СВЧ-оптоэлектроника, как следует из названия, представляет собой пересечение микроволновой иоптоэлектроника. Микроволны и световые волны — это электромагнитные волны, их частоты различаются на многие порядки, а компоненты и технологии, разработанные в соответствующих областях, сильно различаются. В сочетании мы можем воспользоваться друг другом, но можем получить новые приложения и характеристики, которые соответственно сложно реализовать.
Оптическая связьявляется ярким примером сочетания микроволн и фотоэлектронов. Ранняя телефонная и телеграфная беспроводная связь, генерация, распространение и прием сигналов, все используемые микроволновые устройства. Первоначально используются низкочастотные электромагнитные волны, поскольку диапазон частот мал и пропускная способность канала передачи мала. Решение состоит в том, чтобы увеличить частоту передаваемого сигнала, чем выше частота, тем больше ресурсов спектра. Но потери при распространении по воздуху высокочастотного сигнала велики, но его также легко блокировать препятствиями. Если используется кабель, потери в кабеле велики, и передача на большие расстояния становится проблемой. Появление оптоволоконной связи является хорошим решением этих проблем.Оптическое волокноимеет очень низкие потери при передаче и является отличной несущей для передачи сигналов на большие расстояния. Частотный диапазон световых волн намного больше, чем у микроволн, и они могут передавать множество разных каналов одновременно. Из-за этих преимуществоптическая передачаОптоволоконная связь стала основой сегодняшней передачи информации.
Оптическая связь имеет долгую историю, исследования и применение очень обширны и зрелы, не говоря уже о большем. В этой статье в основном представлены новые исследования в области микроволновой оптоэлектроники последних лет, помимо оптической связи. Микроволновая оптоэлектроника в основном использует методы и технологии в области оптоэлектроники в качестве носителя для улучшения и достижения производительности и применения, которых трудно достичь с помощью традиционных микроволновых электронных компонентов. С точки зрения применения он в основном включает в себя следующие три аспекта.
Во-первых, это использование оптоэлектроники для генерации высокопроизводительных, малошумящих микроволновых сигналов, от X-диапазона до ТГц диапазона.
Во-вторых, обработка микроволнового сигнала. Включая задержку, фильтрацию, преобразование частоты, прием и так далее.
В-третьих, передача аналоговых сигналов.
В этой статье автор знакомит только с первой частью — генерацией микроволнового сигнала. Традиционные микроволновые миллиметровые волны в основном генерируются микроэлектронными компонентами iii_V. Его ограничения имеют следующие моменты: во-первых, на высоких частотах, таких как 100 ГГц и выше, традиционная микроэлектроника может производить все меньше и меньше энергии, на более высоких частотах ТГц сигнала они ничего не могут сделать. Во-вторых, чтобы уменьшить фазовый шум и улучшить стабильность частоты, оригинальное устройство необходимо поместить в среду с чрезвычайно низкой температурой. В-третьих, трудно добиться широкого диапазона частотной модуляции преобразования частоты. В решении этих проблем могут сыграть роль оптоэлектронные технологии. Основные методы описаны ниже.
1. Благодаря разности частот двух лазерных сигналов разной частоты высокочастотный фотодетектор используется для преобразования микроволновых сигналов, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема микроволн, генерируемых разностной частотой двухлазеры.
Преимуществами этого метода являются простая структура, он может генерировать чрезвычайно высокочастотные миллиметровые волны и даже сигналы ТГц частоты, а путем регулировки частоты лазера можно осуществлять быстрое преобразование частоты в широком диапазоне и частоту развертки. Недостатком является то, что ширина линии или фазовый шум сигнала разностной частоты, генерируемого двумя несвязанными лазерными сигналами, относительно велика, а стабильность частоты невысока, особенно если используется полупроводниковый лазер с небольшим объемом, но большой шириной линии (~ МГц). использовал. Если требования к массе и объему системы невелики, вы можете использовать твердотельные лазеры с низким уровнем шума (~ кГц).волоконные лазеры, внешняя полостьполупроводниковые лазерыи т. д. Кроме того, два разных режима лазерных сигналов, генерируемых в одном лазерном резонаторе, также могут использоваться для генерации разностной частоты, так что характеристики стабильности микроволновой частоты значительно улучшаются.
2. Чтобы решить проблему, заключающуюся в том, что два лазера в предыдущем методе являются некогерентными, а генерируемый фазовый шум сигнала слишком велик, когерентность между двумя лазерами может быть получена с помощью метода фазовой синхронизации с синхронизацией частоты инжекции или фазы отрицательной обратной связи. цепь блокировки. На рисунке 2 показано типичное применение блокировки инжекции для генерации кратных микроволновых волн (рисунок 2). Путем непосредственной подачи высокочастотных сигналов тока в полупроводниковый лазер или с помощью фазового модулятора LinBO3 можно генерировать несколько оптических сигналов разных частот с одинаковым интервалом между частотами или гребенки оптических частот. Конечно, обычно используемый метод получения гребенки оптических частот широкого спектра — это использование лазера с синхронизацией мод. Любые два гребенчатых сигнала в генерируемой гребенке оптических частот выбираются путем фильтрации и вводятся в лазер 1 и 2 соответственно для реализации синхронизации частоты и фазы соответственно. Поскольку фаза между различными гребенчатыми сигналами гребенки оптических частот относительно стабильна, так что относительная фаза между двумя лазерами стабильна, а затем с помощью метода разностной частоты, как описано ранее, микроволновый сигнал многократной частоты можно получить частоту повторения гребенки оптических частот.
Рисунок 2. Принципиальная схема сигнала удвоения микроволновой частоты, генерируемого блокировкой частоты инжекции.
Другой способ уменьшить относительный фазовый шум двух лазеров — использовать оптическую систему ФАПЧ с отрицательной обратной связью, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема ЛОП.
Принцип оптической ФАПЧ аналогичен принципу ФАПЧ в области электроники. Разность фаз двух лазеров преобразуется в электрический сигнал фотодетектором (эквивалентным фазовому детектору), а затем разность фаз между двумя лазерами получается путем создания разностной частоты с помощью эталонного источника микроволнового сигнала, который усиливается. и фильтруется, а затем поступает обратно в блок регулирования частоты одного из лазеров (для полупроводниковых лазеров это ток инжекции). Посредством такого контура управления с отрицательной обратной связью относительная фаза частоты между двумя лазерными сигналами синхронизируется с опорным микроволновым сигналом. Объединенный оптический сигнал затем может быть передан по оптическим волокнам на фотодетектор в другом месте и преобразован в микроволновый сигнал. Результирующий фазовый шум микроволнового сигнала почти такой же, как и у опорного сигнала в пределах полосы пропускания контура отрицательной обратной связи с фазовой автоподстройкой частоты. Фазовый шум вне полосы пропускания равен относительному фазовому шуму исходных двух несвязанных лазеров.
Кроме того, источник опорного микроволнового сигнала также может быть преобразован другими источниками сигнала посредством удвоения частоты, делителя частоты или другой частотной обработки, так что микроволновый сигнал более низкой частоты может быть многократно удвоен или преобразован в высокочастотные радиочастотные сигналы ТГц.
По сравнению с инжекционной синхронизацией частоты можно добиться только удвоения частоты, системы фазовой автоподстройки частоты более гибкие, могут генерировать почти произвольные частоты и, конечно, более сложные. Например, гребенка оптических частот, генерируемая фотоэлектрическим модулятором на рисунке 2, используется в качестве источника света, а оптическая система фазовой автоподстройки частоты используется для выборочной синхронизации частоты двух лазеров с двумя сигналами оптической гребенки, а затем генерации высокочастотные сигналы через разностную частоту, как показано на рисунке 4. f1 и f2 — это частоты опорного сигнала двух систем PLLS соответственно, а микроволновый сигнал N*frep+f1+f2 может быть сгенерирован разностной частотой между два лазера.
Рисунок 4. Принципиальная схема генерации произвольных частот с использованием гребенки оптических частот и системы PLLS.
3. Используйте импульсный лазер с синхронизацией мод для преобразования оптического импульсного сигнала в микроволновый сигнал черезфотодетектор.
Основное преимущество этого метода заключается в том, что можно получить сигнал с очень хорошей стабильностью частоты и очень низким фазовым шумом. Привязав частоту лазера к очень стабильному спектру атомных и молекулярных переходов или чрезвычайно стабильному оптическому резонатору, а также используя систему сдвига частоты самоудвоения частоты и другие технологии, мы можем получить очень стабильный оптический импульсный сигнал с очень стабильная частота повторения, позволяющая 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 традиционный лазер с синхронизацией мод имеет большие размеры, напрямую получить высокочастотные микроволновые сигналы сложно. Кроме того, размер, вес и энергопотребление традиционных импульсных лазеров, а также жесткие экологические требования ограничивают их преимущественно лабораторное применение. Чтобы преодолеть эти трудности, недавно в США и Германии начались исследования с использованием нелинейных эффектов для создания стабильных по частоте оптических гребенок в очень маленьких, высококачественных оптических резонаторах с чирп-режимом, которые, в свою очередь, генерируют высокочастотные малошумящие микроволновые сигналы.
4. Оптоэлектронный генератор, рисунок 6.
Рисунок 6. Принципиальная схема фотоэлектрического генератора.
Одним из традиционных методов генерации микроволн или лазеров является использование замкнутого контура с самообратной связью. Пока усиление в замкнутом контуре превышает потери, автоколебания могут генерировать микроволны или лазеры. Чем выше добротность Q замкнутого контура, тем меньше фазовый или частотный шум генерируемого сигнала. Чтобы повысить добротность шлейфа, прямым путем является увеличение длины шлейфа и минимизация потерь при распространении. Однако более длинный контур обычно может поддерживать генерацию нескольких мод колебаний, и если добавить узкополосный фильтр, можно получить одночастотный малошумящий сигнал микроволновых колебаний. Генератор с фотоэлектрической связью представляет собой источник микроволнового сигнала, основанный на этой идее. Он в полной мере использует характеристики волокна с низкими потерями при распространении, используя более длинное волокно для улучшения значения добротности контура, может генерировать микроволновый сигнал с очень низким фазовым шумом. С тех пор, как этот метод был предложен в 1990-х годах, генераторы этого типа подверглись обширным исследованиям и значительным разработкам, и в настоящее время существуют коммерческие генераторы с фотоэлектрической связью. Совсем недавно были разработаны фотоэлектрические генераторы, частоты которых можно регулировать в широком диапазоне. Основная проблема источников СВЧ-сигналов на основе такой архитектуры заключается в том, что контур длинный, а шум в его свободном потоке (FSR) и его удвоенная частота будут значительно увеличены. Кроме того, используются больше фотоэлектрических компонентов, стоимость высока, объем трудно уменьшить, а более длинное волокно более чувствительно к воздействиям окружающей среды.
Выше кратко представлены несколько методов фотоэлектронной генерации микроволновых сигналов, а также их преимущества и недостатки. Наконец, использование фотоэлектронов для создания микроволнового излучения имеет еще одно преимущество: оптический сигнал может распространяться по оптическому волокну с очень низкими потерями, передаваться на большие расстояния к каждому используемому терминалу, а затем преобразовываться в микроволновые сигналы, а также способность противостоять электромагнитному излучению. помехи значительно улучшены, чем у традиционных электронных компонентов.
Написание этой статьи предназначено в основном для справки, и в сочетании с собственным исследовательским опытом и опытом автора в этой области существуют неточности и непонятности, пожалуйста, поймите.
Время публикации: 03 января 2024 г.