Optoelectrónica de microondas, como o nome indica, é a intersección das microondas eoptoelectrónicaAs microondas e as ondas de luz son ondas electromagnéticas, e as súas frecuencias son moitas ordes de magnitude diferentes, e os compoñentes e as tecnoloxías desenvolvidas nos seus respectivos campos son moi diferentes. En combinación, podemos aproveitarnos mutuamente, pero podemos obter novas aplicacións e características que son difíciles de realizar respectivamente.
Comunicación ópticaé un excelente exemplo da combinación de microondas e fotoelectróns. As primeiras comunicacións sen fíos telefónicas e telegráficas, a xeración, propagación e recepción de sinais, empregaban dispositivos de microondas. Inicialmente empregáronse ondas electromagnéticas de baixa frecuencia porque o rango de frecuencias e a capacidade do canal para a transmisión son pequenas. A solución é aumentar a frecuencia do sinal transmitido; canto maior sexa a frecuencia, máis recursos do espectro. Pero a perda de propagación do sinal de alta frecuencia no aire é grande, pero tamén é fácil de bloquear por obstáculos. Se se usa o cable, a perda do cable é grande e a transmisión a longa distancia é un problema. A aparición da comunicación por fibra óptica é unha boa solución para estes problemas.fibra ópticaten unha perda de transmisión moi baixa e é un excelente portador para transmitir sinais a longas distancias. O rango de frecuencias das ondas de luz é moito maior que o das microondas e pode transmitir moitos canais diferentes simultaneamente. Debido a estas vantaxes detransmisión óptica, a comunicación por fibra óptica converteuse na columna vertebral da transmisión de información actual.
A comunicación óptica ten unha longa historia, a investigación e a aplicación son moi extensas e maduras, non quero dicir máis. Este artigo presenta principalmente o novo contido de investigación da optoelectrónica de microondas nos últimos anos, ademais da comunicación óptica. A optoelectrónica de microondas utiliza principalmente os métodos e tecnoloxías no campo da optoelectrónica como soporte para mellorar e acadar o rendemento e a aplicación que son difíciles de conseguir cos compoñentes electrónicos de microondas tradicionais. Desde a perspectiva da aplicación, inclúe principalmente os seguintes tres aspectos.
O primeiro é o uso da optoelectrónica para xerar sinais de microondas de alto rendemento e baixo ruído, desde a banda X ata a banda de THz.
En segundo lugar, o procesamento de sinais de microondas. Inclúe retardo, filtrado, conversión de frecuencia, recepción, etc.
En terceiro lugar, a transmisión de sinais analóxicos.
Neste artigo, o autor só presenta a primeira parte, a xeración do sinal de microondas. A onda milimétrica de microondas tradicional xérase principalmente mediante compoñentes microelectrónicos iii_V. As súas limitacións teñen os seguintes puntos: en primeiro lugar, a frecuencias altas, como por riba dos 100 GHz, a microelectrónica tradicional pode producir cada vez menos enerxía, e a frecuencias máis altas de sinal de THz non poden facer nada. En segundo lugar, para reducir o ruído de fase e mellorar a estabilidade de frecuencia, o dispositivo orixinal debe colocarse nun ambiente de temperatura extremadamente baixa. En terceiro lugar, é difícil conseguir unha ampla gama de conversión de frecuencia de modulación de frecuencia. Para resolver estes problemas, a tecnoloxía optoelectrónica pode desempeñar un papel importante. Os principais métodos descríbense a continuación.
1. Mediante a diferenza de frecuencia de dous sinais láser de diferente frecuencia, utilízase un fotodetector de alta frecuencia para converter os sinais de microondas, como se mostra na Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático das microondas xeradas pola diferenza de frecuencia de dúasláseres.
As vantaxes deste método son a súa estrutura simple, a posibilidade de xerar ondas milimétricas de frecuencia extremadamente alta e mesmo sinais de frecuencia THz, e axustando a frecuencia do láser pódese levar a cabo unha ampla gama de conversións de frecuencia rápidas e frecuencias de varrido. A desvantaxe é que o ancho de liña ou o ruído de fase do sinal de diferenza de frecuencia xerado por dous sinais láser non relacionados é relativamente grande e a estabilidade de frecuencia non é alta, especialmente se se usa un láser semicondutor cun volume pequeno pero un ancho de liña grande (~MHz). Se os requisitos de volume de peso do sistema non son altos, pódense usar láseres de estado sólido de baixo ruído (~kHz).láseres de fibra, cavidade externaláseres semicondutores, etc. Ademais, tamén se poden usar dous modos diferentes de sinais láser xerados na mesma cavidade láser para xerar unha frecuencia de diferenza, de xeito que o rendemento da estabilidade da frecuencia de microondas mellora moito.
2. Para resolver o problema de que os dous láseres do método anterior son incoherentes e o ruído de fase do sinal xerado é demasiado grande, a coherencia entre os dous láseres pódese obter mediante o método de bloqueo de fase de inxección por bloqueo de frecuencia ou o circuíto de bloqueo de fase de retroalimentación negativa. A figura 2 mostra unha aplicación típica do bloqueo de inxección para xerar múltiplos de microondas (Figura 2). Ao inxectar directamente sinais de corrente de alta frecuencia nun láser semicondutor ou mediante o uso dun modulador de fase LinBO3, pódense xerar múltiples sinais ópticos de diferentes frecuencias con igual espazado de frecuencia, ou peites de frecuencia ópticos. Por suposto, o método habitual para obter un peite de frecuencia óptico de amplo espectro é usar un láser bloqueado por modo. Calquera dous sinais de peite no peite de frecuencia óptico xerado selecciónanse mediante filtrado e inxéctanse no láser 1 e 2 respectivamente para realizar o bloqueo de frecuencia e de fase respectivamente. Debido a que a fase entre os diferentes sinais de peite do peite de frecuencia óptico é relativamente estable, a fase relativa entre os dous láseres é estable, e entón mediante o método de diferenza de frecuencia como se describiu anteriormente, pódese obter o sinal de microondas de frecuencia múltiple da taxa de repetición do peite de frecuencia óptico.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicación da frecuencia de microondas xerado polo bloqueo de frecuencia de inxección.
Outra forma de reducir o ruído de fase relativo dos dous láseres é usar un PLL óptico de retroalimentación negativa, como se mostra na Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático da OPL.
O principio do PLL óptico é similar ao do PLL no campo da electrónica. A diferenza de fase dos dous láseres convértese nun sinal eléctrico mediante un fotodetector (equivalente a un detector de fase) e, a continuación, a diferenza de fase entre os dous láseres obtense facendo unha diferenza de frecuencia cunha fonte de sinal de microondas de referencia, que se amplifica e filtra e logo se retroalimenta á unidade de control de frecuencia dun dos láseres (para láseres semicondutores, é a corrente de inxección). A través dun bucle de control de retroalimentación negativa deste tipo, a fase de frecuencia relativa entre os dous sinais láser está bloqueada no sinal de microondas de referencia. O sinal óptico combinado pódese transmitir a través de fibras ópticas a un fotodetector noutro lugar e converterse nun sinal de microondas. O ruído de fase resultante do sinal de microondas é case o mesmo que o do sinal de referencia dentro do ancho de banda do bucle de retroalimentación negativa bloqueada en fase. O ruído de fase fóra do ancho de banda é igual ao ruído de fase relativo dos dous láseres orixinais non relacionados.
Ademais, a fonte de sinal de microondas de referencia tamén pode ser convertida por outras fontes de sinal mediante duplicación de frecuencia, frecuencia divisora ou outro procesamento de frecuencia, de xeito que o sinal de microondas de menor frecuencia poida ser multiplicado por dous ou convertido en sinais de RF de alta frecuencia e THz.
En comparación co bloqueo de frecuencia de inxección que só pode obter a duplicación de frecuencia, os bucles de bloqueo de fase son máis flexibles, poden producir frecuencias case arbitrarias e, por suposto, máis complexos. Por exemplo, o peite de frecuencia óptico xerado polo modulador fotoeléctrico da Figura 2 úsase como fonte de luz, e o bucle de bloqueo de fase óptico úsase para bloquear selectivamente a frecuencia dos dous láseres aos dous sinais de peite óptico e, a continuación, xerar sinais de alta frecuencia a través da frecuencia de diferenza, como se mostra na Figura 4. f1 e f2 son as frecuencias de sinal de referencia dos dous PLLS respectivamente, e un sinal de microondas de N*frep+f1+f2 pode xerarse pola frecuencia de diferenza entre os dous láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático da xeración de frecuencias arbitrarias empregando peites de frecuencia ópticos e PLLS.
3. Usar láser de pulso con modo bloqueado para converter o sinal de pulso óptico en sinal de microondas a través defotodetector.
A principal vantaxe deste método é que se pode obter un sinal con moi boa estabilidade de frecuencia e un ruído de fase moi baixo. Ao fixar a frecuencia do láser nun espectro de transición atómico e molecular moi estable, ou nunha cavidade óptica extremadamente estable, e o uso do cambio de frecuencia do sistema de eliminación de frecuencia autoduplicante e outras tecnoloxías, podemos obter un sinal de pulso óptico moi estable cunha frecuencia de repetición moi estable, para obter un sinal de microondas con ruído de fase ultrabaixo. Figura 5.
Figura 5. Comparación do ruído de fase relativo de diferentes fontes de sinal.
Non obstante, debido a que a taxa de repetición dos pulsos é inversamente proporcional á lonxitude da cavidade do láser, e o láser tradicional con modo bloqueado é grande, é difícil obter sinais de microondas de alta frecuencia directamente. Ademais, o tamaño, o peso e o consumo de enerxía dos láseres pulsados tradicionais, así como os rigorosos requisitos ambientais, limitan as súas aplicacións principalmente de laboratorio. Para superar estas dificultades, recentemente comezaron as investigacións nos Estados Unidos e Alemaña utilizando efectos non lineais para xerar peites ópticos de frecuencia estable en cavidades ópticas de modo chirp moi pequenas e de alta calidade, que á súa vez xeran sinais de microondas de alta frecuencia e baixo ruído.
4. oscilador optoelectrónico, figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático dun oscilador acoplado fotoeléctrico.
Un dos métodos tradicionais para xerar microondas ou láseres é usar un bucle pechado de auto-retroalimentación. Sempre que a ganancia no bucle pechado sexa maior que a perda, a oscilación autoexcitada pode producir microondas ou láseres. Canto maior sexa o factor de calidade Q do bucle pechado, menor será o ruído de fase ou frecuencia do sinal xerado. Para aumentar o factor de calidade do bucle, a forma directa é aumentar a lonxitude do bucle e minimizar a perda de propagación. Non obstante, un bucle máis longo normalmente pode soportar a xeración de múltiples modos de oscilación e, se se engade un filtro de ancho de banda estreito, pódese obter un sinal de oscilación de microondas de baixo ruído de frecuencia única. O oscilador acoplado fotoeléctrico é unha fonte de sinal de microondas baseada nesta idea, que aproveita ao máximo as características de baixa perda de propagación da fibra. Usando unha fibra máis longa para mellorar o valor Q do bucle, pode producir un sinal de microondas cun ruído de fase moi baixo. Desde que se propuxo o método na década de 1990, este tipo de oscilador recibiu unha extensa investigación e un desenvolvemento considerable, e actualmente existen osciladores acoplados fotoeléctricos comerciais. Máis recentemente, desenvolvéronse osciladores fotoeléctricos cuxas frecuencias poden axustarse nun amplo rango. O principal problema das fontes de sinal de microondas baseadas nesta arquitectura é que o bucle é longo e o ruído no seu fluxo libre (FSR) e na súa dobre frecuencia aumentará significativamente. Ademais, os compoñentes fotoeléctricos utilizados son máis numerosos, o custo é elevado, o volume é difícil de reducir e a fibra máis longa é máis sensible ás perturbacións ambientais.
O anterior presenta brevemente varios métodos de xeración de sinais de microondas por fotoelectróns, así como as súas vantaxes e desvantaxes. Finalmente, o uso de fotoelectróns para producir microondas ten outra vantaxe: o sinal óptico pódese distribuír a través da fibra óptica con moi baixa perda e transmisión a longa distancia a cada terminal de uso, e logo converterse en sinais de microondas, e a capacidade de resistir as interferencias electromagnéticas mellora significativamente en comparación cos compoñentes electrónicos tradicionais.
A redacción deste artigo é principalmente para referencia e, combinada coa propia experiencia de investigación e experiencia do autor neste campo, hai inexactitudes e faltas de comprensión, por favor, comprenda.
Data de publicación: 03-01-2024