המצב הנוכחי ונקודות חמות של יצירת אותות מיקרוגל באופטואלקטרוניקה של מיקרוגל

אופטואלקטרוניקה של מיקרוגל, כפי שהשם מרמז, הוא נקודת הצומת של מיקרוגל ואופטואלקטרוניקהגלי מיקרו וגלי אור הם גלים אלקטרומגנטיים, והתדרים שלהם שונים בסדרי גודל רבים, והרכיבים והטכנולוגיות שפותחו בתחומם שונים מאוד. בשילוב, נוכל לנצל זה את זה, אך נוכל להשיג יישומים ומאפיינים חדשים שקשה לממש בהתאמה.

תקשורת אופטיתהיא דוגמה מצוינת לשילוב של מיקרוגלים ופוטואלקטרונים. תקשורת אלחוטית מוקדמת בטלפון ובטלגרף, יצירה, התפשטות וקליטה של ​​אותות, כולן השתמשו במכשירי מיקרוגל. גלים אלקטרומגנטיים בתדר נמוך שימשו בתחילה מכיוון שטווח התדרים קטן וקיבולת הערוץ לשידור קטנה. הפתרון הוא להגדיל את תדירות האות המשודר, ככל שהתדר גבוה יותר, כך גדלים משאבי הספקטרום. אך אובדן ההתפשטות של אות בתדר גבוה באוויר גדול, אך גם קל להיחסם על ידי מכשולים. אם משתמשים בכבל, אובדן הכבל גדול, ושידור למרחקים ארוכים מהווה בעיה. הופעתה של תקשורת סיבים אופטיים היא פתרון טוב לבעיות אלו.סיב אופטיבעל אובדן העברה נמוך מאוד והוא גל נושא מצוין להעברת אותות למרחקים ארוכים. טווח התדרים של גלי אור גדול בהרבה מזה של גלי מיקרוגל ויכול להעביר ערוצים רבים ושונים בו זמנית. בגלל יתרונות אלה שלהעברה אופטית, תקשורת באמצעות סיבים אופטיים הפכה לעמוד השדרה של העברת המידע של ימינו.
לתקשורת אופטית היסטוריה ארוכה, המחקר והיישומים נרחבים ובוגרים מאוד, ואין צורך להרחיב על כך. מאמר זה מציג בעיקר את תוכן המחקר החדש של אופטואלקטרוניקה במיקרוגל בשנים האחרונות, מלבד תקשורת אופטית. אופטואלקטרוניקה במיקרוגל משתמשת בעיקר בשיטות ובטכנולוגיות בתחום האופטואלקטרוניקה כמגשי נשא כדי לשפר ולהשיג ביצועים ויישומים שקשה להשיג עם רכיבים אלקטרוניים מסורתיים במיקרוגל. מנקודת מבט של יישום, הוא כולל בעיקר את שלושת ההיבטים הבאים.
הראשון הוא שימוש באופטואלקטרוניקה ליצירת אותות מיקרוגל בעלי ביצועים גבוהים ודלי רעש, החל מפס ה-X ועד לפס ה-THz.
שנית, עיבוד אותות מיקרוגל. כולל השהייה, סינון, המרת תדר, קליטה וכן הלאה.
שלישית, העברת אותות אנלוגיים.

במאמר זה, המחבר מציג רק את החלק הראשון, יצירת אות מיקרוגל. גל מיקרוגל מילימטר מסורתי נוצר בעיקר על ידי רכיבים מיקרואלקטרוניים מסוג iii_V. מגבלותיו כוללות את הנקודות הבאות: ראשית, בתדרים גבוהים כמו 100GHz ומעלה, מיקרואלקטרוניקה מסורתית יכולה לייצר פחות ופחות הספק, ובאות THz בתדר גבוה יותר, היא אינה יכולה לעשות דבר. שנית, על מנת להפחית את רעש הפאזה ולשפר את יציבות התדר, יש להציב את המכשיר המקורי בסביבה עם טמפרטורה נמוכה במיוחד. שלישית, קשה להשיג טווח רחב של המרת תדרים במודולציה. כדי לפתור בעיות אלו, טכנולוגיה אופטואלקטרונית יכולה למלא תפקיד. השיטות העיקריות מתוארות להלן.

1. באמצעות הפרש תדירות של שני אותות לייזר בתדרים שונים, משתמשים בגלאי פוטו בתדר גבוה כדי להמיר אותות מיקרוגל, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1. תרשים סכמטי של גלי מיקרו הנוצרים על ידי הפרש תדירות של שנילייזרים.

יתרונותיה של שיטה זו הם מבנה פשוט, יכולת לייצר אות גל מילימטר בתדר גבוה במיוחד ואפילו אות תדר THz, ועל ידי התאמת תדר הלייזר ניתן לבצע טווח רחב של המרת תדר מהירה, תדר סריקה. החיסרון הוא שרוחב הקו או רעש הפאזה של אות הפרש התדרים שנוצר על ידי שני אותות לייזר שאינם קשורים הוא גדול יחסית, ויציבות התדר אינה גבוהה, במיוחד אם משתמשים בלייזר מוליך למחצה בעל נפח קטן אך רוחב קו גדול (~MHz). אם דרישות משקל נפח המערכת אינן גבוהות, ניתן להשתמש בלייזרי מצב מוצק בעלי רעש נמוך (~kHz).לייזרי סיבים, חלל חיצונילייזרים מוליכים למחצהוכו'. בנוסף, ניתן להשתמש בשני מצבים שונים של אותות לייזר הנוצרים באותו חלל לייזר גם כדי לייצר תדר הפרש, כך שביצועי יציבות תדר המיקרוגל משתפרים מאוד.

2. על מנת לפתור את הבעיה ששני הלייזרים בשיטה הקודמת אינם קוהרנטיים ורעש הפאזה של האות שנוצר גדול מדי, ניתן להשיג את הקוהרנטיות בין שני הלייזרים באמצעות שיטת נעילת פאזה של תדר הזרקה או מעגל נעילת פאזה של משוב שלילי. איור 2 מציג יישום טיפוסי של נעילת הזרקה ליצירת מכפילים של מיקרוגל (איור 2). על ידי הזרקה ישירה של אותות זרם בתדר גבוה לתוך לייזר מוליך למחצה, או באמצעות מודולטור פאזה LinBO3, ניתן לייצר אותות אופטיים מרובים בתדרים שונים עם מרווח תדרים שווה, או מסרקי תדר אופטיים. כמובן, השיטה הנפוצה להשגת מסרק תדר אופטי רחב ספקטרום היא שימוש בלייזר נעול-מוד. כל שני אותות מסרק במסרק התדר האופטי שנוצר נבחרים על ידי סינון ומוזרקים ללייזר 1 ו-2 בהתאמה כדי לממש נעילת תדר ופאזה בהתאמה. מכיוון שהפאזה בין אותות המסרק השונים של מסרק התדר האופטי יציבה יחסית, כך שהפאזה היחסית בין שני הלייזרים יציבה, ולאחר מכן באמצעות שיטת תדר ההפרש כמתואר קודם לכן, ניתן להשיג את אות המיקרוגל בתדר מרובה-מכפלים של קצב החזרה של מסרק התדר האופטי.

איור 2. תרשים סכמטי של אות הכפלת תדר המיקרוגל שנוצר על ידי נעילת תדר הזרקה.
דרך נוספת להפחית את רעש הפאזה היחסי של שני הלייזרים היא להשתמש ב-PLL אופטי בעל משוב שלילי, כפי שמוצג באיור 3.

איור 3. תרשים סכמטי של OPL.

עקרון ה-PLL האופטי דומה לזה של PLL בתחום האלקטרוניקה. הפרש הפאזה של שני הלייזרים מומר לאות חשמלי על ידי גלאי פוטו (שווה ערך לגלאי פאזה), ולאחר מכן מתקבל הפרש הפאזה בין שני הלייזרים על ידי יצירת הפרש תדר עם מקור אות מיקרוגל ייחוס, אשר מוגבר ומסונן ואז מוזן חזרה ליחידת בקרת התדר של אחד הלייזרים (עבור לייזרים מוליכים למחצה, זהו זרם ההזרקה). באמצעות לולאת בקרת משוב שלילית כזו, פאזת התדר היחסית בין שני אותות הלייזר ננעלת לאות המיקרוגל הייחוס. לאחר מכן ניתן להעביר את האות האופטי המשולב דרך סיבים אופטיים לגלאי פוטו במקום אחר ולהמיר אותו לאות מיקרוגל. רעש הפאזה המתקבל של אות המיקרוגל כמעט זהה לזה של אות הייחוס בתוך רוחב הפס של לולאת המשוב השלילי נעול הפאזה. רעש הפאזה מחוץ לרוחב הפס שווה לרעש הפאזה היחסי של שני הלייזרים המקוריים שאינם קשורים.
בנוסף, ניתן להמיר את מקור אות המיקרוגל הייחוס גם על ידי מקורות אות אחרים באמצעות הכפלת תדר, מחלק תדר או עיבוד תדרים אחר, כך שניתן להכפיל את אות המיקרוגל בתדר הנמוך יותר, או להמיר אותות RF ו-THz בתדר גבוה.
בהשוואה לנעילת תדר הזרקה ניתן להשיג רק הכפלת תדר, לולאות נעילת פאזה גמישות יותר, יכולות לייצר תדרים כמעט שרירותיים, וכמובן מורכבות יותר. לדוגמה, מסרק התדר האופטי שנוצר על ידי המודולטור הפוטואלקטרי באיור 2 משמש כמקור אור, ולולאת נעילת הפאזה האופטית משמשת לנעילה סלקטיבית של התדר של שני הלייזרים לשני אותות המסרק האופטי, ולאחר מכן יצירת אותות בתדר גבוה דרך תדר ההפרש, כפי שמוצג באיור 4. f1 ו-f2 הם תדרי אות הייחוס של שני PLLS בהתאמה, וניתן לייצר אות מיקרוגל של N*frep+f1+f2 על ידי תדר ההפרש בין שני הלייזרים.

איור 4. תרשים סכמטי של יצירת תדרים שרירותיים באמצעות מסרקי תדרים אופטיים ו-PLLS.

3. השתמש בלייזר דופק נעול במצב כדי להמיר אות דופק אופטי לאות מיקרוגל דרךגלאי אור.

היתרון העיקרי של שיטה זו הוא שניתן להשיג אות בעל יציבות תדר טובה מאוד ורעש פאזה נמוך מאוד. על ידי נעילת תדר הלייזר לספקטרום מעבר אטומי ומולקולרי יציב מאוד, או חלל אופטי יציב ביותר, ושימוש במערכת ביטול תדרים עם הכפלה עצמית וטכנולוגיות אחרות, ניתן להשיג אות פולס אופטי יציב מאוד עם תדר חזרה יציב מאוד, כך שניתן לקבל אות מיקרוגל עם רעש פאזה נמוך במיוחד. איור 5.

איור 5. השוואה של רעש פאזה יחסי של מקורות אות שונים.

עם זאת, מכיוון שקצב החזרה של הפולסים הוא ביחס הפוך לאורך חלל הלייזר, והלייזר המסורתי בעל נעילת מצבים הוא גדול, קשה להשיג אותות מיקרוגל בתדר גבוה ישירות. בנוסף, הגודל, המשקל וצריכת האנרגיה של לייזרים פולסים מסורתיים, כמו גם דרישות הסביבה הקשות, מגבילים את יישומי המעבדה שלהם בעיקר. כדי להתגבר על קשיים אלה, החל לאחרונה מחקר בארצות הברית ובגרמניה המשתמש באפקטים לא ליניאריים כדי לייצר מסרקים אופטיים יציבים בתדר בחללים אופטיים קטנים מאוד ואיכותיים במצב ציוץ, אשר בתורם מייצרים אותות מיקרוגל בתדר גבוה עם רעש נמוך.

4. מתנד אופטואלקטרוני, איור 6.

איור 6. תרשים סכמטי של מתנד מצומד פוטואלקטרי.

אחת השיטות המסורתיות ליצירת גלי מיקרו או לייזר היא שימוש בלולאה סגורה עם משוב עצמי. כל עוד הרווח בלולאה הסגורה גדול מההפסד, התנודה בעלת העירור העצמי יכולה לייצר גלי מיקרו או לייזר. ככל שמקדם האיכות Q של הלולאה הסגורה גבוה יותר, כך רעש הפאזה או התדר של האות שנוצר קטן יותר. על מנת להגדיל את מקדם האיכות של הלולאה, הדרך הישירה היא להגדיל את אורך הלולאה ולמזער את אובדן ההתפשטות. עם זאת, לולאה ארוכה יותר יכולה בדרך כלל לתמוך ביצירת מצבי תנודה מרובים, ואם מוסיפים מסנן בעל רוחב פס צר, ניתן להשיג אות תנודת מיקרוגל בעל רעש נמוך בתדר יחיד. מתנד מצומד פוטואלקטרי הוא מקור אות מיקרוגל המבוסס על רעיון זה, והוא מנצל באופן מלא את מאפייני אובדן ההתפשטות הנמוך של הסיבים. שימוש בסיב ארוך יותר כדי לשפר את ערך Q של הלולאה יכול לייצר אות מיקרוגל עם רעש פאזה נמוך מאוד. מאז שהוצעה השיטה בשנות ה-90, סוג זה של מתנד זכה למחקר נרחב ופיתוח ניכר, וכיום קיימים מתנדים מצומדים פוטואלקטריים מסחריים. לאחרונה פותחו מתנדים פוטואלקטריים שתדריהם ניתנים לכוונון על פני טווח רחב. הבעיה העיקרית של מקורות אות מיקרוגל המבוססים על ארכיטקטורה זו היא שהלולאה ארוכה, והרעש בזרימה החופשית (FSR) ובתדר הכפול שלה יגדל משמעותית. בנוסף, הרכיבים הפוטואלקטריים בהם נעשה שימוש הם רבים יותר, העלות גבוהה, הנפח קשה להפחתה, והסיבים הארוכים יותר רגישים יותר להפרעות סביבתיות.

האמור לעיל מציג בקצרה מספר שיטות ליצירת אותות מיקרוגל באמצעות פוטואלקטרונים, כמו גם יתרונותיהן וחסרונותיהן. לבסוף, לשימוש בפוטואלקטרונים לייצור מיקרוגל יש יתרון נוסף, והוא שניתן להפיץ את האות האופטי דרך הסיב האופטי עם הפסדים נמוכים מאוד, שידור למרחקים ארוכים לכל מסוף שימוש ולאחר מכן להמיר אותות מיקרוגל, והיכולת להתנגד להפרעות אלקטרומגנטיות משופרת משמעותית בהשוואה לרכיבים אלקטרוניים מסורתיים.
כתיבת מאמר זה נועדה בעיקר למטרות עיון, ובשילוב עם ניסיון המחקר והניסיון של המחבר בתחום זה, ישנם אי דיוקים וחוסר הבנה, אנא הבינו.