המצב הנוכחי ונקודות חמות של יצירת אותות מיקרוגל במיקרוגל אופטו -אלקטרוניקה

מיקרוגל אופטו -אלקטרוניקה, כפי שהשם מרמז, הוא הצומת של מיקרוגל ואופטו -אלקטרוניקהו גלי מיקרוגל וגלי אור הם גלים אלקטרומגנטיים, והתדרים הם סדרי גודל רבים שונים, והרכיבים והטכנולוגיות שפותחו בשדות שלהם שונים מאוד. בשילוב, אנו יכולים לנצל אחד את השני, אך אנו יכולים לקבל יישומים ומאפיינים חדשים שקשה לממש בהתאמה.

תקשורת אופטיתהוא דוגמה עיקרית לשילוב של מיקרוגל ופוטו -אלקטרונים. תקשורת אלחוטית טלפונית וטלגרף מוקדמת, דור, התפשטות וקבלת אותות, כולם משמשים למכשירי מיקרוגל. גלים אלקטרומגנטיים בתדירות נמוכה משמשים בתחילה מכיוון שטווח התדרים קטן ויכולת התעלה להעברה קטנה. הפיתרון הוא להגדיל את תדירות האות המועבר, ככל שהתדר גבוה יותר, כך משאבי ספקטרום יותר. אך האות התדר הגבוה באובדן התפשטות האוויר הוא גדול, אך קל גם לחסום אותו על ידי מכשולים. אם משתמשים בכבל, אובדן הכבל גדול, והעברה למרחקים ארוכים היא בעיה. הופעת תקשורת סיבים אופטיים היא פיתרון טוב לבעיות אלה.סיבים אופטייםבעל אובדן שידור נמוך מאוד והוא מוביל מצוין להעברת אותות לאורך מרחקים ארוכים. טווח התדרים של גלי אור גדול בהרבה מזה של מיקרוגל ויכול להעביר ערוצים רבים ושונים בו זמנית. בגלל היתרונות הללו שלשידור אופטי, תקשורת סיבים אופטיים הפכה לעמוד השדרה של העברת המידע של ימינו.
לתקשורת אופטית היסטוריה ארוכה, מחקר ויישום הם מאוד נרחבים ובוגרים, כאן אין לומר יותר. 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 האופטואלקטרוניקה כמוביל לשיפור ולהשיג את הביצועים והיישום שקשה להשיג באמצעות רכיבים אלקטרוניים מיקרוגל מסורתיים. מנקודת המבט של היישום הוא כולל בעיקר את שלושת ההיבטים הבאים.
הראשון הוא השימוש באופטו-אלקטרוניקה ליצירת אותות מיקרוגל בעלי ביצועים גבוהים, עם רעש נמוך, מלהקת ה- X כל הדרך אל פס THZ.
שנית, עיבוד אותות מיקרוגל. כולל עיכוב, סינון, המרת תדרים, קבלה וכן הלאה.
שלישית, העברת אותות אנלוגיים.

במאמר זה, המחבר מציג רק את החלק הראשון, דור האות המיקרוגל. גל מילימטר מיקרוגל מסורתי נוצר בעיקר על ידי רכיבים מיקרו -אלקטרוניים III_V. למגבלותיו יש את הנקודות הבאות: ראשית, לתדרים גבוהים כמו 100 ג'יגה הרץ לעיל, מיקרואלקטרוניקה מסורתית יכולה לייצר פחות ופחות כוח, לאות Thz בתדירות הגבוהה יותר, הם לא יכולים לעשות דבר. שנית, על מנת להפחית את רעשי הפאזה ולשפר את יציבות התדרים, יש למקם את המכשיר המקורי בסביבת טמפרטורה נמוכה במיוחד. שלישית, קשה להשיג מגוון רחב של המרת תדר אפנון תדרים. כדי לפתור בעיות אלה, טכנולוגיה אופטו -אלקטרונית יכולה למלא תפקיד. השיטות העיקריות מתוארות להלן.

1. דרך תדירות ההבדל של שני אותות לייזר תדרים שונים, משתמשים במגוון פוטו בתדר גבוה להמרת אותות מיקרוגל, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1 איור 1. תרשים סכמטי של מיקרוגל שנוצר על ידי תדירות ההבדל של שנייםלייזרים.

היתרונות של שיטה זו הם מבנה פשוט, יכולים לייצר גל מילימטר בתדר גבוה במיוחד ואפילו אות תדר THZ, ועל ידי התאמת תדירות הלייזר יכולה לבצע מגוון גדול של המרת תדר מהיר, תדר טאטא. החיסרון הוא שרעש הקו או הרעש שלב של אות תדר ההבדל הנוצר על ידי שני אותות לייזר שאינם קשורים הוא גדול יחסית, ויציבות התדר אינה גבוהה, במיוחד אם נעשה שימוש בלייזר מוליך למחצה עם נפח קטן אלא ברעש קו גדול (~ MHz). אם דרישות נפח המשקל של המערכת אינן גבוהות, אתה יכול להשתמש בלייזרים עם רעש נמוך (~ kHz) במצב מוצק,לייזרי סיבים, חלל חיצונילייזרים מוליכים למחצהוכו '. בנוסף, ניתן להשתמש בשני מצבים שונים של אותות לייזר שנוצרו באותה חלל לייזר כדי לייצר תדר הבדל, כך שביצועי היציבות של תדר המיקרוגל ישתפרו מאוד.

2. על מנת לפתור את הבעיה ששני הלייזרים בשיטה הקודמת אינם קוהרנטיים ורעש שלב האות שנוצר הוא גדול מדי, ניתן להשיג את הקוהרנטיות בין שני הלייזרים בשיטת נעילת הנעילה של תדר הזרקה או מעגל נעילה שלב המשוב השלילי. איור 2 מציג יישום טיפוסי של נעילת הזרקה ליצירת כפילות מיקרוגל (איור 2). על ידי הזרקה ישירה של אותות זרם תדר גבוה ללייזר מוליך למחצה, או באמצעות מודולטור שלב LINBO3, ניתן לייצר אותות אופטיים מרובים של תדרים שונים עם מרווח תדרים שווה, או מסרקי תדרים אופטיים. כמובן שהשיטה הנפוצה להשגת מסרק תדרים אופטי רחב של ספקטרום היא להשתמש בלייזר נעול מצב. כל שני אותות מסרק במסרק התדרים האופטי שנוצר נבחרים על ידי סינון ומוזרקים ללייזר 1 ו -2 בהתאמה כדי לממש את הנעילה בתדירות ולשלב בהתאמה. מכיוון שהשלב בין אותות המסרק השונים של מסרק התדרים האופטי הוא יציב יחסית, כך שהשלב היחסי בין שני הלייזרים יציב, ואז בשיטת תדירות ההבדל כמתואר קודם, ניתן להשיג את אות המיקרוגל התדר הרב-פי של שיעור הסרק התדרים האופטי.

איור 2 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 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 גלאי פוטו (שווה ערך לגלאי פאזה), ואז ההבדל בין השלב בין שני הלייזרים מתקבל על ידי ביצוע תדר הבדל עם מקור האות המיקרוגל התייחסות, שהוא מוגבר ומונח ואז לאחור של יחידת בקרת התדר של אחת מהלאיזרים (עבור Semicoctor, הוא. באמצעות לולאת בקרת משוב שלילית כזו, שלב התדר היחסי בין שני אותות הלייזר נעול לאות המיקרוגל ההתייחסות. לאחר מכן ניתן להעביר את האות האופטי המשולב דרך סיבים אופטיים לסעיף פוטו במקום אחר ולהמיר לאות מיקרוגל. רעש הפאזה שהתקבל של אות המיקרוגל כמעט זהה לזה של אות ההתייחסות ברוחב הפס של לולאת המשוב השלילית הנעילה בשלב. רעש הפאזה מחוץ לרוחב הפס שווה לרעש הפאזה היחסי של שני הלייזרים המקוריים שאינם קשורים.
בנוסף, ניתן להמיר את מקור האות המיקרוגל במיקרוגל גם על ידי מקורות איתות אחרים באמצעות הכפלת תדרים, תדר מחלק או עיבוד תדרים אחר, כך שניתן יהיה להיות רב-יסודי של האות המיקרוגל בתדר הנמוך יותר, או להמיר לאותות RF, THZ בתדר גבוה.
בהשוואה לנעילת תדר הזרקה יכולה להשיג רק הכפלת תדרים, לולאות נעילות שלב גמישות יותר, יכולות לייצר תדרים כמעט שרירותיים, וכמובן מורכבים יותר. לדוגמה, מסרק התדרים האופטי שנוצר על ידי המודולטור הפוטו-אלקטרוני באיור 2 משמש כמקור האור, והלולאה הנעילה של פאזה אופטית משמשת כדי לנעול באופן סלקטיבי את התדירות של שני הליזרים לשני אותות מסרק אופטי, ואז ליצירת אותות תדרים של תדר, כמי שמוצגים על פי תדורי ה- F1 של ה- F1, של n*frep+f1+f2 יכול להיווצר על ידי תדירות ההבדל בין שני הלייזרים.

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

3. השתמש בלייזר הדופק הנעול במצב כדי להמיר אות הדופק האופטי לאות מיקרוגלגלאי פוטו.

היתרון העיקרי בשיטה זו הוא שניתן להשיג אות עם יציבות תדר טוב מאוד ורעש שלב נמוך מאוד. על ידי נעילת תדירות הלייזר לספקטרום מעבר אטומי ומולקולרי יציב מאוד, או חלל אופטי יציב במיוחד, והשימוש בשינוי תדר חיסול תדר עצמיות וטכנולוגיות אחרות, אנו יכולים להשיג אות דופק אופטי מאוד עם רעש אולטרה-אולטרה-אולטרה-אולטרה-אולטרה-ליבה, כך על ידי רעש מיקרו-ליטר. איור 5.

איור 5. השוואה בין רעש פאזה יחסית של מקורות איתות שונים.

עם זאת, מכיוון שקצב החזרת הדופק הוא ביחס הפוך לאורך החלל של הלייזר, והלייזר הנעול המצב המסורתי גדול, קשה להשיג אותות מיקרוגל בתדירות גבוהה ישירות. בנוסף, גודל, משקל ואנרגיה של לייזרים פועמים מסורתיים, כמו גם הדרישות הסביבתיות הקשות, מגבילים את יישומי המעבדה שלהם בעיקר. כדי להתגבר על קשיים אלה, המחקר החלו לאחרונה בארצות הברית ובגרמניה תוך שימוש באפקטים לא לינאריים כדי לייצר מסרקים אופטיים יציבים בתדירות בחללים אופטיים קטנים מאוד באיכות גבוהה, אשר בתורם מייצרים אותות מיקרוגל בתדירות נמוכה בתדירות גבוהה.

4. OPTO מתנד אלקטרוני, איור 6.

איור 6 איור 6. תרשים סכמטי של מתנד צמוד פוטו -אלקטרוני.

אחת השיטות המסורתיות ליצירת מיקרוגל או לייזרים היא להשתמש בלולאה סגורה של ההקפה העצמית, כל עוד הרווח בלולאה הסגורה גדול יותר מההפסד, התנודה המתובלת בעצמה יכולה לייצר מיקרוגל או לייזרים. ככל שהגורם האיכותי של ה- Q של הלולאה הסגורה גבוה יותר, כך שלב האות שנוצר או רעש תדר 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 בייצור של מספר מצבי תנודה, ואם מתווסף פילטר רוחב פס צר, ניתן להשיג אות תנודה מיקרוגל בתדר יחיד. מתנד צמוד פוטו -אלקטרוני הוא מקור אותות מיקרוגל המבוסס על רעיון זה, הוא עושה שימוש מלא במאפייני אובדן התפשטות הנמוכים של הסיב, באמצעות סיב ארוך יותר לשיפור ערך Q Loop, יכול לייצר אות מיקרוגל עם רעש שלב נמוך מאוד. מאז הוצעה השיטה בשנות התשעים, מתנד מסוג זה קיבל מחקר נרחב ופיתוח ניכר, וכיום ישנם מתנדים משולבים פוטו -אלקטרוניים מסחריים. לאחרונה, פותחו מתנדים פוטו -אלקטרוניים שפותחים על התדרים שלהם על פני מגוון רחב. הבעיה העיקרית של מקורות אותות מיקרוגל המבוססים על ארכיטקטורה זו היא שהלולאה ארוכה, והרעש בזרימה החופשית שלו (FSR) והתדירות הכפולה שלו תוגדל באופן משמעותי. בנוסף, הרכיבים הפוטואלקטריים המשמשים הם יותר, העלות גבוהה, הנפח קשה לצמצם, והסיבים הארוכים יותר רגישים יותר להפרעה סביבתית.

האמור לעיל מציג בקצרה מספר שיטות לייצור פוטו -אלקטרונים של אותות מיקרוגל, כמו גם את היתרונות והחסרונות שלהם. לבסוף, השימוש בפוטו-אלקטרונים לייצור מיקרוגל יש יתרון נוסף הוא שניתן להפיץ את האות האופטי דרך הסיב האופטי עם אובדן נמוך מאוד, העברת מרחקים ארוכים לכל מסוף שימוש ואז להמיר לאותות מיקרוגל, והיכולת להתנגד להתפרעות אלקטרומגנטית משופרת משמעותית מאשר חומרים אלקטרוניים מסורתיים.
כתיבת מאמר זה מיועדת בעיקר לעיון, ובשילוב עם ניסיון המחקר והניסיון של המחבר עצמו בתחום זה, ישנם אי דיוקים ואי -נחשיות, אנא הבינו.