وضعیت فعلی و نقاط داغ تولید سیگنال مایکروویو در اپتوالکترونیک مایکروویو

اپتوالکترونیک مایکروویوهمانطور که از نامش پیداست محل تلاقی مایکروویو واپتوالکترونیک. امواج مایکروویو و امواج نوری امواج الکترومغناطیسی هستند و فرکانس‌ها مرتبه‌های بزرگی متفاوت هستند و اجزا و فناوری‌های توسعه‌یافته در زمینه‌های مربوطه بسیار متفاوت هستند. در ترکیب، می‌توانیم از یکدیگر بهره ببریم، اما می‌توانیم برنامه‌ها و ویژگی‌های جدیدی را به دست آوریم که به ترتیب درک آنها دشوار است.

ارتباط نورینمونه بارز ترکیب امواج مایکروویو و فوتوالکترون است. ارتباطات بی سیم اولیه تلفن و تلگراف، تولید، انتشار و دریافت سیگنال ها، همه دستگاه های مایکروویو مورد استفاده قرار می گرفتند. امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین در ابتدا استفاده می شود زیرا محدوده فرکانس کوچک و ظرفیت کانال برای انتقال کم است. راه حل این است که فرکانس سیگنال ارسالی را افزایش دهیم، هر چه فرکانس بالاتر باشد، منابع طیف بیشتر است. اما سیگنال فرکانس بالا در از دست دادن انتشار هوا بزرگ است، اما به راحتی توسط موانع مسدود می شود. در صورت استفاده از کابل، تلفات کابل زیاد است و انتقال از راه دور مشکل ساز است. ظهور ارتباطات فیبر نوری راه حل خوبی برای این مشکلات است.فیبر نوریتلفات انتقال بسیار کمی دارد و یک حامل عالی برای انتقال سیگنال در فواصل طولانی است. محدوده فرکانس امواج نور بسیار بیشتر از امواج مایکروویو است و می تواند کانال های مختلفی را به طور همزمان ارسال کند. به دلیل این مزیت هایانتقال نوری، ارتباطات فیبر نوری به ستون فقرات انتقال اطلاعات امروزی تبدیل شده است.
ارتباطات نوری سابقه ای طولانی دارد، تحقیقات و کاربرد بسیار گسترده و بالغ هستند، در اینجا چیز بیشتری نمی گویم. این مقاله عمدتاً محتوای تحقیقاتی جدید اپتوالکترونیک مایکروویو را در سال‌های اخیر به غیر از ارتباطات نوری معرفی می‌کند. اپتوالکترونیک مایکروویو عمدتاً از روش‌ها و فن‌آوری‌هایی در زمینه اپتوالکترونیک به عنوان حامل برای بهبود و دستیابی به عملکرد و کاربردهایی استفاده می‌کند که دستیابی به آن با قطعات الکترونیکی سنتی مایکروویو دشوار است. از منظر کاربرد، عمدتاً شامل سه جنبه زیر است.
اولین مورد استفاده از اپتوالکترونیک برای تولید سیگنال های مایکروویو با کارایی بالا و کم نویز، از باند X تا باند THz است.
دوم، پردازش سیگنال مایکروویو. از جمله تاخیر، فیلتر، تبدیل فرکانس، دریافت و غیره.
سوم، انتقال سیگنال های آنالوگ.

نویسنده در این مقاله تنها به معرفی بخش اول یعنی تولید سیگنال مایکروویو می پردازد. موج میلی متری مایکروویو سنتی عمدتاً توسط اجزای میکروالکترونیک iii_V تولید می شود. محدودیت‌های آن نکات زیر را دارد: اولاً، برای فرکانس‌های بالا مانند 100 گیگاهرتز بالا، میکروالکترونیک‌های سنتی می‌توانند انرژی کمتر و کمتری تولید کنند، به سیگنال THz فرکانس بالاتر، هیچ کاری نمی‌توانند انجام دهند. دوم، به منظور کاهش نویز فاز و بهبود پایداری فرکانس، دستگاه اصلی باید در محیطی با دمای بسیار پایین قرار گیرد. سوم، دستیابی به طیف وسیعی از تبدیل فرکانس مدولاسیون فرکانس دشوار است. برای حل این مشکلات، فناوری اپتوالکترونیک می تواند نقش داشته باشد. روش های اصلی در زیر توضیح داده شده است.

1. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، از طریق فرکانس اختلاف دو سیگنال لیزری فرکانس متفاوت، یک آشکارساز نوری فرکانس بالا برای تبدیل سیگنال های مایکروویو استفاده می شود.

شکل 1. نمودار شماتیک امواج مایکروویو تولید شده توسط فرکانس اختلاف دولیزرها.

مزایای این روش ساختار ساده است، می تواند موج میلی متری با فرکانس بسیار بالا و حتی سیگنال فرکانس THz تولید کند و با تنظیم فرکانس لیزر می تواند طیف وسیعی از تبدیل فرکانس سریع، فرکانس رفت و برگشت را انجام دهد. نقطه ضعف آن این است که پهنای خط یا نویز فاز سیگنال فرکانس اختلاف تولید شده توسط دو سیگنال لیزری نامرتبط نسبتا زیاد است و پایداری فرکانس بالا نیست، به خصوص اگر لیزر نیمه هادی با حجم کم اما پهنای خط زیاد (~MHz) باشد. استفاده می شود. اگر الزامات حجم وزن سیستم زیاد نیست، می توانید از لیزرهای حالت جامد کم نویز (~kHz) استفاده کنید.لیزرهای فیبر، حفره خارجیلیزرهای نیمه هادیو غیره. علاوه بر این، دو حالت مختلف سیگنال لیزری تولید شده در یک حفره لیزری نیز می‌توانند برای تولید فرکانس متفاوت استفاده شوند، به طوری که عملکرد پایداری فرکانس مایکروویو تا حد زیادی بهبود می‌یابد.

2. برای حل این مشکل که دو لیزر در روش قبلی ناهماهنگ هستند و نویز فاز سیگنال تولید شده بیش از حد زیاد است، انسجام بین دو لیزر را می توان با روش قفل کردن فاز قفل فرکانس تزریق یا فاز بازخورد منفی به دست آورد. مدار قفل شکل 2 یک کاربرد معمولی از قفل تزریق برای تولید چندگانه مایکروویو را نشان می دهد (شکل 2). با تزریق مستقیم سیگنال های جریان فرکانس بالا به یک لیزر نیمه هادی، یا با استفاده از یک مدولاتور فاز LinBO3، می توان چندین سیگنال نوری با فرکانس های مختلف با فاصله فرکانس برابر یا شانه های فرکانس نوری تولید کرد. البته، روش متداول برای به دست آوردن یک شانه فرکانس نوری با طیف وسیع، استفاده از لیزر قفل حالت است. هر دو سیگنال شانه در شانه فرکانس نوری تولید شده با فیلتر کردن انتخاب می شوند و به ترتیب به لیزر 1 و 2 تزریق می شوند تا به ترتیب فرکانس و قفل فاز را درک کنند. از آنجایی که فاز بین سیگنال‌های شانه‌ای مختلف شانه فرکانس نوری نسبتاً پایدار است، به طوری که فاز نسبی بین دو لیزر پایدار است و سپس با روش تفاوت فرکانس همانطور که قبلاً توضیح داده شد، سیگنال مایکروویو فرکانس چند برابری نرخ تکرار شانه فرکانس نوری را می توان به دست آورد.

شکل 2. 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 PLL نوری بازخورد منفی است، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3. نمودار شماتیک OPL.

اصل PLL نوری مشابه PLL در زمینه الکترونیک است. اختلاف فاز دو لیزر توسط یک آشکارساز نوری (معادل آشکارساز فاز) به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود و سپس با ایجاد اختلاف فرکانس با منبع سیگنال مایکروویو مرجع که تقویت می شود، اختلاف فاز بین دو لیزر به دست می آید. و فیلتر می شود و سپس به واحد کنترل فرکانس یکی از لیزرها باز می گردد (برای لیزرهای نیمه هادی، جریان تزریق است). از طریق چنین حلقه کنترل بازخورد منفی، فاز فرکانس نسبی بین دو سیگنال لیزر به سیگنال مایکروویو مرجع قفل می شود. سپس سیگنال نوری ترکیبی را می توان از طریق فیبرهای نوری به یک آشکارساز نوری در جای دیگر منتقل کرد و به سیگنال مایکروویو تبدیل کرد. نویز فاز حاصل از سیگنال مایکروویو تقریباً مشابه سیگنال مرجع در پهنای باند حلقه بازخورد منفی قفل شده فاز است. نویز فاز خارج از پهنای باند برابر است با نویز فاز نسبی دو لیزر نامرتبط اصلی.
علاوه بر این، منبع سیگنال مایکروویو مرجع نیز می‌تواند توسط منابع سیگنال دیگر از طریق دو برابر کردن فرکانس، فرکانس مقسوم‌کننده یا سایر پردازش‌های فرکانس تبدیل شود، به طوری که سیگنال مایکروویو فرکانس پایین‌تر را می‌توان چند برابر کرد یا به سیگنال‌های فرکانس بالا RF، THz تبدیل کرد.
در مقایسه با قفل فرکانس تزریق فقط می‌تواند دو برابر فرکانس را به دست آورد، حلقه‌های قفل‌شده فاز انعطاف‌پذیرتر هستند، می‌توانند فرکانس‌های تقریبا دلخواه تولید کنند و البته پیچیده‌تر. به عنوان مثال، شانه فرکانس نوری تولید شده توسط مدولاتور فوتوالکتریک در شکل 2 به عنوان منبع نور استفاده می شود، و حلقه فاز قفل شده نوری برای قفل انتخابی فرکانس دو لیزر به دو سیگنال شانه نوری، و سپس تولید استفاده می شود. سیگنال‌های فرکانس بالا از طریق فرکانس اختلاف، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. f1 و f2 فرکانس‌های سیگنال مرجع دو PLLS هستند. به ترتیب، و یک سیگنال مایکروویو N*frep+f1+f2 می‌تواند توسط فرکانس اختلاف بین دو لیزر تولید شود.

شکل 4. نمودار شماتیک تولید فرکانس های دلخواه با استفاده از شانه های فرکانس نوری و PLLS.

3. از لیزر پالس قفل شده برای تبدیل سیگنال پالس نوری به سیگنال مایکروویو استفاده کنید.ردیاب نوری.

مزیت اصلی این روش این است که می توان سیگنالی با پایداری فرکانس بسیار خوب و نویز فاز بسیار کم به دست آورد. با قفل کردن فرکانس لیزر به یک طیف انتقال اتمی و مولکولی بسیار پایدار یا یک حفره نوری بسیار پایدار و استفاده از تغییر فرکانس سیستم حذف فرکانس خود دو برابر شده و سایر فناوری‌ها، می‌توانیم سیگنال پالس نوری بسیار پایداری را به دست آوریم. یک فرکانس تکرار بسیار پایدار، به طوری که سیگنال مایکروویو با نویز فاز بسیار کم به دست آید. شکل 5.

شکل 5. مقایسه نویز فاز نسبی منابع سیگنال مختلف.

با این حال، از آنجایی که نرخ تکرار پالس با طول حفره لیزر نسبت معکوس دارد و لیزر قفل شده با حالت سنتی بزرگ است، به‌دست آوردن مستقیم سیگنال‌های مایکروویو با فرکانس بالا دشوار است. علاوه بر این، اندازه، وزن و مصرف انرژی لیزرهای پالسی سنتی و همچنین الزامات سخت محیطی، کاربردهای عمدتاً آزمایشگاهی آنها را محدود می کند. برای غلبه بر این مشکلات، اخیراً تحقیقاتی در ایالات متحده و آلمان با استفاده از اثرات غیرخطی برای تولید شانه های نوری پایدار در فرکانس در حفره های نوری بسیار کوچک و با کیفیت بالا آغاز شده است که به نوبه خود سیگنال های مایکروویو کم نویز با فرکانس بالا تولید می کنند.

4. نوسانگر الکترونیکی opto، شکل 6.

شکل 6. نمودار شماتیک اسیلاتور جفت شده فوتوالکتریک.

یکی از روش‌های سنتی تولید امواج مایکروویو یا لیزر، استفاده از حلقه بسته خودبازخوردی است، تا زمانی که بهره در حلقه بسته بیشتر از تلفات باشد، نوسان خود تحریک‌شده می‌تواند امواج مایکروویو یا لیزر تولید کند. هر چه ضریب کیفیت Q حلقه بسته بیشتر باشد، فاز سیگنال یا نویز فرکانس 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 حالت‌های مختلف نوسان پشتیبانی کند، و اگر یک فیلتر با پهنای باند باریک اضافه شود، سیگنال نوسانی مایکروویو با نویز کم تک فرکانس به دست می‌آید. نوسان ساز همراه فوتوالکتریک یک منبع سیگنال مایکروویو بر اساس این ایده است، از ویژگی های کم انتشار فیبر استفاده کامل می کند، با استفاده از فیبر طولانی تر برای بهبود مقدار Q حلقه، می تواند سیگنال مایکروویو با نویز فاز بسیار کم تولید کند. از آنجایی که این روش در دهه 1990 پیشنهاد شد، این نوع نوسانگر تحقیقات گسترده و توسعه قابل توجهی دریافت کرده است و در حال حاضر نوسانگرهای جفت شده فوتوالکتریک تجاری وجود دارد. اخیراً، نوسانگرهای فوتوالکتریک که فرکانس آنها را می توان در محدوده وسیعی تنظیم کرد، توسعه یافته است. مشکل اصلی منابع سیگنال مایکروویو بر اساس این معماری طولانی بودن حلقه است و نویز در جریان آزاد آن (FSR) و فرکانس مضاعف آن به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. علاوه بر این، اجزای فوتوالکتریک مورد استفاده بیشتر است، هزینه آن بالا است، کاهش حجم دشوار است و فیبر طولانی تر به اختلالات محیطی حساس تر است.

در بالا به طور خلاصه چندین روش تولید فوتوالکترون سیگنال های مایکروویو و همچنین مزایا و معایب آنها معرفی می شود. در نهایت، استفاده از فوتوالکترون ها برای تولید مایکروویو مزیت دیگری نیز دارد این است که سیگنال نوری را می توان از طریق فیبر نوری با تلفات بسیار کم، انتقال از راه دور به هر ترمینال استفاده و سپس تبدیل به سیگنال های مایکروویو و توانایی مقاومت در برابر الکترومغناطیسی از طریق فیبر نوری توزیع کرد. تداخل به طور قابل توجهی نسبت به قطعات الکترونیکی سنتی بهبود یافته است.
نگارش این مقاله عمدتاً جهت ارجاع بوده و همراه با تجربه پژوهشی و تجربیات خود نویسنده در این زمینه، نادرستی و عدم جامعیت وجود دارد، لطفاً متوجه شوید.