Микроволновая оптоэлектроникаКак следует из названия, это область пересечения микроволновых технологий иоптоэлектроникаМикроволны и световые волны — это электромагнитные волны, их частоты различаются на много порядков, а компоненты и технологии, разработанные в соответствующих областях, очень разные. В сочетании мы можем использовать преимущества друг друга, но при этом получать новые области применения и характеристики, которые трудно реализовать в каждом отдельном случае.
Оптическая связьЭто яркий пример сочетания микроволн и фотоэлектронов. Ранние беспроводные телефонные и телеграфные системы, генерация, распространение и прием сигналов — все это использовало микроволновые устройства. Первоначально использовались низкочастотные электромагнитные волны, поскольку диапазон частот был невелик, а пропускная способность канала для передачи невелика. Решение заключалось в увеличении частоты передаваемого сигнала: чем выше частота, тем больше спектральных ресурсов. Но высокочастотный сигнал при распространении по воздуху имеет большие потери, а также легко блокируется препятствиями. При использовании кабеля потери в кабеле велики, и передача на большие расстояния становится проблемой. Появление волоконно-оптической связи стало хорошим решением этих проблем.Оптическое волокноОбладает очень низкими потерями при передаче и является отличным средством передачи сигналов на большие расстояния. Диапазон частот световых волн значительно шире, чем у микроволн, и позволяет одновременно передавать множество различных каналов. Благодаря этим преимуществамоптическая передачаОптоволоконная связь стала основой современной передачи информации.
Оптическая связь имеет долгую историю, исследования и применение в этой области очень обширны и зрелы, здесь нет необходимости говорить больше. В данной статье в основном рассматриваются новые направления исследований в области микроволновой оптоэлектроники за последние годы, помимо оптической связи. Микроволновая оптоэлектроника в основном использует методы и технологии из области оптоэлектроники в качестве основы для улучшения и достижения характеристик и применений, которые трудно реализовать с помощью традиционных микроволновых электронных компонентов. С точки зрения применения, это включает в себя следующие три основных аспекта.
Первый подход заключается в использовании оптоэлектроники для генерации высокоэффективных малошумных микроволновых сигналов, от X-диапазона до ТГц-диапазона.
Во-вторых, обработка микроволновых сигналов. Включая задержку, фильтрацию, преобразование частоты, прием и так далее.
В-третьих, передача аналоговых сигналов.
В данной статье автор рассматривает только первую часть — генерацию микроволнового сигнала. Традиционные микроволновые миллиметровые волны в основном генерируются микроэлектронными компонентами. Их ограничения заключаются в следующем: во-первых, для высоких частот, таких как 100 ГГц и выше, традиционная микроэлектроника может производить всё меньшую мощность, а для сигналов ТГц-диапазона более высоких частот она бессильна. Во-вторых, для уменьшения фазового шума и повышения стабильности частоты исходное устройство необходимо помещать в среду с чрезвычайно низкой температурой. В-третьих, трудно добиться широкого диапазона частотной модуляции и преобразования частоты. Для решения этих проблем может сыграть роль оптоэлектронная технология. Основные методы описаны ниже.
1. Используя разность частот двух лазерных сигналов с разной частотой, высокочастотный фотодетектор преобразует микроволновые сигналы, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема микроволн, генерируемых разностью частот двух источников.лазеры.
Преимущества этого метода заключаются в простой конструкции, возможности генерации сигналов миллиметрового и даже терагерцового диапазона чрезвычайно высокой частоты, а также в возможности осуществления быстрого преобразования частоты и развертки частоты путем регулирования частоты лазера. Недостатком является относительно большая ширина линии или фазовый шум разностного сигнала, генерируемого двумя несвязанными лазерными сигналами, и невысокая стабильность частоты, особенно если используется полупроводниковый лазер с малым объемом, но большой шириной линии (~МГц). Если требования к весу и объему системы невысоки, можно использовать малошумящие твердотельные лазеры (~кГц).волоконные лазерынаружная полостьполупроводниковые лазерыКроме того, два различных режима лазерных сигналов, генерируемых в одном и том же лазерном резонаторе, также могут использоваться для генерации разностной частоты, что значительно повышает стабильность микроволновой частоты.
2. Для решения проблемы некогерентности двух лазеров в предыдущем методе и слишком большого фазового шума генерируемого сигнала, когерентность между двумя лазерами может быть достигнута с помощью метода фазовой синхронизации с инжекционной синхронизацией частоты или схемы фазовой синхронизации с отрицательной обратной связью. На рисунке 2 показано типичное применение инжекционной синхронизации для генерации микроволновых кратных сигналов (рисунок 2). Путем прямой инжекции высокочастотных токовых сигналов в полупроводниковый лазер или с помощью фазового модулятора LinBO3 можно генерировать множественные оптические сигналы разных частот с равным частотным интервалом, или оптические частотные гребенки. Конечно, наиболее распространенный метод получения оптической частотной гребенки с широким спектром — это использование лазера с синхронизацией мод. Любые два сигнала в генерируемой оптической частотной гребенке выбираются путем фильтрации и инжектируются в лазеры 1 и 2 соответственно для реализации частотной и фазовой синхронизации. Поскольку фаза между различными сигналами оптического частотного гребеня относительно стабильна, а значит, и относительная фаза между двумя лазерами также стабильна, то с помощью описанного ранее метода разности частот можно получить многочастотный микроволновый сигнал с частотой повторения оптического частотного гребеня.
Рисунок 2. Схема сигнала удвоения микроволновой частоты, генерируемого путем синхронизации частоты при инжекции.
Еще один способ уменьшить относительный фазовый шум двух лазеров — использовать оптическую ФАПЧ с отрицательной обратной связью, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Схематическое изображение ОПЛ.
Принцип работы оптической ФАПЧ аналогичен принципу работы ФАПЧ в электронике. Разность фаз двух лазеров преобразуется в электрический сигнал фотодетектором (эквивалентным фазовому детектору), а затем разность фаз между двумя лазерами получается путем создания разности частот с эталонным микроволновым сигналом, который усиливается, фильтруется и затем подается обратно в блок управления частотой одного из лазеров (для полупроводниковых лазеров это инжекционный ток). Благодаря такой отрицательной обратной связи фаза относительной частоты между сигналами двух лазеров синхронизируется с эталонным микроволновым сигналом. Объединенный оптический сигнал затем может передаваться по оптическим волокнам на фотодетектор в другом месте и преобразовываться в микроволновый сигнал. Результирующий фазовый шум микроволнового сигнала практически совпадает с фазовым шумом эталонного сигнала в полосе пропускания фазово-синхронизированной отрицательной обратной связи. Фазовый шум вне полосы пропускания равен относительному фазовому шуму двух исходных несвязанных лазеров.
Кроме того, опорный микроволновый сигнал может быть преобразован другими источниками сигнала путем удвоения частоты, деления частоты или другой обработки частоты, так что низкочастотный микроволновый сигнал может быть многократно удвоен или преобразован в высокочастотные радиочастотные и терагерцовые сигналы.
В отличие от инжекционной частотной синхронизации, которая позволяет получить только удвоение частоты, фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) более гибкая, может генерировать практически произвольные частоты и, конечно же, более сложная. Например, в качестве источника света используется оптический частотный гребень, генерируемый фотоэлектрическим модулятором (рис. 2), а оптическая фазовая автоподстройка частоты используется для селективной синхронизации частот двух лазеров с двумя сигналами оптического гребеня, а затем для генерации высокочастотных сигналов за счет разности частот, как показано на рис. 4. f1 и f2 — это опорные частоты сигналов двух ФАПЧ соответственно, и микроволновый сигнал N*frep+f1+f2 может быть сгенерирован за счет разности частот между двумя лазерами.
Рисунок 4. Схема генерации произвольных частот с использованием оптических частотных гребенок и ФАПЧ.
3. Использовать лазер с синхронизацией мод для преобразования оптического импульсного сигнала в микроволновый сигнал.фотодетектор.
Главное преимущество этого метода заключается в возможности получения сигнала с очень хорошей стабильностью частоты и очень низким фазовым шумом. Зафиксировав частоту лазера на очень стабильном спектре атомных и молекулярных переходов или на чрезвычайно стабильном оптическом резонаторе, а также используя систему самоудвоения частоты и другие технологии, мы можем получить очень стабильный оптический импульсный сигнал с очень стабильной частотой повторения, что позволяет получить микроволновый сигнал со сверхнизким фазовым шумом. Рисунок 5.
Рисунок 5. Сравнение относительного фазового шума различных источников сигнала.
Однако, поскольку частота повторения импульсов обратно пропорциональна длине резонатора лазера, а традиционные лазеры с синхронизацией мод имеют большие размеры, получить высокочастотные микроволновые сигналы напрямую сложно. Кроме того, размер, вес и энергопотребление традиционных импульсных лазеров, а также жесткие требования к условиям окружающей среды ограничивают их применение в основном в лабораторных условиях. Для преодоления этих трудностей в США и Германии недавно начались исследования, использующие нелинейные эффекты для генерации частотно-стабильных оптических гребенок в очень маленьких высококачественных оптических резонаторах с частотной модуляцией, которые, в свою очередь, генерируют высокочастотные малошумные микроволновые сигналы.
4. Оптоэлектронный генератор, рисунок 6.
Рисунок 6. Схема фотоэлектрически связанного генератора.
Один из традиционных методов генерации микроволн или лазеров — использование замкнутой цепи с самообратной связью. Если коэффициент усиления замкнутой цепи превышает потери, то самовозбуждающиеся колебания могут генерировать микроволны или лазеры. Чем выше добротность Q замкнутой цепи, тем меньше фазовый или частотный шум генерируемого сигнала. Для повышения добротности цепи прямым способом является увеличение её длины и минимизация потерь при распространении. Однако более длинная цепь обычно позволяет генерировать несколько режимов колебаний, и если добавить узкополосный фильтр, можно получить одночастотный малошумный микроволновый сигнал. Фотоэлектрически связанный генератор (ФОГ) — это источник микроволнового сигнала, основанный на этой идее. Он в полной мере использует характеристики низких потерь при распространении в волокне, а использование более длинного волокна для повышения значения добротности цепи позволяет получать микроволновый сигнал с очень низким фазовым шумом. С момента предложения этого метода в 1990-х годах данный тип генератора подвергся обширным исследованиям и значительному развитию, и в настоящее время существуют коммерчески доступные фотоэлектрические генераторы. В последнее время были разработаны фотоэлектрические генераторы, частоты которых можно регулировать в широком диапазоне. Основная проблема источников микроволнового сигнала, основанных на этой архитектуре, заключается в том, что контур имеет большую длину, и шум в его свободном потоке (FSR) и удвоенной частоте значительно возрастает. Кроме того, используется больше фотоэлектрических компонентов, стоимость высока, объем трудно уменьшить, а более длинное волокно более чувствительно к внешним воздействиям.
Выше кратко описаны несколько методов генерации микроволновых сигналов с помощью фотоэлектронов, а также их преимущества и недостатки. Наконец, еще одним преимуществом использования фотоэлектронов для генерации микроволнового излучения является возможность передачи оптического сигнала по оптическому волокну с очень низкими потерями, обеспечение передачи на большие расстояния до каждого терминала и последующее преобразование в микроволновый сигнал, а также значительно улучшенная устойчивость к электромагнитным помехам по сравнению с традиционными электронными компонентами.
Данная статья написана преимущественно в справочных целях и, в сочетании с собственным исследовательским опытом автора и его знаниями в данной области, содержит неточности и неполную информацию, просим отнестись к этому с пониманием.
Дата публикации: 03.01.2024