Microwave optoelectronics, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay ang intersection ng microwave atoptoelectronics.Ang mga microwave at light wave ay mga electromagnetic wave, at ang mga frequency ay maraming mga order ng magnitude na naiiba, at ang mga bahagi at teknolohiya na binuo sa kani-kanilang mga larangan ay ibang-iba.Sa kumbinasyon, maaari nating samantalahin ang isa't isa, ngunit maaari tayong makakuha ng mga bagong aplikasyon at katangian na mahirap mapagtanto ayon sa pagkakabanggit.
Optical na komunikasyonay isang pangunahing halimbawa ng kumbinasyon ng mga microwave at photoelectron.Maagang mga komunikasyong wireless sa telepono at telegrapo, ang pagbuo, pagpapalaganap at pagtanggap ng mga signal, lahat ng ginamit na microwave device.Ang mga low frequency electromagnetic wave ay ginagamit sa simula dahil maliit ang frequency range at maliit ang channel capacity para sa transmission.Ang solusyon ay upang madagdagan ang dalas ng ipinadalang signal, mas mataas ang dalas, mas maraming mapagkukunan ng spectrum.Ngunit ang mataas na dalas ng signal sa pagkawala ng pagpapalaganap ng hangin ay malaki, ngunit madaling ma-block ng mga hadlang.Kung gagamitin ang cable, malaki ang pagkawala ng cable, at problema ang long-distance transmission.Ang paglitaw ng optical fiber communication ay isang magandang solusyon sa mga problemang ito.Optical fiberay may napakababang pagkawala ng transmission at isang mahusay na carrier para sa pagpapadala ng mga signal sa malalayong distansya.Ang hanay ng dalas ng mga light wave ay mas malaki kaysa sa mga microwave at maaaring magpadala ng maraming iba't ibang mga channel nang sabay-sabay.Dahil sa mga pakinabang na ito ngoptical transmission, ang optical fiber communication ay naging backbone ng paghahatid ng impormasyon ngayon.
Ang komunikasyon sa optika ay may mahabang kasaysayan, ang pananaliksik at aplikasyon ay napakalawak at mature, dito ay hindi upang sabihin pa.Pangunahing ipinakilala ng papel na ito ang bagong nilalaman ng pananaliksik ng microwave optoelectronics sa mga nakaraang taon maliban sa optical na komunikasyon.Pangunahing ginagamit ng Microwave optoelectronics ang mga pamamaraan at teknolohiya sa larangan ng optoelectronics bilang carrier upang mapabuti at makamit ang pagganap at aplikasyon na mahirap makamit sa tradisyonal na microwave electronic component.Mula sa pananaw ng aplikasyon, pangunahin nitong kasama ang sumusunod na tatlong aspeto.
Ang una ay ang paggamit ng optoelectronics upang makabuo ng high-performance, low-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 analog signal.
Sa artikulong ito, ipinakilala lamang ng may-akda ang unang bahagi, ang henerasyon ng signal ng microwave.Ang tradisyonal na microwave millimeter wave ay pangunahing nabuo ng iii_V microelectronic na mga bahagi.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 kaunting kapangyarihan, sa mas mataas na frequency ng THz signal, wala silang magagawa.Pangalawa, upang mabawasan ang ingay sa yugto at mapabuti ang katatagan ng dalas, ang orihinal na aparato ay kailangang ilagay sa isang napakababang kapaligiran ng temperatura.Ikatlo, mahirap makamit ang malawak na hanay ng frequency modulation frequency conversion.Upang malutas ang mga problemang ito, ang optoelectronic na teknolohiya ay maaaring maglaro ng isang papel.Ang mga pangunahing pamamaraan ay inilarawan sa ibaba.
1. Sa pamamagitan ng pagkakaiba sa dalas ng dalawang magkaibang frequency ng laser signal, ang isang high-frequency na photodetector ay ginagamit upang i-convert ang mga signal ng microwave, tulad ng ipinapakita sa Figure 1.
Figure 1. Schematic 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 dalas ng milimetro na alon at kahit na THz dalas ng signal, at sa pamamagitan ng pagsasaayos ng dalas ng laser ay maaaring magsagawa ng isang malaking hanay ng mabilis na conversion ng dalas, dalas ng sweep.Ang kawalan ay ang linewidth o phase noise ng difference frequency signal na nabuo ng dalawang hindi nauugnay 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 isang malaking linewidth (~MHz) ay ginamit.Kung ang mga kinakailangan sa dami ng timbang ng system ay hindi mataas, maaari kang gumamit ng mababang ingay (~kHz) solid-state laser,fiber lasers, panlabas na lukabmga laser ng semiconductor, atbp. Bilang karagdagan, ang dalawang magkaibang mga mode ng mga signal ng laser na nabuo sa parehong lukab ng laser ay maaari ding gamitin upang makabuo ng isang pagkakaiba sa dalas, upang ang pagganap ng katatagan ng dalas ng microwave ay lubos na napabuti.
2. Upang malutas ang problema na ang dalawang laser sa nakaraang pamamaraan ay hindi magkakaugnay at ang signal phase na ingay na nabuo ay masyadong malaki, ang pagkakaugnay-ugnay sa pagitan ng dalawang laser ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paraan ng pag-lock ng phase ng pag-lock ng dalas ng iniksyon o negatibong yugto ng feedback. locking circuit.Ipinapakita ng Figure 2 ang isang tipikal na aplikasyon ng pag-lock ng iniksyon upang makabuo ng microwave multiples (Figure 2).Sa pamamagitan ng direktang pag-inject ng high frequency current signal sa isang semiconductor laser, o sa pamamagitan ng paggamit ng LinBO3-phase modulator, maraming optical signal ng iba't ibang frequency na may pantay na frequency spacing ay maaaring mabuo, o optical frequency combs.Siyempre, ang karaniwang ginagamit na paraan upang makakuha ng malawak na spectrum optical frequency comb ay ang paggamit ng mode-locked laser.Anumang dalawang signal ng suklay sa nabuong optical frequency comb ay pinili sa pamamagitan ng pag-filter at iniksyon sa laser 1 at 2 ayon sa pagkakabanggit upang mapagtanto ang frequency at phase locking ayon sa pagkakabanggit.Dahil ang bahagi sa pagitan ng iba't ibang mga signal ng suklay ng optical frequency comb ay medyo matatag, upang ang kamag-anak na bahagi sa pagitan ng dalawang laser ay matatag, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng paraan ng pagkakaiba sa dalas tulad ng inilarawan dati, ang multi-fold frequency microwave signal ng optical frequency comb repetition rate ay maaaring makuha.
Figure 2. Schematic diagram ng signal ng pagdodoble ng dalas ng microwave na nabuo sa pamamagitan ng pag-lock ng dalas ng iniksyon.
Ang isa pang paraan upang mabawasan ang kamag-anak na ingay ng dalawang laser ay ang paggamit ng negatibong feedback na optical PLL, tulad ng ipinapakita sa Figure 3.
Figure 3. Schematic diagram ng OPL.
Ang prinsipyo ng optical PLL ay katulad ng sa PLL sa larangan ng electronics.Ang phase difference ng dalawang laser ay ginagawang electrical signal ng isang photodetector (katumbas ng isang phase detector), at pagkatapos ay ang phase difference sa pagitan ng dalawang lasers ay nakukuha sa pamamagitan ng paggawa ng difference frequency sa isang reference microwave signal source, na pinalaki. at sinala at pagkatapos ay ibinalik sa frequency control unit ng isa sa mga laser (para sa mga semiconductor laser, ito ang kasalukuyang iniksyon).Sa pamamagitan ng naturang negatibong feedback control loop, ang relatibong frequency phase sa pagitan ng dalawang laser signal ay naka-lock sa reference microwave signal.Ang pinagsamang optical signal ay maaaring maipadala sa pamamagitan ng optical fibers sa isang photodetector sa ibang lugar at ma-convert sa isang microwave signal.Ang resultang phase noise ng microwave signal ay halos kapareho ng sa reference signal sa loob ng bandwidth ng phase-locked negative feedback loop.Ang phase ingay sa labas ng bandwidth ay katumbas ng relatibong phase ingay ng orihinal na dalawang hindi nauugnay na laser.
Bilang karagdagan, ang reference na pinagmumulan ng signal ng microwave ay maaari ding i-convert ng iba pang mga pinagmumulan ng signal sa pamamagitan ng pagdodoble ng dalas, dalas ng divisor, o iba pang pagpoproseso ng dalas, upang ang signal ng microwave na mas mababang dalas ay maaaring ma-multidouble, o ma-convert sa mga high-frequency na RF, THz signal.
Kung ikukumpara sa pag-lock ng dalas ng iniksyon ay maaari lamang makakuha ng pagdodoble ng dalas, ang mga phase-lock na loop ay mas nababaluktot, maaaring makagawa ng halos di-makatwirang mga frequency, at siyempre mas kumplikado.Halimbawa, ang optical frequency comb na nabuo ng photoelectric modulator sa Figure 2 ay ginagamit bilang light source, 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 makabuo ng high-frequency signal sa pamamagitan ng difference frequency, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. Ang f1 at f2 ay ang reference signal frequency ng dalawang PLLS ayon sa pagkakabanggit, at ang microwave signal ng N*frep+f1+f2 ay maaaring mabuo ng pagkakaiba ng frequency sa pagitan ng dalawang laser.
Figure 4. Schematic diagram ng pagbuo ng mga arbitrary frequency gamit ang optical frequency combs at PLLS.
3. Gumamit ng mode-locked pulse laser para i-convert ang optical pulse signal sa microwave signal throughphotodetector.
Ang pangunahing bentahe ng pamamaraang ito ay ang isang signal na may napakahusay na katatagan ng dalas at napakababang bahagi ng ingay ay maaaring makuha.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 napaka-stable na optical pulse signal na may isang napaka-matatag na dalas ng pag-uulit, upang makakuha ng signal ng microwave na may napakababang bahagi ng ingay.Larawan 5.
Figure 5. Paghahambing ng relative phase noise ng iba't ibang signal source.
Gayunpaman, dahil ang rate ng pag-uulit ng pulso ay inversely proportional sa haba ng cavity ng laser, at ang tradisyonal na mode-locked laser ay malaki, mahirap makakuha ng high frequency microwave signal nang direkta.Bilang karagdagan, ang laki, timbang at pagkonsumo ng enerhiya ng mga tradisyonal na pulsed laser, pati na rin ang malupit na mga kinakailangan sa kapaligiran, ay naglilimita sa kanilang pangunahing mga aplikasyon sa laboratoryo.Upang malampasan ang mga paghihirap na ito, nagsimula kamakailan ang pananaliksik sa United States at Germany gamit ang mga nonlinear effect upang makabuo ng frequency-stable na optical combs sa napakaliit, mataas na kalidad na chirp mode optical cavity, na kung saan ay bumubuo ng high-frequency low-noise microwave signals.
4. opto electronic oscillator, Larawan 6.
Figure 6. Schematic diagram ng photoelectric coupled oscillator.
Ang isa sa mga tradisyunal na paraan ng pagbuo ng mga microwave o laser ay ang paggamit ng isang self-feedback closed loop, hangga't ang nakuha sa closed loop ay mas malaki kaysa sa pagkawala, 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 nabuong signal phase o frequency noise.Upang mapataas ang kadahilanan ng kalidad ng loop, ang direktang paraan ay upang taasan ang haba ng loop at mabawasan ang pagkawala ng pagpapalaganap.Gayunpaman, ang isang mas mahabang loop ay karaniwang maaaring suportahan ang pagbuo ng maraming mga mode ng oscillation, at kung ang isang makitid-bandwidth na filter ay idinagdag, ang isang solong-dalas na low-noise na microwave oscillation signal ay maaaring makuha.Ang photoelectric coupled oscillator ay isang microwave signal source batay sa ideyang ito, ito ay ganap na gumagamit ng mga mababang 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 microwave signal na may napakababang bahagi ng ingay.Dahil ang pamamaraan ay iminungkahi noong 1990s, ang ganitong uri ng oscillator ay nakatanggap ng malawak na pananaliksik at malaking pag-unlad, at kasalukuyang may mga komersyal na photoelectric na pinagsamang mga oscillator.Kamakailan lamang, ang mga photoelectric oscillator na ang mga frequency ay maaaring iakma sa isang malawak na hanay ay binuo.Ang pangunahing problema ng mga mapagkukunan ng signal ng microwave batay sa arkitektura na ito ay ang loop ay mahaba, at ang ingay sa kanyang libreng daloy (FSR) at ang dobleng dalas nito ay tataas nang malaki.Bilang karagdagan, ang mga bahagi ng photoelectric na ginamit ay higit pa, ang gastos ay mataas, ang lakas ng tunog ay mahirap bawasan, at ang mas mahabang hibla ay mas sensitibo sa kaguluhan sa kapaligiran.
Ang nasa itaas ay maikling nagpapakilala ng ilang mga paraan ng pagbuo ng photoelectron ng mga signal ng microwave, pati na rin ang kanilang mga pakinabang at disadvantages.Sa wakas, ang paggamit ng mga photoelectron upang makabuo ng microwave ay may isa pang kalamangan ay ang optical signal ay maaaring ipamahagi sa pamamagitan ng optical fiber na may napakababang pagkawala, malayuan na paghahatid sa bawat terminal ng paggamit at pagkatapos ay ma-convert sa microwave signal, at ang kakayahang labanan ang electromagnetic Ang interference ay makabuluhang napabuti kaysa sa tradisyonal na mga elektronikong bahagi.
Ang pagsulat ng artikulong ito ay pangunahing para sa sanggunian, at pinagsama sa sariling karanasan at karanasan sa pagsasaliksik ng may-akda sa larangang ito, may mga kamalian at hindi komprehensiveness, mangyaring maunawaan.
Oras ng post: Ene-03-2024