Optoelettronika tal-Microwave, kif jissuġġerixxi l-isem, hija l-intersezzjoni ta 'microwave uOptoelettronika- Microwaves u mewġ tad-dawl huma mewġ elettromanjetiku, u l-frekwenzi huma ħafna ordnijiet ta 'kobor differenti, u l-komponenti u t-teknoloġiji żviluppati fl-oqsma rispettivi tagħhom huma differenti ħafna. Flimkien, nistgħu nieħdu vantaġġ minn xulxin, imma nistgħu nibdew applikazzjonijiet u karatteristiċi ġodda li huma diffiċli biex jiġu realizzati rispettivament.
Komunikazzjoni ottikahuwa eżempju ewlieni tal-kombinazzjoni ta 'microwaves u fotoelettroni. Komunikazzjonijiet bla fili tat-Telefon u Telegrafu, il-ġenerazzjoni, il-propagazzjoni u r-riċeviment ta 'sinjali, l-apparati kollha tal-majkrowejv użati. Mewġ elettromanjetiċi ta 'frekwenza baxxa jintużaw inizjalment minħabba li l-firxa tal-frekwenza hija żgħira u l-kapaċità tal-kanal għat-trasmissjoni hija żgħira. Is-soluzzjoni hija li tiżdied il-frekwenza tas-sinjal trasmess, iktar tkun għolja l-frekwenza, iktar ikunu r-riżorsi tal-ispettru. Iżda s-sinjal ta 'frekwenza għolja fit-telf ta' propagazzjoni ta 'l-arja huwa kbir, iżda wkoll faċli biex jiġi mblukkat minn ostakli. Jekk il-kejbil jintuża, it-telf tal-kejbil huwa kbir, u t-trasmissjoni fuq distanza twila hija problema. Il-ħolqien ta 'komunikazzjoni tal-fibra ottika hija soluzzjoni tajba għal dawn il-problemi.Fibra ottikagħandu telf ta 'trasmissjoni baxx ħafna u huwa trasportatur eċċellenti biex jittrasmetti sinjali fuq distanzi twal. Il-firxa tal-frekwenza ta 'mewġ tad-dawl hija ħafna akbar minn dik ta' microwaves u tista 'tittrasmetti ħafna kanali differenti fl-istess ħin. Minħabba dawn il-vantaġġi ta 'Trasmissjoni ottika, Il-komunikazzjoni tal-fibra ottika saret is-sinsla tat-trasmissjoni tal-informazzjoni tal-lum.
Il-komunikazzjoni ottika għandha storja twila, riċerka u applikazzjoni huma estensivi ħafna u maturi, hawn ma jfissrux aktar. Dan id-dokument jintroduċi prinċipalment il-kontenut ta 'riċerka l-ġdid ta' optoelectronics microwave f'dawn l-aħħar snin għajr komunikazzjoni ottika. L-optoelettronika tal-majkrowejv tuża prinċipalment il-metodi u t-teknoloġiji fil-qasam tal-optoelectronics bħala t-trasportatur biex itejjeb u jikseb il-prestazzjoni u l-applikazzjoni li huma diffiċli biex jinkisbu bil-komponenti elettroniċi tradizzjonali tal-majkrowejv. Mill-perspettiva tal-applikazzjoni, dan jinkludi prinċipalment it-tliet aspetti li ġejjin.
L-ewwel huwa l-użu ta 'optoelectronics biex tiġġenera sinjali ta' microwave ta 'prestazzjoni għolja u ta' storbju baxx, mill-faxxa X it-triq kollha sal-faxxa THz.
It-tieni, proċessar tas-sinjal tal-majkrowejv. Inkluż dewmien, filtrazzjoni, konverżjoni tal-frekwenza, riċeviment u l-bqija.
It-tielet, it-trasmissjoni ta 'sinjali analoġiċi.
F'dan l-artikolu, l-awtur jintroduċi biss l-ewwel parti, il-ġenerazzjoni ta 'sinjal tal-majkrowejv. Mewġa tradizzjonali tal-millimetru tal-majkrowejv hija ġġenerata prinċipalment minn komponenti mikroelettroniċi III_V. Il-limitazzjonijiet tagħha għandhom il-punti li ġejjin: L-ewwel, għal frekwenzi għoljin bħal 100GHz hawn fuq, il-mikroelettronika tradizzjonali tista 'tipproduċi inqas u inqas qawwa, għas-sinjal THz ta' frekwenza ogħla, ma jistgħu jagħmlu xejn. It-tieni, sabiex jitnaqqas il-ħoss tal-fażi u jtejjeb l-istabbiltà tal-frekwenza, l-apparat oriġinali jeħtieġ li jitqiegħed f'ambjent ta 'temperatura estremament baxxa. It-tielet, huwa diffiċli li tinkiseb firxa wiesgħa ta 'konverżjoni tal-frekwenza tal-modulazzjoni tal-frekwenza. Biex issolvi dawn il-problemi, it-teknoloġija optoelettronika jista 'jkollha rwol. Il-metodi ewlenin huma deskritti hawn taħt.
1. Permezz tal-frekwenza tad-differenza ta 'żewġ sinjali tal-lejżer ta' frekwenza differenti, fotodetettur ta 'frekwenza għolja jintuża biex jikkonverti sinjali tal-majkrowejv, kif muri fil-Figura 1.
Figura 1. Dijagramma skematika ta 'microwaves iġġenerata mill-frekwenza tad-differenza ta' tnejnlejżers.
Il-vantaġġi ta 'dan il-metodu huma struttura sempliċi, jistgħu jiġġeneraw mewġa ta' millimetru ta 'frekwenza estremament għolja u anke sinjal ta' frekwenza THz, u billi taġġusta l-frekwenza tal-lejżer tista 'twettaq firxa kbira ta' konverżjoni ta 'frekwenza veloċi, frekwenza tal-knis. L-iżvantaġġ huwa li l-wisa 'tal-linja jew il-ħoss tal-fażi tas-sinjal tal-frekwenza tad-differenza ġġenerat minn żewġ sinjali tal-lejżer mhux relatati huwa relattivament kbir, u l-istabbiltà tal-frekwenza mhix għolja, speċjalment jekk tintuża laser semikonduttur b'volum żgħir iżda huwa użat wisa' kbir (~ MHz). Jekk ir-rekwiżiti tal-volum tal-piż tas-sistema mhumiex għoljin, tista 'tuża lejżers ta' stat solidu ta 'ħoss baxx (~ kHz),LASERS TAL-FIBRU, kavità esternaLejżers tas-semikondutturi, eċċ Barra minn hekk, żewġ modi differenti ta 'sinjali tal-lejżer iġġenerati fl-istess kavità tal-lejżer jistgħu jintużaw ukoll biex tiġġenera frekwenza ta' differenza, sabiex il-prestazzjoni tal-istabbiltà tal-frekwenza tal-majkrowejv titjieb ħafna.
2. Sabiex tissolva l-problema li ż-żewġ lejżers fil-metodu ta 'qabel huma inkoerenti u l-istorbju tal-fażi tas-sinjal iġġenerat huwa kbir wisq, il-koerenza bejn iż-żewġ lejżers tista' tinkiseb bil-metodu ta 'qfil tal-fażi tal-illokkjar tal-frekwenza tal-injezzjoni jew iċ-ċirkwit tal-qfil tal-fażi ta' feedback negattiv. Il-Figura 2 turi applikazzjoni tipika tal-qfil tal-injezzjoni biex tiġġenera multipli tal-majkrowejv (Figura 2). Billi tinjetta direttament is-sinjali tal-kurrent ta 'frekwenza għolja f'laser semikonduttur, jew billi tuża modulatur tal-fażi LinBO3, jistgħu jiġu ġġenerati sinjali ottiċi multipli ta' frekwenzi differenti bi spazjar ta 'frekwenza ugwali, jew pettnijiet ta' frekwenza ottika. M’għandniex xi ngħidu, il-metodu użat komunement biex tinkiseb moxt ta ’frekwenza ottika ta’ spettru wiesa ’huwa li tuża laser imsakkar bil-mod. Kull żewġ sinjali tal-moxt fil-moxt tal-frekwenza ottika ġġenerata huma magħżula billi jiffiltraw u jiġu injettati fil-lejżer 1 u 2 rispettivament biex jiġu realizzati l-frekwenza u l-illokkjar tal-fażi rispettivament. Minħabba li l-fażi bejn is-sinjali tal-moxt differenti tal-moxt tal-frekwenza ottika hija relattivament stabbli, sabiex il-fażi relattiva bejn iż-żewġ lejżers hija stabbli, u mbagħad bil-metodu ta 'frekwenza tad-differenza kif deskritt qabel, tista' tinkiseb is-sinjal ta 'microwave ta' frekwenza b'ħafna darbiet tar-rata ta 'ripetizzjoni tal-moxt tal-frekwenza ottika.
Figura 2. Dijagramma skematika ta 'sinjal ta' rduppjar ta 'frekwenza ta' microwave iġġenerat mill-illokkjar tal-frekwenza ta 'l-injezzjoni.
Mod ieħor biex jitnaqqas il-ħoss relattiv tal-fażi taż-żewġ lejżers huwa li tuża rispons negattiv PLL ottiku, kif muri fil-Figura 3.
Figura 3. Dijagramma skematika ta 'OPL.
Il-prinċipju ta 'PLL ottiku huwa simili għal dak ta' PLL fil-qasam ta 'l-elettronika. Id-differenza fil-fażi taż-żewġ lejżers hija kkonvertita f'sinjal elettriku permezz ta 'fotodetettur (ekwivalenti għal ditekter tal-fażi), u mbagħad id-differenza tal-fażi bejn iż-żewġ lasers tinkiseb billi ssir frekwenza ta' differenza b'sors ta 'sinjal ta' microwave ta 'referenza, li huwa amplifikat u ffiltrat u mbagħad jiġi mitmugħ lura għall-unità ta' kontroll tal-frekwenza ta 'wieħed mill-lasers (għal lasers tas-semikondutturi, huwa l-kurrent ta' injezzjoni). Permezz ta 'tali linja ta' kontroll ta 'feedback negattiv, il-fażi ta' frekwenza relattiva bejn iż-żewġ sinjali tal-lejżer hija msakkra għas-sinjal ta 'referenza tal-majkrowejv. Is-sinjal ottiku magħqud jista 'mbagħad jiġi trasmess permezz ta' fibri ottiċi għal fotodetettur x'imkien ieħor u jinbidel f'sinjal tal-majkrowejv. Il-ħoss tal-fażi li jirriżulta tas-sinjal tal-majkrowejv huwa kważi l-istess bħal dak tas-sinjal ta 'referenza fil-wisa' tal-frekwenza tal-linja ta 'rispons negattiv imsakkar fil-fażi. Il-ħoss tal-fażi barra l-wisa 'tal-frekwenza huwa ugwali għall-istorbju tal-fażi relattiva taż-żewġ lasers oriġinali mhux relatati.
Barra minn hekk, is-sors tas-sinjal ta 'referenza tal-majkrowejv jista' wkoll jiġi kkonvertit minn sorsi oħra ta 'sinjal permezz ta' rduppjar ta 'frekwenza, frekwenza ta' divisor, jew proċessar ieħor ta 'frekwenza, sabiex is-sinjal ta' majkrowejv ta 'frekwenza baxxa jista' jkun multidobbli, jew ikkonvertit għal sinjali RF, THz ta 'frekwenza għolja.
Meta mqabbel mal-illokkjar tal-frekwenza tal-injezzjoni jista 'jikseb biss l-irduppjar tal-frekwenza, il-linji msakkra bil-fażi huma aktar flessibbli, jistgħu jipproduċu frekwenzi kważi arbitrarji, u ovvjament aktar kumplessi. Pereżempju, il-moxt tal-frekwenza ottika ġġenerat mill-modulatur fotoelettriku fil-Figura 2 jintuża bħala s-sors tad-dawl, u l-linja ottika li tissakkar il-fażi tintuża biex tissakkar b'mod selettiv il-frekwenza taż-żewġ lejżers għaż-żewġ sinjali tal-moxt ottiku, u mbagħad tiġġenera sinjali ta 'frekwenza għolja permezz tal-frekwenza tad-differenza, kif muri fil-Figura 4. F1 u F2 huma l-frekwenzi tas-sinjal ta' referenza ta 'żewġ PLL. N * FREP + F1 + F2 tista 'tiġi ġġenerata mill-frekwenza tad-differenza bejn iż-żewġ lejżers.
Figura 4. Dijagramma skematika tal-ġenerazzjoni ta 'frekwenzi arbitrarji bl-użu ta' pettnijiet ta 'frekwenza ottika u PLLs.
Il-vantaġġ ewlieni ta 'dan il-metodu huwa li sinjal bi stabbiltà ta' frekwenza tajba ħafna u ħoss ta 'fażi baxxa ħafna jista' jinkiseb. Billi tissakkar il-frekwenza tal-lejżer għal spettru ta 'transizzjoni atomika u molekulari stabbli ħafna, jew kavità ottika estremament stabbli, u l-użu ta' sistema ta 'frekwenza ta' eliminazzjoni ta 'frekwenza awto-doppja u teknoloġiji oħra, nistgħu nibdew sinjal ta' polz ottiku ħafna stabbli ħafna bi frekwenza ta 'ripetizzjoni stabbli ħafna bi storbju ta' microwave bi storbju ta 'microwave. Figura 5.
Figura 5. Tqabbil tal-istorbju tal-fażi relattiva ta 'sorsi ta' sinjal differenti.
Madankollu, minħabba li r-rata ta 'ripetizzjoni tal-polz hija inversament proporzjonali għat-tul tal-kavità tal-laser, u l-lejżer tradizzjonali li jinsaq bil-mod huwa kbir, huwa diffiċli li jinkisbu sinjali ta' microwave ta 'frekwenza għolja direttament. Barra minn hekk, id-daqs, il-piż u l-konsum tal-enerġija ta 'lejżers tal-pulsazzjonijiet tradizzjonali, kif ukoll ir-rekwiżiti ambjentali ħorox, jillimitaw l-applikazzjonijiet prinċipalment tal-laboratorju tagħhom. Biex tingħeleb dawn id-diffikultajiet, ir-riċerka bdiet reċentement fl-Istati Uniti u l-Ġermanja bl-użu ta 'effetti mhux lineari biex tiġġenera pettnijiet ottiċi stabbli tal-frekwenza f'kavitajiet ottiċi żgħar ħafna ta' kwalità għolja, li mbagħad jiġġeneraw sinjali ta 'microwave ta' frekwenza għolja.
4. Otto Oscillator Elettroniku, Figura 6.
Figura 6. Dijagramma skematika ta 'oxxillatur akkoppjat fotoelettriku.
Wieħed mill-metodi tradizzjonali tal-ġenerazzjoni ta 'microwaves jew lejżers huwa li tuża linja magħluqa ta' awto-feedback, sakemm il-gwadann fil-linja magħluqa jkun ikbar mit-telf, l-oxxillazzjoni awto-eċċitata tista 'tipproduċi microwaves jew lejżers. Aktar ma jkun għoli l-fattur Q tal-kwalità tal-linja magħluqa, iktar ikun żgħir il-fażi tas-sinjal iġġenerat jew il-ħoss tal-frekwenza. Sabiex jiżdied il-fattur ta 'kwalità tal-linja, il-mod dirett huwa li jiżdied it-tul tal-linja u jimminimizza t-telf ta' propagazzjoni. Madankollu, linja itwal normalment tista 'tappoġġja l-ġenerazzjoni ta' modi multipli ta 'oxxillazzjoni, u jekk jiġi miżjud filtru ta' bandwidth dejqa, sinjal ta 'oxxillazzjoni ta' frekwenza waħda ta 'frekwenza baxxa jista' jinkiseb. L-oxxillatur akkoppjat fotoelettriku huwa sors ta 'sinjal tal-majkrowejv ibbażat fuq din l-idea, jagħmel użu sħiħ mill-karatteristiċi ta' telf ta 'propagazzjoni baxxa tal-fibra, billi juża fibra itwal biex itejjeb il-valur Q Loop, jista' jipproduċi sinjal ta 'microwave bi ħoss ta' fażi baxxa ħafna. Peress li l-metodu ġie propost fis-snin disgħin, dan it-tip ta 'oxxillatur irċieva riċerka estensiva u żvilupp konsiderevoli, u bħalissa hemm oxxillaturi akkoppjati fotoelettriċi kummerċjali. Aktar reċentement, ġew żviluppati oxxillaturi fotoelettriċi li l-frekwenzi tagħhom jistgħu jiġu aġġustati fuq firxa wiesgħa. Il-problema ewlenija tas-sorsi tas-sinjal tal-majkrowejv ibbażati fuq din l-arkitettura hija li l-linja hija twila, u l-istorbju fil-fluss ħieles tiegħu (FSR) u l-frekwenza doppja tagħha se jiżdiedu b'mod sinifikanti. Barra minn hekk, il-komponenti fotoelettriċi użati huma aktar, l-ispiża hija għolja, il-volum huwa diffiċli biex titnaqqas, u l-fibra itwal hija aktar sensittiva għat-tfixkil ambjentali.
Dan t'hawn fuq fil-qosor jintroduċi diversi metodi ta 'ġenerazzjoni ta' fotoelettroni ta 'sinjali ta' microwave, kif ukoll il-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom. Fl-aħħarnett, l-użu ta 'fotoelettroni biex jipproduċi microwave għandu vantaġġ ieħor huwa li s-sinjal ottiku jista' jitqassam permezz tal-fibra ottika b'telf baxx ħafna, trasmissjoni ta 'distanza twila għal kull terminal ta' użu u mbagħad ikkonvertit f'sinjali ta 'microwave, u l-abbiltà li tirreżisti l-interferenza elettromanjetika hija mtejba b'mod sinifikanti mill-komponenti elettroniċi tradizzjonali.
Il-kitba ta 'dan l-artikolu hija prinċipalment għal referenza, u flimkien ma' l-esperjenza ta 'riċerka u l-esperjenza ta' l-awtur f'dan il-qasam, hemm ineżattezzi u inkomprensivi, jekk jogħġbok tifhem.
Ħin ta 'wara: Jan-03-2024