Status proizvodnje i žarišta mikrotalasnih signala u mikrotalasnoj optoelektronici

Mikrotalonska optoelektronika, kako se naziva njegovo ime, predstavlja interdisciplinarnu disciplinu mikrotalasne i optoelektronike. Oba mikrotalasa i svetlosni talasi su elektromagnetski talasi, a njihove frekvencije su različite po veličini. Komponente i tehnologije razvijene u njihovim oblastima su veoma različite. Kombinovanje i učenje jedne od drugih mogu dati nove aplikacije i karakteristike koje je teško postići [1,2,3].

Optička komunikacija je najbolji primer kombinacije mikrotalasa i optoelektronike. Rana telefonska telegrafija bežična komunikacija, generisanje signala, širenje i prijem su svi mikrotalasni uređaji koji se koriste. U početku se koriste niskofrekventni elektromagnetni talasi, jer je frekvencijski opseg mali, a kapacitet prenosa je mali. Rešenje je povećanje frekvencije prenetog signala. Što je frekvencija veća, to je više spektralnih resursa. Međutim, visokofrekventni signali imaju velike gubitke propagacije u vazduhu i lako ih sprečavaju prepreke. Ako koristite ožičeni prenos, gubitak kabla je veliki, a prenos na velike udaljenosti je problem. Pojava optičkih komunikacija rešila je ove probleme. Gubitak prenosa optičkih vlakana je vrlo nizak, odličan je nosač za prenos signala na velikim daljinama. Frekventni opseg svetlosnih talasa daleko prevazilazi mikrotalasne mreže, a istovremeno se mogu prenijeti različiti kanali. Zbog ovih prednosti optičkog prenosa, komunikacija optičkih vlakana postala je kičma današnjeg širenja informacija.

Optička komunikacija ima dugu istoriju, istraživanje i primjena su vrlo opsežne i zrele, neću više govoriti ovdje. Ovde uglavnom želim da predstavim istraživački sadržaj ostalih mikrotalasnih optoelektronskih izvora koji nisu posledica optičke komunikacije u poslednjih nekoliko godina. Mikrotalasna optoelektronika se uglavnom bazira na metodama i tehnikama u oblasti optoelektronike radi poboljšanja i realizacije performansi i aplikacija koje je teško postići s tradicionalnim mikrotalasnim elektronskim komponentama. Iz perspektive aplikacije, ona uglavnom obuhvata sledeća tri aspekta.

Prvo, upotreba optoelektronike za proizvodnju visokih performansi, nisko-šumskih mikrotalasnih signala, od X-trake do THz opsega.

Drugo, obrada mikrotalasnih signala. Uključujući kašnjenje, filtriranje, pretvaranje frekvencije, prijem i tako dalje.

Treće, analogni prenos signala.

Ovaj članak samo uvodi prvi dio članka, generisanje mikrovalnih signala. Tradicionalni mikrotalasni milimetarski talas se uglavnom proizvodi od iii_V mikroelektronskih komponenti [4]. Njena ograničenja su slijedeća: Prvo, na visoke frekvencije kao što je 100 GHz ili više, tradicionalne mikroelektronske komponente mogu proizvesti manje i manje snage, a na više frekvencije THz signale, one su nemoćne. Drugo, kako bi se smanjio fazni šum i poboljšala stabilnost frekvencije, originalni uređaj treba staviti u kriogenu sredinu. Treće, teško je postići širok spektar FM frekvencije. Za rešavanje ovih problema, tehnologija optoelektronike se može samo pokazati. Evo nekih od glavnih metoda.

1. Koristeći frekvenciju razlike dva različita frekvencijska laserska signala, visokofrekventni fotodetektor se pretvara da generiše mikrotalasni signal [5, 6], kao što je prikazano na Sl. 1.

Slika 1. Shematski dijagram dve generacije laserske diferencijalne frekvencije.

Prednost ove metode je da ona ima jednostavnu strukturu i može generirati signale izuzetno visoke frekvencije, milimetarskog talasa i čak THz frekvencije. Štaviše, prilagođavanjem frekvencije lasera, može se izvršiti širok spektar brzih pretvaranja frekvencije i čestitka frekvencije. Nedostatak je u tome što je širina linije ili fazni šum signala razlika frekvencije koji proizlaze iz dva neusklađena laserska signala relativno velika, a stabilnost frekvencije nije velika, pogotovo ako se koristi manji, ali širok (~ MHz) poluprovodnički laser. . Ako zahtevi za težinu i zapreminu sistema nisu visoki, može se koristiti nisko-šumski (~ kHz) laserski laser, optički laser [7,8], laserski poluprovodnički laser [9] itd. Pored toga, dva različita načina laserskih signala nastalih u istoj laserskoj šupljini mogu se takođe koristiti za generisanje frekvencije razlika, tako da se rezultirajuća stabilnost mikrotalasa može znatno poboljšati [10-12].

2. Da bi se rešio problem da su dva lasera u prethodnom postupku neusklađena i da je fazni šum generisanog signala prevelik, može se koristiti metoda zaključavanja injektiranja ili faza zaključavanja faze negativne povratne veze kako bi se postigla koherentnost između dva lasera [13]. Slika 2 pokazuje tipičnu primenu generacija mikrotalasne frekvencije (slika 2) u frekvenciji zaključavanja. Direktnim ubrizgavanjem visokofrekventnog strujnog signala u poluprovodnički laser ili pomoću faznog modulatora LiNbO3, može se generirati mnoštvo optičkih signala koji imaju različite frekvencije u jednakim intervalima ili optičku frekvencijsku glavu. Naravno, najčešće korišćeni metod za dobijanje širokog spektra optičkog frekventnog češljaja je korišćenje laserskog zaključavanja sa modom [14]. Svaki dva glavna signala generisanog optičkog frekventnog češaljka biraju se filtriranjem i injektiraju u lasere 1 i 2, kako bi se postiglo zaključavanje zaključavanja frekvencije. Pošto je faza između različitih glavničkih signala optičkog češljaja relativno stabilna, dobiva se stabilna relativna faza između dva lasera, a frekvenca ponavljanja češljaka može se dobiti metodom razlike frekvencije kako je gore opisano. Višestruki frekventni mikrovalni signal.

Slika 2. Shematski dijagram generacije frekvencije zaključavanja mikrotalasnih frekvencija sa dvostrukim signalom.

Drugi način smanjenja relativne fazne buke dva lasera je korišćenje petlje sa zaključavanjem negativne povratne faze, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3. Šema optičke PLL.

Princip zaključane petlje sa optičkom fazom sličan je fazi zaključane petlje u elektronskom polju [15,16,17]. Razlika u fazi dva lasera pretvara se u električni signal fotodetorkom (odgovara faznom detektoru), a razlika između dva lasera se dobija različitom frekvencijom sa referentnim izvorom mikrovalnog izvora signala, a povratna informacija se vraća na dva lasera nakon pojačavanja i filtriranja. Jedinica za lasersku regulaciju frekvencije (struja injektiranja za poluprovodničke lasere). Sa takvom kontrolnom petlju negativne povratne sprege, relativna frekvencija između dva laserska signala je faza zaključana sa referentnim mikrovalnim signalom. Kombinovani optički signal se zatim može preneti putem optičkog vlakna u fotodetektor na drugom mjestu i pretvoriti u mikrotalasni signal. Fazni šum mikrotalasnog signala na taj način generisan je skoro isti kao fazni šum referentnog signala u propusnom opsegu faze-zaključane negativne povratne petlje. Fazni šum izvan propusnog opsega je jednak relativnom faznom šumu prvobitnih dva neusklađena lasera.

Osim toga, referentni izvori mikrovalnog signala mogu takođe biti drugi izvor signala koji se obrađuje pretvaranjem frekvencije, digitalnom frekvencijom ili drugim pretvaranjem frekvencije, tako da mikrotalasni signal sa nižim frekvencijama može biti konvertovan u više frekvencija ili konvertovan u visoku frekvenciju. Radio frekvencija, THz signal i tako dalje.

U poređenju sa frekvencijom zaključavanja sa injektiranjem, koja može dobiti samo množenje frekvencija, fazne fiksne petlje su fleksibilnije, mogu stvarati skoro svaku frekvenciju i, naravno, kompleksnije. Na primjer, na sl. 2, faza modulirana optoelektronskim modulatorom ili optički češalj generisan impulsnim laserom kao izvor svetlosti, optička faza zaključana petlja se koristi za selektivno zaključavanje dva lasera na dva optička signala glavnog zuba. Generisanje visokofrekventnih signala kroz frekvenciju razlike, kao što je prikazano na slici 4. F1 i f2 su frekvencije referentnih signala dvostruko fazno zaključanih petlji, a mikrotalasni signal N * frep + f1 + f2 može biti generisan od strane razlika između dva lasera.

Slika 4. Generiše proizvoljni dijagram frekvencija koristeći optičke ramove i optičke PLL.

3. Koristeći impulsni laser zaključan na način rada, optički impulsni signal se pretvara u mikrotalasni signal fotodetorkom [18-20].

Glavna prednost ove metode je da se može dobiti signal sa vrlo dobrom frekventnom stabilnošću i izuzetno niskim faznim šumom. Zaključavanjem frekvencije lasera sa vrlo stabilnim atomskim molekularnim tranzicionim spektrom ili izuzetno stabilnom optičkom šupljinom i korišćenjem frekvencije koja se multiplicira za eliminaciju smenjivanja frekvencija sistema itd., Mogu se dobiti optički impulsni signali sa vrlo stabilnim frekvencijama ponavljanja. Ultra-niskofazni mikrovalni signal [21-23]. Kao što je prikazano na slici 5.

Slika 5. Poređenje relativne fazne buke različitih izvora signala. Izvod iz reference [21]

Međutim, pošto je frekvencija ponavljanja impulsa obrnuto proporcionalna dužini šupljine lasera, dok konvencionalni laserski mod sa velikim zapreminom, teško je direktno dobiti visokofrekventne mikrotalasne signale. Pored toga, tradicionalni impulsni volumen lasera, težina i potrošnja energije, kao i oštri zahtevi životne sredine ograničili su njihovu primarnu primjenu u laboratoriji. U cilju prevazilaženja ovih poteškoća, najnaprednija istraživanja u Sjedinjenim Državama i Nemačkoj su koristila nelinearne efekte stvaranja frekventno stabilnih optičkih češljaka u maloj, visokokvalitetnoj modnoj šupljini za generisanje visokofrekventnih, niskoumih mikrovalnih signala [24 -29]].