Микроволновая оптоэлектроника, как следует из названия, является пересечением микроволн иоптоэлектроника. Микроволны и световые волны являются электромагнитными волнами, и частоты отличаются на много порядков, а компоненты и технологии, разработанные в их соответствующих областях, очень различны. В сочетании мы можем использовать преимущества друг друга, но мы можем получить новые приложения и характеристики, которые трудно реализовать соответственно.
Оптическая связьявляется ярким примером сочетания микроволн и фотоэлектронов. Ранние телефонные и телеграфные беспроводные коммуникации, генерация, распространение и прием сигналов, все использовали микроволновые устройства. Низкочастотные электромагнитные волны использовались изначально, потому что диапазон частот невелик, а пропускная способность канала для передачи невелика. Решение состоит в том, чтобы увеличить частоту передаваемого сигнала, чем выше частота, тем больше ресурсов спектра. Но высокочастотный сигнал в воздухе имеет большие потери распространения, но также легко блокируется препятствиями. Если используется кабель, потери кабеля велики, и передача на большие расстояния является проблемой. Появление оптоволоконной связи является хорошим решением этих проблем.Оптическое волокноимеет очень низкие потери при передаче и является отличным носителем для передачи сигналов на большие расстояния. Диапазон частот световых волн намного больше, чем у микроволн, и может передавать много различных каналов одновременно. Благодаря этим преимуществамоптическая передачаОптоволоконная связь стала основой современной передачи информации.
Оптическая связь имеет долгую историю, исследования и применение очень обширны и зрелы, здесь не сказать больше. В этой статье в основном представлен новый исследовательский контент микроволновой оптоэлектроники за последние годы, кроме оптической связи. Микроволновая оптоэлектроника в основном использует методы и технологии в области оптоэлектроники в качестве носителя для улучшения и достижения производительности и применения, которые трудно достичь с помощью традиционных микроволновых электронных компонентов. С точки зрения применения, она в основном включает следующие три аспекта.
Первый — это использование оптоэлектроники для генерации высокопроизводительных, малошумящих микроволновых сигналов от X-диапазона до терагерцового диапазона.
Во-вторых, обработка микроволнового сигнала. Включая задержку, фильтрацию, преобразование частоты, прием и т. д.
В-третьих, передача аналоговых сигналов.
В этой статье автор знакомит только с первой частью, генерацией микроволнового сигнала. Традиционная микроволновая миллиметровая волна в основном генерируется микроэлектронными компонентами iii_V. Ее ограничения имеют следующие моменты: во-первых, на высоких частотах, таких как 100 ГГц и выше, традиционная микроэлектроника может производить все меньше и меньше мощности, на более высоких частотах ТГц сигнала она ничего не может сделать. Во-вторых, для того, чтобы уменьшить фазовый шум и улучшить стабильность частоты, исходное устройство необходимо поместить в среду с чрезвычайно низкой температурой. В-третьих, трудно достичь широкого диапазона преобразования частоты модуляции частоты. Для решения этих проблем может сыграть свою роль оптоэлектронная технология. Основные методы описаны ниже.
1. Высокочастотный фотодетектор преобразует микроволновые сигналы с помощью разностной частоты двух лазерных сигналов разной частоты, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема микроволн, генерируемых разностной частотой двухлазеры.
Преимущества этого метода - простая структура, может генерировать чрезвычайно высокую частоту миллиметровых волн и даже сигнал частоты ТГц, и путем регулировки частоты лазера можно осуществлять большой диапазон быстрого преобразования частоты, частоты развертки. Недостатком является то, что ширина линии или фазовый шум сигнала разностной частоты, генерируемого двумя не связанными лазерными сигналами, относительно велики, а стабильность частоты невысока, особенно если используется полупроводниковый лазер с небольшим объемом, но большой шириной линии (~МГц). Если требования к объему веса системы не высоки, вы можете использовать малошумящие (~кГц) твердотельные лазеры,волоконные лазеры, внешняя полостьполупроводниковые лазерыи т. д. Кроме того, два различных режима лазерных сигналов, генерируемых в одном и том же лазерном резонаторе, также могут использоваться для генерации разностной частоты, благодаря чему значительно улучшаются показатели стабильности микроволновой частоты.
2. Чтобы решить проблему, связанную с тем, что два лазера в предыдущем методе некогерентны, а генерируемый фазовый шум сигнала слишком велик, когерентность между двумя лазерами может быть получена с помощью метода фазовой синхронизации инжекции частоты или схемы фазовой синхронизации с отрицательной обратной связью. На рисунке 2 показано типичное применение инжекции синхронизации для генерации микроволновых кратных (рисунок 2). Путем прямой инжекции высокочастотных токовых сигналов в полупроводниковый лазер или с помощью фазового модулятора LinBO3 можно генерировать несколько оптических сигналов разных частот с равным частотным интервалом или оптические частотные гребенки. Конечно, обычно используемый метод получения оптической частотной гребенки с широким спектром заключается в использовании лазера с синхронизацией мод. Любые два сигнала гребенки в генерируемой оптической частотной гребенке выбираются путем фильтрации и инжектируются в лазер 1 и 2 соответственно для реализации частотной и фазовой синхронизации соответственно. Поскольку фаза между различными сигналами гребенки оптической частоты относительно стабильна, то и относительная фаза между двумя лазерами также стабильна, а затем с помощью метода разностной частоты, описанного ранее, можно получить многократный частотный микроволновый сигнал частоты повторения гребенки оптической частоты.
Рисунок 2. Принципиальная схема сигнала удвоения частоты СВЧ, генерируемого путем синхронизации частоты инжекции.
Другим способом снижения относительного фазового шума двух лазеров является использование оптической системы ФАПЧ с отрицательной обратной связью, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема ЛЭП.
Принцип работы оптической ФАПЧ аналогичен принципу работы 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 опорным источником микроволнового сигнала, который усиливается и фильтруется, а затем подается обратно в блок управления частотой одного из лазеров (для полупроводниковых лазеров это ток инжекции). Благодаря такому контуру 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 оптоволокну на фотодетектор в другом месте и преобразован в микроволновый сигнал. Результирующий фазовый шум микроволнового сигнала почти такой же, как у опорного сигнала в пределах полосы пропускания контура с фазовой автоподстройкой. Фазовый шум за пределами полосы пропускания равен относительному фазовому шуму исходных двух не связанных лазеров.
Кроме того, источник опорного микроволнового сигнала может также быть преобразован другими источниками сигнала посредством удвоения частоты, делителя частоты или другой обработки частоты, так что низкочастотный микроволновый сигнал может быть многократно удвоен или преобразован в высокочастотные радиочастотные, терагерцовые сигналы.
По сравнению с инжекционной синхронизацией частоты можно получить только удвоение частоты, фазовая автоподстройка частоты более гибкая, может производить почти произвольные частоты и, конечно, более сложная. Например, оптическая частотная гребенка, сгенерированная фотоэлектрическим модулятором на рисунке 2, используется в качестве источника света, а оптическая фазовая автоподстройка частоты используется для выборочной синхронизации частоты двух лазеров с двумя оптическими гребенчатыми сигналами, а затем генерирует высокочастотные сигналы через разностную частоту, как показано на рисунке 4. f1 и f2 являются опорными частотами сигналов двух ФАПЧ соответственно, и микроволновый сигнал N*frep+f1+f2 может быть сгенерирован разностной частотой между двумя лазерами.
Рисунок 4. Принципиальная схема генерации произвольных частот с использованием оптических частотных гребенок и ФАПС.
3. Используйте импульсный лазер с синхронизацией мод для преобразования оптического импульсного сигнала в микроволновый сигнал посредствомфотодетектор.
Главное преимущество этого метода заключается в том, что можно получить сигнал с очень хорошей стабильностью частоты и очень низким фазовым шумом. Привязывая частоту лазера к очень стабильному спектру атомных и молекулярных переходов или к чрезвычайно стабильному оптическому резонатору, а также используя систему самоудвоения частоты, устранения сдвига частоты и другие технологии, можно получить очень стабильный оптический импульсный сигнал с очень стабильной частотой повторения, чтобы 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 большой, трудно получить высокочастотные микроволновые сигналы напрямую. Кроме того, размер, вес и энергопотребление традиционных импульсных лазеров, а также жесткие требования к окружающей среде ограничивают их в основном лабораторное применение. Чтобы преодолеть эти трудности, в США и Германии недавно начались исследования с использованием нелинейных эффектов для генерации частотно-стабильных оптических гребенок в очень маленьких высококачественных оптических резонаторах с чирп-модом, которые в свою очередь генерируют высокочастотные малошумящие микроволновые сигналы.
4. оптоэлектронный генератор, рисунок 6.
Рисунок 6. Принципиальная схема фотоэлектрически связанного генератора.
Одним из традиционных методов генерации микроволн или лазеров является использование замкнутого контура с самообратной связью, пока усиление в замкнутом контуре больше потерь, самовозбуждающиеся колебания могут производить микроволны или лазеры. Чем выше добротность Q замкнутого контура, тем меньше генерируемый фазовый или частотный шум сигнала. Чтобы увеличить добротность контура, прямым способом является увеличение длины контура и минимизация потерь распространения. Однако более длинный контур обычно может поддерживать генерацию нескольких режимов колебаний, и если добавить узкополосный фильтр, можно получить одночастотный малошумящий сигнал микроволнового колебания. Фотоэлектрически связанный генератор является источником микроволнового сигнала, основанным на этой идее, он в полной мере использует характеристики низких потерь распространения волокна, используя более длинное волокно для улучшения значения петли Q, может производить микроволновый сигнал с очень низким фазовым шумом. С тех пор как метод был предложен в 1990-х годах, этот тип генератора получил обширные исследования и значительное развитие, и в настоящее время существуют коммерческие фотоэлектрически связанные генераторы. Совсем недавно были разработаны фотоэлектрические генераторы, частоты которых можно регулировать в широком диапазоне. Основная проблема источников микроволнового сигнала на основе этой архитектуры заключается в том, что петля длинная, а шум в ее свободном потоке (FSR) и ее удвоенной частоте будет значительно увеличен. Кроме того, используются больше фотоэлектрических компонентов, стоимость высока, объем трудно уменьшить, а более длинное волокно более чувствительно к возмущениям окружающей среды.
Выше кратко представлены несколько методов фотоэлектронной генерации микроволновых сигналов, а также их преимущества и недостатки. Наконец, использование фотоэлектронов для получения микроволн имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что оптический сигнал может распространяться по оптоволокну с очень низкими потерями, передаваться на большие расстояния к каждому терминалу использования, а затем преобразовываться в микроволновые сигналы, а способность противостоять электромагнитным помехам значительно улучшена по сравнению с традиционными электронными компонентами.
Написание данной статьи носит в основном справочный характер и, учитывая собственный исследовательский опыт и опыт автора в данной области, в ней могут быть неточности и непонятности. Пожалуйста, поймите.
Время публикации: 03.01.2024