Optoelettronika microwave, kif jissuġġerixxi l-isem, hija l-intersezzjoni tal-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, iżda nistgħu niksbu applikazzjonijiet u karatteristiċi ġodda li huma diffiċli biex jiġu realizzati rispettivament.
Komunikazzjoni ottikahuwa eżempju ewlieni tal-kombinazzjoni ta 'microwave u fotoelettroni.Komunikazzjonijiet bikrija tat-telefon u tat-telegrafu mingħajr fili, il-ġenerazzjoni, il-propagazzjoni u r-riċeviment ta 'sinjali, kollha użati apparati microwave.Mewġ elettromanjetiku ta 'frekwenza baxxa jintużaw 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 trażmess, iktar ma tkun għolja l-frekwenza, aktar 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-trasmissjoni fuq distanza twila hija problema.L-emerġenza tal-komunikazzjoni tal-fibra ottika hija soluzzjoni tajba għal dawn il-problemi.Fibra ottikagħandu telf ta 'trasmissjoni baxx ħafna u huwa trasportatur eċċellenti għat-trażmissjoni ta' sinjali fuq distanzi twal.Il-firxa tal-frekwenza tal-mewġ tad-dawl hija ħafna akbar minn dik tal-microwave u tista 'tittrasmetti ħafna kanali differenti simultanjament.Minħabba dawn il-vantaġġi ta 'trasmissjoni ottika, il-komunikazzjoni tal-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, hawnhekk ma jfissirx aktar.Dan id-dokument prinċipalment jintroduċi l-kontenut ġdid ta 'riċerka tal-optoelectronics microwave f'dawn l-aħħar snin minbarra l-komunikazzjoni ottika.L-optoelettronika tal-microwave prinċipalment tuża l-metodi u t-teknoloġiji fil-qasam tal-optoelettronika bħala t-trasportatur biex ittejjeb u tikseb il-prestazzjoni u l-applikazzjoni li huma diffiċli biex jinkisbu b'komponenti elettroniċi microwave tradizzjonali.Mill-perspettiva tal-applikazzjoni, tinkludi prinċipalment it-tliet aspetti li ġejjin.
L-ewwel huwa l-użu tal-optoelectronics biex tiġġenera sinjali microwave ta 'prestazzjoni għolja u ta' storbju baxx, mill-banda X sat-triq kollha sal-medda THz.
It-tieni, l-ipproċessar tas-sinjal microwave.Inkluż dewmien, filtrazzjoni, konverżjoni tal-frekwenza, riċeviment u l-bqija.
It-tielet, it-trażmissjoni ta 'sinjali analogi.
F'dan l-artikolu, l-awtur jintroduċi biss l-ewwel parti, il-ġenerazzjoni ta 'sinjal microwave.Il-mewġ millimetru tal-microwave tradizzjonali huwa ġġenerat prinċipalment minn komponenti mikroelettroniċi iii_V.Il-limitazzjonijiet tagħha għandhom il-punti li ġejjin: L-ewwel, għal frekwenzi għoljin bħal 100GHz hawn fuq, mikroelettronika tradizzjonali tista 'tipproduċi inqas u inqas enerġija, għas-sinjal THz ta' frekwenza ogħla, ma jistgħu jagħmlu xejn.It-tieni nett, sabiex jitnaqqas il-ħoss tal-fażi u tittejjeb 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, jintuża photodetector ta 'frekwenza għolja biex jikkonverti sinjali microwave, kif muri fil-Figura 1.
Figura 1. Dijagramma skematika ta 'microwave ġġenerati mill-frekwenza tad-differenza ta' tnejnlejżers.
Il-vantaġġi ta 'dan il-metodu huma struttura sempliċi, jistgħu jiġġeneraw mewġ 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 mgħaġġla, frekwenza ta '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-laser mhux relatati huwa relattivament kbir, u l-istabbiltà tal-frekwenza mhix għolja, speċjalment jekk laser semikonduttur b'volum żgħir iżda wisa' ta 'linja kbira (~ MHz) huwa użati.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-laser jistgħu wkoll jintużaw biex jiġġeneraw frekwenza ta' differenza, sabiex il-prestazzjoni tal-istabbiltà tal-frekwenza tal-microwave titjieb ħafna.
2. Sabiex issolvi l-problema li ż-żewġ lejżers fil-metodu preċedenti huma inkoerenti u l-ħoss tal-fażi tas-sinjal iġġenerat huwa kbir wisq, il-koerenza bejn iż-żewġ lejżers tista 'tinkiseb bil-metodu ta' qfil tal-fażi ta 'qfil tal-frekwenza tal-injezzjoni jew il-fażi ta' feedback negattiv ċirkwit tal-qfil.Il-Figura 2 turi applikazzjoni tipika tal-illokkjar tal-injezzjoni biex tiġġenera multipli microwave (Figura 2).Billi tinjetta direttament 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 tal-frekwenza ottika.Naturalment, il-metodu użat b'mod komuni biex jinkiseb moxt ta 'frekwenza ottika ta' spettru wiesa 'huwa li tuża laser mode-locked.Kwalunkwe żewġ sinjali tal-moxt fil-moxt tal-frekwenza ottika ġenerata jintgħażlu billi jiġu ffiltrati u injettati fil-laser 1 u 2 rispettivament biex jiġu realizzati l-illokkjar tal-frekwenza u l-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 ta 'frekwenza tad-differenza kif deskritt qabel, is-sinjal tal-microwave tal-frekwenza multi-fold tal- rata ta 'repetizzjoni tal-moxt tal-frekwenza ottika tista' tinkiseb.
Figura 2. Dijagramma skematika tas-sinjal tal-irduppjar tal-frekwenza microwave iġġenerat mill-illokkjar tal-frekwenza tal-injezzjoni.
Mod ieħor biex jitnaqqas il-ħoss relattiv tal-fażi taż-żewġ lejżers huwa li tuża PLL ottiku ta '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 tal-fażi taż-żewġ lejżers hija kkonvertita f'sinjal elettriku minn photodetector (ekwivalenti għal ditekter tal-fażi), u mbagħad id-differenza tal-fażi bejn iż-żewġ lejżers tinkiseb billi ssir differenza fil-frekwenza b'sors ta 'sinjal microwave ta' referenza, li huwa amplifikat u ffiltrat u mbagħad mitmugħ lura lill-unità ta 'kontroll tal-frekwenza ta' wieħed mill-lejżers (għall-lejżers semikondutturi, huwa l-kurrent ta 'l-injezzjoni).Permezz ta 'ċirku ta' kontroll ta 'feedback negattiv bħal dan, il-fażi tal-frekwenza relattiva bejn iż-żewġ sinjali tal-lejżer hija msakkra għas-sinjal microwave ta' referenza.Is-sinjal ottiku kkombinat jista 'mbagħad jiġi trażmess permezz ta' fibri ottiċi għal fotodetector x'imkien ieħor u kkonvertit f'sinjal microwave.Il-ħoss tal-fażi li jirriżulta tas-sinjal tal-microwave huwa kważi l-istess bħal dak tas-sinjal ta 'referenza fi ħdan il-bandwidth tal-linja ta' feedback negattiv imsakkar fil-fażi.Il-ħoss tal-fażi barra mill-bandwidth huwa ugwali għall-ħoss tal-fażi relattiva taż-żewġ lejżers mhux relatati oriġinali.
Barra minn hekk, is-sors tas-sinjal microwave ta 'referenza jista' wkoll jiġi kkonvertit minn sorsi tas-sinjali oħra permezz ta 'irduppjar tal-frekwenza, frekwenza diviżur, jew proċessar ta' frekwenza oħra, sabiex is-sinjal microwave ta 'frekwenza aktar baxxa jkun jista' jiġi multidoubled, jew konvertit għal sinjali RF ta 'frekwenza għolja, THz.
Meta mqabbel ma 'l-illokkjar tal-frekwenza ta' l-injezzjoni jista 'jikseb biss l-irduppjar tal-frekwenza, loops fażi msakkra 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 ottika msakkra fil-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-sinjali ta' referenza taż-żewġ PLLS rispettivament, u sinjal microwave ta 'N * frep + f1 + f2 jista' jiġi ġġenerat mill-frekwenza tad-differenza bejn il- żewġ lejżers.
Figura 4. Dijagramma skematika tal-ġenerazzjoni ta 'frekwenzi arbitrarji bl-użu ta' pettnijiet ta 'frekwenza ottika u PLLS.
3. Uża lejżer tal-polz imsakkar bil-mod biex tikkonverti sinjal tal-polz ottiku f'sinjal microwave permezzfotodetector.
Il-vantaġġ ewlieni ta 'dan il-metodu huwa li jista' jinkiseb sinjal bi stabbiltà tal-frekwenza tajba ħafna u storbju tal-fażi baxx ħafna.Billi tissakkar il-frekwenza tal-lejżer għal spettru ta 'transizzjoni atomiku u molekulari stabbli ħafna, jew kavità ottika estremament stabbli, u l-użu ta' bidla fil-frekwenza tas-sistema ta 'eliminazzjoni tal-frekwenza li tirdoppja lilhom infushom u teknoloġiji oħra, nistgħu niksbu sinjal tal-polz ottiku stabbli ħafna b' frekwenza ta 'ripetizzjoni stabbli ħafna, sabiex tikseb sinjal microwave b'ħoss ta' fażi ultra-baxxa.Figura 5.
Figura 5. Tqabbil tal-ħoss tal-fażi relattiva ta 'sorsi tas-sinjali differenti.
Madankollu, minħabba li r-rata ta 'repetizzjoni tal-polz hija inversament proporzjonali għat-tul tal-kavità tal-lejżer, u l-laser tradizzjonali msakkra bil-mod huwa kbir, huwa diffiċli li jinkisbu sinjali microwave ta' frekwenza għolja direttament.Barra minn hekk, id-daqs, il-piż u l-konsum tal-enerġija tal-lasers pulsati tradizzjonali, kif ukoll ir-rekwiżiti ambjentali ħarxa, jillimitaw l-applikazzjonijiet prinċipalment tal-laboratorju tagħhom.Biex jingħelbu dawn id-diffikultajiet, reċentement bdiet ir-riċerka fl-Istati Uniti u l-Ġermanja bl-użu ta 'effetti mhux lineari biex jiġġeneraw pettnijiet ottiċi stabbli ta' frekwenza f'kavitajiet ottiċi żgħar ħafna, ta 'kwalità għolja, li min-naħa tagħhom jiġġeneraw sinjali microwave ta' frekwenza għolja ta 'ħoss baxx.
4. oxxillatur elettroniku opto, Figura 6.
Figura 6. Dijagramma skematika ta 'oxxillatur akkoppjat fotoelettriku.
Wieħed mill-metodi tradizzjonali ta 'ġenerazzjoni microwaves jew lejżers huwa li tuża ċirku magħluq awto-feedback, sakemm il-qligħ fil-linja magħluqa huwa akbar mit-telf, l-oxxillazzjoni awto-eċċitata tista' tipproduċi microwaves jew lejżers.Iktar ma jkun għoli l-fattur tal-kwalità Q tal-linja magħluqa, iżgħar tkun il-fażi tas-sinjal iġġenerat jew il-ħoss tal-frekwenza.Sabiex jiżdied il-fattur ta 'kwalità tal-linja, il-mod dirett huwa li żżid it-tul tal-linja u timminimizza t-telf tal-propagazzjoni.Madankollu, linja itwal normalment tista 'tappoġġja l-ġenerazzjoni ta' modi multipli ta 'oxxillazzjoni, u jekk jiżdied filtru ta' bandwidth dejjaq, jista 'jinkiseb sinjal ta' oxxillazzjoni microwave ta 'frekwenza waħda ta' ħoss baxx.Oxxillatur akkoppjat fotoelettriku huwa sors ta 'sinjal microwave bbażat fuq din l-idea, jagħmel użu sħiħ mill-karatteristiċi ta' telf ta 'propagazzjoni baxxa tal-fibra, bl-użu ta' fibra itwal biex itejjeb il-valur Q tal-linja, jista 'jipproduċi sinjal microwave b'ħoss ta' fażi baxx ħafna.Peress li l-metodu ġie propost fis-snin 90, 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 microwave bbażati fuq din l-arkitettura hija li l-linja hija twila, u l-istorbju fil-fluss ħieles tiegħu (FSR) u l-frekwenza doppja tiegħu se jiżdiedu 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 għal disturb ambjentali.
Dan t'hawn fuq jintroduċi fil-qosor diversi metodi ta 'ġenerazzjoni ta' fotoelettroni ta 'sinjali microwave, kif ukoll il-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom.Fl-aħħarnett, l-użu ta 'fotoelettroni biex jipproduċu microwave għandu vantaġġ ieħor huwa li s-sinjal ottiku jista' jitqassam permezz tal-fibra ottika b'telf baxx ħafna, trażmissjoni fuq distanza twila għal kull terminal ta 'użu u mbagħad ikkonvertit f'sinjali microwave, u l-abbiltà li tirreżisti elettromanjetika l-interferenza hija mtejba b'mod sinifikanti minn komponenti elettroniċi tradizzjonali.
Il-kitba ta 'dan l-artikolu hija prinċipalment għal referenza, u flimkien ma' l-esperjenza u l-esperjenza tar-riċerka ta 'l-awtur stess f'dan il-qasam, hemm ineżattezzi u nuqqas ta' komprensjoni, jekk jogħġbok tifhem.
Ħin tal-post: Jan-03-2024