الکترونیک نوری مایکروویوهمانطور که از نامش پیداست، نقطه تلاقی مایکروویو والکترونیک نوریامواج مایکروویو و نور، امواج الکترومغناطیسی هستند و فرکانس‌های آنها چندین برابر متفاوت است و اجزا و فناوری‌های توسعه‌یافته در زمینه‌های مربوط به آنها بسیار متفاوت است. در ترکیب با یکدیگر، می‌توانیم از مزایای یکدیگر بهره‌مند شویم، اما می‌توانیم کاربردها و ویژگی‌های جدیدی به دست آوریم که به ترتیب تحقق آنها دشوار است.
ارتباطات نوریمثال بارزی از ترکیب مایکروویو و فوتوالکترون است. ارتباطات بی‌سیم اولیه تلفن و تلگراف، تولید، انتشار و دریافت سیگنال‌ها، همگی از دستگاه‌های مایکروویو استفاده می‌کردند. امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین در ابتدا به این دلیل استفاده می‌شدند که محدوده فرکانس کوچک و ظرفیت کانال برای انتقال کم است. راه حل، افزایش فرکانس سیگنال ارسالی است، هرچه فرکانس بالاتر باشد، منابع طیفی بیشتری وجود دارد. اما سیگنال فرکانس بالا در هوا تلفات انتشار زیادی دارد، اما به راحتی توسط موانع مسدود می‌شود. در صورت استفاده از کابل، تلفات کابل زیاد است و انتقال در مسافت‌های طولانی مشکل‌ساز است. ظهور ارتباطات فیبر نوری راه حل خوبی برای این مشکلات است.فیبر نوریتلفات انتقال بسیار کمی دارد و حامل بسیار خوبی برای انتقال سیگنال‌ها در فواصل طولانی است. محدوده فرکانس امواج نور بسیار بیشتر از مایکروویو است و می‌تواند کانال‌های مختلف زیادی را به طور همزمان منتقل کند. به دلیل این مزایایانتقال نوری، ارتباط فیبر نوری به ستون فقرات انتقال اطلاعات امروزی تبدیل شده است.
ارتباطات نوری سابقه طولانی دارد، تحقیقات و کاربرد آن بسیار گسترده و بالغ است، در اینجا نیازی به توضیح بیشتر نیست. این مقاله عمدتاً به معرفی محتوای تحقیقاتی جدید الکترونیک نوری مایکروویو در سال‌های اخیر غیر از ارتباطات نوری می‌پردازد. الکترونیک نوری مایکروویو عمدتاً از روش‌ها و فناوری‌های موجود در زمینه الکترونیک نوری به عنوان حامل برای بهبود و دستیابی به عملکرد و کاربردی که دستیابی به آن با قطعات الکترونیکی مایکروویو سنتی دشوار است، استفاده می‌کند. از منظر کاربرد، عمدتاً شامل سه جنبه زیر است.
اولین مورد، استفاده از اپتوالکترونیک برای تولید سیگنال‌های مایکروویو با کارایی بالا و نویز کم، از باند X تا باند THz است.
دوم، پردازش سیگنال مایکروویو. شامل تأخیر، فیلتر، تبدیل فرکانس، دریافت و غیره.
سوم، انتقال سیگنال‌های آنالوگ.
در این مقاله، نویسنده فقط بخش اول، یعنی تولید سیگنال مایکروویو را معرفی می‌کند. موج میلی‌متری مایکروویو سنتی عمدتاً توسط اجزای میکروالکترونیک iii_V تولید می‌شود. محدودیت‌های آن عبارتند از: اول، برای فرکانس‌های بالا مانند 100 گیگاهرتز به بالا، میکروالکترونیک‌های سنتی می‌توانند توان کمتری تولید کنند، برای سیگنال THz با فرکانس بالاتر، آنها نمی‌توانند کاری انجام دهند. دوم، برای کاهش نویز فاز و بهبود پایداری فرکانس، دستگاه اصلی باید در محیطی با دمای بسیار پایین قرار گیرد. سوم، دستیابی به طیف گسترده‌ای از مدولاسیون فرکانس و تبدیل فرکانس دشوار است. برای حل این مشکلات، فناوری اپتوالکترونیک می‌تواند نقش داشته باشد. روش‌های اصلی در زیر شرح داده شده است.
۱. از طریق اختلاف فرکانس دو سیگنال لیزر با فرکانس متفاوت، یک آشکارساز نوری با فرکانس بالا برای تبدیل سیگنال‌های مایکروویو استفاده می‌شود، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل 1. نمودار شماتیک مایکروویوهای تولید شده توسط اختلاف فرکانس دولیزرها.
مزایای این روش ساختار ساده آن است، می‌تواند موج میلی‌متری با فرکانس بسیار بالا و حتی سیگنال فرکانس تراهرتز تولید کند و با تنظیم فرکانس لیزر می‌تواند طیف وسیعی از تبدیل فرکانس سریع و فرکانس جاروبی را انجام دهد. عیب آن این است که پهنای خط یا نویز فاز سیگنال فرکانس تفاضلی تولید شده توسط دو سیگنال لیزر غیرمرتبط نسبتاً بزرگ است و پایداری فرکانس بالا نیست، به خصوص اگر از یک لیزر نیمه‌هادی با حجم کوچک اما پهنای خط بزرگ (~MHz) استفاده شود. اگر الزامات حجم وزن سیستم زیاد نباشد، می‌توانید از لیزرهای حالت جامد با نویز کم (~kHz) استفاده کنید.لیزرهای فیبری، حفره خارجیلیزرهای نیمه‌هادیو غیره. علاوه بر این، دو حالت مختلف سیگنال‌های لیزر تولید شده در یک کاواک لیزر نیز می‌توانند برای تولید فرکانس متفاوت استفاده شوند، به طوری که عملکرد پایداری فرکانس مایکروویو تا حد زیادی بهبود می‌یابد.
۲. برای حل این مشکل که دو لیزر در روش قبلی ناهمدوس هستند و نویز فاز سیگنال تولید شده بسیار بزرگ است، می‌توان همدوسی بین دو لیزر را با روش قفل فاز قفل فرکانس تزریقی یا مدار قفل فاز بازخورد منفی به دست آورد. شکل ۲ یک کاربرد معمول قفل تزریقی را برای تولید مضرب‌های مایکروویو نشان می‌دهد (شکل ۲). با تزریق مستقیم سیگنال‌های جریان فرکانس بالا به یک لیزر نیمه‌هادی یا با استفاده از یک مدولاتور فاز LinBO3، می‌توان چندین سیگنال نوری با فرکانس‌های مختلف با فاصله فرکانسی مساوی یا شانه‌های فرکانس نوری تولید کرد. البته، روش رایج برای به دست آوردن شانه فرکانس نوری طیف گسترده، استفاده از لیزر قفل مدی است. هر دو سیگنال شانه در شانه فرکانس نوری تولید شده با فیلتر کردن انتخاب شده و به ترتیب به لیزر ۱ و ۲ تزریق می‌شوند تا به ترتیب قفل فرکانسی و فازی ایجاد شوند. از آنجا که فاز بین سیگنال‌های شانه‌ای مختلف شانه فرکانس نوری نسبتاً پایدار است، بنابراین فاز نسبی بین دو لیزر پایدار است و سپس با روش فرکانس تفاضلی همانطور که قبلاً توضیح داده شد، می‌توان سیگنال مایکروویو فرکانس چند برابر نرخ تکرار شانه فرکانس نوری را بدست آورد.
شکل ۲. نمودار شماتیک سیگنال دو برابر شدن فرکانس مایکروویو تولید شده توسط قفل فرکانس تزریق.
راه دیگر برای کاهش نویز فاز نسبی دو لیزر، استفاده از یک PLL نوری با بازخورد منفی است، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل ۳. نمودار شماتیک OPL.
اصل PLL نوری مشابه PLL در حوزه الکترونیک است. اختلاف فاز دو لیزر توسط یک آشکارساز نوری (معادل آشکارساز فاز) به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود و سپس اختلاف فاز بین دو لیزر با ایجاد یک فرکانس اختلاف با یک منبع سیگنال مایکروویو مرجع به دست می‌آید که تقویت و فیلتر شده و سپس به واحد کنترل فرکانس یکی از لیزرها (برای لیزرهای نیمه‌هادی، جریان تزریقی) بازگردانده می‌شود. از طریق چنین حلقه کنترل بازخورد منفی، فاز فرکانس نسبی بین دو سیگنال لیزر به سیگنال مایکروویو مرجع قفل می‌شود. سیگنال نوری ترکیب شده سپس می‌تواند از طریق فیبرهای نوری به یک آشکارساز نوری در جای دیگر منتقل شود و به یک سیگنال مایکروویو تبدیل شود. نویز فاز حاصل از سیگنال مایکروویو تقریباً مشابه سیگنال مرجع در پهنای باند حلقه بازخورد منفی قفل فاز است. نویز فاز خارج از پهنای باند برابر با نویز فاز نسبی دو لیزر اصلی غیرمرتبط است.
علاوه بر این، منبع سیگنال مایکروویو مرجع همچنین می‌تواند توسط منابع سیگنال دیگر از طریق دو برابر کردن فرکانس، فرکانس مقسوم علیه یا سایر پردازش‌های فرکانسی تبدیل شود، به طوری که سیگنال مایکروویو فرکانس پایین‌تر می‌تواند چند برابر شود یا به سیگنال‌های RF و THz با فرکانس بالا تبدیل شود.
در مقایسه با قفل فرکانس تزریقی که فقط می‌تواند دو برابر کردن فرکانس را به دست آورد، حلقه‌های قفل فاز انعطاف‌پذیرتر هستند، می‌توانند فرکانس‌های تقریباً دلخواهی تولید کنند و البته پیچیده‌تر هستند. به عنوان مثال، شانه فرکانس نوری تولید شده توسط مدولاتور فوتوالکتریک در شکل 2 به عنوان منبع نور استفاده می‌شود و حلقه قفل فاز نوری برای قفل انتخابی فرکانس دو لیزر به دو سیگنال شانه نوری استفاده می‌شود و سپس سیگنال‌های فرکانس بالا را از طریق فرکانس اختلاف تولید می‌کند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. f1 و f2 به ترتیب فرکانس‌های سیگنال مرجع دو PLLS هستند و یک سیگنال مایکروویو N*frep+f1+f2 می‌تواند توسط فرکانس اختلاف بین دو لیزر تولید شود.
شکل ۴. نمودار شماتیک تولید فرکانس‌های دلخواه با استفاده از شانه‌های فرکانس نوری و PLLS.
۳. از لیزر پالسی قفل‌شده با حالت برای تبدیل سیگنال پالس نوری به سیگنال مایکروویو از طریقآشکارساز نوری.
مزیت اصلی این روش این است که می‌توان سیگنالی با پایداری فرکانسی بسیار خوب و نویز فاز بسیار پایین به دست آورد. با قفل کردن فرکانس لیزر به یک طیف گذار اتمی و مولکولی بسیار پایدار، یا یک کاواک نوری بسیار پایدار، و استفاده از سیستم حذف فرکانس خود-دو برابر شونده و سایر فناوری‌ها، می‌توانیم یک سیگنال پالس نوری بسیار پایدار با فرکانس تکرار بسیار پایدار به دست آوریم، به طوری که یک سیگنال مایکروویو با نویز فاز بسیار پایین به دست آوریم. شکل 5.
شکل ۵. مقایسه نویز فاز نسبی منابع سیگنال مختلف.
با این حال، از آنجا که نرخ تکرار پالس با طول حفره لیزر نسبت معکوس دارد و لیزر قفل‌شده مد سنتی بزرگ است، به دست آوردن سیگنال‌های مایکروویو فرکانس بالا به طور مستقیم دشوار است. علاوه بر این، اندازه، وزن و مصرف انرژی لیزرهای پالسی سنتی، و همچنین الزامات سخت محیطی، کاربردهای عمدتاً آزمایشگاهی آنها را محدود می‌کند. برای غلبه بر این مشکلات، اخیراً تحقیقاتی در ایالات متحده و آلمان با استفاده از اثرات غیرخطی برای تولید شانه‌های نوری پایدار با فرکانس در حفره‌های نوری حالت چیرپ بسیار کوچک و با کیفیت بالا آغاز شده است که به نوبه خود سیگنال‌های مایکروویو با فرکانس بالا و نویز کم تولید می‌کنند.
۴. نوسان‌ساز اپتوالکترونیکی، شکل ۶.
شکل ۶. نمودار شماتیک نوسانگر کوپل شده فوتوالکتریک.
یکی از روش‌های سنتی تولید مایکروویو یا لیزر، استفاده از یک حلقه بسته خودبازخورد است، تا زمانی که بهره در حلقه بسته بیشتر از تلفات باشد، نوسان خودبرانگیخته می‌تواند مایکروویو یا لیزر تولید کند. هرچه ضریب کیفیت Q حلقه بسته بالاتر باشد، نویز فاز یا فرکانس سیگنال تولید شده کمتر است. به منظور افزایش ضریب کیفیت حلقه، راه مستقیم افزایش طول حلقه و به حداقل رساندن تلفات انتشار است. با این حال، یک حلقه طولانی‌تر معمولاً می‌تواند از تولید چندین حالت نوسان پشتیبانی کند و اگر یک فیلتر پهنای باند باریک اضافه شود، می‌توان یک سیگنال نوسان مایکروویو تک فرکانس با نویز کم به دست آورد. نوسان‌ساز کوپل فوتوالکتریک یک منبع سیگنال مایکروویو است که بر اساس این ایده ساخته شده است و از ویژگی‌های تلفات انتشار کم فیبر به طور کامل استفاده می‌کند و با استفاده از یک فیبر طولانی‌تر برای بهبود مقدار Q حلقه، می‌تواند یک سیگنال مایکروویو با نویز فاز بسیار کم تولید کند. از زمان پیشنهاد این روش در دهه 1990، این نوع نوسان‌ساز تحقیقات گسترده‌ای را پشت سر گذاشته و توسعه قابل توجهی داشته است و در حال حاضر نوسان‌سازهای کوپل شده فوتوالکتریک تجاری وجود دارند. اخیراً، نوسان‌سازهای فوتوالکتریک که فرکانس‌های آنها را می‌توان در طیف وسیعی تنظیم کرد، توسعه یافته‌اند. مشکل اصلی منابع سیگنال مایکروویو مبتنی بر این معماری این است که حلقه طولانی است و نویز در جریان آزاد (FSR) و فرکانس دوگانه آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، اجزای فوتوالکتریک مورد استفاده بیشتر، هزینه بالا، کاهش حجم دشوار و فیبر بلندتر نسبت به اختلالات محیطی حساس‌تر است.
موارد فوق به طور خلاصه چندین روش تولید سیگنال‌های مایکروویو با فوتوالکترون و همچنین مزایا و معایب آنها را معرفی می‌کند. در نهایت، استفاده از فوتوالکترون‌ها برای تولید مایکروویو مزیت دیگری نیز دارد و آن این است که سیگنال نوری را می‌توان از طریق فیبر نوری با تلفات بسیار کم، انتقال از راه دور به هر ترمینال مورد استفاده توزیع کرد و سپس به سیگنال‌های مایکروویو تبدیل کرد و توانایی مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی را به طور قابل توجهی نسبت به قطعات الکترونیکی سنتی بهبود بخشید.
نگارش این مقاله عمدتاً برای ارجاع است و در کنار تجربه تحقیقاتی و تجربیات نویسنده در این زمینه، دارای نادرستی‌ها و نامفهومی‌هایی است، لطفاً توجه داشته باشید.
زمان ارسال: ژانویه-03-2024