Mikrolainete optoelektroonika mikrolaine signaali tootmise staatus ja kuumad kohad

Microwave optoelectronics, nagu nimigi ütleb, on interdistsiplinaarne disain mikrolaineahju ja optoelektroonika valdkonnas. Nii mikrolainete kui ka kergete lainete puhul on tegemist elektromagnetlainetega ja nende sagedus on mitmes järjekorras erinev. Nende vastavates valdkondades välja töötatud komponendid ja tehnoloogiad on väga erinevad. Üksteise tugevate külgede ühendamine ja õppimine võib anda uusi rakendusi ja funktsioone, mida on raske saavutada [1,2,3].

Optiline side on parim näide mikrolaineahju ja optoelektroonika kombinatsioonist. Varajane telegraafiahelistamine traadita side, signaali genereerimine, levitamine ja vastuvõtmine on kõik mikrolaineahjud. Esmalt kasutatakse madala sagedusega elektromagnetlaineid, sest sagedusala on väike ja edastuskanal on väike. Lahendus on edastatud signaali sageduse suurendamine. Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem on spektraalressursse. Kuid kõrgsageduslikel signaalidel on õhku suured levikukadu ja takistused kergesti takistavad. Kui kasutate juhtmega edastust, on kaabli kaotus suur ja kaugjuurdepääs on probleem. Kiudoptilise side tekkimine on neid probleeme lahendanud. Optiliste kiudude edastamise kadu on väga madal, see on suurepärane kandja pikkade vahemaade signaalide edastamiseks. Kerge lainete sagedusvahemik ületab tunduvalt mikrolaineid ja samaaegselt võib edastada mitmeid erinevaid kanaleid. Nende optilise ülekande eeliste tõttu on optilise kiu kommunikatsioon muutunud tänapäevase teabe levitamise selgroogiks.

Optiline side on pikk ajalugu, teadusuuringud ja rakendus on väga ulatuslikud ja küpsed, ma ei ütle enam siin. Siinkohal tahaksin peamiselt soovitada tutvustada uute mikrolainete optoelektroonika, välja arvatud optiline side, uurimistulemusi viimastel aastatel. Mikrolaine optoelektroonika põhineb peamiselt meetoditel ja meetoditel optoelektroonika valdkonnas, et parandada ja realiseerida jõudlust ja rakendusi, mida traditsiooniliste mikrolaine elektroonikakomponentidega raske saavutada. Rakenduse seisukohast hõlmab see peamiselt kolme järgmist aspekti.

Esiteks, optoelektroonika kasutamine kõrgefektiivsete, madala müratasemega mikrolainete signaalide tootmiseks X-bandast THz-rühma.

Teiseks mikrolainete signaalide töötlemine. Sealhulgas viivitus, filtreerimine, sagedusmuundamine, vastuvõtmine ja nii edasi.

Kolmandaks, analoogsignaali edastamine.

See artikkel tutvustab ainult artikli esimest osa - mikrolainete signaale. Traditsioonilist mikrolainekiirguse laine toodetakse peamiselt iii_V mikroelektroonikomponentidena [4]. Selle piirangud on järgmised: esiteks, suure sagedusega, näiteks 100 GHz või enamaga, võivad traditsioonilised mikroelektroonikomponendid toota vähem ja vähem energiat ning kõrgema sagedusega THz-signaalid on võimetud. Teiseks, et vähendada faasimüra ja parandada sageduse stabiilsust, tuleb algseade asetada krüogeensesse keskkonda. Kolmandaks on FM-sagedusmuundurite laia valiku saavutamine keeruline. Nende probleemide lahendamiseks võib optoelektroonika tehnoloogia näidata end ise. Siin on mõned peamised meetodid.

1. Kasutades kahe erineva sagedusliku laseriga signaali erinevuse sagedust, konverteerib kõrgsageduslik fotodetektor mikrolaine signaali genereerimiseks [5, 6], nagu on näidatud joonisel fig. 1

Joonis 1. Kahe laseriga diferentsiaal-sagedusega mikrolainekiirguse skemaatiline diagramm.

Selle meetodi eeliseks on see, et sellel on lihtne struktuur ja see võib tekitada väga suure sagedusega, millimeetri laine ja isegi THz-sagedusega signaale. Laseri sageduse reguleerimisel saab teha kiiret sagedusmuundurit ja sageduse pühkimist. Ebasoodsas olukorras on see, et kahe erineva laseriga signaali poolt tekitatud erinevussageduse signaali laius või faasimüra on suhteliselt suured ja sagedus stabiilsus ei ole kõrge, eriti kui kasutatakse väikese suurusega, kuid lai (~ MHz) pooljuhtlaserit. . Kui süsteemi kaalu- ja mahunõuded ei ole suured, võib kasutada vähese müraga (~ kHz) tahkis-laseri, kiud-laseriga [7,8], välise õõnsusega pooljuhtlaseriga [9] jne. Lisaks sellele saab erineva sageduse genereerimiseks kasutada ka samas laserotsas genereeritud laserisignaali kahte erinevat režiimi, nii et saadud mikrolainete sageduse stabiilsus võib oluliselt paraneda [10-12].

2. Selle probleemi lahendamiseks, et eelmise meetodi kaks lasku on ebaselge ja tekitatava signaali faasimüra on liiga suur, saab süstimise lukustamismeetodit või negatiivset tagasisidefaasi lukustatud ahelat kasutada, et saavutada sidusus kaks laserit [13]. Joonisel 2 on kujutatud süstelis lukustatud sagedusega mitmesagedusliku mikrolainekiirguse tüüpiline rakendus (joonis 2). Kõrgsagedusliku voolu signaali otse süstides pooljuhtlaserile või kasutades LiNbO3 faasimodulaatorit, saab genereerida mitmeid optilisi signaale, millel on erinevad sagedused võrdsete intervallidega või optilise sagedusega kombineeritud. Loomulikult on laia spektrilise optilise sagedusmuunduri saamiseks tavaliselt kasutatav meetod režiimilukuga laseri kasutamiseks [14]. Kõik kaks genereeritud optilise sagedusega kammi kamm-signaali valitakse filtreerides ja sisestatakse laseridesse 1 ja 2, et saavutada sagedus lukustatud lukustamine. Kuna optilise kammi erinevate kammide signaali faas on suhteliselt stabiilne, saadakse kahe laseriga stabiilne suhteline faas ja kamm-korduse sagedust saab saavutada ülalkirjeldatud erinevussageduse meetodil. Mitmekordne mikrolaine signaal.

Joonis 2. Mikrolaine sagedusega kahekordsete signaalide süstelis blokeeritud sageduse genereerimise skemaatiline diagramm.

Teine viis kahe laseriga suhteline faasi müra vähendamiseks on kasutada filtri negatiivset tagasisidet, nagu on näidatud joonisel 3.

Joonis 3. Optilise PLL skeem.

Optilise faasi lukustatud ahela põhimõte on sarnane elektroonilisele faasile lukustatud ahelaga [15,16,17]. Mõlema laseriga faasierinevused teisendatakse fotodetektori (mis vastab faasidetektorile) elektrilisele signaalile ja erinevus kahe laseri vahel saadakse erineva sagedusega mikrolainete võrdlusallikaga ja tagasiside tagastatakse kaks laserit pärast võimendamist ja filtreerimist. Laseriga sagedusjuhtimisseade (pooljuhtlaserite sissepritsevool). Sellise negatiivse tagasiside reguleerimise ahela korral on kahe lasersignaali suhteline sagedus fikseeritud mikrolainete võrdlussignaaliga. Kombineeritud optilist signaali saab seejärel üle optiliste kiudude abil muundada fotodetektorisse ja muuta mikrolaine signaali. Selliselt genereeritud mikrolaine signaali faasimüra on peaaegu samasugune kui võrdlussignaali faasimüra faasilukuga negatiivse tagasisideahela ribalaius. Faasimüra väljaspool ribalaiust võrdub algse kahe nekroherentse laseriga suhteline faasimüra.

Lisaks võib mikrolainete võrdlusallikas olla ka teine signaaliallikas, mida töödeldakse sageduse muundamise, digitaalse sageduse või muu sageduse muundamise abil, nii et madalama sagedusega mikrolaine signaali saab mitme sagedusega muundada või muuta kõrgsageduseks. Raadiosagedus, THz-signaal ja nii edasi.

Võrreldes süstiga lukustatud sagedusega, mis võib saada ainult sageduste kordamist, on faasilukuga silmad paindlikumad, võivad tekitada peaaegu igasuguse sageduse ja loomulikult on need keerukamad. Näiteks joonisel fig. 2, optoelektroonilise modulaatori poolt moduleeritud faas või optilise kamber, mis on genereeritud impulsslaseriga valgusallikana, kasutatakse optilise faasiga lukustatud ahelat, et selektiivselt lukustada kaks laserit kahele optilise kamm-signaali signaalile. Häire sageduse signaalid genereeritakse läbi erinevuse sageduse, nagu on näidatud joonisel 4. F1 ja f2 on vastavalt kahe faasiluku ahelaga võrdlussignaali sagedused ning N * frep + f1 + f2 mikrolaine signaali saab genereerida kahe laseriga vaheline sagedus.

Joonis 4. Loob optilise kammide ja optiliste PLL-ide abil suvalise sagedusdiagrammi.

3. Kasutades režiimis lukustatud impulsi laserit, konverteeritakse optilise impulssignaali fotodetektor [18-20] mikrolaine signaaliks.

Selle meetodi peamine eelis on see, et saab saavutada signaali, millel on väga hea sageduse stabiilsus ja äärmiselt madal faasimüra. Laseri sageduse lukustamiseks väga stabiilse aatomi molekulaarse ülekande-spektri või äärmiselt stabiilse optilise õõnsusega ning kasutades eneset korrutava sagedusega, et kõrvaldada süsteemisageduse nihked jms, saab väga stabiilsete kordussagedustega optilise impulsi signaale. Väga madala faasiga müra mikrolaine signaal [21-23]. Nagu on näidatud joonisel 5.

Joonis 5. Võrdlus erinevate signaaliallikate suhteline faasimüra. Väljavõtte viide [21]

Kuid kuna impulsi kordussagedus on pöördvõrdeline laseri õõnsuse pikkusega, samal ajal kui tavalisel režiimil lukustatud laseril on suur maht, on raske kõrglahutusega mikrolaine signaale otse saada. Lisaks on traditsiooniline impulsslaadimaht, kaal ja energiakulu ning karmid keskkonna nõuded piiranud nende kasutamist eelkõige laboris. Nende raskuste ületamiseks kasutasid Ameerika Ühendriikides ja Saksamaal kõige täpsemaid uuringuid mittelineaarseid efekte, et genereerida sagedus stabiilsed optilised kammid väikese ja kõrgekvaliteedilise režiimi õõnsuses, et genereerida kõrgsageduslikke, vähese müraga mikrolainete signaale. -29]].