Mikrodalga optoelektronikAdından da anlaşılacağı gibi, mikrodalga veoptoelektronikMikrodalgalar ve ışık dalgaları elektromanyetik dalgalardır ve frekansları birçok büyüklük mertebesinde farklıdır; ayrıca ilgili alanlarda geliştirilen bileşenler ve teknolojiler de çok farklıdır. Bir araya geldiklerinde birbirlerinden faydalanabiliriz, ancak ayrı ayrı gerçekleştirilmesi zor olan yeni uygulamalar ve özellikler elde edebiliriz.
Optik iletişimMikrodalgalar ve fotoelektronların birleşimine en iyi örneklerden biridir. İlk telefon ve telgraf kablosuz iletişiminde, sinyallerin üretimi, yayılımı ve alımında mikrodalga cihazları kullanılmıştır. Başlangıçta düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanılmıştır çünkü frekans aralığı küçüktür ve iletim için kanal kapasitesi azdır. Çözüm, iletilen sinyalin frekansını artırmaktır; frekans ne kadar yüksek olursa, spektrum kaynakları o kadar fazla olur. Ancak yüksek frekanslı sinyalin havada yayılım kaybı büyüktür ve ayrıca engeller tarafından kolayca bloke edilir. Kablo kullanılırsa, kablonun kaybı büyüktür ve uzun mesafeli iletim bir sorundur. Optik fiber iletişiminin ortaya çıkışı bu sorunlara iyi bir çözümdür.Optik fiberIşık dalgalarının iletim kaybı çok düşüktür ve uzun mesafeler üzerinden sinyal iletimi için mükemmel bir taşıyıcıdır. Işık dalgalarının frekans aralığı mikrodalgalardan çok daha geniştir ve aynı anda birçok farklı kanalı iletebilir. Bu avantajları nedeniyle,optik iletimOptik fiber iletişimi, günümüz bilgi iletiminin omurgası haline gelmiştir.
Optik iletişim uzun bir geçmişe sahiptir, araştırma ve uygulamaları oldukça kapsamlı ve olgunlaşmıştır, burada daha fazla söze gerek yok. Bu makale, optik iletişim dışında, son yıllarda mikrodalga optoelektroniği alanındaki yeni araştırma içeriklerini tanıtmaktadır. Mikrodalga optoelektroniği, geleneksel mikrodalga elektronik bileşenleriyle elde edilmesi zor olan performans ve uygulamaları iyileştirmek ve gerçekleştirmek için optoelektronik alanındaki yöntem ve teknolojileri temel almaktadır. Uygulama açısından bakıldığında, başlıca üç yönü içermektedir.
Birincisi, X bandından THz bandına kadar yüksek performanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretmek için optoelektronik kullanımıdır.
İkincisi, mikrodalga sinyal işleme. Buna gecikme, filtreleme, frekans dönüştürme, alım ve benzeri işlemler dahildir.
Üçüncüsü, analog sinyallerin iletimi.
Bu makalede yazar, yalnızca ilk bölümü, yani mikrodalga sinyalinin üretimini tanıtmaktadır. Geleneksel mikrodalga milimetre dalgaları esas olarak III-V mikroelektronik bileşenler tarafından üretilir. Sınırlamaları şunlardır: Birincisi, 100 GHz ve üzeri gibi yüksek frekanslarda geleneksel mikroelektronikler giderek daha az güç üretebilir ve daha yüksek frekanslı THz sinyallerinde hiçbir şey yapamazlar. İkincisi, faz gürültüsünü azaltmak ve frekans kararlılığını iyileştirmek için, orijinal cihazın son derece düşük sıcaklık ortamına yerleştirilmesi gerekir. Üçüncüsü, geniş bir frekans aralığında modülasyonlu frekans dönüşümü elde etmek zordur. Bu sorunları çözmek için optoelektronik teknolojisi rol oynayabilir. Başlıca yöntemler aşağıda açıklanmıştır.
1. Şekil 1'de gösterildiği gibi, iki farklı frekanstaki lazer sinyalinin frekans farkı kullanılarak, yüksek frekanslı bir fotodedektör mikrodalga sinyallerini dönüştürmek için kullanılır.
Şekil 1. İki frekans farkıyla üretilen mikrodalgaların şematik diyagramı.lazerler.
Bu yöntemin avantajları arasında basit yapı, son derece yüksek frekanslı milimetre dalga ve hatta THz frekans sinyali üretebilme ve lazerin frekansını ayarlayarak geniş bir aralıkta hızlı frekans dönüşümü ve frekans taraması gerçekleştirebilme yer almaktadır. Dezavantajı ise, iki ilişkisiz lazer sinyali tarafından üretilen fark frekans sinyalinin çizgi genişliğinin veya faz gürültüsünün nispeten büyük olması ve frekans kararlılığının yüksek olmamasıdır, özellikle de küçük hacimli ancak geniş çizgi genişliğine (~MHz) sahip bir yarı iletken lazer kullanılıyorsa. Sistem ağırlığı ve hacim gereksinimleri yüksek değilse, düşük gürültülü (~kHz) katı hal lazerleri kullanılabilir.fiber lazerlerdış boşlukyarı iletken lazerlerAyrıca, aynı lazer boşluğunda üretilen iki farklı lazer sinyali modu, bir fark frekansı oluşturmak için de kullanılabilir, böylece mikrodalga frekans kararlılığı performansı büyük ölçüde iyileştirilir.
2. Önceki yöntemde iki lazerin tutarsız olması ve üretilen sinyal faz gürültüsünün çok büyük olması sorununu çözmek için, enjeksiyon frekans kilitleme faz kilitleme yöntemi veya negatif geri besleme faz kilitleme devresi kullanılarak iki lazer arasında tutarlılık sağlanabilir. Şekil 2, mikrodalga çoklu sinyallerin üretilmesinde enjeksiyon kilitlemenin tipik bir uygulamasını göstermektedir (Şekil 2). Yüksek frekanslı akım sinyallerinin doğrudan bir yarı iletken lazere enjekte edilmesi veya bir LinBO3 faz modülatörü kullanılmasıyla, eşit frekans aralığına sahip farklı frekanslarda çoklu optik sinyaller 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 lazer 1 ve 2'ye enjekte edilir. Optik frekans tarağının farklı tarak sinyalleri arasındaki faz nispeten kararlı olduğundan, iki lazer arasındaki göreceli faz da kararlıdır ve daha önce açıklanan fark frekansı yöntemiyle, optik frekans tarağının tekrarlama hızının çok katlı frekanslı mikrodalga sinyali elde edilebilir.
Şekil 2. Enjeksiyon frekans kilitlemesiyle üretilen mikrodalga frekans ikiye katlama sinyalinin şematik diyagramı.
İki lazerin göreceli faz gürültüsünü azaltmanın bir başka yolu da Şekil 3'te gösterildiği gibi negatif geri beslemeli optik PLL kullanmaktır.
Şekil 3. OPL'nin şematik diyagramı.
Optik PLL'nin prensibi, elektronik alanındaki PLL'ye benzer. İki lazerin faz farkı, bir fotodedektör (faz dedektörüne eşdeğer) tarafından elektriksel bir sinyale dönüştürülür ve daha sonra iki lazer arasındaki faz farkı, referans mikrodalga sinyal kaynağı ile fark frekansı oluşturularak elde edilir; bu sinyal yükseltilir, filtrelenir ve ardından lazerlerden birinin frekans kontrol ünitesine geri beslenir (yarı iletken lazerler için enjeksiyon akımıdır). Bu negatif geri besleme kontrol döngüsü sayesinde, iki lazer sinyali arasındaki bağıl frekans fazı, referans mikrodalga sinyaline kilitlenir. Birleştirilmiş optik sinyal daha sonra optik fiberler aracılığıyla başka bir yerdeki bir fotodedektöre iletilir ve mikrodalga sinyaline dönüştürülür. Mikrodalga sinyalinin ortaya çıkan faz gürültüsü, faz kilitli negatif geri besleme döngüsünün bant genişliği içinde referans sinyalinin faz gürültüsüyle neredeyse aynıdır. Bant genişliğinin dışındaki faz gürültüsü, orijinal iki bağımsız lazerin bağıl faz gürültüsüne eşittir.
Ek olarak, referans mikrodalga sinyal kaynağı, frekans ikiye katlama, frekans bölme veya diğer frekans işleme yöntemleriyle diğer sinyal kaynaklarına da dönüştürülebilir; böylece düşük frekanslı mikrodalga sinyali çoklu ikiye katlanabilir veya yüksek frekanslı RF, THz sinyallerine dönüştürülebilir.
Enjeksiyon frekans kilitleme yöntemi yalnızca frekans ikiye katlamayı sağlarken, faz kilitlemeli 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 kilitlemeli döngü, iki lazerin frekansını iki optik tarak sinyaline seçici olarak kilitlemek için kullanılır ve daha sonra Şekil 4'te gösterildiği gibi fark frekansı yoluyla yüksek frekanslı sinyaller üretilir. f1 ve f2 sırasıyla iki PLLS'nin referans sinyal frekanslarıdır ve iki lazer arasındaki fark frekansı ile N*frep+f1+f2 mikrodalga sinyali üretilebilir.
Şekil 4. Optik frekans tarakları ve PLLS kullanılarak keyfi frekansların üretilmesinin şematik diyagramı.
3. Mod kilitli darbe lazeri kullanarak optik darbe sinyalini mikrodalga sinyaline dönüştürün.fotodedektör.
Bu yöntemin temel avantajı, çok iyi frekans kararlılığına ve çok düşük faz gürültüsüne sahip bir sinyal elde edilebilmesidir. Lazerin frekansını çok kararlı bir atomik ve moleküler geçiş spektrumuna veya son derece kararlı bir optik boşluğa kilitleyerek ve kendi kendine çiftleme frekans eliminasyon sistemi frekans kayması ve diğer teknolojileri kullanarak, çok kararlı bir tekrarlama frekansına sahip çok kararlı bir optik darbe sinyali elde edebiliriz; böylece ultra düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali elde edilir. 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 lazer büyük olduğundan, yüksek frekanslı mikrodalga sinyallerini doğrudan elde etmek zordur. Ayrıca, geleneksel darbeli lazerlerin boyutu, ağırlığı ve enerji tüketimi ile zorlu çevre koşulları, uygulamalarını çoğunlukla laboratuvar ortamıyla sınırlandırmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, son zamanlarda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'da, çok küçük, yüksek kaliteli çirp modlu optik boşluklarda frekans kararlı optik taraklar oluşturmak için doğrusal olmayan etkiler kullanılarak araştırmalar başlatılmıştır; bu da yüksek frekanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretir.
4. opto elektronik osilatör, Şekil 6.
Şekil 6. Fotoelektrik bağlantılı osilatörün şematik diyagramı.
Mikrodalga veya lazer üretmenin geleneksel yöntemlerinden biri, kapalı döngüde kazanç kayıptan büyük olduğu sürece, kendiliğinden uyarılan salınımın mikrodalga veya lazer üretebileceği, kendi kendine geri beslemeli kapalı bir döngü kullanmaktır. Kapalı döngünün kalite faktörü Q ne kadar yüksekse, üretilen sinyalin faz veya frekans gürültüsü o kadar küçük olur. Döngünün kalite faktörünü artırmak için doğrudan yol, döngü uzunluğunu artırmak ve yayılım kaybını en aza indirmektir. Bununla birlikte, daha uzun bir döngü genellikle birden fazla salınım modunun üretilmesini destekleyebilir ve dar bant genişliğine sahip bir filtre eklenirse, tek frekanslı düşük gürültülü mikrodalga salınım sinyali elde edilebilir. Fotoelektrik kuplajlı osilatör, bu fikre dayalı bir mikrodalga sinyal kaynağıdır; fiberin düşük yayılım kaybı özelliklerinden tam olarak yararlanır, daha uzun bir fiber kullanarak döngü Q değerini iyileştirir ve çok düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali üretebilir. Bu yöntem 1990'larda önerildiğinden beri, bu tip osilatörler kapsamlı araştırmalara ve önemli gelişmelere konu olmuş ve şu anda ticari olarak kullanılabilen fotoelektrik bağlantılı osilatörler mevcuttur. Daha yakın zamanlarda, frekansları geniş bir aralıkta ayarlanabilen fotoelektrik osilatörler geliştirilmiştir. Bu mimariye dayalı mikrodalga sinyal kaynaklarının temel sorunu, döngünün uzun olması ve serbest akışındaki (FSR) gürültünün ve çift frekansın önemli ölçüde artmasıdır. Ayrıca, kullanılan fotoelektrik bileşenlerin sayısı fazla, maliyeti yüksek, hacmi küçültmek zor ve daha uzun fiber çevresel bozulmalara karşı daha hassastır.
Yukarıda, mikrodalga sinyallerinin fotoelektron üretimine yönelik çeşitli yöntemler ve bunların avantaj ve dezavantajları kısaca tanıtılmıştır. Son olarak, mikrodalga üretmek için fotoelektron kullanımının bir diğer avantajı da, optik sinyalin çok düşük kayıpla, uzun mesafeli iletimle optik fiber aracılığıyla her bir kullanım terminaline dağıtılabilmesi ve daha sonra mikrodalga sinyallerine dönüştürülebilmesidir; ayrıca elektromanyetik girişime karşı direnç yeteneği, geleneksel elektronik bileşenlere göre önemli ölçüde geliştirilmiştir.
Bu makalenin yazımı esas olarak referans amaçlıdır ve yazarın kendi araştırma deneyimi ve bu alandaki tecrübesiyle birleştiğinde, bazı yanlışlıklar ve eksiklikler içerebilir, lütfen anlayış gösterin.
Yayın tarihi: 03 Ocak 2024