Optoelectrónica de microondas, como o nome indica, é a intersección de microondas eoptoelectrónica. As microondas e as ondas luminosas 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 sacar proveito uns dos outros, 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, todos utilizaban dispositivos de microondas. As ondas electromagnéticas de baixa frecuencia utilízanse inicialmente porque a gama de frecuencias é pequena e a capacidade de transmisión da canle é pequena. A solución é aumentar a frecuencia do sinal transmitido, canto maior sexa a frecuencia, máis recursos de espectro. Pero o sinal de alta frecuencia na perda de propagación do aire é grande, pero tamén fácil de ser bloqueado 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 a 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 luminosas é moito maior que o das microondas e pode transmitir moitas canles diferentes ao mesmo tempo. 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, aquí non quere dicir máis. Este traballo presenta principalmente os novos contidos de investigación da optoelectrónica de microondas dos últimos anos, ademais da comunicación óptica. A optoelectrónica de microondas utiliza principalmente métodos e tecnoloxías no campo da optoelectrónica como portador para mellorar e acadar o rendemento e a aplicación que son difíciles de conseguir cos compoñentes electrónicos tradicionais de microondas. 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 THz.
En segundo lugar, procesamento de sinal de microondas. Incluíndo atraso, 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 de sinal de microondas. A onda milimétrica de microondas tradicional é xerada principalmente por compoñentes microelectrónicos iii_V. As súas limitacións teñen os seguintes puntos: En primeiro lugar, a frecuencias altas como 100GHz arriba, a microelectrónica tradicional pode producir cada vez menos potencia, a frecuencias máis altas do sinal THz, 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 diferenza de frecuencia de dous sinais láser de frecuencia diferente, utilízase un fotodetector de alta frecuencia para converter os sinais de microondas, como se mostra na figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de microondas xeradas pola diferenza de frecuencia de dúasláseres.
As vantaxes deste método son a estrutura simple, pode xerar ondas milimétricas de frecuencia extremadamente alta e mesmo sinal de frecuencia THz, e axustando a frecuencia do láser pode realizar unha gran variedade de conversión de frecuencia rápida, frecuencia 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 hai un láser semicondutor cun volume pequeno pero un ancho de liña grande (~MHz). usado. Se os requisitos de volume do peso do sistema non son elevados, pode utilizar 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 diferenza de frecuencia, de xeito que o rendemento da estabilidade da frecuencia de microondas mellore 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 bloqueo de frecuencia de inxección ou a fase de retroalimentación negativa. circuito de bloqueo. A figura 2 mostra unha aplicación típica de bloqueo por inxección para xerar múltiplos de microondas (figura 2). Ao inxectar directamente sinais de corrente de alta frecuencia nun láser de semicondutor, ou mediante un modulador de fase LinBO3, pódense xerar múltiples sinais ópticos de diferentes frecuencias con igual espazamento de frecuencias ou peites de frecuencia óptica. Por suposto, o método comúnmente usado para obter un peite de frecuencia óptica de amplo espectro é usar un láser con bloqueo de modo. Calquera dous sinais de pente no pente de frecuencia óptica xerado son seleccionados filtrando e inxectados no láser 1 e 2 respectivamente para realizar o bloqueo de frecuencia e 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 despois polo método de diferenza de frecuencia como se describe anteriormente, o sinal de microondas de frecuencia múltiple do Pódese obter a taxa de repetición do peite de frecuencia óptica.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicación da frecuencia de microondas xerado polo bloqueo da frecuencia de inxección.
Outra forma de reducir o ruído de fase relativo dos dous láseres é utilizar un PLL óptico de retroalimentación negativa, como se mostra na Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático da OPL.
O principio do PLL óptico é semellante ao 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 despois 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 filtrado e despois alimentado de novo á unidade de control de frecuencia dun dos láseres (para láseres semicondutores, é a corrente de inxección). A través de tal 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 pode entón transmitirse 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 con bloqueo de 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 se pode converter por outras fontes de sinal mediante a duplicación de frecuencia, a frecuencia divisora ou outro procesamento de frecuencia, de xeito que o sinal de microondas de frecuencia inferior pode duplicarse ou converterse en sinais de RF de alta frecuencia, THz.
En comparación co bloqueo de frecuencia de inxección 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 complexas. Por exemplo, o peite de frecuencia óptica xerado polo modulador fotoeléctrico da Figura 2 utilízase 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 pente óptico e, a continuación, xerar sinais de alta frecuencia a través da diferenza de frecuencia, 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 pódese xerar pola diferenza de frecuencia entre os dous PLLS. dous láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático da xeración de frecuencias arbitrarias mediante peites de frecuencia óptica e PLLS.
3. Use láser de pulso bloqueado por modo para converter o sinal de pulso óptico en sinal de microondasfotodetector.
A principal vantaxe deste método é que se pode obter un sinal cunha estabilidade de frecuencia moi boa e un ruído de fase moi baixo. Ao bloquear a frecuencia do láser a un espectro de transición atómico e molecular moi estable, ou a unha cavidade óptica extremadamente estable, e o uso do cambio de frecuencia do sistema de eliminación de frecuencia de auto-duplicación e outras tecnoloxías, podemos obter un sinal de pulso óptico moi estable con unha frecuencia de repetición moi estable, para obter un sinal de microondas con ruído de fase ultra baixo. Figura 5.
Figura 5. Comparación do ruído de fase relativo de diferentes fontes de sinal.
Non obstante, debido a que a taxa 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 pulsados tradicionais, así como os duros requisitos ambientais, limitan as súas aplicacións principalmente de laboratorio. Para superar estas dificultades, a investigación comezou recentemente en Estados Unidos e Alemaña utilizando efectos non lineais para xerar peites ópticos estables en frecuencia 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 do oscilador fotoeléctrico acoplado.
Un dos métodos tradicionais de xeración de microondas ou láseres é utilizar un bucle pechado de autofeedback, sempre que a ganancia no lazo 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 frecuencia ou fase 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 dunha soa frecuencia. O oscilador fotoeléctrico acoplado é unha fonte de sinal de microondas baseada nesta idea, fai pleno uso das 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 o método foi proposto na década de 1990, este tipo de osciladores recibiu unha ampla investigación e un desenvolvemento considerable, e actualmente existen osciladores fotoeléctricos acoplados 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 a súa dobre frecuencia aumentaranse significativamente. Ademais, os compoñentes fotoeléctricos utilizados son máis, o custo é alto, 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 fotoelectróns de sinais de microondas, así como as súas vantaxes e inconvenientes. 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 moi baixas perdas, transmisión de longa distancia a cada terminal de uso e despois convertido en sinais de microondas, e a capacidade de resistir electromagnéticos. a interferencia é significativamente mellorada que os 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 incomprensións, por favor entenda.
Hora de publicación: 03-xan-2024