Mikrowellen-Optoelektronikist, wie der Name schon sagt, der Schnittpunkt von Mikrowelle undOptoelektronik.Mikrowellen und Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen, und die Frequenzen unterscheiden sich um viele Größenordnungen, und die in ihren jeweiligen Bereichen entwickelten Komponenten und Technologien sind sehr unterschiedlich.In Kombination können wir voneinander profitieren, aber auch neue Anwendungen und Eigenschaften erhalten, die jeweils nur schwer zu realisieren sind.
Optische Kommunikationist ein Paradebeispiel für die Kombination von Mikrowellen und Photoelektronen.Frühe drahtlose Telefon- und Telegrafenkommunikation, die Erzeugung, Ausbreitung und der Empfang von Signalen verwendeten Mikrowellengeräte.Zunächst werden niederfrequente elektromagnetische Wellen verwendet, da der Frequenzbereich klein und die Kanalkapazität für die Übertragung gering ist.Die Lösung besteht darin, die Frequenz des übertragenen Signals zu erhöhen. Je höher die Frequenz, desto mehr Spektrumressourcen stehen zur Verfügung.Der Ausbreitungsverlust des Hochfrequenzsignals in der Luft ist jedoch groß, kann aber auch leicht durch Hindernisse blockiert werden.Wenn das Kabel verwendet wird, ist der Kabelverlust groß und die Übertragung über große Entfernungen stellt ein Problem dar.Das Aufkommen der Glasfaserkommunikation ist 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 Übertragung, Glasfaserkommunikation ist zum Rückgrat der heutigen Informationsübertragung geworden.
Die optische Kommunikation hat eine lange Geschichte, Forschung und Anwendung sind sehr umfangreich und ausgereift, mehr soll hier nicht gesagt werden.In diesem Artikel werden hauptsächlich die neuen Forschungsinhalte der Mikrowellen-Optoelektronik der letzten Jahre neben der optischen Kommunikation vorgestellt.Die Mikrowellen-Optoelektronik nutzt hauptsächlich die Methoden und Technologien auf dem Gebiet der Optoelektronik als Träger, um die Leistung und Anwendung zu verbessern und zu erreichen, die mit herkömmlichen elektronischen Mikrowellenkomponenten nur schwer zu erreichen sind.Aus Sicht der Anwendung umfasst es hauptsächlich die folgenden drei Aspekte.
Der erste ist der Einsatz von Optoelektronik zur Erzeugung leistungsstarker, rauscharmer Mikrowellensignale vom X-Band bis zum THz-Band.
Zweitens die Mikrowellensignalverarbeitung.Einschließlich Verzögerung, Filterung, Frequenzumwandlung, Empfang usw.
Drittens die Übertragung analoger Signale.
In diesem Artikel stellt der Autor nur den ersten Teil vor, die Erzeugung von Mikrowellensignalen.Herkömmliche Mikrowellen-Millimeterwellen werden hauptsächlich von mikroelektronischen Komponenten erzeugt.Seine Einschränkungen bestehen in folgenden Punkten: Erstens kann herkömmliche Mikroelektronik bei hohen Frequenzen wie 100 GHz immer weniger Leistung erzeugen, bei THz-Signalen mit höherer Frequenz dagegen nichts.Zweitens muss das Originalgerät in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen aufgestellt werden, um das Phasenrauschen zu reduzieren und die Frequenzstabilität zu verbessern.Drittens ist es schwierig, einen weiten Bereich der Frequenzumwandlung durch Frequenzmodulation zu erreichen.Zur Lösung dieser Probleme kann optoelektronische Technologie eine Rolle spielen.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 von zwei erzeugt werdenLaser.
Die Vorteile dieser Methode sind die einfache Struktur, die Möglichkeit, extrem hochfrequente Millimeterwellen- und sogar THz-Frequenzsignale zu erzeugen, und durch Anpassen der Frequenz des Lasers kann ein großer Bereich schneller Frequenzumwandlung und Wobbelfrequenz durchgeführt werden.Der Nachteil besteht darin, dass die Linienbreite oder das Phasenrauschen des von zwei unabhängigen Lasersignalen erzeugten Differenzfrequenzsignals relativ groß ist und die Frequenzstabilität nicht hoch ist, insbesondere wenn es sich um einen Halbleiterlaser mit kleinem Volumen, aber großer Linienbreite (~ MHz) handelt gebraucht.Wenn die Anforderungen an das Systemgewicht nicht hoch sind, können Sie rauscharme (~kHz) Festkörperlaser verwenden.Faserlaser, äußerer HohlraumHalbleiterlaserusw. Darüber hinaus können zwei verschiedene Modi von Lasersignalen, die in derselben Laserkavität erzeugt werden, auch zur Erzeugung einer Differenzfrequenz verwendet werden, so dass 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 Injektionsfrequenzverriegelungs-Phasenverriegelungsmethode oder die negative Rückkopplungsphase erreicht werden Sperrschaltung.Abbildung 2 zeigt eine typische Anwendung der Injektionsverriegelung zur Erzeugung von Mikrowellenmultiplikatoren (Abbildung 2).Durch die direkte Einspeisung hochfrequenter Stromsignale in einen Halbleiterlaser oder durch die Verwendung eines LinBO3-Phasenmodulators können mehrere optische Signale unterschiedlicher Frequenz mit gleichem Frequenzabstand erzeugt werden, sogenannte optische Frequenzkämme.Die häufig verwendete Methode zur Erzielung 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 in Laser 1 bzw. 2 eingespeist, um eine Frequenz- bzw. 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, kann dann durch die Methode der Differenzfrequenz, wie zuvor beschrieben, das Mikrowellensignal mit mehreren Frequenzen erzeugt werden Die Wiederholungsrate des optischen Frequenzkamms kann ermittelt werden.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des Mikrowellenfrequenzverdopplungssignals, das durch Injektionsfrequenzverriegelung erzeugt wird.
Eine weitere Möglichkeit, das relative Phasenrauschen der beiden Laser zu reduzieren, ist die 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 im Bereich der Elektronik.Die Phasendifferenz der beiden Laser wird von einem Fotodetektor (entspricht einem Phasendetektor) in ein elektrisches Signal umgewandelt. Anschließend wird die Phasendifferenz zwischen den beiden Lasern ermittelt, indem mit einer Referenz-Mikrowellensignalquelle eine Differenzfrequenz erzeugt und diese verstärkt wird und gefiltert und dann zur Frequenzsteuereinheit eines der Laser zurückgeführt (bei Halbleiterlasern ist es der Injektionsstrom).Durch einen solchen Regelkreis mit negativer Rückkopplung wird die relative Frequenzphase zwischen den beiden Lasersignalen an das Referenz-Mikrowellensignal gekoppelt.Das kombinierte optische Signal kann dann über optische Fasern an einen anderen Fotodetektor übertragen und in ein Mikrowellensignal umgewandelt werden.Das resultierende Phasenrauschen des Mikrowellensignals ist innerhalb der Bandbreite der phasenstarren Gegenkopplungsschleife nahezu das gleiche wie das des Referenzsignals.Das Phasenrauschen außerhalb der Bandbreite ist gleich dem relativen Phasenrauschen der ursprünglichen beiden unabhängigen Laser.
Darüber hinaus kann die Referenz-Mikrowellensignalquelle auch durch andere Signalquellen durch Frequenzverdopplung, Teilerfrequenz oder andere Frequenzverarbeitung umgewandelt werden, sodass das niederfrequente Mikrowellensignal mehrfach verdoppelt oder in hochfrequente HF- und THz-Signale umgewandelt werden kann.
Im Vergleich zur Injektionsfrequenzverriegelung kann nur eine Frequenzverdoppelung erreicht werden. Phasenregelkreise sind 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 die optische Phasenregelschleife wird verwendet, um die Frequenz der beiden Laser selektiv an die beiden optischen Kammsignale anzupassen und diese dann zu erzeugen Hochfrequenzsignale durch die Differenzfrequenz, wie in Abbildung 4 dargestellt. f1 und f2 sind die Referenzsignalfrequenzen der beiden PLLS bzw. und ein Mikrowellensignal von N*frep+f1+f2 kann durch die Differenzfrequenz zwischen den erzeugt werden zwei Laser.
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.Indem wir die Frequenz des Lasers an ein sehr stabiles atomares und molekulares Übergangsspektrum oder einen äußerst stabilen optischen Hohlraum koppeln und das selbstverdoppelnde Frequenzeliminierungssystem, die Frequenzverschiebung und andere Technologien verwenden, können wir ein sehr stabiles optisches Impulssignal erhalten eine sehr stabile Folgefrequenz, um ein Mikrowellensignal mit extrem geringem Phasenrauschen zu erhalten.Abbildung 5.
Abbildung 5. Vergleich des relativen Phasenrauschens verschiedener Signalquellen.
Da jedoch die Pulswiederholungsrate umgekehrt proportional zur Hohlraumlänge des Lasers ist und der herkömmliche modengekoppelte Laser groß ist, ist es schwierig, hochfrequente Mikrowellensignale direkt zu erhalten.Darüber hinaus schränken die Größe, das Gewicht und der Energieverbrauch herkömmlicher gepulster Laser sowie die rauen Umgebungsbedingungen ihre hauptsächlichen Laboranwendungen ein.Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde kürzlich in den Vereinigten Staaten und in Deutschland mit der Forschung begonnen, die nichtlineare Effekte nutzt, um frequenzstabile optische Kämme in sehr kleinen optischen Chirp-Modus-Resonatoren hoher Qualität 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 ist, desto geringer ist das erzeugte Signalphasen- oder Frequenzrauschen.Um den Qualitätsfaktor der Schleife zu erhöhen, besteht der direkte Weg darin, die Schleifenlänge zu erhöhen und den Ausbreitungsverlust zu minimieren.Eine längere Schleife kann jedoch normalerweise die Erzeugung mehrerer Schwingungsmodi unterstützen, und wenn ein Filter mit schmaler Bandbreite hinzugefügt wird, kann ein rauscharmes Mikrowellenschwingungssignal mit einer einzigen Frequenz erhalten werden.Der photoelektrisch gekoppelte Oszillator ist eine Mikrowellensignalquelle, die auf dieser Idee basiert. Er nutzt die Eigenschaften der Faser mit geringem Ausbreitungsverlust voll aus. Durch die Verwendung einer längeren Faser zur Verbesserung des Schleifen-Q-Werts kann ein Mikrowellensignal mit sehr geringem Phasenrauschen erzeugt werden.Seit die Methode in den 1990er Jahren vorgeschlagen wurde, wurde dieser Oszillatortyp umfassend erforscht und erheblich weiterentwickelt, und derzeit gibt es kommerzielle photoelektrisch gekoppelte Oszillatoren.In jüngerer Zeit wurden photoelektrische Oszillatoren entwickelt, deren Frequenzen in einem weiten Bereich eingestellt werden können.Das Hauptproblem von Mikrowellensignalquellen, die auf dieser Architektur basieren, besteht darin, dass die Schleife lang ist und das Rauschen in ihrem freien Fluss (FSR) und ihrer doppelten Frequenz erheblich zunimmt.Darüber hinaus werden mehr fotoelektrische Komponenten verwendet, die Kosten sind hoch, das Volumen lässt sich nur schwer reduzieren und die längere Faser ist empfindlicher gegenüber Umgebungsstörungen.
Das Obige stellt kurz verschiedene Methoden zur Photoelektronenerzeugung von Mikrowellensignalen sowie deren Vor- und Nachteile vor.Schließlich hat die Verwendung von Photoelektronen zur Erzeugung von Mikrowellen einen weiteren Vorteil: Das optische Signal kann mit sehr geringem Verlust über die Glasfaser verteilt werden, kann über große Entfernungen zu jedem Benutzerterminal übertragen und dann in Mikrowellensignale umgewandelt werden und ist elektromagnetisch beständig Interferenz ist deutlich verbessert als herkömmliche elektronische Komponenten.
Das Schreiben dieses Artikels dient hauptsächlich als Referenz. In Kombination mit der eigenen Forschungserfahrung und Erfahrung des Autors auf diesem Gebiet gibt es Ungenauigkeiten und Unverständlichkeiten. Bitte haben Sie Verständnis.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 03.01.2024