Optoelektronika gelombang mikro, seperti namanya, merupakan perpaduan antara gelombang mikro danoptoelektronikGelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan frekuensinya berbeda dalam orde besaran yang sangat besar, serta komponen dan teknologi yang dikembangkan di bidang masing-masing sangat berbeda. Jika digabungkan, kita dapat saling memanfaatkan, tetapi kita dapat memperoleh aplikasi dan karakteristik baru yang sulit diwujudkan secara terpisah.
Komunikasi optikIni adalah contoh utama kombinasi gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi nirkabel telepon dan telegraf awal, pembangkitan, perambatan, dan penerimaan sinyal, semuanya menggunakan perangkat gelombang mikro. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah digunakan pada awalnya karena rentang frekuensinya kecil dan kapasitas saluran untuk transmisinya kecil. Solusinya adalah meningkatkan frekuensi sinyal yang ditransmisikan, semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak sumber daya spektrum. Tetapi sinyal frekuensi tinggi di udara mengalami kehilangan perambatan yang besar, dan juga mudah terhalang oleh rintangan. Jika menggunakan kabel, kehilangan kabelnya besar, dan transmisi jarak jauh menjadi masalah. Munculnya komunikasi serat optik merupakan solusi yang baik untuk masalah-masalah ini.Serat optikmemiliki kehilangan transmisi yang sangat rendah dan merupakan pembawa yang sangat baik untuk mengirimkan sinyal jarak jauh. Rentang frekuensi gelombang cahaya jauh lebih besar daripada gelombang mikro dan dapat mengirimkan banyak saluran berbeda secara bersamaan. Karena keunggulan-keunggulan ini,transmisi optikKomunikasi serat optik telah menjadi tulang punggung transmisi informasi saat ini.
Komunikasi optik memiliki sejarah panjang, penelitian dan aplikasinya sangat luas dan matang, tidak perlu dijelaskan lebih lanjut di sini. 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 dan aplikasi yang sulit dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif aplikasi, hal ini terutama mencakup tiga aspek berikut.
Yang pertama adalah penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan sinyal gelombang mikro berkinerja tinggi dan rendah noise, dari pita X hingga pita THz.
Kedua, pengolahan sinyal gelombang mikro. Meliputi penundaan, penyaringan, konversi frekuensi, penerimaan, dan sebagainya.
Ketiga, transmisi sinyal analog.
Pada artikel ini, penulis hanya memperkenalkan bagian pertama, yaitu pembangkitan sinyal gelombang mikro. Gelombang mikro milimeter tradisional terutama dihasilkan oleh komponen mikroelektronik iii_V. Keterbatasannya meliputi beberapa poin berikut: Pertama, untuk frekuensi tinggi seperti 100 GHz ke atas, mikroelektronik tradisional hanya dapat menghasilkan daya yang semakin sedikit, dan untuk sinyal THz frekuensi yang lebih tinggi, mereka tidak dapat berbuat apa-apa. Kedua, untuk mengurangi noise fasa dan meningkatkan stabilitas frekuensi, perangkat asli perlu ditempatkan di lingkungan dengan suhu yang sangat rendah. Ketiga, sulit untuk mencapai konversi frekuensi modulasi yang luas. Untuk mengatasi masalah ini, teknologi optoelektronik dapat berperan. Metode utamanya dijelaskan di bawah ini.
1. Melalui perbedaan frekuensi dari dua sinyal laser dengan frekuensi berbeda, fotodetektor frekuensi tinggi digunakan untuk mengkonversi sinyal gelombang mikro, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram skematik gelombang mikro yang dihasilkan oleh perbedaan frekuensi dualaser.
Keunggulan metode ini adalah strukturnya yang sederhana, dapat menghasilkan sinyal gelombang milimeter frekuensi sangat tinggi dan bahkan frekuensi THz, dan dengan menyesuaikan frekuensi laser dapat melakukan konversi frekuensi cepat dalam rentang yang luas, serta penyapuan frekuensi. Kekurangannya adalah lebar garis atau derau fasa dari sinyal frekuensi selisih yang dihasilkan oleh dua sinyal laser yang tidak berhubungan relatif besar, dan stabilitas frekuensinya tidak tinggi, terutama jika digunakan laser semikonduktor dengan volume kecil tetapi lebar garis besar (~MHz). Jika persyaratan volume berat sistem tidak tinggi, Anda dapat menggunakan laser solid-state dengan derau rendah (~kHz).laser serat, rongga eksternallaser semikonduktorSelain 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 ketidakkoherenan kedua laser pada metode sebelumnya dan noise fase sinyal yang dihasilkan terlalu besar, koherensi antara kedua laser dapat diperoleh dengan metode penguncian frekuensi injeksi dan penguncian fase atau rangkaian penguncian fase umpan balik negatif. Gambar 2 menunjukkan aplikasi tipikal penguncian injeksi untuk menghasilkan gelombang mikro ganda (Gambar 2). Dengan menginjeksikan langsung sinyal arus frekuensi tinggi ke dalam laser semikonduktor, atau dengan menggunakan modulator fase LinBO3, beberapa sinyal optik dengan frekuensi berbeda dan 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 mode-locked. Dua sinyal sisir apa pun dalam sisir frekuensi optik yang dihasilkan dipilih dengan penyaringan dan diinjeksikan 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 juga stabil, maka dengan metode frekuensi selisih seperti yang dijelaskan sebelumnya, laju pengulangan sinyal gelombang mikro frekuensi ganda dari sisir frekuensi optik dapat diperoleh.
Gambar 2. Diagram skematik sinyal penggandaan frekuensi gelombang mikro yang dihasilkan oleh penguncian frekuensi injeksi.
Cara lain untuk mengurangi noise fase relatif dari kedua laser adalah dengan menggunakan PLL optik umpan balik negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram skematik OPL.
Prinsip PLL optik mirip dengan PLL di bidang elektronika. Perbedaan fasa dari dua laser diubah menjadi sinyal listrik oleh fotodetektor (setara dengan detektor fasa), dan kemudian perbedaan fasa antara kedua laser diperoleh dengan membuat frekuensi selisih dengan sumber sinyal gelombang mikro referensi, yang diperkuat dan difilter lalu diumpankan kembali ke unit kontrol frekuensi salah satu laser (untuk laser semikonduktor, itu adalah arus injeksi). Melalui loop kontrol umpan balik negatif tersebut, fasa frekuensi relatif antara kedua 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 fasa yang dihasilkan dari sinyal gelombang mikro hampir sama dengan derau fasa sinyal referensi dalam bandwidth loop umpan balik negatif yang terkunci fasa. Derau fasa di luar bandwidth sama dengan derau fasa relatif dari dua laser asli yang tidak terkait.
Selain itu, sumber sinyal gelombang mikro referensi juga dapat dikonversi oleh sumber sinyal lain melalui penggandaan frekuensi, pembagi frekuensi, atau pemrosesan frekuensi lainnya, sehingga sinyal gelombang mikro frekuensi rendah dapat digandakan berkali-kali, atau dikonversi menjadi sinyal RF dan THz frekuensi tinggi.
Dibandingkan dengan penguncian frekuensi injeksi yang hanya dapat menghasilkan penggandaan frekuensi, loop terkunci fasa lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir sembarang, dan tentu saja lebih kompleks. Misalnya, sisir frekuensi optik yang dihasilkan oleh modulator fotolistrik pada Gambar 2 digunakan sebagai sumber cahaya, dan loop terkunci fasa optik digunakan untuk mengunci frekuensi kedua laser secara selektif ke dua sinyal sisir optik, dan kemudian menghasilkan sinyal frekuensi tinggi melalui frekuensi selisih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. f1 dan f2 masing-masing adalah frekuensi sinyal referensi dari kedua PLLS, dan sinyal gelombang mikro N*frep+f1+f2 dapat dihasilkan oleh frekuensi selisih antara kedua laser.
Gambar 4. Diagram skematis pembangkitan frekuensi sembarang menggunakan sisir frekuensi optik dan PLLS.
3. Menggunakan laser pulsa mode-terkunci untuk mengubah sinyal pulsa optik menjadi sinyal gelombang mikro melaluifotodetektor.
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 sistem eliminasi frekuensi penggandaan sendiri, pergeseran frekuensi, 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 ultra-rendah. Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan noise fase relatif dari berbagai sumber sinyal.
Namun, karena laju pengulangan pulsa berbanding terbalik dengan panjang rongga laser, dan laser mode-locked tradisional berukuran besar, sulit untuk mendapatkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi secara langsung. Selain itu, ukuran, berat, dan konsumsi energi laser pulsa 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 yang stabil frekuensinya dalam rongga optik mode chirp yang sangat kecil dan berkualitas tinggi, yang pada gilirannya menghasilkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi dengan noise rendah.
4. osilator optoelektronik, Gambar 6.
Gambar 6. Diagram skematik osilator yang digabungkan dengan 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 kerugian, osilasi yang dihasilkan sendiri dapat menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualitas Q dari loop tertutup, semakin kecil noise fase atau frekuensi sinyal yang dihasilkan. 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 ditambahkan filter bandwidth sempit, sinyal osilasi gelombang mikro frekuensi tunggal dengan noise rendah dapat diperoleh. Osilator kopling fotolistrik adalah sumber sinyal gelombang mikro berdasarkan ide ini, yang memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kerugian propagasi serat yang rendah. Dengan 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 ekstensif dan pengembangan yang cukup besar, dan saat ini terdapat osilator kopling 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 loopnya panjang, dan noise pada 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.
Uraian di atas secara singkat memperkenalkan beberapa metode pembangkitan sinyal gelombang mikro menggunakan fotoelektron, beserta kelebihan dan kekurangannya. Terakhir, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro memiliki keunggulan lain yaitu sinyal optik dapat didistribusikan melalui serat optik dengan kerugian yang sangat rendah, transmisi jarak jauh ke setiap terminal pengguna dan kemudian dikonversi menjadi sinyal gelombang mikro, serta kemampuan untuk menahan interferensi elektromagnetik jauh lebih baik daripada komponen elektronik tradisional.
Penulisan artikel ini terutama untuk referensi, dan dikombinasikan dengan pengalaman penelitian penulis sendiri dan pengalaman di bidang ini, terdapat ketidakakuratan dan ketidaklengkapan, mohon dimaklumi.
Waktu posting: 03-Jan-2024