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 diferentes en muchos órdenes de magnitud, y los componentes y tecnologías desarrollados en sus respectivos campos son muy diferentes. En combinación, podemos aprovecharnos unos de otros, 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. Las primeras comunicaciones inalámbricas telefónicas y telegráficas, la generación, propagación y recepción de señales, utilizaban dispositivos de microondas. Inicialmente se utilizan ondas electromagnéticas de baja frecuencia porque el rango de frecuencia es pequeño y la capacidad del canal para transmisión es pequeña. La solución es aumentar la frecuencia de la señal transmitida, cuanto mayor sea la frecuencia, más recursos de espectro. Pero la señal de alta frecuencia en la pérdida de propagación en el aire es grande, pero también es fácil de bloquear por obstáculos. Si se utiliza el cable, la pérdida del cable es grande y la transmisión a larga distancia es un problema. 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 pueden transmitir muchos canales diferentes simultáneamente. Debido a estas ventajas detransmisión óptica, la comunicación por fibra óptica se ha convertido en la columna vertebral de la transmisión de información actual.
La comunicación óptica tiene una larga historia, la investigación y aplicación son muy extensas y maduras, aquí no quiero 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 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.
En segundo lugar, procesamiento de señales de microondas. Incluyendo retraso, filtrado, conversión de frecuencia, recepción, etc.
En tercer lugar, la transmisión de señales analógicas.
En este artículo, el autor sólo presenta la primera parte, la generación de señales de microondas. La onda milimétrica de microondas tradicional es generada principalmente por componentes microelectrónicos iii_V. Sus limitaciones tienen los siguientes puntos: Primero, para frecuencias altas como 100 GHz arriba, la microelectrónica tradicional puede producir cada vez menos energía, para la señal de THz de frecuencia más alta, 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 principales métodos se describen a continuación.
1. A través de la diferencia de frecuencia de dos señales láser de frecuencia diferente, se utiliza un fotodetector de alta frecuencia para convertir 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 una estructura simple, puede generar ondas milimétricas de frecuencia extremadamente alta e incluso una señal de frecuencia de THz, y al ajustar la frecuencia del láser se puede realizar una amplia gama de conversión de frecuencia rápida y frecuencia de barrido. La desventaja es que el ancho de línea o el ruido de fase de la señal de frecuencia diferente generada por dos señales láser no relacionadas es relativamente grande 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). usado. Si los requisitos de peso y volumen del sistema no son altos, puede 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 el rendimiento de estabilidad de la frecuencia de microondas mejora considerablemente.
2. Para resolver el problema de que los dos láseres del método anterior son incoherentes y el ruido de fase de la 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 la fase de retroalimentación negativa. circuito de bloqueo. La Figura 2 muestra una aplicación típica de bloqueo por inyección para generar múltiplos de microondas (Figura 2). Al inyectar directamente señales de corriente de alta frecuencia en un láser semiconductor, o al usar un modulador de fase LinBO3, se pueden generar múltiples señales ópticas de diferentes frecuencias con igual espaciado de frecuencia, o peines de frecuencia óptica. Por supuesto, el método comúnmente utilizado para obtener un peine de frecuencia óptica de amplio espectro es utilizar un láser de modo bloqueado. Dos señales de peine cualesquiera en el peine de frecuencia óptica generado se seleccionan mediante filtrado y se inyectan en los láseres 1 y 2 respectivamente para realizar el bloqueo de frecuencia y 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 mediante el método de diferencia de frecuencia como se describió anteriormente, la señal de microondas de frecuencia múltiple del Se puede obtener la tasa de repetición del peine de frecuencia óptica.
Figura 2. Diagrama esquemático de la señal de duplicación de frecuencia de microondas generada por el 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 haciendo una diferencia de frecuencia con una fuente de señal de microondas de referencia, que se amplifica. y se filtra y luego se devuelve a la unidad de control de frecuencia de uno de los láseres (para los láseres semiconductores, es la corriente de inyección). A través de dicho 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 luego 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 sincronizado en 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 mediante duplicación de frecuencia, frecuencia divisoria u otro procesamiento de frecuencia, de modo que la señal de microondas de frecuencia más baja pueda duplicarse o convertirse en señales de RF de alta frecuencia, THz.
En comparación con el bloqueo de frecuencia de inyección, solo se puede duplicar la frecuencia, los bucles de bloqueo de fase son más flexibles, pueden producir frecuencias casi arbitrarias y, por supuesto, más complejos. Por ejemplo, el peine de frecuencia óptica generado por el modulador fotoeléctrico en la Figura 2 se usa como fuente de luz, y el bucle óptico de bloqueo de fase se usa para bloquear selectivamente la frecuencia de los dos láseres a las dos señales de peine óptico, y luego generar señales de alta frecuencia a través de la frecuencia diferencial, como se muestra en la Figura 4. f1 y f2 son las frecuencias de señal de referencia de los dos PLLS respectivamente, y se puede generar una señal de microondas de N*frep+f1+f2 mediante la frecuencia diferencial entre los dos láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático de generación de frecuencias arbitrarias utilizando peines de frecuencia óptica y PLLS.
3. Utilice un láser de pulso de modo bloqueado 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 muy bajo ruido de fase. Al bloquear la frecuencia del láser en un espectro de transición atómica y molecular muy estable, o una cavidad óptica extremadamente estable, y el uso del sistema de eliminación de frecuencia autoduplicante, desplazamiento de frecuencia y otras tecnologías, podemos obtener una señal de pulso óptico muy estable con una frecuencia de repetición muy estable, para obtener una señal de microondas con 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 tasa de repetición del pulso es inversamente proporcional a la longitud de la cavidad del láser y el láser tradicional de modo bloqueado 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 medioambientales, limitan sus aplicaciones principalmente en laboratorio. Para superar estas dificultades, recientemente se han iniciado investigaciones en Estados Unidos y Alemania utilizando efectos no lineales para generar peines ópticos de frecuencia estable en cavidades ópticas en modo chirrido 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 fotoeléctrico acoplado.
Uno de los métodos tradicionales para generar microondas o láseres es utilizar un circuito cerrado de autorretroalimentación. 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, menor será la fase de la 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 estrecho, se puede obtener una señal de oscilación de microondas de bajo ruido y una sola frecuencia. El oscilador fotoeléctrico acoplado es una fuente de señal de microondas basada en esta idea, aprovecha al máximo las características de baja pérdida de propagación de la fibra, utilizando una fibra más larga para mejorar el valor Q del bucle, 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 recibido una extensa investigación y un desarrollo considerable, y actualmente existen osciladores fotoeléctricos acoplados comerciales. Más recientemente se han desarrollado osciladores fotoeléctricos cuyas frecuencias pueden ajustarse en un amplio rango. El principal problema de las fuentes de señales de microondas basadas en esta arquitectura es que el bucle es largo y el ruido en su flujo libre (FSR) y su doble frecuencia aumentará significativamente. Además, se utilizan más componentes fotoeléctricos, el costo es alto, 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 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 muy baja pérdida, transmisión de larga distancia a cada terminal de uso y luego convertirse en señales de microondas, y la capacidad de resistir electromagnéticas. La interferencia se mejora significativamente que los componentes electrónicos tradicionales.
La redacción de este artículo es principalmente de referencia y, combinada con la experiencia de investigación del propio autor y la experiencia en este campo, hay imprecisiones e incomprensión, por favor comprenda.
Hora de publicación: 03-ene-2024