Микробранска оптоелектроника, како што сугерира името, е пресекот на микробрановите иоптоелектроникаМикробрановите и светлинските бранови се електромагнетни бранови, а фреквенциите се многу различни, а компонентите и технологиите развиени во нивните соодветни области се многу различни. Во комбинација, можеме да ги искористиме предностите едни од други, но можеме да добиеме нови примени и карактеристики кои се тешки за реализација.
Оптичка комуникацијае одличен пример за комбинација од микробранови и фотоелектрони. Раните телефонски и телеграфски безжични комуникации, генерирањето, ширењето и приемот на сигнали, сите користеле микробранови уреди. Нискофреквентните електромагнетни бранови се користеле првично бидејќи фреквентниот опсег е мал, а капацитетот на каналот за пренос е мал. Решението е да се зголеми фреквенцијата на пренесениот сигнал, колку е поголема фреквенцијата, толку повеќе спектрални ресурси. Но, загубата при ширење на сигналот со висока фреквенција во воздухот е голема, но исто така лесно може да се блокира од пречки. Ако се користи кабел, загубата на кабелот е голема, а преносот на долги растојанија е проблем. Појавата на комуникација со оптички влакна е добро решение за овие проблеми.Оптички влакнаима многу мала загуба во преносот и е одличен носител за пренесување сигнали на долги растојанија. Фреквенцискиот опсег на светлинските бранови е многу поголем од оној на микробрановите и може да пренесува многу различни канали истовремено. Поради овие предности наоптички пренос, комуникацијата преку оптички влакна стана 'рбетот на денешниот пренос на информации.
Оптичката комуникација има долга историја, истражувањето и примената се многу обемни и зрели, тука нема да се каже повеќе. Овој труд главно ги претставува новите истражувачки содржини на микробрановата оптоелектроника во последниве години, освен оптичката комуникација. Микробрановата оптоелектроника главно ги користи методите и технологиите во областа на оптоелектрониката како носител за подобрување и постигнување на перформансите и примената што е тешко да се постигнат со традиционалните микробранови електронски компоненти. Од перспектива на примената, таа главно ги вклучува следните три аспекти.
Првата е употребата на оптоелектроника за генерирање на високо-перформансни, ниско-шумни микробранови сигнали, од X-опсегот па сè до THz опсегот.
Второ, обработка на микробранови сигнали. Вклучувајќи одложување, филтрирање, конверзија на фреквенција, прием и така натаму.
Трето, пренос на аналогни сигнали.
Во овој напис, авторот го воведува само првиот дел, генерирањето на микробрановиот сигнал. Традиционалниот микробранови милиметарски бран главно се генерира од микроелектронски компоненти со iii_V. Неговите ограничувања се следниве: Прво, на високи фреквенции како што се 100 GHz погоре, традиционалната микроелектроника може да произведе сè помалку енергија, но на сигнал со повисока фреквенција THz, не може ништо да направи. Второ, за да се намали фазниот шум и да се подобри стабилноста на фреквенцијата, оригиналниот уред треба да се постави во средина со екстремно ниска температура. Трето, тешко е да се постигне широк опсег на фреквентна модулација и конверзија на фреквенција. За да се решат овие проблеми, оптоелектронската технологија може да игра улога. Главните методи се опишани подолу.
1. Преку разликата во фреквенцијата на два различни фреквентни ласерски сигнали, високофреквентен фотодетектор се користи за конвертирање на микробранови сигнали, како што е прикажано на Слика 1.
Слика 1. Шематски дијаграм на микробранови генерирани од разликата на фреквенциите на дваласери.
Предностите на овој метод се едноставната структура, може да генерира екстремно висока фреквенција на милиметарски бранови, па дури и THz фреквентен сигнал, а со прилагодување на фреквенцијата на ласерот може да се изврши голем опсег на брза конверзија на фреквенција, фреквенција на скенирање. Недостаток е што ширината на линијата или фазниот шум на сигналот со различна фреквенција генериран од два неповрзани ласерски сигнали е релативно голем, а стабилноста на фреквенцијата не е висока, особено ако се користи полупроводнички ласер со мал волумен, но голема ширина на линијата (~MHz). Ако барањата за тежина-волумен на системот не се високи, можете да користите ласери со цврста состојба со низок шум (~kHz).фибер ласери, надворешна празнинаполупроводнички ласери, итн. Покрај тоа, два различни режими на ласерски сигнали генерирани во истата ласерска празнина може да се користат и за генерирање на различна фреквенција, така што перформансите на стабилноста на микробрановата фреквенција се значително подобрени.
2. За да се реши проблемот дека двата ласера во претходниот метод се некохерентни и генерираниот фазен шум на сигналот е преголем, кохерентноста помеѓу двата ласера може да се добие со методот на фазно заклучување со заклучување на фреквенцијата на вбризгување или со коло за фазно заклучување со негативна повратна врска. Слика 2 покажува типична примена на заклучување со вбризгување за генерирање микробранови множители (Слика 2). Со директно вбризгување на сигнали со висока фреквенција на струја во полупроводнички ласер, или со користење на LinBO3-фазен модулатор, може да се генерираат повеќе оптички сигнали со различни фреквенции со еднаков фреквентен распон, или оптички фреквентни чешли. Секако, најчесто користениот метод за добивање широк спектар на оптички фреквентен чешел е да се користи ласер со заклучен режим. Било кои два чешел сигнали во генерираниот оптички фреквентен чешел се избираат со филтрирање и се вбризгуваат во ласерите 1 и 2 соодветно за да се реализира фреквентно и фазно заклучување соодветно. Бидејќи фазата помеѓу различните чешел сигнали на оптичкиот фреквентен чешел е релативно стабилна, така што релативната фаза помеѓу двата ласера е стабилна, а потоа со методот на разлика на фреквенцијата како што е опишано претходно, може да се добие повеќекратен фреквентен микробранов сигнал на стапката на повторување на оптичкиот фреквентен чешел.
Слика 2. Шематски дијаграм на сигналот за удвојување на микробрановата фреквенција генериран со заклучување на фреквенцијата на вбризгување.
Друг начин за намалување на релативниот фазен шум на двата ласери е да се користи оптички PLL со негативна повратна информација, како што е прикажано на Слика 3.
Слика 3. Шематски дијаграм на OPL.
Принципот на оптичкиот PLL е сличен на оној на PLL во областа на електрониката. Фазната разлика на двата ласера се претвора во електричен сигнал од фотодетектор (еквивалентен на фазен детектор), а потоа фазната разлика помеѓу двата ласера се добива со правење разлика на фреквенцијата со референтен извор на микробранови сигнали, кој се засилува и филтрира, а потоа се враќа назад до единицата за контрола на фреквенцијата на еден од ласерите (за полупроводнички ласери, тоа е струјата на инјектирање). Преку таква јамка за контрола на негативна повратна врска, релативната фаза на фреквенцијата помеѓу двата ласерски сигнали е заклучена на референтниот микробранови сигнал. Комбинираниот оптички сигнал потоа може да се пренесе преку оптички влакна до фотодетектор на друго место и да се претвори во микробранови сигнали. Резултантниот фазен шум на микробрановиот сигнал е речиси ист како оној на референтниот сигнал во рамките на пропусниот опсег на фазно-заклучената негативна повратна врска. Фазниот шум надвор од пропусниот опсег е еднаков на релативниот фазен шум на оригиналните два неповрзани ласера.
Покрај тоа, референтниот извор на микробранови сигнали може да се конвертира и од други извори на сигнали преку удвојување на фреквенцијата, делител на фреквенцијата или друга обработка на фреквенцијата, така што сигналот со пониска фреквенција на микробранови може да се повеќекратно удвои или да се конвертира во високофреквентни RF, THz сигнали.
Во споредба со заклучувањето на фреквенцијата на вбризгување, може да се добие само удвојување на фреквенцијата, фазно-заклучените јамки се пофлексибилни, можат да произведат речиси произволни фреквенции и секако посложени. На пример, оптичкиот фреквентен чешел генериран од фотоелектричниот модулатор на Слика 2 се користи како извор на светлина, а оптичкиот фазно-заклучен јамка се користи за селективно заклучување на фреквенцијата на двата ласера на двата оптички сигнали на чешел, а потоа генерирање на високофреквентни сигнали преку разликата на фреквенцијата, како што е прикажано на Слика 4. f1 и f2 се референтните сигнални фреквенции на двата PLLS соодветно, а микробрановиот сигнал од N*frep+f1+f2 може да се генерира од разликата на фреквенцијата помеѓу двата ласера.
Слика 4. Шематски дијаграм на генерирање на произволни фреквенции со употреба на оптички фреквентни чешли и PLLS.
3. Користете пулсен ласер со заклучен режим за да го конвертирате оптичкиот пулсен сигнал во микробранов сигнал прекуфотодетектор.
Главната предност на овој метод е што може да се добие сигнал со многу добра фреквентна стабилност и многу низок фазен шум. Со заклучување на фреквенцијата на ласерот на многу стабилен атомски и молекуларен преоден спектар, или екстремно стабилна оптичка празнина, и употреба на систем за самоудвојување на елиминација на фреквенција, поместување на фреквенцијата и други технологии, можеме да добиеме многу стабилен оптички пулсен сигнал со многу стабилна фреквенција на повторување, со цел да се добие микробранов сигнал со ултра низок фазен шум. Слика 5.
Слика 5. Споредба на релативниот фазен шум на различни извори на сигнали.
Сепак, бидејќи стапката на повторување на пулсот е обратно пропорционална на должината на шуплината на ласерот, а традиционалниот ласер со заклучен режим е голем, тешко е директно да се добијат високофреквентни микробранови сигнали. Покрај тоа, големината, тежината и потрошувачката на енергија на традиционалните пулсирачки ласери, како и строгите еколошки барања, ги ограничуваат нивните главно лабораториски примени. За да се надминат овие тешкотии, неодамна започнаа истражувања во Соединетите Американски Држави и Германија со користење на нелинеарни ефекти за генерирање на фреквентно стабилни оптички чешли во многу мали, висококвалитетни оптички шуплини со цврчење, кои пак генерираат високофреквентни микробранови сигнали со низок шум.
4. оптоелектронски осцилатор, Слика 6.
Слика 6. Шематски дијаграм на фотоелектричен поврзан осцилатор.
Еден од традиционалните методи за генерирање микробранови или ласери е користење на затворена јамка со самоповратна врска, сè додека засилувањето во затворената јамка е поголемо од загубата, самовозбудената осцилација може да произведе микробранови или ласери. Колку е поголем факторот на квалитет Q на затворената јамка, толку е помал генерираниот фазен или фреквентен шум на сигналот. За да се зголеми факторот на квалитет на јамката, директниот начин е да се зголеми должината на јамката и да се минимизира загубата на пропагација. Сепак, подолгата јамка обично може да поддржи генерирање на повеќе режими на осцилација, а ако се додаде филтер со тесен опсег, може да се добие сигнал за микробранова осцилација со низок шум со една фреквенција. Фотоелектричниот споен осцилатор е извор на микробранови сигнали базиран на оваа идеја, тој целосно ги користи карактеристиките на ниска загуба на пропагација на влакното, користејќи подолго влакно за да се подобри вредноста Q на јамката, може да произведе микробранов сигнал со многу низок фазен шум. Откако методот беше предложен во 1990-тите, овој тип на осцилатор доби обемни истражувања и значителен развој, а во моментов постојат комерцијални фотоелектрични споени осцилатори. Во поново време се развиени фотоелектрични осцилатори чии фреквенции можат да се прилагодат во широк опсег. Главниот проблем на изворите на микробранови сигнали базирани на оваа архитектура е тоа што јамката е долга, а шумот во нејзиниот слободен тек (FSR) и нејзината двојна фреквенција ќе бидат значително зголемени. Покрај тоа, фотоелектричните компоненти што се користат се повеќе, цената е висока, волуменот е тежок за намалување, а подолгото влакно е почувствително на влијанија од околината.
Горенаведеното накратко воведува неколку методи за фотоелектронско генерирање на микробранови сигнали, како и нивните предности и недостатоци. Конечно, употребата на фотоелектрони за производство на микробранови има уште една предност - тоа што оптичкиот сигнал може да се дистрибуира преку оптичко влакно со многу ниски загуби, пренос на долги растојанија до секој терминал за употреба, а потоа да се претвори во микробранови сигнали, а способноста за отпор на електромагнетни пречки е значително подобрена во споредба со традиционалните електронски компоненти.
Пишувањето на овој напис е главно за референца, и во комбинација со сопственото истражувачко искуство на авторот и искуството во оваа област, постојат неточности и неразбирливост, ве молам имајте разбирање.
Време на објавување: 03 јануари 2024 година