A mikróhullámú jelek gyártási állapota és forró pontjai mikrohullámú optoelektronikában

A mikrohullámú optoelektronika, amint a neve is sugallja, a mikrohullámú és optoelektronika interdiszciplináris tudományága. Mind a mikrohullámok, mind a fényhullámok elektromágneses hullámok, és frekvenciái sok nagyságrenddel eltérnek. Az egyes területeken kifejlesztett elemek és technológiák nagyon eltérőek. Az egymás erősségeinek összekapcsolása és tanulása új alkalmazásokat és szolgáltatásokat eredményezhet, amelyeket nehéz elérni [1,2,3].

Az optikai kommunikáció a mikrohullámú és optoelektronika kombinációjának legjobb példája. Korai telefon telegráfia A vezeték nélküli kommunikáció, jel generálás, szaporítás és vétel mind mikrohullámú eszközök. Az alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámokat először használják, mert a frekvenciatartomány kicsi, és az átviteli csatorna kapacitása kicsi. A megoldás az átvitt jel frekvenciájának növelése. Minél nagyobb a frekvencia, annál több spektrális erőforrás. Azonban a nagyfrekvenciás jelek nagy terjedési veszteségeket okoznak a levegőben, és akadályok akadályozzák. Ha vezetékes átvitelt használ, a kábel vesztesége nagy, és a távolsági átvitel problémás. A száloptikás kommunikáció megjelenése megoldotta ezeket a problémákat. Az optikai szálas átviteli veszteség nagyon alacsony, ez kiváló hordozó a nagy távolságra történő jelek továbbítására. A fényhullámok frekvenciatartománya messze meghaladja a mikrohullámokat, és számos különböző csatornát egyszerre lehet továbbítani. Az optikai átvitel ezen előnyei miatt az optikai kommunikáció a mai információs terjesztés gerincévé vált.

Az optikai kommunikációnak hosszú története van, a kutatások és alkalmazások nagyon kiterjedtek és érettek, itt nem mondok többet. Itt elsősorban az elmúlt években más optikai távközlési optoelektronika kutatási tartalmát szeretném bemutatni. A mikrohullámú optoelektronika elsősorban az optoelektronika területén alkalmazott módszerekre és technikákra épül, amelyek a hagyományos mikrohullámú elektronikai komponensekkel nehezen elérhető teljesítményt és alkalmazásokat javítják. Alkalmazási szempontból főleg a következő három szempontot tartalmazza.

Először is, az optoelektronika használata nagy teljesítményű, alacsony zajszintű mikrohullámú jelek előállítására az X sávtól a THz sávig.

Másodszor, a mikrohullámú jelek feldolgozása. Beleértve a késleltetést, a szűrést, a frekvenciaváltást, a fogadás és így tovább.

Harmadszor, analóg jelátvitel.

Ez a cikk csak a cikk első részét mutatja be, a mikrohullámú jelek előállítását. A hagyományos mikrohullámos milliméter hullámot főként iii_V mikroelektronikai komponensek termelik [4]. Korlátai a következők: Először is, a magas frekvenciák, mint például a 100 GHz vagy nagyobb, a hagyományos mikroelektronikai komponensek kevesebb és kevesebb energiát termelnek, és a nagyobb frekvenciájú THz jelekhez semmi sem képes. Másodszor, a fáziszaj csökkentése és a frekvencia stabilitásának javítása érdekében az eredeti eszközt kriogén környezetbe kell helyezni. Harmadszor, nehéz elérni az FM frekvenciaváltás széles körét. Ezeknek a problémáknak a megoldására az optoelektronika technológia csak megmutathatja magát. Íme néhány fő módszer.

1. Két különböző frekvenciás lézer jel különbségi frekvenciájának felhasználásával egy nagyfrekvenciás fotodetektor átalakítja mikrohullámú jelet [5, 6], amint az a 2. ábrán látható. 1.

1. ábra Két lézer differenciál frekvenciájú mikrohullámú generáció vázlatos diagramja.

Ennek az eljárásnak az előnye, hogy egyszerű szerkezettel rendelkezik, és rendkívül nagy frekvenciájú, milliméteres hullámú és akár THz frekvenciájú jeleket generálhat. Ráadásul a lézer frekvenciájának beállításával a gyors frekvenciaváltás és a frekvencia sweepolás széles skálája végezhető. Ennek hátránya, hogy a két inkoherens lézerjel által generált különbségi frekvenciajel vonalak szélessége vagy fázisszáza viszonylag nagy, és a frekvencia stabilitása nem magas, különösen akkor, ha kis méretű, de széles (~ MHz) félvezető lézert használunk. . Ha a rendszer súly- és térfogati követelményei nem magasak, alacsony zajszintű (~ kHz) szilárdtest lézert, szálas lézert [7,8], külső üreges félvezető lézert [9] stb. Alkalmazhatunk. Ezenkívül ugyanazon lézeres üregben létrehozott lézerjelek két különböző módját is felhasználhatjuk a különbségi frekvencia előállításához, így a kapott mikrohullámú frekvencia stabilitása jelentősen javítható [10-12].

2. Annak megoldása érdekében, hogy a két lézer az előző módszerben inkoherens és a generált jel fázisszáza túl nagy, egy injektálási reteszelés vagy egy negatív visszacsatolásos fázis zárolt áramkört alkalmazhatunk a két lézer [13]. A 2. ábra a befecskendezéses zárolt frekvencia többfrekvenciás mikrohullámú energiatermelés tipikus alkalmazását szemlélteti (2. ábra). Egy nagyfrekvenciás áramjel bejuttatásával közvetlenül a félvezető lézerbe, vagy LiNbO3 fázis-modulátorral több optikai jelet generálhat különböző frekvenciákkal azonos időközönként, vagy egy optikai frekvencia fésűvel. Természetesen az általánosan használt módszer széles spektrumú optikai frekvencia fésű megszerzéséhez mód-zárolt lézert használ [14]. A generált optikai frekvenciafésű két fésű jelét szűréssel és az 1. és 2. lézerbe fecskendezzük be, hogy elérjük a frekvencia zárolt reteszelést. Mivel az optikai fésű különböző fésűjei közötti fázis viszonylag stabil, a két lézernél stabil relatív fázist kapunk, és a fésű ismétlés gyakoriságát a fent ismertetett különbségi frekvencia módszerével kaphatjuk meg. Többfrekvenciás mikrohullámú jel.

2. ábra. A mikrohullámú frekvencia-duplázott jelek befecskendezéses zárolt frekvenciatermelésének vázlatos rajza.

Egy másik módszer a két lézer relatív fáziszajának csökkentésére negatív visszacsatoló optikai fázissal rögzített hurok alkalmazása, amint azt a 3. ábra mutatja.

3. ábra Optikai PLL vázlat.

Az optikai fázis zárolt hurok elve hasonló az elektronikus mezőben lévő fázissorrendű hurokhoz [15,16,17]. A két lézernél a fáziseltolódást egy feszültségérzékelővel (egy fázisdetektorral) egy elektromos jelké alakítják át, és a két lézer közötti különbséget a referencia mikrohullámú jelforrással való különbségi frekvenciával és a visszacsatolással visszaadják két lézer amplifikáció és szűrés után. Lézer frekvencia vezérlő egység (injektálási áram félvezető lézerekhez). Ilyen negatív visszacsatolásvezérlő hurokkal a relatív frekvencia a két lézer jel között fázissorozódik a referencia mikrohullámú jelzéssel. A kombinált optikai jelet ezután egy optikai szálon át más fotodetektorra továbbíthatjuk és mikrohullámú jelre alakíthatjuk át. Az így generált mikrohullámú jel fáziszajja majdnem megegyezik a referenciajel fázishangjával a fázissorolt negatív visszacsatoló hurok sávszélességében. A sávszélességen kívüli fázisú zaj megegyezik az eredeti két inkoherens lézer relatív fáziszajával.

Ezenkívül a referencia mikrohullámú jelforrás lehet egy másik jelforrás is, amelyet frekvencia-átalakítással, digitális frekvenciával vagy más frekvencia-átalakítással dolgozzunk fel, hogy az alacsonyabb frekvenciájú mikrohullámú jel többfrekvencia-átalakítható legyen vagy nagy frekvenciává alakítható. Rádiófrekvencia, THz jel és így tovább.

Az injektált zárolt frekvenciához képest, amely csak frekvenciaszorzást képes elérni, a fázissorrendű hurkok rugalmasabbak, szinte bármilyen frekvenciát generálnak, és persze összetettebbek. Például a 3. ábrán. 2, optoelektronikus modulátorral modulált fázis vagy optikai fésű, amelyet impulzusos lézer fényforrásként generál, akkor optikai fázissal rögzített hurkot használunk két lézernél két optikai fésűfog jelek szelektív lezárására. Nagyfrekvenciás jeleket generál a különbségi frekvencián keresztül, amint azt a 4. ábra mutatja. Az F1 és f2 a két fáziszáras hurkok referenciajelfrekvenciája, és N * frep + f1 + f2 mikrohullámú jelet generálhat a különbség a két lézer között.

4. ábra Tetszőleges frekvencia diagramot generál optikai fésűkkel és optikai PLL-kkel.

3. Mód-zárolt impulzusos lézer segítségével az optikai impulzus jel mikrohullámú jelekké alakul át egy fotodetektorral [18-20].

Ennek a módszernek az a fő előnye, hogy nagyon jó frekvenciastabilitással és rendkívül alacsony fázisú zajjal rendelkező jelet lehet beszerezni. Ha a lézer frekvenciáját egy nagyon stabil atommolekuláris átmeneti spektrumhoz vagy egy rendkívül stabil optikai üreghez rögzítjük, és az önszaporító frekvenciát alkalmazzuk a rendszer frekvenciaeltolódásának megszüntetésére stb., Akkor nagyon stabil ismétlési frekvenciájú optikai impulzusjeleket kapunk. Alacsony fázisú zajos mikrohullámú jel [21-23]. Amint az az 5. ábrán látható.

5. ábra: Különböző jelforrások relatív fázisú zajának összehasonlítása. Kivonat a hivatkozásból [21]

Azonban, mivel az impulzus ismétlési frekvenciája fordítottan arányos a lézer üregének hosszával, míg a hagyományos mód-zárolt lézer nagy térfogatú, nehéz közvetlenül nagyfrekvenciás mikrohullámú jeleket kapni. Ráadásul a hagyományos impulzusos lézersűrűség, a tömeg és az energiafogyasztás, valamint a környezet kíméletlen követelményei elsősorban a laboratóriumban korlátozzák használatukat. E nehézségek leküzdése érdekében az Egyesült Államokban és Németországban a legfejlettebb kutatások nemlineáris hatást gyakoroltak arra, hogy frekvenciailag stabil optikai fésűket hozzanak létre egy kicsi, jó minőségű üzemmódú üregben, hogy nagy frekvenciájú, alacsony zajszintű mikrohullámú jeleket generáljanak. -29]].