Mikrowellenoptoelektronik, wéi den Numm et scho seet, ass d'Schnëttpunkt vu Mikrowellen anOptoelektronikMikrowellen a Liichtwellen sinn elektromagnetesch Wellen, an d'Frequenzen sinn vill Gréisstenuerdnungen ënnerschiddlech, an d'Komponenten an Technologien, déi an hire jeeweilege Beräicher entwéckelt ginn, sinn ganz ënnerschiddlech. A Kombinatioun kënne mir vuneneen profitéieren, awer mir kënnen nei Uwendungen a Charakteristiken kréien, déi jeeweileg schwéier ze realiséieren sinn.
Optesch Kommunikatiounass e gutt Beispill vun der Kombinatioun vu Mikrowellen a Photoelektronen. Fréi Telefon- an Telegraph-drahtlos Kommunikatioun, d'Generéierung, d'Ausbreedung an den Empfang vu Signaler, hunn all Mikrowellenapparater benotzt. Niddregfrequent elektromagnetesch Wellen ginn ufanks benotzt, well de Frequenzberäich kleng ass an d'Kanalkapazitéit fir d'Iwwerdroung kleng ass. D'Léisung ass d'Frequenz vum iwwerdroene Signal ze erhéijen, wat méi héich d'Frequenz, wat méi Spektrumressourcen. Awer de Verloscht vun der Ausbreedung vum Héichfrequenzsignal an der Loft ass grouss, awer och liicht duerch Hindernisser blockéiert ze ginn. Wann e Kabel benotzt gëtt, ass de Verloscht vum Kabel grouss, an d'Iwwerdroung iwwer grouss Distanzen ass e Problem. D'Entstoe vu Glasfaserkommunikatioun ass eng gutt Léisung fir dës Problemer.Optesch Faserhuet ganz niddrege Transmissiounsverloscht an ass en exzellenten Träger fir Signaler iwwer grouss Distanzen ze iwwerdroen. De Frequenzberäich vu Liichtwellen ass vill méi grouss wéi dee vu Mikrowellen a kann vill verschidde Kanäl gläichzäiteg iwwerdroen. Wéinst dëse Virdeeler vunoptesch Transmissioun, ass Glasfaserkommunikatioun zum Réckgrat vun der haiteger Informatiounsiwwerdroung ginn.
Optesch Kommunikatioun huet eng laang Geschicht, d'Fuerschung an d'Uwendung si ganz extensiv a reif, méi wëll ech net soen. Dësen Artikel stellt haaptsächlech den neien Fuerschungsinhalt vun der Mikrowellenoptoelektronik an de leschte Joren vir, ausser der optescher Kommunikatioun. D'Mikrowellenoptoelektronik benotzt haaptsächlech d'Methoden an Technologien am Beräich vun der Optoelektronik als Träger fir d'Leeschtung an d'Uwendung ze verbesseren an z'erreechen, déi mat traditionelle Mikrowellenelektronikkomponenten schwéier z'erreechen sinn. Aus der Siicht vun der Uwendung ëmfaasst et haaptsächlech déi folgend dräi Aspekter.
Déi éischt ass d'Benotzung vun Optoelektronik fir héich performant a geräischerarm Mikrowellesignaler ze generéieren, vum X-Band bis an d'THz-Band.
Zweetens, Mikrowellensignalveraarbechtung. Inklusiv Verzögerung, Filterung, Frequenzkonversioun, Empfang a sou weider.
Drëttens, d'Iwwerdroung vun analoge Signaler.
An dësem Artikel stellt den Auteur nëmmen den éischten Deel vir, d'Generatioun vu Mikrowellensignaler. Traditionell Mikrowellenmillimeterwellen ginn haaptsächlech vu mikroelektronesche Komponenten (iii_V) generéiert. Seng Limitatioune sinn déi folgend: Éischtens, bei héije Frequenzen, wéi z. B. iwwer 100 GHz, kann traditionell Mikroelektronik ëmmer manner Energie produzéieren, bei engem THz-Signal mat méi héijer Frequenz kënne se näischt maachen. Zweetens, fir de Phasenrauschen ze reduzéieren an d'Frequenzstabilitéit ze verbesseren, muss den ursprénglechen Apparat an enger Ëmwelt mat extrem niddregen Temperaturen placéiert ginn. Drëttens ass et schwéier, eng breet Palette vun der Frequenzmodulatioun an der Frequenzkonversioun z'erreechen. Fir dës Problemer ze léisen, kann d'optoelektronesch Technologie eng Roll spillen. Déi wichtegst Methode ginn hei ënnendrënner beschriwwen.
1. Duerch d'Differenzfrequenz vun zwéi Lasersignaler mat verschiddene Frequenz gëtt en Héichfrequenz-Fotodetektor benotzt fir Mikrowellesignaler ëmzewandelen, wéi an der Figur 1 gewisen.
Figur 1. Schematesch Diagramm vu Mikrowellen, déi duerch d'Differenzfrequenz vun zwou generéiert ginnLaseren.
D'Virdeeler vun dëser Method sinn hir einfach Struktur, si kënnen extrem héichfrequent Millimeterwellen- a souguer THz-Frequenzsignaler generéieren, an duerch d'Upassung vun der Frequenz vum Laser kann e grousse Beräich vun der schneller Frequenzkonversioun, Sweepfrequenz, duerchgefouert ginn. Den Nodeel ass, datt d'Linnebreet oder de Phasenrauschen vum Differenzfrequenzsignal, deen duerch zwee net verwandte Lasersignaler generéiert gëtt, relativ grouss ass, an d'Frequenzstabilitéit net héich ass, besonnesch wann e Hallefleederlaser mat engem klenge Volumen awer enger grousser Linnbreet (~MHz) benotzt gëtt. Wann d'Ufuerderunge fir d'Gewiicht vum System net héich sinn, kënnen Dir geräuscharm (~kHz) Festkierperlaser benotzen,Faserlaser, äusseren HuelraumHalbleiterlaser, etc. Zousätzlech kënnen zwou verschidde Modi vu Lasersignaler, déi an der selwechter Laserhöhl generéiert ginn, och benotzt ginn, fir eng Differenzfrequenz ze generéieren, sou datt d'Stabilitéitsleistung vun der Mikrowellenfrequenz däitlech verbessert gëtt.
2. Fir d'Problem ze léisen, datt déi zwee Laser an der viregter Method inkohärent sinn an de generéierte Signalphasenrauschen ze grouss ass, kann d'Kohärenz tëscht den zwee Laser duerch d'Injektiounsfrequenzsperr-Phasensperrmethod oder de negativen Réckkopplungsphasensperrschaltkrees kritt ginn. Figur 2 weist eng typesch Uwendung vun der Injektiounsperr fir Mikrowellenmultiplikatoren ze generéieren (Figur 2). Duerch direkt Injektioun vun héichfrequente Stroumsignaler an en Hallefleederlaser, oder andeems e LinBO3-Phasenmodulator benotzt gëtt, kënne verschidde optesch Signaler vu verschiddene Frequenzen mat gläichem Frequenzofstand generéiert ginn, oder optesch Frequenzkämmen. Natierlech ass déi üblech Method fir e breetspektrum optesche Frequenzkamm ze kréien, d'Benotzung vun engem Modussperrlaser. All zwee Kammsignaler am generéierten optesche Frequenzkamm ginn duerch Filterung ausgewielt an an de Laser 1 respektiv 2 injizéiert fir d'Frequenz- a Phasensperr respektiv ze realiséieren. Well d'Phas tëscht de verschiddene Kammsignaler vum optesche Frequenzkamm relativ stabil ass, sou datt déi relativ Phas tëscht den zwee Laser stabil ass, kann dann duerch d'Method vun der Differenzfrequenz wéi virdru beschriwwen de méifach Frequenzmikrowellensignal vun der Widderhuelungsrate vum optesche Frequenzkamm kritt ginn.
Figur 2. Schematescht Diagramm vum Mikrowellenfrequenzverdueblungsignal, dat duerch Injektiounsfrequenzsperrung generéiert gëtt.
Eng aner Méiglechkeet fir de relative Phasenrauschen vun den zwee Laseren ze reduzéieren ass d'Benotzung vun enger optescher PLL mat negativer Réckkopplung, wéi an der Figur 3 gewisen.
Figur 3. Schematesch Diagramm vun OPL.
De Prinzip vun der optescher PLL ass ähnlech wéi dee vun der PLL am Beräich vun der Elektronik. D'Phasendifferenz vun den zwee Laseren gëtt vun engem Photodetektor (gläichwäerteg mat engem Phasendetektor) an en elektrescht Signal ëmgewandelt, an dann gëtt d'Phasendifferenz tëscht den zwee Laseren duerch d'Erstelle vun enger Differenzfrequenz mat enger Referenzmikrowellensignalquell kritt, déi verstäerkt a gefiltert gëtt an dann un d'Frequenzsteierungseenheet vun engem vun de Laseren zréckgeleet gëtt (bei Hallefleederlaseren ass et den Injektiounsstroum). Duerch sou eng negativ Réckkopplungssteierungsschleif gëtt déi relativ Frequenzphas tëscht den zwee Lasersignaler op de Referenzmikrowellensignal gespäichert. Dat kombinéiert optescht Signal kann dann iwwer optesch Faseren un e Photodetektor soss anzwousch iwwerdroe ginn an an e Mikrowellensignal ëmgewandelt ginn. De resultéierende Phasenrauschen vum Mikrowellensignal ass bal d'selwecht wéi dee vum Referenzsignal bannent der Bandbreet vun der phasengespaarter negativer Réckkopplungsschleif. De Phasenrauschen ausserhalb vun der Bandbreet ass gläich wéi de relative Phasenrauschen vun den ursprénglechen zwee net verwandte Laseren.
Zousätzlech kann d'Referenzmikrowellensignalquell och vun anere Signalquellen duerch Frequenzverdueblung, Divisorfrequenz oder aner Frequenzveraarbechtung ëmgewandelt ginn, sou datt de Mikrowellensignal mat méi niddereger Frequenz multiverduebelt oder an héichfrequent RF-, THz-Signaler ëmgewandelt ka ginn.
Am Verglach mat der Injektiounsfrequenzsperrung kann nëmmen eng Frequenzverdueblung erreecht ginn, si phasgesperrte Schleifen méi flexibel, kënne bal arbiträr Frequenzen produzéieren an natierlech méi komplex. Zum Beispill gëtt den optesche Frequenzkamm, deen vum photoelektresche Modulator an der Figur 2 generéiert gëtt, als Liichtquell benotzt, an déi optesch phasgesperrte Schleif gëtt benotzt fir d'Frequenz vun den zwee Laseren selektiv op déi zwee optesch Kammsignaler ze spären, an dann Héichfrequenzsignaler duerch d'Differenzfrequenz ze generéieren, wéi an der Figur 4 gewisen. f1 an f2 sinn d'Referenzsignalfrequenzen vun den zwee PLLS respektiv, an e Mikrowellensignal vun N*frep+f1+f2 kann duerch d'Differenzfrequenz tëscht den zwee Laseren generéiert ginn.
Figur 4. Schematesch Diagramm vun der Generéierung vun arbiträre Frequenzen mat Hëllef vun optesche Frequenzkämmen a PLLS.
3. Benotzt e Modus-gespaarten Pulslaser fir en optescht Pulssignal an e Mikrowellensignal ëmzewandelen duerchFotodetektor.
Den Haaptvirdeel vun dëser Method ass, datt e Signal mat ganz gudder Frequenzstabilitéit a ganz niddregem Phasenrauschen kritt ka ginn. Andeems d'Frequenz vum Laser op e ganz stabilt atomar a molekular Iwwergangsspektrum oder eng extrem stabil optesch Kavitéit festgeluecht gëtt, an andeems e selbstverduebelt Frequenzeliminatiounssystem mat Frequenzverschiebung an aner Technologien benotzt gëtt, kënne mir e ganz stabilt optescht Pulssignal mat enger ganz stabiler Widderhuelungsfrequenz kréien, fir e Mikrowellensignal mat ultra-niddregem Phasenrauschen ze kréien. Figur 5.
Figur 5. Vergläich vum relative Phasenrauschen vu verschiddene Signalquellen.
Well d'Pulswiederholungsquote awer ëmgekéiert proportional zu der Kavitéitslängt vum Laser ass, an den traditionelle Modus-gespäerte Laser grouss ass, ass et schwéier, héichfrequent Mikrowellensignaler direkt ze kréien. Zousätzlech limitéieren d'Gréisst, d'Gewiicht an den Energieverbrauch vun traditionelle gepulste Laseren, souwéi déi haart Ëmweltfuerderungen, hir haaptsächlech Laborapplikatiounen. Fir dës Schwieregkeeten ze iwwerwannen, huet d'Fuerschung viru kuerzem an den USA an Däitschland ugefaangen, déi netlinear Effekter benotzen, fir frequenzstabil optesch Wämme a ganz klenge, héichqualitativen Chirp-Modus-opteschen Kavitéiten ze generéieren, déi dann héichfrequent a geräischerfräi Mikrowellensignaler generéieren.
4. optoelektroneschen Oszillator, Figur 6.
Figur 6. Schematescht Diagramm vun engem photoelektresch gekoppelten Oszillator.
Eng vun den traditionelle Methode fir Mikrowellen oder Laser ze generéieren ass d'Benotzung vun enger zouener Schleif mat Selbstfeedback. Soulaang de Gewënn an der zouener Schleif méi grouss ass wéi de Verloscht, kann déi selbstirektéiert Oszillatioun Mikrowellen oder Laser produzéieren. Wat méi héich de Qualitéitsfaktor Q vun der zouener Schleif ass, wat méi kleng de generéierte Signalphasen- oder Frequenzrauschen ass. Fir de Qualitéitsfaktor vun der Schleif ze erhéijen, ass de direkten Wee d'Schleiflängt ze erhéijen an de Verbreedungsverloscht ze minimiséieren. Wéi och ëmmer, eng méi laang Schleif kann normalerweis d'Generatioun vu verschiddene Schwéngungsmodi ënnerstëtzen, a wann e schmuelbandbreetfilter bäigefüügt gëtt, kann e Mikrowellenoszillatiounssignal mat nidderegem Rauschen op enger eenzeger Frequenz kritt ginn. E photoelektresche gekoppelten Oszillator ass eng Mikrowellensignalquell baséiert op dëser Iddi, déi d'Charakteristike vum niddrege Verbreedungsverloscht vun der Faser voll ausnotzt. Mat enger méi laanger Faser fir de Q-Wäert vun der Schleif ze verbesseren, kann e Mikrowellensignal mat ganz nidderegem Phasenrauschen produzéiert ginn. Zënter datt d'Method an den 1990er Jore proposéiert gouf, huet dës Zort Oszillator extensiv Fuerschung a bedeitend Entwécklung kritt, an et gëtt de Moment kommerziell photoelektresch gekoppelt Oszillatoren. Méi rezent goufen photoelektresch Oszillatoren entwéckelt, deenen hir Frequenzen iwwer e breede Beräich ugepasst kënne ginn. D'Haaptproblem vu Mikrowellensignalquellen, déi op dëser Architektur baséieren, ass datt d'Schleif laang ass, an de Kaméidi an hirem fräie Floss (FSR) an hirer duebeler Frequenz däitlech erhéicht gëtt. Zousätzlech si méi photoelektresch Komponenten, déi benotzt ginn, méi Käschten, méi Volumen ze reduzéieren an déi méi laang Faser ass méi empfindlech fir Ëmweltstéierungen.
Déi uewe genannte Methode gi kuerz fir d'Generatioun vu Mikrowellensignaler duerch Photoelektronen a fir hir Vir- an Nodeeler agefouert. Schlussendlech huet d'Benotzung vu Photoelektronen fir d'Produktioun vu Mikrowellen en anere Virdeel: den optesche Signal kann iwwer d'Glasfaser mat ganz niddrege Verloschter an enger grousser Iwwerdroung op all Notzungsterminal verdeelt a spéider a Mikrowellensignaler ëmgewandelt ginn, an d'Fäegkeet, elektromagnetesch Stéierungen ze widderstoen, ass däitlech besser am Verglach mat traditionellen elektronesche Komponenten.
D'Schreiwe vun dësem Artikel ass haaptsächlech als Referenz geduecht, a kombinéiert mat der eegener Fuerschungserfahrung an der Erfahrung vum Auteur an dësem Beräich, gëtt et Ongenauegkeeten an Onverständlechkeeten, w.e.g. verstitt dëst.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 03. Januar 2024