaLes microones i les ones de llum són ones electromagnètiques, i les freqüències són molts ordres de magnitud diferents, i els components i les tecnologies desenvolupades en els seus respectius camps són molt diferents. En combinació, podem aprofitar-nos mútuament, però podem obtenir noves aplicacions i característiques que són difícils de realitzar respectivament.
Comunicació òpticaés un exemple perfecte de la combinació de microones i fotoelectrons. Les primeres comunicacions sense fil telefòniques i telegràfiques, la generació, propagació i recepció de senyals, utilitzaven dispositius de microones. Inicialment s'utilitzaven ones electromagnètiques de baixa freqüència perquè el rang de freqüències és petit i la capacitat del canal de transmissió és petita. La solució és augmentar la freqüència del senyal transmès, com més alta sigui la freqüència, més recursos d'espectre. Però el senyal d'alta freqüència a l'aire té una gran pèrdua de propagació, però també és fàcil que sigui bloquejat per obstacles. Si s'utilitza el cable, la pèrdua del cable és gran i la transmissió a llarga distància és un problema. L'aparició de la comunicació per fibra òptica és una bona solució a aquests problemes.fibra òpticaté una pèrdua de transmissió molt baixa i és un portador excel·lent per transmetre senyals a llargues distàncies. El rang de freqüències de les ones de llum és molt més gran que el de les microones i pot transmetre molts canals diferents simultàniament. A causa d'aquests avantatges detransmissió òptica, la comunicació per fibra òptica s'ha convertit en l'eix vertebrador de la transmissió d'informació actual.
La comunicació òptica té una llarga història, la recerca i l'aplicació són molt extenses i madures, no cal dir res més. Aquest article presenta principalment el nou contingut de recerca de l'optoelectrònica de microones dels darrers anys, a part de la comunicació òptica. L'optoelectrònica de microones utilitza principalment els mètodes i tecnologies en el camp de l'optoelectrònica com a vehicle per millorar i aconseguir el rendiment i l'aplicació que són difícils d'aconseguir amb els components electrònics de microones tradicionals. Des de la perspectiva de l'aplicació, inclou principalment els tres aspectes següents.
El primer és l'ús de l'optoelectrònica per generar senyals de microones d'alt rendiment i baix soroll, des de la banda X fins a la banda THz.
En segon lloc, el processament del senyal de microones. Inclou retard, filtratge, conversió de freqüència, recepció, etc.
En tercer lloc, la transmissió de senyals analògics.
En aquest article, l'autor només introdueix la primera part, la generació del senyal de microones. L'ona mil·limètrica de microones tradicional es genera principalment mitjançant components microelectrònics iii_V. Les seves limitacions tenen els següents punts: en primer lloc, a freqüències altes com ara 100 GHz per sobre, la microelectrònica tradicional pot produir cada cop menys energia, i a senyals de THz de freqüència més alta, no poden fer res. En segon lloc, per reduir el soroll de fase i millorar l'estabilitat de freqüència, el dispositiu original s'ha de col·locar en un entorn de temperatura extremadament baixa. En tercer lloc, és difícil aconseguir una àmplia gamma de conversió de freqüència de modulació de freqüència. Per resoldre aquests problemes, la tecnologia optoelectrònica pot tenir un paper important. Els principals mètodes es descriuen a continuació.
1. Mitjançant la diferència de freqüència de dos senyals làser de freqüència diferent, s'utilitza un fotodetector d'alta freqüència per convertir els senyals de microones, tal com es mostra a la Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemàtic de les microones generades per la diferència de freqüència de dueslàsers.
Els avantatges d'aquest mètode són la seva estructura senzilla, la possibilitat de generar ones mil·limètriques de freqüència extremadament alta i fins i tot un senyal de freqüència THz, i ajustant la freqüència del làser es pot dur a terme una àmplia gamma de conversions de freqüència ràpides i freqüències d'escombrat. El desavantatge és que l'amplada de línia o el soroll de fase del senyal de freqüència de diferència generat per dos senyals làser no relacionats és relativament gran i l'estabilitat de freqüència no és alta, sobretot si s'utilitza un làser semiconductor amb un volum petit però una amplada de línia gran (~MHz). Si els requisits de volum de pes del sistema no són elevats, es poden utilitzar làsers d'estat sòlid de baix soroll (~kHz).làsers de fibra, cavitat externalàsers semiconductors, etc. A més, també es poden utilitzar dos modes diferents de senyals làser generats a la mateixa cavitat làser per generar una freqüència diferent, de manera que el rendiment d'estabilitat de la freqüència de microones millora considerablement.
2. Per tal de resoldre el problema que els dos làsers del mètode anterior són incoherents i el soroll de fase del senyal generat és massa gran, la coherència entre els dos làsers es pot obtenir mitjançant el mètode de bloqueig de fase de bloqueig de freqüència d'injecció o el circuit de bloqueig de fase de retroalimentació negativa. La figura 2 mostra una aplicació típica del bloqueig d'injecció per generar múltiples de microones (Figura 2). Injectant directament senyals de corrent d'alta freqüència en un làser semiconductor o utilitzant un modulador de fase LinBO3, es poden generar múltiples senyals òptics de diferents freqüències amb un espaiament de freqüència igual, o pintes de freqüència òptica. Per descomptat, el mètode que s'utilitza habitualment per obtenir una pinta de freqüència òptica d'ampli espectre és utilitzar un làser bloquejat per mode. Qualsevol dos senyals de pinta a la pinta de freqüència òptica generada es seleccionen filtrant i s'injecten al làser 1 i 2 respectivament per aconseguir el bloqueig de freqüència i fase respectivament. Com que la fase entre els diferents senyals de pinta de la pinta de freqüència òptica és relativament estable, la fase relativa entre els dos làsers és estable, i després mitjançant el mètode de freqüència de diferència tal com s'ha descrit anteriorment, es pot obtenir el senyal de microones de freqüència múltiple de la taxa de repetició de la pinta de freqüència òptica.
Figura 2. Diagrama esquemàtic del senyal de duplicació de freqüència de microones generat pel bloqueig de freqüència d'injecció.
Una altra manera de reduir el soroll de fase relatiu dels dos làsers és utilitzar un PLL òptic de retroalimentació negativa, com es mostra a la Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemàtic de l'OPL.
El principi del PLL òptic és similar al del PLL en el camp de l'electrònica. La diferència de fase dels dos làsers es converteix en un senyal elèctric mitjançant un fotodetector (equivalent a un detector de fase), i després la diferència de fase entre els dos làsers s'obté fent una diferència de freqüència amb una font de senyal de microones de referència, que s'amplifica i es filtra i després es retroalimenta a la unitat de control de freqüència d'un dels làsers (per als làsers semiconductors, és el corrent d'injecció). A través d'aquest bucle de control de retroalimentació negativa, la fase de freqüència relativa entre els dos senyals làser es bloqueja al senyal de microones de referència. El senyal òptic combinat es pot transmetre a través de fibres òptiques a un fotodetector en un altre lloc i convertir-lo en un senyal de microones. El soroll de fase resultant del senyal de microones és gairebé el mateix que el del senyal de referència dins de l'ample de banda del bucle de retroalimentació negativa bloquejada en fase. El soroll de fase fora de l'ample de banda és igual al soroll de fase relatiu dels dos làsers originals no relacionats.
A més, la font de senyal de microones de referència també es pot convertir mitjançant altres fonts de senyal mitjançant la duplicació de freqüència, la freqüència divisora o un altre processament de freqüència, de manera que el senyal de microones de baixa freqüència es pot multiplicar per dos o convertir en senyals de RF d'alta freqüència i THz.
En comparació amb el bloqueig de freqüència d'injecció, només es pot obtenir la duplicació de freqüència, els bucles de bloqueig de fase són més flexibles, poden produir freqüències gairebé arbitràries i, per descomptat, més complexos. Per exemple, la pinta de freqüència òptica generada pel modulador fotoelèctric de la Figura 2 s'utilitza com a font de llum, i el bucle de bloqueig de fase òptica s'utilitza per bloquejar selectivament la freqüència dels dos làsers als dos senyals de pinta òptica i després generar senyals d'alta freqüència a través de la freqüència de diferència, com es mostra a la Figura 4. f1 i f2 són les freqüències de senyal de referència dels dos PLLS respectivament, i es pot generar un senyal de microones de N * frep + f1 + f2 mitjançant la freqüència de diferència entre els dos làsers.
Figura 4. Diagrama esquemàtic de la generació de freqüències arbitràries mitjançant pintes de freqüència òptiques i PLLS.
3. Utilitzeu un làser de pols amb mode bloquejat per convertir el senyal de pols òptic en un senyal de microones a través defotodetector.
El principal avantatge d'aquest mètode és que es pot obtenir un senyal amb molt bona estabilitat de freqüència i un soroll de fase molt baix. En bloquejar la freqüència del làser a un espectre de transició atòmica i molecular molt estable, o a una cavitat òptica extremadament estable, i mitjançant l'ús del canvi de freqüència del sistema d'eliminació de freqüència autoduplicant i altres tecnologies, podem obtenir un senyal de pols òptic molt estable amb una freqüència de repetició molt estable, de manera que s'obté un senyal de microones amb un soroll de fase ultrabaix. Figura 5.
Figura 5. Comparació del soroll de fase relatiu de diferents fonts de senyal.
Tanmateix, com que la taxa de repetició d'impulsos és inversament proporcional a la longitud de la cavitat del làser, i el làser tradicional amb mode bloquejat és gran, és difícil obtenir senyals de microones d'alta freqüència directament. A més, la mida, el pes i el consum d'energia dels làsers pulsats tradicionals, així com els requisits ambientals durs, limiten les seves aplicacions principalment de laboratori. Per superar aquestes dificultats, recentment s'ha iniciat la investigació als Estats Units i Alemanya utilitzant efectes no lineals per generar pintes òptiques de freqüència estable en cavitats òptiques de mode chirp molt petites i d'alta qualitat, que al seu torn generen senyals de microones d'alta freqüència i baix soroll.
4. Oscil·lador optoelectrònic, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemàtic d'un oscil·lador acoblat fotoelèctric.
Un dels mètodes tradicionals per generar microones o làsers és utilitzar un bucle tancat d'autoretroalimentació. Sempre que el guany en el bucle tancat sigui més gran que la pèrdua, l'oscil·lació autoexcitada pot produir microones o làsers. Com més alt sigui el factor de qualitat Q del bucle tancat, més petit serà el soroll de fase o freqüència del senyal generat. Per augmentar el factor de qualitat del bucle, la manera directa és augmentar la longitud del bucle i minimitzar la pèrdua de propagació. Tanmateix, un bucle més llarg normalment pot admetre la generació de múltiples modes d'oscil·lació, i si s'afegeix un filtre d'ample de banda estret, es pot obtenir un senyal d'oscil·lació de microones de baix soroll de freqüència única. L'oscil·lador acoblat fotoelèctric és una font de senyal de microones basada en aquesta idea, que aprofita al màxim les característiques de baixa pèrdua de propagació de la fibra. Utilitzant una fibra més llarga per millorar el valor Q del bucle, es pot produir un senyal de microones amb un soroll de fase molt baix. Des que es va proposar el mètode a la dècada de 1990, aquest tipus d'oscil·lador ha rebut una àmplia investigació i un desenvolupament considerable, i actualment hi ha oscil·ladors acoblats fotoelèctrics comercials. Més recentment, s'han desenvolupat oscil·ladors fotoelèctrics les freqüències dels quals es poden ajustar en un ampli rang. El principal problema de les fonts de senyal de microones basades en aquesta arquitectura és que el bucle és llarg i el soroll en el seu flux lliure (FSR) i la seva doble freqüència augmentaran significativament. A més, els components fotoelèctrics utilitzats són més nombrosos, el cost és elevat, el volum és difícil de reduir i la fibra més llarga és més sensible a les pertorbacions ambientals.
L'anterior introdueix breument diversos mètodes de generació de fotoelectrons de senyals de microones, així com els seus avantatges i desavantatges. Finalment, l'ús de fotoelectrons per produir microones té un altre avantatge: el senyal òptic es pot distribuir a través de la fibra òptica amb molt baixa pèrdua i transmissió de llarga distància a cada terminal d'ús i després convertir-lo en senyals de microones, i la capacitat de resistir interferències electromagnètiques millora significativament en comparació amb els components electrònics tradicionals.
L'escriptura d'aquest article és principalment de referència, i combinada amb la pròpia experiència de recerca i experiència de l'autor en aquest camp, hi ha inexactituds i mancances de comprensió, si us plau, enteneu-ho.
Data de publicació: 03-01-2024