Optoeletrônica de microondas, como o nome sugere, é a interseção de microondas eoptoeletrônica. Microondas e ondas de luz são ondas eletromagnéticas, e as frequências são diferentes em muitas ordens de magnitude, e os componentes e tecnologias desenvolvidos em seus respectivos campos são muito diferentes. Combinados, podemos tirar vantagem uns dos outros, mas podemos obter novas aplicações e características que são difíceis de realizar, respectivamente.
Comunicação ópticaé um excelente exemplo da combinação de microondas e fotoelétrons. As primeiras comunicações sem fio telefônicas e telegráficas, a geração, propagação e recepção de sinais, todos usavam dispositivos de microondas. Ondas eletromagnéticas de baixa frequência são usadas inicialmente porque a faixa de frequência é pequena e a capacidade do canal para transmissão é pequena. A solução é aumentar a frequência do sinal transmitido, quanto maior a frequência, mais recursos de espectro. Mas o sinal de alta frequência na perda de propagação do ar é grande, mas também fácil de ser bloqueado por obstáculos. Se o cabo for usado, a perda do cabo será grande e a transmissão de longa distância será um problema. O surgimento da comunicação por fibra óptica é uma boa solução para esses problemas.Fibra ópticatem perda de transmissão muito baixa e é um excelente portador para transmissão de sinais em longas distâncias. A faixa de frequência das ondas de luz é muito maior que a das microondas e pode transmitir muitos canais diferentes simultaneamente. Por causa dessas vantagenstransmissão óptica, a comunicação por fibra óptica tornou-se a espinha dorsal da transmissão de informações atual.
A comunicação óptica tem uma longa história, a pesquisa e a aplicação são muito extensas e maduras, sem dizer mais nada. Este artigo apresenta principalmente o novo conteúdo de pesquisa em optoeletrônica de microondas nos últimos anos, além da comunicação óptica. A optoeletrônica de microondas usa principalmente os métodos e tecnologias no campo da optoeletrônica como portador para melhorar e alcançar o desempenho e a aplicação que são difíceis de alcançar com os componentes eletrônicos de microondas tradicionais. Do ponto de vista da aplicação, inclui principalmente os três aspectos a seguir.
A primeira é o uso da optoeletrônica para gerar sinais de micro-ondas de alto desempenho e baixo ruído, desde a banda X até a banda THz.
Em segundo lugar, o processamento de sinais de microondas. Incluindo atraso, filtragem, conversão de frequência, recepção e assim por diante.
Terceiro, a transmissão de sinais analógicos.
Neste artigo o autor apresenta apenas a primeira parte, a geração do sinal de micro-ondas. A onda milimétrica de micro-ondas tradicional é gerada principalmente por componentes microeletrônicos iii_V. Suas limitações têm os seguintes pontos: Primeiro, para altas frequências como 100 GHz acima, a microeletrônica tradicional pode produzir cada vez menos energia; para o sinal THz de frequência mais alta, eles não podem fazer nada. Em segundo lugar, para reduzir o ruído de fase e melhorar a estabilidade da frequência, o dispositivo original precisa ser colocado num ambiente de temperatura extremamente baixa. Terceiro, é difícil conseguir uma ampla faixa de conversão de frequência de modulação de frequência. Para resolver estes problemas, a tecnologia optoeletrônica pode desempenhar um papel. Os principais métodos são descritos abaixo.
1. Através da diferença de frequência de dois sinais de laser de frequência diferentes, um fotodetector de alta frequência é usado para converter sinais de micro-ondas, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de microondas geradas pela diferença de frequência de doislaser.
As vantagens deste método são a estrutura simples, pode gerar ondas milimétricas de frequência extremamente alta e até mesmo sinal de frequência THz, e ajustando a frequência do laser pode realizar uma grande faixa de conversão rápida de frequência, frequência de varredura. A desvantagem é que a largura de linha ou ruído de fase do sinal de frequência de diferença gerado por dois sinais de laser não relacionados é relativamente grande e a estabilidade de frequência não é alta, especialmente se um laser semicondutor com um volume pequeno, mas uma largura de linha grande (~MHz) for usado. Se os requisitos de volume e peso do sistema não forem altos, você poderá usar lasers de estado sólido de baixo ruído (~kHz),lasers de fibra, cavidade externalasers semicondutoresAlém disso, dois modos diferentes de sinais de laser gerados na mesma cavidade de laser também podem ser usados para gerar uma frequência diferente, de modo que o desempenho da estabilidade da frequência de micro-ondas seja bastante melhorado.
2. Para resolver o problema de que os dois lasers no método anterior são incoerentes e o ruído de fase do sinal gerado é muito grande, a coerência entre os dois lasers pode ser obtida pelo método de bloqueio de fase de bloqueio de frequência de injeção ou pela fase de feedback negativo circuito de bloqueio. A Figura 2 mostra uma aplicação típica de bloqueio de injeção para gerar múltiplos de microondas (Figura 2). Injetando diretamente sinais de corrente de alta frequência em um laser semicondutor ou usando um modulador de fase LinBO3, vários sinais ópticos de diferentes frequências com espaçamento de frequência igual podem ser gerados, ou pentes de frequência óptica. Obviamente, o método comumente usado para obter um pente de frequência óptica de amplo espectro é usar um laser de modo bloqueado. Quaisquer dois sinais de pente no pente de frequência óptica gerado são selecionados por filtragem e injetados no laser 1 e 2, respectivamente, para realizar o bloqueio de frequência e fase, respectivamente. Como a fase entre os diferentes sinais de pente do pente de frequência óptica é relativamente estável, de modo que a fase relativa entre os dois lasers é estável, e então pelo método de diferença de frequência conforme descrito antes, o sinal de micro-ondas de frequência múltipla do a taxa de repetição do pente de frequência óptica pode ser obtida.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicação de frequência de micro-ondas gerado pelo bloqueio de frequência de injeção.
Outra forma de reduzir o ruído de fase relativo dos dois lasers é usar um PLL óptico de feedback negativo, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático do OPL.
O princípio do PLL óptico é semelhante ao do PLL na área de eletrônica. A diferença de fase dos dois lasers é convertida em sinal elétrico por um fotodetector (equivalente a um detector de fase), e então a diferença de fase entre os dois lasers é obtida fazendo uma diferença de frequência com uma fonte de sinal de micro-ondas de referência, que é amplificada e filtrado e então realimentado para a unidade de controle de frequência de um dos lasers (para lasers semicondutores, é a corrente de injeção). Através de um circuito de controle de feedback negativo, a fase de frequência relativa entre os dois sinais de laser é travada no sinal de micro-ondas de referência. O sinal óptico combinado pode então ser transmitido através de fibras ópticas para um fotodetector em outro lugar e convertido em um sinal de micro-ondas. O ruído de fase resultante do sinal de micro-ondas é quase o mesmo do sinal de referência dentro da largura de banda do circuito de realimentação negativa com fase bloqueada. O ruído de fase fora da largura de banda é igual ao ruído de fase relativo dos dois lasers não relacionados originais.
Além disso, a fonte de sinal de micro-ondas de referência também pode ser convertida por outras fontes de sinal por meio de duplicação de frequência, frequência divisora ou outro processamento de frequência, de modo que o sinal de micro-ondas de frequência mais baixa possa ser multiduplicado ou convertido em sinais RF de alta frequência, THz.
Em comparação com o bloqueio de frequência de injeção só pode obter duplicação de frequência, os loops de bloqueio de fase são mais flexíveis, podem produzir frequências quase arbitrárias e, claro, mais complexos. Por exemplo, o pente de frequência óptica gerado pelo modulador fotoelétrico na Figura 2 é usado como fonte de luz, e o loop óptico de fase bloqueada é usado para bloquear seletivamente a frequência dos dois lasers nos dois sinais de pente óptico e, em seguida, gerar sinais de alta frequência através da frequência de diferença, conforme mostrado na Figura 4. f1 e f2 são as frequências de sinal de referência dos dois PLLS respectivamente, e um sinal de microondas de N*frep+f1+f2 pode ser gerado pela diferença de frequência entre o dois lasers.
Figura 4. Diagrama esquemático de geração de frequências arbitrárias usando pentes de frequência óptica e PLLS.
3. Use laser de pulso com modo bloqueado para converter sinal de pulso óptico em sinal de micro-ondas atravésfotodetector.
A principal vantagem deste método é que pode ser obtido um sinal com estabilidade de frequência muito boa e ruído de fase muito baixo. Ao bloquear a frequência do laser em um espectro de transição atômica e molecular muito estável, ou em uma cavidade óptica extremamente estável, e ao usar o sistema de eliminação de frequência de auto-duplicação, mudança de frequência e outras tecnologias, podemos obter um sinal de pulso óptico muito estável com uma frequência de repetição muito estável, de modo a obter um sinal de micro-ondas com ruído de fase ultrabaixo. Figura 5.
Figura 5. Comparação do ruído de fase relativo de diferentes fontes de sinal.
No entanto, como a taxa de repetição do pulso é inversamente proporcional ao comprimento da cavidade do laser, e o laser tradicional com modo bloqueado é grande, é difícil obter sinais de micro-ondas de alta frequência diretamente. Além disso, o tamanho, o peso e o consumo de energia dos lasers pulsados tradicionais, bem como os rigorosos requisitos ambientais, limitam as suas aplicações principalmente em laboratório. Para superar essas dificuldades, pesquisas começaram recentemente nos Estados Unidos e na Alemanha usando efeitos não lineares para gerar pentes ópticos de frequência estável em cavidades ópticas de modo chirp muito pequenas e de alta qualidade, que por sua vez geram sinais de microondas de alta frequência e baixo ruído.
4. Oscilador optoeletrônico, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático do oscilador acoplado fotoelétrico.
Um dos métodos tradicionais de geração de microondas ou lasers é usar um circuito fechado de autofeedback, desde que o ganho no circuito fechado seja maior que a perda, a oscilação autoexcitada pode produzir microondas ou lasers. Quanto maior o fator de qualidade Q do circuito fechado, menor será a fase do sinal gerado ou o ruído de frequência. Para aumentar o fator de qualidade do loop, o caminho direto é aumentar o comprimento do loop e minimizar a perda de propagação. No entanto, um loop mais longo geralmente pode suportar a geração de vários modos de oscilação e, se um filtro de largura de banda estreita for adicionado, um sinal de oscilação de micro-ondas de baixo ruído e frequência única pode ser obtido. O oscilador acoplado fotoelétrico é uma fonte de sinal de micro-ondas baseada nesta ideia, faz pleno uso das características de baixa perda de propagação da fibra, usando uma fibra mais longa para melhorar o valor Q do loop, pode produzir um sinal de micro-ondas com ruído de fase muito baixo. Desde que o método foi proposto na década de 1990, este tipo de oscilador recebeu extensa pesquisa e considerável desenvolvimento, e atualmente existem osciladores acoplados fotoelétricos comerciais. Mais recentemente, foram desenvolvidos osciladores fotoelétricos cujas frequências podem ser ajustadas em uma ampla faixa. O principal problema das fontes de sinal de micro-ondas baseadas nesta arquitetura é que o loop é longo e o ruído em seu fluxo livre (FSR) e sua frequência dupla aumentarão significativamente. Além disso, os componentes fotoelétricos utilizados são maiores, o custo é alto, o volume é difícil de reduzir e a fibra mais longa é mais sensível às perturbações ambientais.
O texto acima apresenta brevemente vários métodos de geração de fotoelétrons de sinais de microondas, bem como suas vantagens e desvantagens. Finalmente, o uso de fotoelétrons para produzir micro-ondas tem outra vantagem é que o sinal óptico pode ser distribuído através da fibra óptica com perda muito baixa, transmissão de longa distância para cada terminal de uso e depois convertido em sinais de micro-ondas, e a capacidade de resistir eletromagnético a interferência é significativamente melhorada do que os componentes eletrônicos tradicionais.
A redação deste artigo é principalmente para referência e, combinada com a experiência de pesquisa e experiência do próprio autor neste campo, existem imprecisões e incompreensibilidades, por favor, entenda.
Horário da postagem: 03/01/2024