Optoelectrónica de microondas, como su nombre indica, es la intersección de las microondas yoptoelectrónicaLas microondas y las ondas de luz son ondas electromagnéticas con frecuencias muy diferentes, y los componentes y tecnologías desarrollados en sus respectivos campos son muy distintos. Al combinarlas, podemos aprovechar las ventajas de cada una, pero también podemos obtener nuevas aplicaciones y características que son difíciles de lograr por separado.
Comunicación ópticaEs un ejemplo paradigmático de la combinación de microondas y fotoelectrones. Las primeras comunicaciones inalámbricas telefónicas y telegráficas, tanto para la generación como para la propagación y recepción de señales, utilizaban dispositivos de microondas. Inicialmente se empleaban ondas electromagnéticas de baja frecuencia debido a su reducido rango de frecuencias y a la limitada capacidad del canal para la transmisión. La solución consistía en aumentar la frecuencia de la señal transmitida; a mayor frecuencia, mayor disponibilidad de espectro. Sin embargo, la propagación de señales de alta frecuencia en el aire presentaba grandes pérdidas y era susceptible a la interferencia de obstáculos. Si se utilizaba cable, las pérdidas eran considerables, lo que dificultaba la transmisión a larga distancia. El surgimiento de la comunicación por fibra óptica representó una solución eficaz 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 por fibra óptica se ha convertido en la columna vertebral de la transmisión de información actual.
La comunicación óptica tiene una larga trayectoria, y su investigación y aplicación son muy extensas y maduras; no es necesario profundizar más en este tema. 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 los métodos y tecnologías de la optoelectrónica como plataforma para mejorar y lograr un rendimiento y aplicaciones difíciles de alcanzar con los componentes electrónicos de microondas tradicionales. Desde la perspectiva de la aplicación, abarca principalmente los siguientes tres aspectos.
La primera es el uso de la optoelectrónica para generar señales de microondas de alto rendimiento y bajo ruido, desde la banda X hasta la banda de THz.
Segundo, el procesamiento de señales de microondas. 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: primero, a altas frecuencias, como por encima de 100 GHz, la microelectrónica tradicional genera cada vez menos potencia; a frecuencias de THz superiores, su rendimiento es nulo. Segundo, para reducir el ruido de fase y mejorar la estabilidad de la frecuencia, el dispositivo debe operar en un entorno de temperatura extremadamente baja. Tercero, resulta difícil lograr una conversión de frecuencia con modulación de frecuencia en un amplio rango. La tecnología optoelectrónica puede ser una solución a estos problemas. 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 las microondas generadas por la diferencia de frecuencia de dosláseres.
Las ventajas de este método son su estructura simple, la capacidad de generar ondas milimétricas de frecuencia extremadamente alta e incluso señales de frecuencia de THz, y la posibilidad de realizar una conversión de frecuencia rápida y un barrido de frecuencia en un amplio rango mediante el ajuste de la frecuencia del láser. La desventaja radica en que el ancho de línea o el ruido de fase de la señal de diferencia de frecuencia 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 de pequeño tamaño pero con un ancho de línea grande (~MHz). Si las restricciones de tamaño y peso del sistema no son elevadas, se pueden utilizar láseres de estado sólido de bajo ruido (~kHz).láseres de fibracavidad externaláseres semiconductores, etc. Además, también se pueden utilizar dos modos diferentes de señales láser generadas en la misma cavidad láser para generar una frecuencia diferencial, de modo que se mejora enormemente el rendimiento de la estabilidad de la frecuencia de microondas.
2. Para solucionar el problema de la incoherencia entre los dos láseres del método anterior y el elevado ruido de fase generado, se puede obtener coherencia entre ellos mediante el bloqueo de fase por inyección de frecuencia o el circuito de bloqueo de fase con realimentación negativa. La figura 2 muestra una aplicación típica del bloqueo por inyección para generar múltiples señales de microondas. Al inyectar directamente señales de corriente de alta frecuencia en un láser semiconductor, o al utilizar un modulador de fase LinBO3, se pueden generar múltiples señales ópticas de diferentes frecuencias con espaciado uniforme, es decir, 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 cualesquiera del peine de frecuencia óptica generado mediante filtrado y se inyectan en los láseres 1 y 2 respectivamente para lograr el bloqueo de frecuencia y de fase. Debido a que la fase entre las diferentes señales del peine de frecuencias ópticas es relativamente estable, la fase relativa entre los dos láseres también lo es, y luego, mediante el método de diferencia de frecuencia descrito anteriormente, se puede obtener la señal de microondas de frecuencia múltiple de la tasa de repetición del peine de frecuencias ópticas.
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 electrónica. La diferencia de fase entre los dos láseres se convierte en una señal eléctrica mediante un fotodetector (equivalente a un detector de fase). Posteriormente, se obtiene la diferencia de fase entre los dos láseres generando una frecuencia diferencial con una fuente de microondas de referencia, la cual se amplifica, se filtra y se retroalimenta a la unidad de control de frecuencia de uno de los láseres (en el caso de láseres semiconductores, se trata de la corriente de inyección). Mediante este bucle de control de realimentación negativa, la fase de frecuencia relativa entre las señales de los dos láseres se sincroniza con la señal de microondas de referencia. La señal óptica resultante se transmite a través de fibras ópticas a un fotodetector externo, donde se convierte en una señal de microondas. El ruido de fase de la señal de microondas resultante es prácticamente idéntico al de la señal de referencia dentro del ancho de banda del bucle de realimentación negativa de fase bloqueada. Fuera de este ancho de banda, el ruido de fase es igual al ruido de fase relativo de los dos láseres originales.
Además, la fuente de señal de microondas de referencia también se puede convertir mediante otras fuentes de señal a través de la duplicación de frecuencia, la división de frecuencia u otro procesamiento de frecuencia, de modo que la señal de microondas de baja frecuencia se pueda multiplicar o convertir en señales de RF o 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 (PLL) son más flexibles, pueden generar frecuencias prácticamente arbitrarias y, por supuesto, son más complejos. Por ejemplo, el peine de frecuencias ópticas generado por el modulador fotoeléctrico de la Figura 2 se utiliza como fuente de luz, y el PLL óptico se emplea para bloquear selectivamente la frecuencia de los dos láseres a las 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 señal de referencia de los dos PLL, respectivamente, y se puede generar una señal de microondas de N*frep+f1+f2 mediante la diferencia de frecuencia entre los dos láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático de la generación de frecuencias arbitrarias utilizando peines de frecuencia óptica y PLLS.
3. Utilice un láser de pulsos con bloqueo de modo para convertir la señal de pulso óptico en una señal de microondas mediantefotodetector.
La principal ventaja de este método radica en la obtención de una señal con excelente estabilidad de frecuencia y ruido de fase muy bajo. Al fijar la frecuencia del láser a un espectro de transición atómica y molecular muy estable, o a una cavidad óptica extremadamente estable, y mediante el uso de un sistema de eliminación de frecuencia por autoduplicación y otras tecnologías, se obtiene una señal de pulso óptico muy estable con una frecuencia de repetición muy estable, lo que permite 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 de pulsos es inversamente proporcional a la longitud de la cavidad del láser, y a que el láser de modo bloqueado tradicional es de gran tamaño, resulta difícil obtener directamente señales de microondas de alta frecuencia. Además, el tamaño, el peso y el consumo energético de los láseres pulsados tradicionales, así como las exigentes condiciones ambientales, limitan sus aplicaciones principalmente al laboratorio. Para superar estas dificultades, recientemente se ha iniciado 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, las cuales, a su vez, generan señales de microondas de alta frecuencia y bajo ruido.
4. oscilador optoelectrónico, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático de un oscilador acoplado fotoeléctricamente.
Uno de los métodos tradicionales para generar microondas o láseres consiste en utilizar un bucle cerrado de realimentación automática. Siempre que la ganancia en el bucle sea mayor que las pérdidas, la oscilación autoexcitada puede producir microondas o láseres. Cuanto mayor sea el factor de calidad Q del bucle, menor será el ruido de fase o frecuencia de la señal generada. Para aumentar el factor de calidad del bucle, la forma directa es incrementar su longitud y minimizar las pérdidas de propagación. Sin embargo, un bucle más largo suele permitir la generación de múltiples modos de oscilación, y si se añade un filtro de banda estrecha, se puede obtener una señal de oscilación de microondas de baja frecuencia y bajo ruido. El oscilador fotoeléctrico acoplado (POCO) es una fuente de señal de microondas basada en esta idea. Aprovecha al máximo las características de baja pérdida de propagación de la fibra óptica; al utilizar 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 este 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 con frecuencias ajustables en un amplio rango. El principal problema de las fuentes de señal de microondas basadas en esta arquitectura radica en la longitud del bucle, lo que incrementa significativamente el ruido en su región de flujo libre (FSR) y en su frecuencia doble. Además, se requiere un mayor número de componentes fotoeléctricos, lo que eleva el coste, dificulta la reducción de volumen y aumenta la sensibilidad de la fibra a las perturbaciones ambientales.
Lo anterior introduce 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 presenta otra ventaja: la señal óptica puede distribuirse a través de fibra óptica con muy baja pérdida, transmitirse a larga distancia hasta cada terminal de uso y luego convertirse en señales de microondas. Además, su capacidad para resistir interferencias electromagnéticas mejora significativamente en comparación con los componentes electrónicos tradicionales.
La redacción de este artículo tiene principalmente fines informativos y, al combinarse con la experiencia investigadora y la experiencia del autor en este campo, contiene imprecisiones e información incompleta; rogamos su comprensión.
Fecha de publicación: 3 de enero de 2024