Optoelectrònica de microones, com el seu nom indica, és la intersecció del microones ioptoelectrònica.Les microones i les ones de llum són ones electromagnètiques, i les freqüències són molt diferents en molts ordres de magnitud, i els components i tecnologies desenvolupats en els seus respectius camps són molt diferents.En combinació, podem aprofitar-nos els uns dels altres, però podem obtenir noves aplicacions i característiques difícils de realitzar respectivament.
Comunicació òpticaés un bon exemple de la combinació de microones i fotoelectrons.Les primeres comunicacions sense fil telefòniques i telegràfiques, la generació, propagació i recepció de senyals, totes utilitzaven dispositius de microones.Les ones electromagnètiques de baixa freqüència s'utilitzen inicialment perquè el rang de freqüències és petit i la capacitat de transmissió del canal és petita.La solució és augmentar la freqüència del senyal transmès, com més gran sigui la freqüència, més recursos d'espectre.Però el senyal d'alta freqüència en la pèrdua de propagació de l'aire és gran, però també fàcil de ser 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 excel·lent portador 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 de fibra òptica s'ha convertit en la columna vertebral de la transmissió d'informació actual.
La comunicació òptica té una llarga trajectòria, la recerca i l'aplicació són molt extenses i madures, aquí no vol dir més.Aquest article introdueix 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 del camp de l'optoelectrònica com a portador per millorar i aconseguir el rendiment i l'aplicació que són difícils d'aconseguir amb els components electrònics tradicionals de microones.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, 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 presenta la primera part, la generació de senyal de microones.L'ona mil·limètrica tradicional de microones es genera principalment per components microelectrònics iii_V.Les seves limitacions tenen els següents punts: en primer lloc, a freqüències altes com 100 GHz anteriors, la microelectrònica tradicional pot produir cada vegada menys potència, a la freqüència més alta del senyal THz, no poden fer res.En segon lloc, per reduir el soroll de fase i millorar l'estabilitat de la 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 jugar un paper.A continuació es descriuen els principals mètodes.
1. Mitjançant la diferència de freqüència de dos senyals làser de freqüència diferents, s'utilitza un fotodetector d'alta freqüència per convertir els senyals de microones, tal com es mostra a la figura 1.
Figura 1. Esquema de les microones generades per la diferència de freqüència de doslàsers.
Els avantatges d'aquest mètode són l'estructura senzilla, pot generar ones mil·límetres 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 conversió de freqüència ràpida, freqüència d'escombrat.El desavantatge és que l'amplada de línia o el soroll de fase del senyal de freqüència de diferència generada per dos senyals làser no relacionats és relativament gran i l'estabilitat de la freqüència no és alta, especialment si hi ha un làser semiconductor amb un volum petit però una amplada de línia gran (~ MHz). utilitzat.Si els requisits de volum de pes del sistema no són alts, podeu 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 diferència de freqüència, de manera que es millora molt el rendiment de l'estabilitat de la freqüència de microones.
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 la fase de retroalimentació negativa circuit de bloqueig.La figura 2 mostra una aplicació típica de bloqueig per 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 igual espai de freqüència, 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 en mode.Qualsevol dos senyals de pinta de la pinta de freqüència òptica generada es seleccionen filtrant i s'injecten al làser 1 i 2, respectivament, per realitzar 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, de manera que la fase relativa entre els dos làsers és estable, i després pel mètode de freqüència de diferència tal com es descriu abans, el senyal de microones de freqüència múltiple del Es pot obtenir la velocitat de repetició del pentinat de freqüència òptica.
Figura 2. Esquema del senyal de duplicació de la freqüència de microones generat pel bloqueig de la freqüència d'injecció.
Una altra manera de reduir el soroll de fase relatiu dels dos làsers és utilitzar un PLL òptic de retroalimentació negativa, tal com es mostra a la figura 3.
Figura 3. Esquema 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 retorna a la unitat de control de freqüència d'un dels làsers (per als làsers semiconductors, és el corrent d'injecció).Mitjançant 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 es pot convertir 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 bloquejat 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 per altres fonts de senyal mitjançant la duplicació de freqüència, la freqüència del divisor o un altre processament de freqüència, de manera que el senyal de microones de freqüència inferior es pot duplicar o convertir en senyals RF, THz d'alta freqüència.
En comparació amb el bloqueig de la freqüència d'injecció, només es pot duplicar la 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 òptic de bloqueig de fase s'utilitza per bloquejar selectivament la freqüència dels dos làsers als dos senyals de pinta òptica i, a continuació, generar senyals d'alta freqüència a través de la freqüència de diferència, tal com es mostra a la figura 4. f1 i f2 són les freqüències del senyal de referència dels dos PLLS respectivament, i un senyal de microones de N*frep+f1+f2 es pot generar per la diferència de freqüència entre els dos làsers.
Figura 4. Diagrama esquemàtic de generació de freqüències arbitràries mitjançant pintes de freqüència òptica i PLLS.
3. Utilitzeu làser de pols bloquejat en mode per convertir el senyal de pols òptic en senyal de microonesfotodetector.
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.Bloquejant la freqüència del làser a un espectre de transició atòmic i molecular molt estable, o una cavitat òptica extremadament estable, i l'ús del canvi de freqüència del sistema d'eliminació de freqüència d'autodoblament i altres tecnologies, podem obtenir un senyal de pols òptic molt estable amb una freqüència de repetició molt estable, per tal d'obtenir un senyal de microones amb un soroll de fase ultra baix.Figura 5.
Figura 5. Comparació del soroll de fase relatiu de diferents fonts de senyal.
Tanmateix, com que la freqüència de repetició del pols és inversament proporcional a la longitud de la cavitat del làser i el làser tradicional bloquejat en mode 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 polsats tradicionals, així com els durs requisits ambientals, limiten les seves aplicacions principalment de laboratori.Per superar aquestes dificultats, la investigació ha començat recentment als Estats Units i Alemanya utilitzant efectes no lineals per generar pintes òptiques estables a la freqüència en cavitats òptiques en mode xirp 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. Esquema de l'oscil·lador acoblat fotoelèctric.
Un dels mètodes tradicionals de generació de microones o làsers és utilitzar un bucle tancat d'autofeedback, 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 gran sigui el factor de qualitat Q del bucle tancat, menor serà la fase del senyal generada o el soroll de freqüència.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 suportar 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 d'una sola freqüència.L'oscil·lador acoblat fotoelèctric és una font de senyal de microones basada en aquesta idea, fa un ús total de les característiques de baixa pèrdua de propagació de la fibra, utilitzant una fibra més llarga per millorar el valor Q del bucle, pot produir un senyal de microones amb un soroll de fase molt baix.Des que el mètode es va proposar a la dècada de 1990, aquest tipus d'oscil·lador ha rebut una investigació extensa 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 augmentarà significativament.A més, els components fotoelèctrics utilitzats són més, 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 és que el senyal òptic es pot distribuir a través de la fibra òptica amb pèrdues molt baixes, transmissió de llarga distància a cada terminal d'ús i després es converteix en senyals de microones i la capacitat de resistir electromagnètics. la interferència millora significativament que els components electrònics tradicionals.
L'escriptura d'aquest article és principalment de referència i, combinada amb l'experiència investigadora i l'experiència de l'autor en aquest camp, hi ha imprecisions i incomprensió.
Hora de publicació: 03-gen-2024