Optoelectrónica de microondas, como su nombre lo indica, es la intersección de microondas yoptoelectrónicaLas microondas y las ondas de luz son ondas electromagnéticas, y sus frecuencias difieren en muchos órdenes de magnitud. Además, los componentes y las tecnologías desarrolladas en sus respectivos campos son muy diferentes. Al combinarlas, podemos aprovechar las propiedades de cada una, obteniendo así nuevas aplicaciones y características que serían difíciles de lograr por separado.
Comunicación ópticaEs un ejemplo clave 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 empleaban ondas electromagnéticas de baja frecuencia debido a su reducido rango de frecuencias y la limitada capacidad del canal de transmisión. La solución consistía en aumentar la frecuencia de la señal transmitida: a mayor frecuencia, mayor es el espectro disponible. Sin embargo, la señal de alta frecuencia sufre grandes pérdidas por propagación aérea y es susceptible a la obstrucción. Si se utiliza cable, las pérdidas son elevadas, lo que dificulta la transmisión a larga distancia. La aparición de la comunicación por fibra óptica representa 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 historia, y su investigación y aplicación son muy extensas y maduras; no es necesario extendernos más. Este artículo presenta principalmente los nuevos contenidos de investigación de la optoelectrónica de microondas de los últimos años, más allá de la comunicación óptica. La optoelectrónica de microondas utiliza principalmente los métodos y tecnologías del campo de la optoelectrónica como base para mejorar y lograr un rendimiento y una aplicación difíciles de alcanzar con los componentes electrónicos de microondas tradicionales. Desde la perspectiva de la aplicación, incluye principalmente los siguientes tres aspectos.
La primera consiste en el uso de la optoelectrónica para generar señales de microondas de alto rendimiento y bajo ruido, desde la banda X hasta la banda de terahercios.
En segundo lugar, el procesamiento de señales de microondas. Esto 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 frecuencias altas, como 100 GHz o superiores, la microelectrónica tradicional produce cada vez menos potencia, y a frecuencias más altas, como la de terahercios (THz), no puede generar ninguna señal. Segundo, para reducir el ruido de fase y mejorar la estabilidad de la frecuencia, el dispositivo original debe ubicarse en un entorno de temperatura extremadamente baja. Tercero, es difícil lograr una conversión de frecuencia de modulación de amplio rango. Para solucionar estos problemas, la tecnología optoelectrónica puede desempeñar un papel importante. Los principales métodos se describen a continuación.
1. Mediante 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 su estructura simple, la capacidad de generar señales de frecuencia milimétrica extremadamente alta e incluso de frecuencia THz, y la posibilidad de realizar una conversión de frecuencia rápida y un barrido de frecuencia ajustando la frecuencia del láser. La desventaja es que el ancho de línea o el ruido de fase de la señal de frecuencia diferencial 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 volumen pero con un gran ancho de línea (~MHz). Si los requisitos de volumen y peso del sistema no son elevados, 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 diferente, de modo que el rendimiento de estabilidad de la frecuencia de microondas mejora enormemente.
2. Para resolver el problema de la incoherencia de los dos láseres en el método anterior y el gran ruido de fase generado, se puede obtener coherencia entre ellos mediante el método de bloqueo de fase por inyección de frecuencia 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). 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, o peines de frecuencia óptica. Por supuesto, el método comúnmente utilizado para obtener un peine de frecuencia óptica de amplio espectro es usar un láser de bloqueo de modos. Dos señales cualesquiera del peine de frecuencia óptica generado se seleccionan mediante filtrado y se inyectan en los láseres 1 y 2 respectivamente para lograr el bloqueo de frecuencia y de fase, respectivamente. Debido a que la fase entre las diferentes señales del peine de frecuencias ópticas es relativamente estable, de modo que la fase relativa entre los dos láseres es estable, y luego mediante el método de frecuencia diferencial como se describió 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 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 de funcionamiento de un PLL óptico es similar al de un PLL en electrónica. La diferencia de fase entre 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 ambos láseres mediante la generación de una frecuencia diferencial con una señal de microondas de referencia, la cual se amplifica y filtra, y se realimenta a la unidad de control de frecuencia de uno de los láseres (en el caso de los láseres semiconductores, se utiliza la corriente de inyección). Mediante este bucle de realimentación negativa, la fase relativa entre las dos señales láser se sincroniza con la señal de microondas de referencia. La señal óptica resultante se transmite a través de fibras ópticas a un fotodetector y se convierte en una señal de microondas. El ruido de fase resultante de la señal de microondas es prácticamente idéntico al de la señal de referencia dentro del ancho de banda del bucle de realimentación negativa con bloqueo de fase. El ruido de fase fuera de este 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, divisor de frecuencia u otro procesamiento de frecuencia, de modo que la señal de microondas de baja frecuencia pueda ser multiduplicada o convertida en señales de RF y THz de alta frecuencia.
En comparación con el bloqueo de frecuencia por inyección, que solo permite duplicar la frecuencia, los bucles de bloqueo de fase son más flexibles, pueden generar frecuencias casi 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 bucle de bloqueo de fase óptico se utiliza para bloquear selectivamente la frecuencia de los dos láseres a las dos señales del peine óptico, y luego generar señales de alta frecuencia a través de la diferencia de frecuencia, 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 a partir de la diferencia de frecuencia entre los dos láseres.
Figura 4. Diagrama esquemático de generación de frecuencias arbitrarias mediante peines de frecuencia óptica y PLLS.
3. Utilice un láser de pulsos de modo bloqueado para convertir la señal de pulso óptico en una señal de microondas mediantefotodetector.
La principal ventaja de este método es que permite obtener una señal con excelente estabilidad de frecuencia y muy bajo ruido de fase. Al sincronizar la frecuencia del láser con un espectro de transición atómica y molecular muy estable, o con una cavidad óptica extremadamente estable, y mediante el uso de sistemas de eliminación de frecuencia de auto-duplicación y otras tecnologías, se puede obtener 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 frecuencia de repetición de pulsos es inversamente proporcional a la longitud de la cavidad del láser, y a que el láser de bloqueo de modos tradicional es grande, resulta 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 exigentes requisitos ambientales, limitan sus aplicaciones principalmente a laboratorios. 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 fotoeléctrico.
Uno de los métodos tradicionales para generar microondas o láseres consiste en utilizar un bucle cerrado con realimentación automática. Siempre que la ganancia del bucle 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 de frecuencia de la señal generada. Para aumentar el factor de calidad del bucle, la forma directa es incrementar 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 banda estrecha, se puede obtener una señal de oscilación de microondas de frecuencia única y bajo ruido. El oscilador acoplado fotoeléctrico (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, utilizando una fibra más larga para mejorar el valor Q del bucle, lo que permite 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 considerable desarrollo, y actualmente existen osciladores fotoeléctricos acoplados comercialmente. 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, lo que incrementa significativamente el ruido en su flujo libre (FSR) y su frecuencia doble. Además, se utilizan más componentes fotoeléctricos, el costo 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 transmitirse a través de fibra óptica con muy bajas pérdidas, permitiendo la transmisión a larga distancia hasta cada terminal de uso y su posterior conversión en señales de microondas. Además, su capacidad para resistir interferencias electromagnéticas mejora significativamente en comparación con los componentes electrónicos tradicionales.
Este artículo se redacta principalmente a título informativo y, teniendo en cuenta la experiencia e investigación del autor en este campo, puede contener imprecisiones e incompletitud. Le rogamos su comprensión.
Fecha de publicación: 3 de enero de 2024