Mikrowellenoptoelektronik, wie der Name schon sagt, der Schnittpunkt der Mikrowelle undOptoelektronik. Mikrowellen und Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, und die Frequenzen sind viele Größenordnungen, und die in ihren jeweiligen Feldern entwickelten Komponenten und Technologien sind sehr unterschiedlich. In Kombination können wir uns gegenseitig nutzen, aber wir können neue Anwendungen und Eigenschaften erhalten, die nur schwer zu realisieren sind.
Optische Kommunikationist ein Hauptbeispiel für die Kombination von Mikrowellen und Photoelektronen. Frühe Telefon- und Telegraph -Wireless -Kommunikation, Generation, Ausbreitung und Empfang von Signalen, alle verwendeten Mikrowellengeräte. Elektromagnetische Niederfrequenzwellen werden zunächst verwendet, da der Frequenzbereich gering ist und die Kanalkapazität für die Übertragung gering ist. Die Lösung besteht darin, die Frequenz des übertragenen Signals zu erhöhen, desto höher die Frequenz, desto mehr Spektrumressourcen. Das Hochfrequenzsignal im Luftausbreitungsverlust ist jedoch groß, aber auch leicht durch Hindernisse blockiert zu werden. Wenn das Kabel verwendet wird, ist der Verlust des Kabels groß und eine Fernübertragung ist ein Problem. Die Entstehung der optischen Faserkommunikation ist eine gute Lösung für diese Probleme.Glasfaserhat sehr niedrige Übertragungsverlust und ist ein ausgezeichneter Träger für die Übertragung von Signalen über große Strecken. Der Frequenzbereich von Lichtwellen ist viel größer als der von Mikrowellen und kann viele verschiedene Kanäle gleichzeitig übertragen. Wegen dieser Vorteile vonoptische ÜbertragungDie optische Faserkommunikation ist zum Rückgrat der heutigen Informationsübertragung geworden.
Die optische Kommunikation hat eine lange Geschichte, Forschung und Anwendung sind sehr umfangreich und ausgereift. Hier ist nicht mehr zu sagen. In diesem Artikel wird in den letzten Jahren als optische Kommunikation hauptsächlich den neuen Forschungsinhalt der mikrowellenoptoelektronen in den letzten Jahren vorgestellt. Die Mikrowellenoptoelektronik verwendet hauptsächlich die Methoden und Technologien im Bereich der Optoelektronik als Träger, um die Leistung und Anwendung zu verbessern, die mit herkömmlichen elektronischen Mikrowellenkomponenten schwer zu erreichen sind. Aus der Sicht der Anwendung enthält es hauptsächlich die folgenden drei Aspekte.
Die erste ist die Verwendung von Optoelektronik zur Erzeugung von Mikrowellensignalen mit hoher Leistung, von der THZ-Bande.
Zweitens, Mikrowellensignalverarbeitung. Einschließlich Verzögerung, Filterung, Frequenzumwandlung, Empfangen usw.
Drittens die Übertragung von analogen Signalen.
In diesem Artikel stellt der Autor nur den ersten Teil, die Erzeugung von Mikrowellensignalen, vor. Die herkömmliche Mikrowellen -Millimeterwelle wird hauptsächlich durch mikroelektronische Komponenten III_V erzeugt. Seine Einschränkungen haben die folgenden Punkte: Erstens können herkömmliche Mikroelektronik mit hoher Frequenzen wie 100 GHz immer weniger Leistung erzeugen, und das höhere Frequenz -Signal können nichts tun. Zweitens muss das ursprüngliche Gerät in eine extrem niedrige Temperaturumgebung platziert werden, um das Phasenrauschen zu verringern und die Frequenzstabilität zu verbessern. Drittens ist es schwierig, einen weiten Bereich der Frequenzmodulationsfrequenzumwandlung zu erreichen. Um diese Probleme zu lösen, kann die optoelektronische Technologie eine Rolle spielen. Die Hauptmethoden werden nachstehend beschrieben.
1. Durch die Differenzfrequenz von zwei verschiedenen Frequenzlasersignalen wird ein hochfrequenter Fotodetektor verwendet, um Mikrowellensignale zu konvertieren, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1. schematisches Diagramm von Mikrowellen, die durch die Differenzfrequenz von zwei erzeugt werdenLaser.
Die Vorteile dieser Methode sind eine einfache Struktur, können extrem hohe Frequenz -Millimeterwelle und sogar das THz -Frequenzsignal erzeugen und durch Einstellen der Frequenz des Lasers einen großen Bereich der schnellen Frequenzumwandlung und die Frequenz der Sweep -Frequenz durchführen. Der Nachteil besteht darin, dass das Linienbreiten- oder Phasenrauschen des Differenzfrequenzsignals, das von zwei nicht verwandten Lasersignalen erzeugt wird, relativ groß ist und die Frequenzstabilität nicht hoch ist, insbesondere wenn ein Halbleiterlaser mit einem kleinen Volumen, aber einer großen Linie (~ MHz) verwendet wird. Wenn die Anforderungen des Systemgewichtsvolumens nicht hoch sind, können Sie Festkörperlaser mit niedrigem Rauschen (~ kHz) verwenden.Faserlaser, AußenhöhleHalbleiterlaserusw. Darüber hinaus können zwei verschiedene Modi von Lasersignalen, die in derselben Laserhöhle erzeugt werden, auch zur Erzeugung einer Differenzfrequenz verwendet werden, sodass die Leistung der Mikrowellenfrequenzstabilität erheblich verbessert wird.
2. Um das Problem zu lösen, dass die beiden Laser in der vorherigen Methode inkohärent sind und das erzeugte Signalphasenrauschen zu groß ist, kann die Kohärenz zwischen den beiden Lasern durch die Injektionsfrequenzverriegelungsphasenverriegelungsmethode oder die negative Rückkopplungsphasenverriegelungsschaltung erhalten werden. Abbildung 2 zeigt eine typische Anwendung der Einspritzverriegelung, um Mikrowellen -Multiplikatoren zu erzeugen (Abbildung 2). Durch direktes injiziertes Hochfrequenzstromsignale in einen Halbleiterlaser oder unter Verwendung eines LINBO3-Phasenmodulators können mehrere optische Signale unterschiedlicher Frequenzen mit gleichem Frequenzabstand oder optische Frequenzkämme erzeugt werden. Natürlich besteht die häufig verwendete Methode zum Erhalten eines optischen Frequenzkamms mit breitem Spektrum darin, einen mit Modus gesperrten Laser zu verwenden. Zwei beliebige Kammsignale im erzeugten optischen Frequenzkamm werden durch Filterung ausgewählt und in Laser 1 bzw. 2 injiziert, um die Frequenz- und Phasenverriegelung zu realisieren. Da die Phase zwischen den verschiedenen Kammsignalen des optischen Frequenzkamms relativ stabil ist, so dass die relative Phase zwischen den beiden Lasern stabil ist und dann nach der zuvor beschriebenen Methode der Differenzfrequenz das Multi-Fal-Frequenz-Mikrowellensignal der optischen Frequenz-Comb-Wiederholungsrate erhalten wird.
Abbildung 2. Schematisches Diagramm des durch Injektionsfrequenzverriegelung erzeugten Mikrowellenfrequenz -Verdoppelungssignals.
Eine andere Möglichkeit, das relative Phasenrauschen der beiden Laser zu reduzieren, besteht darin, ein negatives feedback -optischer PLL zu verwenden, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3.. Schematische Diagramm von OPL.
Das Prinzip der optischen PLL ähnelt dem von PLL im Bereich der Elektronik. Der Phasenunterschied der beiden Laser wird durch einen Fotodetektor (entspricht einem Phasendetektor) in ein elektrisches Signal umgewandelt, und dann wird der Phasenunterschied zwischen den beiden Lasern erhalten, indem eine Differenzfrequenz mit einer Referenzmikrowellensignalquelle hergestellt wird, die verstärkt und filtriert wird und dann an die Frequenzkontrolleinheit einer der Laser der Frequenz der Übereinheit der Laser eingeräumt wird. Durch eine solche negative Rückkopplungssteuerschleife ist die relative Frequenzphase zwischen den beiden Lasersignalen auf das Referenzmikrowellensignal gesperrt. Das kombinierte optische Signal kann dann durch optische Fasern an einen Fotodetektor an anderer Stelle übertragen und in ein Mikrowellensignal umgewandelt werden. Das resultierende Phasenrauschen des Mikrowellensignals entspricht fast dem des Referenzsignals innerhalb der Bandbreite der phasenverriegelten negativen Rückkopplungsschleife. Das Phasenrauschen außerhalb der Bandbreite entspricht dem relativen Phasenrauschen der ursprünglichen zwei nicht verwandten Laser.
Darüber hinaus kann die Referenzmikrowellensignalquelle auch durch andere Signalquellen durch Frequenzverdoppelung, Divisorfrequenz oder eine andere Frequenzverarbeitung umgewandelt werden, sodass das Mikrowellensignal mit niedrigerer Frequenz-Mikrowellen mehrfach oder in Hochfrequenz-HF-, THz-Signale umgewandelt werden kann.
Im Vergleich zur Injektionsfrequenzverriegelung können nur die Frequenzverdopplung erhalten. Phasenverriegelungsschleifen sind flexibler, können nahezu willkürliche Frequenzen und natürlich komplexer erzeugen. Beispielsweise wird der vom photoelektrischen Modulator in Abbildung 2 erzeugte optische Frequenzkamm als Lichtquelle verwendet, und die optisch-phasenverriegelte Schleife wird verwendet, um die Frequenz der beiden Laser auf die beiden optischen Optischen Kammsignale zu sperren, und erzeugen dann hohe Frequenzsignale durch die Differenzfrequenz, wie in Abbildung 4. N*FREP+F1+F2 kann durch die Differenzfrequenz zwischen den beiden Lasern erzeugt werden.
Abbildung 4. Schematisches Diagramm der Erzeugung willkürlicher Frequenzen unter Verwendung optischer Frequenzkämme und PLLs.
3. Verwenden Sie den immodus gesperrten Impulslaser, um das optische Impulssignal durch ein Mikrowellensignal durchzuwandelnFotodetektor.
Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass ein Signal mit sehr guter Frequenzstabilität und sehr niedrigem Phasenrauschen erhalten werden kann. Durch die Verriegelung der Frequenz des Lasers an ein sehr stabiles atomares und molekulares Übergangsspektrum oder eine extrem stabile optische Höhle und die Verwendung von Frequenzverschiebung der Selbstdoppelfrequenz-Eliminierung und anderen Technologien können wir ein sehr stabiles optisches Impulssignal mit einem sehr stabilen Repetitionsfrequenz erhalten, um ein Mikrowell-Signal mit einem mikrowelligen Signal zu erhalten. Abbildung 5.
Abbildung 5. Vergleich des relativen Phasenrauschens verschiedener Signalquellen.
Da die Puls-Wiederholungsrate jedoch umgekehrt proportional zur Hohlraumlänge des Lasers ist und der herkömmliche Modus-Laser groß ist, ist es schwierig, Hochfrequenz-Mikrowellensignale direkt zu erhalten. Darüber hinaus begrenzen die Größe, das Gewicht und der Energieverbrauch herkömmlicher gepulster Laser sowie die harten Umweltanforderungen ihre hauptsächlich Laboranwendungen. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, hat die Forschung in den USA und Deutschland kürzlich mit nichtlinearen Effekten begonnen, um frequenzstabile optische Kämme in sehr kleinen, qualitativ hochwertigen Chirp-Modus-optischen Hohlräumen zu erzeugen, die wiederum von mikrowellenarmen Signalen mit hoher Frequenz erzeugen.
4. Opto Electronic Oscillator, Abbildung 6.
Abbildung 6. Schematisches Diagramm des photoelektrischen gekoppelten Oszillators.
Eine der traditionellen Methoden zur Erzeugung von Mikrowellen oder Lasern ist die Verwendung einer selbstverzögerten geschlossenen Schleife, solange der Gewinn in der geschlossenen Schleife größer ist als der Verlust, kann die selbsterregende Oszillation Mikrowellen oder Laser erzeugen. Je höher der Qualitätsfaktor Q der geschlossenen Schleife ist, desto kleiner ist die erzeugte Signalphase oder Frequenzrauschen. Um den Qualitätsfaktor der Schleife zu erhöhen, besteht die direkte Möglichkeit, die Schleifenlänge zu erhöhen und den Verlust der Ausbreitung zu minimieren. Eine längere Schleife kann jedoch in der Regel die Erzeugung mehrerer Schwingungsmodi unterstützen, und wenn ein schmales Bandbreitenfilter zugesetzt wird, kann ein einfrequentes Mikrowellen-Oszillationssignal mit niedrigem Noise erhalten werden. Der photoelektrische gekoppelte Oszillator ist eine auf dieser Idee basierende Mikrowellensignalquelle. Er nutzt die niedrigen Propagationsverlusteigenschaften der Faser mit einer längeren Faser, um den Schleifen -Q -Wert zu verbessern, ein Mikrowellensignal mit sehr niedrigem Phasenrauschen zu erzeugen. Da die Methode in den neunziger Jahren vorgeschlagen wurde, hat diese Art von Oszillator umfangreiche Forschungen und beträchtliche Entwicklung erhalten, und derzeit gibt es kommerzielle fotoelektrische Oszillatoren. In jüngerer Zeit wurden photoelektrische Oszillatoren entwickelt, deren Frequenzen über einen weiten Bereich eingestellt werden können. Das Hauptproblem der auf dieser Architektur basierenden Mikrowellensignalquellen besteht darin, dass die Schleife lang ist und das Rauschen in seinem freien Fluss (FSR) und seine doppelte Frequenz erheblich erhöht werden. Darüber hinaus sind die verwendeten photoelektrischen Komponenten mehr, die Kosten sind hoch, das Volumen ist schwer zu reduzieren, und die längere Faser reagiert empfindlicher für Umweltstörungen.
Die oben genannten Einführungen werden kurz mehrere Methoden zur Bildung von Mikrowellensignalen sowie deren Vor- und Nachteile einführt. Schließlich hat die Verwendung von Photoelektronen zur Erzeugung von Mikrowellen einen weiteren Vorteil, dass das optische Signal durch die optische Faser mit sehr geringem Verlust, Langstreckenübertragung auf jeden Gebrauchsterminal verteilt und dann in Mikrowellensignale umgewandelt werden kann, und die Fähigkeit, elektromagnetische Interferenz zu widerstehen, ist erheblich verbessert als herkömmliche elektronische Komponenten.
Das Schreiben dieses Artikels dient hauptsächlich als Referenz und in Kombination mit der eigenen Forschungserfahrung und Erfahrung des Autors in diesem Bereich gibt es Ungenauigkeiten und Unschuldigkeit, bitte.
Postzeit: Januar-03-2024