Mikrowellen-Optoelektronikist, wie der Name schon sagt, die Schnittstelle zwischen Mikrowellen- undOptoelektronikMikrowellen und Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen. Ihre Frequenzen unterscheiden sich um viele Größenordnungen, und die in ihren jeweiligen Bereichen entwickelten Komponenten und Technologien sind sehr unterschiedlich. Durch die Kombination können wir die Vorteile der beiden Wellen nutzen, aber gleichzeitig neue Anwendungen und Eigenschaften erreichen, die bisher schwer zu realisieren waren.
Optische Kommunikationist ein Paradebeispiel für die Kombination von Mikrowellen und Photoelektronen. Die frühe drahtlose Kommunikation von Telefon und Telegraf sowie die Erzeugung, Ausbreitung und der Empfang von Signalen nutzten Mikrowellengeräte. Ursprünglich wurden niederfrequente elektromagnetische Wellen verwendet, da der Frequenzbereich klein und die Kanalkapazität für die Übertragung gering war. Die Lösung besteht darin, die Frequenz des übertragenen Signals zu erhöhen. Je höher die Frequenz, desto größer die Spektrumressourcen. Allerdings weisen hochfrequente Signale in der Luft große Ausbreitungsverluste auf und können zudem leicht durch Hindernisse blockiert werden. Bei Verwendung von Kabeln sind die Verluste groß, was die Übertragung über große Entfernungen problematisch macht. Die Entwicklung der Glasfaserkommunikation bietet eine gute Lösung für diese Probleme.Glasfaserhat einen sehr geringen Übertragungsverlust und ist ein hervorragender Träger für die Übertragung von Signalen über große Entfernungen. Der Frequenzbereich von Lichtwellen ist viel größer als der von Mikrowellen und kann viele verschiedene Kanäle gleichzeitig übertragen. Aufgrund dieser Vorteile vonoptische ÜbertragungDie Glasfaserkommunikation ist zum Rückgrat der heutigen Informationsübertragung geworden.
Die optische Kommunikation hat eine lange Geschichte, Forschung und Anwendung sind sehr umfangreich und ausgereift. Mehr dazu soll hier nicht verraten werden. Dieser Artikel stellt hauptsächlich die neuen Forschungsinhalte der Mikrowellen-Optoelektronik der letzten Jahre vor, die über die optische Kommunikation hinausgehen. Die Mikrowellen-Optoelektronik nutzt hauptsächlich Methoden und Technologien der Optoelektronik, um Leistung und Anwendung zu verbessern und zu erreichen, die mit herkömmlichen elektronischen Mikrowellenkomponenten nur schwer zu erreichen sind. Aus anwendungsbezogener Sicht umfasst sie im Wesentlichen die folgenden drei Aspekte.
Die erste besteht in der Verwendung von Optoelektronik zur Erzeugung leistungsstarker Mikrowellensignale mit geringem Rauschen vom X-Band bis hin zum THz-Band.
Zweitens: Mikrowellensignalverarbeitung. Einschließlich Verzögerung, Filterung, Frequenzumwandlung, Empfang usw.
Drittens die Übertragung analoger Signale.
In diesem Artikel geht der Autor nur auf den ersten Teil, die Erzeugung von Mikrowellensignalen, ein. Herkömmliche Mikrowellen-Millimeterwellen werden hauptsächlich von mikroelektronischen III-V-Bauelementen erzeugt. Die Mikroelektronik weist folgende Einschränkungen auf: Erstens kann herkömmliche Mikroelektronik bei hohen Frequenzen wie 100 GHz und darüber immer weniger Leistung erzeugen; bei höheren Frequenzen des THz-Signals ist sie wirkungslos. Zweitens muss das Gerät in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen aufgestellt werden, um das Phasenrauschen zu reduzieren und die Frequenzstabilität zu verbessern. Drittens ist es schwierig, eine Frequenzumwandlung mit einem weiten Frequenzmodulationsbereich zu erreichen. Optoelektronische Technologien können diese Probleme lösen. Die wichtigsten Methoden werden im Folgenden beschrieben.
1. Durch die Differenzfrequenz zweier Lasersignale unterschiedlicher Frequenz wird ein Hochfrequenz-Fotodetektor zur Umwandlung von Mikrowellensignalen verwendet, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Schematische Darstellung von Mikrowellen, die durch die Differenzfrequenz zweierLaser.
Die Vorteile dieser Methode liegen in der einfachen Struktur, der Erzeugung von Millimeterwellen- und sogar THz-Frequenzsignalen mit extrem hoher Frequenz und der Möglichkeit, durch Anpassung der Laserfrequenz einen großen Frequenzbereich schnell zu konvertieren und die Wobbelfrequenz zu verändern. Der Nachteil besteht darin, dass die Linienbreite bzw. das Phasenrauschen des Differenzfrequenzsignals, das von zwei unabhängigen Lasersignalen erzeugt wird, relativ groß ist und die Frequenzstabilität nicht hoch ist, insbesondere bei Verwendung eines Halbleiterlasers mit kleinem Volumen, aber großer Linienbreite (~ MHz). Bei geringen Anforderungen an das Systemgewicht und -volumen können rauscharme Festkörperlaser (~ kHz) verwendet werden.Faserlaser, äußerer HohlraumHalbleiterlaserusw. Darüber hinaus können zwei verschiedene Modi von Lasersignalen, die in derselben Laserkavität erzeugt werden, auch zum Erzeugen einer Differenzfrequenz verwendet werden, sodass die Mikrowellenfrequenzstabilitätsleistung erheblich verbessert wird.
2. Um das Problem der Inkohärenz der beiden Laser bei der vorherigen Methode zu lösen und das erzeugte Signalphasenrauschen zu stark zu machen, kann die Kohärenz zwischen den beiden Lasern durch die Injektionsfrequenzkopplungs-Phasenkopplungsmethode oder die Phasenkopplungsschaltung mit negativer Rückkopplung erreicht werden. Abbildung 2 zeigt eine typische Anwendung der Injektionskopplung zur Erzeugung von Mikrowellenvielfachen (Abbildung 2). Durch direktes Einspeisen von Hochfrequenzstromsignalen in einen Halbleiterlaser oder durch Verwendung eines LinBO3-Phasenmodulators können mehrere optische Signale unterschiedlicher Frequenzen mit gleichem Frequenzabstand oder optische Frequenzkämme erzeugt werden. Die gängigste Methode zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms mit breitem Spektrum ist natürlich die Verwendung eines modengekoppelten Lasers. Zwei beliebige Kammsignale im erzeugten optischen Frequenzkamm werden durch Filterung ausgewählt und jeweils in Laser 1 und 2 eingespeist, um Frequenz- und Phasenkopplung zu erreichen. Da die Phase zwischen den verschiedenen Kammsignalen des optischen Frequenzkamms relativ stabil ist, ist auch die relative Phase zwischen den beiden Lasern stabil. Mit der zuvor beschriebenen Methode der Frequenzdifferenz kann dann das Mikrowellensignal mit der Mehrfachfrequenz der Wiederholungsrate des optischen Frequenzkamms erhalten werden.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des durch Injektionsfrequenzkopplung erzeugten Mikrowellenfrequenzverdopplungssignals.
Eine weitere Möglichkeit, das relative Phasenrauschen der beiden Laser zu reduzieren, besteht in der Verwendung einer optischen PLL mit negativer Rückkopplung, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. Schematische Darstellung von OPL.
Das Prinzip der optischen PLL ähnelt dem der PLL in der Elektronik. Die Phasendifferenz der beiden Laser wird von einem Photodetektor (entspricht einem Phasendetektor) in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Lasern wird durch die Erzeugung einer Differenzfrequenz mit einer Referenz-Mikrowellensignalquelle ermittelt. Diese Differenzfrequenz wird verstärkt, gefiltert und anschließend an die Frequenzsteuereinheit eines der Laser (bei Halbleiterlasern ist dies der Injektionsstrom) zurückgeführt. Durch eine solche negative Rückkopplungsschleife wird die relative Frequenzphase der beiden Lasersignale an das Referenz-Mikrowellensignal gekoppelt. Das kombinierte optische Signal kann dann über Glasfasern an einen anderen Photodetektor übertragen und in ein Mikrowellensignal umgewandelt werden. Das resultierende Phasenrauschen des Mikrowellensignals entspricht innerhalb der Bandbreite der phasenstarren negativen Rückkopplungsschleife nahezu dem des Referenzsignals. Das Phasenrauschen außerhalb der Bandbreite entspricht dem relativen Phasenrauschen der beiden ursprünglichen, unabhängigen Laser.
Darüber hinaus kann die Referenz-Mikrowellensignalquelle auch durch Frequenzverdopplung, Frequenzteiler oder andere Frequenzverarbeitung durch andere Signalquellen umgewandelt werden, sodass das Mikrowellensignal mit niedrigerer Frequenz mehrfach verdoppelt oder in hochfrequente HF-, THz-Signale umgewandelt werden kann.
Im Vergleich zur Injektionsfrequenzkopplung, die nur eine Frequenzverdoppelung erreichen kann, sind Phasenregelkreise flexibler, können nahezu beliebige Frequenzen erzeugen und sind natürlich komplexer. Beispielsweise wird der vom photoelektrischen Modulator in Abbildung 2 erzeugte optische Frequenzkamm als Lichtquelle verwendet, und der optische Phasenregelkreis wird verwendet, um die Frequenz der beiden Laser selektiv an die beiden optischen Kammsignale zu koppeln und dann durch die Differenzfrequenz Hochfrequenzsignale zu erzeugen, wie in Abbildung 4 dargestellt. f1 und f2 sind jeweils die Referenzsignalfrequenzen der beiden PLLS, und durch die Differenzfrequenz zwischen den beiden Lasern kann ein Mikrowellensignal von N*frep+f1+f2 erzeugt werden.
Abbildung 4. Schematische Darstellung der Erzeugung beliebiger Frequenzen mithilfe optischer Frequenzkämme und PLLS.
3. Verwenden Sie einen modengekoppelten Pulslaser, um das optische Pulssignal in ein Mikrowellensignal umzuwandelnFotodetektor.
Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass ein Signal mit sehr guter Frequenzstabilität und sehr geringem Phasenrauschen erhalten werden kann. Durch die Fixierung der Laserfrequenz auf ein sehr stabiles atomares und molekulares Übergangsspektrum oder einen extrem stabilen optischen Resonator und den Einsatz von selbstverdoppelnden Frequenzeliminierungssystemen, Frequenzverschiebung und anderen Technologien können wir ein sehr stabiles optisches Impulssignal mit einer sehr stabilen Wiederholungsfrequenz erhalten, wodurch ein Mikrowellensignal mit extrem geringem Phasenrauschen entsteht. Abbildung 5.
Abbildung 5. Vergleich des relativen Phasenrauschens verschiedener Signalquellen.
Da die Pulswiederholrate jedoch umgekehrt proportional zur Resonatorlänge des Lasers ist und herkömmliche modengekoppelte Laser groß sind, ist es schwierig, hochfrequente Mikrowellensignale direkt zu empfangen. Größe, Gewicht und Energieverbrauch herkömmlicher Pulslaser sowie die rauen Umgebungsbedingungen beschränken ihre Anwendung zudem hauptsächlich auf Laboranwendungen. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde in den USA und Deutschland kürzlich mit der Forschung begonnen, bei der nichtlineare Effekte genutzt werden, um frequenzstabile optische Kämme in sehr kleinen, hochwertigen Chirp-Modus-Resonatoren zu erzeugen, die wiederum hochfrequente, rauscharme Mikrowellensignale erzeugen.
4. Optoelektronischer Oszillator, Abbildung 6.
Abbildung 6. Schematische Darstellung eines photoelektrisch gekoppelten Oszillators.
Eine der traditionellen Methoden zur Erzeugung von Mikrowellen oder Lasern ist die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises mit Selbstrückkopplung. Solange die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis größer als der Verlust ist, kann die selbsterregte Schwingung Mikrowellen oder Laser erzeugen. Je höher der Qualitätsfaktor Q des geschlossenen Regelkreises, desto geringer ist das erzeugte Phasen- oder Frequenzrauschen des Signals. Der direkte Weg, den Qualitätsfaktor des Regelkreises zu erhöhen, besteht darin, die Schleifenlänge zu vergrößern und die Ausbreitungsverluste zu minimieren. Ein längerer Regelkreis kann jedoch in der Regel die Erzeugung mehrerer Schwingungsmodi unterstützen, und durch Hinzufügen eines Schmalbandfilters kann ein einfrequentes, rauscharmes Mikrowellenschwingungssignal erzeugt werden. Der photoelektrisch gekoppelte Oszillator ist eine auf diesem Konzept basierende Mikrowellensignalquelle. Er nutzt die geringen Ausbreitungsverluste der Faser voll aus und kann durch die Verwendung einer längeren Faser zur Verbesserung des Schleifen-Q-Werts ein Mikrowellensignal mit sehr geringem Phasenrauschen erzeugen. Seit der Einführung dieser Methode in den 1990er Jahren wurde dieser Oszillatortyp intensiv erforscht und weiterentwickelt. Derzeit sind photoelektrisch gekoppelte Oszillatoren kommerziell erhältlich. In jüngerer Zeit wurden photoelektrische Oszillatoren entwickelt, deren Frequenzen über einen weiten Bereich einstellbar sind. Das Hauptproblem von Mikrowellensignalquellen mit dieser Architektur besteht in der langen Schleife, die das Rauschen im freien Fluss (FSR) und bei doppelter Frequenz deutlich erhöht. Darüber hinaus werden mehr photoelektrische Komponenten verwendet, die Kosten sind hoch, das Volumen lässt sich nur schwer reduzieren, und die längere Faser reagiert empfindlicher auf Umwelteinflüsse.
Oben werden kurz verschiedene Methoden zur Erzeugung von Mikrowellensignalen durch Photoelektronen sowie deren Vor- und Nachteile vorgestellt. Ein weiterer Vorteil der Mikrowellenerzeugung durch Photoelektronen besteht darin, dass das optische Signal mit sehr geringem Verlust über Glasfasern verteilt und über große Entfernungen an jedes Endgerät übertragen und anschließend in Mikrowellensignale umgewandelt werden kann. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen ist im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen deutlich verbessert.
Der Inhalt dieses Artikels dient in erster Linie als Referenz. Aufgrund der eigenen Forschungserfahrung und Erfahrung des Autors auf diesem Gebiet kann es zu Ungenauigkeiten und Unverständlichkeiten kommen. Bitte haben Sie Verständnis.
Beitragszeit: 03.01.2024