Optoelektronika microwave, seperti namanya, adalah persimpangan microwave danOptoelektronika. Gelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan frekuensinya banyak urutan besarnya berbeda, dan komponen dan teknologi yang dikembangkan di bidangnya masing -masing sangat berbeda. Dalam kombinasi, kita dapat memanfaatkan satu sama lain, tetapi kita bisa mendapatkan aplikasi dan karakteristik baru yang sulit untuk disadari masing -masing.
Komunikasi optikadalah contoh utama dari kombinasi gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi nirkabel telepon dan telegraf awal, generasi, perambatan dan penerimaan sinyal, semuanya menggunakan perangkat gelombang mikro. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah digunakan pada awalnya karena rentang frekuensi kecil dan kapasitas saluran untuk transmisi kecil. Solusinya adalah meningkatkan frekuensi sinyal yang ditransmisikan, semakin tinggi frekuensi, semakin banyak sumber daya spektrum. Tetapi sinyal frekuensi tinggi dalam kehilangan propagasi udara besar, tetapi juga mudah diblokir oleh rintangan. Jika kabel digunakan, hilangnya kabelnya besar, dan transmisi jarak jauh menjadi masalah. Munculnya komunikasi serat optik adalah solusi yang baik untuk masalah ini.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 daripada microwave dan dapat mengirimkan banyak saluran yang berbeda secara bersamaan. Karena keunggulan initransmisi optik, komunikasi serat optik telah menjadi tulang punggung transmisi informasi saat ini.
Komunikasi optik memiliki sejarah panjang, penelitian dan aplikasi sangat luas dan matang, di sini tidak berarti lebih banyak. Makalah ini terutama memperkenalkan konten penelitian baru optoelektronika gelombang mikro dalam beberapa tahun terakhir selain komunikasi optik. Optoelektronik microwave terutama menggunakan metode dan teknologi di bidang optoelektronika sebagai operator untuk meningkatkan dan mencapai kinerja dan aplikasi yang sulit dicapai dengan komponen elektronik microwave tradisional. Dari perspektif aplikasi, ini terutama mencakup tiga aspek berikut.
Yang pertama adalah penggunaan optoelektronika untuk menghasilkan sinyal gelombang mikro berkinerja tinggi, noise rendah, dari x-band sampai ke pita THZ.
Kedua, pemrosesan sinyal microwave. Termasuk penundaan, penyaringan, konversi frekuensi, menerima dan sebagainya.
Ketiga, transmisi sinyal analog.
Dalam artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bagian pertama, generasi sinyal gelombang mikro. Gelombang milimeter microwave tradisional terutama dihasilkan oleh komponen mikroelektronik III_V. Keterbatasannya memiliki poin -poin berikut: Pertama, untuk frekuensi tinggi seperti 100GHz di atas, mikroelektronika tradisional dapat menghasilkan lebih sedikit daya, ke sinyal THZ frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak dapat melakukan apa pun. Kedua, untuk mengurangi kebisingan fase dan meningkatkan stabilitas frekuensi, perangkat asli perlu ditempatkan di lingkungan suhu yang sangat rendah. Ketiga, sulit untuk mencapai berbagai konversi frekuensi modulasi frekuensi. Untuk mengatasi masalah ini, teknologi optoelektronik dapat memainkan peran. Metode utama dijelaskan di bawah ini.
1. Melalui perbedaan frekuensi dua sinyal laser frekuensi yang berbeda, fotodetektor frekuensi tinggi digunakan untuk mengonversi sinyal gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram skematik microwave yang dihasilkan oleh frekuensi perbedaan dualaser.
Keuntungan dari metode ini adalah struktur sederhana, dapat menghasilkan gelombang milimeter frekuensi yang sangat tinggi dan bahkan sinyal frekuensi THz, dan dengan menyesuaikan frekuensi laser dapat melakukan sejumlah besar konversi frekuensi cepat, frekuensi sapuan. Kerugiannya adalah bahwa noise linewidth atau fase dari sinyal frekuensi perbedaan yang dihasilkan oleh dua sinyal laser yang tidak terkait relatif besar, dan stabilitas frekuensi tidak tinggi, terutama jika laser semikonduktor dengan volume kecil tetapi linewidth besar (~ MHz) digunakan. Jika persyaratan volume berat sistem tidak tinggi, Anda dapat menggunakan laser solid-state noise rendah (~ kHz),Laser Serat, rongga eksternalLaser semikonduktor, dll. Selain itu, dua mode sinyal laser yang berbeda yang dihasilkan dalam rongga laser yang sama juga dapat digunakan untuk menghasilkan frekuensi perbedaan, sehingga kinerja stabilitas frekuensi gelombang mikro sangat ditingkatkan.
2. Untuk menyelesaikan masalah bahwa dua laser dalam metode sebelumnya tidak koheren dan noise fase sinyal yang dihasilkan terlalu besar, koherensi antara kedua laser dapat diperoleh dengan metode penguncian fase penguncian frekuensi injeksi atau sirkuit penguncian fase umpan balik negatif. Gambar 2 menunjukkan aplikasi penguncian injeksi yang khas untuk menghasilkan kelipatan gelombang mikro (Gambar 2). Dengan secara langsung menyuntikkan sinyal arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fase LINBO3, beberapa sinyal optik dari frekuensi yang 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 terkunci mode. Setiap dua sinyal sisir dalam sisir frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan penyaringan dan disuntikkan ke laser 1 dan 2 masing -masing untuk mewujudkan frekuensi dan penguncian fase masing -masing. 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-lipatan dari laju pengulangan frekuensi optik dapat diperoleh.
Gambar 2. Diagram skematis dari sinyal penggandaan frekuensi microwave yang dihasilkan oleh penguncian frekuensi injeksi.
Cara lain untuk mengurangi kebisingan fase relatif dari dua laser adalah dengan menggunakan umpan balik negatif PLL optik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram skematik OPL.
Prinsip PLL optik mirip dengan PLL di bidang elektronik. Perbedaan fase dari dua laser dikonversi menjadi sinyal listrik oleh fotodetektor (setara dengan detektor fase), dan kemudian perbedaan fase antara dua laser diperoleh dengan membuat frekuensi perbedaan dengan sumber sinyal microwave referensi, yang diamplifikasi dan disaring dan kemudian diumpankan kembali ke unit kontrol frekuensi dari salah satu laser (untuk semikondukor semikondukor. Melalui loop kontrol umpan balik negatif seperti itu, fase frekuensi relatif antara kedua sinyal laser terkunci pada sinyal gelombang mikro referensi. Sinyal optik gabungan kemudian dapat ditransmisikan melalui serat optik ke fotodetektor di tempat lain dan dikonversi menjadi sinyal gelombang mikro. Noise fase yang dihasilkan dari sinyal gelombang mikro hampir sama dengan sinyal referensi dalam bandwidth dari loop umpan balik negatif yang dikunci fase. Noise fase di luar bandwidth sama dengan noise fase relatif dari dua laser asli yang tidak terkait.
Selain itu, sumber sinyal microwave referensi juga dapat dikonversi oleh sumber sinyal lainnya melalui penggandaan frekuensi, frekuensi pembagi, atau pemrosesan frekuensi lainnya, sehingga sinyal gelombang mikro frekuensi yang lebih rendah dapat mengalami multidoubled, atau dikonversi menjadi sinyal RF frekuensi tinggi, THZ.
Dibandingkan dengan penguncian frekuensi injeksi hanya dapat memperoleh frekuensi penggandaan, loop yang dikunci fase lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir sewenang-wenang, dan tentu saja lebih kompleks. Sebagai contoh, sisir frekuensi optik yang dihasilkan oleh modulator fotolektrik pada Gambar 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan loop yang dikunci fase optik digunakan untuk secara selektif mengunci frekuensi dua laser ke dua sinyal komba optik, dan kemudian menghasilkan sinyal frekuensi tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. F1 dan F2 adalah frekuensi miclpquency dari PLUSI PLA Dua PLA dan F1 adalah rujukan MICLQUency dari PLU PLU PLU PLA Dua. N*FREP+F1+F2 dapat dihasilkan oleh frekuensi perbedaan antara kedua laser.
Gambar 4. Diagram skematis menghasilkan frekuensi sewenang -wenang menggunakan sisir frekuensi optik dan PLL.
3. Gunakan laser pulsa terkunci mode untuk mengubah sinyal pulsa optik menjadi sinyal gelombang mikro melaluiPhotodetector.
Keuntungan utama dari metode ini adalah bahwa sinyal dengan stabilitas frekuensi yang sangat baik dan noise fase yang sangat rendah dapat diperoleh. Dengan mengunci frekuensi laser ke spektrum transisi atom dan molekuler yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, dan penggunaan pergeseran frekuensi sistem eliminasi frekuensi sendiri dan teknologi lainnya, kita dapat memperoleh sinyal pulsa optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil. Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan noise fase relatif dari sumber sinyal yang berbeda.
Namun, karena laju pengulangan pulsa berbanding terbalik dengan panjang rongga laser, dan laser terkunci mode tradisional besar, sulit untuk mendapatkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Selain itu, ukuran, berat dan konsumsi energi laser berdenyut tradisional, serta persyaratan lingkungan yang keras, membatasi sebagian besar aplikasi laboratorium mereka. Untuk mengatasi kesulitan-kesulitan ini, penelitian baru-baru ini dimulai di Amerika Serikat dan Jerman menggunakan efek nonlinier untuk menghasilkan sisir optik stabil frekuensi dalam rongga optik mode kicauan berkualitas tinggi yang sangat kecil, yang pada gilirannya menghasilkan sinyal gelombang mikro rendah frekuensi tinggi.
4. Osilator Elektronik Opto, Gambar 6.
Gambar 6. Diagram skematik osilator berpasangan fotoelektrik.
Salah satu metode tradisional untuk menghasilkan microwave atau laser adalah dengan menggunakan loop tertutup selfedback, asalkan keuntungan dalam loop tertutup lebih besar dari kerugian, osilasi yang dihargai sendiri dapat menghasilkan microwave 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 langsung adalah dengan meningkatkan panjang loop dan meminimalkan kehilangan perambatan. Namun, loop yang lebih panjang biasanya dapat mendukung generasi beberapa mode osilasi, dan jika filter bandwidth sempit ditambahkan, sinyal osilasi microwave rendah frekuensi rendah dapat diperoleh. Osilator berpasangan fotoelektrik adalah sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan ide ini, ia memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kehilangan propagasi rendah serat, menggunakan serat yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai loop Q, dapat menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan noise fase yang sangat rendah. Sejak metode ini diusulkan pada 1990 -an, jenis osilator ini telah menerima penelitian yang luas dan pengembangan yang cukup besar, dan saat ini ada osilator berpasangan fotoelektrik komersial. Baru -baru ini, osilator fotolektrik yang frekuensinya dapat disesuaikan dalam jangkauan yang luas telah dikembangkan. Masalah utama sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan arsitektur ini adalah bahwa loopnya panjang, dan kebisingan dalam aliran bebas (FSR) dan frekuensi ganda akan meningkat secara signifikan. Selain itu, komponen fotolistrik yang digunakan lebih banyak, biayanya tinggi, volumenya sulit dikurangi, dan semakin lama serat lebih sensitif terhadap gangguan lingkungan.
Di atas secara singkat memperkenalkan beberapa metode generasi sinyal gelombang mikro, serta kelebihan dan kekurangannya. Akhirnya, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan microwave memiliki keuntungan lain adalah bahwa sinyal optik dapat didistribusikan melalui serat optik dengan kehilangan yang sangat rendah, transmisi jarak jauh ke setiap terminal penggunaan dan kemudian dikonversi menjadi sinyal gelombang mikro, dan kemampuan untuk menahan gangguan elektromagnetik secara signifikan meningkat 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 ketidakmampuan, harap dipahami.
Waktu posting: Jan-03-2024