Optoelektronika me mikrovalë, siç sugjeron emri, është kryqëzimi i mikrovalës dheoptoelektronika. Mikrovalët dhe valët e dritës janë valë elektromagnetike, dhe frekuencat janë shumë të ndryshme të madhësisë, 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 aplikacione dhe karakteristika të reja që janë të vështira për t'u realizuar përkatësisht.
Komunikimi optikështë një shembull kryesor i kombinimit të mikrovalëve dhe fotoelektroneve. Komunikimet e hershme pa tela telefonike dhe telegrafike, gjenerimi, përhapja dhe marrja e sinjaleve, të gjitha pajisjet e përdorura me mikrovalë. Valët elektromagnetike me frekuencë të ulët përdoren fillimisht sepse diapazoni i frekuencës 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 të spektrit. Por sinjali me frekuencë të lartë në humbjen e përhapjes së ajrit është i madh, por edhe i lehtë për t'u bllokuar nga pengesat. Nëse përdoret kablloja, humbja e kabllit është e madhe dhe transmetimi në distanca të gjata është problem. Shfaqja e komunikimit me fibra optike është një zgjidhje e mirë për këto probleme.Fibër optikeka humbje shumë të ulëta në transmetim dhe është një bartës i shkëlqyer për transmetimin e sinjaleve në distanca të gjata. Gama e frekuencës së valëve të dritës është shumë më e madhe se ajo e mikrovalëve dhe mund të transmetojë shumë kanale të ndryshme në të njëjtën kohë. 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 mund të them më shumë. Ky punim prezanton kryesisht përmbajtjen e re kërkimore të optoelektronikës mikrovalore 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 arrihen me komponentët elektronikë tradicionalë me mikrovalë. Nga këndvështrimi i aplikimit, ai përfshin kryesisht tre aspektet e mëposhtme.
E para është përdorimi i optoelektronikës për të gjeneruar sinjale mikrovalore me performancë të lartë dhe me zhurmë të ulët, nga brezi X deri në brezin THz.
Së dyti, përpunimi i sinjalit me mikrovalë. Duke përfshirë vonesën, filtrimin, konvertimin e frekuencës, marrjen dhe kështu me radhë.
Së treti, transmetimi i sinjaleve analoge.
Në këtë artikull, autori prezanton vetëm pjesën e parë, gjenerimin e sinjalit të mikrovalës. Vala milimetrike tradicionale e mikrovalës gjenerohet kryesisht nga komponentët mikroelektronikë iii_V. Kufizimet e tij kanë pikat e mëposhtme: Së pari, për frekuencat e larta si 100 GHz më lart, mikroelektronika tradicionale mund të prodhojë gjithnjë e më pak energji, ndaj sinjalit me frekuencë më të lartë THz, nuk mund të bëjnë asgjë. Së dyti, për të reduktuar 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 të frekuencës. Për të zgjidhur këto probleme, teknologjia optoelektronike mund të luajë një rol. Metodat kryesore janë përshkruar më poshtë.
1. Nëpërmjet frekuencës së ndryshimit të dy sinjaleve lazer me frekuencë të ndryshme, një fotodetektor me frekuencë të lartë përdoret për të konvertuar sinjalet e mikrovalës, siç tregohet në figurën 1.
Figura 1. Diagrami skematik i mikrovalëve të krijuar nga frekuenca e diferencës së dylazer.
Përparësitë e kësaj metode janë struktura e thjeshtë, mund të gjenerojë një valë milimetër me frekuencë jashtëzakonisht të lartë dhe madje edhe sinjal të frekuencës THz, dhe duke rregulluar frekuencën e lazerit mund të kryejë një gamë të madhe konvertimi të shpejtë të frekuencës, frekuencë fshirjeje. Disavantazhi është se gjerësia e linjës ose zhurma fazore e sinjalit të frekuencës së ndryshimit të gjeneruar nga dy sinjale lazer të palidhura është relativisht e madhe dhe stabiliteti i frekuencës nuk është i lartë, veçanërisht nëse një lazer gjysmëpërçues me një vëllim të vogël, por një gjerësi të madhe të linjës (~ MHz) është të përdorura. Nëse kërkesat për vëllimin e peshës së sistemit nuk janë të larta, mund të përdorni lazer me zhurmë të ulët (~ kHz) në gjendje të ngurtë,lazer me fibra, zgavër e jashtmelazer gjysmëpërçues, etj. Përveç kësaj, dy mënyra të ndryshme të sinjaleve lazer të gjeneruara në të njëjtën zgavër lazer mund të përdoren gjithashtu për të gjeneruar një frekuencë diferenciale, në mënyrë që performanca e stabilitetit të frekuencës së mikrovalës të përmirësohet shumë.
2. Për të zgjidhur problemin që dy lazerët në metodën e mëparshme janë jokoherente dhe zhurma e gjeneruar e fazës së sinjalit është shumë e madhe, koherenca midis dy lazerëve mund të merret me metodën e mbylljes së fazës së bllokimit të frekuencës së injektimit ose fazës së reagimit negativ. qark mbyllës. Figura 2 tregon një aplikim tipik të kyçjes me injeksion për të gjeneruar shumëfisha të mikrovalës (Figura 2). Duke injektuar drejtpërdrejt sinjalet e rrymës me frekuencë të lartë në një lazer gjysmëpërçues, ose duke përdorur një modulator fazor LinBO3, mund të gjenerohen sinjale të shumta optike të frekuencave të ndryshme me hapësirë të barabartë me frekuenca të barabarta, ose krehje me frekuencë optike. Sigurisht, metoda e përdorur zakonisht për të marrë një krehër me frekuencë optike me spektër të gjerë është përdorimi i një lazeri të bllokuar në modalitet. Çdo dy sinjal krehër në krehën e gjeneruar të frekuencës optike zgjidhen duke filtruar dhe injektuar në laserin 1 dhe 2 përkatësisht për të realizuar përkatësisht bllokimin e frekuencës dhe fazës. Për shkak se faza midis sinjaleve të ndryshme të krehës së krehësit të frekuencës optike është relativisht e qëndrueshme, kështu që faza relative midis dy lazerëve është e qëndrueshme, dhe më pas me metodën e frekuencës së ndryshimit siç përshkruhet më parë, sinjali i mikrovalës me frekuencë të shumëfishtë i mund të merret shkalla e përsëritjes së krehjes me frekuencë optike.
Figura 2. Diagrami skematik i sinjalit të dyfishimit të frekuencës së mikrovalës i krijuar nga bllokimi i frekuencës së injektimit.
Një mënyrë tjetër për të reduktuar zhurmën e fazës relative të dy lazerëve është përdorimi i një PLL optike me reagim negativ, siç tregohet në figurën 3.
Figura 3. Diagrami skematik i OPL.
Parimi i PLL optik është i ngjashëm me atë të PLL në fushën e elektronikës. Diferenca fazore e dy lazerëve shndërrohet në një sinjal elektrik nga një fotodetektor (ekuivalent me një detektor fazor), dhe më pas diferenca e fazës midis dy lazerëve merret duke bërë një diferencë frekuencë me një burim sinjali mikrovalor referues, i cili përforcohet. dhe filtrohet dhe pastaj futet përsëri në njësinë e kontrollit të frekuencës së njërit prej lazerëve (për lazerët gjysmëpërçues, është rryma e injektimit). Nëpërmjet një qarku të tillë të kontrollit të reagimit negativ, faza e frekuencës relative midis dy sinjaleve lazer është e kyçur në sinjalin e mikrovalës referuese. Sinjali i kombinuar optik më pas mund të transmetohet 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 të referencës brenda gjerësisë së brezit të lakut të reagimit negativ të bllokuar nga faza. 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 referente mund të konvertohet gjithashtu nga burime të tjera sinjali përmes dyfishimit të frekuencës, frekuencës së pjesëtuesit ose përpunimit të frekuencës tjetër, në mënyrë që sinjali i mikrovalës me frekuencë të ulët të mund të shumëfishohet ose të konvertohet në sinjale RF me frekuencë të lartë, THz.
Krahasuar me mbylljen e frekuencës së injektimit mund të arrihet vetëm dyfishimi i frekuencës, unazat e bllokuara me fazë janë më fleksibël, mund të prodhojnë frekuenca pothuajse arbitrare dhe natyrisht më komplekse. Për shembull, krehja e frekuencës optike e gjeneruar nga modulatori fotoelektrik në figurën 2 përdoret si burim drite dhe laku optik i bllokuar me fazë përdoret për të bllokuar në mënyrë selektive frekuencën e dy lazerëve në dy sinjalet e krehës optike dhe më pas gjeneron sinjalet me frekuencë të lartë përmes frekuencës së diferencës, siç tregohet në figurën 4. f1 dhe f2 janë frekuencat e sinjaleve referuese të dy PLLS përkatësisht, dhe një sinjal mikrovalor i N*frep+f1+f2 mund të gjenerohet nga frekuenca e diferencës ndërmjet dy lazer.
Figura 4. Diagrami skematik i gjenerimit të frekuencave arbitrare duke përdorur krehje të frekuencës optike dhe PLLS.
3. Përdorni lazerin e pulsit të bllokuar në modalitet për të kthyer sinjalin e pulsit optik në sinjal mikrovalë përmesfotodetektor.
Avantazhi kryesor i kësaj metode është se mund të merret një sinjal me qëndrueshmëri shumë të mirë të frekuencës dhe zhurmë fazore shumë të ulët. Duke bllokuar frekuencën e lazerit në një spektër tranzicioni atomik dhe molekular shumë të qëndrueshëm, ose në një zgavër optike jashtëzakonisht të qëndrueshme, dhe duke përdorur ndërrimin e frekuencës së sistemit të eliminimit të frekuencës vetë-dyfishuese dhe teknologji të tjera, mund të marrim një sinjal pulsi optik shumë të qëndrueshëm me një frekuencë shumë e qëndrueshme përsëritjeje, në mënyrë që të merret një sinjal mikrovalë me zhurmë fazore ultra të ulët. Figura 5.
Figura 5. Krahasimi i zhurmës së fazës relative të burimeve të ndryshme të sinjalit.
Megjithatë, për shkak se shkalla e përsëritjes së pulsit është në përpjesëtim të kundërt me gjatësinë e zgavrës së lazerit dhe lazeri tradicional i bllokuar me modalitet është i madh, është e vështirë të merren drejtpërdrejt sinjalet e mikrovalës me frekuencë të lartë. Për më tepër, madhësia, pesha dhe konsumi i energjisë i laserëve tradicionalë pulsues, si dhe kërkesat e ashpra mjedisore, kufizojnë aplikimet e tyre kryesisht laboratorike. Për të kapërcyer këto vështirësi, kohët e fundit ka filluar kërkimi në Shtetet e Bashkuara dhe Gjermani duke përdorur efekte jolineare për të gjeneruar krehje optike të qëndrueshme ndaj frekuencës në zgavra optike shumë të vogla me cilësi të lartë të modalitetit cicërim, të cilat nga ana e tyre gjenerojnë sinjale mikrovalë me zhurmë të ulët me frekuencë të lartë.
4. oshilator elektronik opto, Figura 6.
Figura 6. Diagrami skematik i oshilatorit të bashkuar fotoelektrik.
Një nga metodat tradicionale të gjenerimit të mikrovalëve ose lazerëve është përdorimi i një cikli të mbyllur vetë-reagues, për sa kohë që fitimi në lakin e 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 lakut të mbyllur, aq më i vogël është faza e sinjalit të gjeneruar ose zhurma e frekuencës. Për të rritur faktorin e cilësisë së lakut, mënyra e drejtpërdrejtë është rritja e gjatësisë së lakut dhe minimizimi i humbjes së përhapjes. Megjithatë, një lak më i gjatë zakonisht mund të mbështesë gjenerimin e mënyrave të shumëfishta të lëkundjeve dhe nëse shtohet një filtër me gjerësi të ngushtë brezi, mund të merret një sinjal oshilimi i mikrovalës me zhurmë të ulët me një frekuencë të vetme. Oscilatori i bashkuar fotoelektrik është një burim sinjali mikrovalor i bazuar në këtë ide, ai përdor plotësisht karakteristikat e humbjes së ulët të përhapjes së fibrës, duke përdorur një fibër më të gjatë për të përmirësuar vlerën e lakut Q, mund të prodhojë një sinjal mikrovalë me zhurmë fazore shumë të ulët. Që kur metoda u propozua në vitet 1990, ky lloj oshilatori ka marrë kërkime të gjera dhe zhvillim të konsiderueshëm, dhe aktualisht ekzistojnë oshilatorë të bashkuar fotoelektrikë komercialë. Kohët e fundit, janë zhvilluar oshilatorët fotoelektrikë, frekuencat e të cilëve mund të rregullohen në një gamë të gjerë. Problemi kryesor i burimeve të sinjalit të mikrovalës bazuar në këtë arkitekturë është se laku është i gjatë dhe zhurma në rrjedhën e lirë (FSR) dhe frekuenca e tij e dyfishtë do të rritet ndjeshëm. Përveç kësaj, komponentët fotoelektrikë të përdorur janë më shumë, kostoja është e lartë, vëllimi është i vështirë për t'u reduktuar dhe fibra më e gjatë është më e ndjeshme ndaj shqetësimeve mjedisore.
Më sipër prezanton shkurtimisht disa metoda të gjenerimit të fotoelektroneve të sinjaleve mikrovalore, si dhe avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Së fundi, përdorimi i fotoelektroneve për të prodhuar mikrovalë ka një avantazh tjetër është se sinjali optik mund të shpërndahet përmes fibrës optike me humbje shumë të ulët, transmetim në distanca të gjata në çdo terminal përdorimi dhe më pas të konvertohet në sinjale mikrovalore dhe aftësia për t'i rezistuar elektromagnetikës. ndërhyrja është përmirësuar ndjeshëm sesa komponentët tradicionalë elektronikë.
Shkrimi i këtij artikulli është kryesisht për referencë, dhe i kombinuar me përvojën kërkimore dhe përvojën e vetë autorit në këtë fushë, ka pasaktësi dhe pakuptimësi, ju lutem kuptoni.
Koha e postimit: Jan-03-2024