Мікрахвалевая оптаэлектроніка, як вынікае з назвы, — гэта скрыжаванне мікрахвалевай хвалі іоптаэлектронікаМікрахвалевыя і светлавыя хвалі — гэта электрамагнітныя хвалі, частоты якіх адрозніваюцца на шмат парадкаў велічыні, а кампаненты і тэхналогіі, распрацаваныя ў адпаведных галінах, вельмі розныя. У спалучэнні мы можам выкарыстоўваць перавагі адзін аднаго, але можам атрымаць новыя прымяненні і характарыстыкі, якія цяжка рэалізаваць адпаведна.
Аптычная сувязьз'яўляецца выдатным прыкладам спалучэння мікрахваль і фотаэлектронаў. Раннія тэлефонныя і тэлеграфныя бесправадныя сувязі, генерацыя, распаўсюджванне і прыём сігналаў, усе яны выкарыстоўвалі мікрахвалевыя прылады. Нізкачастотныя электрамагнітныя хвалі першапачаткова выкарыстоўваліся, таму што дыяпазон частот невялікі, а прапускная здольнасць канала для перадачы малая. Рашэнне заключалася ў павелічэнні частаты перадаванага сігналу, чым вышэй частата, тым больш спектральных рэсурсаў. Але страты высокачастотнага сігналу пры распаўсюджванні паветра вялікія, і ён таксама лёгка блакуецца перашкодамі. Пры выкарыстанні кабеля страты ў кабелі вялікія, і перадача на вялікія адлегласці з'яўляецца праблемай. З'яўленне валаконна-аптычнай сувязі з'яўляецца добрым рашэннем гэтых праблем.Аптычнае валакномае вельмі нізкія страты пры перадачы і з'яўляецца выдатным носьбітам для перадачы сігналаў на вялікія адлегласці. Дыяпазон частот светлавых хваль значна большы, чым у мікрахвалевых хваль, і можа перадаваць шмат розных каналаў адначасова. Дзякуючы гэтым перавагамаптычная перадача, валаконна-аптычная сувязь стала асновай сучаснай перадачы інфармацыі.
Аптычная сувязь мае даўнюю гісторыю, даследаванні і прымяненне вельмі шырокія і развітыя, тут няма чаго больш казаць. У гэтым артыкуле ў асноўным прадстаўлены новыя даследаванні ў галіне мікрахвалевай оптаэлектронікі за апошнія гады, акрамя аптычнай сувязі. Мікрахвалевая оптаэлектроніка ў асноўным выкарыстоўвае метады і тэхналогіі ў галіне оптаэлектронікі ў якасці носьбіта для паляпшэння і дасягнення прадукцыйнасці і прымянення, якіх цяжка дасягнуць з дапамогай традыцыйных мікрахвалевых электронных кампанентаў. З пункту гледжання прымянення, яна ў асноўным уключае наступныя тры аспекты.
Першы — гэта выкарыстанне оптаэлектронікі для генерацыі высокапрадукцыйных, малашумлівых мікрахвалевых сігналаў, ад X-дыяпазону аж да ТГц-дыяпазону.
Па-другое, апрацоўка мікрахвалевага сігналу. У тым ліку затрымка, фільтрацыя, пераўтварэнне частаты, прыём і гэтак далей.
Па-трэцяе, перадача аналагавых сігналаў.
У гэтым артыкуле аўтар прадстаўляе толькі першую частку — генерацыю мікрахвалевага сігналу. Традыцыйныя міліметровыя мікрахвалевыя хвалі ў асноўным генеруюцца мікраэлектроннымі кампанентамі iii_V. Іх абмежаванні наступныя: па-першае, на высокіх частотах, такіх як 100 ГГц і вышэй, традыцыйная мікраэлектроніка можа выпрацоўваць усё менш і менш энергіі, а на больш высокіх частотах ТГц сігналу яна нічога не можа зрабіць. Па-другое, каб паменшыць фазавы шум і палепшыць стабільнасць частаты, зыходную прыладу неабходна размясціць у асяроддзі з надзвычай нізкай тэмпературай. Па-трэцяе, цяжка дасягнуць шырокага дыяпазону частотнай мадуляцыі і пераўтварэння частаты. Для вырашэння гэтых праблем могуць выкарыстоўвацца оптаэлектронныя тэхналогіі. Асноўныя метады апісаны ніжэй.
1. Праз розніцу частаты двух лазерных сігналаў рознай частаты, высокачашчынны фотадэтэктар выкарыстоўваецца для пераўтварэння мікрахвалевых сігналаў, як паказана на малюнку 1.
Малюнак 1. Схематычная дыяграма мікрахваль, якія генеруюцца розніцай частаты двухлазеры.
Перавагі гэтага метаду заключаюцца ў прастаце канструкцыі, магчымасці генерацыі надзвычай высокачастотнага сігналу міліметровай хвалі і нават тэрагерцавай частаты, а таксама ў шырокім дыяпазоне хуткага пераўтварэння частаты і частаты разгорткі, што дазваляе рэгуляваць частату лазера. Недахопам з'яўляецца тое, што шырыня лініі або фазавы шум сігналу рознасці частот, які генеруецца двума не звязанымі лазернымі сігналамі, адносна вялікі, а стабільнасць частаты невысокая, асабліва калі выкарыстоўваецца паўправадніковы лазер з малым аб'ёмам, але вялікай шырынёй лініі (~МГц). Калі патрабаванні да вагі і аб'ёму сістэмы невысокія, можна выкарыстоўваць цвёрдацельныя лазеры з нізкім узроўнем шуму (~кГц).валаконныя лазеры, знешняя поласцьпаўправадніковыя лазерыі г.д. Акрамя таго, для генерацыі рознай частаты можна выкарыстоўваць два розныя рэжымы лазерных сігналаў, якія генеруюцца ў адным лазерным рэзанатары, што значна паляпшае стабільнасць мікрахвалевай частаты.
2. Каб вырашыць праблему некагерэнтнасці двух лазераў у папярэднім метадзе і занадта вялікага генераванага фазавага шуму сігналу, кагерэнтнасць паміж двума лазерамі можна атрымаць метадам блакавання частоты інжэкцыі або схемай блакавання фазавага сігналу з адмоўнай зваротнай сувяззю. На малюнку 2 паказана тыповае прымяненне блакавання інжэкцыі для генерацыі мікрахвалевых кратных выпраменьванняў (малюнак 2). Шляхам непасрэднай падачы высокачастотных токавых сігналаў у паўправадніковы лазер або з дапамогай фазавага мадулятара LinBO3 можна генераваць некалькі аптычных сігналаў розных частот з аднолькавым інтэрвалам паміж частотамі, або аптычныя частотныя грабянцы. Вядома, распаўсюджаным метадам атрымання шырокаспектральнага аптычнага частотнага грабянца з'яўляецца выкарыстанне лазера з блакіроўкай мод. Любыя два сігналы грабянца ў згенераваным аптычным частотным грабянцы выбіраюцца шляхам фільтрацыі і ўводзяцца ў лазеры 1 і 2 адпаведна для рэалізацыі частотнай і фазавай блакіроўкі адпаведна. Паколькі фаза паміж рознымі сігналамі грабянца аптычнага частотнага грабянца адносна стабільная, то і адносная фаза паміж двума лазерамі стабільная, а затым метадам рознасці частот, як апісана раней, можна атрымаць мікрахвалевы сігнал з шматразовай частатой і частатой паўтарэння аптычнага частотнага грабянца.
Малюнак 2. Схематычная дыяграма сігналу падваення мікрахвалевай частаты, які генеруецца шляхам блакіроўкі частаты інжэкцыі.
Іншы спосаб паменшыць адносны фазавы шум двух лазераў - выкарыстоўваць аптычную сістэму ФАПЧ з адмоўнай зваротнай сувяззю, як паказана на малюнку 3.
Малюнак 3. Схематычная дыяграма OPL.
Прынцып аптычнай ФАПЧ падобны да прынцыпу ФАПЧ у галіне электронікі. Розніца фаз двух лазераў пераўтвараецца ў электрычны сігнал фотадэтэктарам (эквівалентам фазавага дэтэктара), а затым розніца фаз паміж двума лазерамі атрымліваецца шляхам стварэння рознасці частаты з дапамогай крыніцы эталоннага мікрахвалевага сігналу, які ўзмацняецца і фільтруецца, а затым падаецца назад на блок кіравання частатой аднаго з лазераў (для паўправадніковых лазераў гэта ток інжэкцыі). Праз такую пятлю кіравання адмоўнай зваротнай сувяззю адносная фаза частаты паміж двума лазернымі сігналамі фіксуецца з эталонным мікрахвалевым сігналам. Аб'яднаны аптычны сігнал затым можа быць перададзены праз аптычныя валокны да фотадэтэктара ў іншым месцы і пераўтвораны ў мікрахвалевы сігнал. У выніку фазавы шум мікрахвалевага сігналу амаль такі ж, як і эталонны сігнал у межах паласы паласы фазава-падстроенай адмоўнай зваротнай сувязі. Фазавы шум па-за паласой паласы роўны адноснаму фазаваму шуму зыходных двух не звязаных лазераў.
Акрамя таго, крыніца апорнага мікрахвалевага сігналу можа быць пераўтворана іншымі крыніцамі сігналу шляхам падваення частаты, дзельніка частаты або іншай апрацоўкі частаты, так што нізкачастотны мікрахвалевы сігнал можа быць падвоены або пераўтвораны ў высокачастотныя радыёчастотныя сігналы, ТГц.
У параўнанні з інжэкцыйнай блакіроўкай частаты можна атрымаць толькі падваенне частаты, у той час як цыклы фазавай блакіроўкі частаты больш гнуткія, могуць ствараць практычна адвольныя частоты і, вядома, больш складаныя. Напрыклад, аптычны грэбень, які генеруецца фотаэлектрычным мадулятарам на малюнку 2, выкарыстоўваецца ў якасці крыніцы святла, а аптычны цыкл фазавай блакіроўкі выкарыстоўваецца для выбарачнай блакіроўкі частаты двух лазераў на сігналы двух аптычных грэбняў, а затым для генерацыі высокачашчынных сігналаў праз рознасную частату, як паказана на малюнку 4. f1 і f2 - гэта адпаведна апорныя частоты сігналаў двух ПЛС, і мікрахвалевы сігнал N*frep+f1+f2 можа быць згенераваны рознаснай частатой паміж двума лазерамі.
Малюнак 4. Схематычная дыяграма генерацыі адвольных частот з выкарыстаннем аптычных частотных грабянцоў і PLLS.
3. Выкарыстоўвайце імпульсны лазер з блакіроўкай моды для пераўтварэння аптычнага імпульснага сігналу ў мікрахвалевы сігнал празфотадэтэктар.
Асноўная перавага гэтага метаду заключаецца ў тым, што можна атрымаць сігнал з вельмі добрай стабільнасцю частаты і вельмі нізкім фазавым шумам. Фіксуючы частату лазера на вельмі стабільным спектры атамных і малекулярных пераходаў або надзвычай стабільным аптычным рэзанатары, а таксама выкарыстоўваючы сістэму самападвойвання частаты, зрушэнне частаты і іншыя тэхналогіі, можна атрымаць вельмі стабільны аптычны імпульсны сігнал з вельмі стабільнай частатой паўтарэння, што дазваляе атрымаць мікрахвалевы сігнал з ультранізкім фазавым шумам. Малюнак 5.
Малюнак 5. Параўнанне адноснага фазавага шуму розных крыніц сігналу.
Аднак, паколькі частата паўтарэння імпульсаў адваротна прапарцыйная даўжыні рэзанатара лазера, а традыцыйны лазер з сінхранізацыяй мод мае вялікія памеры, цяжка непасрэдна атрымліваць высокачашчынныя мікрахвалевыя сігналы. Акрамя таго, памеры, вага і спажыванне энергіі традыцыйных імпульсных лазераў, а таксама жорсткія патрабаванні да навакольнага асяроддзя абмяжоўваюць іх пераважна лабараторнае прымяненне. Каб пераадолець гэтыя цяжкасці, нядаўна ў ЗША і Германіі пачаліся даследаванні з выкарыстаннем нелінейных эфектаў для генерацыі аптычных грабянцоў са стабільнай частатой у вельмі малых аптычных рэзанатарах з чырп-модай высокай якасці, якія, у сваю чаргу, генеруюць высокачашчынныя малашумлівыя мікрахвалевыя сігналы.
4. оптаэлектронны генератар, малюнак 6.
Малюнак 6. Схематычная схема фотаэлектрычнага звязанага генератара.
Адзін з традыцыйных метадаў генерацыі мікрахваль або лазераў - выкарыстанне замкнёнага контуру з самазваротнай сувяззю. Калі ўзмацненне ў замкнёным контуры перавышае страты, самаўзбуджаныя ваганні могуць ствараць мікрахваль або лазеры. Чым вышэй каэфіцыент якасці Q замкнёнага контуру, тым менш генеруемы фазавы або частотны шум сігналу. Каб павялічыць каэфіцыент якасці контуру, прамы шлях - павялічыць даўжыню контуру і мінімізаваць страты на распаўсюджванне. Аднак больш доўгі контур звычайна можа падтрымліваць генерацыю некалькіх рэжымаў ваганняў, і калі дадаць вузкапалосны фільтр, можна атрымаць аднакаштоны сігнал мікрахваль з нізкім узроўнем шуму. Фотаэлектрычны звязаны генератар - гэта крыніца мікрахвальнага сігналу, заснаваная на гэтай ідэі, якая ў поўнай меры выкарыстоўвае характарыстыкі валакна з нізкімі стратамі на распаўсюджванне, выкарыстоўваючы больш доўгае валакно для паляпшэння значэння Q контуру, можна ствараць мікрахвальны сігнал з вельмі нізкім узроўнем фазавага шуму. З моманту прапановы метаду ў 1990-х гадах гэты тып генератара прайшоў шырокія даследаванні і значную распрацоўку, і ў цяперашні час існуюць камерцыйныя фотаэлектрычныя звязаныя генератары. Зусім нядаўна былі распрацаваны фотаэлектрычныя генератары, частату якіх можна рэгуляваць у шырокім дыяпазоне. Асноўная праблема крыніц мікрахвалевага сігналу, заснаваных на гэтай архітэктуры, заключаецца ў тым, што контур мае доўгую структуру, і шум у яго свабодным патоку (FSR) і яго падвойная частата будуць значна павялічаны. Акрамя таго, выкарыстоўваецца больш фотаэлектрычных кампанентаў, кошт высокі, аб'ём цяжка паменшыць, а даўжэйшае валакно больш адчувальнае да ўздзеяння навакольнага асяроддзя.
Вышэйпаказанае коратка апісвае некалькі метадаў генерацыі мікрахвалевых сігналаў з дапамогай фотаэлектронаў, а таксама іх перавагі і недахопы. Нарэшце, выкарыстанне фотаэлектронаў для атрымання мікрахвалевых сігналаў мае яшчэ адну перавагу: аптычны сігнал можа распаўсюджвацца праз аптычнае валакно з вельмі малымі стратамі, перадавацца на вялікую адлегласць да кожнага карыстальніцкага тэрмінала і затым пераўтварацца ў мікрахвалевыя сігналы, а здольнасць супрацьстаяць электрамагнітным перашкодам значна паляпшаецца ў параўнанні з традыцыйнымі электроннымі кампанентамі.
Гэты артыкул напісаны ў асноўным для даведкі, і, улічваючы ўласны вопыт даследаванняў і вопыт аўтара ў гэтай галіне, у ім ёсць недакладнасці і незразумеласць, калі ласка, зразумейце гэта.
Час публікацыі: 03 студзеня 2024 г.