Optoelectrónica de microondas, como su nombre indica, es la intersección de microondas yoptoelectrónica. Las microondas y las ondas de luz son ondas electromagnéticas, y las frecuencias son muchos órdenes de magnitud diferentes, y los componentes y tecnologías desarrolladas en sus respectivos campos son muy diferentes. En combinación, podemos aprovechar el uno del otro, pero podemos obtener nuevas aplicaciones y características que son difíciles de realizar respectivamente.
Comunicación ópticaes un excelente ejemplo de la combinación de microondas y fotoelectrones. Comunicaciones inalámbricas de teléfono y telégrafo temprano, la generación, propagación y recepción de señales, todos los dispositivos de microondas usados. Las ondas electromagnéticas de baja frecuencia se utilizan inicialmente porque el rango de frecuencia es pequeño y la capacidad del canal para la transmisión es pequeña. La solución es aumentar la frecuencia de la señal transmitida, cuanto mayor sea la frecuencia, más recursos del espectro. Pero la señal de alta frecuencia en la pérdida de propagación del aire es grande, pero también es fácil de bloquear por obstáculos. Si se usa el cable, la pérdida del cable es grande, y la transmisión de larga distancia es un problema. La aparición de la comunicación de 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 detransmisión ópticaLa comunicación óptica de fibra se ha convertido en la columna vertebral de la transmisión de información actual.
La comunicación óptica tiene una larga historia, investigación y aplicación son muy extensas y maduras, aquí no quiere decir más. Este artículo presenta principalmente el nuevo contenido de investigación de la optoelectrónica de microondas en los últimos años además de la comunicación óptica. La optoelectrónica de microondas utiliza principalmente los métodos y tecnologías en el campo de la optoelectrónica como portador para mejorar y lograr el rendimiento y la aplicación que son difíciles de lograr con los componentes electrónicos de microondas tradicionales. Desde la perspectiva de la aplicación, incluye principalmente los siguientes tres aspectos.
El primero es el uso de optoelectrónica para generar señales de microondas de alto rendimiento y bajo ruido, desde la banda X hasta la banda THZ.
Segundo, procesamiento de señal de microondas. Incluyendo retraso, filtrado, conversión de frecuencia, recepción, etc.
Tercero, la transmisión de señales analógicas.
En este artículo, el autor solo presenta la primera parte, la generación de señal de microondas. La onda milimétrica de microondas tradicional se genera principalmente por componentes microelectrónicos III_V. Sus limitaciones tienen los siguientes puntos: primero, a altas frecuencias como 100GHz arriba, la microelectrónica tradicional puede producir cada vez menos potencia, a la señal THZ de mayor frecuencia, no pueden hacer nada. En segundo lugar, para reducir el ruido de fase y mejorar la estabilidad de la frecuencia, el dispositivo original debe colocarse en un entorno de temperatura extremadamente baja. En tercer lugar, es difícil lograr una amplia gama de conversión de frecuencia de modulación de frecuencia. Para resolver estos problemas, la tecnología optoelectrónica puede desempeñar un papel. Los métodos principales se describen a continuación.
1. A través de la frecuencia de diferencia de dos señales láser de frecuencia diferentes, se usa un fotodetector de alta frecuencia para convertir señales de microondas, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de las microondas generadas por la frecuencia de diferencia de dosláser.
Las ventajas de este método son la estructura simple, pueden generar una onda milimétrica de frecuencia extremadamente alta e incluso una señal de frecuencia THZ, y al ajustar la frecuencia del láser puede llevar a cabo un amplio rango de conversión de frecuencia rápida, la frecuencia de barrido. La desventaja es que el ancho de línea o el ruido de fase de la señal de frecuencia de diferencia generada por dos señales láser no relacionadas es relativamente grande, y la estabilidad de frecuencia no es alta, especialmente si se usa un láser semiconductor con un pequeño volumen pero un gran ancho de línea (~ MHz). Si los requisitos de volumen de peso del sistema no son altos, puede usar láseres de estado sólido de bajo ruido (~ kHz),láser de fibra, cavidad externaláseres de semiconductores, etc. Además, dos modos diferentes de señales láser generadas en la misma cavidad láser también se pueden usar para generar una frecuencia de diferencia, de modo que el rendimiento de estabilidad de la frecuencia de microondas mejore enormemente.
2. Para resolver el problema de que los dos láseres en el método anterior son incoherentes y el ruido de la fase de señal generado es demasiado grande, la coherencia entre los dos láseres se puede obtener mediante el método de bloqueo de fase de bloqueo de frecuencia de inyección o el circuito de bloqueo de fase de retroalimentación negativa. La Figura 2 muestra una aplicación típica de bloqueo de inyección para generar múltiplos de microondas (Figura 2). Al inyectar directamente las señales de corriente de alta frecuencia en un láser de semiconductores, o utilizando un modulador de fase Linbo3, se pueden generar múltiples señales ópticas de diferentes frecuencias con un espacio de igual frecuencia o COMBS de frecuencia óptica. Por supuesto, el método de uso común para obtener un peine de frecuencia óptica de espectro amplio es usar un láser de modo bloqueado. Cualquier dos señales de peine en el peine de frecuencia óptica generada se seleccionan filtrando e inyectado en láser 1 y 2 respectivamente para realizar la frecuencia y el bloqueo de fase respectivamente. 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 por el método de frecuencia de diferencia como se describe anteriormente, se puede obtener la señal de microondas de frecuencia múltiple de la frecuencia de repetición de la frecuencia óptica.
Figura 2. Diagrama esquemático de la señal de duplicación de frecuencia de microondas generada por el bloqueo de la frecuencia de inyección.
Otra forma de reducir el ruido de fase relativa 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 de PLL óptico es similar al de PLL en el campo de la electrónica. La diferencia de fase de los dos láseres se convierte en una señal eléctrica por un fotodetector (equivalente a un detector de fase), y luego la diferencia de fase entre los dos láseres se obtiene al hacer una frecuencia de diferencia con una fuente de señal de microondas de referencia, que se amplifica y se filtra y se vuelve a caer a la unidad de control de frecuencia de uno de los láseres (para los láseres semiconductores, es la corriente de lesiones). A través de un bucle de control de retroalimentación tan negativo, la fase de frecuencia relativa entre las dos señales láser se bloquea a la señal de microondas de referencia. La señal óptica combinada se puede transmitir 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 circuito de retroalimentación negativa de fase bloqueada. El ruido de fase fuera del ancho de banda es igual al ruido de fase relativa de los dos láseres originales no relacionados.
Además, la fuente de señal de microondas de referencia también se puede convertir por otras fuentes de señal a través de la duplicación de frecuencia, la frecuencia del divisor u otro procesamiento de frecuencia, de modo que la señal de microondas de menor frecuencia puede ser multiduflada o convertida en señales RF, THZ de alta frecuencia.
En comparación con el bloqueo de frecuencia de inyección, solo puede obtener duplicación de frecuencia, los bucles de fase bloqueados son más flexibles, pueden producir frecuencias casi arbitrarias y, por supuesto, más complejas. For example, the optical frequency comb generated by the photoelectric modulator in Figure 2 is used as the light source, and the optical phase-locked loop is used to selectively lock the frequency of the two lasers to the two optical comb signals, and then generate high-frequency signals through the difference frequency, as shown in Figure 4. f1 and f2 are the reference signal frequencies of the two PLLS respectively, and a microwave signal of N*Frep+F1+F2 se puede generar mediante la frecuencia de diferencia entre los dos láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático de generar frecuencias arbitrarias utilizando peines y PLL de frecuencia óptica.
3. Use láser de pulso bloqueado en modo para convertir la señal de pulso óptico en señal de microondas a través defotodetector.
La principal ventaja de este método es que se puede obtener una señal con muy buena estabilidad de frecuencia y ruido de fase muy bajo. Al bloquear la frecuencia del láser en un espectro de transición atómico y molecular muy estable, o una cavidad óptica extremadamente estable, y el uso de un cambio de frecuencia del sistema de eliminación de frecuencias autocomplacientes y otras tecnologías, podemos obtener una señal de pulso óptico muy estable con una frecuencia de repetición muy estable, para obtener una señal de fase óptica muy estable. Figura 5.
Figura 5. Comparación del ruido de fase relativa de diferentes fuentes de señal.
Sin embargo, debido a que la velocidad de repetición del pulso es inversamente proporcional a la longitud de la cavidad del láser, y el láser tradicional bloqueado en modo es grande, es difícil obtener señales de microondas de alta frecuencia directamente. Además, el tamaño, el peso y el consumo de energía de los láseres pulsados tradicionales, así como los duros requisitos ambientales, limitan sus aplicaciones principalmente de laboratorio. Para superar estas dificultades, la investigación ha comenzado recientemente en los Estados Unidos y Alemania utilizando efectos no lineales para generar peines ópticos estables en frecuencia en cavidades ópticas de modo chirremo muy pequeño de alta calidad, que a su vez generan señales de microondas de alta frecuencia de baja frecuencia.
4. Oscilador Electrónico Opto, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático del oscilador acoplado fotoeléctrico.
Uno de los métodos tradicionales para generar microondas o láseres es usar un circuito cerrado de autocuración, siempre que la ganancia en el circuito cerrado sea mayor que la pérdida, la oscilación autoexcitada puede producir microondas o láseres. Cuanto mayor sea el factor de calidad Q del circuito cerrado, más pequeño es la fase de señal generada o el ruido de frecuencia. Para aumentar el factor de calidad del bucle, la forma directa es aumentar la longitud del bucle y minimizar la pérdida de propagación. Sin embargo, un bucle más largo generalmente puede soportar la generación de múltiples modos de oscilación, y si se agrega un filtro de ancho de banda estrecha, se puede obtener una señal de oscilación de microondas de bajo ruido de baja frecuencia. El oscilador acoplado fotoeléctrico es una fuente de señal de microondas basada en esta idea, hace un uso completo de las características de baja pérdida de propagación de la fibra, que usa una fibra más larga para mejorar el valor del bucle Q, puede producir una señal de microondas con un ruido de fase muy bajo. Dado que el método se propuso en la década de 1990, este tipo de oscilador ha recibido una amplia investigación y un desarrollo considerable, y actualmente hay osciladores de acoplados fotoeléctricos comerciales. Más recientemente, se han desarrollado osciladores fotoeléctricos cuyas frecuencias se pueden ajustar en un amplio rango. El principal problema de las fuentes de señal de microondas basadas en esta arquitectura es que el bucle es largo y el ruido en su flujo libre (FSR) y su doble frecuencia aumentarán significativamente. Además, los componentes fotoeléctricos utilizados son más, el costo es alto, el volumen es difícil de reducir y la fibra más larga es más sensible a la alteración ambiental.
El anterior presenta brevemente varios métodos de generación de fotoelectrones de señales de microondas, así como sus ventajas y desventajas. Finalmente, el uso de fotoelectrones para producir microondas tiene otra ventaja es que la señal óptica se puede distribuir a través de la fibra óptica con una transmisión de larga distancia de pérdida muy baja a cada terminal de uso y luego convertirse en señales de microondas, y la capacidad de resistir la interferencia electromagnética se mejora significativamente que los componentes electrónicos tradicionales.
La redacción de este artículo es principalmente como referencia, y combinada con la propia experiencia de investigación y experiencia del autor en este campo, hay inexactitudes e incomprensividad, por favor comprenda.
Tiempo de publicación: enero-03-2024