Stav výroby a teplé miesta mikrovlnných signálov v mikrovlnnej optoelektronike

Mikrovlnná optoelektronika, ako naznačuje jej názov, je interdisciplinárnou disciplínou mikrovlnnej a optoelektronickej techniky. Ako mikrovlny, tak aj svetelné vlny sú elektromagnetické vlny a ich frekvencie sú veľa rozmerov rozdielnych. Komponenty a technológie vyvinuté v ich príslušných oblastiach sú veľmi odlišné. Kombinácia a vzájomné učenie silných stránok môže priniesť nové aplikácie a funkcie, ktoré sa ťažko dosahujú [1,2,3].

Optická komunikácia je najlepším príkladom kombinácie mikrovlnnej a optoelektronickej technológie. Bezdrôtová komunikácia včasná telefónna telegrafia, generovanie signálu, šírenie a príjem sú všetky použité mikrovlnné zariadenia. Najprv sa používajú nízkofrekvenčné elektromagnetické vlny, pretože frekvenčný rozsah je malý a kapacita prenosového kanálu je malá. Riešením je zvýšiť frekvenciu prenášaného signálu. Čím vyššia je frekvencia, tým viac spektrálnych zdrojov. Vysokofrekvenčné signály však majú veľké straty šírenia vo vzduchu a sú ľahko prekážajúce prekážkami. Ak používate káblové prenosy, straty kábla sú veľké a prenos na dlhé vzdialenosti je problém. Vznik optických komunikácií vyriešil tieto problémy. Strata prenosu optických vlákien je veľmi nízka, je vynikajúcim nosičom na prenos signálov na dlhé vzdialenosti. Frekvenčný rozsah svetelných vĺn ďaleko presahuje mikrovlnné žiarenie a súčasne môže byť vysielaných mnoho rôznych kanálov. Kvôli týmto výhodám optického prenosu sa komunikácia s optickými vláknami stala chrbticou dnešného šírenia informácií.

Optická komunikácia má dlhú históriu, výskum a aplikácia sú veľmi rozsiahle a vyspelé, nehovorím tu viac. Tu som chcel hlavne predstaviť výskumný obsah inej vznikajúcej mikrovlnnej optoelektroniky inej ako optickej komunikácie v posledných rokoch. Mikrovlnná optoelektronika je založená hlavne na metódach a technikách v oblasti optoelektroniky, aby zlepšila a realizovala výkon a aplikácie, ktoré sa ťažko dosahujú s tradičnými mikrovlnnými elektronickými komponentmi. Z hľadiska aplikácie obsahuje predovšetkým tieto tri aspekty.

Po prvé, použitie optoelektroniky na výrobu vysoko výkonných, nízkošumových mikrovlnných signálov od pásma X po THz pásmo.

Po druhé, spracovanie mikrovlnných signálov. Vrátane oneskorenia, filtrovania, frekvenčnej konverzie, prijímania atď.

Po tretie, analógový prenos signálu.

Tento článok predstavuje len prvú časť článku, generovanie mikrovlnných signálov. Tradičná mikrovlnná milimetrová vlna sa vyrába hlavne mikroelektronickými komponentmi iii_V [4]. Jej obmedzenia sú nasledovné: Po prvé, pri vysokých frekvenciách, ako napríklad 100 GHz alebo viac, tradičné mikroelektronické súčasti môžu produkovať menej a menej energie a na signály vyššej frekvencie THz sú bezmocné. Po druhé, aby sa znížil fázový šum a zvýšila frekvenčná stabilita, musí byť pôvodné zariadenie umiestnené do kryogénneho prostredia. Po tretie, je ťažké dosiahnuť širokú škálu konverzií frekvencií FM. Na vyriešenie týchto problémov sa môže optoelektronická technológia jednoducho prejaviť. Tu sú niektoré z hlavných metód.

1. Použitím rozdielovej frekvencie dvoch rôznych frekvenčných laserových signálov sa vysokofrekvenčný fotodetektor konvertuje na generovanie mikrovlnného signálu [5, 6], ako je znázornené na obr. 1.

Obrázok 1. Schéma dvoch laserových diferenciálnych frekvencií mikrovlnnej generácie.

Výhodou tejto metódy je, že má jednoduchú štruktúru a môže generovať signály s extrémne vysokou frekvenciou, milimetrovou vlnou a dokonca aj frekvenciou THz. Navyše úpravou frekvencie laseru je možné vykonať širokú škálu rýchlej frekvenčnej konverzie a frekvenčného zametania. Nevýhodou je, že šírka či fázový šum rozdielového frekvenčného signálu produkovaného dvomi nekoherentnými laserovými signálmi je relatívne veľká a frekvenčná stabilita nie je vysoká, zvlášť ak sa použije polovodičový laser malý, ale široký (~ MHz) polovodičový laser. , Ak požiadavky na hmotnosť a objem systému nie sú vysoké, môže byť použitý nízkošumový (~ kHz) polovodičový laser, vláknový laser [7,8], polovodičový laser [9] z vonkajšej dutiny atď. Okrem toho môžu byť na generovanie rozdielovej frekvencie použité aj dva rôzne režimy laserových signálov generovaných v tej istej laserovej dutine, takže výsledná mikrovlnná frekvenčná stabilita môže byť značne zlepšená [10-12].

2. Aby sa vyriešil problém, že dva lasery v predchádzajúcej metóde sú nekoherentné a fázový šum vygenerovaného signálu je príliš veľký, môže byť použitá metóda vstrekovacieho uzamknutia alebo obvod s uzamknutou fázou s negatívnou spätnou väzbou na získanie súdržnosti medzi dva lasery [13]. Obrázok 2 znázorňuje typickú aplikáciu injekčne uzamknutej frekvenčnej generácie mikrovlnných frekvencií (obrázok 2). Priamym vstrekovaním vysokofrekvenčného prúdového signálu na polovodičový laser alebo použitím fázového modulátora LiNbO3 sa môže generovať množstvo optických signálov, ktoré majú rôzne frekvencie v rovnakých intervaloch, alebo optický frekvenčný hrebeň. Samozrejme, bežne používanou metódou na získanie širokospektrálneho frekvenčného hrebeňa je použitie laseru s uzamknutým režimom [14]. Akékoľvek dva hrebeňové signály generovaného hrebeňa optickej frekvencie sa vyberajú filtráciou a vstrekovaním do lasera 1 a 2, aby sa dosiahlo uzamknutie s frekvenčným uzamknutím. Pretože fáza medzi rôznymi hrebeňovými signálmi optického hrebeňa je relatívne stabilná, získa sa stabilná relatívna fáza medzi dvoma lasermi a frekvencia opakovania hrebeňa sa môže získať metódou rozdielovej frekvencie, ako je opísané vyššie. Signál s viacerými frekvenciami.

Obrázok 2. Schematický diagram generovania frekvencie dvojitých frekvencií mikrovlnnej frekvencie.

Ďalším spôsobom, ako redukovať relatívny fázový šum dvoch laserov, je použitie zápornej optickej fázovo uzamknutej slučky, ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3. Optické PLL schémy.

Princíp optickej uzamknutej slučky je podobný slučke fázového zámku v elektronickom poli [15,16,17]. Fázový rozdiel dvoch laserov sa prevedie na elektrický signál fotodetektorom (zodpovedajúcim fázovému detektoru) a rozdiel medzi dvoma lasermi sa získa rozdielovou frekvenciou s referenčným zdrojom mikrovlnného signálu a spätná väzba sa vráti do dva lasery po zosilnení a filtrovaní. Jednotka riadenia frekvencie laserom (vstrekovací prúd pre polovodičové lasery). Pri takejto negatívnej regulačnej slučke spätnej väzby je relatívna frekvencia medzi dvoma laserovými signálmi fázovo uzatvorená s referenčným mikrovlnným signálom. Kombinovaný optický signál sa potom môže prenášať cez optické vlákno do fotodetektora inde a konvertovať na mikrovlnný signál. Fázový šum takto vytvoreného mikrovlnného signálu je takmer rovnaký ako fázový šum referenčného signálu v šírke pásma fázovo uzamknutej zápornej spätnej slučky. Fázový šum mimo pásma je rovnaký ako relatívny fázový šum pôvodných dvoch inkoherentných laseri.

Okrem toho môže byť referenčný zdroj mikrovlnného signálu ďalší zdroj signálu, ktorý je spracovávaný frekvenčnou konverziou, digitálnou frekvenciou alebo inou frekvenčnou konverziou, takže mikrovlnný signál s nižšou frekvenciou môže byť viacfrekvenčne konvertovaný alebo konvertovaný na vysokú frekvenciu. Rádiofrekvencia, signál THz atď.

V porovnaní s frekvenciou zablokovanou injekciou, ktorá môže získať iba frekvenčné znásobenie, fázovo uzamknuté slučky sú flexibilnejšie, môžu generovať takmer akúkoľvek frekvenciu a samozrejme sú zložitejšie. Napríklad na obr. 2, fázovo modulovaný optoelektronickým modulátorom alebo optický hrebeň generovaný impulzným laserom ako svetelný zdroj, sa použije optická fáza uzamknutá slučka na selektívne uzamknutie dvoch laserov na dva z optických signálov hrebeňového zuba. Generujte vysokofrekvenčné signály cez rozdielovú frekvenciu, ako je znázornené na obrázku 4. F1 a f2 sú frekvencie referenčných signálov dvoch slučiek s fázovým uzamknutím a mikrovlnný signál N * frep + f1 + f2 môže byť generovaný frekvencia rozdielov medzi dvoma lasermi.

Obrázok 4. Generuje ľubovoľný frekvenčný diagram pomocou optických plástov a optických PLL.

3. Pomocou impulzného laseru so zabudovaným režimom sa optický impulzný signál prevedie na mikrovlnný signál pomocou fotodetektora [18-20].

Hlavnou výhodou tejto metódy je, že sa dá získať signál s veľmi dobrou frekvenčnou stabilitou a extrémne nízkym fázovým šumom. Zablokovaním frekvencie laseru na veľmi stabilné spektrum atómového molekulárneho prechodu alebo extrémne stabilnou optickou dutinou a použitím frekvencie samočinného množenia na elimináciu systémových posunov frekvencie atď. Sa dajú získať optické impulzové signály s veľmi stabilnými frekvenciami opakovania. Mikrovlnný signál s veľmi nízkym fázovým šumom [21-23]. Ako je znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5. Porovnanie relatívneho fázového šumu rôznych zdrojov signálu. Výňatok z odkazu [21]

Pretože frekvencia opakovania impulzu je nepriamo úmerná dĺžke dutiny laseru, zatiaľ čo bežný laser s uzamknutým režimom má veľký objem, je ťažké priamo získať vysokofrekvenčné mikrovlnné signály. Navyše tradičné impulzné objemy laseru, spotreba hmotnosti a energie, ako aj prísne požiadavky prostredia obmedzili ich použitie predovšetkým v laboratóriu. Aby sa prekonali tieto ťažkosti, najmodernejší výskum v Spojených štátoch a Nemecku používal nelineárne efekty na vytvorenie frekvenčne stabilných optických hrebeňov v malej, vysoko kvalitnej dutine režimu na generovanie vysokofrekvenčných, nízkošumových mikrovlnných signálov. -29]].