Optoelettronica a microonde, come suggerisce il nome, è l'intersezione tra microonde eoptoelettronicaLe microonde e le onde luminose sono onde elettromagnetiche, e le loro frequenze differiscono di molti ordini di grandezza. Di conseguenza, i componenti e le tecnologie sviluppati nei rispettivi campi sono molto diversi. Combinandole, possiamo trarre vantaggio l'una dall'altra, ottenendo al contempo nuove applicazioni e caratteristiche difficili da realizzare singolarmente.
Comunicazione otticaÈ un ottimo esempio di combinazione tra microonde e fotoelettroni. Le prime comunicazioni senza fili telefoniche e telegrafiche, la generazione, la propagazione e la ricezione dei segnali, utilizzavano tutte dispositivi a microonde. Inizialmente si utilizzavano onde elettromagnetiche a bassa frequenza perché la gamma di frequenza era limitata e la capacità del canale di trasmissione ridotta. La soluzione consisteva nell'aumentare la frequenza del segnale trasmesso: maggiore è la frequenza, maggiori sono le risorse spettrali disponibili. Tuttavia, i segnali ad alta frequenza subiscono elevate perdite di propagazione nell'aria e sono facilmente bloccati dagli ostacoli. Se si utilizzava un cavo, le perdite erano ingenti e la trasmissione a lunga distanza risultava problematica. L'avvento della comunicazione in fibra ottica ha rappresentato un'ottima soluzione a questi problemi.fibra otticaha 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 ditrasmissione otticaLa comunicazione tramite fibra ottica è diventata la spina dorsale della trasmissione di informazioni odierna.
La comunicazione ottica ha una lunga storia, la ricerca e le applicazioni sono molto estese e mature, quindi non è necessario aggiungere altro. Questo articolo si concentra principalmente sui nuovi contenuti di ricerca nel campo dell'optoelettronica a microonde degli ultimi anni, oltre alla comunicazione ottica. L'optoelettronica a microonde utilizza principalmente metodi e tecnologie del settore optoelettronico come veicolo per migliorare e raggiungere prestazioni e applicazioni difficilmente ottenibili con i componenti elettronici a microonde tradizionali. Dal punto di vista applicativo, comprende principalmente i seguenti tre aspetti.
La prima consiste nell'utilizzo dell'optoelettronica per generare segnali a microonde ad alte prestazioni e a basso rumore, dalla banda X fino alla banda THz.
In secondo luogo, l'elaborazione del segnale a microonde. Ciò include ritardo, filtraggio, 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, ovvero la generazione del segnale a microonde. Le tradizionali microonde a onde millimetriche vengono generate principalmente da componenti microelettronici III-V. I loro limiti sono i seguenti: in primo luogo, alle alte frequenze, come quelle superiori a 100 GHz, la microelettronica tradizionale può produrre una potenza sempre minore, mentre per i segnali THz a frequenza più elevata non è in grado di fare nulla. In secondo luogo, per ridurre il rumore di fase e migliorare la stabilità di frequenza, il dispositivo originale deve essere collocato in un ambiente a temperatura estremamente bassa. In terzo luogo, è difficile ottenere un'ampia gamma di modulazione e conversione di frequenza. Per risolvere questi problemi, la tecnologia optoelettronica può svolgere un ruolo importante. I principali metodi sono descritti di seguito.
1. Attraverso la differenza di frequenza di due segnali laser a frequenza diversa, un fotorivelatore ad alta frequenza viene utilizzato per convertire i segnali a microonde, come mostrato in 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 è possibile effettuare una conversione di frequenza rapida su un ampio intervallo, con scansione della frequenza. Lo svantaggio è che la larghezza di riga 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 elevata, soprattutto se si utilizza un laser a semiconduttore con un volume ridotto ma una larghezza di riga elevata (~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 fibracavità esternalaser a semiconduttore, ecc. Inoltre, è possibile utilizzare due diverse modalità di segnali laser generati nella stessa cavità laser per generare una frequenza diversa, migliorando così notevolmente le prestazioni di stabilità della frequenza delle microonde.
2. Per risolvere il problema dell'incoerenza dei due laser nel metodo precedente e dell'eccessivo rumore di fase generato, la coerenza tra i due laser può essere ottenuta mediante il metodo di aggancio di fase con blocco di frequenza a iniezione o tramite un circuito di aggancio di fase a retroazione negativa. La Figura 2 mostra una tipica applicazione dell'aggancio di fase a iniezione per generare segnali multipli a 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 segnali ottici multipli di frequenze diverse con uguale spaziatura di frequenza, ovvero pettini di frequenza ottica. Naturalmente, il metodo comunemente utilizzato per ottenere un pettine di frequenza ottica ad ampio spettro è quello di utilizzare un laser a blocco di modo. Due segnali qualsiasi del pettine di frequenza ottica generato vengono selezionati tramite filtraggio e iniettati rispettivamente nel laser 1 e nel laser 2 per realizzare l'aggancio di frequenza e di fase. Poiché la fase tra i diversi segnali del pettine di frequenza ottica è relativamente stabile, anche la fase relativa tra i due laser è stabile, e quindi, mediante il metodo della frequenza differenza 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. Schema del segnale di raddoppio di frequenza a microonde generato mediante aggancio di frequenza a iniezione.
Un altro modo per ridurre il rumore di fase relativo dei due laser è quello di utilizzare un PLL ottico a retroazione negativa, come mostrato in Figura 3.
Figura 3. Schema di funzionamento dell'OPL.
Il principio di funzionamento di un PLL ottico è simile a quello di un PLL in elettronica. La differenza di fase tra i due laser viene convertita in un segnale elettrico da un fotorivelatore (equivalente a un rivelatore di fase), e successivamente la differenza di fase tra i due laser viene calcolata tramite una differenza di frequenza con un segnale di riferimento a microonde, che viene amplificato e filtrato e quindi retroazionato all'unità di controllo della frequenza di uno dei laser (nel caso dei laser a semiconduttore, si tratta della corrente di iniezione). Attraverso un anello di retroazione negativa, la fase relativa tra i due segnali laser viene sincronizzata con il segnale di riferimento a microonde. Il segnale ottico risultante può quindi essere trasmesso tramite fibre ottiche a un fotorivelatore esterno e riconvertito in un segnale a microonde. Il rumore di fase del segnale a microonde risultante è pressoché identico a quello del segnale di riferimento all'interno della banda passante dell'anello di retroazione negativa a fase agganciata. Il rumore di fase al di fuori di tale banda passante è pari al rumore di fase relativo dei due laser originali non sincronizzati.
Inoltre, la sorgente del segnale a microonde di riferimento può essere convertita anche da altre sorgenti di segnale tramite raddoppio di frequenza, divisione di frequenza o altre elaborazioni di frequenza, in modo che il segnale a microonde a bassa frequenza possa essere moltiplicato o convertito in segnali RF e THz ad alta frequenza.
Rispetto al blocco di frequenza a iniezione, che consente solo il raddoppio della frequenza, i circuiti a blocco di fase (PLL) sono più flessibili, possono produrre frequenze pressoché arbitrarie e, naturalmente, sono più complessi. Ad esempio, il pettine di frequenza ottica generato dal modulatore fotoelettrico in Figura 2 viene utilizzato come sorgente luminosa e il circuito a blocco di fase ottico viene utilizzato per bloccare selettivamente la frequenza dei due laser sui due segnali del pettine ottico, generando così segnali ad alta frequenza tramite la differenza di frequenza, 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 differenza di frequenza tra i due laser.
Figura 4. Schema di generazione di frequenze arbitrarie tramite pettini di frequenza ottica e PLLS.
3. Utilizzare un laser a impulsi a blocco di modo per convertire il segnale a impulsi ottici in segnale a microonde attraversofotorivelatore.
Il principale vantaggio di questo metodo è la possibilità di ottenere un segnale con un'ottima stabilità di frequenza e un rumore di fase molto basso. Bloccando la frequenza del laser su uno spettro di transizione atomica e molecolare molto stabile, o su una cavità ottica estremamente stabile, e utilizzando sistemi di eliminazione della frequenza di auto-raddoppio e altre tecnologie, è possibile ottenere un segnale a impulsi ottici 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 i laser a blocco di modo tradizionali sono di grandi dimensioni, è difficile ottenere direttamente segnali a microonde ad alta frequenza. Inoltre, le dimensioni, il peso e il consumo energetico dei laser a impulsi tradizionali, così come i severi requisiti ambientali, ne limitano le applicazioni, principalmente in laboratorio. Per superare queste difficoltà, negli Stati Uniti e in Germania sono recentemente iniziate ricerche che utilizzano effetti non lineari per generare pettini ottici a frequenza stabile in cavità ottiche a modo chirp molto piccole e di alta qualità, che a loro volta generano segnali a microonde ad alta frequenza e a basso rumore.
4. oscillatore optoelettronico, Figura 6.
Figura 6. Schema di un oscillatore accoppiato fotoelettricamente.
Uno dei metodi tradizionali per generare microonde o laser consiste nell'utilizzare un circuito chiuso ad auto-retroazione. Finché il guadagno del circuito chiuso è maggiore delle perdite, l'oscillazione auto-eccitata può produrre 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 le perdite di propagazione. Tuttavia, un circuito più lungo può solitamente supportare la generazione di più modalità di oscillazione e, se si aggiunge un filtro a banda stretta, è possibile ottenere un segnale di oscillazione a microonde a bassa rumorosità e a frequenza singola. L'oscillatore fotoelettrico accoppiato (POC) è una sorgente di segnale a microonde basata su questa idea. Sfrutta appieno le caratteristiche di bassa perdita di propagazione della fibra, utilizzando una fibra più lunga per migliorare il valore Q del circuito e produrre un segnale a microonde con un rumore di fase molto basso. Da quando questo metodo è stato proposto negli anni '90, questo tipo di oscillatore è stato oggetto di numerose ricerche e di un notevole sviluppo, e attualmente esistono in commercio oscillatori fotoelettrici accoppiati. Più recentemente, sono stati sviluppati oscillatori fotoelettrici le cui frequenze possono essere regolate su un ampio intervallo. Il problema principale delle sorgenti di segnale a microonde basate su questa architettura è che la spira è lunga e il rumore nel suo flusso libero (FSR) e la sua doppia frequenza aumentano significativamente. 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 alle interferenze ambientali.
Quanto sopra illustra brevemente diversi metodi di generazione di segnali a microonde tramite fotoelettroni, nonché i relativi vantaggi e svantaggi. Infine, l'utilizzo dei fotoelettroni per la produzione di microonde presenta un ulteriore vantaggio: il segnale ottico può essere distribuito attraverso la fibra ottica con perdite molto basse, consentendo la trasmissione a lunga distanza a ciascun terminale utente e la successiva conversione in segnali a microonde. Inoltre, la capacità di resistere alle interferenze elettromagnetiche risulta significativamente migliorata rispetto ai componenti elettronici tradizionali.
La stesura di questo articolo è principalmente a scopo di riferimento e, combinata con la ricerca e l'esperienza personale dell'autore in questo campo, può contenere imprecisioni e incompletezze. Si prega di tenerne conto.
Data di pubblicazione: 3 gennaio 2024