Optoelektronik gelombang mikro, seperti namanya, adalah persimpangan antara gelombang mikro danoptoelektronikGelombang mikro dan gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dengan frekuensi yang berbeda jauh, dan komponen serta teknologi yang dikembangkan di bidangnya masing-masing juga sangat berbeda. Dalam kombinasi, kita dapat saling memanfaatkan, tetapi kita dapat memperoleh aplikasi dan karakteristik baru yang sulit diwujudkan secara terpisah.
Komunikasi optikadalah contoh utama kombinasi gelombang mikro dan fotoelektron. Komunikasi nirkabel telepon dan telegraf awal, pembangkitan, propagasi, dan penerimaan sinyal, semuanya menggunakan perangkat gelombang mikro. Gelombang elektromagnetik frekuensi rendah awalnya digunakan karena rentang frekuensinya kecil dan kapasitas kanal untuk transmisinya kecil. Solusinya adalah meningkatkan frekuensi sinyal yang ditransmisikan. Semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak sumber daya spektrum. Namun, sinyal frekuensi tinggi di udara memiliki rugi-rugi propagasi yang besar, dan juga mudah terhalang oleh hambatan. Jika menggunakan kabel, rugi-rugi 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 berbeda secara bersamaan. Karena keunggulan ini,transmisi optikKomunikasi serat optik telah menjadi tulang punggung transmisi informasi saat ini.
Komunikasi optik memiliki sejarah yang panjang, dengan penelitian dan penerapan yang sangat luas dan matang, belum lagi yang perlu dibahas lebih lanjut. Makalah ini terutama memperkenalkan konten penelitian terbaru 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 aplikasi yang sulit dicapai dengan komponen elektronik gelombang mikro tradisional. Dari perspektif penerapan, optoelektronik gelombang mikro terutama mencakup tiga aspek berikut.
Yang pertama adalah penggunaan optoelektronik untuk menghasilkan sinyal gelombang mikro berkinerja tinggi dan rendah gangguan, 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 meliputi hal-hal berikut: Pertama, pada frekuensi tinggi seperti 100GHz ke atas, mikroelektronika tradisional dapat menghasilkan daya yang semakin kecil, sementara pada sinyal THz frekuensi yang lebih tinggi, mikroelektronika tradisional tidak dapat menghasilkan daya sama sekali. 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-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 gelombanglaser.
Keunggulan metode ini adalah strukturnya yang sederhana, dapat menghasilkan gelombang milimeter berfrekuensi sangat tinggi dan bahkan sinyal frekuensi THz, serta dapat melakukan konversi frekuensi dan frekuensi sapuan yang cepat dalam rentang yang luas dengan menyesuaikan frekuensi laser. Kelemahannya 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 menggunakan laser semikonduktor dengan volume kecil tetapi lebar garis besar (~MHz). Jika persyaratan volume dan berat sistem tidak tinggi, laser solid-state dengan derau rendah (~kHz) dapat digunakan.laser seratrongga 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 inkoherensi kedua laser pada metode sebelumnya dan derau fase sinyal yang dihasilkan terlalu besar, koherensi antara kedua laser dapat diperoleh dengan metode penguncian fase dengan kunci frekuensi injeksi atau rangkaian penguncian fase dengan umpan balik negatif. Gambar 2 menunjukkan aplikasi umum penguncian injeksi untuk menghasilkan kelipatan gelombang mikro (Gambar 2). Dengan menginjeksikan sinyal arus frekuensi tinggi secara langsung 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 berspektrum luas adalah dengan menggunakan laser yang terkunci mode. Dua sinyal sisir dalam sisir frekuensi optik yang dihasilkan dipilih melalui penyaringan dan masing-masing diinjeksikan ke dalam laser 1 dan 2 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 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 serupa dengan PLL di bidang elektronika. Perbedaan fase kedua laser diubah menjadi sinyal listrik oleh fotodetektor (setara dengan detektor fase), kemudian perbedaan fase antara kedua laser diperoleh dengan membuat perbedaan frekuensi dengan sumber sinyal gelombang mikro referensi. Perbedaan frekuensi ini diperkuat dan difilter, kemudian diumpankan kembali ke unit kontrol frekuensi salah satu laser (untuk laser semikonduktor, arus injeksi). Melalui loop kontrol umpan balik negatif tersebut, fase 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 fase yang dihasilkan dari sinyal gelombang mikro hampir sama dengan derau fase sinyal referensi di dalam pita lebar loop umpan balik negatif yang dikunci fase. Derau fase di luar pita lebar sama dengan derau fase relatif dari dua laser awal 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 mencapai penggandaan frekuensi, loop terkunci fase lebih fleksibel, dapat menghasilkan frekuensi yang hampir sembarang, dan tentu saja lebih kompleks. Sebagai contoh, 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 terhadap dua sinyal sisir optik, kemudian menghasilkan sinyal frekuensi tinggi melalui frekuensi perbedaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. f1 dan f2 masing-masing merupakan frekuensi sinyal referensi dari kedua PLLS, 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 metode ini adalah dapat diperolehnya sinyal dengan stabilitas frekuensi yang sangat baik dan derau fase yang sangat rendah. Dengan mengunci frekuensi laser pada spektrum transisi atom dan molekul yang sangat stabil, atau rongga optik yang sangat stabil, serta penggunaan sistem eliminasi frekuensi penggandaan otomatis (frekuensi shift) dan teknologi lainnya, kita dapat memperoleh sinyal pulsa optik yang sangat stabil dengan frekuensi pengulangan yang sangat stabil, sehingga menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan derau fase yang sangat rendah. Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan derau 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 ketat, membatasi aplikasinya terutama 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 terhadap frekuensi dalam rongga optik mode chirp berkualitas tinggi yang sangat kecil, yang pada gilirannya menghasilkan sinyal gelombang mikro frekuensi tinggi dan derau rendah.
4. osilator elektronik opto, Gambar 6.
Gambar 6. Diagram skema osilator kopling fotolistrik.
Salah satu metode tradisional untuk menghasilkan gelombang mikro atau laser adalah dengan menggunakan loop tertutup umpan balik mandiri. Selama penguatan loop tertutup lebih besar daripada kerugiannya, osilasi eksitasi mandiri dapat menghasilkan gelombang mikro atau laser. Semakin tinggi faktor kualitas Q loop tertutup, semakin kecil fase sinyal atau derau frekuensi yang dihasilkan. Untuk meningkatkan faktor kualitas loop, cara langsungnya adalah dengan menambah panjang loop dan meminimalkan rugi propagasi. Namun, loop yang lebih panjang biasanya dapat mendukung pembangkitan beberapa mode osilasi. Jika filter pita sempit ditambahkan, sinyal osilasi gelombang mikro frekuensi tunggal dengan derau rendah dapat diperoleh. Osilator terkopel fotolistrik adalah sumber sinyal gelombang mikro yang didasarkan pada gagasan ini. Osilator ini memanfaatkan sepenuhnya karakteristik rugi propagasi rendah serat optik. Penggunaan serat optik yang lebih panjang untuk meningkatkan nilai Q loop dapat menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan derau fase yang sangat rendah. Sejak metode ini diusulkan pada tahun 1990-an, osilator jenis ini telah menerima penelitian dan pengembangan yang ekstensif, dan saat ini terdapat osilator 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 derau pada aliran bebas (FSR) serta 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 melalui fotoelektron, beserta kelebihan dan kekurangannya. Terakhir, penggunaan fotoelektron untuk menghasilkan gelombang mikro memiliki keunggulan lain, yaitu sinyal optik dapat didistribusikan melalui serat optik dengan rugi-rugi yang sangat rendah, transmisi jarak jauh ke setiap terminal pengguna, dan kemudian dikonversi menjadi sinyal gelombang mikro. Kemampuannya untuk menahan interferensi elektromagnetik juga meningkat secara signifikan dibandingkan 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