Стан виробництва та гарячі точки мікрохвильових сигналів у мікрохвильовій оптоелектроніці

Мікрохвильова оптоелектроніка, як випливає з назви, є міждисциплінарною дисципліною мікрохвильової та оптоелектроніки. Як мікрохвильові хвилі, так і світлові хвилі - електромагнітні хвилі, і їх частоти на багато порядків відрізняються. Компоненти та технології, розроблені у відповідних областях, дуже різні. Поєднання та вивчення сильних сторін один одного може дати нові програми та функції, які важко досягти [1,2,3].

Оптичний зв'язок - найкращий приклад комбінації мікрохвильової та оптоелектроніки. Рання телефонна телеграфна бездротова зв'язок, генерація сигналу, розповсюдження та прийом сигналів - це всі використовувані мікрохвильові пристрої. Спочатку використовуються низькочастотні електромагнітні хвилі, оскільки діапазон частот невеликий, а потужність каналу передачі невелика. Рішення - збільшити частоту переданого сигналу. Чим вище частота, тим більше спектральних ресурсів. Однак високочастотні сигнали мають великі втрати поширення в повітрі і легко перешкоджають перешкодам. Якщо ви користуєтеся дротовою передачею, втрата кабелю велика, а проблема передачі міжміського зв'язку є великою. Виникнення волоконно-оптичних комунікацій вирішило ці проблеми. Потужність передачі оптичного волокна дуже низька, це відмінний носій для передачі сигналів на великі відстані. Частотний діапазон світлових хвиль набагато перевищує мікрохвилі, і одночасно можуть передаватися багато різних каналів. Через ці переваги оптичної передачі оптичне волокно зв'язку стало основою сьогоднішнього розповсюдження інформації.

Оптичний зв'язок має довгу історію, дослідження та застосування дуже великі і зрілі, я тут більше не скажу. Тут я в основному хотів би представити дослідницький зміст інших виникаючих мікрохвильових оптоелектроніки, крім оптичного зв'язку в останні роки. Мікрохвильова оптоелектроніка в основному базується на методах і техніці в області оптоелектроніки для поліпшення та реалізації продуктивності та програм, які важко досягти за допомогою традиційних мікрохвильових електронних компонентів. З точки зору застосування, вона в основному включає в себе наступні три аспекти.

По-перше, використання оптоелектроніки для створення високопродуктивних, малошумних мікрохвильових сигналів від X-діапазону до діапазону THz.

По-друге, обробка мікрохвильових сигналів. У тому числі затримка, фільтрація, перетворення частоти, отримання тощо.

По-третє, передача аналогового сигналу.

Ця стаття лише вводить першу частину статті, генерацію мікрохвильових сигналів. Традиційна мікрохвильова міліметрова хвиля в основному виробляється за допомогою мікроелектронних компонентів iii_V [4]. Її обмеження є наступними: по-перше, на високих частотах, таких як 100 ГГц і більше, традиційні мікроелектронні компоненти можуть виробляти все менше і менше енергії, а сигнали високої частоти ТГц - безсилі. По-друге, для зменшення фазового шуму та підвищення стабільності частоти оригінальний пристрій потрібно розмістити в криогенному середовищі. По-третє, важко досягти широкого спектру перетворення частоти FM. Щоб вирішити ці проблеми, технологія оптоелектроніки може просто показати себе. Ось деякі основні методи.

1. Використовуючи різницю частоти двох різних частотних лазерних сигналів, високочастотний фотодетектор перетворює, щоб генерувати мікрохвильовий сигнал [5, 6], як показано на фіг. 1

Малюнок 1. Схематична схема двох генераторів мікрохвильової лазерної диференційної частоти.

Перевага цього методу полягає в тому, що вона має просту структуру і може генерувати сигнали надзвичайно високої частоти, міліметрової хвилі і навіть частоти ТГц. Крім того, регулюючи частоту лазера, можна виконувати широкий діапазон швидких перетворень частоти та частоти. Недолік полягає в тому, що ширина лінії або фазовий шум сигналу різниці частот, що виробляється двома когерентними лазерними сигналами, є відносно великим, а стійкість частоти не висока, особливо якщо застосовується невеликий, але широкий (~ МГц) напівпровідниковий лазер. . Якщо вимоги до ваги та обсягу системи не високі, можна використовувати низькошвидкісний (~ kHz) твердотільний лазер, волокно лазер [7,8], зовнішній порожнистий напівпровідниковий лазер [9] та ін. Крім того, два різних режими лазерних сигналів, що генеруються в одній лазерній порожнині, також можуть бути використані для генерації різниці частот, так що стійкість мікрохвильової частоти може бути значно покращена [10-12].

2. Щоб вирішити проблему, що два лазери попереднього методу є некогерентними, а фазова шум генерованого сигналу надто великий, можна використати метод блокування ін'єкцій або фазу, заблоковану фазою зворотного зв'язку, для отримання когерентності між два лазера [13]. На рисунку 2 показано типове застосування багаточастотної мікрохвильової генерації, що замикається на інверсію (мал. 2). Прямо інжекції високочастотного сигналу струму до напівпровідникового лазера або за допомогою фазового модулятора LiNbO3 може бути сформований безліч оптичних сигналів, що мають різні частоти з однаковими інтервалами, або оптичні комбінації частоти. Звичайно, найпоширенішим способом отримання широкосмугової оптичної частоти гребінь є використання лазера, що замикається на режим [14]. Будь-які два гребні сигнали згенерованої комбінованої оптичної частоти вибираються шляхом фільтрації та вводу в лазери 1 і 2, відповідно, для досягнення заблокованої частоти. Оскільки фаза між різними гребними сигналами оптичної гребенки є відносно стабільною, одержується стійка відносна фаза між двома лазерами, а частота повторення гребня може бути отримана методом різницевої частоти, як описано вище. Багаточастотний СВЧ-сигнал.

Малюнок 2. Схематична схема інжекціонованої генерації частоти мікрохвильових частотно-подвійних сигналів.

Іншим способом зменшення відносного фазового шуму двох лазерів є використання негативного зворотного оптичного фазового циклу, як показано на малюнку 3.

Малюнок 3. Оптичний PLL схематичний.

Принцип замкненої петлі з оптичною фазою схожий на фазну замкнуту петлю в електронному полі [15, 16, 17]. Різниця фаз двох лазерів перетворюється на електричний сигнал фотоприймачем (відповідним фазовому детектору), а різниця між двома лазерами отримується різницевою частотою з джерелом вихідного сигналу мікрохвильової хвилі, і зворотній зв'язок повертається до два лазери після підсилення та фільтрації. Лазерна частотний блок керування (струм для струму для напівпровідникових лазерів). При такому петлі контролю негативного зворотного зв'язку відносна частота між двома лазерними сигналами фазово заблокована з еталонним мікрохвильовим сигналом. Комбінований оптичний сигнал може потім передаватися через оптичне волокно до фотодетектора в іншому місці та перетворювати на мікрохвильовий сигнал. Таким чином, фазовий шум сформованого мікрохвильового сигналу практично не збігається з фазовим шумом еталонного сигналу в смузі пропускання петлі негативного зворотного зв'язку з фазою. Фазовий шум поза смугою пропускання дорівнює відносному фазовому шуму вихідних двох когерентних лазерів.

Крім того, джерело сигналу мікрохвильового випромінювання може бути також іншим джерелом сигналу, який обробляється за допомогою перетворення частоти, цифрової частоти або іншої частотної конверсії, так що мікрохвильовий сигнал з нижчою частотою може бути перетворений у багаточасове або перетворене на високу частоту. Радіочастот, сигнал THz і так далі.

У порівнянні з частотою, що замикається на ін'єкцію, яка може отримати лише множення частоти, петлі, що блокують фазу, є більш гнучкими, можуть генерувати майже будь-яку частоту і, звичайно, є більш складними. Наприклад, на Фіг. 2, фаза, модульована оптоелектронним модулятором, або оптична гребенка, що утворюється імпульсним лазером як джерело світла, використовується оптична фаза-замкнена петля для вибіркового блокування двох лазерів до двох оптичних зубних сигналів. Генеруйте високочастотні сигнали через різницеву частоту, як показано на малюнку 4. F1 та f2 є еталонними сигналами частот двох фіксованих циклів відповідно, а мікрохвильовий сигнал N * frep + f1 + f2 може генеруватися за допомогою різниця частот між двома лазерами.

Рисунок 4. Створює довільну діаграму частот з використанням оптичних гребінців та оптичних PLL.

3. За допомогою імпульсного лазера, увімкненого режимом, оптичний імпульсний сигнал перетворюється на мікрохвильовий сигнал фотоприймачем [18-20].

Основна перевага цього методу полягає в тому, що можна отримати сигнал з дуже високою частотною стійкістю та надзвичайно низьким фазовим шумом. Замикаючи частоту лазера на дуже стабільний спектр атомно-молекулярного переходу, або надзвичайно стабільну оптичну порожнину, і використовуючи частоту самопоглинання для виключення системних частотних зрушень та ін, можна отримати оптично-імпульсні сигнали з дуже стабільними частотами повторення. Сверхвисокий низькочастотний мікрохвильовий сигнал [21-23]. Як показано на малюнку 5.

Рисунок 5. Порівняння відносного фазового шуму різних джерел сигналу. Витяг з посиланням [21]

Однак, оскільки частота повторення імпульсу обернено пропорційна довжині порожнини лазера, тоді як звичайний лазер із замкненим режимом має великий об'єм, важко отримати безпосередньо високочастотні мікрохвильові сигнали. Крім того, традиційний імпульсний лазерний обсяг, вага та енергоспоживання, а також жорсткі вимоги до навколишнього середовища обмежували їх використання в основному в лабораторії. Для подолання цих труднощів найсучасніші дослідження в Сполучених Штатах та Німеччині використовують нелінійні ефекти для створення стійких до частоти оптичних гребінок у невеликій високоякісній резонаторі режиму для створення високочастотних, малошумних мікрохвильових сигналів [24. -29]].