Мікрахвалевая оптаэлектроніка, як вынікае з назвы, з'яўляецца скрыжаваннем мікрахвалевай печы іоптаэлектроніка.Мікрахвалі і светлавыя хвалі - гэта электрамагнітныя хвалі, і іх частоты адрозніваюцца на шмат парадкаў, а кампаненты і тэхналогіі, распрацаваныя ў адпаведных галінах, вельмі розныя.У спалучэнні мы можам выкарыстоўваць перавагі адзін аднаго, але мы можам атрымаць новыя прыкладання і характарыстыкі, якія цяжка рэалізаваць адпаведна.
Аптычная сувязьз'яўляецца яркім прыкладам спалучэння мікрахваляў і фотаэлектронаў.Раннія тэлефонныя і тэлеграфныя бесправадныя сродкі сувязі, генерацыя, распаўсюджванне і прыём сігналаў, усё гэта выкарыстоўвала мікрахвалевыя прылады.Першапачаткова выкарыстоўваюцца нізкачашчынныя электрамагнітныя хвалі, таму што дыяпазон частот малы і прапускная здольнасць канала для перадачы малая.Рашэнне складаецца ў тым, каб павялічыць частату перадаванага сігналу, чым вышэй частата, тым больш рэсурсаў спектру.Але высокачашчынны сігнал у стратах пры распаўсюджванні ў паветры вялікі, але таксама лёгка блакуецца перашкодамі.Калі выкарыстоўваецца кабель, страты кабеля вялікія, і перадача на вялікія адлегласці з'яўляецца праблемай.З'яўленне оптавалаконнай сувязі з'яўляецца добрым рашэннем гэтых праблем.Аптычнае валакномае вельмі нізкія страты перадачы і з'яўляецца выдатным носьбітам для перадачы сігналаў на вялікія адлегласці.Дыяпазон частот светлавых хваль значна большы, чым у мікрахвалевых печаў, і яны могуць перадаваць мноства розных каналаў адначасова.Дзякуючы гэтым перавагамаптычная перадача, аптычна-валаконная сувязь стала асновай сучаснай перадачы інфармацыі.
Аптычная сувязь мае доўгую гісторыю, даследаванні і прымяненне вельмі шырокія і спелыя, тут нельга сказаць больш.Гэты артыкул у асноўным прадстаўляе новы змест даследаванняў 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, гэта ў асноўным уключае ў сябе наступныя тры аспекты.
Па-першае, гэта выкарыстанне оптаэлектронікі для генерацыі высокапрадукцыйных мікрахвалевых сігналаў з нізкім узроўнем шуму ад дыяпазону X да дыяпазону ТГц.
Па-другое, апрацоўка мікрахвалевага сігналу.Уключаючы затрымку, фільтрацыю, пераўтварэнне частоты, прыём і гэтак далей.
Па-трэцяе, перадача аналагавых сігналаў.
У гэтым артыкуле аўтар прадстаўляе толькі першую частку, генерацыю мікрахвалевага сігналу.Традыцыйная мікрахвалевая міліметровая хваля ў асноўным генеруецца мікраэлектроннымі кампанентамі iii_V.Яго абмежаванні маюць наступныя пункты: па-першае, для высокіх частот, такіх як 100 Ггц вышэй, традыцыйная мікраэлектроніка можа вырабляць усё менш і менш энергіі, для больш высокай частоты ТГц сігналу, яны не могуць зрабіць нічога.Па-другое, каб паменшыць фазавы шум і палепшыць стабільнасць частоты, арыгінальную прыладу неабходна размясціць у асяроддзі з надзвычай нізкай тэмпературай.Па-трэцяе, цяжка дасягнуць шырокага дыяпазону частотнай мадуляцыі пераўтварэнні частоты.Для вырашэння гэтых праблем пэўную ролю могуць адыграць оптаэлектронныя тэхналогіі.Асноўныя спосабы апісаны ніжэй.
1. Праз розніцу частот двух лазерных сігналаў розных частот высокачашчынны фотадэтэктар выкарыстоўваецца для пераўтварэння мікрахвалевых сігналаў, як паказана на малюнку 1.
Малюнак 1. Прынцыповая дыяграма мікрахваляў, якія генеруюцца з дапамогай рознасці частот двухлазеры.
Перавагамі гэтага метаду з'яўляюцца простая структура, можа генераваць надзвычай высокачашчынны сігнал міліметровай хвалі і нават частаты ТГц, і, рэгулюючы частату лазера, можна выконваць вялікі дыяпазон хуткага пераўтварэння частоты, частаты разгорткі.Недахопам з'яўляецца тое, што шырыня лініі або фазавы шум сігналу рознасці частот, які ствараецца двума не звязанымі лазернымі сігналамі, адносна вялікі, а стабільнасць частоты невысокая, асабліва калі паўправадніковы лазер з невялікім аб'ёмам, але вялікай шырынёй лініі (~ МГц) выкарыстоўваецца.Калі патрабаванні да аб'ёму вагі сістэмы невысокія, вы можаце выкарыстоўваць цвёрдацельныя лазеры з нізкім узроўнем шуму (~ кГц),валаконныя лазеры, вонкавая паражнінапаўправадніковыя лазеры, і г.д. Акрамя таго, два розныя рэжымы лазерных сігналаў, якія генеруюцца ў адной і той жа лазернай поласці, таксама могуць быць выкарыстаны для генерацыі рознасці частот, так што характарыстыкі стабільнасці мікрахвалевай частоты значна паляпшаюцца.
2. Каб вырашыць праблему, калі два лазеры ў папярэднім метадзе некагерэнтныя і генераваны фазавы шум сігналу занадта вялікі, кагерэнтнасць паміж двума лазерамі можа быць атрымана з дапамогай метаду фазавай блакіроўкі частаты ін'екцыі або фазы адмоўнай зваротнай сувязі ланцуг блакавання.На малюнку 2 паказана тыповае прымяненне ін'екцыйнай блакіроўкі для стварэння мікрахвалевых кратных (малюнак 2).Шляхам непасрэднай ін'екцыі высокачашчынных сігналаў току ў паўправадніковы лазер або з дапамогай фазавага мадулятара LinBO3 можна генераваць некалькі аптычных сігналаў розных частот з аднолькавым інтэрвалам паміж частотамі або аптычныя грабянцы частот.Вядома, звычайна выкарыстоўваным метадам атрымання шырокага спектру аптычных частот з'яўляецца выкарыстанне лазера з сінхранізаванай модай.Любыя два сігналы грэбня ў згенераванай аптычнай грабянцы частот выбіраюцца шляхам фільтрацыі і ўводзяцца ў лазеры 1 і 2 адпаведна для рэалізацыі частотнай і фазавай блакіроўкі адпаведна.Паколькі фаза паміж рознымі сігналамі грэбня аптычнай частоты грэбня адносна стабільная, так што адносная фаза паміж двума лазерамі стабільная, а затым метадам рознасці частот, як апісана раней, мікрахвалевы сігнал шматкратнай частаты можа быць атрымана частата паўтарэння грэбня аптычнай частоты.
Малюнак 2. Прынцыповая дыяграма мікрахвалевага сігналу падваення частоты, які генеруецца шляхам блакіроўкі частоты ін'екцыі.
Іншы спосаб паменшыць адносны фазавы шум двух лазераў - выкарыстоўваць аптычную сістэму ФАПЧ з адмоўнай зваротнай сувяззю, як паказана на малюнку 3.
Малюнак 3. Прынцыповая схема OPL.
Прынцып аптычнай ФАПЧ аналагічны прынцыпу ФАПЧ у галіне электронікі.Рознасць фаз двух лазераў пераўтворыцца ў электрычны сігнал з дапамогай фотадэтэктара (эквівалентнага фазаваму дэтэктару), а затым рознасць фаз паміж двума лазерамі атрымліваецца шляхам стварэння рознасці частот з дапамогай эталоннай крыніцы мікрахвалевага сігналу, які ўзмацняецца і фільтруецца, а затым падаецца назад у блок кіравання частатой аднаго з лазераў (для паўправадніковых лазераў гэта ток ін'екцыі).Праз такі контур кіравання адмоўнай зваротнай сувяззю фаза адноснай частоты паміж двума лазернымі сігналамі фіксуецца на эталонным мікрахвалевым сігнале.Камбінаваны аптычны сігнал можа быць перададзены праз аптычныя валокны на фотадэтэктар у іншым месцы і пераўтвораны ў мікрахвалевы сігнал.Выніковы фазавы шум мікрахвалевага сігналу амаль такі ж, як і ў апорнага сігналу ў прапускной здольнасці ланцуга адмоўнай зваротнай сувязі з фазавай аўтападстройкай.Фазавы шум па-за паласой прапускання роўны адноснаму фазаваму шуму арыгінальных двух не звязаных паміж сабой лазераў.
Акрамя таго, крыніца эталоннага мікрахвалевага сігналу таксама можа быць пераўтворана іншымі крыніцамі сігналу праз падваенне частаты, частату дзельніка або іншую апрацоўку частоты, так што нізкачашчынны мікрахвалевы сігнал можна падвоіць або пераўтварыць у высокачашчынныя сігналы РЧ, ТГц.
У параўнанні з ін'екцыйнай блакіроўкай частоты можна атрымаць толькі падваенне частоты, контуры фазавай аўтападстройкі больш гнуткія, могуць ствараць амаль адвольныя частоты і, вядома, больш складаныя.Напрыклад, аптычная частата грэбня, створаная фотаэлектрычным мадулятарам на малюнку 2, выкарыстоўваецца ў якасці крыніцы святла, а аптычная фазавая пятля выкарыстоўваецца для выбарачнай фіксацыі частоты двух лазераў з двума аптычнымі грабянцамі сігналаў, а затым для генерацыі высокачашчынныя сігналы праз розніцу частот, як паказана на малюнку 4. f1 і f2 з'яўляюцца апорнымі частотамі сігналаў двух PLLS адпаведна, і мікрахвалевы сігнал N*frep+f1+f2 можа быць згенераваны розніцай частот паміж два лазера.
Малюнак 4. Прынцыповая дыяграма генерацыі адвольных частот з дапамогай аптычных частотных грэбняў і PLLS.
3. Выкарыстоўвайце імпульсны лазер з блакіроўкай рэжыму для пераўтварэння аптычнага імпульснага сігналу ў мікрахвалевы сігналфотадэтэктар.
Асноўная перавага гэтага метаду заключаецца ў тым, што можна атрымаць сігнал з вельмі добрай стабільнасцю частоты і вельмі нізкім фазавым шумам.Прывязваючы частату лазера да вельмі стабільнага спектру атамнага і малекулярнага пераходу або надзвычай стабільнай аптычнай паражніны, а таксама выкарыстоўваючы зрух частоты сістэмы ліквідацыі самападваення частоты і іншыя тэхналогіі, мы можам атрымаць вельмі стабільны сігнал аптычнага імпульсу з вельмі стабільная частата паўтарэння, каб атрымаць мікрахвалевы сігнал са звышнізкім фазавым шумам.Малюнак 5.
Малюнак 5. Параўнанне адноснага фазавага шуму розных крыніц сігналу.
Аднак, паколькі частата паўтарэння імпульсаў адваротна прапарцыйная даўжыні рэзонатара лазера, а традыцыйны лазер з сінхранізаванай модай вялікі, цяжка атрымаць непасрэдна высокачашчынныя мікрахвалевыя сігналы.Акрамя таго, памер, вага і энергаспажыванне традыцыйных імпульсных лазераў, а таксама жорсткія экалагічныя патрабаванні абмяжоўваюць іх у асноўным лабараторнае прымяненне.Каб пераадолець гэтыя цяжкасці, у Злучаных Штатах і Германіі нядаўна пачаліся даследаванні з выкарыстаннем нелінейных эфектаў для стварэння частотна-стабільных аптычных грэбняў у вельмі маленькіх, высакаякасных аптычных поласцях у рэжыме чырпа, якія, у сваю чаргу, генеруюць высокачашчынныя мікрахвалевыя сігналы з нізкім узроўнем шуму.
4. Оптаэлектронны асцылятар, малюнак 6.
Малюнак 6. Прынцыповая дыяграма фотаэлектрычнага асцылятара.
Адным з традыцыйных метадаў генерацыі мікрахваляў або лазераў з'яўляецца выкарыстанне замкнёнага контуру з самазваротнай сувяззю. Пакуль узмацненне ў замкнёным контуры большае за страты, аўтаваганні могуць вырабляць мікрахвалі або лазеры.Чым вышэй каэфіцыент якасці Q замкнёнага контуру, тым меншая фаза сігналу або частотны шум.Для таго, каб павялічыць каэфіцыент якасці цыкла, прамы шлях - павялічыць даўжыню цыкла і мінімізаваць страты пры распаўсюджванні.Тым не менш, больш доўгая пятля звычайна можа падтрымліваць генерацыю некалькіх рэжымаў ваганняў, і калі дадаць вузкапалосны фільтр, можна атрымаць адначастотны сігнал мікрахвалевых ваганняў з нізкім узроўнем шуму.Фотаэлектрычны асцылятар з'яўляецца крыніцай мікрахвалевага сігналу, заснаванага на гэтай ідэі. Ён у поўнай меры выкарыстоўвае характарыстыкі нізкіх страт пры распаўсюджванні валакна, выкарыстоўвае больш доўгае валакно для паляпшэння значэння Q цыкла, можа ствараць мікрахвалевы сігнал з вельмі нізкім фазавым шумам.З таго часу, як гэты метад быў прапанаваны ў 1990-х гадах, гэты тып асцылятара атрымаў шырокія даследаванні і значнае развіццё, і ў цяперашні час камерцыйныя асцылятары з фотаэлектрычнай сувяззю.Зусім нядаўна былі распрацаваны фотаэлектрычныя асцылятары, частоты якіх можна рэгуляваць у шырокім дыяпазоне.Асноўная праблема крыніц мікрахвалевага сігналу, заснаваных на гэтай архітэктуры, заключаецца ў тым, што цыкл доўгі, і шум у яго свабодным патоку (FSR) і яго двайная частата будуць значна ўзрастаць.Акрамя таго, выкарыстоўваецца больш фотаэлектрычных кампанентаў, высокі кошт, цяжка паменшыць аб'ём, а больш доўгае валакно больш адчувальнае да парушэння навакольнага асяроддзя.
Вышэй коратка прадстаўлены некалькі метадаў фотаэлектроннай генерацыі мікрахвалевых сігналаў, а таксама іх перавагі і недахопы.Нарэшце, выкарыстанне фотаэлектронаў для вытворчасці мікрахвалевых печаў мае яшчэ адну перавагу ў тым, што аптычны сігнал можа распаўсюджвацца па аптычным валакне з вельмі нізкімі стратамі, перадачай на вялікую адлегласць да кожнага карыстацкага тэрмінала, а затым пераўтварацца ў мікрахвалевыя сігналы, і здольнасць супрацьстаяць электрамагнітным перашкоды значна палепшаны, чым традыцыйныя электронныя кампаненты.
Напісанне гэтага артыкула ў асноўным для даведкі, і ў спалучэнні з уласным вопытам даследаванняў аўтара і вопытам у гэтай галіне, ёсць недакладнасці і незразумеласць, калі ласка, зразумейце.
Час публікацыі: 3 студзеня 2024 г