Mikrowellen-Optoelektronik, wie der Name schon sagt, ist die Schnittstelle von Mikrowelle undOptoelektronikMikrowellen und Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen sich um viele Größenordnungen unterscheiden. Auch die in ihren jeweiligen Bereichen entwickelten Komponenten und Technologien sind sehr verschieden. Durch die Kombination beider können wir uns gegenseitig nutzen und neue Anwendungen und Eigenschaften erzielen, die einzeln schwer zu realisieren wären.
Optische KommunikationDie Kombination von Mikrowellen und Fotoelektronen ist ein Paradebeispiel. Frühe Telefon- und Telegrafenkommunikationstechnologien nutzten Mikrowellengeräte für die Erzeugung, Ausbreitung und den Empfang von Signalen. Anfänglich wurden niederfrequente elektromagnetische Wellen eingesetzt, da der Frequenzbereich klein und die Übertragungskapazität gering war. Die Lösung bestand darin, die Frequenz des gesendeten Signals zu erhöhen, da mit steigender Frequenz mehr Spektrumressourcen zur Verfügung standen. Allerdings war die Dämpfung hochfrequenter Signale in der Luft hoch, und sie wurden leicht von Hindernissen blockiert. Auch die Verwendung von Kabeln führte zu hohen Dämpfungsverlusten, was die Übertragung über große Entfernungen erschwerte. Die Entwicklung der Glasfaserkommunikation bot eine gute Lösung für diese Probleme.Optische FaserLichtwellen weisen sehr geringe Übertragungsverluste auf und eignen sich hervorragend zur Signalübertragung über große Entfernungen. Ihr Frequenzbereich ist wesentlich größer als der von Mikrowellen und ermöglicht die gleichzeitige Übertragung vieler verschiedener Kanäle. Aufgrund dieser Vorteileoptische ÜbertragungDie Glasfaserkommunikation ist zum Rückgrat der heutigen Informationsübertragung geworden.
Die optische Kommunikation blickt auf eine lange Geschichte zurück, ihre Forschung und Anwendung sind sehr umfangreich und ausgereift; daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden. Dieser Artikel stellt daher hauptsächlich die neuen Forschungsinhalte der Mikrowellen-Optoelektronik der letzten Jahre vor, die über die optische Kommunikation hinausgehen. Die Mikrowellen-Optoelektronik nutzt Methoden und Technologien der Optoelektronik, um die Leistung und Anwendungsmöglichkeiten herkömmlicher Mikrowellenbauteile zu verbessern und zu erweitern. Aus Anwendungssicht lassen sich im Wesentlichen drei Aspekte unterscheiden.
Die erste ist die Nutzung von Optoelektronik zur Erzeugung von leistungsstarken, rauscharmen Mikrowellensignalen, vom X-Band bis hin zum THz-Band.
Zweitens, Mikrowellensignalverarbeitung. Dazu gehören Verzögerung, Filterung, Frequenzumsetzung, Empfang usw.
Drittens die Übertragung analoger Signale.
In diesem Artikel wird lediglich der erste Teil, die Erzeugung von Mikrowellensignalen, vorgestellt. Traditionelle Millimeterwellen werden hauptsächlich mit mikroelektronischen Bauteilen der IIIV-Serie erzeugt. Dabei ergeben sich folgende Einschränkungen: Erstens liefert die herkömmliche Mikroelektronik bei hohen Frequenzen ab 100 GHz immer weniger Leistung und ist bei noch höheren Terahertz-Frequenzen (THz) nicht mehr anwendbar. Zweitens muss das Gerät zur Reduzierung des Phasenrauschens und zur Verbesserung der Frequenzstabilität in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden. Drittens ist es schwierig, eine Frequenzmodulation über einen weiten Bereich zu realisieren. 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 der durch die Differenzfrequenz zweierLaser.
Die Vorteile dieser Methode liegen in ihrem einfachen Aufbau, der Möglichkeit, Millimeterwellen und sogar Terahertz-Frequenzsignale mit extrem hohen Frequenzen zu erzeugen, und der Option, durch die Anpassung der Laserfrequenz eine schnelle Frequenzkonvertierung über einen großen Bereich durchzuführen und die Frequenz zu variieren. Der Nachteil besteht darin, dass die Linienbreite bzw. das Phasenrauschen des Differenzfrequenzsignals, das durch zwei unabhängige Lasersignale erzeugt wird, relativ groß ist und die Frequenzstabilität gering ist, insbesondere bei Verwendung eines Halbleiterlasers mit kleinem Volumen, aber großer Linienbreite (~MHz). Sind die Anforderungen an das Systemgewicht und -volumen nicht hoch, können rauscharme Festkörperlaser (~kHz) eingesetzt werden.Faserlaser, äußerer HohlraumHalbleiterlaserusw. Darüber hinaus können auch zwei verschiedene Modi von Lasersignalen, die im selben Laserresonator erzeugt werden, zur Erzeugung einer Differenzfrequenz genutzt werden, wodurch die Mikrowellenfrequenzstabilität erheblich verbessert wird.
2. Um das Problem der Inkohärenz der beiden Laser im vorherigen Verfahren und des damit verbundenen hohen Signalphasenrauschens zu lösen, kann die Kohärenz zwischen den beiden Lasern durch Frequenz- und Phasenverriegelung mittels Injektion oder negativer Rückkopplung erreicht werden. Abbildung 2 zeigt eine typische Anwendung der Injektionsverriegelung zur Erzeugung von Mikrowellen-Vielfachsignalen. Durch direktes Einspeisen hochfrequenter Stromsignale in einen Halbleiterlaser oder mithilfe eines LinBO3-Phasenmodulators lassen sich mehrere optische Signale unterschiedlicher Frequenzen mit gleichem Frequenzabstand, sogenannte optische Frequenzkämme, erzeugen. Üblicherweise wird zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms mit breitem Spektrum ein modengekoppelter Laser verwendet. Jeweils zwei Kammsignale des erzeugten optischen Frequenzkamms werden gefiltert und in Laser 1 bzw. 2 eingespeist, um Frequenz- und Phasenverriegelung zu realisieren. 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 Differenzfrequenzmethode kann dann das mehrfache Frequenz-Mikrowellensignal mit der Wiederholrate des optischen Frequenzkamms gewonnen werden.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des durch Frequenzsynchronisation erzeugten Mikrowellen-Frequenzverdopplungssignals.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung des relativen Phasenrauschens der beiden Laser besteht in der Verwendung einer optischen PLL mit negativer Rückkopplung, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3. Schematische Darstellung von OPL.
Das Prinzip der optischen PLL ähnelt dem der PLL in der Elektronik. Die Phasendifferenz zweier Laser wird mittels eines Fotodetektors (entspricht einem Phasendetektor) in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Lasern wird durch Differenzbildung mit einer Referenz-Mikrowellenquelle ermittelt, verstärkt, gefiltert und anschließend an die Frequenzsteuerung eines der Laser zurückgeführt (bei Halbleiterlasern ist dies der Injektionsstrom). Durch diese negative Rückkopplungsschleife wird die relative Frequenzphase der beiden Lasersignale an das Referenz-Mikrowellensignal gekoppelt. Das kombinierte optische Signal kann dann über Glasfasern zu einem weiteren Fotodetektor übertragen und in ein Mikrowellensignal umgewandelt werden. Das resultierende Phasenrauschen des Mikrowellensignals ist innerhalb der Bandbreite der phasengekoppelten Rückkopplungsschleife nahezu identisch mit dem des Referenzsignals. Außerhalb der Bandbreite entspricht das Phasenrauschen dem relativen Phasenrauschen der beiden ursprünglichen, unabhängigen Laser.
Darüber hinaus kann die Referenz-Mikrowellensignalquelle auch durch Frequenzverdopplung, Frequenzteilung oder andere Frequenzverarbeitungsmethoden von anderen Signalquellen umgewandelt werden, sodass das niederfrequente Mikrowellensignal mehrfach verdoppelt oder in hochfrequente HF-, THz-Signale umgewandelt werden kann.
Im Vergleich zur Frequenzsynchronisation, die lediglich eine Frequenzverdopplung ermöglicht, sind Phasenregelschleifen flexibler, können nahezu beliebige Frequenzen erzeugen und sind natürlich komplexer. Beispielsweise dient der vom fotoelektrischen Modulator in Abbildung 2 erzeugte optische Frequenzkamm als Lichtquelle. Die optische Phasenregelschleife synchronisiert die Frequenz der beiden Laser selektiv mit den beiden optischen Kammsignalen und erzeugt anschließend über die Frequenzdifferenz Hochfrequenzsignale (siehe Abbildung 4). f1 und f2 sind die Referenzsignalfrequenzen der beiden PLLS. Durch die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Lasern lässt sich ein Mikrowellensignal der Frequenz N*frep + f1 + f2 erzeugen.
Abbildung 4. Schematische Darstellung der Erzeugung beliebiger Frequenzen mittels optischer Frequenzkämme und PLLS.
3. Verwenden Sie einen modengekoppelten Pulslaser, um das optische Pulssignal in ein Mikrowellensignal umzuwandeln.Fotodetektor.
Der Hauptvorteil dieser Methode liegt in der Erzielung eines Signals mit sehr guter Frequenzstabilität und sehr geringem Phasenrauschen. Durch die Frequenzstabilisierung des Lasers an ein sehr stabiles atomares und molekulares Übergangsspektrum oder einen extrem stabilen optischen Resonator sowie durch den Einsatz von Frequenzverdopplungssystemen und anderen Technologien lässt sich ein sehr stabiles optisches Pulssignal mit einer sehr stabilen Wiederholfrequenz erzeugen, wodurch ein Mikrowellensignal mit extrem geringem Phasenrauschen entsteht. (Abbildung 5)
Abbildung 5. Vergleich des relativen Phasenrauschens verschiedener Signalquellen.
Da die Pulsfolgefrequenz umgekehrt proportional zur Resonatorlänge des Lasers ist und herkömmliche modengekoppelte Laser groß sind, ist es schwierig, hochfrequente Mikrowellensignale direkt zu erzeugen. Zudem schränken Größe, Gewicht und Energieverbrauch herkömmlicher Pulslaser sowie die hohen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen deren Einsatzmöglichkeiten auf Laboranwendungen ein. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird in den USA und Deutschland seit Kurzem an der Nutzung nichtlinearer Effekte geforscht, um frequenzstabile optische Kämme in sehr kleinen, hochwertigen Chirp-Mode-Resonatoren zu erzeugen, die wiederum hochfrequente, rauscharme Mikrowellensignale generieren.
4. optoelektronischer Oszillator, Abbildung 6.
Abbildung 6. Schematische Darstellung eines fotoelektrisch gekoppelten Oszillators.
Eine der traditionellen Methoden zur Erzeugung von Mikrowellen oder Lasern ist die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises mit Selbstrückkopplung. Solange die Verstärkung im Regelkreis größer ist als die Dämpfung, erzeugt die selbsterregte Schwingung Mikrowellen oder Laser. Je höher der Gütefaktor Q des Regelkreises ist, desto geringer ist das Phasen- oder Frequenzrauschen des erzeugten Signals. Um den Gütefaktor des Regelkreises zu erhöhen, kann man ihn direkt verlängern und die Ausbreitungsdämpfung minimieren. Längere Regelkreise ermöglichen jedoch die Erzeugung mehrerer Schwingungsmoden. Durch Hinzufügen eines schmalbandigen Filters lässt sich ein rauscharmes Mikrowellensignal mit einer einzigen Frequenz erzeugen. Der fotoelektrisch gekoppelte Oszillator (PEO) ist eine Mikrowellensignalquelle, die auf diesem Prinzip basiert. Er nutzt die geringen Ausbreitungsdämpfungseigenschaften der Faser optimal aus. Durch die Verwendung einer längeren Faser zur Verbesserung des Gütefaktors des Regelkreises kann ein Mikrowellensignal mit sehr geringem Phasenrauschen erzeugt werden. Seit der Entwicklung des Verfahrens in den 1990er Jahren wurde dieser Oszillatortyp intensiv erforscht und erheblich weiterentwickelt. Kommerzielle fotoelektrisch gekoppelte Oszillatoren sind mittlerweile erhältlich. In jüngster Zeit wurden fotoelektrische Oszillatoren mit einem weit einstellbaren Frequenzbereich entwickelt. Das Hauptproblem von Mikrowellensignalquellen auf Basis dieser Architektur besteht in der langen Schleife, wodurch das Rauschen im freien Fluss (FSR) und die Frequenzverdopplung deutlich ansteigen. Zudem werden mehr fotoelektrische Komponenten benötigt, was die Kosten erhöht, die Volumenreduzierung erschwert und die längere Faser anfälliger für Umwelteinflüsse macht.
Die obigen Ausführungen stellen kurz verschiedene Methoden zur Erzeugung von Mikrowellensignalen mittels Photoelektronen sowie deren Vor- und Nachteile vor. Ein weiterer Vorteil der Mikrowellenerzeugung mittels Photoelektronen besteht darin, dass das optische Signal mit sehr geringen Verlusten über Glasfasern an die einzelnen Endgeräte übertragen und dort in Mikrowellensignale umgewandelt werden kann. Zudem ist die Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen deutlich verbessert.
Dieser Artikel dient hauptsächlich als Referenzmaterial und basiert auf den Forschungserfahrungen und der Erfahrung des Autors auf diesem Gebiet. Daher können Ungenauigkeiten und Unvollständigkeiten auftreten. Wir bitten um Ihr Verständnis.
Veröffentlichungsdatum: 03.01.2024