Mikrodalga optoelektronikAdından da anlaşılacağı gibi mikrodalga ve mikrodalganın kesişimidir.optoelektronik. Mikrodalgalar ve ışık dalgaları elektromanyetik dalgalardır ve frekansları birçok büyüklük düzeyinde farklıdır ve kendi alanlarında geliştirilen bileşenler ve teknolojiler çok farklıdır. Kombinasyon halinde birbirimizin avantajlarından faydalanabiliriz ancak sırasıyla gerçekleştirilmesi zor olan yeni uygulamalar ve özellikler elde edebiliriz.
Optik iletişimmikrodalgalar ve fotoelektronların birleşiminin başlıca örneğidir. Erken telefon ve telgraf kablosuz iletişimleri, sinyallerin üretilmesi, yayılması ve alınması, tüm kullanılan mikrodalga cihazları. Frekans aralığının küçük olması ve iletim için kanal kapasitesinin küçük olması nedeniyle başlangıçta düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanılır. Çözüm, iletilen sinyalin frekansını arttırmaktır; frekans ne kadar yüksek olursa, spektrum kaynakları da o kadar fazla olur. Ancak hava yayılımındaki yüksek frekanslı sinyalin kaybı büyüktür, fakat aynı zamanda engeller tarafından engellenmesi de kolaydır. Kablo kullanılırsa kablonun kaybı büyük olur ve uzun mesafeli iletim sorun olur. Fiber optik iletişimin ortaya çıkışı bu sorunlara iyi bir çözümdür.Optik fiberçok düşük iletim kaybına sahiptir ve sinyallerin uzun mesafelere iletilmesi için mükemmel bir taşıyıcıdır. Işık dalgalarının frekans aralığı mikrodalgalarınkinden çok daha büyüktür ve birçok farklı kanalı aynı anda iletebilir. Bu avantajlarından dolayıoptik iletimFiber optik iletişim günümüzün bilgi aktarımının omurgası haline geldi.
Optik iletişimin uzun bir geçmişi vardır, araştırma ve uygulamalar çok kapsamlı ve olgundur; daha fazlasını söylemeye gerek yok. Bu makale esas olarak mikrodalga optoelektronik alanında son yıllarda optik iletişim dışında yeni araştırma içeriğini tanıtmaktadır. Mikrodalga optoelektronik, geleneksel mikrodalga elektronik bileşenleriyle elde edilmesi zor olan performans ve uygulamayı geliştirmek ve elde etmek için esas olarak optoelektronik alanındaki yöntem ve teknolojileri taşıyıcı olarak kullanır. Uygulama açısından bakıldığında temel olarak aşağıdaki üç hususu içermektedir.
Bunlardan ilki, X bandından THz bandına kadar yüksek performanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretmek için optoelektroniğin kullanılmasıdır.
İkincisi, mikrodalga sinyal işleme. Gecikme, filtreleme, frekans dönüştürme, alma vb. dahil.
Üçüncüsü, analog sinyallerin iletimi.
Bu makalede yazar yalnızca ilk bölüm olan mikrodalga sinyalinin üretilmesini tanıtmaktadır. Geleneksel mikrodalga milimetre dalgası esas olarak iii_V mikroelektronik bileşenler tarafından üretilir. Sınırlamaları şu noktalara sahiptir: Birincisi, 100GHz'in üzerindeki yüksek frekanslarda, geleneksel mikroelektronikler giderek daha az güç üretebilir, daha yüksek frekanslı THz sinyalinde ise hiçbir şey yapamazlar. İkincisi, faz gürültüsünü azaltmak ve frekans kararlılığını geliştirmek için orijinal cihazın son derece düşük sıcaklıktaki bir ortama yerleştirilmesi gerekir. Üçüncüsü, geniş bir frekans modülasyonu frekans dönüşümü aralığı elde etmek zordur. Bu sorunları çözmek için optoelektronik teknolojisi bir rol oynayabilir. Ana yöntemler aşağıda açıklanmıştır.
1. Şekil 1'de gösterildiği gibi, iki farklı frekanslı lazer sinyalinin fark frekansı aracılığıyla, mikrodalga sinyallerini dönüştürmek için yüksek frekanslı bir fotodetektör kullanılır.
Şekil 1. İki frekans farkının oluşturduğu mikrodalgaların şematik diyagramılazerler.
Bu yöntemin avantajları basit yapısı, son derece yüksek frekanslı milimetrik dalga ve hatta THz frekans sinyali üretebilmesi ve lazerin frekansını ayarlayarak geniş bir yelpazede hızlı frekans dönüşümü, tarama frekansı gerçekleştirebilmesidir. Dezavantajı, ilgisiz iki lazer sinyali tarafından üretilen fark frekans sinyalinin hat genişliği veya faz gürültüsünün nispeten büyük olması ve özellikle küçük hacimli ancak büyük hat genişliğine (~MHz) sahip bir yarı iletken lazer kullanıldığında frekans stabilitesinin yüksek olmamasıdır. kullanılmış. Sistem ağırlık hacmi gereksinimleri yüksek değilse, düşük gürültülü (~kHz) katı hal lazerleri kullanabilirsiniz.fiber lazerler, dış boşlukyarı iletken lazerler, vb. Ek olarak, aynı lazer boşluğunda üretilen iki farklı lazer sinyali modu da bir fark frekansı oluşturmak için kullanılabilir, böylece mikrodalga frekans stabilite performansı büyük ölçüde geliştirilir.
2. Önceki yöntemdeki iki lazerin tutarsız olması ve üretilen sinyal fazı gürültüsünün çok büyük olması sorununu çözmek için, iki lazer arasındaki tutarlılık, enjeksiyon frekansı kilitleme faz kilitleme yöntemi veya negatif geri besleme fazı ile elde edilebilir. kilitleme devresi. Şekil 2, mikrodalga katlarını oluşturmak için tipik bir enjeksiyon kilitleme uygulamasını göstermektedir (Şekil 2). Yüksek frekanslı akım sinyallerini doğrudan bir yarı iletken lazere enjekte ederek veya bir LinBO3 fazlı modülatör kullanarak, eşit frekans aralığına sahip farklı frekanslarda birden fazla optik sinyal veya optik frekans tarakları üretilebilir. Elbette, geniş spektrumlu bir optik frekans tarağı elde etmek için yaygın olarak kullanılan yöntem, mod kilitli bir lazer kullanmaktır. Üretilen optik frekans tarağındaki herhangi iki tarak sinyali filtrelenerek seçilir ve sırasıyla frekans ve faz kilitlemeyi gerçekleştirmek için sırasıyla lazer 1 ve 2'ye enjekte edilir. Optik frekans tarağının farklı tarak sinyalleri arasındaki faz nispeten kararlı olduğundan, iki lazer arasındaki bağıl faz kararlıdır ve daha sonra, daha önce açıklandığı gibi fark frekansı yöntemiyle, lazerin çok katlı frekanslı mikrodalga sinyali optik frekans tarak tekrarlama oranı elde edilebilir.
Şekil 2. Enjeksiyon frekansı kilitlemesi tarafından oluşturulan mikrodalga frekansı ikiye katlama sinyalinin şematik diyagramı.
İki lazerin göreceli faz gürültüsünü azaltmanın başka bir yolu, Şekil 3'te gösterildiği gibi negatif geri beslemeli optik PLL kullanmaktır.
Şekil 3. OPL'nin şematik diyagramı.
Optik PLL'nin prensibi elektronik alanındaki PLL'nin prensibine benzer. İki lazerin faz farkı, bir fotodetektör (bir faz dedektörüne eşdeğer) tarafından bir elektrik sinyaline dönüştürülür ve daha sonra, güçlendirilmiş bir referans mikrodalga sinyal kaynağı ile bir frekans farkı yapılarak iki lazer arasındaki faz farkı elde edilir. filtrelenir ve lazerlerden birinin frekans kontrol ünitesine geri beslenir (yarı iletken lazerler için bu, enjeksiyon akımıdır). Böyle bir negatif geri besleme kontrol döngüsü aracılığıyla, iki lazer sinyali arasındaki bağıl frekans fazı, referans mikrodalga sinyaline kilitlenir. Birleştirilen optik sinyal daha sonra optik fiberler aracılığıyla başka bir yerdeki fotodetektöre iletilebilir ve bir mikrodalga sinyaline dönüştürülebilir. Mikrodalga sinyalinin ortaya çıkan faz gürültüsü, faz kilitli negatif geri besleme döngüsünün bant genişliği içindeki referans sinyalininkiyle hemen hemen aynıdır. Bant genişliği dışındaki faz gürültüsü, orijinal iki ilgisiz lazerin göreceli faz gürültüsüne eşittir.
Ek olarak, referans mikrodalga sinyal kaynağı aynı zamanda frekansın iki katına çıkarılması, bölen frekansı veya diğer frekans işlemleri yoluyla diğer sinyal kaynakları tarafından da dönüştürülebilir, böylece düşük frekanslı mikrodalga sinyali çoklu iki katına çıkarılabilir veya yüksek frekanslı RF, THz sinyallerine dönüştürülebilir.
Enjeksiyon frekansı kilitlemeyle karşılaştırıldığında yalnızca frekansın iki katına çıkmasını sağlayabilir, faz kilitli döngüler daha esnektir, neredeyse keyfi frekanslar üretebilir ve elbette daha karmaşıktır. Örneğin, Şekil 2'deki fotoelektrik modülatör tarafından üretilen optik frekans tarağı, ışık kaynağı olarak kullanılır ve optik faz kilitli döngü, iki lazerin frekansını iki optik tarak sinyaline seçici olarak kilitlemek ve ardından üretmek için kullanılır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, fark frekansı boyunca yüksek frekanslı sinyaller. f1 ve f2, sırasıyla iki PLLS'nin referans sinyal frekanslarıdır ve N*frep+f1+f2'lik bir mikrodalga sinyali, arasındaki fark frekansı tarafından üretilebilir. iki lazer.
Şekil 4. Optik frekans tarakları ve PLLS kullanılarak rastgele frekanslar üretmenin şematik diyagramı.
3. Optik darbe sinyalini mikrodalga sinyaline dönüştürmek için mod kilitli darbe lazerini kullanın.fotodetektör.
Bu yöntemin temel avantajı frekans kararlılığı çok iyi ve faz gürültüsü çok düşük olan bir sinyalin elde edilebilmesidir. Lazerin frekansını çok kararlı bir atomik ve moleküler geçiş spektrumuna veya son derece kararlı bir optik boşluğa kilitleyerek ve kendi kendini ikiye katlayan frekans eleme sistemi frekans kaydırma ve diğer teknolojileri kullanarak, çok kararlı bir optik darbe sinyali elde edebiliriz. Ultra düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali elde etmek için çok kararlı bir tekrarlama frekansı. Şekil 5.
Şekil 5. Farklı sinyal kaynaklarının göreceli faz gürültüsünün karşılaştırılması.
Ancak darbe tekrarlama hızı, lazerin boşluk uzunluğuyla ters orantılı olduğundan ve geleneksel mod kilitli lazerin büyük olmasından dolayı, yüksek frekanslı mikrodalga sinyallerini doğrudan elde etmek zordur. Ayrıca geleneksel darbeli lazerlerin boyutu, ağırlığı ve enerji tüketiminin yanı sıra zorlu çevresel gereksinimler, bunların esas olarak laboratuvar uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, son zamanlarda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'da, çok küçük, yüksek kaliteli cıvıltı modundaki optik boşluklarda frekans kararlı optik taraklar üretmek için doğrusal olmayan etkiler kullanan araştırmalar başladı ve bu taraklar, yüksek frekanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretiyor.
4. opto elektronik osilatör, Şekil 6.
Şekil 6. Fotoelektrik bağlı osilatörün şematik diyagramı.
Mikrodalga veya lazer üretmenin geleneksel yöntemlerinden biri, kapalı döngüdeki kazanç kayıptan büyük olduğu sürece, kendi kendine geri beslemeli bir kapalı döngü kullanmaktır; kendi kendine uyarılan salınım, mikrodalgalar veya lazerler üretebilir. Kapalı döngünün kalite faktörü Q ne kadar yüksek olursa, üretilen sinyal fazı veya frekans gürültüsü o kadar küçük olur. Döngünün kalite faktörünü arttırmanın doğrudan yolu döngü uzunluğunu artırmak ve yayılma kaybını en aza indirmektir. Bununla birlikte, daha uzun bir döngü genellikle birden fazla salınım modunun oluşturulmasını destekleyebilir ve dar bant genişlikli bir filtre eklenirse, tek frekanslı, düşük gürültülü bir mikrodalga salınım sinyali elde edilebilir. Fotoelektrik bağlı osilatör, bu fikre dayanan bir mikrodalga sinyal kaynağıdır; fiberin düşük yayılma kaybı özelliklerinden tam olarak yararlanır, döngü Q değerini iyileştirmek için daha uzun bir fiber kullanır ve çok düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali üretebilir. Yöntem 1990'larda önerildiğinden bu yana, bu tip osilatörler kapsamlı araştırmalara ve önemli gelişmelere maruz kalmıştır ve şu anda ticari fotoelektrik eşleşmiş osilatörler mevcuttur. Son zamanlarda frekansları geniş bir aralıkta ayarlanabilen fotoelektrik osilatörler geliştirildi. Bu mimariye dayanan mikrodalga sinyal kaynaklarının temel sorunu, döngünün uzun olması ve serbest akışındaki (FSR) gürültünün ve çift frekansının önemli ölçüde artmasıdır. Ayrıca kullanılan fotoelektrik bileşenlerin daha fazla olması, maliyetin yüksek olması, hacmin azaltılmasının zor olması ve daha uzun fiberlerin çevresel bozulmalara karşı daha duyarlı olmasıdır.
Yukarıda, mikrodalga sinyallerinin fotoelektron üretimine yönelik çeşitli yöntemlerin yanı sıra bunların avantajları ve dezavantajları kısaca tanıtılmaktadır. Son olarak, mikrodalga üretmek için fotoelektronların kullanılmasının bir başka avantajı da, optik sinyalin optik fiber üzerinden çok düşük kayıpla dağıtılabilmesi, her kullanım terminaline uzun mesafeli iletim ve daha sonra mikrodalga sinyallerine dönüştürülebilmesi ve elektromanyetik direnme yeteneğidir. Parazit, geleneksel elektronik bileşenlere göre önemli ölçüde iyileştirilmiştir.
Bu makalenin yazımı esas olarak referans amaçlı olup, yazarın kendi araştırma deneyimi ve bu alandaki deneyimi ile birleştirildiğinde yanlışlıklar ve anlaşılmazlar vardır, lütfen anlayın.
Gönderim zamanı: Ocak-03-2024