Microgolf-opto-elektronica, zoals de naam al doet vermoeden, is de kruising van magnetron enopto-elektronica. Microgolven en lichtgolven zijn elektromagnetische golven, en de frequenties zijn vele ordes van grootte verschillend, en de componenten en technologieën die op hun respectieve terreinen zijn ontwikkeld, zijn zeer verschillend. In combinatie kunnen we van elkaar profiteren, maar kunnen we nieuwe toepassingen en kenmerken krijgen 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, allemaal gebruikte microgolfapparaten. Elektromagnetische golven met een lage frequentie worden in eerste instantie gebruikt omdat het frequentiebereik klein is en de kanaalcapaciteit voor transmissie klein is. De oplossing is om de frequentie van het verzonden signaal te verhogen: hoe hoger de frequentie, hoe meer spectrumbronnen. Maar het hoogfrequente signaal in het voortplantingsverlies in de lucht is groot, maar kan ook gemakkelijk door obstakels worden geblokkeerd. Als de kabel wordt gebruikt, is het verlies van de kabel groot en is 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 verzenden van signalen over lange afstanden. Het frequentiebereik van lichtgolven is veel groter dan dat van microgolven en kan veel verschillende kanalen tegelijk uitzenden. Vanwege deze voordelen vanoptische transmissie, is glasvezelcommunicatie de ruggengraat geworden van de hedendaagse informatieoverdracht.
Optische communicatie heeft een lange geschiedenis, onderzoek en toepassing zijn zeer uitgebreid en volwassen, meer wil ik hier niet over zeggen. Dit artikel introduceert voornamelijk de nieuwe onderzoeksinhoud van microgolf-opto-elektronica van de afgelopen jaren, afgezien van optische communicatie. Microgolf-opto-elektronica maakt voornamelijk gebruik van de methoden en technologieën op het gebied van de opto-elektronica als drager om de prestaties en toepassingen te verbeteren en te bereiken die moeilijk te bereiken zijn met traditionele elektronische microgolfcomponenten. Vanuit toepassingsperspectief omvat het vooral de volgende drie aspecten.
De eerste is het gebruik van opto-elektronica om krachtige microgolfsignalen met weinig ruis te genereren, van de X-band tot aan de THz-band.
Ten tweede, microgolfsignaalverwerking. Inclusief vertraging, filtering, frequentieconversie, ontvangst enzovoort.
Ten derde, de overdracht van analoge signalen.
In dit artikel introduceert de auteur alleen het eerste deel, het genereren van microgolfsignalen. Traditionele microgolf-millimetergolven worden voornamelijk gegenereerd door iii_V micro-elektronische componenten. De beperkingen ervan hebben de volgende punten: ten eerste kan traditionele micro-elektronica bij hoge frequenties zoals 100 GHz steeds minder stroom produceren, bij het THz-signaal met hogere frequentie kunnen ze niets doen. Ten tweede moet het originele apparaat, om faseruis te verminderen en de frequentiestabiliteit te verbeteren, in een omgeving met extreem lage temperaturen worden geplaatst. Ten derde is het moeilijk om een breed bereik aan frequentiemodulatie-frequentieconversie te bereiken. Om deze problemen op te lossen kan opto-elektronische technologie een rol spelen. De belangrijkste methoden worden hieronder beschreven.
1. Door de verschilfrequentie van lasersignalen met verschillende frequenties wordt een hoogfrequente fotodetector gebruikt om microgolfsignalen om te zetten, zoals weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Schematisch diagram van microgolven gegenereerd door de verschilfrequentie van tweelasers.
De voordelen van deze methode zijn de eenvoudige structuur, het kan extreem hoge frequentie millimetergolven en zelfs THz-frequentiesignalen genereren, en door de frequentie van de laser aan te passen, kan een groot bereik aan snelle frequentieconversie 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 dat de frequentiestabiliteit niet hoog is, vooral als een halfgeleiderlaser met een klein volume maar een grote lijnbreedte (~ MHz) wordt gebruikt. gebruikt. Als de systeemgewichtsvolume-eisen niet hoog zijn, kunt u vaste-stoflasers met laag geluidsniveau (~ kHz) gebruiken,fiber lasers, externe holtehalfgeleider lasersenz. Bovendien kunnen twee verschillende modi van lasersignalen die in dezelfde laserholte worden gegenereerd, ook worden gebruikt om een verschilfrequentie te genereren, zodat de prestaties van de microgolffrequentiestabiliteit aanzienlijk worden 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 injectiefrequentie of de negatieve feedbackfase vergrendelingscircuit. Figuur 2 toont een typische toepassing van injectievergrendeling om microgolfveelvouden te genereren (Figuur 2). Door hoogfrequente stroomsignalen rechtstreeks in een halfgeleiderlaser te injecteren, of door een LinBO3-fasemodulator te gebruiken, kunnen meerdere optische signalen met verschillende frequenties met gelijke frequentie-afstand worden gegenereerd, of optische frequentiekammen. De algemeen gebruikte methode om een optische frequentiekam met een breed spectrum te verkrijgen is uiteraard het gebruik van een mode-locked laser. Elke twee kamsignalen in de gegenereerde optische frequentiekam worden geselecteerd door filteren en respectievelijk geïnjecteerd in laser 1 en 2 om respectievelijk frequentie- en fasevergrendeling te realiseren. Omdat de fase tussen de verschillende kamsignalen van de optische frequentiekam relatief stabiel is, zodat de relatieve fase tussen de twee lasers stabiel is, en vervolgens door de methode van verschilfrequentie zoals eerder beschreven, het meervoudige frequentiemicrogolfsignaal van de optische frequentiekamherhalingssnelheid kan worden verkregen.
Figuur 2. Schematisch diagram van het microgolffrequentieverdubbelingssignaal gegenereerd door injectiefrequentievergrendeling.
Een andere manier om de relatieve faseruis van de twee lasers te verminderen is door een optische PLL met negatieve feedback te gebruiken, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3. Schematisch diagram van OPL.
Het principe van optische PLL is vergelijkbaar met dat van PLL op het gebied van elektronica. Het faseverschil van de twee lasers wordt door een fotodetector (equivalent aan een fasedetector) omgezet in een elektrisch signaal, en vervolgens wordt het faseverschil tussen de twee lasers verkregen door een verschilfrequentie te maken met een referentiemicrogolfsignaalbron, die wordt versterkt. en gefilterd en vervolgens teruggevoerd naar de frequentieregeleenheid van een van de lasers (voor halfgeleiderlasers is dit de injectiestroom). Via een dergelijke regellus met negatieve feedback wordt de relatieve frequentiefase tussen de twee lasersignalen vergrendeld op het referentiemicrogolfsignaal. Het gecombineerde optische signaal kan vervolgens via optische vezels naar een fotodetector elders worden verzonden en in een microgolfsignaal worden omgezet. De resulterende faseruis van het microgolfsignaal is vrijwel dezelfde als die van het referentiesignaal binnen de bandbreedte van de fasevergrendelde negatieve feedbacklus. 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 door middel van frequentieverdubbeling, delerfrequentie of andere frequentieverwerking, zodat het microgolfsignaal met lagere frequentie kan worden verdubbeld, of kan worden omgezet in hoogfrequente RF-, THz-signalen.
Vergeleken met injectiefrequentievergrendeling kan alleen frequentieverdubbeling worden bereikt, fasevergrendelde lussen zijn flexibeler, kunnen bijna willekeurige frequenties produceren en natuurlijk complexer. De optische frequentiekam die wordt gegenereerd door de foto-elektrische modulator in figuur 2 wordt bijvoorbeeld gebruikt als de lichtbron, en de optische fasevergrendelde lus wordt gebruikt om de frequentie van de twee lasers selectief te vergrendelen op de twee optische kamsignalen, en vervolgens te genereren hoogfrequente signalen 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 worden gegenereerd 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 modusvergrendelde pulslaser om het optische pulssignaal om te zetten in een microgolfsignaalfotodetector.
Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat een signaal met een zeer goede frequentiestabiliteit en een zeer lage faseruis kan worden verkregen. Door de frequentie van de laser vast te leggen op een zeer stabiel atomair en moleculair overgangsspectrum, of een extreem stabiele optische holte, en het gebruik van een zelfverdubbelend frequentie-eliminatiesysteem, frequentieverschuiving en andere technologieën, kunnen we een zeer stabiel optisch pulssignaal verkrijgen met een zeer stabiele herhalingsfrequentie, om een microgolfsignaal met ultralage faseruis te verkrijgen. Figuur 5.
Figuur 5. Vergelijking van relatieve faseruis van verschillende signaalbronnen.
Omdat de pulsherhalingssnelheid echter omgekeerd evenredig is met de holtelengte van de laser, en de traditionele mode-locked laser groot is, is het moeilijk om hoogfrequente microgolfsignalen rechtstreeks te verkrijgen. Bovendien beperken de omvang, het gewicht en het energieverbruik van traditionele gepulseerde lasers, evenals de zware milieueisen, hun voornamelijk laboratoriumtoepassingen. Om deze moeilijkheden te overwinnen is onlangs in de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek begonnen waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-lineaire effecten om frequentiestabiele optische kammen te genereren in zeer kleine, hoogwaardige optische holtes in chirp-modus, die op hun beurt hoogfrequente microgolfsignalen met lage ruis 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 winst in de gesloten lus groter is dan het verlies, kan de zelfopgewekte 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 vergroten, is de directe manier het vergroten van de luslengte en het minimaliseren van het voortplantingsverlies. Een langere lus kan echter gewoonlijk het genereren van meerdere oscillatiemodi ondersteunen, en als een filter met smalle bandbreedte wordt toegevoegd, kan een microgolfoscillatiesignaal met lage ruis met één frequentie worden verkregen. Foto-elektrisch gekoppelde oscillator is een microgolfsignaalbron gebaseerd op dit idee. Het maakt volledig gebruik van de lage propagatieverlieskarakteristieken van de vezel, gebruikt een langere vezel om de Q-waarde van de lus te verbeteren en kan een microgolfsignaal produceren met een zeer lage faseruis. Sinds de methode in de jaren negentig werd voorgesteld, heeft dit type oscillator uitgebreid onderzoek en aanzienlijke ontwikkeling ondergaan, en er zijn momenteel commerciële foto-elektrisch gekoppelde oscillatoren. Meer recentelijk zijn foto-elektrische oscillatoren ontwikkeld waarvan de frequenties over een breed bereik kunnen worden aangepast. Het grootste probleem van microgolfsignaalbronnen die op deze architectuur zijn gebaseerd, is dat de lus lang is en dat de ruis in de vrije stroom (FSR) en de dubbele frequentie aanzienlijk zullen toenemen. Bovendien zijn er meer foto-elektrische componenten gebruikt, zijn de kosten hoog, is het volume moeilijk te verminderen en zijn de langere vezels gevoeliger voor omgevingsstoringen.
Het bovenstaande introduceert kort verschillende methoden voor het genereren van foto-elektronen van microgolfsignalen, evenals hun voor- en nadelen. Ten slotte heeft het gebruik van foto-elektronen om microgolven te produceren nog een ander voordeel: het optische signaal kan via de optische vezel worden gedistribueerd met zeer weinig verlies, transmissie over lange afstanden naar elke gebruiksterminal en vervolgens worden omgezet in microgolfsignalen, en het vermogen om elektromagnetische straling te weerstaan. interferentie is aanzienlijk verbeterd dan traditionele elektronische componenten.
Het schrijven van dit artikel is voornamelijk ter referentie, en gecombineerd met de eigen onderzoekservaring en ervaring van de auteur op dit gebied, zijn er onnauwkeurigheden en onbegrijpelijkheid, begrijp het alstublieft.
Posttijd: 03-jan-2024