СВЧ-оптоэлектроника, как следует из названия, это пересечение микроволновых печей иоптоэлектроникаМикроволны и световые волны – это электромагнитные волны, частоты которых различаются на много порядков, а компоненты и технологии, разработанные в соответствующих областях, существенно различаются. Сочетая их, мы можем использовать преимущества друг друга, но при этом получаем новые области применения и характеристики, которые сложно реализовать.
Оптическая связьЭто яркий пример сочетания микроволн и фотоэлектронов. Ранние беспроводные телефонная и телеграфная связь, генерация, распространение и приём сигналов – всё это использовало микроволновые устройства. Низкочастотные электромагнитные волны изначально использовались из-за малого частотного диапазона и небольшой пропускной способности канала передачи. Решение заключается в увеличении частоты передаваемого сигнала: чем выше частота, тем больше спектральных ресурсов. Однако высокочастотный сигнал в воздухе имеет большие потери при распространении, а также легко блокируется препятствиями. При использовании кабеля потери в кабеле велики, что затрудняет передачу на большие расстояния. Появление оптоволоконной связи стало 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 значительно шире, чем у микроволн, и позволяет передавать множество различных каналов одновременно. Благодаря этим преимуществамоптическая передачаОптоволоконная связь стала основой современной передачи информации.
Оптическая связь имеет долгую историю, её исследования и применение весьма обширны и зрелы, и здесь не может быть и речи о чём-либо другом. В данной статье в основном представлены новые исследования в области микроволновой оптоэлектроники, проведённые в последние годы, помимо оптической связи. Микроволновая оптоэлектроника в основном использует методы и технологии в качестве носителя для улучшения и достижения характеристик и возможностей применения, труднодостижимых с помощью традиционных микроволновых электронных компонентов. С точки зрения применения, она включает в себя следующие три аспекта.
Первый — это использование оптоэлектроники для генерации высокопроизводительных, малошумящих микроволновых сигналов от X-диапазона до терагерцового диапазона.
Во-вторых, обработка микроволновых сигналов. Включая задержку, фильтрацию, преобразование частоты, приём и так далее.
В-третьих, передача аналоговых сигналов.
В данной статье автор рассматривает только первую часть – генерацию микроволнового сигнала. Традиционные СВЧ-сигналы миллиметрового диапазона генерируются в основном микроэлектронными компонентами III_V. Их ограничения заключаются в следующем: во-первых, на высоких частотах, таких как 100 ГГц и выше, традиционная микроэлектроника может выдавать всё меньше и меньше мощности, а на более высоких частотах (терагерцовом диапазоне) она бессильна. Во-вторых, для снижения фазового шума и повышения стабильности частоты исходное устройство необходимо поместить в среду с крайне низкой температурой. В-третьих, сложно добиться широкого диапазона частотной модуляции и преобразования частоты. Для решения этих проблем может сыграть свою роль оптоэлектронная технология. Основные методы описаны ниже.
1. Высокочастотный фотодетектор преобразует микроволновые сигналы, используя разностную частоту двух лазерных сигналов разной частоты, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема микроволн, генерируемых разностной частотой двухлазеры.
Преимуществами данного метода являются простота конструкции, возможность генерации сигналов сверхвысокой частоты миллиметрового и даже терагерцового диапазона, а также возможность быстрого преобразования частоты в широком диапазоне путем регулировки частоты лазера. Недостатком является относительно большая ширина линии или фазовый шум сигнала разностной частоты, генерируемого двумя независимыми лазерными сигналами, и невысокая стабильность частоты, особенно при использовании полупроводникового лазера с малым объёмом, но большой шириной линии (~МГц). Если требования к массе и объёму системы не высоки, можно использовать малошумящие твердотельные лазеры (~кГц).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 некогерентности двух лазеров в предыдущем методе и слишком большого генерируемого фазового шума сигнала, когерентность между двумя лазерами может быть достигнута с помощью метода инжекционной синхронизации частоты или схемы фазовой синхронизации с отрицательной обратной связью. На рисунке 2 показано типичное применение инжекционной синхронизации для генерации СВЧ-множителей (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 используемым методом для получения оптической частотной гребенки с широким спектром является использование лазера с синхронизацией мод. Любые два сигнала гребенки в сгенерированной оптической частотной гребенке выбираются путем фильтрации и инжектируются в лазеры 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 СВЧ-частоты, полученного путем синхронизации частоты инжекции.
Другой способ снижения относительного фазового шума двух лазеров — использование оптической системы ФАПЧ с отрицательной обратной связью, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема ЛЭП.
Принцип работы оптической системы 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 путём создания разностной частоты с помощью источника опорного микроволнового сигнала, который усиливается и фильтруется, а затем подается обратно в блок управления частотой одного из лазеров (для полупроводниковых лазеров это ток инжекции). Благодаря такой петле управления с отрицательной обратной связью относительная фаза частоты между двумя лазерными сигналами синхронизируется с опорным микроволновым сигналом. Объединённый оптический сигнал затем может быть передан по оптоволокну на фотодетектор в другом месте и преобразован в микроволновый сигнал. Результирующий фазовый шум микроволнового сигнала практически такой же, как и у опорного сигнала в полосе пропускания петли фазовой автоподстройки частоты. Фазовый шум вне полосы пропускания равен относительному фазовому шуму исходных двух независимых лазеров.
Кроме того, источник опорного микроволнового сигнала может также преобразовываться другими источниками сигнала посредством удвоения частоты, делителя частоты или другой обработки частоты, так что микроволновый сигнал с более низкой частотой может быть многократно удвоен или преобразован в высокочастотные РЧ, ТГц сигналы.
По сравнению с инжекционной синхронизацией частоты, которая позволяет добиться только удвоения частоты, фазовая автоподстройка частоты более гибкая, может генерировать практически произвольные частоты и, конечно же, более сложная. Например, оптическая гребенка частот, генерируемая фотоэлектрическим модулятором на рисунке 2, используется в качестве источника света, а оптическая фазовая автоподстройка частоты используется для выборочной синхронизации частоты двух лазеров с двумя сигналами оптической гребенки, а затем генерирует высокочастотные сигналы на разностной частоте, как показано на рисунке 4. f1 и f2 — опорные частоты двух систем ФАПЧ соответственно, и микроволновый сигнал N*frep+f1+f2 может быть сгенерирован разностной частотой двух лазеров.
Рисунок 4. Принципиальная схема генерации произвольных частот с использованием оптических частотных гребенок и ФАПЧ.
3. Используйте импульсный лазер с синхронизацией мод для преобразования оптического импульсного сигнала в микроволновый сигнал посредствомфотодетектор.
Главное преимущество этого метода заключается в возможности получения сигнала с очень хорошей стабильностью частоты и очень низким фазовым шумом. Синхронизируя частоту лазера с очень стабильным спектром атомных и молекулярных переходов или с чрезвычайно стабильным оптическим резонатором, а также используя систему самоудвоения частоты, систему устранения сдвига частоты и другие технологии, можно 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 традиционный лазер с синхронизацией мод имеет большие размеры, получение высокочастотных СВЧ-сигналов напрямую затруднено. Кроме того, размер, вес и энергопотребление традиционных импульсных лазеров, а также жесткие требования к окружающей среде ограничивают их применение преимущественно в лабораторных условиях. Для преодоления этих трудностей в США и Германии недавно начались исследования с использованием нелинейных эффектов для создания частотно-стабильных оптических гребенок в очень малых высококачественных оптических резонаторах с чирп-модой, которые, в свою очередь, генерируют высокочастотные СВЧ-сигналы с низким уровнем шума.
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. При условии, что коэффициент усиления в замкнутом контуре больше потерь, самовозбуждающиеся колебания могут генерировать микроволны или лазеры. Чем выше добротность замкнутого контура (Q), тем меньше генерируемый фазовый или частотный шум сигнала. Чтобы увеличить добротность контура, прямой путь - увеличить длину контура и минимизировать потери распространения. Однако более длинный контур обычно может поддерживать генерацию нескольких мод колебаний, а при добавлении узкополосного фильтра можно получить одночастотный малошумящий сигнал микроволнового колебания. Фотоэлектрически связанный генератор - это источник микроволнового сигнала, основанный на этой идее. Он в полной мере использует характеристики низких потерь распространения волокна, используя более длинное волокно для улучшения значения добротности контура, может генерировать микроволновый сигнал с очень низким фазовым шумом. С момента предложения этого метода в 1990-х годах этот тип генератора подвергся обширным исследованиям и значительному развитию, и в настоящее время существуют коммерческие фотоэлектрические генераторы. В последнее время были разработаны фотоэлектрические генераторы с возможностью регулировки частоты в широком диапазоне. Основная проблема источников микроволновых сигналов на основе этой архитектуры заключается в большой длине петли, что приводит к значительному увеличению шума в её свободном потоке (FSR) и удвоенной частоте. Кроме того, используются больше фотоэлектрических компонентов, высокая стоимость, сложность уменьшения объёма, а длинное волокно более чувствительно к возмущениям окружающей среды.
Выше кратко описаны несколько методов фотоэлектронной генерации СВЧ-сигналов, а также их преимущества и недостатки. Кроме того, использование фотоэлектронов для генерации СВЧ-сигналов имеет ещё одно преимущество: оптический сигнал может передаваться по оптоволокну с очень низкими потерями, на большие расстояния к каждому терминалу и затем преобразовываться в СВЧ-сигналы, а его устойчивость к электромагнитным помехам значительно выше, чем у традиционных электронных компонентов.
Данная статья написана в основном для справки и, учитывая собственный исследовательский опыт и опыт автора в данной области, в ней могут быть неточности и неполнота, просим отнестись с пониманием.
Время публикации: 03 января 2024 г.