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 differiscono di molti ordini di grandezza, così come i componenti e le tecnologie sviluppate nei rispettivi campi sono molto diversi.In combinazione possiamo trarre vantaggio l'uno dall'altro, ma possiamo ottenere nuove applicazioni e caratteristiche rispettivamente difficili da realizzare.
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 vengono utilizzate onde elettromagnetiche a bassa frequenza perché la gamma di frequenza è piccola e la capacità del canale di trasmissione è ridotta.La soluzione è aumentare la frequenza del segnale trasmesso, maggiore è la frequenza, maggiori sono le risorse dello spettro.Ma la perdita del segnale ad alta frequenza nella propagazione dell'aria è ampia, ma può anche essere facilmente bloccata da ostacoli.Se si utilizza il cavo, la perdita del cavo è elevata e la trasmissione a lunga distanza rappresenta 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'eccellente portante per la trasmissione di segnali su lunghe distanze.La gamma di frequenza delle onde luminose è molto maggiore di quella delle microonde e può trasmettere molti canali diversi contemporaneamente.A causa di questi vantaggi ditrasmissione ottica, la comunicazione in fibra ottica è diventata la spina dorsale dell'odierna trasmissione delle informazioni.
La comunicazione ottica ha una lunga storia, la ricerca e l'applicazione sono molto estese e mature, qui non c'è che dire di più.Questo articolo introduce principalmente i nuovi contenuti di ricerca sull'optoelettronica a microonde negli ultimi anni diversi dalla comunicazione ottica.L'optoelettronica a microonde utilizza principalmente metodi e tecnologie nel campo dell'optoelettronica come vettore per migliorare e ottenere prestazioni e applicazioni difficili da ottenere con i tradizionali componenti elettronici a microonde.Dal punto di vista dell’applicazione, comprende 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, l'elaborazione del segnale a microonde.Inclusi 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, la generazione del segnale a microonde.L'onda millimetrica tradizionale delle microonde è generata principalmente da componenti microelettronici iii_V.I suoi limiti hanno i seguenti punti: in primo luogo, alle alte frequenze come 100GHz sopra, la microelettronica tradizionale può produrre sempre meno energia, al segnale THz a frequenza più alta, non possono fare nulla.In secondo luogo, per ridurre il rumore di fase e migliorare la stabilità della frequenza, il dispositivo originale deve essere collocato in un ambiente a temperatura estremamente bassa.In terzo luogo, è difficile ottenere un'ampia gamma di conversioni 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 differenza di frequenza di due segnali laser a frequenza diversa, viene utilizzato un fotorilevatore 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 a frequenza estremamente elevata e persino segnali di frequenza THz e, regolando la frequenza del laser, è possibile eseguire un'ampia gamma di conversioni rapide di frequenza e frequenza di scansione.Lo svantaggio è che la larghezza di linea o il rumore di fase del segnale di differenza di frequenza generato da due segnali laser non correlati è relativamente grande e la stabilità della frequenza non è elevata, soprattutto se viene utilizzato un laser a semiconduttore con un volume piccolo ma una grande larghezza di linea (~ MHz). usato.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, due diverse modalità di segnali laser generati nella stessa cavità laser possono essere utilizzate anche per generare una frequenza diversa, in modo che le prestazioni di stabilità della frequenza delle microonde siano notevolmente migliorate.
2. Per risolvere il problema che i due laser nel metodo precedente sono incoerenti e il rumore di 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 la fase di feedback negativo circuito di bloccaggio.La Figura 2 mostra una tipica applicazione del bloccaggio dell'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 ottici.Naturalmente, il metodo comunemente utilizzato per ottenere un pettine di frequenza ottica ad ampio spettro consiste nell'utilizzare un laser a modalità bloccata.Due segnali qualsiasi del pettine nel 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, in modo che la fase relativa tra i due laser sia stabile, e quindi con il metodo della differenza di frequenza come descritto prima, il segnale a microonde a frequenza multipla del è possibile ottenere la velocità di ripetizione del pettine di frequenza ottica.
Figura 2. Diagramma schematico del segnale di raddoppio della frequenza delle 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 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 fotorivelatore (equivalente a un rilevatore di fase), quindi la differenza di fase tra i due laser viene ottenuta facendo una differenza di frequenza con una sorgente di segnale a microonde di riferimento, che viene amplificata e filtrata e poi reimmessa all'unità di controllo della frequenza di uno dei laser (per i laser a semiconduttore è la corrente di iniezione).Attraverso tale circuito di controllo a feedback negativo, la fase di frequenza relativa tra i due segnali laser è bloccata sul segnale a microonde di riferimento.Il segnale ottico combinato può quindi essere trasmesso attraverso le fibre ottiche a un fotorilevatore 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 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 attraverso il raddoppio della frequenza, la frequenza del divisore o altra elaborazione della frequenza, in modo che il segnale a microonde a frequenza inferiore possa essere multiraddoppiato o convertito in segnali RF, THz ad alta frequenza.
Rispetto al bloccaggio della frequenza di iniezione è possibile ottenere solo il raddoppio della frequenza, i circuiti ad aggancio di fase sono più flessibili, possono produrre frequenze quasi arbitrarie e, naturalmente, più complessi.Ad esempio, il pettine di frequenza ottica generato dal modulatore fotoelettrico nella Figura 2 viene utilizzato come sorgente luminosa e il circuito ottico ad aggancio di fase viene utilizzato per bloccare selettivamente la frequenza dei due laser sui due segnali del pettine ottico e quindi generare segnali ad alta frequenza attraverso la differenza di frequenza, come mostrato nella 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. 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 dell'impulso ottico in segnale a microondefotorivelatore.
Il vantaggio principale di questo metodo è che si può 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 lo spostamento di frequenza del sistema di eliminazione della frequenza con autoraddoppio e altre tecnologie, possiamo ottenere un segnale di impulso ottico molto stabile con una frequenza di ripetizione molto stabile, così da ottenere un segnale a microonde con rumore di fase bassissimo.Figura 5.
Figura 5. Confronto del rumore di fase relativo di diverse sorgenti di segnale.
Tuttavia, poiché la velocità di ripetizione dell'impulso è inversamente proporzionale alla lunghezza della cavità del laser e il laser tradizionale a modalità bloccata è grande, è difficile ottenere direttamente segnali a microonde ad alta frequenza.Inoltre, le dimensioni, il peso e il consumo energetico dei tradizionali laser pulsati, nonché i severi requisiti ambientali, ne limitano le applicazioni principalmente di laboratorio.Per superare queste difficoltà, negli Stati Uniti e in Germania sono recentemente iniziate ricerche che utilizzano effetti non lineari per generare pettini ottici con frequenza stabile in cavità ottiche molto piccole e di alta qualità in modalità chirp, che a loro volta generano segnali a microonde a basso rumore e ad alta frequenza.
4. oscillatore optoelettronico, Figura 6.
Figura 6. Diagramma schematico dell'oscillatore accoppiato fotoelettrico.
Uno dei metodi tradizionali per generare microonde o laser consiste nell'utilizzare un circuito chiuso con autofeedback, purché il guadagno nel circuito chiuso sia maggiore della perdita, l'oscillazione autoeccitata può produrre microonde o laser.Maggiore è il fattore di qualità Q dell'anello chiuso, minore è il rumore di fase o di frequenza del segnale generato.Per aumentare il fattore di qualità del loop, il modo diretto è aumentare la lunghezza del loop e ridurre al minimo la perdita di propagazione.Tuttavia, un circuito più lungo può solitamente 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 rumore a frequenza singola.L'oscillatore fotoelettrico accoppiato 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, può produrre un segnale a microonde con rumore di fase molto basso.Da quando il metodo è stato proposto negli anni '90, questo tipo di oscillatore è stato oggetto di ricerche approfondite e di un notevole sviluppo e attualmente esistono oscillatori accoppiati fotoelettrici in commercio.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 il circuito è lungo e il rumore nel suo flusso libero (FSR) e la sua doppia frequenza aumenteranno significativamente.Inoltre, i componenti fotoelettrici utilizzati sono numerosi, 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 microonde presenta un altro vantaggio: il segnale ottico può essere distribuito attraverso la fibra ottica con una perdita molto bassa, trasmissione a lunga distanza a ciascun terminale di utilizzo e quindi convertito in segnali a microonde, e la capacità di resistere alle onde elettromagnetiche l'interferenza è notevolmente migliorata rispetto ai tradizionali componenti elettronici.
La stesura di questo articolo è principalmente di riferimento e, combinata con l'esperienza di ricerca e l'esperienza dell'autore in questo campo, ci sono imprecisioni e incompletezza, per favore comprendi.
Orario di pubblicazione: 03 gennaio 2024