وضعیت فعلی و نقاط داغ تولید سیگنال مایکروویو در اپتوالکترونیک مایکروویو

اپتوالکترونیک مایکروویو، همانطور که از نام آن پیداست ، تقاطع مایکروویو ودستگاه نوریبشر مایکروویو و امواج نوری امواج الکترومغناطیسی هستند و فرکانس ها بسیاری از سفارشات با بزرگی متفاوت هستند و مؤلفه ها و فناوری های توسعه یافته در زمینه های مربوطه بسیار متفاوت هستند. در ترکیب ، ما می توانیم از یکدیگر استفاده کنیم ، اما می توانیم برنامه ها و ویژگی های جدیدی را بدست آوریم که به ترتیب دشوار است.

ارتباط نورینمونه بارز ترکیب مایکروویو و فوتوالکترون است. ارتباطات بی سیم تلفنی و تلگراف اولیه ، تولید ، انتشار و دریافت سیگنال ها ، همه دستگاه های مایکروویو استفاده شده است. از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین در ابتدا استفاده می شود زیرا دامنه فرکانس کوچک است و ظرفیت کانال برای انتقال اندک است. راه حل افزایش فرکانس سیگنال منتقل شده ، هرچه فرکانس بیشتر باشد ، منابع طیف بیشتری نیز بیشتر می شود. اما سیگنال فرکانس بالا در از دست دادن انتشار هوا زیاد است ، اما همچنین توسط موانع مسدود می شود. در صورت استفاده از کابل ، از دست دادن کابل بزرگ است و انتقال از مسافت طولانی یک مشکل است. ظهور ارتباطات فیبر نوری راه حل مناسبی برای این مشکلات است.فیبر نوریاز دست دادن انتقال بسیار کمی برخوردار است و یک حامل عالی برای انتقال سیگنال ها در مسافت های طولانی است. دامنه فرکانس امواج نوری بسیار بیشتر از مایکروویو است و می تواند بسیاری از کانال های مختلف را همزمان منتقل کند. به دلیل این مزایایانتقال نوریارتباطات فیبر نوری به ستون فقرات انتقال اطلاعات امروز تبدیل شده است.
ارتباطات نوری دارای سابقه طولانی است ، تحقیق و کاربرد بسیار گسترده و بالغ است ، در اینجا برای گفتن بیشتر نیست. این مقاله عمدتاً محتوای تحقیقاتی جدید اپتوالکترونیک مایکروویو را در سالهای اخیر غیر از ارتباطات نوری ارائه می دهد. اپتوالکترونیک مایکروویو عمدتاً از روشها و فناوری های موجود در زمینه نوری به عنوان حامل برای بهبود و دستیابی به عملکرد و کاربردی که دستیابی به اجزای الکترونیکی سنتی مایکروویو دشوار است ، استفاده می کند. از منظر کاربرد ، عمدتاً شامل سه جنبه زیر است.
اولین مورد استفاده از OptoElectronics برای تولید سیگنال های مایکروویو با کارایی بالا و کم نویز ، از باند X تا باند THZ است.
دوم ، پردازش سیگنال مایکروویو. از جمله تأخیر ، فیلتر ، تبدیل فرکانس ، دریافت و غیره.
سوم ، انتقال سیگنال های آنالوگ.

در این مقاله ، نویسنده فقط بخش اول ، نسل سیگنال مایکروویو را معرفی می کند. موج میلی متر مایکروویو سنتی عمدتاً توسط اجزای میکروالکترونیک III_V تولید می شود. محدودیت های آن نکات زیر را دارد: اول ، به فرکانس های زیاد مانند 100 گیگاهرتز در بالا ، میکروالکترونیک سنتی می تواند قدرت کمتری و کمتری داشته باشد ، به سیگنال THZ با فرکانس بالاتر ، آنها نمی توانند کاری انجام دهند. دوم ، به منظور کاهش نویز فاز و بهبود پایداری فرکانس ، دستگاه اصلی باید در یک محیط دمای بسیار پایین قرار گیرد. سوم ، دستیابی به طیف گسترده ای از تبدیل فرکانس مدولاسیون فرکانس دشوار است. برای حل این مشکلات ، فناوری OptoElectronic می تواند نقشی داشته باشد. روشهای اصلی در زیر شرح داده شده است.

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

شکل 1. نمودار شماتیک مایکروویو تولید شده توسط فرکانس اختلاف دولیزر.

مزایای این روش ساختار ساده است ، می تواند موج فرکانس میلی متر بسیار بالا و حتی سیگنال فرکانس THZ ایجاد کند و با تنظیم فرکانس لیزر می تواند طیف وسیعی از تبدیل فرکانس سریع ، فرکانس جارو را انجام دهد. نقطه ضعف این است که خط پهنای خط یا فاز سیگنال فرکانس اختلاف تولید شده توسط دو سیگنال لیزر نامربوط نسبتاً بزرگ است و از پایداری فرکانس زیاد نیست ، به خصوص اگر از لیزر نیمه هادی با یک حجم کوچک اما از یک خطوط بزرگ (~ MHz) استفاده شود. اگر نیازهای حجم وزن سیستم زیاد نباشد ، می توانید از لیزرهای حالت جامد با سر و صدا کم (khz) استفاده کنید ،لیزر فیبر، حفره خارجیلیزرهای نیمه هادیعلاوه بر این ، دو حالت مختلف سیگنال های لیزر تولید شده در همان حفره لیزر نیز می تواند برای تولید یک فرکانس اختلاف استفاده شود ، به طوری که عملکرد پایداری فرکانس مایکروویو بسیار بهبود یافته است.

2. به منظور حل این مشکل که دو لیزر در روش قبلی ناسازگار هستند و سر و صدای فاز سیگنال تولید شده بسیار زیاد است ، انسجام بین دو لیزر با روش قفل قفل فرکانس تزریق یا مدار قفل فاز بازخورد منفی می توان بدست آورد. شکل 2 یک کاربرد معمولی از قفل تزریق را برای تولید چند برابر مایکروویو نشان می دهد (شکل 2). با تزریق مستقیم سیگنال های جریان فرکانس بالا به لیزر نیمه هادی یا با استفاده از یک تعدیل کننده فاز Linbo3 ، چندین سیگنال نوری از فرکانس های مختلف با فاصله فرکانس برابر می توانند یا شانه های فرکانس نوری ایجاد شوند. البته روش متداول برای به دست آوردن شانه فرکانس نوری طیف گسترده استفاده از لیزر قفل شده است. هر دو سیگنال شانه در شانه فرکانس نوری تولید شده با فیلتر انتخاب شده و به ترتیب به لیزر 1 و 2 تزریق می شوند تا به ترتیب فرکانس و قفل فاز را تحقق بخشند. از آنجا که فاز بین سیگنال های شانه مختلف شانه فرکانس نوری نسبتاً پایدار است ، به طوری که فاز نسبی بین دو لیزر پایدار است ، و سپس با روش فرکانس اختلاف همانطور که قبلاً توضیح داده شد ، می توان سیگنال مایکروویو فرکانس چند برابر از میزان تکرار شانه فرکانس نوری را بدست آورد.

شکل 2. نمودار شماتیک سیگنال دو برابر فرکانس مایکروویو که توسط قفل فرکانس تزریق ایجاد می شود.
راه دیگر برای کاهش نویز فاز نسبی دو لیزر استفاده از بازخورد منفی PLL است ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3. نمودار شماتیک OPL.

اصل PLL نوری شبیه به PLL در زمینه الکترونیک است. اختلاف فاز دو لیزر توسط یک فوتودکتور (معادل یک آشکارساز فاز) به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود ، و سپس اختلاف فاز بین دو لیزر با ایجاد یک فرکانس اختلاف با یک منبع سیگنال مایکروویو مرجع بدست می آید ، که تقویت و فیلتر می شود و سپس به واحد کنترل فرکانس یکی از لیزرها (برای لازرهای نیمه هادی) تغذیه می شود. 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 می تواند از طریق الیاف نوری به یک نوری در جای دیگر منتقل شود و به یک سیگنال مایکروویو تبدیل شود. سر و صدای فاز حاصل از سیگنال مایکروویو تقریباً برابر با سیگنال مرجع در پهنای باند حلقه بازخورد منفی فاز قفل شده است. سر و صدای فاز خارج از پهنای باند برابر با نویز فاز نسبی دو لیزر اصلی نیست.
علاوه بر این ، منبع سیگنال مایکروویو مرجع همچنین می تواند توسط سایر منابع سیگنال از طریق دو برابر شدن فرکانس ، فرکانس تقسیم کننده یا پردازش فرکانس دیگر تبدیل شود ، به طوری که سیگنال مایکروویو فرکانس پایین می تواند چند کنده شود یا به سیگنال های RF با فرکانس بالا تبدیل شود.
در مقایسه با قفل فرکانس تزریق تنها می تواند فرکانس دو برابر شود ، حلقه های قفل شده فاز انعطاف پذیر تر هستند ، می توانند فرکانس های تقریباً دلخواه تولید کنند و البته پیچیده تر. به عنوان مثال ، شانه فرکانس نوری تولید شده توسط تعدیل کننده فوتوالکتریک در شکل 2 به عنوان منبع نور استفاده می شود ، و حلقه قفل شده فاز نوری برای قفل انتخابی فرکانس دو لیزر به دو سیگنال شانه نوری استفاده می شود ، و سپس از طریق فرکانس تفاوت تولید می شود ، همانطور که در شکل 4. F1 و F2 از PLL SIGLAVE REFECHION REFECHION REFECHION REFECHION ANDILLE SIGLAVE SIGLANE SIGLAVE SIGLANES OF PLLS هستند. N*FREP+F1+F2 را می توان با فرکانس اختلاف بین دو لیزر تولید کرد.

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

3. برای تبدیل سیگنال پالس نوری به سیگنال مایکروویو از لیزر پالس قفل شده از حالت استفاده کنیددستگاه نوری.

مزیت اصلی این روش این است که می توان سیگنال با ثبات 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 در حال تغییر و سایر فناوری ها ، می توانیم یک سیگنال پالس نوری بسیار پایدار را با فرکانس تکرار بسیار پایدار بدست آوریم ، تا بتوانیم سیگنال مایکروویو را با سر و صدای فاز لولیانی بدست آوریم. شکل 5

شکل 5. مقایسه نویز فاز نسبی منابع مختلف سیگنال.

با این حال ، از آنجا که میزان تکرار پالس به طور معکوس با طول حفره لیزر متناسب است ، و لیزر سنتی قفل شده با حالت بزرگ است ، به دست آوردن مستقیم سیگنال های مایکروویو با فرکانس بالا دشوار است. علاوه بر این ، اندازه ، وزن و مصرف انرژی لیزرهای پالس سنتی و همچنین نیازهای سخت محیطی ، کاربردهای آزمایشگاهی آنها را محدود می کند. برای غلبه بر این مشکلات ، تحقیقات اخیراً در ایالات متحده و آلمان با استفاده از اثرات غیرخطی برای تولید شانه های نوری با ثبات فرکانس در حفره های نوری حالت بسیار کوچک و با کیفیت بالا آغاز شده است ، که به نوبه خود سیگنال های مایکروویو با فرکانس بالا را تولید می کنند.

4. نوسان ساز الکترونیکی Opto ، شکل 6.

شکل 6. نمودار شماتیک نوسان ساز همراه فوتوالکتریک.

یکی از روشهای سنتی تولید مایکروویو یا لیزر استفاده از یک حلقه بسته خود از خود ، تا زمانی که افزایش در حلقه بسته بیشتر از ضرر باشد ، نوسان خود هیجان زده می تواند مایکروویو یا لیزر تولید کند. هرچه فاکتور کیفیت Q از حلقه بسته بالاتر باشد ، فاز سیگنال تولید شده یا نویز فرکانس کوچکتر است. به منظور افزایش ضریب کیفیت حلقه ، روش مستقیم افزایش طول حلقه و به حداقل رساندن از دست دادن انتشار است. با این حال ، یک حلقه طولانی تر معمولاً می تواند از تولید حالت های مختلف نوسان پشتیبانی کند ، و در صورت اضافه شدن یک فیلتر پهنای باند باریک ، می توان سیگنال نوسان مایکروویو کم فرکانس را به دست آورد. نوسان ساز همراه فوتوالکتریک یک منبع سیگنال مایکروویو است که بر اساس این ایده مبتنی بر این ایده است ، از ویژگی های از دست دادن انتشار کم فیبر استفاده می کند ، با استفاده از فیبر طولانی تر برای بهبود مقدار Q Loop ، می تواند یک سیگنال مایکروویو را با نویز فاز بسیار کم تولید کند. از آنجا که این روش در دهه 1990 ارائه شده است ، این نوع نوسان ساز تحقیقات گسترده و توسعه قابل توجهی را دریافت کرده است ، و در حال حاضر نوسان سازهای همراه با فوتوالکتریک تجاری وجود دارد. اخیراً ، نوسان سازهای فوتوالکتریک که فرکانس آنها را می توان در طیف گسترده ای تنظیم کرد ، توسعه یافته است. مشکل اصلی منابع سیگنال مایکروویو بر اساس این معماری این است که حلقه طولانی است و سر و صدای آن در جریان آزاد (FSR) و فرکانس دوتایی آن به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. علاوه بر این ، اجزای فوتوالکتریک مورد استفاده بیشتر ، هزینه زیاد است ، کاهش حجم آن دشوار است و فیبر طولانی تر نسبت به اختلال در محیط زیست حساس تر است.

موارد فوق به طور خلاصه چندین روش از تولید فوتوالکترون از سیگنال های مایکروویو و همچنین مزایا و معایب آنها را معرفی می کند. سرانجام ، استفاده از فوتوالکترون ها برای تولید مایکروویو مزیت دیگری دارد این است که سیگنال نوری را می توان از طریق فیبر نوری با از بین رفتن بسیار کم ، انتقال مسافت طولانی به هر ترمینال استفاده توزیع کرد و سپس به سیگنال های مایکروویو تبدیل شد و توانایی مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی بهتر از اجزای الکترونیکی سنتی است.
نوشتن این مقاله عمدتاً برای مرجع است و همراه با تجربه و تجربه تحقیق خود نویسنده در این زمینه ، نادرستی و عدم درک وجود دارد ، لطفاً درک کنید.