מצב נוכחי ונקודות חמות של יצירת אותות מיקרוגל באלקטרוניקה אופטואלית של מיקרוגל

מיקרוגל אופטו, כפי שהשם מרמז, הוא הצומת של מיקרוגל ואופטואלקטרוניקה. גלי מיקרו וגלי אור הם גלים אלקטרומגנטיים, והתדרים שונים בסדרי גודל רבים, והרכיבים והטכנולוגיות שפותחו בתחומם שונים מאוד. בשילוב, אנחנו יכולים לנצל אחד את השני, אבל אנחנו יכולים לקבל יישומים ומאפיינים חדשים שקשה לממש בהתאמה.

תקשורת אופטיתהוא דוגמה מצוינת לשילוב של מיקרוגלים ופוטואלקטרונים. תקשורת אלחוטית מוקדמת בטלפון ובטלגרף, יצירה, הפצה וקליטה של ​​אותות, כולם מכשירי מיקרוגל משומשים. גלים אלקטרומגנטיים בתדר נמוך משמשים בתחילה מכיוון שטווח התדרים קטן וקיבולת הערוץ לשידור קטנה. הפתרון הוא להגדיל את תדירות האות המשודר, ככל שהתדר גבוה יותר, כך יותר משאבי ספקטרום. אבל האות בתדר גבוה באובדן התפשטות האוויר הוא גדול, אך גם קל להיחסם על ידי מכשולים. אם נעשה שימוש בכבל, אובדן הכבל גדול, ושידור למרחקים ארוכים מהווה בעיה. הופעתה של תקשורת סיבים אופטיים היא פתרון טוב לבעיות אלו.סיב אופטיבעל אובדן שידור נמוך מאוד והוא נשא מצוין להעברת אותות למרחקים ארוכים. טווח התדרים של גלי האור גדול בהרבה מזה של גלי המיקרו ויכול להעביר ערוצים רבים ושונים בו זמנית. בגלל היתרונות האלה שלשידור אופטי, תקשורת סיבים אופטיים הפכה לעמוד השדרה של העברת המידע של ימינו.
לתקשורת אופטית יש היסטוריה ארוכה, המחקר והיישום מאוד נרחבים ובוגרים, אין לומר יותר מכך. מאמר זה מציג בעיקר את תוכן המחקר החדש של מיקרוגל אופטו-אלקטרוניקה בשנים האחרונות מלבד תקשורת אופטית. מיקרוגל אופטו-אלקטרוניקה משתמשת בעיקר בשיטות ובטכנולוגיות בתחום האופטו-אלקטרוניקה כמנשא לשיפור והשגת הביצועים והיישום שקשה להשיג ברכיבים אלקטרוניים מיקרוגלים מסורתיים. מנקודת המבט של היישום, הוא כולל בעיקר את שלושת ההיבטים הבאים.
הראשון הוא השימוש באלקטרוניקה אופטו כדי ליצור אותות מיקרוגל בעלי ביצועים גבוהים ובעלי רעש נמוך, מפס ה-X ועד לפס THz.
שנית, עיבוד אותות במיקרוגל. כולל השהיה, סינון, המרת תדרים, קבלה וכן הלאה.
שלישית, העברת אותות אנלוגיים.

במאמר זה, המחבר מציג רק את החלק הראשון, יצירת אות מיקרוגל. גל מילימטר מיקרוגל מסורתי נוצר בעיקר על ידי רכיבים מיקרואלקטרוניים iii_V. למגבלות שלה יש את הנקודות הבאות: ראשית, לתדרים גבוהים כמו 100GHz למעלה, מיקרואלקטרוניקה מסורתית יכולה לייצר פחות ופחות הספק, לאות THz בתדירות גבוהה יותר, הם לא יכולים לעשות דבר. שנית, על מנת להפחית את רעשי הפאזה ולשפר את יציבות התדר, יש למקם את המכשיר המקורי בסביבת טמפרטורה נמוכה במיוחד. שלישית, קשה להשיג טווח רחב של המרת תדר אפנון תדר. כדי לפתור בעיות אלה, טכנולוגיה אופטו-אלקטרונית יכולה לשחק תפקיד. השיטות העיקריות מתוארות להלן.

1. באמצעות תדר ההפרש של שני אותות לייזר בתדרים שונים, נעשה שימוש בפוטו-גלאי בתדר גבוה להמרת אותות מיקרוגל, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1. תרשים סכמטי של גלי מיקרו שנוצרו על ידי תדירות ההפרש של שנייםלייזרים.

היתרונות של שיטה זו הם מבנה פשוט, יכול ליצור גל מילימטר בתדר גבוה במיוחד ואפילו אות תדר THz, ועל ידי התאמת תדר הלייזר יכול לבצע טווח גדול של המרת תדרים מהירה, תדר סוויף. החיסרון הוא שרוחב הקו או רעש הפאזה של אות תדר ההפרש שנוצר על ידי שני אותות לייזר לא קשורים הוא גדול יחסית, ויציבות התדר אינה גבוהה, במיוחד אם לייזר מוליכים למחצה עם נפח קטן אך רוחב קו גדול (~MHz) הוא מְשׁוּמָשׁ. אם דרישות נפח משקל המערכת אינן גבוהות, אתה יכול להשתמש בלייזרי רעש נמוך (~kHz) במצב מוצק,לייזרים סיבים, חלל חיצונילייזרים מוליכים למחצה, וכו' בנוסף, שני מצבים שונים של אותות לייזר שנוצרו באותו חלל לייזר יכולים לשמש גם ליצירת תדר הבדל, כך שביצועי יציבות תדר המיקרוגל משתפרים מאוד.

2. על מנת לפתור את הבעיה ששני הלייזרים בשיטה הקודמת אינם קוהרנטיים ורעש שלב האות שנוצר גדול מדי, ניתן לקבל את הקוהרנטיות בין שני הלייזרים בשיטת נעילת שלב נעילת תדר הזרקה או שלב המשוב השלילי מעגל נעילה. איור 2 מציג יישום טיפוסי של נעילת הזרקה ליצירת כפולות מיקרוגל (איור 2). על ידי הזרקה ישירה של אותות זרם בתדר גבוה ללייזר מוליכים למחצה, או על ידי שימוש במאפנן LinBO3 פאזה, ניתן ליצור מספר אותות אופטיים בתדרים שונים עם מרווח תדרים שווה, או מסרקות תדר אופטיות. כמובן, השיטה הנפוצה להשגת מסרק תדרים אופטי רחב בספקטרום היא שימוש בלייזר נעול מצב. 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 יציב יחסית, כך שהפאזה היחסית בין שני הלייזרים היא יציבה, ולאחר מכן בשיטת תדר ההפרש כפי שתוארה קודם לכן, אות המיקרוגל בתדר רב-פיפול של ניתן לקבל קצב חזרות של מסרק תדר אופטי.

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

איור 3. תרשים סכמטי של OPL.

העיקרון של PLL אופטי דומה לזה של PLL בתחום האלקטרוניקה. הפרש הפאזה של שני הלייזרים מומר לאות חשמלי על ידי פוטו-גלאי (שווה ערך לגלאי פאזה), ולאחר מכן הפרש הפאזה בין שני הלייזרים מתקבל על ידי ביצוע תדר הבדל עם מקור אות ייחוס של מיקרוגל, המוגבר וסונן ואז הוזן בחזרה ליחידת בקרת התדר של אחד הלייזרים (עבור לייזרים מוליכים למחצה, זה זרם ההזרקה). באמצעות לולאת בקרת משוב שלילי כזו, שלב התדר היחסי בין שני אותות הלייזר ננעל לאות הייחוס של מיקרוגל. לאחר מכן ניתן להעביר את האות האופטי המשולב דרך סיבים אופטיים לפוטו-גלאי במקום אחר ולהמיר אותו לאות מיקרוגל. רעש הפאזה המתקבל של אות המיקרוגל כמעט זהה לזה של אות הייחוס ברוחב 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 על ידי מקורות אות אחרים באמצעות הכפלת תדר, תדר מחלק או עיבוד תדר אחר, כך שניתן להכפיל את אות המיקרוגל בתדר הנמוך יותר, או להמיר אותו לאותות RF בתדר גבוה, THz.
בהשוואה לנעילת תדר הזרקה יכולה להשיג רק הכפלת תדר, לולאות נעולות פאזה גמישות יותר, יכולות לייצר תדרים כמעט שרירותיים, וכמובן מורכבות יותר. לדוגמה, מסרק התדר האופטי שנוצר על ידי המאפנן הפוטואלקטרי באיור 2 משמש כמקור האור, והלולאה האופטית נעילת הפאזה משמשת לנעילה סלקטיבית את התדר של שני הלייזרים לשני אותות המסרק האופטיים, ולאחר מכן ליצור אותות בתדר גבוה דרך תדר ההפרש, כפי שמוצג באיור 4. f1 ו-f2 הם תדרי אות הייחוס של שני ה-PLLS בהתאמה, וניתן להפיק אות מיקרוגל של N*frep+f1+f2 על ידי תדר ההפרש בין שני לייזרים.

איור 4. תרשים סכמטי של הפקת תדרים שרירותיים באמצעות מסרקות תדר אופטיות ו-PLLS.

3. השתמש בלייזר דופק נעול במצב כדי להמיר אות דופק אופטי לאות באמצעות מיקרוגלphotodetector.

היתרון העיקרי בשיטה זו הוא שניתן לקבל אות עם יציבות תדר טובה מאוד ורעש פאזה נמוך מאוד. על ידי נעילת תדר הלייזר לספקטרום מעבר אטומי ומולקולרי יציב מאוד, או חלל אופטי יציב במיוחד, ושימוש בהזזת תדרים של מערכת ביטול תדרים הכפלה עצמית וטכנולוגיות אחרות, נוכל להשיג אות פולס אופטי יציב מאוד עם תדר חזרות יציב מאוד, כדי 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 על הדופק עומד ביחס הפוך לאורך חלל הלייזר, והלייזר המסורתי נעול מצב גדול, קשה להשיג אותות מיקרוגל בתדר גבוה ישירות. בנוסף, הגודל, המשקל וצריכת האנרגיה של לייזרים פולסים מסורתיים, כמו גם הדרישות הסביבתיות הקשות, מגבילים בעיקר את יישומי המעבדה שלהם. כדי להתגבר על קשיים אלו, לאחרונה החל מחקר בארצות הברית ובגרמניה באמצעות אפקטים לא ליניאריים ליצירת מסרקים אופטיים יציבים בתדר בחללים אופטיים קטנים מאוד ואיכותיים במצב ציוץ, אשר בתורם מייצרים אותות מיקרוגל נמוך בתדר גבוה.

4. מתנד אלקטרוני אופטו, איור 6.

איור 6. דיאגרמה סכמטית של מתנד מצמיד פוטו-אלקטרי.

אחת השיטות המסורתיות להפקת גלי מיקרוגל או לייזרים היא שימוש בלולאה סגורה של משוב עצמי, כל עוד הרווח בלולאה הסגורה גדול מההפסד, התנודה המתרגשת מעצמה יכולה לייצר גלי מיקרוגל או לייזרים. ככל שגורם האיכות Q של הלולאה הסגורה גבוה יותר, כך שלב האות או רעש התדר שנוצר קטן יותר. על מנת להגדיל את גורם 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 מתווסף מסנן ברוחב פס צר, ניתן לקבל אות תנודת מיקרוגל בעל תדר בודד בעל רעש נמוך. מתנד מצמיד פוטו-אלקטרי הוא מקור אות מיקרוגל המבוסס על רעיון זה, הוא עושה שימוש מלא במאפייני אובדן ההתפשטות הנמוכים של הסיב, באמצעות סיב ארוך יותר לשיפור ערך הלולאה Q, יכול להפיק אות מיקרוגל עם רעש פאזה נמוך מאוד. מאז הוצעה השיטה בשנות ה-90, מתנד מסוג זה זכה למחקר מקיף ולפיתוח ניכר, וכיום קיימים מתנדים פוטו-אלקטריים מצמדים מסחריים. לאחרונה פותחו מתנדים פוטו-אלקטריים שניתן לכוונן את התדרים שלהם בטווח רחב. הבעיה העיקרית של מקורות אותות מיקרוגל המבוססים על ארכיטקטורה זו היא שהלולאה ארוכה, והרעש בזרימה החופשית שלה (FSR) ובתדר הכפול שלה יוגדל משמעותית. בנוסף, הרכיבים הפוטואלקטריים בהם משתמשים יותר, העלות גבוהה, קשה להפחית את הנפח, והסיב הארוך יותר רגיש יותר להפרעות סביבתיות.

האמור לעיל מציג בקצרה מספר שיטות ליצירת פוטואלקטרון של אותות מיקרוגל, כמו גם את היתרונות והחסרונות שלהן. לבסוף, לשימוש בפוטואלקטרונים להפקת מיקרוגל יתרון נוסף הוא שניתן להפיץ את האות האופטי דרך הסיב האופטי עם אובדן נמוך מאוד, שידור למרחקים ארוכים לכל מסוף שימוש ולאחר מכן להמיר אותות מיקרוגל, ויכולת להתנגד לאלקטרומגנטית. הפרעות משופרות משמעותית מרכיבים אלקטרוניים מסורתיים.
כתיבת מאמר זה מיועדת בעיקר להתייחסות, ובשילוב עם ניסיון המחקר והניסיון של המחבר עצמו בתחום זה, ישנם אי דיוקים וחוסר מובנות, אנא הבינו.