Optoelettronika tal-microwave, kif jissuġġerixxi l-isem, hija l-intersezzjoni tal-microwave uoptoelettronikaIl-microwaves u l-mewġ tad-dawl huma mewġ elettromanjetiku, u l-frekwenzi huma differenti b'ħafna ordnijiet ta' kobor, u l-komponenti u t-teknoloġiji żviluppati fl-oqsma rispettivi tagħhom huma differenti ħafna. Flimkien, nistgħu nieħdu vantaġġ minn xulxin, iżda nistgħu niksbu applikazzjonijiet u karatteristiċi ġodda li huma diffiċli biex jiġu realizzati rispettivament.
Komunikazzjoni ottikahuwa eżempju ewlieni tal-kombinazzjoni ta' microwaves u fotoelettroni. Il-komunikazzjonijiet mingħajr fili bikrija tat-telefon u t-telegrafu, il-ġenerazzjoni, il-propagazzjoni u r-riċeviment tas-sinjali, kollha użaw apparati microwave. Mewġ elettromanjetiku ta' frekwenza baxxa jintuża inizjalment minħabba li l-firxa tal-frekwenza hija żgħira u l-kapaċità tal-kanal għat-trażmissjoni hija żgħira. Is-soluzzjoni hija li tiżdied il-frekwenza tas-sinjal trasmess, iktar ma tkun għolja l-frekwenza, iktar ikun hemm riżorsi tal-ispettru. Iżda s-sinjal ta' frekwenza għolja fit-telf tal-propagazzjoni tal-arja huwa kbir, iżda wkoll faċli biex jiġi mblukkat minn ostakli. Jekk jintuża l-kejbil, it-telf tal-kejbil huwa kbir, u t-trażmissjoni fuq distanzi twal hija problema. Il-feġġ tal-komunikazzjoni bil-fibra ottika hija soluzzjoni tajba għal dawn il-problemi.fibra ottikagħandu telf ta' trasmissjoni baxx ħafna u huwa trasportatur eċċellenti għat-trasmissjoni ta' sinjali fuq distanzi twal. Il-firxa ta' frekwenza tal-mewġ tad-dawl hija ħafna akbar minn dik tal-microwaves u tista' tittrażmetti ħafna kanali differenti simultanjament. Minħabba dawn il-vantaġġi ta'trasmissjoni ottika, il-komunikazzjoni bil-fibra ottika saret is-sinsla tat-trażmissjoni tal-informazzjoni tal-lum.
Il-komunikazzjoni ottika għandha storja twila, ir-riċerka u l-applikazzjoni huma estensivi ħafna u maturi, m'hemmx għalfejn ngħidu aktar. Dan id-dokument jintroduċi prinċipalment il-kontenut ġdid ta' riċerka tal-optoelettronika tal-microwave fis-snin riċenti għajr il-komunikazzjoni ottika. L-optoelettronika tal-microwave tuża prinċipalment il-metodi u t-teknoloġiji fil-qasam tal-optoelettronika bħala trasportatur biex ittejjeb u tikseb il-prestazzjoni u l-applikazzjoni li huma diffiċli biex jinkisbu bil-komponenti elettroniċi tradizzjonali tal-microwave. Mill-perspettiva tal-applikazzjoni, tinkludi prinċipalment it-tliet aspetti li ġejjin.
L-ewwel waħda hija l-użu tal-optoelettronika biex tiġġenera sinjali tal-microwave ta' prestazzjoni għolja u b'ħoss baxx, mill-medda X sal-medda THz.
It-tieni, l-ipproċessar tas-sinjal tal-microwave. Inkluż dewmien, iffiltrar, konverżjoni tal-frekwenza, riċeviment u oħrajn.
It-tielet, it-trażmissjoni ta' sinjali analogi.
F'dan l-artikolu, l-awtur jintroduċi biss l-ewwel parti, il-ġenerazzjoni tas-sinjal tal-microwave. Il-mewġa millimetrika tal-microwave tradizzjonali hija ġġenerata prinċipalment minn komponenti mikroelettroniċi iii_V. Il-limitazzjonijiet tagħha għandhom il-punti li ġejjin: L-ewwel, għal frekwenzi għoljin bħal 100GHz 'il fuq, il-mikroelettronika tradizzjonali tista' tipproduċi inqas u inqas enerġija, għas-sinjal THz ta' frekwenza ogħla, ma jistgħu jagħmlu xejn. It-tieni, sabiex jitnaqqas l-istorbju tal-fażi u titjieb 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 tista' tilgħab rwol. Il-metodi ewlenin huma deskritti hawn taħt.
1. Permezz tad-differenza fil-frekwenza ta' żewġ sinjali tal-lejżer ta' frekwenza differenti, jintuża fotoditekter ta' frekwenza għolja biex jikkonverti s-sinjali tal-microwave, kif muri fil-Figura 1.
Figura 1. Dijagramma skematika tal-microwaves iġġenerati mid-differenza fil-frekwenza ta' żewġlejżers.
Il-vantaġġi ta' dan il-metodu huma struttura sempliċi, jista' jiġġenera mewġa millimetrika ta' frekwenza għolja ħafna u anke sinjal ta' frekwenza THz, u billi jaġġusta l-frekwenza tal-lejżer jista' jwettaq firxa kbira ta' konverżjoni ta' frekwenza mgħaġġla, frekwenza ta' knis. L-iżvantaġġ huwa li l-wisa' tal-linja jew l-istorbju tal-fażi tas-sinjal ta' differenza fil-frekwenza ġġenerat minn żewġ sinjali tal-lejżer mhux relatati huwa relattivament kbir, u l-istabbiltà tal-frekwenza mhix għolja, speċjalment jekk jintuża lejżer semikonduttur b'volum żgħir iżda wisa' tal-linja kbira (~MHz). Jekk ir-rekwiżiti tal-volum tal-piż tas-sistema mhumiex għoljin, tista' tuża lejżers ta' stat solidu b'ħoss baxx (~kHz).lejżers tal-fibra, kavità esternalejżers semikondutturi, eċċ. Barra minn hekk, żewġ modi differenti ta' sinjali tal-lejżer iġġenerati fl-istess kavità tal-lejżer jistgħu jintużaw ukoll biex jiġġeneraw frekwenza ta' differenza, sabiex il-prestazzjoni tal-istabbiltà tal-frekwenza tal-microwave titjieb ħafna.
2. Sabiex tissolva l-problema li ż-żewġ lejżers fil-metodu preċedenti mhumiex koerenti u l-istorbju tal-fażi tas-sinjal iġġenerat huwa kbir wisq, il-koerenza bejn iż-żewġ lejżers tista' tinkiseb permezz tal-metodu ta' qfil tal-fażi tal-qfil tal-frekwenza tal-injezzjoni jew iċ-ċirkwit ta' qfil tal-fażi ta' feedback negattiv. Il-Figura 2 turi applikazzjoni tipika tal-qfil tal-injezzjoni biex tiġġenera multipli tal-microwave (Figura 2). Billi tinjetta direttament sinjali ta' kurrent ta' frekwenza għolja f'lejżer semikonduttur, jew billi tuża modulatur tal-fażi LinBO3, jistgħu jiġu ġġenerati sinjali ottiċi multipli ta' frekwenzi differenti bi spazjar tal-frekwenza ugwali, jew moxt tal-frekwenza ottika. Naturalment, il-metodu komunement użat biex jinkiseb moxt tal-frekwenza ottika ta' spettru wiesa' huwa li tuża lejżer imsakkar fil-modalità. Kwalunkwe żewġ sinjali tal-moxt fil-moxt tal-frekwenza ottika ġġenerat jintgħażlu permezz ta' filtrazzjoni u jiġu injettati fil-lejżer 1 u 2 rispettivament biex jinkiseb qfil tal-frekwenza u tal-fażi rispettivament. Minħabba li l-fażi bejn is-sinjali differenti tal-moxt tal-moxt tal-frekwenza ottika hija relattivament stabbli, sabiex il-fażi relattiva bejn iż-żewġ lejżers tkun stabbli, u mbagħad bil-metodu tad-differenza fil-frekwenza kif deskritt qabel, jista' jinkiseb is-sinjal tal-microwave ta' frekwenza multipla tar-rata ta' ripetizzjoni tal-moxt tal-frekwenza ottika.
Figura 2. Dijagramma skematika tas-sinjal tad-doppju tal-frekwenza tal-microwave iġġenerat mill-illokkjar tal-frekwenza tal-injezzjoni.
Mod ieħor biex jitnaqqas l-istorbju relattiv tal-fażi taż-żewġ lejżers huwa li jintuża PLL ottiku b'rispons negattiv, kif muri fil-Figura 3.
Figura 3. Dijagramma skematika tal-OPL.
Il-prinċipju tal-PLL ottiku huwa simili għal dak tal-PLL fil-qasam tal-elettronika. Id-differenza fil-fażi taż-żewġ lejżers hija kkonvertita f'sinjal elettriku permezz ta' fotoditekter (ekwivalenti għal ditekter tal-fażi), u mbagħad id-differenza fil-fażi bejn iż-żewġ lejżers tinkiseb billi ssir differenza fil-frekwenza ma' sors ta' sinjal tal-microwave ta' referenza, li jiġi amplifikat u ffiltrat u mbagħad mitmugħ lura lill-unità tal-kontroll tal-frekwenza ta' wieħed mil-lejżers (għal-lejżers semikondutturi, huwa l-kurrent tal-injezzjoni). Permezz ta' tali linja ta' kontroll ta' feedback negattiv, il-fażi relattiva tal-frekwenza bejn iż-żewġ sinjali tal-lejżer hija msakkra mas-sinjal tal-microwave ta' referenza. Is-sinjal ottiku kkombinat jista' mbagħad jiġi trasmess permezz ta' fibri ottiċi lil fotoditekter x'imkien ieħor u kkonvertit f'sinjal tal-microwave. L-istorbju tal-fażi li jirriżulta tas-sinjal tal-microwave huwa kważi l-istess bħal dak tas-sinjal ta' referenza fil-bandwidth tal-linja ta' feedback negattiva msakkra bil-fażi. L-istorbju tal-fażi barra l-bandwidth huwa ugwali għall-istorbju tal-fażi relattiva taż-żewġ lejżers oriġinali mhux relatati.
Barra minn hekk, is-sors tas-sinjal tal-microwave ta' referenza jista' wkoll jiġi kkonvertit minn sorsi oħra ta' sinjali permezz tad-doppju tal-frekwenza, il-frekwenza tad-diviżur, jew ipproċessar ieħor tal-frekwenza, sabiex is-sinjal tal-microwave ta' frekwenza aktar baxxa jkun jista' jiġi multiduplikat, jew konvertit għal sinjali RF, THz ta' frekwenza għolja.
Meta mqabbel mal-illokkjar tal-frekwenza tal-injezzjoni jista' biss jinkiseb irduppjar tal-frekwenza, il-linji msakkra bil-fażi huma aktar flessibbli, jistgħu jipproduċu frekwenzi kważi arbitrarji, u naturalment aktar kumplessi. Pereżempju, il-moxt tal-frekwenza ottika ġġenerat mill-modulatur fotoelettriku fil-Figura 2 jintuża bħala s-sors tad-dawl, u l-linja msakkra bil-fażi ottika 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 tad-differenza fil-frekwenza, kif muri fil-Figura 4. f1 u f2 huma l-frekwenzi tas-sinjali ta' referenza taż-żewġ PLLS rispettivament, u sinjal tal-microwave ta' N*frep+f1+f2 jista' jiġi ġġenerat mid-differenza fil-frekwenza bejn iż-żewġ lejżers.
Figura 4. Dijagramma skematika tal-ġenerazzjoni ta' frekwenzi arbitrarji bl-użu ta' moxtijiet ta' frekwenza ottika u PLLS.
3. Uża lejżer tal-polz imsakkar fil-modalità biex tikkonverti s-sinjal tal-polz ottiku f'sinjal tal-microwave permezz ta'fotoditekter.
Il-vantaġġ ewlieni ta' dan il-metodu huwa li jista' jinkiseb sinjal bi stabbiltà ta' frekwenza tajba ħafna u storbju ta' fażi baxx ħafna. Billi nissakkru l-frekwenza tal-lejżer għal spettru ta' transizzjoni atomika u molekulari stabbli ħafna, jew kavità ottika estremament stabbli, u l-użu ta' sistema ta' eliminazzjoni tal-frekwenza li tirdoppja lilha nnifisha u teknoloġiji oħra, nistgħu niksbu sinjal ta' impuls ottiku stabbli ħafna bi frekwenza ta' ripetizzjoni stabbli ħafna, sabiex niksbu sinjal ta' microwave bi storbju ta' fażi ultra-baxx. Figura 5.
Figura 5. Paragun tal-istorbju relattiv tal-fażi ta' sorsi ta' sinjali differenti.
Madankollu, minħabba li r-rata ta' ripetizzjoni tal-impuls hija inversament proporzjonali għat-tul tal-kavità tal-lejżer, u l-lejżer tradizzjonali bil-modalità msakkra huwa kbir, huwa diffiċli li jinkisbu sinjali tal-microwave ta' frekwenza għolja direttament. Barra minn hekk, id-daqs, il-piż u l-konsum tal-enerġija tal-lejżers pulsati tradizzjonali, kif ukoll ir-rekwiżiti ambjentali ħorox, jillimitaw l-applikazzjonijiet tagħhom prinċipalment fil-laboratorju. Biex jingħelbu dawn id-diffikultajiet, ir-riċerka bdiet reċentement fl-Istati Uniti u l-Ġermanja bl-użu ta' effetti mhux lineari biex jiġġeneraw moxt ottiċi stabbli fil-frekwenza f'kavitajiet ottiċi żgħar ħafna u ta' kwalità għolja fil-modalità chirp, li min-naħa tagħhom jiġġeneraw sinjali tal-microwave ta' frekwenza għolja u storbju baxx.
4. oxxillatur optoelettroniku, Figura 6.
Figura 6. Dijagramma skematika ta' oxxillatur akkoppjat fotoelettriku.
Wieħed mill-metodi tradizzjonali tal-ġenerazzjoni ta' microwaves jew lejżers huwa l-użu ta' linja magħluqa b'awto-feedback, sakemm il-qligħ fil-linja magħluqa jkun akbar mit-telf, l-oxxillazzjoni awto-eċċitata tista' tipproduċi microwaves jew lejżers. Iktar ma jkun għoli l-fattur ta' kwalità Q tal-linja magħluqa, iżgħar ikun il-fażi tas-sinjal jew l-istorbju tal-frekwenza ġġenerat. Sabiex jiżdied il-fattur ta' kwalità tal-linja, il-mod dirett huwa li tiżdied it-tul tal-linja u jitnaqqas it-telf tal-propagazzjoni. Madankollu, linja itwal ġeneralment tista' tappoġġja l-ġenerazzjoni ta' modi multipli ta' oxxillazzjoni, u jekk jiżdied filtru ta' bandwidth dejqa, jista' jinkiseb sinjal ta' oxxillazzjoni microwave b'ħoss baxx ta' frekwenza waħda. L-oxxillatur akkoppjat fotoelettriku huwa sors ta' sinjal microwave bbażat fuq din l-idea, jagħmel użu sħiħ mill-karatteristiċi ta' telf ta' propagazzjoni baxx tal-fibra, bl-użu ta' fibra itwal biex itejjeb il-valur Q tal-linja, jista' jipproduċi sinjal microwave b'ħoss ta' fażi baxx ħafna. Minn meta 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-sinjali tal-microwave bbażati fuq din l-arkitettura hija li l-linja hija twila, u l-istorbju fil-fluss liberu tagħha (FSR) u l-frekwenza doppja tagħha se jiżdied b'mod sinifikanti. Barra minn hekk, il-komponenti fotoelettriċi użati huma aktar, l-ispiża hija għolja, il-volum huwa diffiċli biex jitnaqqas, u l-fibra itwal hija aktar sensittiva għat-tfixkil ambjentali.
Dan ta' hawn fuq jintroduċi fil-qosor diversi metodi ta' ġenerazzjoni ta' fotoelettroni ta' sinjali tal-microwave, kif ukoll il-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom. Fl-aħħar nett, l-użu ta' fotoelettroni biex jipproduċu microwave għandu vantaġġ ieħor, jiġifieri li s-sinjal ottiku jista' jiġi distribwit permezz tal-fibra ottika b'telf baxx ħafna, trasmissjoni fuq distanza twila lil kull terminal tal-użu u mbagħad konvertit f'sinjali tal-microwave, u l-abbiltà li tirreżisti l-interferenza elettromanjetika hija mtejba b'mod sinifikanti mill-komponenti elettroniċi tradizzjonali.
Il-kitba ta' dan l-artiklu hija prinċipalment għal referenza, u flimkien mal-esperjenza ta' riċerka u l-esperjenza tal-awtur stess f'dan il-qasam, hemm ineżattezzi u nuqqas ta' ftehim, jekk jogħġbok tifhem.
Ħin tal-posta: 03 ta' Jannar 2024