Microgolfopto-elektronicais, zoals de naam al doet vermoeden, het snijpunt van microgolven enopto-elektronicaMicrogolven en lichtgolven zijn elektromagnetische golven, waarvan de frequenties vele ordes van grootte verschillen, en de componenten en technologieën die in hun respectievelijke vakgebieden worden ontwikkeld, zijn zeer verschillend. Door ze te combineren kunnen we van elkaar profiteren, maar we kunnen nieuwe toepassingen en eigenschappen creëren die respectievelijk moeilijk te realiseren zijn.
Optische communicatieis een goed voorbeeld van de combinatie van microgolven en foto-elektronen. Vroege draadloze telefoon- en telegraafcommunicatie, het genereren, verspreiden en ontvangen van signalen, maakten allemaal gebruik van microgolfapparatuur. Laagfrequente elektromagnetische golven worden aanvankelijk gebruikt omdat het frequentiebereik klein is en de kanaalcapaciteit voor transmissie beperkt. De oplossing is om de frequentie van het verzonden signaal te verhogen: hoe hoger de frequentie, hoe meer spectrumbronnen. Maar het voortplantingsverlies van hoogfrequente signalen in de lucht is groot en kan ook gemakkelijk worden geblokkeerd door obstakels. Bij gebruik van een kabel is het kabelverlies groot en vormt transmissie over lange afstanden een probleem. De opkomst van glasvezelcommunicatie is een goede oplossing voor deze problemen.Optische vezelheeft een zeer laag transmissieverlies en is een uitstekende drager voor het overbrengen van signalen over lange afstanden. Het frequentiebereik van lichtgolven is veel groter dan dat van microgolven en kan veel verschillende kanalen tegelijkertijd verzenden. Vanwege deze voordelen vanoptische transmissieGlasvezelcommunicatie is de ruggengraat van de hedendaagse informatieoverdracht geworden.
Optische communicatie kent een lange geschiedenis; onderzoek en toepassing zijn zeer uitgebreid en volwassen, maar daar wil ik verder niets over zeggen. Dit artikel introduceert voornamelijk de nieuwe onderzoeksinhoud van microgolfopto-elektronica van de afgelopen jaren, afgezien van optische communicatie. Microgolfopto-elektronica maakt voornamelijk gebruik van methoden en technologieën binnen de opto-elektronica als drager om de prestaties en toepassingen te verbeteren en te realiseren die moeilijk te bereiken zijn met traditionele elektronische microgolfcomponenten. Vanuit het perspectief van toepassing omvat het voornamelijk de volgende drie aspecten.
De eerste is het gebruik van opto-elektronica om microgolfsignalen met hoge prestaties en weinig ruis te genereren, van de X-band tot de THz-band.
Ten tweede, microgolfsignaalverwerking. Inclusief vertraging, filtering, frequentieomzetting, ontvangst, enzovoort.
Ten derde, de transmissie van analoge signalen.
In dit artikel introduceert de auteur alleen het eerste deel, de generatie van microgolfsignalen. Traditionele microgolf-millimetergolven worden voornamelijk gegenereerd door iii_V micro-elektronische componenten. De beperkingen hiervan zijn de volgende: Ten eerste kunnen traditionele micro-elektronica steeds minder vermogen produceren bij hoge frequenties, zoals 100 GHz en hoger, en bij hogere THz-frequenties doen ze helemaal niets. Ten tweede moet het originele apparaat in een omgeving met extreem lage temperaturen worden geplaatst om faseruis te verminderen en de frequentiestabiliteit te verbeteren. Ten derde is het moeilijk om een breed scala aan frequentiemodulatie en frequentieomzetting te bereiken. Om deze problemen op te lossen, kan opto-elektronische technologie een rol spelen. De belangrijkste methoden worden hieronder beschreven.
1. Met behulp van het frequentieverschil van twee lasersignalen met verschillende frequenties worden hoogfrequente fotodetectors gebruikt om microgolfsignalen om te zetten, zoals weergegeven in Figuur 1.
Figuur 1. Schematisch diagram van microgolven die worden gegenereerd door het frequentieverschil van tweelasers.
De voordelen van deze methode zijn de eenvoudige structuur, de mogelijkheid om extreem hoogfrequente millimetergolven en zelfs THz-frequentiesignalen te genereren, en door de frequentie van de laser aan te passen, kan een groot bereik aan snelle frequentieomzetting en sweepfrequentie worden uitgevoerd. Het nadeel is dat de lijnbreedte of faseruis van het verschilfrequentiesignaal dat wordt gegenereerd door twee niet-gerelateerde lasersignalen relatief groot is en de frequentiestabiliteit niet hoog is, vooral bij gebruik van een halfgeleiderlaser met een klein volume maar een grote lijnbreedte (~MHz). Als de systeemvereisten voor het gewicht en volume niet hoog zijn, kunt u vastestoflasers met een lage ruis (~kHz) gebruiken.vezellasers, externe holtehalfgeleiderlasers, enz. Bovendien kunnen twee verschillende modi van lasersignalen die in dezelfde laserholte worden gegenereerd, ook worden gebruikt om een verschilfrequentie te genereren, zodat de stabiliteit van de microgolffrequentie aanzienlijk wordt verbeterd.
2. Om het probleem op te lossen dat de twee lasers in de vorige methode incoherent zijn en de gegenereerde signaalfaseruis te groot is, kan de coherentie tussen de twee lasers worden verkregen door de fasevergrendelingsmethode met injectiefrequentievergrendeling of het fasevergrendelingscircuit met negatieve feedback. Figuur 2 toont een typische toepassing van injectievergrendeling voor het genereren van microgolfmultipels (Figuur 2). Door direct hoogfrequente stroomsignalen in een halfgeleiderlaser te injecteren, of door een LinBO3-fasemodulator te gebruiken, kunnen meerdere optische signalen met verschillende frequenties en gelijke frequentieafstand worden gegenereerd, oftewel optische frequentiekammen. De meest gebruikte methode om een breedspectrum optische frequentiekam te verkrijgen, is natuurlijk het gebruik van een laser met modusvergrendeling. Twee kamsignalen in de gegenereerde optische frequentiekam worden door middel van filtering geselecteerd en respectievelijk in laser 1 en 2 geïnjecteerd om frequentie- en fasevergrendeling te realiseren. Omdat de fase tussen de verschillende kamsignalen van de optische frequentiekam relatief stabiel is, is de relatieve fase tussen de twee lasers ook stabiel. Vervolgens kan door middel van de methode van verschilfrequentie zoals eerder beschreven een veelvoudig microgolfsignaal met een frequentie van de optische frequentiekam herhalingsfrequentie worden verkregen.
Figuur 2. Schematisch diagram van het microgolffrequentieverdubbelingssignaal dat wordt gegenereerd door injectiefrequentievergrendeling.
Een andere manier om de relatieve faseruis van de twee lasers te verminderen, is door gebruik te maken van een optische PLL met negatieve feedback, zoals weergegeven in Afbeelding 3.
Figuur 3. Schematisch diagram van OPL.
Het principe van optische PLL is vergelijkbaar met dat van PLL in de elektronica. Het faseverschil van de twee lasers wordt door een fotodetector (equivalent aan een fasedetector) omgezet in een elektrisch signaal. Vervolgens wordt het faseverschil tussen de twee lasers verkregen door een verschilfrequentie te creëren met een referentiemicrogolfsignaalbron. Deze wordt versterkt en gefilterd en vervolgens teruggevoerd naar de frequentieregeleenheid van een van de lasers (bij halfgeleiderlasers is dit de injectiestroom). Door een dergelijke negatieve terugkoppelingslus wordt de relatieve frequentiefase tussen de twee lasersignalen gekoppeld aan het referentiemicrogolfsignaal. Het gecombineerde optische signaal kan vervolgens via optische vezels naar een fotodetector elders worden gestuurd en worden omgezet in een microgolfsignaal. De resulterende faseruis van het microgolfsignaal is vrijwel gelijk aan die van het referentiesignaal binnen de bandbreedte van de fasegekoppelde negatieve terugkoppelingslus. De faseruis buiten de bandbreedte is gelijk aan de relatieve faseruis van de oorspronkelijke twee niet-gerelateerde lasers.
Bovendien kan de referentiemicrogolfsignaalbron ook worden omgezet door andere signaalbronnen via frequentieverdubbeling, delingsfrequentie of andere frequentieverwerking, zodat het microgolfsignaal met een lagere frequentie kan worden vermenigvuldigd of omgezet in hoogfrequente RF-, THz-signalen.
Vergeleken met injectie kan frequentievergrendeling alleen frequentieverdubbeling bewerkstelligen, terwijl fasevergrendelde lussen flexibeler zijn, bijna willekeurige frequenties kunnen produceren en natuurlijk complexer zijn. Zo wordt de optische frequentiekam die gegenereerd wordt door de foto-elektrische modulator in Figuur 2 gebruikt als lichtbron. De optische fasevergrendelde lus wordt gebruikt om de frequentie van de twee lasers selectief te vergrendelen op de signalen van de twee optische kammen, en vervolgens hoogfrequente signalen te genereren via de verschilfrequentie, zoals weergegeven in Figuur 4. f1 en f2 zijn respectievelijk de referentiesignaalfrequenties van de twee PLLS, en een microgolfsignaal van N*frep+f1+f2 kan gegenereerd worden door de verschilfrequentie tussen de twee lasers.
Figuur 4. Schematisch diagram van het genereren van willekeurige frequenties met behulp van optische frequentiekammen en PLLS.
3. Gebruik een mode-locked pulslaser om een optisch pulssignaal om te zetten in een microgolfsignaal viafotodetector.
Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat een signaal met een zeer goede frequentiestabiliteit en zeer lage faseruis kan worden verkregen. Door de laserfrequentie te vergrendelen op een zeer stabiel atomair en moleculair overgangsspectrum, of een extreem stabiele optische holte, en door gebruik te maken van frequentieverschuivingstechnologieën met zelfverdubbeling en frequentie-eliminatie, kunnen we een zeer stabiel optisch pulssignaal met een zeer stabiele herhalingsfrequentie verkrijgen, wat resulteert in een microgolfsignaal met extreem lage faseruis. Figuur 5.
Figuur 5. Vergelijking van relatieve faseruis van verschillende signaalbronnen.
Omdat de pulsherhalingsfrequentie echter omgekeerd evenredig is met de lengte van de holte van de laser, en de traditionele mode-locked laser groot is, is het moeilijk om hoogfrequente microgolfsignalen direct te verkrijgen. Bovendien beperken de afmetingen, het gewicht en het energieverbruik van traditionele gepulste lasers, evenals de strenge omgevingseisen, hun voornamelijk laboratoriumtoepassingen. Om deze moeilijkheden te overwinnen, is recentelijk in de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek gestart met behulp van niet-lineaire effecten om frequentiestabiele optische kammen te genereren in zeer kleine, hoogwaardige chirp-mode optische holtes, die op hun beurt hoogfrequente, ruisarme microgolfsignalen genereren.
4. opto-elektronische oscillator, figuur 6.
Figuur 6. Schematisch diagram van een foto-elektrisch gekoppelde oscillator.
Een van de traditionele methoden voor het genereren van microgolven of lasers is het gebruik van een gesloten lus met zelffeedback. Zolang de versterking in de gesloten lus groter is dan het verlies, kan de zelfgeëxciteerde oscillatie microgolven of lasers produceren. Hoe hoger de kwaliteitsfactor Q van de gesloten lus, hoe kleiner de gegenereerde signaalfase- of frequentieruis. Om de kwaliteitsfactor van de lus te verhogen, is de directe manier om de luslengte te vergroten en het voortplantingsverlies te minimaliseren. Een langere lus kan echter meestal de generatie van meerdere oscillatiemodi ondersteunen, en als een smalbandfilter wordt toegevoegd, kan een microgolfoscillatorsignaal met een lage ruisfrequentie op één frequentie worden verkregen. Een foto-elektrisch gekoppelde oscillator is een microgolfsignaalbron die op dit idee is gebaseerd. Deze maakt volledig gebruik van de lage voortplantingsverlieskarakteristieken van de vezel. Door een langere vezel te gebruiken om de Q-waarde van de lus te verbeteren, kan een microgolfsignaal met zeer lage faseruis worden geproduceerd. Sinds de methode in de jaren negentig werd voorgesteld, is dit type oscillator uitgebreid onderzocht en ontwikkeld en zijn er momenteel commerciële foto-elektrisch gekoppelde oscillatoren. Recenter zijn foto-elektrische oscillatoren ontwikkeld waarvan de frequenties over een breed bereik kunnen worden aangepast. Het grootste probleem van microgolfsignaalbronnen op basis van deze architectuur is dat de lus lang is en de ruis in de vrije doorstroming (FSR) en de dubbele frequentie aanzienlijk toeneemt. Bovendien worden er meer foto-elektrische componenten gebruikt, zijn de kosten hoog, is het volume moeilijk te verkleinen en is de langere vezel gevoeliger voor omgevingsinvloeden.
Bovenstaande beschrijft kort verschillende methoden voor het genereren van microgolfsignalen met behulp van foto-elektronen, evenals hun voor- en nadelen. Tot slot heeft het gebruik van foto-elektronen voor de productie van microgolven nog een voordeel: het optische signaal kan met zeer weinig verlies en over lange afstanden via de glasvezel naar elke gebruikte aansluiting worden gedistribueerd en vervolgens worden omgezet in microgolfsignalen. Bovendien is de weerstand tegen elektromagnetische interferentie aanzienlijk verbeterd ten opzichte van traditionele elektronische componenten.
Dit artikel is hoofdzakelijk bedoeld als referentie. Als we dit combineren met de eigen onderzoekservaring en ervaring van de auteur op dit gebied, kunnen er onnauwkeurigheden en onvolledigheden voorkomen. Wij vragen om uw begrip hiervoor.
Plaatsingstijd: 03-01-2024