Optoeletrônico de microondas, como o nome sugere, é a interseção do microondas eOptoeletrônica. Microondas e ondas leves são ondas eletromagnéticas, e as frequências são muitas ordens de magnitude diferentes, e os componentes e tecnologias desenvolvidos em seus respectivos campos são muito diferentes. Em combinação, podemos tirar proveito um do outro, mas podemos obter novos aplicativos e características difíceis de realizar, respectivamente.
Comunicação ópticaé um excelente exemplo da combinação de microondas e fotoelétrons. Comunicações sem fio telefônicas e telegráficas antecipadas, a geração, propagação e recepção de sinais, todos usavam dispositivos de microondas. As 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 é fácil de ser bloqueado por obstáculos. Se o cabo for usado, a perda do cabo é grande e a transmissão de longa distância é um problema. O surgimento da comunicação de fibra óptica é uma boa solução para esses problemas.Fibra ópticatem perda de transmissão muito baixa e é uma excelente transportadora para transmitir sinais a longas distâncias. A faixa de frequência de ondas leves é muito maior que a das microondas e pode transmitir muitos canais diferentes simultaneamente. Por causa dessas vantagens detransmissão óptica, a comunicação de fibra óptica se tornou a espinha dorsal da transmissão de informações atuais.
A comunicação óptica tem uma longa história, pesquisa e aplicação são muito extensas e maduras, aqui não é dizer mais. Este artigo apresenta principalmente o novo conteúdo de pesquisa da optoeletrônica de microondas nos últimos anos, exceto a comunicação óptica. O microondas optoeletrônico usa principalmente os métodos e tecnologias no campo da optoeletrônica como transportadora para melhorar e alcançar o desempenho e a aplicação difíceis de alcançar com os componentes eletrônicos tradicionais de microondas. Do ponto de vista da aplicação, inclui principalmente os três aspectos a seguir.
O primeiro é o uso de optoeletrônicos para gerar sinais de microondas de alto desempenho e baixo ruído, da banda X até a banda THZ.
Segundo, processamento de sinal de microondas. Incluindo atraso, filtragem, conversão de frequência, recebimento e assim por diante.
Terceiro, a transmissão de sinais analógicos.
Neste artigo, o autor apresenta apenas a primeira parte, a geração de sinal de microondas. A onda tradicional de milímetro de microondas é gerada principalmente por componentes microeletrônicos III_V. Suas limitações têm os seguintes pontos: primeiro, a altas frequências, como 100 GHz acima, os microeletrônicos tradicionais podem produzir cada vez menos energia, para o sinal THz de maior frequência, eles não podem fazer nada. Segundo, para reduzir o ruído de fase e melhorar a estabilidade da frequência, o dispositivo original precisa ser colocado em um ambiente de temperatura extremamente baixa. Terceiro, é difícil obter uma ampla gama de conversão de frequência de modulação de frequência. Para resolver esses problemas, a tecnologia optoeletrônica pode desempenhar um papel. Os principais métodos são descritos abaixo.
1. Através da frequência da diferença de dois sinais de laser de frequência diferentes, um fotodetector de alta frequência é usado para converter sinais de microondas, como mostra a Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de microondas geradas pela frequência de diferença de doislasers.
As vantagens desse método são uma estrutura simples, podem gerar onda milímetro de frequência extremamente alta e até o sinal de frequência THz e, ajustando a frequência do laser, pode realizar uma grande variedade de conversão de frequência rápida, frequência de varredura. A desvantagem é que a largura de linha ou o ruído de fase do sinal de frequência de diferença gerado por dois sinais de laser não relacionados é relativamente grande, e a estabilidade da frequência não é alta, especialmente se for utilizado um laser semicondutor com um pequeno volume, mas uma grande largura de linha (~ MHz) for usada. Se os requisitos de volume de peso do sistema não forem altos, você poderá usar lasers de estado sólido de baixo ruído (~ kHz),lasers de fibra, cavidade externaLasers semicondutores, etc. Além disso, dois modos diferentes de sinais de laser gerados na mesma cavidade a laser também podem ser usados para gerar uma frequência de diferença, para que o desempenho da estabilidade da frequência do microondas seja bastante aprimorado.
2. Para resolver o problema de que os dois lasers no método anterior são incoerentes e o ruído da fase de sinal gerado é muito grande, a coerência entre os dois lasers pode ser obtida pelo método de travamento de fase de travamento da frequência de injeção ou pelo circuito de travamento de fase de feedback negativo. A Figura 2 mostra uma aplicação típica de bloqueio de injeção para gerar múltiplos de microondas (Figura 2). Ao injetar 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 bloqueado no modo. Quaisquer dois sinais de pente no pente de frequência óptica gerada são selecionados filtrando e injetados no laser 1 e 2, respectivamente, para realizar a frequência e o travamento de fases, 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, em seguida, pelo método de frequência de diferença, conforme descrito anteriormente, o sinal de microondas de frequência múltipla da frequência óptica de frequência pode ser obtida.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicação de frequência de microondas gerado pelo bloqueio da frequência de injeção.
Outra maneira de reduzir o ruído de fase relativa dos dois lasers é usar um PLL óptico de feedback negativo, como mostra a Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático do OPL.
O princípio do PLL óptico é semelhante ao de PLL no campo da eletrônica. A diferença de fase dos dois lasers é convertida em um sinal elétrico por um fotodetector (equivalente a um detector de fase) e, em seguida, a diferença de fase entre os dois lasers é obtida ao fazer uma diferença de frequência com uma fonte de sinal de microondas de referência, que é amplificada e filtrada e depois fed de volta à unidade de frequência de uma das lasers (para semicora. Através de um loop de controle de feedback tão negativo, a fase de frequência relativa entre os dois sinais de laser é bloqueada no sinal de microondas de referência. O sinal óptico combinado pode ser transmitido através de fibras ópticas para um fotodetector em outros lugares e convertido em um sinal de microondas. O ruído de fase resultante do sinal de microondas é quase o mesmo do sinal de referência dentro da largura de banda do loop de feedback negativo bloqueado de fase. O ruído de fase fora da largura de banda é igual ao ruído de fase relativo dos dois lasers não relacionados.
Além disso, a fonte de sinal de microondas de referência também pode ser convertida por outras fontes de sinal através da duplicação de frequência, frequência do divisor ou outro processamento de frequência, para que o sinal de microondas de baixa frequência possa ser multidous ou convertido em RF de alta frequência, THz.
Comparado ao bloqueio de frequência de injeção, só pode obter duplicação de frequência, os loops bloqueados de fase são mais flexíveis, podem produzir frequências quase arbitrárias e, é claro, mais complexo. Por exemplo, a frequência óptica combinada gerada pelo modulador fotoelétrico na Figura 2 é usada como fonte de luz, e o loop óptico de bloqueio de fase é usado para bloquear seletivamente a frequência dos dois lasers nos dois sinais de combinação óptica e, em seguida, os sinais de alta frequência da frequência de diferença, como mostrado na Figura 4. F1 e F2 são os sinalizadores de alta frequência, como mostrado na Figura 4. N*FREP+F1+F2 pode ser gerado pela frequência da diferença entre os dois lasers.
Figura 4. Diagrama esquemático de geração de frequências arbitrárias usando peças e PLLs de frequência óptica.
3. Use o laser de pulso bloqueado no modo para converter o sinal de pulso óptico em sinal de microondas através defotodetector.
A principal vantagem desse método é que um sinal com estabilidade de frequência muito boa e ruído de fase muito baixo pode ser obtido. Ao travar a frequência do laser em um espectro de transição atômica e molecular muito estável, ou uma cavidade óptica extremamente estável, e o uso de uma mudança de frequência do sistema de eliminação de frequência de auto-obstrução e outras tecnologias, podemos obter um sinal de pulso óptico muito estável com um sinal de repetição muito estável, como a obtenção de uma microwave estável com um sinal de ultimidade estável. Figura 5.
Figura 5. Comparação do ruído de fase relativa de diferentes fontes de sinal.
No entanto, como a taxa de repetição de pulso é inversamente proporcional ao comprimento da cavidade do laser, e o laser tradicional com bloqueio de modo é grande, é difícil obter diretamente os sinais de microondas de alta frequência. Além disso, o tamanho, o peso e o consumo de energia dos lasers pulsados tradicionais, bem como os severos requisitos ambientais, limitam suas aplicações principalmente de laboratório. Para superar essas dificuldades, a pesquisa começou recentemente nos Estados Unidos e na Alemanha usando efeitos não lineares para gerar pentes ópticos estáveis em frequência em cavidades ópticas de modo Chirp muito pequenas e de alta qualidade, que por sua vez geram sinais de microondas de baixa frequência de alta frequência.
4. OCTO OSCILLADOR ELETRONAL, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático do oscilador acoplado fotoelétrico.
Um dos métodos tradicionais de geração de microondas ou lasers é usar um loop fechado de auto-feedback, desde que o ganho no loop fechado seja maior que a perda, a oscilação auto-excitada pode produzir microondas ou lasers. Quanto maior o fator de qualidade q do loop fechado, menor a fase de sinal gerada ou ruído de frequência. Para aumentar o fator de qualidade do loop, a maneira direta é aumentar o comprimento do loop e minimizar a perda de propagação. No entanto, um loop mais longo geralmente pode suportar a geração de múltiplos modos de oscilação e, se um filtro de largura de banda estreita for adicionada, pode ser obtido um sinal de oscilação de baixo ruído de baixa frequência único. O oscilador acoplado fotoelétrico é uma fonte de sinal de microondas com base nessa idéia, ele faz uso total das características de baixa perda de propagação da fibra, usando uma fibra mais longa para melhorar o valor do loop Q, pode produzir um sinal de microondas com ruído de fase muito baixo. Desde que o método foi proposto na década de 1990, esse tipo de oscilador recebeu extensa pesquisa e desenvolvimento considerável, e atualmente existem osciladores de acoplamento fotoelétrico comercial. Mais recentemente, os osciladores fotoelétricos cujas frequências podem ser ajustadas em uma ampla faixa foram desenvolvidas. O principal problema das fontes de sinal de microondas com base nessa arquitetura é que o loop é longo e o ruído em seu fluxo livre (FSR) e sua dupla frequência aumentarão significativamente. Além disso, os componentes fotoelétricos utilizados são mais, o custo é alto, o volume é difícil de reduzir e a fibra mais longa é mais sensível aos distúrbios ambientais.
O acima introduz brevemente vários métodos de geração de fotoelétrons de sinais de microondas, bem como suas vantagens e desvantagens. Finalmente, o uso de fotoelétrons para produzir microondas tem outra vantagem é que o sinal óptico pode ser distribuído através da fibra óptica com transmissão de perda muito baixa, de longa distância para cada terminal de uso e depois convertida em sinais de microondas, e a capacidade de resistir à interferência eletromagnética é significativamente melhorada que os componentes eletrônicos tradicionais.
A redação deste artigo é principalmente para referência e combinada com a própria experiência e experiência de pesquisa do autor neste campo, existem imprecisões e incompreensividade, por favor, entenda.
Hora de postagem: Jan-03-2024