Optoelectrónica de microondas, como sugiere el nombre, es la intersección de las microondas yoptoelectrónicaLas microondas y las ondas de luz son ondas electromagnéticas, con frecuencias que difieren en muchos órdenes de magnitud, y los componentes y tecnologías desarrollados en sus respectivos campos son muy distintos. Al combinarlas, podemos aprovecharlas mutuamente, pero podemos obtener nuevas aplicaciones y características que son difíciles de implementar.
Comunicación ópticaEs un excelente ejemplo de la combinación de microondas y fotoelectrones. Las primeras comunicaciones inalámbricas telefónicas y telegráficas, la generación, propagación y recepción de señales, utilizaban dispositivos de microondas. Inicialmente, se utilizaron ondas electromagnéticas de baja frecuencia debido a su pequeño rango de frecuencia y la capacidad del canal de transmisión. La solución radica en aumentar la frecuencia de la señal transmitida: a mayor frecuencia, mayores recursos espectrales. Sin embargo, la pérdida de propagación de la señal de alta frecuencia en el aire es elevada y, además, fácil de bloquear por obstáculos. Si se utiliza cable, la pérdida es elevada, lo que dificulta la transmisión a larga distancia. La aparición de la comunicación por fibra óptica es una buena solución a estos problemas.Fibra ópticaTiene una pérdida de transmisión muy baja y es un excelente portador para transmitir señales a largas distancias. El rango de frecuencia de las ondas de luz es mucho mayor que el de las microondas y puede transmitir muchos canales diferentes simultáneamente. Debido a estas ventajas,transmisión ópticaLa comunicación por fibra óptica se ha convertido en la columna vertebral de la transmisión de información actual.
La comunicación óptica tiene una larga trayectoria, y la investigación y las aplicaciones son muy extensas y maduras. Este artículo presenta principalmente las nuevas investigaciones en optoelectrónica de microondas de los últimos años, más allá de la comunicación óptica. La optoelectrónica de microondas utiliza principalmente métodos y tecnologías optoelectrónicas como base para mejorar y lograr un rendimiento y una aplicación difíciles de conseguir con los componentes electrónicos de microondas tradicionales. Desde la perspectiva de la aplicación, abarca principalmente los tres aspectos siguientes.
El primero es el uso de la optoelectrónica para generar señales de microondas de alto rendimiento y bajo ruido, desde la banda X hasta la banda THz.
En segundo lugar, el procesamiento de señales de microondas, que incluye retardo, filtrado, conversión de frecuencia, recepción, etc.
En tercer lugar, la transmisión de señales analógicas.
En este artículo, el autor solo presenta la primera parte: la generación de señales de microondas. Las ondas milimétricas de microondas tradicionales se generan principalmente mediante componentes microelectrónicos iii_V. Sus limitaciones son las siguientes: en primer lugar, a frecuencias altas, como 100 GHz o superiores, la microelectrónica tradicional produce cada vez menos potencia; en segundo lugar, para señales de THz de mayor frecuencia, no pueden hacer nada. En segundo lugar, para reducir el ruido de fase y mejorar la estabilidad de frecuencia, el dispositivo original debe instalarse en un entorno de temperatura extremadamente baja. En tercer lugar, es difícil lograr una amplia gama de modulación de frecuencia en la conversión de frecuencia. Para resolver estos problemas, la tecnología optoelectrónica puede ser clave. Los métodos principales se describen a continuación.
1. A través de la diferencia de frecuencia de dos señales láser de diferente frecuencia, se utiliza un fotodetector de alta frecuencia para convertir las señales de microondas, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de microondas generadas por la diferencia de frecuencia de dosláseres.
Las ventajas de este método son su estructura simple, la posibilidad de generar ondas milimétricas de frecuencia extremadamente alta e incluso señales de THz, y el ajuste de la frecuencia del láser permite realizar una amplia gama de conversiones de frecuencia rápidas y barridos de frecuencia. La desventaja radica en que el ancho de línea o ruido de fase de la señal de diferencia de frecuencia generada por dos señales láser independientes es relativamente alto, y la estabilidad de frecuencia no es alta, especialmente si se utiliza un láser semiconductor con un volumen pequeño pero un ancho de línea grande (~MHz). Si los requisitos de volumen del sistema no son altos, se pueden utilizar láseres de estado sólido de bajo ruido (~kHz).láseres de fibra, cavidad externaláseres semiconductores, etc. Además, también se pueden usar dos modos diferentes de señales láser generadas en la misma cavidad láser para generar una frecuencia diferente, de modo que se mejora enormemente el rendimiento de estabilidad de la frecuencia de microondas.
2. Para solucionar el problema de la incoherencia de los dos láseres del método anterior y el excesivo ruido de fase de la señal generado, la coherencia entre ambos láseres se puede obtener mediante el método de bloqueo de fase por inyección o el circuito de bloqueo de fase por retroalimentación negativa. La Figura 2 muestra una aplicación típica del bloqueo por inyección para generar múltiplos de microondas (Figura 2). Inyectando directamente señales de corriente de alta frecuencia en un láser semiconductor o utilizando un modulador de fase LinBO3, se pueden generar múltiples señales ópticas de diferentes frecuencias con el mismo espaciamiento de frecuencia, o peines de frecuencia óptica. El método más común para obtener un peine de frecuencia óptica de amplio espectro es utilizar un láser de modo bloqueado. Se seleccionan dos señales de peine cualesquiera en el peine de frecuencia óptica generado mediante filtrado y se inyectan en los láseres 1 y 2, respectivamente, para lograr el bloqueo de frecuencia y fase. Debido a que la fase entre las diferentes señales de peine del peine de frecuencia óptica es relativamente estable, de modo que la fase relativa entre los dos láseres es estable, y luego mediante el método de diferencia de frecuencia como se describió anteriormente, se puede obtener la señal de microondas de frecuencia múltiple de la tasa de repetición del peine de frecuencia óptica.
Figura 2. Diagrama esquemático de la señal de duplicación de frecuencia de microondas generada por bloqueo de frecuencia de inyección.
Otra forma de reducir el ruido de fase relativo de los dos láseres es utilizar un PLL óptico de retroalimentación negativa, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático de OPL.
El principio del PLL óptico es similar al del PLL en el campo de la electrónica. La diferencia de fase de los dos láseres se convierte en una señal eléctrica mediante un fotodetector (equivalente a un detector de fase), y luego la diferencia de fase entre los dos láseres se obtiene creando una frecuencia de diferencia con una fuente de señal de microondas de referencia, que se amplifica y filtra y luego se retroalimenta a la unidad de control de frecuencia de uno de los láseres (para láseres semiconductores, es la corriente de inyección). A través de este bucle de control de retroalimentación negativa, la fase de frecuencia relativa entre las dos señales láser se bloquea con la señal de microondas de referencia. La señal óptica combinada puede entonces transmitirse a través de fibras ópticas a un fotodetector en otro lugar y convertirse en una señal de microondas. El ruido de fase resultante de la señal de microondas es casi el mismo que el de la señal de referencia dentro del ancho de banda del bucle de retroalimentación negativa de bloqueo de fase. El ruido de fase fuera del ancho de banda es igual al ruido de fase relativo de los dos láseres originales no relacionados.
Además, la fuente de señal de microondas de referencia también puede ser convertida por otras fuentes de señal a través de duplicación de frecuencia, frecuencia de divisor u otro procesamiento de frecuencia, de modo que la señal de microondas de frecuencia más baja puede ser duplicada varias veces o convertida en señales de RF, THz de alta frecuencia.
En comparación con el bloqueo de frecuencia por inyección, que solo permite duplicar la frecuencia, los bucles de enganche de fase son más flexibles, pueden producir frecuencias prácticamente arbitrarias y, por supuesto, son más complejos. Por ejemplo, el peine de frecuencia óptica generado por el modulador fotoeléctrico de la Figura 2 se utiliza como fuente de luz, y el bucle de enganche de fase óptica se utiliza para bloquear selectivamente la frecuencia de los dos láseres con las dos señales del peine óptico, generando así señales de alta frecuencia mediante la diferencia de frecuencia, como se muestra en la Figura 4. f1 y f2 son las frecuencias de referencia de los dos PLLS, respectivamente, y la diferencia de frecuencia entre los dos láseres permite generar una señal de microondas de N*frep+f1+f2.
Figura 4. Diagrama esquemático de generación de frecuencias arbitrarias utilizando peines de frecuencia ópticos y PLLS.
3. Utilice un láser de pulso con modo bloqueado para convertir la señal de pulso óptico en señal de microondas a través defotodetector.
La principal ventaja de este método es que permite obtener una señal con muy buena estabilidad de frecuencia y un ruido de fase muy bajo. Al bloquear la frecuencia del láser con un espectro de transición atómico y molecular muy estable, o con una cavidad óptica extremadamente estable, y mediante el uso de un sistema de eliminación de frecuencia por autoduplicación, desplazamiento de frecuencia y otras tecnologías, se puede obtener una señal de pulso óptico muy estable con una frecuencia de repetición muy estable, lo que resulta en una señal de microondas con un ruido de fase ultrabajo. Figura 5.
Figura 5. Comparación del ruido de fase relativo de diferentes fuentes de señal.
Sin embargo, debido a que la frecuencia de repetición de pulsos es inversamente proporcional a la longitud de la cavidad del láser, y al gran tamaño del láser tradicional de modo bloqueado, resulta difícil obtener señales de microondas de alta frecuencia directamente. Además, el tamaño, el peso y el consumo energético de los láseres pulsados tradicionales, así como las rigurosas exigencias ambientales, limitan sus aplicaciones, principalmente en laboratorio. Para superar estas dificultades, se ha iniciado recientemente una investigación en Estados Unidos y Alemania que utiliza efectos no lineales para generar peines ópticos de frecuencia estable en cavidades ópticas de modo chirp muy pequeñas y de alta calidad, que a su vez generan señales de microondas de alta frecuencia y bajo ruido.
4. Oscilador optoelectrónico, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático del oscilador acoplado fotoeléctricamente.
Uno de los métodos tradicionales para generar microondas o láseres consiste en utilizar un bucle cerrado con autoretroalimentación. Siempre que la ganancia en el bucle cerrado sea mayor que la pérdida, la oscilación autoexcitada puede producir microondas o láseres. Cuanto mayor sea el factor de calidad Q del bucle cerrado, menor será el ruido de fase o frecuencia de la señal generada. Para aumentar el factor de calidad del bucle, la forma más directa es aumentar su longitud y minimizar la pérdida de propagación. Sin embargo, un bucle más largo suele permitir la generación de múltiples modos de oscilación, y si se añade un filtro de ancho de banda estrecho, se puede obtener una señal de oscilación de microondas de baja frecuencia y bajo ruido. El oscilador fotoeléctrico acoplado (FOA) es una fuente de señales de microondas basada en este concepto que aprovecha al máximo las características de baja pérdida de propagación de la fibra. Al utilizar una fibra más larga para mejorar el valor Q del bucle, se puede producir una señal de microondas con un ruido de fase muy bajo. Desde que se propuso el método en la década de 1990, este tipo de oscilador ha sido objeto de una extensa investigación y un desarrollo considerable, y actualmente existen osciladores fotoeléctricos acoplados comerciales. Más recientemente, se han desarrollado osciladores fotoeléctricos cuyas frecuencias se pueden ajustar en un amplio rango. El principal problema de las fuentes de señales de microondas basadas en esta arquitectura es la longitud del bucle, lo que aumenta significativamente el ruido en su flujo libre (FSR) y su doble frecuencia. Además, se utilizan más componentes fotoeléctricos, el coste es elevado, el volumen es difícil de reducir y la fibra más larga es más sensible a las perturbaciones ambientales.
Lo anterior presenta brevemente varios métodos de generación de señales de microondas mediante fotoelectrones, así como sus ventajas y desventajas. Finalmente, el uso de fotoelectrones para producir microondas ofrece otra ventaja: la señal óptica puede distribuirse a través de la fibra óptica con pérdidas muy bajas, transmitirse a larga distancia a cada terminal y luego convertirse en señales de microondas. Además, su capacidad para resistir interferencias electromagnéticas es significativamente mejor que la de los componentes electrónicos tradicionales.
La redacción de este artículo es principalmente de referencia y, combinado con la propia experiencia de investigación del autor y su experiencia en este campo, existen imprecisiones e incomprensiones; por favor, comprenda.
Hora de publicación: 03-ene-2024