Optoelektronik gelombang mikro, seperti namanya, adalah persimpangan antara gelombang mikro danoptoelektronikGelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan frekuensinya sangat berbeda, dan komponen serta teknologi yang dikembangkan di bidangnya masing-masing juga sangat berbeda. Dalam kombinasi, kita dapat memanfaatkan satu sama lain, tetapi kita dapat memperoleh aplikasi dan karakteristik baru yang sulit diwujudkan.
Komunikasi optikadalah contoh utama dari kombinasi gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi nirkabel telepon dan telegraf awal, pembangkitan, penyebaran dan penerimaan sinyal, semuanya menggunakan perangkat gelombang mikro. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah digunakan pada awalnya karena jangkauan frekuensinya kecil dan kapasitas saluran untuk transmisinya kecil. Solusinya adalah dengan meningkatkan frekuensi sinyal yang ditransmisikan, semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak sumber daya spektrum. Namun, sinyal frekuensi tinggi di udara kehilangan propagasinya besar, tetapi juga mudah diblokir oleh rintangan. Jika kabel digunakan, kehilangan kabelnya besar, dan transmisi jarak jauh menjadi masalah. Munculnya komunikasi serat optik merupakan solusi yang baik untuk masalah ini.Serat optikmemiliki kehilangan transmisi yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk mentransmisikan sinyal jarak jauh. Jangkauan frekuensi gelombang cahaya jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan dapat mentransmisikan banyak saluran yang berbeda secara bersamaan. Karena keunggulan initransmisi optikKomunikasi serat optik telah menjadi tulang punggung transmisi informasi saat ini.
Komunikasi optik memiliki sejarah yang panjang, penelitian dan aplikasinya sangat luas dan matang, tidak perlu dijelaskan lebih lanjut. Makalah ini terutama memperkenalkan konten penelitian baru optoelektronik gelombang mikro dalam beberapa tahun terakhir selain komunikasi optik. Opoelektronik gelombang mikro terutama menggunakan metode dan teknologi di bidang optoelektronik sebagai pembawa untuk meningkatkan dan mencapai kinerja dan aplikasi yang sulit dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif aplikasi, optoelektronik gelombang mikro terutama mencakup tiga aspek berikut.
Yang pertama adalah penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan sinyal gelombang mikro berkinerja tinggi dan kebisingan rendah, dari pita X hingga pita THz.
Kedua, pemrosesan sinyal gelombang mikro. Termasuk penundaan, penyaringan, konversi frekuensi, penerimaan, dan sebagainya.
Ketiga, transmisi sinyal analog.
Dalam artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bagian pertama, yaitu pembangkitan sinyal gelombang mikro. Gelombang milimeter gelombang mikro tradisional sebagian besar dihasilkan oleh komponen mikroelektronik iii_V. Keterbatasannya memiliki poin-poin berikut: Pertama, pada frekuensi tinggi seperti 100GHz ke atas, mikroelektronik tradisional dapat menghasilkan daya yang semakin sedikit, sedangkan pada sinyal THz frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak dapat melakukan apa pun. Kedua, untuk mengurangi gangguan fase dan meningkatkan stabilitas frekuensi, perangkat asli perlu ditempatkan di lingkungan bersuhu sangat rendah. Ketiga, sulit untuk mencapai konversi frekuensi modulasi frekuensi yang luas. Untuk mengatasi masalah ini, teknologi optoelektronik dapat berperan. Metode utama dijelaskan di bawah ini.
1. Melalui perbedaan frekuensi dua sinyal laser frekuensi berbeda, fotodetektor frekuensi tinggi digunakan untuk mengubah sinyal gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram skema gelombang mikro yang dihasilkan oleh perbedaan frekuensi dua gelombangsinar laser.
Keuntungan dari metode ini adalah strukturnya sederhana, dapat menghasilkan gelombang milimeter frekuensi sangat tinggi dan bahkan sinyal frekuensi THz, dan dengan menyesuaikan frekuensi laser dapat melakukan konversi frekuensi cepat dalam rentang yang luas, frekuensi sapuan. Kerugiannya adalah lebar garis atau derau fase dari sinyal frekuensi perbedaan yang dihasilkan oleh dua sinyal laser yang tidak terkait relatif besar, dan stabilitas frekuensinya tidak tinggi, terutama jika laser semikonduktor dengan volume kecil tetapi lebar garis besar (~MHz) digunakan. Jika persyaratan volume berat sistem tidak tinggi, Anda dapat menggunakan laser solid-state dengan derau rendah (~kHz),laser serat, rongga luarlaser semikonduktor, dll. Selain itu, dua mode sinyal laser berbeda yang dihasilkan dalam rongga laser yang sama juga dapat digunakan untuk menghasilkan frekuensi yang berbeda, sehingga kinerja stabilitas frekuensi gelombang mikro sangat ditingkatkan.
2. Untuk mengatasi masalah bahwa dua laser pada metode sebelumnya tidak koheren dan derau fase sinyal yang dihasilkan terlalu besar, koherensi antara dua laser dapat diperoleh dengan metode penguncian fase penguncian frekuensi injeksi atau rangkaian penguncian fase umpan balik negatif. Gambar 2 menunjukkan aplikasi khas penguncian injeksi untuk menghasilkan kelipatan gelombang mikro (Gambar 2). Dengan menyuntikkan langsung sinyal arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fase LinBO3, beberapa sinyal optik dengan frekuensi berbeda dengan jarak frekuensi yang sama dapat dihasilkan, atau sisir frekuensi optik. Tentu saja, metode yang umum digunakan untuk mendapatkan sisir frekuensi optik spektrum lebar adalah dengan menggunakan laser yang terkunci mode. Dua sinyal sisir apa pun dalam sisir frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan penyaringan dan disuntikkan ke laser 1 dan 2 masing-masing untuk mewujudkan penguncian frekuensi dan fase. Karena fase antara sinyal sisir yang berbeda dari sisir frekuensi optik relatif stabil, sehingga fase relatif antara kedua laser stabil, dan kemudian dengan metode frekuensi perbedaan seperti yang dijelaskan sebelumnya, sinyal gelombang mikro frekuensi multi-lipat dari laju pengulangan sisir frekuensi optik dapat diperoleh.
Gambar 2. Diagram skema sinyal penggandaan frekuensi gelombang mikro yang dihasilkan oleh penguncian frekuensi injeksi.
Cara lain untuk mengurangi kebisingan fase relatif dari kedua laser adalah dengan menggunakan PLL optik umpan balik negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram skema OPL.
Prinsip PLL optik mirip dengan PLL di bidang elektronika. Perbedaan fase dari dua laser diubah menjadi sinyal listrik oleh fotodetektor (setara dengan detektor fase), dan kemudian perbedaan fase antara dua laser diperoleh dengan membuat frekuensi perbedaan dengan sumber sinyal gelombang mikro referensi, yang diperkuat dan difilter lalu diumpankan kembali ke unit kontrol frekuensi dari salah satu laser (untuk laser semikonduktor, ini adalah arus injeksi). Melalui loop kontrol umpan balik negatif seperti itu, fase frekuensi relatif antara dua sinyal laser dikunci ke sinyal gelombang mikro referensi. Sinyal optik gabungan kemudian dapat ditransmisikan melalui serat optik ke fotodetektor di tempat lain dan diubah menjadi sinyal gelombang mikro. Derau fase yang dihasilkan dari sinyal gelombang mikro hampir sama dengan derau fase sinyal referensi dalam lebar pita loop umpan balik negatif yang dikunci fase. Derau fase di luar lebar pita sama dengan derau fase relatif dari dua laser asli yang tidak terkait.
Selain itu, sumber sinyal gelombang mikro referensi juga dapat diubah oleh sumber sinyal lain melalui penggandaan frekuensi, frekuensi pembagi, atau pemrosesan frekuensi lainnya, sehingga sinyal gelombang mikro frekuensi rendah dapat digandakan, atau diubah menjadi sinyal RF frekuensi tinggi, THz.
Dibandingkan dengan penguncian frekuensi injeksi, yang hanya dapat memperoleh penggandaan frekuensi, loop terkunci fase lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir sewenang-wenang, dan tentu saja lebih kompleks. Misalnya, sisir frekuensi optik yang dihasilkan oleh modulator fotolistrik pada Gambar 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan loop terkunci fase optik digunakan untuk mengunci frekuensi kedua laser secara selektif ke dua sinyal sisir optik, lalu menghasilkan sinyal frekuensi tinggi melalui frekuensi perbedaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. f1 dan f2 masing-masing adalah frekuensi sinyal referensi dari kedua PLL, dan sinyal gelombang mikro N*frep+f1+f2 dapat dihasilkan oleh frekuensi perbedaan antara kedua laser.
Gambar 4. Diagram skema pembangkitan frekuensi sembarang menggunakan sisir frekuensi optik dan PLLS.
3. Gunakan laser pulsa mode terkunci untuk mengubah sinyal pulsa optik menjadi sinyal gelombang mikro melaluifotodetektor.
Keuntungan utama dari metode ini adalah dapat diperolehnya sinyal dengan stabilitas frekuensi yang sangat baik dan derau fase yang sangat rendah. Dengan mengunci frekuensi laser ke spektrum transisi atom dan molekul yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, dan penggunaan sistem eliminasi frekuensi penggandaan otomatis, pergeseran frekuensi, dan teknologi lainnya, kita dapat memperoleh sinyal pulsa optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil, sehingga dapat memperoleh sinyal gelombang mikro dengan derau fase yang sangat rendah. Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan derau fase relatif dari berbagai sumber sinyal.
Akan tetapi, karena laju pengulangan pulsa berbanding terbalik dengan panjang rongga laser, dan laser mode-locked tradisional berukuran besar, sulit untuk memperoleh sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Selain itu, ukuran, berat, dan konsumsi energi laser pulsa tradisional, serta persyaratan lingkungan yang ketat, membatasi aplikasi utamanya di laboratorium. Untuk mengatasi kesulitan ini, penelitian baru-baru ini dimulai di Amerika Serikat dan Jerman menggunakan efek nonlinier untuk menghasilkan sisir optik frekuensi stabil dalam rongga optik mode chirp berkualitas tinggi yang sangat kecil, yang pada gilirannya menghasilkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi dan derau rendah.
4. osilator opto elektronik, Gambar 6.
Gambar 6. Diagram skema osilator kopel fotolistrik.
Salah satu metode tradisional untuk menghasilkan gelombang mikro atau laser adalah dengan menggunakan loop tertutup umpan balik sendiri, selama penguatan dalam loop tertutup lebih besar daripada kerugiannya, osilasi yang tereksitasi sendiri dapat menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualitas Q dari loop tertutup, semakin kecil fase sinyal yang dihasilkan atau noise frekuensi. Untuk meningkatkan faktor kualitas loop, cara langsungnya adalah dengan meningkatkan panjang loop dan meminimalkan kerugian propagasi. Namun, loop yang lebih panjang biasanya dapat mendukung pembangkitan beberapa mode osilasi, dan jika filter pita sempit ditambahkan, sinyal osilasi gelombang mikro frekuensi tunggal dengan noise rendah dapat diperoleh. Osilator kopling fotolistrik adalah sumber sinyal gelombang mikro yang didasarkan pada ide ini, ia memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kerugian propagasi rendah serat, menggunakan serat yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai Q loop, dapat menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan noise fase yang sangat rendah. Sejak metode ini diusulkan pada tahun 1990-an, jenis osilator ini telah menerima penelitian yang luas dan pengembangan yang cukup besar, dan saat ini terdapat osilator berpasangan fotolistrik komersial. Baru-baru ini, osilator fotolistrik yang frekuensinya dapat disesuaikan dalam rentang yang luas telah dikembangkan. Masalah utama sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan arsitektur ini adalah bahwa loopnya panjang, dan noise dalam aliran bebasnya (FSR) dan frekuensi gandanya akan meningkat secara signifikan. Selain itu, komponen fotolistrik yang digunakan lebih banyak, biayanya tinggi, volumenya sulit dikurangi, dan serat yang lebih panjang lebih sensitif terhadap gangguan lingkungan.
Di atas secara singkat diperkenalkan beberapa metode pembangkitan fotoelektron dari sinyal gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangannya. Terakhir, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro memiliki kelebihan lain yaitu sinyal optik dapat didistribusikan melalui serat optik dengan kerugian yang sangat rendah, transmisi jarak jauh ke setiap terminal penggunaan dan kemudian diubah menjadi sinyal gelombang mikro, dan kemampuan untuk menahan interferensi elektromagnetik ditingkatkan secara signifikan daripada komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini terutama untuk referensi, dan dikombinasikan dengan pengalaman penelitian dan pengalaman penulis sendiri di bidang ini, ada ketidakakuratan dan ketidaklengkapan, harap dipahami.
Waktu posting: 03-Jan-2024