Microwave optoelectronics, tulad ng iminumungkahi ng pangalan, ay ang intersection ng microwave atOptoelectronics. Ang mga microwaves at light waves ay mga electromagnetic waves, at ang mga frequency ay maraming mga order ng magnitude na magkakaiba, at ang mga sangkap at teknolohiya na binuo sa kani -kanilang mga patlang ay ibang -iba. Sa pagsasama, maaari nating samantalahin ang bawat isa, ngunit makakakuha tayo ng mga bagong aplikasyon at katangian na mahirap mapagtanto ayon sa pagkakabanggit.
Optical na komunikasyonay isang pangunahing halimbawa ng kumbinasyon ng mga microwaves at photoelectrons. Maagang Telepono at Telegraph Wireless Communications, ang henerasyon, pagpapalaganap at pagtanggap ng mga signal, lahat ng ginamit na aparato ng microwave. Ang mga mababang dalas na electromagnetic waves ay ginagamit sa una dahil maliit ang saklaw ng dalas at maliit ang kapasidad ng channel para sa paghahatid. Ang solusyon ay upang madagdagan ang dalas ng ipinadala na signal, mas mataas ang dalas, mas maraming mga mapagkukunan ng spectrum. Ngunit ang mataas na signal ng dalas sa pagkawala ng pagpapalaganap ng hangin ay malaki, ngunit madaling ma -block ng mga hadlang. Kung ginagamit ang cable, ang pagkawala ng cable ay malaki, at ang paghahatid ng malayong distansya ay isang problema. Ang paglitaw ng optical fiber na komunikasyon ay isang mahusay na solusyon sa mga problemang ito.Optical fiberay may napakababang pagkawala ng paghahatid at isang mahusay na carrier para sa pagpapadala ng mga signal sa mahabang distansya. Ang dalas na saklaw ng mga light waves ay mas malaki kaysa sa mga microwaves at maaaring magpadala ng maraming iba't ibang mga channel nang sabay -sabay. Dahil sa mga pakinabang na itooptical transmission, ang optical fiber na komunikasyon ay naging gulugod ng paghahatid ng impormasyon ngayon.
Ang optical na komunikasyon ay may mahabang kasaysayan, ang pananaliksik at aplikasyon ay napakalawak at may sapat na gulang, narito ay hindi upang masabi pa. Ang papel na ito ay pangunahing nagpapakilala sa bagong nilalaman ng pananaliksik ng microwave optoelectronics sa mga nakaraang taon maliban sa optical na komunikasyon. Ang Microwave optoelectronics ay pangunahing gumagamit ng mga pamamaraan at teknolohiya sa larangan ng optoelectronics bilang carrier upang mapabuti at makamit ang pagganap at aplikasyon na mahirap makamit sa tradisyonal na mga sangkap na elektronikong microwave. Mula sa pananaw ng aplikasyon, pangunahing kasama ang sumusunod na tatlong aspeto.
Ang una ay ang paggamit ng optoelectronics upang makabuo ng mataas na pagganap, mababang-noise microwave signal, mula sa X-band hanggang sa THz band.
Pangalawa, pagproseso ng signal ng microwave. Kabilang ang pagkaantala, pag -filter, conversion ng dalas, pagtanggap at iba pa.
Pangatlo, ang paghahatid ng mga signal ng analog.
Sa artikulong ito, ipinakilala lamang ng may -akda ang unang bahagi, ang henerasyon ng signal ng microwave. Ang tradisyunal na alon ng mikropono ng mikropono ay pangunahing nabuo ng mga sangkap na microelectronic ng III_V. Ang mga limitasyon nito ay may mga sumusunod na puntos: Una, sa mataas na mga frequency tulad ng 100GHz sa itaas, ang tradisyonal na microelectronics ay maaaring makagawa ng mas kaunti at mas kaunting lakas, sa mas mataas na dalas ng signal ng THz, wala silang magagawa. Pangalawa, upang mabawasan ang ingay ng phase at pagbutihin ang katatagan ng dalas, ang orihinal na aparato ay kailangang mailagay sa isang napakababang kapaligiran sa temperatura. Pangatlo, mahirap makamit ang isang malawak na hanay ng dalas ng dalas ng dalas ng conversion. Upang malutas ang mga problemang ito, ang teknolohiyang optoelectronic ay maaaring maglaro ng isang papel. Ang mga pangunahing pamamaraan ay inilarawan sa ibaba.
1. Sa pamamagitan ng pagkakaiba-iba ng dalas ng dalawang magkakaibang mga signal ng dalas ng laser, ang isang high-frequency photodetector ay ginagamit upang mai-convert ang mga signal ng microwave, tulad ng ipinapakita sa Larawan 1.
Larawan 1. Ang diagram ng eskematiko ng mga microwaves na nabuo ng dalas ng pagkakaiba ng dalawalaser.
Ang mga bentahe ng pamamaraang ito ay simpleng istraktura, maaaring makabuo ng napakataas na dalas ng alon ng milimetro at kahit na ang dalas ng THz frequency, at sa pamamagitan ng pag -aayos ng dalas ng laser ay maaaring magsagawa ng isang malaking hanay ng mabilis na pag -convert ng dalas, dalas ng pagwalis. Ang kawalan ay ang linewidth o phase ingay ng pagkakaiba -iba ng signal ng dalas na nabuo ng dalawang hindi nauugnay na mga signal ng laser ay medyo malaki, at ang katatagan ng dalas ay hindi mataas, lalo na kung ginagamit ang isang semiconductor laser na may isang maliit na dami ngunit ang isang malaking linewidth (~ MHz) ay ginagamit. Kung ang mga kinakailangan sa dami ng timbang ng system ay hindi mataas, maaari kang gumamit ng mababang ingay (~ kHz) solid-state laser,mga laser ng hibla, panlabas na lukabSemiconductor Lasers.
2. Upang malutas ang problema na ang dalawang laser sa nakaraang pamamaraan ay hindi nakakaintriga at ang ingay ng signal phase na nabuo ay napakalaki, ang pagkakaisa sa pagitan ng dalawang laser ay maaaring makuha ng paraan ng pag -lock ng frequency ng pag -lock ng frequency phase o ang negatibong feedback phase locking circuit. Ipinapakita ng Figure 2 ang isang tipikal na aplikasyon ng pag -lock ng iniksyon upang makabuo ng mga multiple ng microwave (Larawan 2). Sa pamamagitan ng direktang pag-iniksyon ng mataas na dalas ng kasalukuyang mga signal sa isang semiconductor laser, o sa pamamagitan ng paggamit ng isang LinBo3-phase modulator, maraming mga optical signal ng iba't ibang mga frequency na may pantay na dalas na spacing ay maaaring mabuo, o optical frequency combs. Siyempre, ang karaniwang ginagamit na pamamaraan upang makakuha ng isang malawak na spectrum optical frequency comb ay ang paggamit ng isang mode na naka-lock na mode. Ang anumang dalawang signal signal sa nabuong optical frequency comb ay pinili sa pamamagitan ng pag -filter at na -injected sa laser 1 at 2 ayon sa pagkakabanggit upang mapagtanto ang dalas at pag -lock ng phase ayon sa pagkakabanggit. Dahil ang yugto sa pagitan ng iba't ibang mga signal ng suklay ng optical frequency comb ay medyo matatag, upang ang kamag-anak na yugto sa pagitan ng dalawang laser ay matatag, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng pamamaraan ng pagkakaiba-iba ng dalas tulad ng inilarawan bago, maaaring makuha ang multi-fold frequency microwave signal ng optical frequency comb na pag-uulit ng rate ng pag-uulit.
Larawan 2. Schematic diagram ng microwave frequency pagdodoble signal na nabuo ng pag -lock ng dalas ng iniksyon.
Ang isa pang paraan upang mabawasan ang kamag -anak na ingay ng phase ng dalawang laser ay ang paggamit ng isang negatibong feedback optical PLL, tulad ng ipinapakita sa Larawan 3.
Larawan 3. Schematic Diagram ng OPL.
Ang prinsipyo ng optical PLL ay katulad ng sa PLL sa larangan ng electronics. Ang pagkakaiba -iba ng phase ng dalawang laser ay na -convert sa isang de -koryenteng signal ng isang photodetector (katumbas ng isang phase detector), at pagkatapos ay ang pagkakaiba ng phase sa pagitan ng dalawang laser ay nakuha sa pamamagitan ng paggawa ng isang pagkakaiba -iba ng dalas na may isang sanggunian na microwave signal na mapagkukunan, na kung saan ay pinalakas at na -filter at pagkatapos ay pinapakain pabalik sa frequency control unit ng isa sa mga laser (para sa mga semiconductor lasers, ito ay ang pag -iugin ng kasalukuyang). Sa pamamagitan ng tulad ng isang negatibong feedback control loop, ang kamag -anak na yugto ng dalas sa pagitan ng dalawang signal ng laser ay naka -lock sa sanggunian na signal ng microwave. Ang pinagsamang optical signal ay maaaring maipadala sa pamamagitan ng mga optical fibers sa isang photodetector sa ibang lugar at na -convert sa isang signal ng microwave. Ang nagresultang ingay ng phase ng signal ng microwave ay halos kapareho ng sa sanggunian ng sanggunian sa loob ng bandwidth ng phase-lock na negatibong feedback loop. Ang ingay ng phase sa labas ng bandwidth ay katumbas ng kamag -anak na ingay ng phase ng orihinal na dalawang hindi nauugnay na laser.
Bilang karagdagan, ang sanggunian na mapagkukunan ng microwave signal ay maaari ring ma-convert ng iba pang mga mapagkukunan ng signal sa pamamagitan ng dalas ng pagdodoble, dalas ng divisor, o iba pang pagproseso ng dalas, upang ang mas mababang dalas na signal ng microwave ay maaaring maging multidoubled, o na-convert sa high-frequency RF, mga signal ng THz.
Kung ikukumpara sa pag-lock ng dalas ng iniksyon ay maaari lamang makakuha ng dalas na pagdodoble, ang mga lock na naka-lock na phase ay mas nababaluktot, maaaring makagawa ng halos di-makatwirang mga dalas, at syempre mas kumplikado. Halimbawa, ang optical frequency comb na nabuo ng photoelectric modulator sa Figure 2 ay ginagamit bilang ilaw na mapagkukunan, at ang optical phase-lock na loop ay ginagamit upang mapili ang dalas ng dalawang laser sa dalas ng pagkakaiba-iba, tulad ng ipinakita sa Figure 4. Ang N*FREP+F1+F2 ay maaaring mabuo ng dalas ng pagkakaiba sa pagitan ng dalawang laser.
Larawan 4. Schematic diagram ng pagbuo ng mga di -makatwirang mga dalas gamit ang optical frequency combs at PLL.
3. Gumamit ng mode na naka-lock na pulse laser upang mai-convert ang optical signal ng pulso sa signal ng microwave sa pamamagitan ngPhotodetector.
Ang pangunahing bentahe ng pamamaraang ito ay ang isang senyas na may napakahusay na katatagan ng dalas at napakababang ingay ng phase ay maaaring makuha. Sa pamamagitan ng pag-lock ng dalas ng laser sa isang napaka-matatag na atomic at molekular na paglipat ng spectrum, o isang napaka-matatag na optical na lukab, at ang paggamit ng self-doubling frequency elimination frequency shift at iba pang mga teknolohiya, maaari kaming makakuha ng isang napaka-matatag na optical signal ng pulso na may isang matatag na dalas ng pag-uulit, upang makakuha ng isang signal ng microwave na may ultra-low phase ingay. Larawan 5.
Larawan 5. Paghahambing ng ingay ng kamag -anak na ingay ng iba't ibang mga mapagkukunan ng signal.
Gayunpaman, dahil ang rate ng pag-uulit ng pulso ay kabaligtaran na proporsyonal sa haba ng lukab ng laser, at malaki ang tradisyunal na mode na naka-lock na mode, mahirap makakuha ng mataas na dalas ng mga signal ng microwave nang direkta. Bilang karagdagan, ang laki, timbang at pagkonsumo ng enerhiya ng mga tradisyunal na pulsed laser, pati na rin ang malupit na mga kinakailangan sa kapaligiran, nililimitahan ang kanilang mga pangunahing aplikasyon sa laboratoryo. Upang mapagtagumpayan ang mga paghihirap na ito, ang pananaliksik ay kamakailan lamang ay nagsimula sa Estados Unidos at Alemanya gamit ang mga hindi linya na epekto upang makabuo ng dalas na matatag na optical combs sa napakaliit, de-kalidad na mode na optical mode na mga cavities, na kung saan ay bumubuo ng mga high-frequency na mababang-ingay na mga signal ng microwave.
4. Opto Electronic Oscillator, Larawan 6.
Larawan 6. Schematic Diagram ng Photoelectric Coupled Oscillator.
Ang isa sa mga tradisyunal na pamamaraan ng pagbuo ng mga microwaves o laser ay ang paggamit ng isang self-feedback closed loop, hangga't ang pakinabang sa saradong loop ay mas malaki kaysa sa pagkawala, ang self-excited oscillation ay maaaring makagawa ng mga microwaves o laser. Ang mas mataas na kalidad na kadahilanan q ng saradong loop, mas maliit ang nabuo na signal phase o ingay ng dalas. Upang madagdagan ang kalidad na kadahilanan ng loop, ang direktang paraan ay upang madagdagan ang haba ng loop at mabawasan ang pagkawala ng pagpapalaganap. Gayunpaman, ang isang mas mahabang loop ay karaniwang maaaring suportahan ang henerasyon ng maraming mga mode ng pag-oscillation, at kung ang isang makitid na bandwidth filter ay idinagdag, maaaring makuha ang isang solong dalas na mababang-ingay na signal ng oscillation. Ang Photoelectric Coupled Oscillator ay isang mapagkukunan ng signal ng microwave batay sa ideyang ito, ginagawang buong paggamit ng mga katangian ng pagkawala ng pagpapalaganap ng hibla, gamit ang isang mas mahabang hibla upang mapabuti ang halaga ng loop Q, ay maaaring makagawa ng isang signal ng microwave na may napakababang ingay ng phase. Dahil ang pamamaraan ay iminungkahi noong 1990s, ang ganitong uri ng oscillator ay nakatanggap ng malawak na pananaliksik at malaking pag -unlad, at may kasalukuyang komersyal na photoelectric na mga oscillator. Karamihan sa mga kamakailan -lamang, ang mga photoelectric oscillator na ang mga frequency ay maaaring nababagay sa isang malawak na saklaw ay binuo. Ang pangunahing problema ng mga mapagkukunan ng signal ng microwave batay sa arkitektura na ito ay mahaba ang loop, at ang ingay sa libreng daloy nito (FSR) at ang dobleng dalas nito ay makabuluhang nadagdagan. Bilang karagdagan, ang mga sangkap na photoelectric na ginamit ay higit pa, ang gastos ay mataas, ang dami ay mahirap bawasan, at ang mas mahabang hibla ay mas sensitibo sa kaguluhan sa kapaligiran.
Ang nasa itaas na maikling ipinakilala ang ilang mga pamamaraan ng henerasyon ng photoelectron ng mga signal ng microwave, pati na rin ang kanilang mga pakinabang at kawalan. Sa wakas, ang paggamit ng mga photoelectron upang makabuo ng microwave ay may isa pang kalamangan ay ang optical signal ay maaaring maipamahagi sa pamamagitan ng optical fiber na may napakababang pagkawala, ang paghahatid ng matagal na paghahatid sa bawat terminal ng paggamit at pagkatapos ay na-convert sa mga signal ng microwave, at ang kakayahang pigilan ang electromagnetic na panghihimasok ay makabuluhang pinabuting kaysa sa tradisyonal na mga sangkap na elektroniko.
Ang pagsulat ng artikulong ito ay pangunahin para sa sanggunian, at sinamahan ng sariling karanasan at karanasan ng may -akda sa larangang ito, may mga kawastuhan at hindi pagkakaunawaan, mangyaring maunawaan.
Oras ng Mag-post: Jan-03-2024