Optoelektronika me mikrovalë, siç sugjeron edhe emri, është kryqëzimi i mikrovalës dheoptoelektronikëMikrovalët dhe valët e dritës janë valë elektromagnetike, dhe frekuencat janë shumë të ndryshme në madhësi, dhe komponentët dhe teknologjitë e zhvilluara në fushat e tyre përkatëse janë shumë të ndryshme. Në kombinim, ne mund të përfitojmë nga njëri-tjetri, por mund të marrim zbatime dhe karakteristika të reja që janë të vështira për t'u realizuar përkatësisht.
Komunikim optikështë një shembull kryesor i kombinimit të mikrovalëve dhe fotoelektroneve. Komunikimet e hershme pa tel telefonike dhe telegrafike, gjenerimi, përhapja dhe pritja e sinjaleve, të gjitha përdorën pajisje mikrovalore. Valët elektromagnetike me frekuencë të ulët u përdorën fillimisht sepse diapazoni i frekuencave është i vogël dhe kapaciteti i kanalit për transmetim është i vogël. Zgjidhja është rritja e frekuencës së sinjalit të transmetuar, sa më e lartë të jetë frekuenca, aq më shumë burime spektri. Por sinjali me frekuencë të lartë në ajër, humbja e përhapjes është e madhe, por gjithashtu e lehtë për t'u bllokuar nga pengesat. Nëse përdoret kabllo, humbja e kabllit është e madhe, dhe transmetimi në distanca të gjata është një problem. Shfaqja e komunikimit me fibra optike është një zgjidhje e mirë për këto probleme.Fibër optikeka humbje shumë të ulëta transmetimi dhe është një bartës i shkëlqyer për transmetimin e sinjaleve në distanca të gjata. Diapazoni i frekuencave të valëve të dritës është shumë më i madh se ai i mikrovalëve dhe mund të transmetojë shumë kanale të ndryshme njëkohësisht. Për shkak të këtyre avantazheve tëtransmetim optik, komunikimi me fibra optike është bërë shtylla kurrizore e transmetimit të informacionit të sotëm.
Komunikimi optik ka një histori të gjatë, kërkimi dhe aplikimi janë shumë të gjera dhe të pjekura, këtu nuk ka për të thënë më shumë. Ky punim prezanton kryesisht përmbajtjen e re kërkimore të optoelektronikës me mikrovalë në vitet e fundit, përveç komunikimit optik. Optoelektronika me mikrovalë përdor kryesisht metodat dhe teknologjitë në fushën e optoelektronikës si bartës për të përmirësuar dhe arritur performancën dhe aplikimin që është e vështirë të arrihet me komponentët tradicionalë elektronikë me mikrovalë. Nga perspektiva e aplikimit, ai përfshin kryesisht tre aspektet e mëposhtme.
E para është përdorimi i optoelektronikës për të gjeneruar sinjale mikrovalë me performancë të lartë dhe zhurmë të ulët, nga brezi X deri në brezin THz.
Së dyti, përpunimi i sinjalit mikrovalë. Duke përfshirë vonesën, filtrimin, konvertimin e frekuencës, marrjen e kështu me radhë.
Së treti, transmetimi i sinjaleve analoge.
Në këtë artikull, autori prezanton vetëm pjesën e parë, gjenerimin e sinjalit mikrovalë. Vala tradicionale milimetrike e mikrovalës gjenerohet kryesisht nga komponentët mikroelektronikë iii_V. Kufizimet e saj kanë pikat e mëposhtme: Së pari, në frekuenca të larta si 100GHz e lartpërmendura, mikroelektronika tradicionale mund të prodhojë gjithnjë e më pak energji, ndërsa në sinjalin me frekuencë më të lartë THz, ato nuk mund të bëjnë asgjë. Së dyti, për të zvogëluar zhurmën e fazës dhe për të përmirësuar stabilitetin e frekuencës, pajisja origjinale duhet të vendoset në një mjedis me temperaturë jashtëzakonisht të ulët. Së treti, është e vështirë të arrihet një gamë e gjerë e konvertimit të frekuencës së modulimit. Për të zgjidhur këto probleme, teknologjia optoelektronike mund të luajë një rol. Metodat kryesore përshkruhen më poshtë.
1. Nëpërmjet frekuencës së ndryshme të dy sinjaleve lazer me frekuenca të ndryshme, një fotodetektor me frekuencë të lartë përdoret për të konvertuar sinjalet mikrovalë, siç tregohet në Figurën 1.
Figura 1. Diagrama skematike e mikrovalëve të gjeneruara nga diferenca e frekuencave të dylazerët.
Përparësitë e kësaj metode janë struktura e thjeshtë, mund të gjenerojë valë milimetrike me frekuencë jashtëzakonisht të lartë dhe madje edhe sinjale me frekuencë THz, dhe duke rregulluar frekuencën e lazerit mund të kryejë një gamë të gjerë konvertimesh të shpejta të frekuencës, frekuencë spastrimi. Disavantazhi është se gjerësia e vijës ose zhurma e fazës së sinjalit të frekuencës së ndryshimit të gjeneruar nga dy sinjale lazeri të palidhura është relativisht e madhe, dhe stabiliteti i frekuencës nuk është i lartë, veçanërisht nëse përdoret një lazer gjysmëpërçues me një vëllim të vogël por një gjerësi të madhe vije (~MHz). Nëse kërkesat e vëllimit të peshës së sistemit nuk janë të larta, mund të përdorni lazerë gjendjeje të ngurtë me zhurmë të ulët (~kHz).lazerë me fibra, zgavër e jashtmelazerë gjysmëpërçues, etj. Përveç kësaj, dy mënyra të ndryshme të sinjaleve lazer të gjeneruara në të njëjtën zgavër lazeri mund të përdoren gjithashtu për të gjeneruar një frekuencë të ndryshme, në mënyrë që performanca e stabilitetit të frekuencës së mikrovalëve të përmirësohet shumë.
2. Për të zgjidhur problemin që dy lazerët në metodën e mëparshme janë jokoherentë dhe zhurma e fazës së sinjalit të gjeneruar është shumë e madhe, koherenca midis dy lazerëve mund të merret me metodën e mbylljes së fazës me bllokim të frekuencës së injektimit ose qarkun e mbylljes së fazës me reagim negativ. Figura 2 tregon një aplikim tipik të mbylljes së injektimit për të gjeneruar shumëfisha mikrovalësh (Figura 2). Duke injektuar drejtpërdrejt sinjale të rrymës me frekuencë të lartë në një lazer gjysmëpërçues, ose duke përdorur një modulator faze LinBO3, mund të gjenerohen sinjale të shumëfishta optike me frekuenca të ndryshme me hapësirë të barabartë frekuence, ose krehëra frekuence optike. Sigurisht, metoda e përdorur zakonisht për të marrë një krehër frekuence optike me spektër të gjerë është përdorimi i një lazeri me bllokim mode. Çdo dy sinjale krehër në krehërin e frekuencës optike të gjeneruar zgjidhen duke filtruar dhe injektohen në lazerin 1 dhe 2 përkatësisht për të realizuar bllokimin e frekuencës dhe fazës përkatësisht. Meqenëse faza midis sinjaleve të ndryshme të krehërit të krehërit të frekuencës optike është relativisht e qëndrueshme, në mënyrë që faza relative midis dy lazerëve të jetë e qëndrueshme, dhe pastaj me metodën e ndryshimit të frekuencës siç përshkruhet më parë, mund të merret sinjali i mikrovalës me frekuencë shumëfishe i shkallës së përsëritjes së krehërit të frekuencës optike.
Figura 2. Diagrami skematik i sinjalit të dyfishimit të frekuencës së mikrovalëve të gjeneruar nga bllokimi i frekuencës së injektimit.
Një mënyrë tjetër për të zvogëluar zhurmën relative të fazës së dy lazerëve është përdorimi i një PLL optik me reagim negativ, siç tregohet në Figurën 3.
Figura 3. Diagrami skematik i OPL-së.
Parimi i PLL optik është i ngjashëm me atë të PLL në fushën e elektronikës. Diferenca e fazës së dy lazerëve shndërrohet në një sinjal elektrik nga një fotodetektor (ekuivalent me një detektor faze), dhe më pas diferenca e fazës midis dy lazerëve merret duke krijuar një frekuencë diferenciale me një burim sinjali mikrovalësh referues, i cili amplifikohet dhe filtrohet dhe më pas kthehet në njësinë e kontrollit të frekuencës së njërit prej lazerëve (për lazerët gjysmëpërçues, është rryma e injektimit). Përmes një lak të tillë kontrolli negativ të reagimit, faza relative e frekuencës midis dy sinjaleve lazer është e kyçur në sinjalin referues të mikrovalës. Sinjali optik i kombinuar mund të transmetohet më pas përmes fibrave optike në një fotodetektor diku tjetër dhe të shndërrohet në një sinjal mikrovalë. Zhurma e fazës që rezulton e sinjalit të mikrovalës është pothuajse e njëjtë me atë të sinjalit referues brenda gjerësisë së brezit të lakit negativ të reagimit të kyçur me fazë. Zhurma e fazës jashtë gjerësisë së brezit është e barabartë me zhurmën relative të fazës së dy lazerëve origjinalë të palidhur.
Përveç kësaj, burimi i sinjalit të mikrovalës referuese mund të konvertohet edhe nga burime të tjera të sinjalit përmes dyfishimit të frekuencës, frekuencës pjesëtuese ose përpunimit tjetër të frekuencës, në mënyrë që sinjali i mikrovalës me frekuencë më të ulët të mund të shumëfishohet ose të konvertohet në sinjale RF, THz me frekuencë të lartë.
Krahasuar me mbylljen e frekuencës së injektimit, mund të arrihet vetëm dyfishimi i frekuencës, sythat e mbyllura me fazë janë më fleksibël, mund të prodhojnë frekuenca pothuajse arbitrare dhe sigurisht më komplekse. Për shembull, krehri i frekuencës optike i gjeneruar nga modulatori fotoelektrik në Figurën 2 përdoret si burim drite, dhe sythat e mbyllura me fazë optike përdoren për të mbyllur në mënyrë selektive frekuencën e dy lazerëve në dy sinjalet e krehrit optik dhe më pas për të gjeneruar sinjale me frekuencë të lartë përmes frekuencës së diferencës, siç tregohet në Figurën 4. f1 dhe f2 janë frekuencat e sinjalit referues të dy PLLS-ve përkatësisht, dhe një sinjal mikrovalë N*frep+f1+f2 mund të gjenerohet nga frekuenca e diferencës midis dy lazerëve.
Figura 4. Diagrama skematike e gjenerimit të frekuencave arbitrare duke përdorur krehëra frekuencash optike dhe PLLS.
3. Përdorni lazer pulsi me bllokim të modalitetit për të kthyer sinjalin optik të pulsit në sinjal mikrovalësh përmesfotodetektor.
Avantazhi kryesor i kësaj metode është se mund të merret një sinjal me stabilitet shumë të mirë të frekuencës dhe zhurmë shumë të ulët fazore. Duke e kyçur frekuencën e lazerit në një spektër tranzicioni atomik dhe molekular shumë të qëndrueshëm, ose një zgavër optike jashtëzakonisht të qëndrueshme, dhe duke përdorur sistemin e eliminimit të frekuencës me dyfishim të zhvendosjes së frekuencës dhe teknologji të tjera, mund të marrim një sinjal pulsi optik shumë të qëndrueshëm me një frekuencë përsëritjeje shumë të qëndrueshme, në mënyrë që të marrim një sinjal mikrovalë me zhurmë fazore ultra të ulët. Figura 5.
Figura 5. Krahasimi i zhurmës relative të fazës së burimeve të ndryshme të sinjalit.
Megjithatë, për shkak se shkalla e përsëritjes së pulsit është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë e zgavrës së lazerit, dhe lazeri tradicional i bllokuar në modalitet është i madh, është e vështirë të merren sinjale mikrovalë me frekuencë të lartë direkt. Përveç kësaj, madhësia, pesha dhe konsumi i energjisë i lazerëve tradicionalë të pulsuar, si dhe kërkesat e ashpra mjedisore, kufizojnë aplikimet e tyre kryesisht laboratorike. Për të kapërcyer këto vështirësi, kohët e fundit në Shtetet e Bashkuara dhe Gjermani kanë filluar kërkime duke përdorur efekte jolineare për të gjeneruar krehëra optikë të qëndrueshëm në frekuencë në zgavra optike shumë të vogla, me cilësi të lartë, të cilat nga ana tjetër gjenerojnë sinjale mikrovalë me frekuencë të lartë dhe zhurmë të ulët.
4. oscilator optoelektronik, Figura 6.
Figura 6. Diagrami skematik i oscilatorit të çiftëzuar fotoelektrik.
Një nga metodat tradicionale të gjenerimit të mikrovalëve ose lazerëve është përdorimi i një lak të mbyllur me vetë-feedback, për sa kohë që fitimi në lak të mbyllur është më i madh se humbja, lëkundja e vetë-ngacmuar mund të prodhojë mikrovalë ose lazer. Sa më i lartë të jetë faktori i cilësisë Q i lakit të mbyllur, aq më i vogël është zhurma e fazës ose frekuencës së sinjalit të gjeneruar. Për të rritur faktorin e cilësisë së lakit, mënyra e drejtpërdrejtë është rritja e gjatësisë së lakit dhe minimizimi i humbjes së përhapjes. Megjithatë, një lak më i gjatë zakonisht mund të mbështesë gjenerimin e mënyrave të shumëfishta të lëkundjes, dhe nëse shtohet një filtër me gjerësi të ngushtë bande, mund të merret një sinjal lëkundjeje mikrovalë me një frekuencë të vetme me zhurmë të ulët. Oscilatori i çiftëzuar fotoelektrik është një burim sinjali mikrovalë bazuar në këtë ide, ai shfrytëzon plotësisht karakteristikat e humbjes së ulët të përhapjes së fibrës, duke përdorur një fibër më të gjatë për të përmirësuar vlerën Q të lakit, mund të prodhojë një sinjal mikrovalë me zhurmë shumë të ulët faze. Që kur metoda u propozua në vitet 1990, ky lloj oscilatori ka marrë kërkime të gjera dhe zhvillim të konsiderueshëm, dhe aktualisht ekzistojnë oscilatorë të çiftëzuar fotoelektrik komercialë. Kohët e fundit, janë zhvilluar oscilatorë fotoelektrikë, frekuencat e të cilëve mund të rregullohen në një gamë të gjerë. Problemi kryesor i burimeve të sinjalit mikrovalë bazuar në këtë arkitekturë është se laku është i gjatë dhe zhurma në rrjedhën e tij të lirë (FSR) dhe frekuencën e tij të dyfishtë do të rritet ndjeshëm. Përveç kësaj, komponentët fotoelektrikë të përdorur janë më të shumtë, kostoja është e lartë, vëllimi është i vështirë për t'u zvogëluar dhe fibra më e gjatë është më e ndjeshme ndaj shqetësimeve mjedisore.
Më sipër prezanton shkurtimisht disa metoda të gjenerimit të sinjaleve mikrovalë me anë të fotoelektroneve, si dhe avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Së fundmi, përdorimi i fotoelektroneve për të prodhuar mikrovalë ka një tjetër avantazh që është se sinjali optik mund të shpërndahet përmes fibrës optike me humbje shumë të ulëta, transmetim në distancë të gjatë në secilin terminal përdorimi dhe më pas të shndërrohet në sinjale mikrovalë, dhe aftësia për t'i rezistuar ndërhyrjes elektromagnetike është përmirësuar ndjeshëm sesa në komponentët tradicionalë elektronikë.
Shkrimi i këtij artikulli është kryesisht për referencë, dhe i kombinuar me përvojën kërkimore dhe përvojën e autorit në këtë fushë, ka pasaktësi dhe paqartësi, ju lutem kuptoni.
Koha e postimit: 03 Janar 2024