Optoelettronica a microonde, come suggerisce il nome, è l'intersezione di microonde eoptoelettronica. Le microonde e le onde luminose sono onde elettromagnetiche e le frequenze sono molti ordini di grandezza diversi e i componenti e le tecnologie sviluppati nei rispettivi campi sono molto diversi. In combinazione, possiamo trarre vantaggio l'uno dell'altro, ma possiamo ottenere nuove applicazioni e caratteristiche che sono difficili da realizzare rispettivamente.
Comunicazione otticaè un ottimo esempio della combinazione di microonde e fotoelettroni. Comunicazioni wireless del telefono e del telegrafo precoce, la generazione, la propagazione e la ricezione dei segnali, tutti hanno utilizzato dispositivi a microonde. Le onde elettromagnetiche a bassa frequenza vengono inizialmente utilizzate perché l'intervallo di frequenza è piccola e la capacità del canale per la trasmissione è piccola. La soluzione è aumentare la frequenza del segnale trasmesso, maggiore è la frequenza, maggiore è le risorse dello spettro. Ma il segnale ad alta frequenza nella perdita di propagazione dell'aria è grande, ma anche facile da bloccare da ostacoli. Se viene utilizzato il cavo, la perdita del cavo è grande e la trasmissione a lunga distanza è un problema. L'emergere della comunicazione in fibra ottica è una buona soluzione a questi problemi.Fibra otticaHa una perdita di trasmissione molto bassa ed è un ottimo vettore per la trasmissione di segnali per lunghe distanze. La gamma di frequenze di onde luminose è molto maggiore di quella delle microonde e può trasmettere contemporaneamente molti canali diversi. A causa di questi vantaggi ditrasmissione ottica, La comunicazione in fibra ottica è diventata la spina dorsale della trasmissione delle informazioni di oggi.
La comunicazione ottica ha una lunga storia, ricerca e applicazione sono molto estese e mature, qui non significa di più. Questo documento introduce principalmente il nuovo contenuto di ricerca dell'optoelettronica a microonde negli ultimi anni oltre alla comunicazione ottica. Optoelectronics a microonde utilizza principalmente i metodi e le tecnologie nel campo dell'optoelettronica come vettore per migliorare e raggiungere le prestazioni e l'applicazione che sono difficili da raggiungere con i tradizionali componenti elettronici a microonde. Dal punto di vista dell'applicazione, include principalmente i seguenti tre aspetti.
Il primo è l'uso dell'optoelettronica per generare segnali a microonde ad alte prestazioni e a basso rumore, dalla banda X fino alla banda THZ.
In secondo luogo, elaborazione del segnale a microonde. Tra cui ritardo, filtro, conversione di frequenza, ricezione e così via.
In terzo luogo, la trasmissione di segnali analogici.
In questo articolo, l'autore introduce solo la prima parte, la generazione del segnale a microonde. L'onda millimetrica a microonde tradizionale è generata principalmente da componenti microelettronici III_V. Le sue limitazioni hanno i seguenti punti: in primo luogo, ad alte frequenze come 100 GHz sopra, la microelettronica tradizionale può produrre sempre meno potenza, al segnale THZ a frequenza più elevata, non possono fare nulla. In secondo luogo, al fine di ridurre il rumore di fase e migliorare la stabilità della frequenza, il dispositivo originale deve essere collocato in un ambiente di temperatura estremamente bassa. In terzo luogo, è difficile ottenere una vasta gamma di conversione di frequenza di modulazione di frequenza. Per risolvere questi problemi, la tecnologia optoelettronica può svolgere un ruolo. I metodi principali sono descritti di seguito.
1. Attraverso la frequenza di differenza di due diversi segnali laser a frequenza, viene utilizzato un fototetettore ad alta frequenza per convertire i segnali a microonde, come mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Diagramma schematico delle microonde generata dalla frequenza di differenza di duelaser.
I vantaggi di questo metodo sono una struttura semplice, può generare onde millimetriche estremamente ad alta frequenza e persino segnale di frequenza THz e regolando la frequenza del laser può eseguire una vasta gamma di conversione a frequenza rapida, frequenza di spazzatura. Lo svantaggio è che la larghezza di linea o il rumore di fase del segnale di frequenza di differenza generato da due segnali laser non correlati è relativamente grande e la stabilità della frequenza non è alta, soprattutto se viene utilizzato un laser a semiconduttore con un piccolo volume ma una larghezza di linea di grande (~ MHz). Se i requisiti del volume del peso del sistema non sono elevati, è possibile utilizzare laser a stato solido a basso rumore (~ kHz),laser in fibra, cavità esternalaser a semiconduttore, ecc. Inoltre, possono anche essere utilizzate due diverse modalità di segnali laser generati nella stessa cavità laser per generare una frequenza di differenza, in modo che le prestazioni di stabilità della frequenza a microonde siano notevolmente migliorate.
2. Al fine di risolvere il problema che i due laser nel metodo precedente sono incoerenti e il rumore della fase del segnale generato è troppo grande, la coerenza tra i due laser può essere ottenuta mediante il metodo di bloccaggio della fase di bloccaggio della frequenza di iniezione o il circuito di bloccaggio della fase di feedback negativo. La Figura 2 mostra un'applicazione tipica del blocco iniezione per generare multipli a microonde (Figura 2). Iniettando direttamente segnali di corrente ad alta frequenza in un laser a semiconduttore o utilizzando un modulatore in fase Linbo3, è possibile generare più segnali ottici di diverse frequenze con spaziatura a frequenza uguale o pettini di frequenza ottica. Naturalmente, il metodo comunemente usato per ottenere un pettine di frequenza ottica ad ampio spettro consiste nell'utilizzare un laser bloccato in modalità. Eventuali due segnali di pettine nel pettine di frequenza ottica generata sono selezionati rispettivamente filtrando e iniettati rispettivamente nel laser 1 e 2 per realizzare rispettivamente la frequenza e il blocco delle fasi. Poiché la fase tra i diversi segnali di pettine del pettine di frequenza ottica è relativamente stabile, in modo che la fase relativa tra i due laser sia stabile e quindi dal metodo della frequenza di differenza come descritto in precedenza, è possibile ottenere il segnale a microonde a frequenza multipla della velocità di ripetizione del pettine di frequenza ottica.
Figura 2. Diagramma schematico del segnale di raddoppio della frequenza a microonde generato dal blocco della frequenza di iniezione.
Un altro modo per ridurre il rumore di fase relativo dei due laser è utilizzare un PLL ottico di feedback negativo, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Diagramma schematico di 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 fotodittore (equivalente a un rilevatore di fase), e quindi la differenza di fase tra i due laser si ottiene facendo una frequenza di differenza con una sorgente di segnale a microonde di riferimento, che è amplificata e filtrata e filtrata e quindi alimentata all'unità di controllo della frequenza di una delle laser (per semiconduttore la fonte di ingezione). Attraverso un tale ciclo di controllo di feedback negativo, la fase di frequenza relativa tra i due segnali laser viene bloccata al segnale a microonde di riferimento. Il segnale ottico combinato può quindi essere trasmesso tramite fibre ottiche a un fotodittore altrove e convertito in un segnale a microonde. Il rumore di fase risultante del segnale a microonde è quasi uguale a quello del segnale di riferimento all'interno della larghezza di banda del circuito di feedback negativo bloccato in fase. Il rumore di fase al di fuori della larghezza di banda è uguale al rumore di fase relativo dei due laser non correlati originali.
Inoltre, la sorgente del segnale a microonde di riferimento può anche essere convertita da altre sorgenti del segnale attraverso il raddoppio della frequenza, la frequenza divisore o altre elaborazioni in frequenza, in modo che il segnale a microonde a bassa frequenza possa essere multidouvoluto o convertito in segnali RF ad alta frequenza, THZ.
Rispetto al blocco della frequenza di iniezione può solo ottenere raddoppio della frequenza, i loop bloccati in fase sono più flessibili, possono produrre frequenze quasi arbitrarie e, naturalmente, più complesse. For example, the optical frequency comb generated by the photoelectric modulator in Figure 2 is used as the light source, and the optical phase-locked loop is used to selectively lock the frequency of the two lasers to the two optical comb signals, and then generate high-frequency signals through the difference frequency, as shown in Figure 4. f1 and f2 are the reference signal frequencies of the two PLLS respectively, and a microwave signal of N*FREP+F1+F2 può essere generato dalla frequenza di differenza tra i due laser.
Figura 4. Diagramma schematico della generazione di frequenze arbitrarie usando pettini di frequenza ottica e PLL.
3. Utilizzare laser a impulsi bloccati in modalità per convertire il segnale dell'impulso ottico nel segnale a microonde attraversoFotoDetector.
Il vantaggio principale di questo metodo è che è possibile ottenere un segnale con una stabilità di frequenza molto buona e un rumore di fase molto basso. Bloccando la frequenza del laser a uno spettro di transizione atomico e molecolare molto stabile, o una cavità ottica estremamente stabile, e l'uso della frequenza di frequenza di eliminazione di frequenza di autoregolamento e altre tecnologie, possiamo ottenere un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di polso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con un segnale di impulso ottico molto stabile con una frequenza di ripetizione molto stabile, in modo da ottenere un segnale a microonde con un segnale di fase ultra. Figura 5.
Figura 5. Confronto del rumore di fase relativo di diverse sorgenti di segnale.
Tuttavia, poiché la velocità di ripetizione degli impulsi è inversamente proporzionale alla lunghezza della cavità del laser e il tradizionale laser in modalità blocco è grande, è difficile ottenere segnali a microonde ad alta frequenza direttamente. Inoltre, le dimensioni, il peso e il consumo di energia dei laser pulsati tradizionali, nonché i severi requisiti ambientali, limitano le loro applicazioni principalmente di laboratorio. Per superare queste difficoltà, la ricerca è recentemente iniziata negli Stati Uniti e in Germania usando effetti non lineari per generare pettini ottici stabili in frequenza in cavità ottiche di cinguettio molto piccoli e di alta qualità, che a loro volta generano segnali a microonde a bassa frequenza ad alta frequenza.
4. Oscillatore elettronico OPTO, Figura 6.
Figura 6. Diagramma schematico dell'oscillatore accoppiato fotoelettrico.
Uno dei metodi tradizionali per generare microonde o laser è quello di utilizzare un ciclo chiuso di auto-feedback, a condizione che il guadagno nel ciclo chiuso sia maggiore della perdita, l'oscillazione autoescitata può produrre microonde o laser. Maggiore è il fattore di qualità Q del ciclo chiuso, minore è la fase del segnale generata o il rumore di frequenza. Al fine di aumentare il fattore di qualità del ciclo, il modo diretto è aumentare la lunghezza del ciclo e ridurre al minimo la perdita di propagazione. Tuttavia, un ciclo più lungo può di solito supportare la generazione di più modalità di oscillazione e se viene aggiunto un filtro a larghezza di banda stretta, è possibile ottenere un segnale di oscillazione a microonde a basso nuca singola. L'oscillatore accoppiato fotoelettrico è una sorgente di segnale a microonde basata su questa idea, fa a pieno uso delle caratteristiche di perdita di propagazione a bassa propagazione della fibra, usando una fibra più lunga per migliorare il valore Q loop, può produrre un segnale a microonde con rumore di fase molto basso. Poiché il metodo è stato proposto negli anni '90, questo tipo di oscillatore ha ricevuto una ricerca approfondita e un notevole sviluppo e attualmente ci sono oscillatori accoppiati fotoelettrici commerciali. Più recentemente, sono stati sviluppati oscillatori fotoelettrici le cui frequenze possono essere regolate su una vasta gamma. Il problema principale delle origini del segnale a microonde basate su questa architettura è che il ciclo è lungo e il rumore nel suo flusso libero (FSR) e la sua doppia frequenza saranno significativamente aumentati. Inoltre, i componenti fotoelettrici utilizzati sono più, il costo è elevato, il volume è difficile da ridurre e la fibra più lunga è più sensibile ai disturbi ambientali.
Quanto sopra introduce brevemente diversi metodi di generazione di fotoelettroni di segnali a microonde, nonché i loro vantaggi e svantaggi. Infine, l'uso di fotoelettroni per produrre a microonde ha un altro vantaggio è che il segnale ottico può essere distribuito attraverso la fibra ottica con perdita molto bassa, trasmissione a lunga distanza a ciascun terminale di utilizzo e quindi convertito in segnali a microonde e la capacità di resistere all'interferenza elettromagnetica è significativamente migliorata rispetto ai tradizionali componenti elettronici.
La scrittura di questo articolo è principalmente per riferimento e combinata con l'esperienza di ricerca e l'esperienza dell'autore in questo campo, ci sono inesattezze e incomprensività, per favore comprendi.
Tempo post: gennaio-03-2024