Mikrogolf-opto-elektronika, soos die naam aandui, is die kruising van mikrogolf enopto-elektronikaMikrogolwe en liggolwe is elektromagnetiese golwe, en die frekwensies verskil baie ordes van grootte, en die komponente en tegnologieë wat in hul onderskeie velde ontwikkel word, verskil baie. In kombinasie kan ons voordeel trek uit mekaar, maar ons kan nuwe toepassings en eienskappe kry wat onderskeidelik moeilik is om te verwesenlik.
Optiese kommunikasieis 'n uitstekende voorbeeld van die kombinasie van mikrogolwe en foto-elektrone. Vroeë telefoon- en telegraafdraadlose kommunikasie, die opwekking, voortplanting en ontvangs van seine, het almal mikrogolftoestelle gebruik. Lae-frekwensie elektromagnetiese golwe word aanvanklik gebruik omdat die frekwensiebereik klein is en die kanaalkapasiteit vir oordrag klein is. Die oplossing is om die frekwensie van die oorgedra sein te verhoog, hoe hoër die frekwensie, hoe meer spektrumbronne. Maar die hoë-frekwensie sein in die lugvoortplantingsverlies is groot, maar dit kan ook maklik deur hindernisse geblokkeer word. As die kabel gebruik word, is die verlies van die kabel groot, en langafstand-oordrag is 'n probleem. Die opkoms van optiese veselkommunikasie is 'n goeie oplossing vir hierdie probleme.Optiese veselhet baie lae transmissieverlies en is 'n uitstekende draer vir die oordrag van seine oor lang afstande. Die frekwensiebereik van liggolwe is baie groter as dié van mikrogolwe en kan baie verskillende kanale gelyktydig oordra. As gevolg van hierdie voordele vanoptiese transmissie, optiese veselkommunikasie het die ruggraat van vandag se inligtingsoordrag geword.
Optiese kommunikasie het 'n lang geskiedenis, navorsing en toepassing is baie uitgebreid en volwasse, hier is nie om meer te sê nie. Hierdie artikel stel hoofsaaklik die nuwe navorsingsinhoud van mikrogolf-opto-elektronika in onlangse jare bekend, behalwe optiese kommunikasie. Mikrogolf-opto-elektronika gebruik hoofsaaklik die metodes en tegnologieë op die gebied van opto-elektronika as die draer om die prestasie en toepassing te verbeter en te bereik wat moeilik is om met tradisionele mikrogolf-elektroniese komponente te bereik. Vanuit 'n toepassingsperspektief sluit dit hoofsaaklik die volgende drie aspekte in.
Die eerste is die gebruik van opto-elektronika om hoëprestasie, lae-ruis mikrogolfseine te genereer, van die X-band tot die THz-band.
Tweedens, mikrogolfseinverwerking. Insluitend vertraging, filter, frekwensie-omskakeling, ontvangs en so aan.
Derdens, die oordrag van analoog seine.
In hierdie artikel stel die outeur slegs die eerste deel bekend, die opwekking van mikrogolfseine. Tradisionele mikrogolf-millimetergolwe word hoofsaaklik deur iii_V mikro-elektroniese komponente gegenereer. Die beperkings daarvan is die volgende: Eerstens, by hoë frekwensies soos 100 GHz en hoër, kan tradisionele mikro-elektronika al hoe minder krag produseer, en by 'n hoër THz-sein kan hulle niks doen nie. Tweedens, om fasegeraas te verminder en frekwensie-stabiliteit te verbeter, moet die oorspronklike toestel in 'n uiters lae temperatuuromgewing geplaas word. Derdens, dit is moeilik om 'n wye reeks frekwensiemodulasie-frekwensie-omskakeling te bereik. Om hierdie probleme op te los, kan opto-elektroniese tegnologie 'n rol speel. Die hoofmetodes word hieronder beskryf.
1. Deur die verskilfrekwensie van twee laserseine met verskillende frekwensie word 'n hoëfrekwensie-fotodetektor gebruik om mikrogolfseine om te skakel, soos getoon in Figuur 1.
Figuur 1. Skematiese diagram van mikrogolwe wat gegenereer word deur die verskilfrekwensie van tweelasers.
Die voordele van hierdie metode is die eenvoudige struktuur, dit kan uiters hoëfrekwensie millimetergolf- en selfs THz-frekwensieseine genereer, en deur die frekwensie van die laser aan te pas, kan 'n groot reeks vinnige frekwensie-omskakeling en sweepfrekwensie uitgevoer word. Die nadeel is dat die lynwydte of faseruis van die verskilfrekwensiesein wat deur twee onverwante laserseine gegenereer word, relatief groot is, en die frekwensiestabiliteit nie hoog is nie, veral as 'n halfgeleierlaser met 'n klein volume maar 'n groot lynwydte (~MHz) gebruik word. As die stelselgewigvolumevereistes nie hoog is nie, kan jy lae-ruis (~kHz) vastetoestandlasers gebruik,vesellasers, eksterne holtehalfgeleierlasers, ens. Daarbenewens kan twee verskillende modusse van laserseine wat in dieselfde laserholte gegenereer word, ook gebruik word om 'n verskilfrekwensie te genereer, sodat die mikrogolffrekwensie-stabiliteitsprestasie aansienlik verbeter word.
2. Om die probleem op te los dat die twee lasers in die vorige metode onsamehangend is en die gegenereerde seinfaseruis te groot is, kan die samehang tussen die twee lasers verkry word deur die inspuitfrekwensie-sluitfase-sluitmetode of die negatiewe terugvoerfase-sluitkring. Figuur 2 toon 'n tipiese toepassing van inspuitvergrendeling om mikrogolfveelvoude te genereer (Figuur 2). Deur hoëfrekwensiestroomseine direk in 'n halfgeleierlaser in te spuit, of deur 'n LinBO3-fasemodulator te gebruik, kan veelvuldige optiese seine van verskillende frekwensies met gelyke frekwensieafstand gegenereer word, of optiese frekwensiekamme. Natuurlik is die algemeen gebruikte metode om 'n wye spektrum optiese frekwensiekam te verkry, om 'n modusgeslote laser te gebruik. Enige twee kamseine in die gegenereerde optiese frekwensiekam word gekies deur filter en onderskeidelik in laser 1 en 2 ingespuit om onderskeidelik frekwensie- en fasevergrendeling te bewerkstellig. Omdat die fase tussen die verskillende kamseine van die optiese frekwensiekam relatief stabiel is, sodat die relatiewe fase tussen die twee lasers stabiel is, en dan deur die metode van verskilfrekwensie soos voorheen beskryf, kan die veelvoudige frekwensiemikrogolfsein van die optiese frekwensiekam-herhalingstempo verkry word.
Figuur 2. Skematiese diagram van mikrogolffrekwensieverdubbelingssein gegenereer deur inspuitingsfrekwensievergrendeling.
Nog 'n manier om die relatiewe faseruis van die twee lasers te verminder, is om 'n negatiewe terugvoer optiese PLL te gebruik, soos getoon in Figuur 3.
Figuur 3. Skematiese diagram van OPL.
Die beginsel van optiese PLL is soortgelyk aan dié van PLL in die veld van elektronika. Die faseverskil van die twee lasers word deur 'n fotodetektor (gelykstaande aan 'n fasedetektor) in 'n elektriese sein omgeskakel, en dan word die faseverskil tussen die twee lasers verkry deur 'n verskilfrekwensie met 'n verwysingsmikrogolfseinbron te maak, wat versterk en gefiltreer word en dan teruggevoer word na die frekwensiebeheereenheid van een van die lasers (vir halfgeleierlasers is dit die inspuitstroom). Deur so 'n negatiewe terugvoerbeheerlus word die relatiewe frekwensiefase tussen die twee laserseine aan die verwysingsmikrogolfsein gesluit. Die gekombineerde optiese sein kan dan deur optiese vesels na 'n fotodetektor elders oorgedra word en in 'n mikrogolfsein omgeskakel word. Die gevolglike fasegeraas van die mikrogolfsein is amper dieselfde as dié van die verwysingssein binne die bandwydte van die fasegeslote negatiewe terugvoerlus. Die fasegeraas buite die bandwydte is gelyk aan die relatiewe fasegeraas van die oorspronklike twee onverwante lasers.
Daarbenewens kan die verwysingsmikrogolfseinbron ook deur ander seinbronne omgeskakel word deur frekwensieverdubbeling, delerfrekwensie of ander frekwensieverwerking, sodat die laerfrekwensiemikrogolfsein meervoudig verdubbel kan word, of omgeskakel kan word na hoëfrekwensie RF-, THz-seine.
In vergelyking met inspuitingsfrekwensievergrendeling kan slegs frekwensieverdubbeling verkry word, terwyl fasegeslote lusse meer buigsaam is, amper arbitrêre frekwensies kan produseer, en natuurlik meer kompleks is. Byvoorbeeld, die optiese frekwensiekam wat deur die fotoëlektriese modulator in Figuur 2 gegenereer word, word as die ligbron gebruik, en die optiese fasegeslote lus word gebruik om die frekwensie van die twee lasers selektief aan die twee optiese kamseine te sluit, en dan hoëfrekwensieseine deur die verskilfrekwensie te genereer, soos in Figuur 4 getoon. f1 en f2 is onderskeidelik die verwysingsseinfrekwensies van die twee PLLS, en 'n mikrogolfsein van N*frep+f1+f2 kan gegenereer word deur die verskilfrekwensie tussen die twee lasers.
Figuur 4. Skematiese diagram van die opwekking van arbitrêre frekwensies met behulp van optiese frekwensiekamme en PLLS.
3. Gebruik modusgeslote pulslaser om optiese pulssein in mikrogolfsein om te skakel deurfotodetektor.
Die hoofvoordeel van hierdie metode is dat 'n sein met baie goeie frekwensiestabiliteit en baie lae faseruis verkry kan word. Deur die frekwensie van die laser te sluit op 'n baie stabiele atoom- en molekulêre oorgangsspektrum, of 'n uiters stabiele optiese holte, en die gebruik van selfverdubbelende frekwensie-eliminasiestelsel frekwensieverskuiwing en ander tegnologieë, kan ons 'n baie stabiele optiese pulssein met 'n baie stabiele herhalingsfrekwensie verkry, om sodoende 'n mikrogolfsein met ultra-lae faseruis te verkry. Figuur 5.
Figuur 5. Vergelyking van relatiewe faseruis van verskillende seinbronne.
Omdat die pulsherhalingstempo egter omgekeerd eweredig is aan die holtelengte van die laser, en die tradisionele modusgeslote laser groot is, is dit moeilik om hoëfrekwensie-mikrogolfseine direk te verkry. Boonop beperk die grootte, gewig en energieverbruik van tradisionele gepulseerde lasers, sowel as die strawwe omgewingsvereistes, hul hoofsaaklik laboratoriumtoepassings. Om hierdie probleme te oorkom, het navorsing onlangs in die Verenigde State en Duitsland begin met die gebruik van nie-lineêre effekte om frekwensie-stabiele optiese kamme in baie klein, hoëgehalte-tjirpmodus-optiese holtes te genereer, wat weer hoëfrekwensie-lae-geraas-mikrogolfseine genereer.
4. opto-elektroniese ossillator, Figuur 6.
Figuur 6. Skematiese diagram van fotoëlektries gekoppelde ossillator.
Een van die tradisionele metodes om mikrogolwe of lasers op te wek, is om 'n selfterugvoer-geslote lus te gebruik. Solank die wins in die geslote lus groter is as die verlies, kan die self-opgewekte ossillasie mikrogolwe of lasers produseer. Hoe hoër die kwaliteitsfaktor Q van die geslote lus, hoe kleiner die gegenereerde seinfase- of frekwensiegeraas. Om die kwaliteitsfaktor van die lus te verhoog, is die direkte manier om die luslengte te verhoog en die voortplantingsverlies te minimaliseer. 'n Langer lus kan egter gewoonlik die opwekking van verskeie ossillasiemodusse ondersteun, en as 'n smalbandwydtefilter bygevoeg word, kan 'n enkelfrekwensie-lae-geraas-mikrogolfossillasiesein verkry word. Fotoëlektriese gekoppelde ossillator is 'n mikrogolfseinbron gebaseer op hierdie idee. Dit maak ten volle gebruik van die vesel se lae voortplantingsverlieseienskappe. Deur 'n langer vesel te gebruik om die lus Q-waarde te verbeter, kan 'n mikrogolfsein met baie lae fasegeraas produseer word. Sedert die metode in die 1990's voorgestel is, het hierdie tipe ossillator uitgebreide navorsing en aansienlike ontwikkeling ontvang, en daar is tans kommersiële fotoëlektriese gekoppelde ossillators. Meer onlangs is fotoëlektriese ossillators ontwikkel waarvan die frekwensies oor 'n wye reeks aangepas kan word. Die hoofprobleem van mikrogolfseinbronne gebaseer op hierdie argitektuur is dat die lus lank is, en die geraas in die vrye vloei (FSR) en die dubbele frekwensie daarvan aansienlik sal verhoog word. Daarbenewens is die fotoëlektriese komponente wat gebruik word meer, die koste is hoog, die volume is moeilik om te verminder, en die langer vesel is meer sensitief vir omgewingsversteuring.
Bogenoemde stel kortliks verskeie metodes vir foto-elektron-opwekking van mikrogolfseine bekend, sowel as hul voor- en nadele. Laastens het die gebruik van foto-elektrone om mikrogolf te produseer nog 'n voordeel, naamlik dat die optiese sein deur die optiese vesel versprei kan word met baie lae verlies, langafstand-oordrag na elke gebruiksterminaal en dan omgeskakel kan word in mikrogolfseine, en die vermoë om elektromagnetiese interferensie te weerstaan, is aansienlik verbeter as tradisionele elektroniese komponente.
Die skryf van hierdie artikel is hoofsaaklik vir verwysing, en gekombineer met die outeur se eie navorsingservaring en ervaring in hierdie veld, is daar onakkuraathede en onbegrip, verstaan asseblief.
Plasingstyd: Jan-03-2024