Mikrodalga optoelektronik, adından da anlaşılacağı gibi, mikrodalga veoptoelektronikMikrodalgalar ve ışık dalgaları elektromanyetik dalgalardır ve frekansları çok büyüklük sırası farklıdır ve ilgili alanlarında geliştirilen bileşenler ve teknolojiler çok farklıdır. Birlikte, birbirimizden faydalanabiliriz, ancak sırasıyla gerçekleştirilmesi zor olan yeni uygulamalar ve özellikler elde edebiliriz.
Optik iletişimmikrodalgalar ve fotoelektronların birleşiminin başlıca örneğidir. İlk telefon ve telgraf kablosuz iletişimleri, sinyallerin üretimi, yayılması ve alınması, hepsi mikrodalga cihazları kullandı. Başlangıçta düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanıldı çünkü frekans aralığı küçüktü ve iletim için kanal kapasitesi küçüktü. Çözüm, iletilen sinyalin frekansını artırmaktır, frekans ne kadar yüksekse, spektrum kaynakları o kadar fazla olur. Ancak havadaki yüksek frekanslı sinyalin yayılma kaybı büyüktür, ancak engeller tarafından engellenmesi de kolaydır. Kablo kullanılırsa, kablonun kaybı büyüktür ve uzun mesafeli iletim bir sorundur. Optik fiber iletişiminin ortaya çıkması bu sorunlara iyi bir çözümdür.Optik fiberçok düşük iletim kaybına sahiptir ve uzun mesafelerde sinyal iletimi için mükemmel bir taşıyıcıdır. Işık dalgalarının frekans aralığı mikrodalgalarınkinden çok daha büyüktür ve aynı anda birçok farklı kanalı iletebilir. Bu avantajları nedeniyleoptik iletimOptik fiber iletişimi, günümüz bilgi iletişiminin omurgasını oluşturmaktadır.
Optik iletişimin uzun bir geçmişi vardır, araştırma ve uygulama çok kapsamlı ve olgundur, daha fazlasını söylemeye gerek yok. Bu makale esas olarak optik iletişim dışındaki son yıllarda mikrodalga optoelektroniklerinin yeni araştırma içeriğini tanıtmaktadır. Mikrodalga optoelektronikleri esas olarak geleneksel mikrodalga elektronik bileşenleriyle elde edilmesi zor olan performansı ve uygulamayı iyileştirmek ve elde etmek için taşıyıcı olarak optoelektronik alanındaki yöntemleri ve teknolojileri kullanır. Uygulama perspektifinden, esas 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. dahil.
Üçüncüsü, analog sinyallerin iletimi.
Bu makalede, yazar yalnızca ilk bölümü, mikrodalga sinyalinin üretimini tanıtmaktadır. Geleneksel mikrodalga milimetre dalgası esas olarak iii_V mikroelektronik bileşenleri tarafından üretilir. Sınırlamaları şu noktalara sahiptir: Birincisi, 100GHz üzeri gibi yüksek frekanslarda, geleneksel mikroelektronikler giderek daha az güç üretebilirken, daha yüksek frekanslı THz sinyaline 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 modülasyon frekansı dönüşümü aralığı elde etmek zordur. Bu sorunları çözmek için optoelektronik teknolojisi rol oynayabilir. Ana yöntemler aşağıda açıklanmıştır.
1. Şekil 1’de görüldüğü gibi, iki farklı frekanslı lazer sinyalinin frekans farkından yararlanılarak yüksek frekanslı bir fotodedektör yardımıyla mikrodalga sinyalleri dönüştürülür.
Şekil 1. İki farklı frekanstaki mikrodalgaların şematik diyagramılazerler.
Bu yöntemin avantajları basit yapı, son derece yüksek frekanslı milimetre dalga ve hatta THz frekans sinyali üretebilir ve lazerin frekansını ayarlayarak geniş bir hızlı frekans dönüşümü, tarama frekansı aralığı gerçekleştirebilir. Dezavantajı, iki ilgisiz lazer sinyalinin ürettiği 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 kullanılıyorsa frekans kararlılığının yüksek olmamasıdır. Sistem ağırlık hacmi gereksinimleri yüksek değilse, düşük gürültülü (~kHz) katı hal lazerleri kullanabilirsiniz,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 tutarsız olması ve üretilen sinyal faz gürültüsünün çok büyük olması sorununu çözmek için, iki lazer arasındaki tutarlılık enjeksiyon frekansı 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 tarak elde etmek için yaygın olarak kullanılan yöntem, mod kilitli bir lazer kullanmaktır. Üretilen optik frekans tarakındaki herhangi iki tarak sinyali filtreleme ile seçilir ve sırasıyla frekans ve faz kilitlemesini gerçekleştirmek için sırasıyla lazer 1 ve 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 sonra daha önce anlatılan fark frekansı yöntemi ile optik frekans tarak 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 bir elektrik sinyaline dönüştürülür ve daha sonra iki lazer arasındaki faz farkı, yükseltilen ve filtrelenen ve daha sonra lazerlerden birinin frekans kontrol ünitesine geri beslenen bir referans mikrodalga sinyal kaynağı ile bir fark frekansı oluşturarak elde edilir (yarı iletken lazerler için, 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 bir fotodedektöre 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 genişliğinin dışındaki faz gürültüsü, orijinal iki ilgisiz lazerin bağıl faz gürültüsüne eşittir.
Ayrıca, referans mikrodalga sinyal kaynağı, frekans iki katına çıkarma, bölen frekans veya diğer frekans işlemeleri 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 ile karşılaştırıldığında yalnızca frekans iki katına çıkarılabilir, 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 aracılığıyla yüksek frekanslı sinyaller üretmek için kullanılır. f1 ve f2 sırasıyla iki PLLS'nin referans sinyal frekanslarıdır ve iki lazer arasındaki fark frekansı tarafından N*frep+f1+f2'lik bir 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 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 eliminasyon sistemi frekans kayması ve diğer teknolojilerin kullanımıyla, çok kararlı bir tekrarlama frekansına sahip çok kararlı bir optik darbe sinyali elde edebilir ve böylece ultra düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali elde edebiliriz. Şekil 5.
Şekil 5. Farklı sinyal kaynaklarının bağıl faz gürültüsünün karşılaştırılması.
Ancak, darbe tekrarlama oranı 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 gereksinimleri, esas olarak laboratuvar uygulamalarını sınırlar. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, yakın zamanda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'da çok küçük, yüksek kaliteli cıvıltı modu optik boşluklarında frekans kararlı optik taraklar üretmek için doğrusal olmayan etkiler kullanılarak araştırmalar başladı ve bu da yüksek frekanslı düşük gürültülü mikrodalga sinyalleri üretti.
4. opto elektronik osilatör, Şekil 6.
Şekil 6. Fotoelektrik kuplajlı osilatörün şematik diyagramı.
Mikrodalga veya lazer üretmenin geleneksel yöntemlerinden biri, kapalı devredeki kazanç kayıptan büyük olduğu sürece, kendi kendine geri bildirimli kapalı devre kullanmaktır, kendi kendine uyarılan salınım mikrodalga veya lazer üretebilir. Kapalı devrenin kalite faktörü Q ne kadar yüksekse, üretilen sinyal fazı veya frekans gürültüsü o kadar küçüktür. Döngünün kalite faktörünü artırmak için, doğrudan yol, 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 bağlı osilatör, bu fikre dayanan bir mikrodalga sinyal kaynağıdır, fiberin düşük yayılma kaybı özelliklerini tam olarak kullanır, döngü Q değerini iyileştirmek için daha uzun bir fiber kullanır, çok düşük faz gürültüsüne sahip bir mikrodalga sinyali üretebilir. Yöntem 1990'larda önerildiğinden beri, bu tip osilatör kapsamlı araştırma ve önemli geliştirmeler aldı ve şu anda ticari fotoelektrik bağlı osilatörler var. Daha yakın zamanda, frekansları geniş bir aralıkta ayarlanabilen fotoelektrik osilatörler geliştirildi. Bu mimariye dayalı mikrodalga sinyal kaynaklarının temel sorunu, döngünün uzun olması ve serbest akışındaki (FSR) gürültünün ve çift frekansının önemli ölçüde artacak olmasıdır. Ayrıca, kullanılan fotoelektrik bileşenler daha fazladır, maliyeti yüksektir, hacmi azaltmak zordur ve daha uzun fiber çevresel bozulmaya karşı daha hassastır.
Yukarıda mikrodalga sinyallerinin fotoelektron üretiminin çeşitli yöntemleri ve bunların avantajları ve dezavantajları kısaca tanıtılmıştır. Son olarak, mikrodalga üretmek için fotoelektronların kullanılmasının bir diğer avantajı da optik sinyalin optik fiber üzerinden çok düşük kayıpla, her bir kullanım terminaline uzun mesafeli iletimle dağıtılabilmesi ve ardından mikrodalga sinyallerine dönüştürülebilmesi ve elektromanyetik girişime karşı koyma yeteneğinin geleneksel elektronik bileşenlere göre önemli ölçüde geliştirilmiş olmasıdır.
Bu makalenin yazımı esas olarak referans amaçlı olup, yazarın kendi araştırma deneyimi ve bu alandaki deneyimiyle birleştiğinde yanlışlıklar ve kapsamsızlıklar mevcuttur, lütfen anlayışla karşılayınız.
Gönderi zamanı: 03-Oca-2024