Optoelettronica a microonde, come suggerisce il nome, è l'intersezione di microonde eoptoelettronicaLe microonde e le onde luminose sono onde elettromagnetiche, le cui frequenze differiscono di molti ordini di grandezza, e i componenti e le tecnologie sviluppati nei rispettivi campi sono molto diversi. Combinandole, possiamo trarre vantaggio l'una dall'altra, ma possiamo ottenere nuove applicazioni e caratteristiche difficili da realizzare rispettivamente.
Comunicazione otticaÈ un ottimo esempio della combinazione di microonde e fotoelettroni. Le prime comunicazioni senza fili telefoniche e telegrafiche, la generazione, la propagazione e la ricezione dei segnali, utilizzavano tutti dispositivi a microonde. Inizialmente si utilizzavano onde elettromagnetiche a bassa frequenza perché la gamma di frequenza era ridotta e la capacità del canale di trasmissione era ridotta. La soluzione consisteva nell'aumentare la frequenza del segnale trasmesso: maggiore era la frequenza, maggiori erano le risorse spettrali. Tuttavia, il segnale ad alta frequenza nella propagazione aerea presentava notevoli perdite, oltre a essere facilmente bloccato da ostacoli. Se si utilizzava il cavo, la perdita di segnale era elevata e la trasmissione a lunga distanza rappresentava un problema. L'avvento della fibra ottica rappresenta una buona soluzione a questi problemi.Fibra otticaPresenta una perdita di trasmissione molto bassa ed è un eccellente vettore per la trasmissione di segnali su lunghe distanze. La gamma di frequenza delle onde luminose è molto più ampia di quella delle microonde e può trasmettere molti canali diversi simultaneamente. Grazie a questi vantaggi,trasmissione ottica, la comunicazione in fibra ottica è diventata la spina dorsale dell'attuale trasmissione delle informazioni.
Le comunicazioni ottiche hanno una lunga storia, la ricerca e le applicazioni sono molto estese e mature, ma non è il caso di aggiungere altro. Questo articolo presenta principalmente i nuovi contenuti di ricerca dell'optoelettronica a microonde degli ultimi anni, oltre alle comunicazioni ottiche. L'optoelettronica a microonde utilizza principalmente metodi e tecnologie nel campo dell'optoelettronica come vettore per migliorare e raggiungere prestazioni e applicazioni difficili da ottenere con i tradizionali componenti elettronici a microonde. Dal punto di vista applicativo, include principalmente i tre aspetti seguenti.
Il primo è l'uso dell'optoelettronica per generare segnali a microonde ad alte prestazioni e basso rumore, dalla banda X fino alla banda THz.
In secondo luogo, l'elaborazione del segnale a microonde. Include ritardo, filtraggio, conversione di frequenza, ricezione e così via.
Terzo, la trasmissione dei segnali analogici.
In questo articolo, l'autore introduce solo la prima parte, la generazione del segnale a microonde. Le microonde tradizionali a onde millimetriche sono generate principalmente da componenti microelettronici iii_V. I suoi limiti sono i seguenti: in primo luogo, ad alte frequenze come i 100 GHz, la microelettronica tradizionale può produrre sempre meno potenza, mentre per il segnale THz a frequenza più alta, non può fare nulla. In secondo luogo, per ridurre il rumore di fase e migliorare la stabilità di frequenza, il dispositivo originale deve essere posizionato in un ambiente a temperatura estremamente bassa. In terzo luogo, è difficile ottenere un'ampia gamma di modulazione di frequenza per la conversione di frequenza. Per risolvere questi problemi, la tecnologia optoelettronica può svolgere un ruolo importante. I metodi principali sono descritti di seguito.
1. Sfruttando la differenza di frequenza di due segnali laser a frequenza diversa, si utilizza un fotodiodo ad alta frequenza per convertire i segnali a microonde, come mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Diagramma schematico delle microonde generate dalla differenza di frequenza di duelaser.
I vantaggi di questo metodo sono la struttura semplice, la possibilità di generare onde millimetriche ad altissima frequenza e persino segnali a frequenza THz e, regolando la frequenza del laser, la possibilità di eseguire un'ampia gamma di conversioni di frequenza e di sweep rapide. Lo svantaggio è che la larghezza di linea o il rumore di fase del segnale a differenza di frequenza generato da due segnali laser non correlati è relativamente elevato e la stabilità di frequenza non è elevata, soprattutto se si utilizza un laser a semiconduttore con un volume ridotto ma un'ampia larghezza di linea (~ MHz). Se i requisiti di peso e volume del sistema non sono elevati, è possibile utilizzare laser a stato solido a basso rumore (~ kHz).laser a fibra, cavità esternalaser a semiconduttore, ecc. Inoltre, è possibile utilizzare due diverse modalità di segnali laser generati nella stessa cavità laser per generare una frequenza differente, in modo da migliorare notevolmente le prestazioni di stabilità della frequenza delle microonde.
2. Per risolvere il problema dell'incoerenza dei due laser nel metodo precedente e dell'eccessiva intensità del rumore di fase generato, la coerenza tra i due laser può essere ottenuta mediante il metodo di aggancio di fase con blocco di frequenza di iniezione o il circuito di aggancio di fase a retroazione negativa. La Figura 2 mostra una tipica applicazione dell'aggancio di iniezione per generare multipli di microonde (Figura 2). Iniettando direttamente segnali di corrente ad alta frequenza in un laser a semiconduttore, o utilizzando un modulatore di fase LinBO3, è possibile generare più segnali ottici di frequenze diverse con uguale spaziatura di frequenza, o pettini di frequenza ottica. Naturalmente, il metodo comunemente utilizzato per ottenere un pettine di frequenza ottica ad ampio spettro è l'utilizzo di un laser mode-locked. Due segnali qualsiasi del pettine di frequenza ottica generato vengono selezionati mediante filtraggio e iniettati rispettivamente nei laser 1 e 2 per realizzare rispettivamente il bloccaggio di frequenza e di fase. Poiché la fase tra i diversi segnali del pettine di frequenza ottica è relativamente stabile, così come la fase relativa tra i due laser è stabile, e quindi con il metodo della differenza di frequenza come descritto in precedenza, è possibile ottenere il segnale a microonde a frequenza multipla della frequenza di ripetizione del pettine di frequenza ottica.
Figura 2. Diagramma schematico del segnale di raddoppio della frequenza delle microonde generato dal bloccaggio della frequenza di iniezione.
Un altro modo per ridurre il rumore di fase relativo dei due laser è quello di utilizzare un PLL ottico a feedback negativo, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Diagramma schematico dell'OPL.
Il principio del PLL ottico è simile a quello del PLL nel campo dell'elettronica. La differenza di fase dei due laser viene convertita in un segnale elettrico da un fotodiodo (equivalente a un rivelatore di fase), e quindi la differenza di fase tra i due laser viene ottenuta creando una differenza di frequenza con una sorgente di segnale a microonde di riferimento, che viene amplificata e filtrata e quindi reimmessa nell'unità di controllo della frequenza di uno dei laser (per i laser a semiconduttore, è la corrente di iniezione). Attraverso questo anello di controllo a retroazione negativa, la fase di frequenza relativa tra i due segnali laser viene agganciata al segnale a microonde di riferimento. Il segnale ottico combinato può quindi essere trasmesso tramite fibre ottiche a un fotodiodo altrove e convertito in un segnale a microonde. Il rumore di fase risultante del segnale a microonde è pressoché uguale a quello del segnale di riferimento all'interno della larghezza di banda dell'anello di retroazione negativa ad aggancio di fase. Il rumore di fase al di fuori della larghezza di banda è uguale al rumore di fase relativo dei due laser originali non correlati.
Inoltre, la sorgente del segnale a microonde di riferimento può anche essere convertita da altre sorgenti di segnale tramite raddoppio della frequenza, divisione della frequenza o altre elaborazioni di frequenza, in modo che il segnale a microonde a bassa frequenza possa essere raddoppiato o convertito in segnali RF ad alta frequenza, THz.
Rispetto all'iniezione, il bloccaggio di frequenza può ottenere solo il raddoppio della frequenza, i loop ad aggancio di fase sono più flessibili, possono produrre frequenze quasi arbitrarie e, naturalmente, più complessi. Ad esempio, il pettine di frequenza ottico generato dal modulatore fotoelettrico in Figura 2 viene utilizzato come sorgente luminosa e il loop ottico ad aggancio di fase viene utilizzato per agganciare selettivamente la frequenza dei due laser ai due segnali del pettine ottico, generando quindi segnali ad alta frequenza attraverso la frequenza differenza, come mostrato in Figura 4. f1 e f2 sono rispettivamente le frequenze del segnale di riferimento dei due PLLS e un segnale a microonde di N*frep+f1+f2 può essere generato dalla frequenza differenza tra i due laser.
Figura 4. Diagramma schematico della generazione di frequenze arbitrarie utilizzando pettini di frequenza ottici e PLLS.
3. Utilizzare il laser a impulsi con modalità bloccata per convertire il segnale a impulsi ottici in segnale a microonde attraversofotodiodo.
Il vantaggio principale di questo metodo è la possibilità di ottenere un segnale con un'ottima stabilità in frequenza e un rumore di fase molto basso. Bloccando la frequenza del laser su uno spettro di transizione atomico e molecolare molto stabile, o su una cavità ottica estremamente stabile, e utilizzando un sistema di eliminazione di frequenza auto-raddoppiante, uno shift di frequenza e altre tecnologie, è possibile ottenere un segnale ottico a impulsi molto stabile con una frequenza di ripetizione molto stabile, in modo da ottenere un segnale a microonde con un rumore di fase estremamente basso. Figura 5.
Figura 5. Confronto del rumore di fase relativo di diverse sorgenti di segnale.
Tuttavia, poiché la frequenza di ripetizione degli impulsi è inversamente proporzionale alla lunghezza della cavità del laser e il laser tradizionale a modalità bloccata è di grandi dimensioni, è difficile ottenere direttamente segnali a microonde ad alta frequenza. Inoltre, le dimensioni, il peso e il consumo energetico dei laser pulsati tradizionali, nonché i severi requisiti ambientali, ne limitano principalmente le applicazioni di laboratorio. Per superare queste difficoltà, negli Stati Uniti e in Germania è stata recentemente avviata una ricerca che utilizza effetti non lineari per generare pettini ottici stabili in frequenza in cavità ottiche in modalità chirp molto piccole e di alta qualità, che a loro volta generano segnali a microonde ad alta frequenza e basso rumore.
4. Oscillatore optoelettronico, Figura 6.
Figura 6. Schema dell'oscillatore fotoelettrico accoppiato.
Uno dei metodi tradizionali per generare microonde o laser consiste nell'utilizzare un circuito chiuso auto-retroazionato: finché il guadagno nel circuito chiuso è maggiore della perdita, l'oscillazione autoeccitata può generare microonde o laser. Maggiore è il fattore di qualità Q del circuito chiuso, minore è il rumore di fase o di frequenza del segnale generato. Per aumentare il fattore di qualità del circuito, il metodo più diretto consiste nell'aumentare la lunghezza del circuito e minimizzare la perdita di propagazione. Tuttavia, un circuito più lungo può solitamente supportare la generazione di più modi di oscillazione e, se si aggiunge un filtro a banda stretta, è possibile ottenere un segnale di oscillazione a microonde a basso rumore e a singola frequenza. L'oscillatore fotoelettrico accoppiato (FCO) è una sorgente di segnale a microonde basata su questa idea: sfrutta appieno le caratteristiche di bassa perdita di propagazione della fibra ottica; utilizzando una fibra più lunga per migliorare il valore Q del circuito, è possibile produrre un segnale a microonde con un rumore di fase molto basso. Da quando il metodo è stato proposto negli anni '90, questo tipo di oscillatore è stato oggetto di approfondite ricerche e sviluppi considerevoli, e attualmente esistono oscillatori fotoelettrici accoppiati commerciali. Più recentemente, sono stati sviluppati oscillatori fotoelettrici le cui frequenze possono essere regolate su un ampio intervallo. Il problema principale delle sorgenti di segnali a microonde basate su questa architettura è la lunghezza del loop, che aumenta significativamente il rumore nel suo flusso libero (FSR) e la sua doppia frequenza. Inoltre, i componenti fotoelettrici utilizzati sono più numerosi, il costo è elevato, il volume è difficile da ridurre e la fibra più lunga è più sensibile ai disturbi ambientali.
Quanto sopra presenta brevemente diversi metodi di generazione di segnali a microonde tramite fotoelettroni, nonché i loro vantaggi e svantaggi. Infine, l'uso di fotoelettroni per produrre microonde presenta un ulteriore vantaggio: il segnale ottico può essere distribuito attraverso la fibra ottica con perdite molto basse, su lunghe distanze e a ciascun terminale utente, per poi essere convertito in segnali a microonde. La capacità di resistere alle interferenze elettromagnetiche è significativamente migliorata rispetto ai componenti elettronici tradizionali.
Il presente articolo è stato redatto principalmente a scopo di riferimento e, in combinazione con l'esperienza di ricerca personale dell'autore e con la sua esperienza in questo campo, potrebbe contenere inesattezze e incompletezze. Vi preghiamo di comprendere.
Data di pubblicazione: 03-01-2024