Microgolf-opto-elektronicaZoals de naam al doet vermoeden, is dit het snijpunt van microgolven enopto-elektronicaMicrogolven en lichtgolven zijn elektromagnetische golven, en de frequenties verschillen vele ordes van grootte. Ook de componenten en technologieën die in hun respectievelijke vakgebieden zijn ontwikkeld, zijn zeer verschillend. Door ze te combineren, kunnen we van elkaars voordeel profiteren, maar kunnen we ook nieuwe toepassingen en eigenschappen verkrijgen die afzonderlijk moeilijk te realiseren zijn.
Optische communicatieDit is een uitstekend voorbeeld van de combinatie van microgolven en foto-elektronen. Vroege draadloze communicatie via telefoon en telegraaf, waarbij zowel de generatie, propagatie als ontvangst van signalen plaatsvond, maakte gebruik van microgolfapparatuur. Aanvankelijk werden laagfrequente elektromagnetische golven gebruikt, omdat het frequentiebereik klein was en de kanaalcapaciteit voor transmissie beperkt. De oplossing was om de frequentie van het verzonden signaal te verhogen; hoe hoger de frequentie, hoe meer spectrumbronnen er beschikbaar waren. Het signaal met hoge frequentie ondervindt echter grote verliezen in de lucht en wordt bovendien gemakkelijk geblokkeerd door obstakels. Bij gebruik van kabels is het verlies groot en vormt transmissie over lange afstanden een probleem. De opkomst van glasvezelcommunicatie bood een goede oplossing voor deze problemen.Optische vezelLichtgolven hebben een zeer laag transmissieverlies en zijn 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 tegelijkertijd verzenden. Vanwege deze voordelen vanoptische transmissieGlasvezelcommunicatie is uitgegroeid tot de ruggengraat van de hedendaagse informatieoverdracht.
Optische communicatie kent een lange geschiedenis, het onderzoek ernaar en de toepassingen zijn zeer uitgebreid en volwassen, dus daar hoeft hier niet verder op in te gaan. Dit artikel introduceert voornamelijk de nieuwe onderzoeksgebieden binnen de microgolfopto-elektronica van de afgelopen jaren, los van optische communicatie. Microgolfopto-elektronica maakt hoofdzakelijk gebruik van methoden en technologieën uit de opto-elektronica als drager om de prestaties en toepassingen te verbeteren en te realiseren die met traditionele microgolfcomponenten moeilijk te bereiken zijn. Vanuit het perspectief van de toepassingen omvat het hoofdzakelijk de volgende drie aspecten.
De eerste is het gebruik van opto-elektronica om hoogwaardige, ruisarme microgolfsignalen te genereren, van de X-band tot en met de THz-band.
Ten tweede, de verwerking van microgolfsignalen. Inclusief vertraging, filtering, frequentieomzetting, ontvangst, enzovoort.
Ten derde, de overdracht van analoge signalen.
In dit artikel introduceert de auteur alleen het eerste deel, de generatie van microgolfsignalen. Traditionele millimetergolfmicrogolven worden voornamelijk gegenereerd door III-V micro-elektronische componenten. De beperkingen hiervan zijn de volgende: Ten eerste kunnen traditionele micro-elektronische componenten bij hoge frequenties zoals 100 GHz en hoger steeds minder vermogen leveren, en bij hogere THz-signalen kunnen ze helemaal niets meer doen. Ten tweede moet het apparaat in een extreem lage temperatuuromgeving worden geplaatst om faseruis te verminderen en de frequentiestabiliteit te verbeteren. Ten derde is het moeilijk om een breed frequentiebereik te bereiken met frequentiemodulatie. Om deze problemen op te lossen, kan opto-elektronische technologie een rol spelen. De belangrijkste methoden worden hieronder beschreven.
1. Door het frequentieverschil tussen twee 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 het verschil in frequentie tussen tweelasers.
De voordelen van deze methode zijn de eenvoudige structuur, de mogelijkheid om extreem hoge frequenties te genereren in het millimetergolfbereik en zelfs het THz-bereik, en de mogelijkheid om door aanpassing van de laserfrequentie een breed scala aan snelle frequentieomzettingen en frequentiesweeps uit te voeren. Het nadeel is dat de lijnbreedte of faseruis van het verschilfrequentiesignaal dat wordt gegenereerd door twee onafhankelijke lasersignalen relatief groot is, en de frequentiestabiliteit niet hoog is, met name bij gebruik van een halfgeleiderlaser met een klein volume maar een grote lijnbreedte (~MHz). Als de eisen aan het gewicht en volume van het systeem niet hoog zijn, kunnen ruisarme (~kHz) solid-state lasers worden gebruikt.vezellasers, externe holtehalfgeleiderlasersBovendien kunnen twee verschillende modi van lasersignalen die in dezelfde laserholte worden gegenereerd, ook worden gebruikt om een verschilfrequentie te creëren, waardoor 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 faseruis te groot is, kan coherentie tussen de twee lasers worden verkregen door middel van injectiefrequentievergrendeling of een negatieve feedback-fasevergrendelingsschakeling. Figuur 2 toont een typische toepassing van injectievergrendeling voor het genereren van meervoudige microgolfsignalen (Figuur 2). Door rechtstreeks hoogfrequente stroomsignalen in een halfgeleiderlaser te injecteren, of door gebruik te maken van een LinBO3-fasemodulator, kunnen meerdere optische signalen met verschillende frequenties en gelijke frequentieafstanden worden gegenereerd, oftewel optische frequentiekammen. De meest gebruikte methode om een breedspectrum optische frequentiekam te verkrijgen, is uiteraard het gebruik van een mode-locked laser. Twee willekeurige kamsignalen in de gegenereerde optische frequentiekam worden geselecteerd door middel van filtering 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, waardoor de relatieve fase tussen de twee lasers stabiel is, kan vervolgens met behulp van de eerder beschreven verschilfrequentiemethode het meervoudig frequentie-microgolfsignaal van de optische frequentiekam met een bepaalde herhalingsfrequentie 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 gebruik te maken van een optische PLL met negatieve terugkoppeling, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3. Schematisch diagram van OPL.
Het principe van een optische PLL is vergelijkbaar met dat van PLL's in de elektronica. Het faseverschil tussen de twee lasers wordt door een fotodetector (equivalent aan een fasedetector) omgezet in een elektrisch signaal. Vervolgens wordt het faseverschil tussen de twee lasers bepaald door een verschilfrequentie te creëren met een referentie-microgolfsignaalbron. Dit signaal wordt versterkt en gefilterd en vervolgens teruggekoppeld naar de frequentiecontrole-eenheid van een van de lasers (bij halfgeleiderlasers is dit de injectiestroom). Door middel van deze negatieve terugkoppeling wordt de relatieve frequentiefase tussen de twee lasersignalen vergrendeld aan het referentie-microgolfsignaal. Het gecombineerde optische signaal kan vervolgens via optische vezels naar een fotodetector elders worden gestuurd en daar worden omgezet in een microgolfsignaal. De resulterende faseruis van het microgolfsignaal is binnen de bandbreedte van de fasevergrendelde negatieve terugkoppeling vrijwel gelijk aan die van het referentiesignaal. Buiten de bandbreedte is de faseruis gelijk aan de relatieve faseruis van de oorspronkelijke twee onafhankelijke lasers.
Daarnaast kan de referentie-microgolfsignaalbron ook worden omgezet door andere signaalbronnen via frequentieverdubbeling, frequentiedeling of andere frequentieverwerking, zodat het laagfrequente microgolfsignaal meervoudig kan worden verdubbeld of kan worden omgezet in hoogfrequente RF- en THz-signalen.
In tegenstelling tot injectiefrequentievergrendeling, waarmee alleen frequentieverdubbeling kan worden bereikt, zijn fasevergrendelingslussen flexibeler, kunnen ze vrijwel willekeurige frequenties produceren en zijn ze uiteraard complexer. Zo wordt bijvoorbeeld de optische frequentiekam die door de foto-elektrische modulator in figuur 2 wordt gegenereerd, gebruikt als lichtbron. De optische fasevergrendelingslus wordt vervolgens gebruikt om de frequentie van de twee lasers selectief te vergrendelen op de twee optische kamsignalen, waarna via het frequentieverschil hoogfrequente signalen worden gegenereerd, zoals weergegeven in figuur 4. f1 en f2 zijn respectievelijk de referentiesignaalfrequenties van de twee PLLS'en, en een microgolfsignaal van N*frep+f1+f2 kan worden gegenereerd door het frequentieverschil 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 het optische pulssignaal om te zetten in een microgolfsignaal.fotodetector.
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 te vergrendelen op een zeer stabiel atomair en moleculair overgangsspectrum, of een extreem stabiele optische holte, en door gebruik te maken van een zelfverdubbelend frequentie-eliminatiesysteem, frequentieverschuiving en andere technologieën, kunnen we een zeer stabiel optisch pulssignaal met een zeer stabiele herhalingsfrequentie verkrijgen, waardoor een microgolfsignaal met ultralage faseruis ontstaat. Figuur 5.
Figuur 5. Vergelijking van de relatieve faseruis van verschillende signaalbronnen.
Omdat de pulsherhalingsfrequentie echter omgekeerd evenredig is met de caviteitslengte van de laser, en traditionele mode-locked lasers groot zijn, is het moeilijk om direct hoogfrequente microgolfsignalen te verkrijgen. Bovendien beperken de grootte, het gewicht en het energieverbruik van traditionele gepulseerde lasers, evenals de strenge omgevingseisen, hun toepassingen voornamelijk tot laboratoria. Om deze moeilijkheden te overwinnen, is recent in de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek gestart naar het gebruik van niet-lineaire effecten om frequentiestabiele optische kammen te genereren in zeer kleine, hoogwaardige chirp-mode optische caviteiten, 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 zelfterugkoppelende gesloten lus. Zolang de versterking in de gesloten lus groter is dan het verlies, kan de zelfgeïnduceerde oscillatie microgolven of lasers produceren. Hoe hoger de kwaliteitsfactor Q van de gesloten lus, hoe kleiner de fase- of frequentieruis van het gegenereerde signaal. Om de kwaliteitsfactor van de lus te verhogen, is de meest voor de hand liggende manier om de luslengte te vergroten en het voortplantingsverlies te minimaliseren. Een langere lus kan echter meestal de generatie van meerdere oscillatiemodi ondersteunen, en door toevoeging van een smalbandfilter kan een ruisarm microgolfsignaal met één frequentie worden verkregen. Een foto-elektrisch gekoppelde oscillator (PECOS) is een microgolfsignaalbron gebaseerd op dit idee. Deze maakt optimaal gebruik van de lage voortplantingsverliezen 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 introductie van deze methode in de jaren negentig heeft dit type oscillator veel onderzoek en ontwikkeling doorgemaakt, en er zijn momenteel commerciële foto-elektrisch gekoppelde oscillatoren op de markt. Recentelijk zijn foto-elektrische oscillatoren ontwikkeld waarvan de frequenties over een breed bereik kunnen worden aangepast. Het belangrijkste probleem van microgolfsignaalbronnen gebaseerd op deze architectuur is dat de lus lang is, waardoor de ruis in de vrije stroom (FSR) en de dubbele frequentie aanzienlijk toeneemt. Bovendien zijn er meer foto-elektrische componenten nodig, zijn de kosten hoog, is het volume moeilijk te verkleinen en is de langere vezel gevoeliger voor omgevingsinvloeden.
Bovenstaande tekst geeft een korte introductie van verschillende methoden voor het genereren van microgolfsignalen met behulp van foto-elektronen, evenals hun voor- en nadelen. Een ander voordeel van het gebruik van foto-elektronen voor de productie van microgolven is dat het optische signaal met zeer weinig verlies via een optische vezel kan worden verzonden, over lange afstanden naar elke gebruiker kan worden getransporteerd en vervolgens kan worden omgezet in microgolfsignalen. Bovendien is het vermogen om elektromagnetische interferentie te weerstaan aanzienlijk verbeterd ten opzichte van traditionele elektronische componenten.
Dit artikel is voornamelijk bedoeld als naslagwerk en kan, in combinatie met de eigen onderzoekservaring en expertise van de auteur op dit gebied, onnauwkeurigheden en onvolledigheden bevatten. Wij vragen hiervoor uw begrip.
Geplaatst op: 3 januari 2024