Optoelectrónica de microondas, como o nome indica, é a intersección do microondas eoptoelectrónica. As microondas e as ondas lixeiras son ondas electromagnéticas, e as frecuencias son moitas ordes de magnitude diferentes, e os compoñentes e tecnoloxías desenvolvidas nos seus respectivos campos son moi diferentes. En combinación, podemos aproveitarnos uns dos outros, pero podemos obter novas aplicacións e características difíciles de realizar respectivamente.
Comunicación ópticaé un exemplo principal da combinación de microondas e fotoelectróns. Comunicacións sen fíos de telefonía e telégrafa, a xeración, propagación e recepción de sinais, todos os dispositivos de microondas usados. As ondas electromagnéticas de baixa frecuencia úsanse inicialmente porque o rango de frecuencias é pequeno e a capacidade da canle de transmisión é pequena. A solución é aumentar a frecuencia do sinal transmitido, maior será a frecuencia, máis recursos do espectro. Pero o sinal de alta frecuencia na perda de propagación do aire é grande, pero tamén é fácil de ser bloqueado por obstáculos. Se se usa o cable, a perda do cable é grande e a transmisión de longa distancia é un problema. A aparición da comunicación de fibras ópticas é unha boa solución para estes problemas.Fibra ópticaTen unha perda de transmisión moi baixa e é un excelente portador para a transmisión de sinais a longas distancias. O rango de frecuencias de ondas lixeiras é moito maior que o das microondas e pode transmitir moitas canles diferentes simultaneamente. Por mor destas vantaxes deTransmisión óptica, A comunicación de fibras ópticas converteuse na columna vertebral da transmisión de información actual.
A comunicación óptica ten unha longa historia, investigación e aplicación é moi extensa e madura, aquí non quere dicir máis. Este artigo introduce principalmente o novo contido de investigación de optoelectrónica de microondas nos últimos anos distintos da comunicación óptica. A optoelectrónica de microondas usa principalmente os métodos e tecnoloxías no campo da optoelectrónica como transportista para mellorar e conseguir o rendemento e a aplicación difícil de conseguir cos compoñentes electrónicos tradicionais de microondas. Desde a perspectiva da aplicación, inclúe principalmente os seguintes tres aspectos.
O primeiro é o uso de optoelectrónica para xerar sinais de microondas de alto rendemento e de baixo ruído, desde a banda X ata a banda THz.
Segundo, procesamento do sinal de microondas. Incluíndo atraso, filtrado, conversión de frecuencias, recepción e así por diante.
En terceiro lugar, a transmisión de sinais analóxicos.
Neste artigo, o autor só introduce a primeira parte, a xeración de sinal de microondas. A onda tradicional do milímetro de microondas é xerada principalmente por compoñentes microelectrónicos III_V. As súas limitacións teñen os seguintes puntos: En primeiro lugar, a altas frecuencias como 100GHz por riba, a microelectrónica tradicional pode producir cada vez menos potencia, ao sinal de THz de maior frecuencia, non poden facer nada. En segundo lugar, para reducir o ruído de fase e mellorar a estabilidade da 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. Os principais métodos descríbense a continuación.
1. A través da frecuencia de diferenza de dous sinais láser de frecuencia diferentes, úsase un fotodetector de alta frecuencia para converter sinais de microondas, como se mostra na figura 1.
Figura 1. Esquema esquemático de microondas xeradas pola frecuencia de diferenza de dousláseres.
As vantaxes deste método son unha estrutura sinxela, poden xerar onda de milímetro de frecuencia extremadamente alta e incluso un sinal de frecuencia THz, e axustando a frecuencia do láser pode levar a cabo unha gran variedade de conversión de frecuencia rápida, frecuencia de barrido. A desvantaxe é que o ancho de liña ou o ruído de fase do sinal de frecuencia de diferenza xerado por dous sinais láser non relacionados é relativamente grande, e a estabilidade de frecuencia non é alta, especialmente se se usa un láser semiconductor cun pequeno volume pero se usa un gran ancho de liña (~ MHz). Se os requisitos do volume de peso do sistema non son altos, pode usar láseres de estado sólido de baixo ruído (~ kHz),Láseres de fibra, cavidade externaLáseres de semiconductores, 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 de estabilidade de frecuencia de microondas se mellora moito.
2. Para resolver o problema de que os dous láseres do método anterior son incoherentes e o ruído de fase de sinal xerado é demasiado grande, a coherencia entre os dous láseres pode obterse mediante o método de bloqueo de fase de bloqueo de frecuencia de inxección ou o circuíto de bloqueo de fase de retroalimentación negativa. A figura 2 mostra unha aplicación típica de bloqueo de inxección para xerar múltiplos de microondas (Figura 2). Ao inxectar directamente sinais de corrente de alta frecuencia nun láser semiconductor, ou mediante un modulador en fase Linbo3, pódense xerar múltiples sinais ópticos de diferentes frecuencias con espazo de igualdade de frecuencias, ou peites de frecuencia óptica. Por suposto, o método de uso común para obter un pente de frecuencia óptica de espectro amplo é usar un láser bloqueado en modo. Os dous sinais de pente no pente de frecuencia óptica xerado son seleccionados filtrando e inxectados no láser 1 e 2 respectivamente para realizar a frecuencia e o bloqueo de fase respectivamente. Debido a que a fase entre os diferentes sinais de pente do pente de frecuencia óptica é relativamente estable, de xeito que a fase relativa entre os dous láseres é estable e, a continuación, pódese obter o método de frecuencia de diferenza como se describe antes, pódese obter o sinal de microondas de frecuencia de frecuencia multi-frecuencia da taxa de repetición de pente de frecuencia óptica.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicación de frecuencia de microondas xerado polo bloqueo de frecuencia de inxección.
Outro xeito de reducir o ruído de fase relativa dos dous láseres é usar un PLL óptico de retroalimentación negativa, como se mostra na figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático de OPL.
O principio de PLL óptica é similar ao do PLL no campo da electrónica. A diferenza de fase dos dous láseres convértese nun sinal eléctrico por un fotodetector (equivalente a un detector de fase), e entón a diferenza de fase entre os dous láseres obtense facendo a diferenza de frecuencia cunha fonte de sinal de microondas de referencia, que é amplificada e filtrada e logo alimentada á unidade de control de frecuencia). A través dun bucle de control de retroalimentación negativa, a fase de frecuencia relativa entre os dous sinais láser está bloqueada ao sinal de microondas de referencia. O sinal óptico combinado pódese transmitir a través de fibras ópticas a un fotodetector noutros lugares 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 bloqueado en fase. O ruído de fase fóra do ancho de banda é igual ao ruído de fase relativa 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 do divisor ou outro procesamento de frecuencias, de xeito que o sinal de microondas de menor frecuencia pode ser multidoublado ou convertido en sinais RF de alta frecuencia.
En comparación co bloqueo de frecuencia de inxección só pode obter duplicación de frecuencia, os bucles bloqueados en fase son máis flexibles, poden producir frecuencias case arbitrarias e, por suposto, máis complexas. Por exemplo, o pente de frecuencia óptica xerado polo modulador fotoeléctrico na figura 2 úsase como fonte de luz, e o lazo óptico bloqueado en fase úsase para bloquear selectivamente a frecuencia dos dous láseres aos dous sinais de pente óptico e, a continuación, xerar sinais de alta frecuencia a través da frecuencia de diferenza, como se mostra na figura 4. N*frep+f1+f2 pódese xerar mediante a frecuencia de diferenza entre os dous láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático de xerar frecuencias arbitrarias mediante peites e PLL de frecuencia óptica.
3. Use láser de pulso bloqueado en modo para converter o sinal de pulso óptico en sinal de microondasfotodetector.
A principal vantaxe deste método é que se pode obter un sinal con moi boa estabilidade de frecuencia e ruído de fase moi baixo. Ao bloquear a frecuencia do láser a un espectro de transición atómico e molecular moi estable, ou unha cavidade óptica extremadamente estable, e o uso de desprazamento de frecuencia de eliminación de frecuencia de dobre de auto-dobre e outras tecnoloxías, podemos obter un sinal de pulso óptico moi estable cunha frecuencia de repetición moi estable. Figura 5.
Figura 5. Comparación do ruído de fase relativa de diferentes fontes de sinal.
Non obstante, debido a que a velocidade de repetición do pulso é inversamente proporcional á lonxitude da cavidade do láser, e o láser tradicional bloqueado en modo é grande, é difícil obter sinais de microondas de alta frecuencia directamente. Ademais, o tamaño, o peso e o consumo de enerxía dos láseres tradicionais pulsados, así como os duros requisitos ambientais, limitan as súas aplicacións principalmente de laboratorio. Para superar estas dificultades, a investigación comezou recentemente nos Estados Unidos e en Alemaña empregando efectos non lineais para xerar peites ópticos estables en frecuencia en pequenas cavidades ópticas de modo CHIRP de alta calidade, que á súa vez xeran sinais de microondas de alta frecuencia de alta frecuencia.
4. Opto Ocilador electrónico, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático do oscilador acoplado fotoeléctrico.
Un dos métodos tradicionais para xerar microondas ou láseres é usar un bucle pechado de auto-feedback, sempre que a ganancia no bucle pechado sexa maior que a perda, a oscilación autoexciada pode producir microondas ou láseres. Canto maior sexa o factor de calidade Q do bucle pechado, menor será a fase de sinal xerada ou o ruído de frecuencia. Para aumentar o factor de calidade do bucle, o xeito directo 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 estreita, pódese obter un sinal de oscilación de microondas de baixo ruído de unha frecuencia de pouca frecuencia. O oscilador acoplado fotoeléctrico é unha fonte de sinal de microondas baseada nesta idea, fai que o uso completo das características de perda de propagación baixa da fibra, empregando unha fibra máis longa para mellorar o valor Q de bucle, pode producir un sinal de microondas con ruído moi baixo en fase. Dende que se propuxo o método na década dos noventa, este tipo de oscilador recibiu unha investigación extensa e un desenvolvemento considerable, e actualmente hai osciladores acoplados fotoeléctricos comerciais. Máis recentemente, desenvolvéronse osciladores fotoeléctricos cuxas frecuencias se poden axustar nun amplo rango. O principal problema das fontes de sinal de microondas baseadas nesta arquitectura é que o lazo é longo e o ruído no seu fluxo libre (FSR) e a súa dobre frecuencia aumentará significativamente. Ademais, os compoñentes fotoeléctricos empregados son máis, o custo é elevado, o volume é difícil de reducir e a fibra máis longa é máis sensible á perturbación ambiental.
O anterior introduce brevemente varios métodos de xeración de fotoelectróns de sinais de microondas, así como as súas vantaxes e desvantaxes. Finalmente, o uso de fotoelectróns para producir microondas ten outra vantaxe é que o sinal óptico pode ser distribuído a través da fibra óptica con perda moi baixa, transmisión de longa distancia a cada terminal de uso e logo convertida en sinais de microondas e a capacidade de resistir a interferencia electromagnética é significativamente mellorada que os compoñentes electrónicos tradicionais.
A escritura deste artigo é principalmente de referencia e combinada coa propia experiencia e experiencia de investigación do autor neste campo, hai imprecisións e incomprensividade, entende.
Tempo de publicación: xaneiro-03-2024