Optoelektronik gelombang mikro, seperti namanya, adalah perpotongan antara gelombang mikro danoptoelektronik. Gelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan frekuensinya berbeda-beda, serta komponen dan teknologi yang dikembangkan di bidangnya masing-masing sangat berbeda. Jika digabungkan, kita dapat memanfaatkan satu sama lain, namun kita dapat memperoleh penerapan dan karakteristik baru yang masing-masing sulit untuk diwujudkan.
Komunikasi optikadalah contoh utama kombinasi gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi nirkabel telepon dan telegraf awal, pembangkitan, propagasi dan penerimaan sinyal, semua perangkat gelombang mikro yang digunakan. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah digunakan pada awalnya karena rentang frekuensinya kecil dan kapasitas saluran transmisinya kecil. Solusinya adalah dengan meningkatkan frekuensi sinyal yang ditransmisikan, semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak sumber daya spektrumnya. Tapi sinyal frekuensi tinggi dalam kehilangan propagasi udara besar, tetapi juga mudah diblokir oleh hambatan. Jika kabel digunakan, kehilangan kabelnya besar, dan transmisi jarak jauh menjadi masalah. Munculnya komunikasi serat optik merupakan solusi yang baik untuk permasalahan tersebut.serat optikmemiliki kehilangan transmisi yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk mentransmisikan sinyal jarak jauh. Rentang frekuensi gelombang cahaya jauh lebih besar dibandingkan gelombang mikro dan dapat mentransmisikan banyak saluran berbeda secara bersamaan. Karena kelebihan initransmisi optik, komunikasi serat optik telah menjadi tulang punggung transmisi informasi saat ini.
Komunikasi optik memiliki sejarah yang panjang, penelitian dan penerapannya sangat luas dan matang, tidak perlu dikatakan lagi. Makalah ini terutama memperkenalkan konten penelitian baru optoelektronik gelombang mikro dalam beberapa tahun terakhir selain komunikasi optik. Optoelektronik gelombang mikro terutama menggunakan metode dan teknologi di bidang optoelektronik sebagai pembawa untuk meningkatkan dan mencapai kinerja serta penerapan yang sulit dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari sudut pandang penerapannya, ini terutama mencakup tiga aspek berikut.
Yang pertama adalah penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan sinyal gelombang mikro berperforma tinggi dengan noise rendah, dari pita X hingga pita THz.
Kedua, pemrosesan sinyal gelombang mikro. Termasuk penundaan, pemfilteran, konversi frekuensi, penerimaan, dan sebagainya.
Ketiga, transmisi sinyal analog.
Pada artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bagian pertama, yaitu pembangkitan sinyal gelombang mikro. Gelombang milimeter gelombang mikro tradisional terutama dihasilkan oleh komponen mikroelektronik iii_V. Keterbatasannya memiliki poin-poin berikut: Pertama, pada frekuensi tinggi seperti 100GHz ke atas, mikroelektronika tradisional dapat menghasilkan daya yang semakin sedikit, terhadap sinyal THz frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak dapat berbuat apa-apa. Kedua, untuk mengurangi kebisingan fase dan meningkatkan stabilitas frekuensi, perangkat asli perlu ditempatkan di lingkungan bersuhu sangat rendah. Ketiga, sulit untuk mencapai berbagai konversi frekuensi modulasi frekuensi. 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 dualaser.
Keuntungan dari metode ini adalah strukturnya yang sederhana, dapat menghasilkan gelombang milimeter frekuensi sangat tinggi dan bahkan sinyal frekuensi THz, dan dengan menyesuaikan frekuensi laser dapat melakukan berbagai macam konversi frekuensi cepat, frekuensi sapuan. Kerugiannya adalah lebar garis atau gangguan 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) adalah digunakan. Jika persyaratan volume berat sistem tidak tinggi, Anda dapat menggunakan laser solid-state dengan kebisingan 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 meningkat.
2. Untuk mengatasi masalah ketidakkoherenan kedua laser pada metode sebelumnya dan noise fase sinyal yang dihasilkan terlalu besar, koherensi antara kedua laser dapat diperoleh dengan metode penguncian fase penguncian frekuensi injeksi atau fase umpan balik negatif. sirkuit penguncian. Gambar 2 menunjukkan penerapan khas penguncian injeksi untuk menghasilkan kelipatan gelombang mikro (Gambar 2). Dengan menyuntikkan langsung sinyal arus frekuensi tinggi ke 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 luas adalah dengan menggunakan laser mode-terkunci. Dua sinyal sisir apa pun dalam sisir frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan menyaring 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 perbedaan frekuensi seperti yang dijelaskan sebelumnya, sinyal gelombang mikro frekuensi berlipat ganda dari sisir frekuensi optik tingkat 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 gangguan 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 fasa kedua laser diubah menjadi sinyal listrik oleh fotodetektor (setara dengan detektor fasa), dan kemudian perbedaan fasa antara kedua laser diperoleh dengan membuat perbedaan frekuensi dengan sumber sinyal gelombang mikro referensi, yang diperkuat dan disaring lalu diumpankan kembali ke unit kontrol frekuensi salah satu laser (untuk laser semikonduktor, ini adalah arus injeksi). Melalui loop kontrol umpan balik negatif, 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. Gangguan fase yang dihasilkan dari sinyal gelombang mikro hampir sama dengan sinyal referensi dalam bandwidth loop umpan balik negatif fase-terkunci. Kebisingan fase di luar bandwidth sama dengan kebisingan fase relatif dari dua laser asli yang tidak berhubungan.
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, THz frekuensi tinggi.
Dibandingkan dengan penguncian frekuensi injeksi yang hanya dapat memperoleh penggandaan frekuensi, loop fase-terkunci lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir berubah-ubah, dan tentu saja lebih kompleks. Misalnya, sisir frekuensi optik yang dihasilkan oleh modulator fotolistrik pada Gambar 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan loop fase-terkunci optik digunakan untuk secara selektif mengunci frekuensi dua laser ke dua sinyal sisir optik, dan kemudian menghasilkan sinyal frekuensi tinggi melalui perbedaan frekuensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. f1 dan f2 masing-masing adalah frekuensi sinyal referensi dari dua PLLS, dan sinyal gelombang mikro N*frep+f1+f2 dapat dihasilkan oleh perbedaan frekuensi antara dua laser.
Gambar 4. Diagram skema pembangkitan frekuensi arbitrer menggunakan sisir frekuensi optik dan PLLS.
3. Gunakan laser pulsa dengan mode terkunci untuk mengubah sinyal pulsa optik menjadi sinyal gelombang mikrofotodetektor.
Keuntungan utama dari metode ini adalah dapat diperoleh sinyal dengan stabilitas frekuensi yang sangat baik dan noise 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 pergeseran frekuensi sistem eliminasi frekuensi penggandaan otomatis dan teknologi lainnya, kita dapat memperoleh sinyal pulsa optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil, sehingga diperoleh sinyal gelombang mikro dengan noise fase sangat rendah. Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan gangguan fase relatif dari sumber sinyal yang berbeda.
Namun, karena laju pengulangan pulsa berbanding terbalik dengan panjang rongga laser, dan laser dengan mode terkunci tradisional berukuran besar, sulit untuk memperoleh sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Selain itu, ukuran, berat, dan konsumsi energi laser berdenyut tradisional, serta persyaratan lingkungan yang keras, 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 dengan frekuensi stabil dalam rongga optik mode kicauan yang sangat kecil dan berkualitas tinggi, yang pada gilirannya menghasilkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi dengan noise rendah.
4. osilator opto elektronik, Gambar 6.
Gambar 6. Diagram skema osilator berpasangan fotolistrik.
Salah satu metode tradisional untuk menghasilkan gelombang mikro atau laser adalah dengan menggunakan loop tertutup umpan balik mandiri, selama penguatan pada loop tertutup lebih besar daripada kerugian, osilasi tereksitasi sendiri dapat menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualitas Q dari loop tertutup, semakin kecil fase sinyal atau noise frekuensi yang dihasilkan. Untuk meningkatkan faktor kualitas loop, cara langsungnya adalah dengan menambah panjang loop dan meminimalkan kerugian propagasi. Namun, loop yang lebih panjang biasanya dapat mendukung pembangkitan beberapa mode osilasi, dan jika filter bandwidth sempit ditambahkan, sinyal osilasi gelombang mikro dengan noise rendah frekuensi tunggal dapat diperoleh. Osilator berpasangan fotolistrik adalah sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan ide ini, ia memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kehilangan propagasi serat yang rendah, menggunakan serat yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai loop Q, dapat menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan kebisingan fase yang sangat rendah. Sejak metode ini diusulkan pada tahun 1990-an, osilator jenis ini telah menerima penelitian ekstensif dan pengembangan yang cukup besar, dan saat ini terdapat osilator berpasangan fotolistrik komersial. Baru-baru ini, osilator fotolistrik yang frekuensinya dapat diatur dalam rentang yang luas telah dikembangkan. Masalah utama sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan arsitektur ini adalah loopnya panjang, dan noise pada aliran bebasnya (FSR) serta frekuensi gandanya akan meningkat secara signifikan. Selain itu, komponen fotolistrik yang digunakan lebih banyak, biayanya tinggi, volumenya sulit direduksi, dan serat yang semakin panjang semakin sensitif terhadap gangguan lingkungan.
Di atas secara singkat memperkenalkan beberapa metode pembangkitan fotoelektron sinyal gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangannya. Terakhir, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro memiliki keuntungan lain adalah 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 menahan elektromagnetik. interferensi meningkat secara signifikan dibandingkan komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini terutama untuk referensi, dan dipadukan dengan pengalaman penelitian dan pengalaman penulis sendiri di bidang ini, terdapat ketidakakuratan dan ketidaklengkapan, mohon dimaklumi.
Waktu posting: 03 Januari 2024