Mikrowellenoptoelektronik, wéi den Numm et scho seet, ass d'Kräizung vun der Mikrowelle anoptoelektronik.Mikrowellen a Liichtwellen sinn elektromagnetesch Wellen, an d'Frequenzen si vill Uerderen vun der Gréisst anescht, an d'Komponenten an Technologien, déi an hire jeweilege Felder entwéckelt goufen, si ganz anescht.A Kombinatioun kënne mir vunenee profitéieren, awer mir kënnen nei Uwendungen a Charakteristiken kréien, déi schwéier ze realiséieren bzw.
Optesch Kommunikatiounass e prime Beispill vun der Kombinatioun vu Mikrowellen a Photoelektronen.Fréi Telefon an Telegraph drahtlos Kommunikatiounen, Generatioun, Verbreedung an Empfang vun Signaler, all benotzt Mikrowellengeräter.Niddregfrequenz elektromagnetesch Wellen ginn am Ufank benotzt well d'Frequenzbereich kleng ass an d'Kanalkapazitéit fir d'Transmissioun kleng ass.D'Léisung ass d'Frequenz vum iwwerdroe Signal ze erhéijen, wat méi héich d'Frequenz ass, wat méi Spektrumressourcen.Awer den héije Frequenzsignal am Loftverbreedungsverloscht ass grouss, awer och einfach ze blockéieren duerch Hindernisser.Wann de Kabel benotzt gëtt, ass de Verloscht vum Kabel grouss, a laang-Distanz Transmissioun ass e Problem.D'Entstoe vun opteschen Glasfaser Kommunikatioun ass eng gutt Léisung fir dës Problemer.Optesch Faserhuet ganz nidderegen Iwwerdroungsverloscht an ass en exzellente Carrier fir Signaler iwwer laang Distanzen ze vermëttelen.D'Frequenzbereich vu Liichtwellen ass vill méi grouss wéi déi vu Mikrowellen a kënne vill verschidde Kanäl gläichzäiteg iwwerdroen.Wéinst dëse Virdeeler vunoptesch Transmissioun, optesch Faserkommunikatioun ass de Pilier vun der haut Informatiounsiwwerdroung ginn.
Optesch Kommunikatioun huet eng laang Geschicht, Fuerschung an Uwendung si ganz extensiv a reift, hei ass net méi ze soen.Dëse Pabeier féiert haaptsächlech den neie Fuerschungsinhalt vun der Mikrowellenoptoelektronik an de leschte Joeren ausser optesch Kommunikatioun.Mikrowellenoptoelektronik benotzt haaptsächlech d'Methoden an Technologien am Beräich vun der Optoelektronik als Carrier fir d'Performance an d'Applikatioun ze verbesseren an z'erreechen, déi schwéier mat traditionelle Mikrowellenelektronesche Komponenten z'erreechen.Aus der Perspektiv vun der Uwendung enthält et haaptsächlech déi folgend dräi Aspekter.
Déi éischt ass d'Benotzung vun Optoelektronik fir High-Performance, Low-Noise Mikrowelle Signaler ze generéieren, vun der X-Band bis an d'THz Band.
Zweetens, Mikrowelle Signalveraarbechtung.Inklusiv Verspéidung, Filteren, Frequenzkonversioun, Empfang an sou weider.
Drëttens, d'Transmissioun vun Analog Signaler.
An dësem Artikel stellt den Auteur nëmmen den éischten Deel vir, d'Generatioun vum Mikrowellsignal.Traditionell Mikrowelle Millimeterwelle gëtt haaptsächlech vun iii_V mikroelektronesche Komponenten generéiert.Seng Aschränkungen hunn déi folgend Punkten: Éischtens, op héich Frequenzen wéi 100GHz uewen, traditionell Mikroelektronik kann manner a manner Kraaft produzéieren, zum méi héije Frequenz THz Signal, si kënnen näischt maachen.Zweetens, fir Phasegeräischer ze reduzéieren an d'Frequenzstabilitéit ze verbesseren, muss den ursprénglechen Apparat an engem extrem nidderegen Temperaturëmfeld plazéiert ginn.Drëttens ass et schwéier eng breet Palette vu Frequenzmodulatiounsfrequenzkonversioun z'erreechen.Fir dës Problemer ze léisen, kann optoelektronesch Technologie eng Roll spillen.D'Haaptmethoden ginn hei ënnen beschriwwen.
1. Duerch d'Differenzfrequenz vun zwee verschiddene Frequenz-Laser-Signaler gëtt en Héichfrequenz-Fotodetektor benotzt fir Mikrowellen-Signaler ze konvertéieren, wéi an der Figur 1.
Figur 1. Schematesch Diagramm vun microwaves vun der Differenz Frequenz vun zwee generéiertLaser.
D'Virdeeler vun dëser Method sinn einfach Struktur, kann extrem héich Frequenz Millimeter Welle generéieren a souguer THz Frequenz Signal, an duerch d'Upassung vun der Frequenz vun der Laser kann eng grouss Gamme vu séier Frequenz Ëmwandlung ausféieren, sweep Frequenz.Den Nodeel ass datt d'Linnbreedung oder d'Phasrausch vum Ënnerscheed Frequenzsignal generéiert vun zwee net verbonne Lasersignaler relativ grouss ass, an d'Frequenzstabilitéit ass net héich, besonnesch wann en Halbleiterlaser mat engem klenge Volumen awer eng grouss Linnbreedung (~MHz) ass. benotzt.Wann d'System Gewiicht Volumen Ufuerderunge net héich sinn, kënnt Dir niddereg Kaméidi (~ kHz) Solid-State Laser benotzen,Léngen Laser, extern Kavitéitsemiconductor Laser, etc.. Zousätzlech, zwee verschidde Modi vun Laser Signaler an der selwechter Laser Kavitéit generéiert kann och benotzt ginn eng Differenz Frequenz ze generéieren, sou datt d'Mikrowell Frequenz Stabilitéit Leeschtung staark verbessert ass.
2. Fir de Problem ze léisen datt déi zwee Laser an der viregter Method inkohärent sinn an de generéierte Signalphasegeräischer ze grouss ass, kann d'Kohärenz tëscht den zwee Laser duerch d'Injektiounsfrequenz Sperrungsphase Sperrmethod oder d'negativ Feedback Phase kritt ginn Spär Circuit.Figure 2 weist eng typesch Applikatioun vun der Injektiounssperre fir Mikrowelle-Multipelen ze generéieren (Figur 2).Andeems Dir direkt Héichfrequenzstroumsignaler an e Hallefleit-Laser injizéiert, oder andeems en LinBO3-Phase-Modulator benotzt, kënne verschidde optesch Signaler vu verschiddene Frequenzen mat gläiche Frequenzabstand generéiert ginn, oder optesch Frequenzkämme.Natierlech ass déi allgemeng benotzt Method fir e breet Spektrum optesch Frequenzkamm ze kréien ass e Modus-gespaarten Laser ze benotzen.All zwee Kamm-Signaler am generéierten opteschen Frequenzkamm ginn duerch Filteren ausgewielt an an de Laser 1 respektiv 2 injizéiert fir d'Frequenz an d'Phassperren ze realiséieren.Well d'Phas tëscht de verschiddene Kamm Signaler vun der optescher Frequenz Kamm relativ stabil ass, sou datt d'relativ Phase tëscht den zwee Laser stabil ass, an dann duerch d'Methode vun Differenz Frequenz wéi virdru beschriwwen, de Multi-falsch Frequenz Mikrowellen Signal vun der optesch Frequenz Kamm Widderhuelung Taux kann kritt ginn.
Figur 2. Schematesch Diagramm vun Mikrowelle Frequenz Verdueblung Signal generéiert vun Sprëtz Frequenz Spär.
Eng aner Manéier fir de relativen Phasegeräischer vun deenen zwee Laser ze reduzéieren ass en negativen Feedback opteschen PLL ze benotzen, wéi an der Figur 3.
Figur 3. Schematesch Diagramm vun OPL.
De Prinzip vun der optescher PLL ass ähnlech wéi dee vum PLL am Beräich vun der Elektronik.De Phasendifferenz vun deenen zwee Laser gëtt duerch e Photodetektor an en elektrescht Signal ëmgewandelt (gläichwäerteg mat engem Phasdetektor), an dann gëtt de Phasendifferenz tëscht den zwee Laser kritt andeems en Differenzfrequenz mat enger Referenz Mikrowelle Signalquell gemaach gëtt, déi verstäerkt gëtt. a gefiltert an dann zréck op d'Frequenzsteuerungseenheet vun engem vun de Laser (fir Halbleiterlaser ass et d'Injektiounstroum).Duerch sou eng negativ Réckkopplungskontrollschleife gëtt d'relativ Frequenzphase tëscht den zwee Lasersignaler op d'Referenzmikrowellsignal gespaart.De kombinéierten opteschen Signal kann dann duerch optesch Faseren an e Photodetektor soss anzwousch iwwerdroen ginn an an e Mikrowellesignal ëmgewandelt ginn.Déi resultéierend Phasegeräisch vum Mikrowellesignal ass bal d'selwecht wéi dee vum Referenzsignal bannent der Bandbreedung vun der Phase-gespaarten negativer Feedback-Schleife.De Phasegeräischer ausserhalb vun der Bandbreedung ass gläich wéi de relativen Phasegeräischer vun den ursprénglechen zwee onrelatéierte Laser.
Zousätzlech kann d'Referenz Mikrowelle Signalquell och duerch aner Signalquellen duerch Frequenzverdueblung, Divisorfrequenz oder aner Frequenzveraarbechtung ëmgewandelt ginn, sou datt dat méi niddereg Frequenz Mikrowellesignal multiduble kann oder op Héichfrequenz RF, THz Signaler ëmgewandelt ginn.
Am Verglach zu Sprëtz Frequenz Spär kann nëmmen Frequenz Verdueblung kréien, Phase-gespaarten Schleifen si méi flexibel, kann bal arbiträr Frequenzen produzéiere, an natierlech méi komplex.Zum Beispill gëtt den opteschen Frequenzkamm, deen vum photoelektresche Modulator an der Figur 2 generéiert gëtt als Liichtquell benotzt, an déi optesch Phase-gespaarten Loop gëtt benotzt fir d'Frequenz vun den zwee Laser selektiv op déi zwee optesch Kamm Signaler ze spären, an dann generéieren Héichfrequenz Signaler duerch d'Differenzfrequenz, wéi an der Figur 4 gewisen. f1 a f2 sinn d'Referenzsignalfrequenze vun deenen zwee PLLS respektiv, an e Mikrowellesignal vun N*frep+f1+f2 kann duerch d'Differenzfrequenz tëscht dem generéiert ginn. zwee Laser.
Figur 4. Schematesch Diagramm vun generéieren arbiträr Ofstänn benotzt opteschen Frequenz combs an PLLS.
3. Benotzen Modus-gespaarten Pulsatiounsperiod Laser opteschen Pulsatiounsperiod Signal an Mikrowelle Signal duerch ëmsetzenfotodetektor.
Den Haaptvirdeel vun dëser Method ass datt e Signal mat ganz gudder Frequenzstabilitéit a ganz nidderegen Phasegeräischer kritt ka ginn.Andeems Dir d'Frequenz vum Laser op e ganz stabile atomesche a molekulare Iwwergangsspektrum, oder e extrem stabilen opteschen Kavitéit gespaart, an d'Benotzung vu Selbstverdueblungsfrequenz Eliminatiounssystem Frequenzverschiebung an aner Technologien, kënne mir e ganz stabile opteschen Pulssignal kréien. eng ganz stabil Widderhuelungsfrequenz, fir e Mikrowellesignal mat ultra-nidderegen Phasegeräischer ze kréien.Figur 5.
Figur 5. Verglach vun relativ Phase Kaméidi vun verschidden Signal Quellen.
Wéi och ëmmer, well d'Puls-Widderhuelungsquote ëmgekéiert proportional zu der Kavitéitslängt vum Laser ass, an den traditionelle Modus-gespaarten Laser grouss ass, ass et schwéier héich Frequenz Mikrowellensignaler direkt ze kréien.Zousätzlech limitéiert d'Gréisst, d'Gewiicht an d'Energieverbrauch vun traditionelle gepulste Laser, souwéi déi haart Ëmweltfuerderunge, hir haaptsächlech Laborapplikatiounen.Fir dës Schwieregkeeten ze iwwerwannen, huet d'Fuerschung viru kuerzem an den USA an Däitschland ugefaang mat netlinear Effekter fir Frequenzstabil optesch Kamm a ganz klengen, qualitativ héichwäertege Chirp Modus optesch Huelraim ze generéieren, déi am Tour héichfrequenz niddereg-Geräisch Mikrowelle Signaler generéieren.
4. opto elektronesch Oszilléierer, Figur 6.
Figur 6. Schematesch Diagramm vun photoelectric gekoppelter Oszilléierer.
Ee vun den traditionelle Methode fir Mikrowellen oder Laser ze generéieren ass eng Selbstfeedback zougemaach Loop ze benotzen, soulaang de Gewënn an der zouene Loop méi grouss ass wéi de Verloscht, kann déi selbstbegeeschtert Schwéngung Mikrowellen oder Laser produzéieren.Wat méi héich de Qualitéitsfaktor Q vun der zougemaacher Loop ass, wat méi kleng ass déi generéiert Signalphase oder Frequenzrausch.Fir de Qualitéitsfaktor vun der Loop z'erhéijen, ass den direkte Wee fir d'Looplängt ze erhéijen an de Verbreedungsverloscht ze minimiséieren.Wéi och ëmmer, eng méi laang Loop kann normalerweis d'Generatioun vu multiple Schwéngungsmodi ënnerstëtzen, a wann e schmuele Bandbreedfilter bäigefüügt gëtt, kann en eenzegfrequenz niddereg-Geräisch Mikrowell Schwéngungssignal kritt ginn.Photoelektresch gekoppelt Oszilléierer ass eng Mikrowelle-Signalquell baséiert op dëser Iddi, et mécht voll Notzung vun de Low-Propagatiounsverloschteigenschaften vun der Faser, benotzt eng méi laang Faser fir de Loop Q Wäert ze verbesseren, kann e Mikrowellesignal mat ganz nidderegen Phasegeräischer produzéieren.Zënter datt d'Method an den 1990er Jore proposéiert gouf, huet dës Zort Oszilléierer extensiv Fuerschung a bedeitend Entwécklung kritt, an et ginn am Moment kommerziell photoelektresch gekoppelt Oszilléierer.Méi viru kuerzem sinn photoelektresch Oszillatoren entwéckelt, deenen hir Frequenzen iwwer eng breet Palette ugepasst kënne ginn.Den Haaptproblem vu Mikrowellsignalquellen baséiert op dëser Architektur ass datt d'Loop laang ass, an de Kaméidi a sengem fräie Floss (FSR) a seng duebel Frequenz wäert wesentlech erhéicht ginn.Zousätzlech sinn d'photoelektresch Komponenten déi benotzt gi méi, d'Käschte sinn héich, de Volume ass schwéier ze reduzéieren, an déi méi laang Faser ass méi empfindlech fir Ëmweltstéierungen.
Déi uewe presentéiert kuerz verschidde Methoden fir d'Fotoelektronengeneratioun vu Mikrowellensignaler, souwéi hir Virdeeler an Nodeeler.Schlussendlech ass d'Benotzung vu Photoelektronen fir Mikrowellen ze produzéieren en anere Virdeel ass datt den opteschen Signal duerch d'optesch Faser mat ganz geréngem Verloscht verdeelt ka ginn, laang Distanziwwerdroung un all Benotzungsterminal an dann an Mikrowellesignaler ëmgewandelt, an d'Fäegkeet elektromagnetesch ze widderstoen. Interferenz ass wesentlech verbessert wéi traditionell elektronesch Komponenten.
D'Schreiwen vun dësem Artikel ass haaptsächlech fir Referenz, a kombinéiert mat dem Auteur seng eege Fuerschung Erfahrung an Erfahrung an dësem Beräich, ginn et Ongenauegkeeten an onverständlech, w.e.g. verstoen.
Post Zäit: Jan-03-2024