Mikroonda optoelektroniko, kiel la nomo sugestas, estas la intersekciĝo de mikroondo kajoptoelektronikoMikroondoj kaj lumondoj estas elektromagnetaj ondoj, kaj iliaj frekvencoj estas multaj ordoj de magnitudo malsamaj, kaj la komponantoj kaj teknologioj evoluigitaj en iliaj respektivaj kampoj estas tre malsamaj. Kombinite, ni povas profiti unu de la alia, sed ni povas akiri novajn aplikojn kaj karakterizaĵojn, kiujn malfacilas realigi respektive.
Optika komunikadoestas ĉefa ekzemplo de la kombinaĵo de mikroondoj kaj fotoelektronoj. Fruaj telefonaj kaj telegrafaj sendrataj komunikadoj, la generado, disvastiĝo kaj ricevado de signaloj, ĉiuj uzis mikroondajn aparatojn. Malaltfrekvencaj elektromagnetaj ondoj estis uzataj komence ĉar la frekvenca gamo estas malgranda kaj la kanala kapacito por dissendo estas malgranda. La solvo estas pliigi la frekvencon de la sendita signalo, ju pli alta la frekvenco, des pli da spektraj rimedoj. Sed la altfrekvenca signalo en la aero havas grandan disvastiĝan perdon, sed ankaŭ facile blokeblas per obstakloj. Se oni uzas kablon, la perdo de la kablo estas granda, kaj longdistanca dissendo estas problemo. La apero de optika fibra komunikado estas bona solvo al ĉi tiuj problemoj.Optika fibrohavas tre malaltan transmisian perdon kaj estas bonega portanto por elsendi signalojn trans longajn distancojn. La frekvenca gamo de lumondoj estas multe pli granda ol tiu de mikroondoj kaj povas samtempe elsendi multajn malsamajn kanalojn. Pro ĉi tiuj avantaĝoj deoptika dissendo, optika fibra komunikado fariĝis la spino de hodiaŭa informtransdono.
Optika komunikado havas longan historion, esplorado kaj apliko estas tre ampleksaj kaj maturaj, ĉi tie ne estas pli por diri. Ĉi tiu artikolo ĉefe prezentas la novan esploran enhavon de mikroonda optoelektroniko en la lastaj jaroj krom optika komunikado. Mikroonda optoelektroniko ĉefe uzas la metodojn kaj teknologiojn en la kampo de optoelektroniko kiel la portanton por plibonigi kaj atingi la rendimenton kaj aplikon, kiujn malfacilas atingi per tradiciaj mikroondaj elektronikaj komponantoj. El la perspektivo de apliko, ĝi ĉefe inkluzivas la jenajn tri aspektojn.
La unua estas la uzo de optoelektroniko por generi alt-efikecajn, malbruajn mikroondajn signalojn, de la X-bendo ĝis la THz-bendo.
Due, mikroonda signalprilaborado. Inkluzive de prokrasto, filtrado, frekvenckonverto, ricevado kaj tiel plu.
Trie, la transdono de analogaj signaloj.
En ĉi tiu artikolo, la aŭtoro prezentas nur la unuan parton, la generadon de mikroonda signalo. Tradiciaj mikroondaj milimetraj ondoj estas ĉefe generitaj per mikroelektronikaj komponantoj iii_V. Ĝiaj limigoj havas la jenajn punktojn: Unue, al altaj frekvencoj kiel 100GHz pli ol, tradicia mikroelektroniko povas produkti malpli kaj malpli da potenco, al pli altaj THz-signaloj, ili povas fari nenion. Due, por redukti fazan bruon kaj plibonigi frekvencan stabilecon, la originala aparato devas esti metita en ekstreme malaltan temperaturmedion. Trie, estas malfacile atingi larĝan gamon de frekvencmodulado. Por solvi ĉi tiujn problemojn, optoelektronika teknologio povas ludi rolon. La ĉefaj metodoj estas priskribitaj sube.
1. Per la diferenco de frekvenco de du malsamfrekvencaj laseraj signaloj, altfrekvenca fotodetektilo estas uzata por konverti mikroondajn signalojn, kiel montrite en Figuro 1.
Figuro 1. Skemo de mikroondoj generitaj per la diferencofrekvenco de dulaseroj.
La avantaĝoj de ĉi tiu metodo estas simpla strukturo, povas generi ekstreme altfrekvencajn milimetrajn ondojn kaj eĉ THz-frekvencajn signalojn, kaj per agordo de la lasera frekvenco eblas efektivigi larĝan gamon de rapida frekvenca konverto kaj balaado de frekvenco. La malavantaĝo estas, ke la linilarĝo aŭ fazbruo de la diferenca frekvenca signalo generita de du senrilataj laseraj signaloj estas relative granda, kaj la frekvenca stabileco ne estas alta, precipe se oni uzas duonkonduktan laseron kun malgranda volumeno sed granda linilarĝo (~MHz). Se la postuloj pri sistema pezo kaj volumeno ne estas altaj, oni povas uzi malaltbruajn (~kHz) solidstatajn laserojn.fibraj laseroj, ekstera kavaĵoduonkonduktaĵaj laseroj, ktp. Krome, du malsamaj reĝimoj de laseraj signaloj generitaj en la sama lasera kavaĵo ankaŭ povas esti uzataj por generi diferencan frekvencon, tiel ke la stabileco de mikroonda frekvenco multe plibonigiĝas.
2. Por solvi la problemon, ke la du laseroj en la antaŭa metodo estas nekoheraj kaj la generita signala fazbruo estas tro granda, la kohereco inter la du laseroj povas esti atingita per la injekta frekvenca ŝlosa fazo-ŝlosa metodo aŭ la negativa retrokupla fazo-ŝlosa cirkvito. Figuro 2 montras tipan aplikon de injekta ŝlosado por generi mikroondajn oblojn (Figuro 2). Per rekta injektado de altfrekvencaj kurentaj signaloj en duonkonduktan laseron, aŭ per uzado de LinBO3-faza modulatoro, oni povas generi plurajn optikajn signalojn de malsamaj frekvencoj kun egala frekvenca interspaco, aŭ optikajn frekvencajn kombilojn. Kompreneble, la ofte uzata metodo por akiri larĝspektran optikan frekvencan kombilon estas uzi reĝim-ŝlositan laseron. Iuj ajn du kombilaj signaloj en la generita optika frekvenca kombilo estas elektitaj per filtrado kaj injektitaj en laseron 1 kaj 2 respektive por realigi frekvencan kaj fazan ŝlosadon respektive. Ĉar la fazo inter la malsamaj kombilaj signaloj de la optika frekvenca kombilo estas relative stabila, tiel ke la relativa fazo inter la du laseroj estas stabila, kaj tiam per la metodo de diferenca frekvenco kiel priskribite antaŭe, oni povas akiri la mult-oblan frekvencan mikroondan signalon de la optika frekvenca kombila ripetfrekvenco.
Figuro 2. Skemdiagramo de mikroonda frekvencduobligsignalo generita per injekta frekvencŝlosado.
Alia maniero redukti la relativan fazbruon de la du laseroj estas uzi negativan retrokuplan optikan PLL-on, kiel montrite en Figuro 3.
Figuro 3. Skemo de OPL.
La principo de optika PLL similas al tiu de PLL en la kampo de elektroniko. La fazdiferenco de la du laseroj estas konvertita en elektran signalon per fotodetektilo (ekvivalenta al fazdetektilo), kaj poste la fazdiferenco inter la du laseroj estas akirita farante diferencon de frekvenco kun referenca mikroonda signalfonto, kiu estas amplifikita kaj filtrita kaj poste retransmetita al la frekvenca kontrola unuo de unu el la laseroj (por duonkonduktantaj laseroj, ĝi estas la injekta kurento). Per tia negativa religa kontrolbuklo, la relativa frekvenca fazo inter la du laseraj signaloj estas ŝlosita al la referenca mikroonda signalo. La kombinita optika signalo povas tiam esti transdonita tra optikaj fibroj al fotodetektilo aliloke kaj konvertita en mikroondan signalon. La rezulta fazbruo de la mikroonda signalo estas preskaŭ la sama kiel tiu de la referenca signalo ene de la bendlarĝo de la faz-ŝlosita negativa religa buklo. La fazbruo ekster la bendlarĝo estas egala al la relativa fazbruo de la originalaj du senrilataj laseroj.
Krome, la referenca mikroonda signalfonto ankaŭ povas esti konvertita per aliaj signalfontoj per frekvencduobligo, dividanta frekvenco, aŭ alia frekvenca prilaborado, tiel ke la pli malaltfrekvenca mikroonda signalo povas esti plurduobligita, aŭ konvertita al altfrekvencaj RF, THz-signaloj.
Kompare kun injekta frekvencŝlosado, kiu povas nur atingi frekvencduobligon, fazŝlositaj bukloj estas pli flekseblaj, povas produkti preskaŭ arbitrajn frekvencojn, kaj kompreneble pli kompleksaj. Ekzemple, la optika frekvenckombilo generita de la fotoelektra modulatoro en Figuro 2 estas uzata kiel lumfonto, kaj la optika fazŝlosita buklo estas uzata por selekteme ŝlosi la frekvencon de la du laseroj al la du optikaj kombilaj signaloj, kaj poste generi altfrekvencajn signalojn per la diferenca frekvenco, kiel montrite en Figuro 4. f1 kaj f2 estas la referencaj signalfrekvencoj de la du PLLS respektive, kaj mikroonda signalo de N*frep+f1+f2 povas esti generita per la diferenca frekvenco inter la du laseroj.
Figuro 4. Skemdiagramo de generado de arbitraj frekvencoj uzante optikajn frekvenckombilojn kaj PLLS.
3. Uzu reĝimo-ŝlositan pulsan laseron por konverti optikan pulsan signalon en mikroondan signalon perfotodetektilo.
La ĉefa avantaĝo de ĉi tiu metodo estas, ke oni povas akiri signalon kun tre bona frekvenca stabileco kaj tre malalta faza bruo. Per ŝlosado de la frekvenco de la lasero al tre stabila atoma kaj molekula transira spektro, aŭ ekstreme stabila optika kavaĵo, kaj per la uzo de memduobliganta frekvenca elimina sistemo, frekvenca ŝovo kaj aliaj teknologioj, ni povas akiri tre stabilan optikan pulsan signalon kun tre stabila ripetfrekvenco, tiel ke ni povas akiri mikroondan signalon kun ultramalalta faza bruo. Figuro 5.
Figuro 5. Komparo de relativa fazbruo de malsamaj signalfontoj.
Tamen, ĉar la pulsa ripetfrekvenco estas inverse proporcia al la kavaĵlongo de la lasero, kaj la tradicia reĝim-ŝlosita lasero estas granda, estas malfacile rekte akiri altfrekvencajn mikroondajn signalojn. Krome, la grandeco, pezo kaj energikonsumo de tradiciaj pulsaj laseroj, same kiel la severaj mediaj postuloj, limigas iliajn ĉefe laboratoriajn aplikojn. Por superi ĉi tiujn malfacilaĵojn, esplorado ĵus komenciĝis en Usono kaj Germanio uzante nelinearajn efikojn por generi frekvenc-stabilajn optikajn kombilojn en tre malgrandaj, altkvalitaj ĉirp-reĝimaj optikaj kavaĵoj, kiuj siavice generas altfrekvencajn malaltbruajn mikroondajn signalojn.
4. optoelektronika oscilatoro, Figuro 6.
Figuro 6. Skemo de fotoelektre kuplita oscilatoro.
Unu el la tradiciaj metodoj por generi mikroondojn aŭ laserojn estas uzi mem-regulan fermitan buklon. Kondiĉe ke la gajno en la fermita buklo estas pli granda ol la perdo, la mem-ekscitita oscilado povas produkti mikroondojn aŭ laserojn. Ju pli alta estas la kvalitfaktoro Q de la fermita buklo, des pli malgranda estas la generita signala fazo aŭ frekvenca bruo. Por pliigi la kvalitfaktoron de la buklo, la rekta maniero estas pliigi la buklolongon kaj minimumigi la disvastiĝan perdon. Tamen, pli longa buklo kutime povas subteni la generadon de pluraj reĝimoj de oscilado, kaj se oni aldonas mallarĝ-bendlarĝan filtrilon, oni povas akiri unu-frekvencan malalt-bruan mikroondan osciladan signalon. Fotoelektre kuplita oscilatoro estas mikroonda signalfonto bazita sur ĉi tiu ideo. Ĝi plene utiligas la malaltajn disvastiĝajn perdajn karakterizaĵojn de la fibro. Uzante pli longan fibron por plibonigi la buklon Q-valoron, oni povas produkti mikroondan signalon kun tre malalta fazo-bruo. De kiam la metodo estis proponita en la 1990-aj jaroj, ĉi tiu tipo de oscilatoro ricevis ampleksan esploradon kaj konsiderindan disvolviĝon, kaj nuntempe ekzistas komercaj fotoelektre kuplita oscilatoro. Pli lastatempe, oni evoluigis fotoelektrajn oscilatorojn, kies frekvencojn eblas ĝustigi laŭ vasta gamo. La ĉefa problemo de mikroondaj signalfontoj bazitaj sur ĉi tiu arkitekturo estas, ke la buklo estas longa, kaj la bruo en ĝia libera fluo (FSR) kaj ĝia duobla frekvenco signife pliiĝos. Krome, la uzataj fotoelektraj komponantoj estas pli multaj, la kosto estas alta, la volumeno estas malfacile reduktebla, kaj la pli longa fibro estas pli sentema al mediaj perturboj.
La supre menciita koncize prezentas plurajn metodojn de fotoelektrona generado de mikroondaj signaloj, same kiel iliajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn. Fine, la uzo de fotoelektronoj por produkti mikroondojn havas alian avantaĝon, ke la optika signalo povas esti distribuita tra la optika fibro kun tre malalta perdo, longdistanca transdono al ĉiu uzata terminalo kaj poste konvertita en mikroondajn signalojn, kaj la kapablo rezisti elektromagnetan interferon estas signife plibonigita kompare kun tradiciaj elektronikaj komponantoj.
La verkado de ĉi tiu artikolo estas ĉefe por referenco, kaj kombinite kun la propra esplora sperto kaj sperto de la aŭtoro en ĉi tiu kampo, ekzistas malprecizaĵoj kaj nekompreneblecoj, bonvolu kompreni.
Afiŝtempo: Jan-03-2024