Mikrodalga optoelektronik, adından da anlaşılacağı gibi mikrodalga veoptoelektronikMikrodalgalar ve ışık dalgaları elektromanyetik dalgalardır ve frekansları kat kat farklıdır ve ilgili alanlarda geliştirilen bileşenler ve teknolojiler de birbirinden çok farklıdır. Birlikte kullanıldığında birbirimizden faydalanabiliriz, ancak sırasıyla gerçekleştirilmesi zor olan yeni uygulamalar ve özellikler elde edebiliriz.
Optik iletişimMikrodalgalar ve fotoelektronların birleşiminin mükemmel bir örneğidir. İlk telefon ve telgraf kablosuz iletişimlerinde, sinyallerin üretilmesi, yayılması ve alınmasında mikrodalga cihazları kullanılmıştır. Başlangıçta düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar, frekans aralığı ve iletim için kanal kapasitesinin küçük olması nedeniyle kullanılmıştır. Çözüm, iletilen sinyalin frekansını artırmaktır; frekans ne kadar yüksekse, spektrum kaynakları da o kadar fazla olur. Ancak yüksek frekanslı sinyalin havada yayılma kaybı yüksektir, ancak engeller tarafından engellenmesi de kolaydır. Kablo kullanılırsa, kablo kaybı büyük olur ve uzun mesafeli iletim bir sorun teşkil eder. Optik fiber iletişimin ortaya çıkışı bu sorunlara iyi bir çözümdür.Optik fiberÇok düşük iletim kaybına sahiptir ve sinyalleri uzun mesafelere iletmek için mükemmel bir taşıyıcıdır. Işık dalgalarının frekans aralığı mikrodalgalarınkinden çok daha geniştir ve aynı anda birçok farklı kanalı iletebilir. Bu avantajları nedeniyle,optik iletim, optik fiber iletişimi günümüzde bilgi iletiminin omurgasını oluşturmaktadır.
Optik iletişimin uzun bir geçmişi vardır, araştırma ve uygulama oldukça kapsamlı ve olgunlaşmıştır; daha fazlasını söylemeye gerek yok. Bu makale, esas olarak mikrodalga optoelektroniğinin optik iletişim dışındaki son yıllardaki yeni araştırma içeriğini tanıtmaktadır. Mikrodalga optoelektroniği, geleneksel mikrodalga elektronik bileşenleriyle elde edilmesi zor olan performans ve uygulamaları iyileştirmek ve elde etmek için çoğunlukla optoelektronik alanındaki yöntem ve teknolojileri taşıyıcı olarak kullanır. Uygulama açısından bakıldığında ise, temel olarak aşağıdaki üç yönü içerir.
Birincisi, X-bandından THz bandına kadar yüksek performanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretmek için optoelektroniklerin kullanılmasıdır.
İkincisi, mikrodalga sinyal işleme. Geciktirme, filtreleme, frekans dönüştürme, alma vb. işlemleri içerir.
Üçüncüsü, analog sinyallerin iletimi.
Yazar bu makalede yalnızca ilk kısmı, yani mikrodalga sinyalinin üretimini ele almaktadır. Geleneksel mikrodalga milimetre dalgaları esas olarak iii_V mikroelektronik bileşenleri tarafından üretilir. Sınırlamaları şunlardır: İlk olarak, 100 GHz ve üzeri gibi yüksek frekanslarda, geleneksel mikroelektronikler giderek daha az güç üretebilirken, daha yüksek frekanslı THz sinyalinde hiçbir şey yapamazlar. İkinci olarak, faz gürültüsünü azaltmak ve frekans kararlılığını artırmak için orijinal cihazın son derece düşük sıcaklıklı bir ortama yerleştirilmesi gerekir. Üçüncü olarak, geniş bir frekans modülasyon frekansı dönüşüm aralığı elde etmek zordur. Bu sorunları çözmek için optoelektronik teknolojisi rol oynayabilir. Başlıca yöntemler aşağıda açıklanmaktadır.
1. Şekil 1’de görüldüğü gibi, iki farklı frekanslı lazer sinyalinin frekans farkından yararlanılarak yüksek frekanslı bir fotodedektör kullanılarak mikrodalga sinyalleri dönüştürülür.
Şekil 1. İki dalganın frekans farkıyla üretilen mikrodalgaların şematik diyagramılazerler.
Bu yöntemin avantajları, basit yapısı, son derece yüksek frekanslı milimetre dalga ve hatta THz frekans sinyali üretebilmesi ve lazerin frekansının ayarlanmasıyla geniş bir aralıkta hızlı frekans dönüşümü ve tarama frekansı gerçekleştirebilmesidir. Dezavantajı ise, iki ilgisiz lazer sinyali tarafından üretilen fark frekans sinyalinin hat genişliğinin veya faz gürültüsünün nispeten büyük olması ve özellikle küçük hacimli ancak geniş hat genişliğine (~MHz) sahip bir yarı iletken lazer kullanıldığında frekans kararlılığının yüksek olmamasıdır. Sistem ağırlık hacmi gereksinimleri yüksek değilse, düşük gürültülü (~kHz) katı hal lazerleri kullanılabilir.fiber lazerler, dış boşlukyarı iletken lazerler, vb. Ayrıca, aynı lazer boşluğunda üretilen lazer sinyallerinin iki farklı modu, farklı bir frekans üretmek için de kullanılabilir, böylece mikrodalga frekans kararlılığı performansı büyük ölçüde iyileştirilir.
2. Önceki yöntemdeki iki lazerin uyumsuz olması ve üretilen sinyal faz gürültüsünün çok büyük olması sorununu çözmek için, iki lazer arasındaki uyum, enjeksiyon frekans kilitleme faz kilitleme yöntemi veya negatif geri besleme faz kilitleme devresi ile elde edilebilir. Şekil 2, mikrodalga katları üretmek için enjeksiyon kilitlemenin tipik bir uygulamasını göstermektedir (Şekil 2). Yüksek frekanslı akım sinyallerini doğrudan bir yarı iletken lazere enjekte ederek veya bir LinBO3 faz modülatörü kullanarak, 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 taraklarındaki herhangi iki tarak sinyali filtreleme yoluyla seçilir ve sırasıyla frekans ve faz kilitlemesini gerçekleştirmek için lazer 1 ve lazer 2'ye enjekte edilir. Çünkü optik frekans taraklarının farklı tarak sinyalleri arasındaki faz nispeten kararlıdır, dolayısıyla iki lazer arasındaki bağıl faz da kararlıdır ve daha önce anlatıldığı gibi fark frekansı yöntemi ile optik frekans taraklarının tekrarlama oranının çok katlı frekanslı mikrodalga sinyali elde edilebilir.
Şekil 2. Enjeksiyon frekans kilitlemesi ile üretilen mikrodalga frekans iki katına çıkarma sinyalinin şematik diyagramı.
İki lazerin bağıl 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'nin prensibine benzerdir. İki lazerin faz farkı, bir fotodedektör (faz dedektörüne eşdeğer) tarafından elektrik sinyaline dönüştürülür ve ardından iki lazer arasındaki faz farkı, bir referans mikrodalga sinyal kaynağıyla bir fark frekansı oluşturularak elde edilir. Bu sinyal yükseltilip filtrelenir ve ardından lazerlerden birinin frekans kontrol ünitesine geri beslenir (yarı iletken lazerler için bu, enjeksiyon akımıdır). Böyle bir negatif geri besleme kontrol döngüsü sayesinde, iki lazer sinyali arasındaki bağıl frekans fazı referans mikrodalga sinyaline kilitlenir. Birleştirilen optik sinyal daha sonra optik fiberler aracılığıyla başka bir yerdeki bir fotodedektöre iletilebilir ve bir mikrodalga sinyaline dönüştürülebilir. Ortaya çıkan mikrodalga sinyalinin faz gürültüsü, faz kilitli negatif geri besleme döngüsünün bant genişliği içindeki referans sinyalininkiyle neredeyse aynıdır. Bant genişliği dışındaki faz gürültüsü, başlangıçtaki iki ilgisiz lazerin bağıl faz gürültüsüne eşittir.
Ayrıca, referans mikrodalga sinyal kaynağı, frekans iki katına çıkarma, bölen frekans veya diğer frekans işleme yoluyla diğer sinyal kaynakları tarafından da dönüştürülebilir, böylece düşük frekanslı mikrodalga sinyali çoklu iki katına çıkarılabilir veya yüksek frekanslı RF, THz sinyallerine dönüştürülebilir.
Enjeksiyon frekans kilitlemesi, yalnızca frekans iki katına çıkarmayı sağlayabilirken, 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 Şekil 4'te gösterildiği gibi fark frekansı üzerinden yüksek frekanslı sinyaller üretmek için kullanılır. 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. Optik darbe sinyalini mikrodalga sinyaline dönüştürmek için mod kilitli darbe lazerini kullanınfotodedektör.
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 sabitleyerek ve kendi kendini ikiye katlayan frekans eleme sistemi frekans kaydırması ve diğer teknolojilerin kullanımıyla, çok kararlı bir tekrarlama frekansına sahip çok kararlı bir optik darbe sinyali elde edilebilir ve böylece ultra düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali elde edilebilir. Şekil 5.
Şekil 5. Farklı sinyal kaynaklarının bağıl 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, esas olarak laboratuvar uygulamalarını sınırlar. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, son zamanlarda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'da, çok küçük, yüksek kaliteli cıvıltı modu optik boşluklarında frekans kararlı optik taraklar üretmek için doğrusal olmayan etkiler kullanan araştırmalar başlamıştır. Bu taraklar da yüksek frekanslı, düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretir.
4. opto elektronik osilatör, Şekil 6.
Şekil 6. Fotoelektrik kuplajlı osilatörün şematik diyagramı.
Mikrodalga veya lazer üretmenin geleneksel yöntemlerinden biri, öz-geri beslemeli kapalı devre kullanmaktır. Kapalı devredeki kazanç kayıptan büyük olduğu sürece, öz-uyarılmış salınım mikrodalga veya lazer üretebilir. Kapalı devrenin kalite faktörü Q ne kadar yüksekse, üretilen sinyal fazı veya frekans gürültüsü o kadar küçük olur. Döngünün kalite faktörünü artırmanın doğrudan yolu, döngü uzunluğunu artırmak ve yayılma kaybını en aza indirmektir. Ancak, daha uzun bir döngü genellikle birden fazla salınım modunun üretilmesini destekleyebilir ve dar bant genişliğine sahip bir filtre eklenirse, tek frekanslı, düşük gürültülü bir mikrodalga salınım sinyali elde edilebilir. Fotoelektrik kuplajlı 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 kullanarak çok düşük faz gürültülü bir mikrodalga sinyali üretebilir. Yöntem 1990'larda önerildiğinden beri, bu tip osilatörler kapsamlı araştırmalara ve önemli gelişmelere tabi tutulmuş ve halihazırda ticari fotoelektrik kuplajlı 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 akıştaki gürültünün (FSR) ve çift frekansının önemli ölçüde artacak olmasıdır. Ayrıca, kullanılan fotoelektrik bileşenler daha fazladır, maliyeti yüksektir, hacmi azaltmak zordur ve uzun fiber çevresel etkilere karşı daha hassastır.
Yukarıda, mikrodalga sinyallerinde fotoelektron üretiminin çeşitli yöntemleri ve bunların avantaj ve dezavantajları kısaca açıklanmıştır. Son olarak, mikrodalga üretmek için fotoelektron kullanımının bir diğer avantajı da, optik sinyalin optik fiber üzerinden çok düşük kayıpla dağıtılabilmesi ve her bir terminale uzun mesafeli iletimle mikrodalga sinyallerine dönüştürülebilmesidir. Ayrıca, elektromanyetik girişime karşı direnç kabiliyeti, geleneksel elektronik bileşenlere göre önemli ölçüde daha iyidir.
Bu makalenin yazımı esas olarak referans amaçlı olup, yazarın kendi araştırma deneyimi ve bu alandaki deneyimiyle birleştiğinde, yanlışlıklar ve kapsamsızlıklar mevcuttur, lütfen anlayışla karşılayın.
Gönderi zamanı: 03-01-2024