Optoelektronika ng microwave, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay ang interseksyon ng microwave atoptoelektronikaAng mga microwave at light wave ay mga electromagnetic wave, at ang mga frequency ay maraming order ng magnitude na magkaiba, at ang mga bahagi at teknolohiyang nabubuo sa kani-kanilang larangan ay ibang-iba. Sa pagsasama, maaari nating samantalahin ang isa't isa, ngunit maaari tayong makakuha ng mga bagong aplikasyon at katangian na mahirap ipatupad ayon sa pagkakabanggit.
Komunikasyon sa optikaay isang pangunahing halimbawa ng kombinasyon ng mga microwave at photoelectron. Ang mga sinaunang komunikasyon sa telepono at telegrapo na wireless, ang pagbuo, pagpapalaganap at pagtanggap ng mga signal, ay pawang gumamit ng mga microwave device. Ang mga low frequency electromagnetic wave ay ginagamit sa simula dahil maliit ang saklaw ng frequency at maliit ang kapasidad ng channel para sa transmisyon. Ang solusyon ay ang pagtaas ng frequency ng ipinadalang signal, mas mataas ang frequency, mas maraming spectrum resources. Ngunit ang high frequency signal sa air propagation loss ay malaki, ngunit madali ring maharangan ng mga balakid. Kung gagamitin ang cable, malaki ang pagkawala ng cable, at ang long-distance transmission ay isang problema. Ang paglitaw ng optical fiber communication ay isang mahusay na solusyon sa mga problemang ito.Hibla ng optikaay may napakababang transmission loss at isang mahusay na carrier para sa pagpapadala ng mga signal sa malalayong distansya. Ang frequency range ng mga light wave ay mas malaki kaysa sa mga microwave at maaaring magpadala ng maraming iba't ibang channel nang sabay-sabay. Dahil sa mga bentaheng ito ngtransmisyon na optikal, ang komunikasyon gamit ang optical fiber ay naging gulugod ng paghahatid ng impormasyon ngayon.
Ang komunikasyong optikal ay may mahabang kasaysayan, ang pananaliksik at aplikasyon ay napakalawak at ganap na may gulang, wala nang iba pa. Pangunahing ipinakikilala ng papel na ito ang bagong nilalaman ng pananaliksik ng microwave optoelectronics sa mga nakaraang taon bukod sa komunikasyong optikal. Pangunahing ginagamit ng microwave optoelectronics ang mga pamamaraan at teknolohiya sa larangan ng optoelectronics bilang tagapagdala upang mapabuti at makamit ang pagganap at aplikasyon na mahirap makamit gamit ang mga tradisyonal na bahagi ng microwave electronic. Mula sa pananaw ng aplikasyon, pangunahing kinabibilangan nito ang sumusunod na tatlong aspeto.
Ang una ay ang paggamit ng optoelectronics upang makabuo ng mga high-performance, low-noise microwave signal, mula sa X-band hanggang sa THz band.
Pangalawa, pagproseso ng signal gamit ang microwave. Kabilang dito ang pagkaantala, pagsala, pagpapalit ng dalas, pagtanggap, at iba pa.
Pangatlo, ang pagpapadala ng mga analog signal.
Sa artikulong ito, ipinakikilala lamang ng may-akda ang unang bahagi, ang pagbuo ng microwave signal. Ang tradisyonal na microwave millimeter wave ay pangunahing nalilikha ng mga microelectronic component na iii_V. Ang mga limitasyon nito ay may mga sumusunod na punto: Una, sa matataas na frequency tulad ng 100GHz sa itaas, ang tradisyonal na microelectronics ay maaaring makagawa ng mas kaunting lakas, sa mas mataas na frequency na THz signal, wala silang magagawa. Pangalawa, upang mabawasan ang phase noise at mapabuti ang katatagan ng frequency, ang orihinal na aparato ay kailangang ilagay sa isang napakababang temperatura na kapaligiran. Pangatlo, mahirap makamit ang malawak na hanay ng frequency modulation frequency conversion. Upang malutas ang mga problemang ito, maaaring gumanap ng papel ang teknolohiyang optoelectronic. Ang mga pangunahing pamamaraan ay inilalarawan sa ibaba.
1. Sa pamamagitan ng pagkakaiba ng dalas ng dalawang magkaibang dalas ng mga signal ng laser, isang high-frequency photodetector ang ginagamit upang i-convert ang mga signal ng microwave, gaya ng ipinapakita sa Figure 1.
Pigura 1. Eskematikong diagram ng mga microwave na nabuo ng pagkakaiba ng dalas ng dalawamga laser.
Ang mga bentahe ng pamamaraang ito ay simpleng istraktura, maaaring makabuo ng napakataas na frequency ng milimetrong alon at maging ang THz frequency signal, at sa pamamagitan ng pagsasaayos ng frequency ng laser ay maaaring magsagawa ng malawak na hanay ng mabilis na frequency conversion, sweep frequency. Ang disbentaha ay ang linewidth o phase noise ng difference frequency signal na nalilikha ng dalawang hindi magkakaugnay na laser signal ay medyo malaki, at ang frequency stability ay hindi mataas, lalo na kung ang isang semiconductor laser na may maliit na volume ngunit malaking linewidth (~MHz) ang ginagamit. Kung ang mga kinakailangan sa system weight volume ay hindi mataas, maaari kang gumamit ng low noise (~kHz) solid-state lasers.mga fiber laser, panlabas na lukabmga laser na semiconductor, atbp. Bukod pa rito, ang dalawang magkaibang mode ng mga signal ng laser na nalilikha sa iisang lukab ng laser ay maaari ding gamitin upang makabuo ng magkaibang frequency, upang lubos na mapabuti ang performance ng katatagan ng microwave frequency.
2. Upang malutas ang problema kung saan ang dalawang laser sa nakaraang pamamaraan ay hindi magkakaugnay at ang nabuong signal phase noise ay masyadong malaki, ang pagkakaugnay sa pagitan ng dalawang laser ay maaaring makuha sa pamamagitan ng injection frequency locking phase locking method o ng negative feedback phase locking circuit. Ipinapakita ng Figure 2 ang isang tipikal na aplikasyon ng injection locking upang makabuo ng microwave multiples (Figure 2). Sa pamamagitan ng direktang pag-inject ng mga high frequency current signal sa isang semiconductor laser, o sa pamamagitan ng paggamit ng LinBO3-phase modulator, maaaring mabuo ang maraming optical signal ng iba't ibang frequency na may pantay na frequency spacing, o optical frequency combs. Siyempre, ang karaniwang ginagamit na pamamaraan upang makakuha ng wide spectrum optical frequency comb ay ang paggamit ng mode-locked laser. Anumang dalawang comb signal sa nabuong optical frequency comb ay pinipili sa pamamagitan ng pag-filter at pag-inject sa laser 1 at 2 ayon sa pagkakabanggit upang makamit ang frequency at phase locking ayon sa pagkakabanggit. Dahil ang phase sa pagitan ng iba't ibang comb signal ng optical frequency comb ay medyo matatag, kaya ang relatibong phase sa pagitan ng dalawang laser ay matatag, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng paraan ng difference frequency gaya ng inilarawan dati, maaaring makuha ang multi-fold frequency microwave signal ng optical frequency comb repetition rate.
Pigura 2. Eskematikong diagram ng signal ng pagdoble ng dalas ng microwave na nabuo sa pamamagitan ng pag-lock ng dalas ng iniksyon.
Ang isa pang paraan upang mabawasan ang relatibong phase noise ng dalawang laser ay ang paggamit ng negative feedback optical PLL, gaya ng ipinapakita sa Figure 3.
Pigura 3. Eskematikong dayagram ng OPL.
Ang prinsipyo ng optical PLL ay katulad ng sa PLL sa larangan ng electronics. Ang phase difference ng dalawang laser ay kino-convert sa isang electrical signal sa pamamagitan ng isang photodetector (katumbas ng isang phase detector), at pagkatapos ay ang phase difference sa pagitan ng dalawang laser ay nakukuha sa pamamagitan ng paggawa ng difference frequency gamit ang isang reference microwave signal source, na pinapalakas at sinasala at pagkatapos ay ipinapakain pabalik sa frequency control unit ng isa sa mga laser (para sa mga semiconductor laser, ito ay ang injection current). Sa pamamagitan ng ganitong negative feedback control loop, ang relative frequency phase sa pagitan ng dalawang laser signal ay nakakandado sa reference microwave signal. Ang pinagsamang optical signal ay maaaring ipadala sa pamamagitan ng optical fibers patungo sa isang photodetector sa ibang lugar at kino-convert sa isang microwave signal. Ang nagreresultang phase noise ng microwave signal ay halos kapareho ng sa reference signal sa loob ng bandwidth ng phase-locked negative feedback loop. Ang phase noise sa labas ng bandwidth ay katumbas ng relative phase noise ng orihinal na dalawang hindi magkakaugnay na laser.
Bukod pa rito, ang pinagmumulan ng reference microwave signal ay maaari ring i-convert ng iba pang mga pinagmumulan ng signal sa pamamagitan ng frequency doubling, divisor frequency, o iba pang frequency processing, upang ang lower frequency microwave signal ay ma-multidouble, o ma-convert sa mga high-frequency RF, THz signal.
Kung ikukumpara sa injection frequency locking, ang frequency doubling ay maaari lamang makamit, ang phase-locked loops ay mas flexible, maaaring makagawa ng halos arbitraryong mga frequency, at siyempre mas kumplikado. Halimbawa, ang optical frequency comb na nalilikha ng photoelectric modulator sa Figure 2 ay ginagamit bilang pinagmumulan ng liwanag, at ang optical phase-locked loop ay ginagamit upang piliing i-lock ang frequency ng dalawang laser sa dalawang optical comb signal, at pagkatapos ay bumuo ng mga high-frequency signal sa pamamagitan ng difference frequency, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. Ang f1 at f2 ay ang mga reference signal frequencies ng dalawang PLLS ayon sa pagkakabanggit, at ang microwave signal na N*frep+f1+f2 ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng difference frequency sa pagitan ng dalawang laser.
Pigura 4. Eskematikong diagram ng pagbuo ng mga arbitraryong frequency gamit ang optical frequency combs at PLLS.
3. Gamitin ang mode-locked pulse laser upang i-convert ang optical pulse signal sa microwave signal sa pamamagitan ngphotodetector.
Ang pangunahing bentahe ng pamamaraang ito ay ang pagkuha ng isang signal na may napakagandang frequency stability at napakababang phase noise. Sa pamamagitan ng pag-lock ng frequency ng laser sa isang napaka-stable na atomic at molecular transition spectrum, o isang napaka-stable na optical cavity, at ang paggamit ng self-doubling frequency elimination system frequency shift at iba pang mga teknolohiya, makakakuha tayo ng isang napaka-stable na optical pulse signal na may napaka-stable na repetition frequency, upang makakuha ng microwave signal na may ultra-low phase noise. Figure 5.
Pigura 5. Paghahambing ng relatibong ingay sa yugto ng iba't ibang pinagmumulan ng signal.
Gayunpaman, dahil ang pulse repetition rate ay inversely proportional sa haba ng cavity ng laser, at malaki ang tradisyonal na mode-locked laser, mahirap makakuha ng mga high frequency microwave signal nang direkta. Bukod pa rito, ang laki, bigat, at pagkonsumo ng enerhiya ng mga tradisyonal na pulsed laser, pati na rin ang malupit na mga kinakailangan sa kapaligiran, ay naglilimita sa kanilang mga pangunahing aplikasyon sa laboratoryo. Upang malampasan ang mga paghihirap na ito, kamakailan ay nagsimula ang pananaliksik sa Estados Unidos at Germany gamit ang mga nonlinear effect upang makabuo ng mga frequency-stable optical comb sa napakaliit, mataas na kalidad na chirp mode optical cavities, na siya namang bumubuo ng mga high-frequency low-noise microwave signal.
4. opto-elektronikong osileytor, Pigura 6.
Pigura 6. Eskematikong dayagram ng photoelectric coupled oscillator.
Isa sa mga tradisyunal na pamamaraan ng pagbuo ng mga microwave o laser ay ang paggamit ng self-feedback closed loop. Hangga't ang gain sa closed loop ay mas malaki kaysa sa loss, ang self-excited oscillation ay maaaring makagawa ng mga microwave o laser. Kung mas mataas ang quality factor Q ng closed loop, mas maliit ang nabubuong signal phase o frequency noise. Upang mapataas ang quality factor ng loop, ang direktang paraan ay ang pagpapahaba ng loop at pagliit ng propagation loss. Gayunpaman, ang mas mahabang loop ay karaniwang sumusuporta sa pagbuo ng maraming mode ng oscillation, at kung idadagdag ang isang narrow-bandwidth filter, maaaring makuha ang isang single-frequency low-noise microwave oscillation signal. Ang photoelectric coupled oscillator ay isang microwave signal source batay sa ideyang ito, lubos nitong ginagamit ang mga low propagation loss characteristics ng fiber, gamit ang mas mahabang fiber upang mapabuti ang loop Q value, ay maaaring makagawa ng microwave signal na may napakababang phase noise. Simula nang imungkahi ang pamamaraan noong 1990s, ang ganitong uri ng oscillator ay nakatanggap ng malawak na pananaliksik at malaking pag-unlad, at kasalukuyang may mga komersyal na photoelectric coupled oscillator. Kamakailan lamang, may mga nabuong photoelectric oscillator na ang mga frequency ay maaaring isaayos sa malawak na saklaw. Ang pangunahing problema ng mga microwave signal source batay sa arkitekturang ito ay ang haba ng loop, at ang ingay sa free flow (FSR) at double frequency nito ay lubos na tataas. Bukod pa rito, mas marami ang mga photoelectric component na ginagamit, mataas ang gastos, mahirap bawasan ang volume, at ang mas mahabang fiber ay mas sensitibo sa mga kaguluhan sa kapaligiran.
Maikling ipinakikilala ng nabanggit ang ilang mga pamamaraan ng photoelectron generation ng microwave signals, pati na rin ang kanilang mga kalamangan at kahinaan. Panghuli, ang paggamit ng mga photoelectron upang makagawa ng microwave ay may isa pang kalamangan na ang optical signal ay maaaring maipamahagi sa pamamagitan ng optical fiber na may napakababang loss, malayuan na transmisyon sa bawat terminal ng paggamit at pagkatapos ay i-convert sa mga microwave signal, at ang kakayahang labanan ang electromagnetic interference ay makabuluhang pinabuti kaysa sa mga tradisyunal na elektronikong bahagi.
Ang pagsulat ng artikulong ito ay pangunahing para sa sanggunian, at kasama ang sariling karanasan sa pananaliksik at karanasan ng may-akda sa larangang ito, may mga kamalian at hindi kumpletong impormasyon, mangyaring unawain.
Oras ng pag-post: Enero-03-2024