Mikrogolf opto-elektroanika, lykas de namme al seit, is de krusing fan mikrogolf enopto-elektronikaMikrogolven en ljochtweagen binne elektromagnetyske weagen, en de frekwinsjes binne in protte oarders fan grutte ferskillend, en de komponinten en technologyen dy't yn har respektive fjilden ûntwikkele binne, binne tige ferskillend. Yn kombinaasje kinne wy fan elkoar profitearje, mar wy kinne nije tapassingen en skaaimerken krije dy't respektivelik lestich te realisearjen binne.
Optyske kommunikaasjeis in prachtich foarbyld fan 'e kombinaasje fan mikrogolven en fotoelektronen. Iere tillefoan- en telegraafdraadloze kommunikaasje, de generaasje, fuortplanting en ûntfangst fan sinjalen, waarden allegear brûkt troch mikrogolfapparaten. Elektromagnetyske weagen mei lege frekwinsje wurde yn earste ynstânsje brûkt, om't it frekwinsjeberik lyts is en de kanaalkapasiteit foar oerdracht lyts is. De oplossing is om de frekwinsje fan it oerdroegen sinjaal te ferheegjen, hoe heger de frekwinsje, hoe mear spektrumboarnen. Mar it ferlies fan fuortplanting fan hege frekwinsjesignalen yn 'e loft is grut, mar it kin ek maklik blokkearre wurde troch obstakels. As de kabel brûkt wurdt, is it ferlies fan 'e kabel grut, en is oerdracht oer lange ôfstân in probleem. De opkomst fan optyske glêstriedkommunikaasje is in goede oplossing foar dizze problemen.Optyske glêstriedhat in tige leech transmissieferlies en is in poerbêste drager foar it oerdragen fan sinjalen oer lange ôfstannen. It frekwinsjeberik fan ljochtweagen is folle grutter as dat fan mikrogolven en kin in protte ferskillende kanalen tagelyk oerdrage. Fanwegen dizze foardielen fanoptyske oerdracht, is optyske glêstriedkommunikaasje de rêchbonke wurden fan 'e hjoeddeiske ynformaasje-oerdracht.
Optyske kommunikaasje hat in lange skiednis, ûndersyk en tapassing binne tige útwreide en folwoeksen, hjir is neat mear te sizzen. Dit artikel yntrodusearret benammen de nije ûndersyksynhâld fan mikrogolf-opto-elektroanika yn 'e lêste jierren, útsein optyske kommunikaasje. Mikrogolf-opto-elektroanika brûkt benammen de metoaden en technologyen op it mêd fan opto-elektroanika as drager om de prestaasjes en tapassing te ferbetterjen en te berikken dy't lestich te berikken binne mei tradisjonele mikrogolf-elektroanyske komponinten. Fanút it perspektyf fan tapassing omfettet it benammen de folgjende trije aspekten.
De earste is it gebrûk fan opto-elektroanika om mikrogolfsignalen mei hege prestaasjes en leech ruis te generearjen, fan 'e X-band oant de THz-band.
Twadde, mikrogolfsignaalferwurking. Ynklusyf fertraging, filterjen, frekwinsjekonverzje, ûntfangst en sa fierder.
Tredde, de oerdracht fan analoge sinjalen.
Yn dit artikel yntrodusearret de auteur allinich it earste diel, it generearjen fan mikrogolfsinjalen. Tradisjonele mikrogolfmillimeterweach wurdt benammen generearre troch iii_V mikro-elektronyske komponinten. De beheiningen hawwe de folgjende punten: Earst, by hege frekwinsjes lykas 100GHz en heger, kin tradisjonele mikro-elektronika hieltyd minder stroom produsearje, by in THz-sinjaal mei hegere frekwinsje kinne se neat dwaan. Twad, om fazeruis te ferminderjen en de frekwinsjestabiliteit te ferbetterjen, moat it orizjinele apparaat yn in omjouwing mei ekstreem lege temperatuer pleatst wurde. Tred, is it lestich om in breed skala oan frekwinsjemodulaasje-frekwinsjekonverzje te berikken. Om dizze problemen op te lossen, kin opto-elektronyske technology in rol spylje. De wichtichste metoaden wurde hjirûnder beskreaun.
1. Troch de ferskilfrekwinsje fan twa lasersignalen mei ferskillende frekwinsje wurdt in hege-frekwinsje fotodetektor brûkt om mikrogolfsignalen te konvertearjen, lykas te sjen is yn figuer 1.
Figuer 1. Skematysk diagram fan mikrogolven generearre troch de ferskilfrekwinsje fan twalasers.
De foardielen fan dizze metoade binne ienfâldige struktuer, it kin ekstreem hege frekwinsje millimetergolf- en sels THz-frekwinsjesignalen generearje, en troch de frekwinsje fan 'e laser oan te passen kin in grut berik fan rappe frekwinsjekonverzje, sweepfrekwinsje, útfierd wurde. It neidiel is dat de linebreedte of fazerûs fan it ferskilfrekwinsjesignaal generearre troch twa net-relatearre lasersignalen relatyf grut is, en de frekwinsjestabiliteit is net heech, foaral as in healgeleiderlaser mei in lyts folume mar in grutte linebreedte (~MHz) brûkt wurdt. As de easken foar systeemgewicht en folume net heech binne, kinne jo lege rûs (~kHz) solid-state lasers brûke,glêstriedlasers, eksterne holtehealgeleiderlasers, ensfh. Derneist kinne twa ferskillende modi fan lasersignalen dy't yn deselde laserholte generearre wurde, ek brûkt wurde om in ferskilfrekwinsje te generearjen, sadat de prestaasjes fan 'e mikrogolffrekwinsjestabiliteit sterk ferbettere wurde.
2. Om it probleem op te lossen dat de twa lasers yn 'e foarige metoade ynkoherint binne en de generearre sinjaalfazerûs te grut is, kin de koherinsje tusken de twa lasers wurde krigen troch de ynjeksjefrekwinsjefergrendelingsmetoade foar fazerûs of it negative feedbackfazerûs. Figuer 2 lit in typyske tapassing sjen fan ynjeksjefergrendeling om mikrogolfmeardere te generearjen (figuer 2). Troch direkt hege frekwinsjestroomsignalen yn in healgeleiderlaser te ynjeksjearjen, of troch in LinBO3-fazemodulator te brûken, kinne meardere optyske sinjalen fan ferskillende frekwinsjes mei gelikense frekwinsjeôfstân generearre wurde, of optyske frekwinsjekammen. Fansels is de gewoan brûkte metoade om in breedspektrum optyske frekwinsjekam te krijen it brûken fan in modusfergrendelingslaser. Elke twa kamsignalen yn 'e generearre optyske frekwinsjekam wurde selektearre troch filterjen en ynjeksjeare yn laser 1 en 2 respektivelik om frekwinsje- en fazerûs te realisearjen. Omdat de faze tusken de ferskillende kamsignalen fan 'e optyske frekwinsjekam relatyf stabyl is, sadat de relative faze tusken de twa lasers stabyl is, en dan troch de metoade fan ferskilfrekwinsje lykas earder beskreaun, kin it mearfâldige frekwinsjemikrogolfsignaal fan 'e werhellingsfrekwinsje fan' e optyske frekwinsjekam krigen wurde.
Figuer 2. Skematysk diagram fan ferdûbelingssignaal foar mikrogolffrekwinsje generearre troch ynjeksjefrekwinsjefergrendeling.
In oare manier om de relative fazerûs fan 'e twa lasers te ferminderjen is it brûken fan in negative feedback optyske PLL, lykas te sjen is yn figuer 3.
Figuer 3. Skematysk diagram fan OPL.
It prinsipe fan optyske PLL is fergelykber mei dat fan PLL op it mêd fan elektroanika. It fazeferskil fan 'e twa lasers wurdt troch in fotodetektor (lykweardich oan in fazedetektor) omset yn in elektrysk sinjaal, en dan wurdt it fazeferskil tusken de twa lasers krigen troch in ferskilfrekwinsje te meitsjen mei in referinsjemikrogolfsignaalboarne, dy't fersterke en filtere wurdt en dan weromfierd wurdt nei de frekwinsjekontrôle-ienheid fan ien fan 'e lasers (foar healgeleiderlasers is it de ynjeksjestroom). Troch sa'n negative feedbackkontrôlelus wurdt de relative frekwinsjefaze tusken de twa lasersignalen fêstlein oan it referinsjemikrogolfsignaal. It kombineare optyske sinjaal kin dan fia optyske fezels nei in fotodetektor earne oars oerbrocht wurde en omset wurde yn in mikrogolfsignaal. De resultearjende fazerûs fan it mikrogolfsignaal is hast itselde as dy fan it referinsjesignaal binnen de bânbreedte fan 'e fazerûs mei negative feedbacklus. De fazerûs bûten de bânbreedte is gelyk oan de relative fazerûs fan 'e orizjinele twa net-relatearre lasers.
Derneist kin de referinsjemikrogolfsignaalboarne ek omset wurde troch oare sinjaalboarnen fia frekwinsjeferdûbeling, dielerfrekwinsje of oare frekwinsjeferwurking, sadat it mikrogolfsignaal mei legere frekwinsje mearfâldich ferdûbele wurde kin, of omset wurde kin yn hege-frekwinsje RF- en THz-sinjalen.
Yn ferliking mei ynjeksjefrekwinsjefergrendeling kin allinich frekwinsjeferdûbeling krije, fazefergrendelde lussen binne fleksibeler, kinne hast willekeurige frekwinsjes produsearje, en fansels komplekser. Bygelyks, de optyske frekwinsjekam generearre troch de fotoelektryske modulator yn figuer 2 wurdt brûkt as ljochtboarne, en de optyske fazefergrendelde lus wurdt brûkt om de frekwinsje fan 'e twa lasers selektyf te fergrendelen oan 'e twa optyske kamsinjalen, en dan hege frekwinsjesinjalen te generearjen fia de ferskilfrekwinsje, lykas werjûn yn figuer 4. f1 en f2 binne respektivelik de referinsjesignaalfrekwinsjes fan 'e twa PLLS, en in mikrogolfsignaal fan N*frep+f1+f2 kin generearre wurde troch de ferskilfrekwinsje tusken de twa lasers.
Figuer 4. Skematysk diagram fan it generearjen fan willekeurige frekwinsjes mei optyske frekwinsjekammen en PLLS'en.
3. Brûk modus-locked pulslaser om optysk pulssignaal yn mikrogolfsignaal te konvertearjen fiafotodetektor.
It wichtichste foardiel fan dizze metoade is dat in sinjaal mei tige goede frekwinsjestabiliteit en tige lege fazerûs krigen wurde kin. Troch de frekwinsje fan 'e laser te befestigjen oan in tige stabyl atomysk en molekulêr oergongsspektrum, of in ekstreem stabile optyske holte, en it brûken fan selsferdûbeljende frekwinsje-eliminaasjesysteem frekwinsjeferskowing en oare technologyen, kinne wy in tige stabyl optysk pulssignaal krije mei in tige stabile werhellingsfrekwinsje, sadat in mikrogolfsignaal mei ultra-lege fazerûs krigen wurdt. Figuer 5.
Figuer 5. Ferliking fan relative fazerûs fan ferskate sinjaalboarnen.
Omdat de pulswerhellingsfrekwinsje lykwols omgekeerd evenredich is mei de holtelingte fan 'e laser, en de tradisjonele modus-locked laser grut is, is it lestich om heechfrekwinsje mikrogolfsignalen direkt te krijen. Derneist beheine de grutte, it gewicht en it enerzjyferbrûk fan tradisjonele pulsearre lasers, lykas de strange miljeu-easken, har benammen laboratoariumtapassingen. Om dizze swierrichheden te oerwinnen, is koartlyn ûndersyk begûn yn 'e Feriene Steaten en Dútslân mei it brûken fan net-lineaire effekten om frekwinsjestabile optyske kammen te generearjen yn heul lytse, heechweardige chirp-modus optyske holtes, dy't op har beurt heechfrekwinsje leech-ruis mikrogolfsignalen generearje.
4. opto-elektroanyske oscillator, figuer 6.
Figuer 6. Skematysk diagram fan fotoelektrysk keppele oscillator.
Ien fan 'e tradisjonele metoaden foar it generearjen fan mikrogolven of lasers is it brûken fan in selsfeedback sletten lus, salang't de winst yn 'e sletten lus grutter is as it ferlies, kin de sels-oandreaune oscillaasje mikrogolven of lasers produsearje. Hoe heger de kwaliteitsfaktor Q fan 'e sletten lus, hoe lytser de generearre sinjaalfaze- of frekwinsjerûs. Om de kwaliteitsfaktor fan 'e lus te ferheegjen, is de direkte manier om de luslingte te fergrutsjen en it fuortplantingsferlies te minimalisearjen. In langere lus kin lykwols meastentiids de generaasje fan meardere oscillaasjemodi stypje, en as in filter mei smelle bânbreedte tafoege wurdt, kin in ienfrekwinsje leech-rûs mikrogolfoscillaasjesignaal krigen wurde. Fotoelektrysk keppele oscillator is in mikrogolfoscillaasjesignaalboarne basearre op dit idee, it makket folslein gebrûk fan 'e lege fuortplantingsferlieskarakteristiken fan' e glêstried, mei in langere glêstried om de Q-wearde fan 'e lus te ferbetterjen, kin in mikrogolfoscillator produsearje mei heul leech fazerûs. Sûnt de metoade yn 'e jierren '90 foarsteld waard, hat dit type oscillator wiidweidich ûndersyk en flinke ûntwikkeling krigen, en d'r binne op it stuit kommersjele fotoelektrysk keppele oscillatoren. Mear resint binne fotoelektryske oscillatoren ûntwikkele wêrfan de frekwinsjes oer in breed berik oanpast wurde kinne. It wichtichste probleem fan mikrogolfsignaalboarnen basearre op dizze arsjitektuer is dat de lus lang is, en de rûs yn syn frije stream (FSR) en syn dûbele frekwinsje sil signifikant ferhege wurde. Derneist binne de brûkte fotoelektryske komponinten mear, de kosten heech, it folume is lestich te ferminderjen, en de langere glêstried is gefoeliger foar miljeufersteuring.
It boppesteande yntrodusearret koart ferskate metoaden foar it generearjen fan mikrogolfsignalen troch fotoelektronen, lykas har foar- en neidielen. Ta beslút, it gebrûk fan fotoelektronen om mikrogolven te produsearjen hat in oar foardiel, nammentlik dat it optyske sinjaal mei heul leech ferlies en lange ôfstân nei elke gebrûksterminal ferspraat wurde kin en dan omset wurde kin yn mikrogolfsignalen, en it fermogen om elektromagnetyske ynterferinsje te wjerstean is signifikant ferbettere yn ferliking mei tradisjonele elektroanyske komponinten.
It skriuwen fan dit artikel is benammen foar referinsje, en yn kombinaasje mei de eigen ûndersyksûnderfining en ûnderfining fan 'e auteur op dit mêd, binne d'r ûnkrektens en ûnbegryplikens, begryp asjebleaft.
Pleatsingstiid: Jan-03-2024