optoeletrônica de micro-ondas, como o nome sugere, é a interseção de micro-ondas eoptoeletrônicaAs micro-ondas e as ondas de luz são ondas eletromagnéticas, com frequências que diferem em muitas ordens de magnitude, e os componentes e tecnologias desenvolvidos em seus respectivos campos são muito distintos. Combinando-as, podemos tirar proveito uma da outra, obtendo novas aplicações e características difíceis de serem alcançadas individualmente.
Comunicação ópticaé um excelente exemplo da combinação de micro-ondas e fotoelétrons. As primeiras comunicações sem fio por telefone e telégrafo, a geração, propagação e recepção de sinais, utilizavam dispositivos de micro-ondas. Ondas eletromagnéticas de baixa frequência eram usadas inicialmente porque a faixa de frequência era pequena e a capacidade do canal para transmissão também era limitada. A solução era aumentar a frequência do sinal transmitido; quanto maior a frequência, mais recursos de espectro disponíveis. No entanto, o sinal de alta frequência sofre grandes perdas de propagação no ar, além de ser facilmente bloqueado por obstáculos. Se um cabo fosse usado, as perdas seriam grandes e a transmissão a longa distância seria um problema. O surgimento da comunicação por fibra óptica foi uma boa solução para esses problemas.Fibra ópticaA luz possui baixíssima perda de transmissão e é uma excelente portadora para transmitir sinais a longas distâncias. A faixa de frequência das ondas de luz é muito maior que a das micro-ondas e pode transmitir muitos canais diferentes simultaneamente. Devido a essas vantagens,transmissão ópticaA comunicação por fibra óptica tornou-se a espinha dorsal da transmissão de informações na atualidade.
A comunicação óptica possui uma longa história, com pesquisas e aplicações extensas e consolidadas, não sendo necessário mais detalhar esse tema. Este artigo apresenta principalmente o conteúdo das novas pesquisas em optoeletrônica de micro-ondas nos últimos anos, além da comunicação óptica. A optoeletrônica de micro-ondas utiliza principalmente métodos e tecnologias da área de optoeletrônica como base para aprimorar e alcançar desempenhos e aplicações que seriam difíceis de obter com componentes eletrônicos de micro-ondas tradicionais. Do ponto de vista da aplicação, ela abrange principalmente os três aspectos a seguir.
A primeira é a utilização da optoeletrônica para gerar sinais de micro-ondas de alto desempenho e baixo ruído, desde a banda X até a banda de THz.
Em segundo lugar, o processamento de sinais de micro-ondas. 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. As ondas milimétricas tradicionais de micro-ondas são geradas principalmente por componentes microeletrônicos III-V. Suas limitações são as seguintes: Primeiro, para frequências altas, como acima de 100 GHz, a microeletrônica tradicional produz cada vez menos potência e, para sinais de THz de frequência ainda mais alta, torna-se ineficaz. Segundo, para reduzir o ruído de fase e melhorar a estabilidade da frequência, o dispositivo precisa ser colocado em um ambiente de temperatura extremamente baixa. Terceiro, é difícil obter uma ampla faixa de modulação e conversão de frequência. Para solucionar esses problemas, a tecnologia optoeletrônica pode desempenhar um papel importante. Os principais métodos são descritos a seguir.
1. Através da diferença de frequência entre dois sinais de laser de frequências diferentes, um fotodetector de alta frequência é usado para converter sinais de micro-ondas, como mostrado na Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de micro-ondas geradas pela diferença de frequência de dois pulsos.lasers.
As vantagens desse método são a estrutura simples, a capacidade de gerar sinais de ondas milimétricas de frequência extremamente alta e até mesmo de frequência de terahertz (THz), e, ajustando a frequência do laser, a possibilidade de realizar uma ampla faixa de conversão de frequência rápida e varredura de frequência. A desvantagem é que a largura de linha ou o ruído de fase do sinal de diferença de frequência gerado por dois sinais de laser não relacionados é relativamente grande, e a estabilidade de frequência não é alta, especialmente se for utilizado um laser semicondutor com pequeno volume, mas com grande largura de linha (~MHz). Se os requisitos de peso e volume do sistema não forem elevados, pode-se utilizar lasers de estado sólido de baixo ruído (~kHz).lasers de fibracavidade externalasers semicondutores, etc. Além 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 de estabilidade da frequência de micro-ondas seja bastante melhorado.
2. Para solucionar o problema da incoerência entre os dois lasers no método anterior e do ruído de fase excessivo gerado, a coerência entre eles pode ser obtida pelo método de bloqueio de fase por injeção de frequência ou pelo circuito de bloqueio de fase com realimentação negativa. A Figura 2 mostra uma aplicação típica do bloqueio por injeção para gerar múltiplos de micro-ondas (Figura 2). Injetando diretamente sinais de corrente de alta frequência em um laser semicondutor, ou utilizando um modulador de fase LinBO3, é possível gerar múltiplos sinais ópticos de diferentes frequências com espaçamento de frequência igual, ou pentes de frequência óptica. Naturalmente, o método mais comum para obter um pente de frequência óptica de amplo espectro é utilizar um laser com bloqueio de modo. Quaisquer dois sinais do pente de frequência óptica gerado são selecionados por filtragem e injetados nos lasers 1 e 2, respectivamente, para realizar o bloqueio de frequência e de fase. Como a fase entre os diferentes sinais do pente de frequências ópticas é relativamente estável, a fase relativa entre os dois lasers também é estável. Assim, pelo método de diferença de frequência descrito anteriormente, é possível obter o sinal de micro-ondas de frequência múltipla da taxa de repetição do pente de frequências ópticas.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicação de frequência de micro-ondas gerado por injeção de frequência de bloqueio.
Outra forma de reduzir o ruído de fase relativo dos dois lasers é usar um PLL óptico com realimentação negativa, como mostrado na Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático da OPL.
O princípio do PLL óptico é semelhante ao do PLL na área da eletrônica. A diferença de fase entre dois lasers é convertida em um sinal elétrico por um fotodetector (equivalente a um detector de fase). Em seguida, a diferença de fase entre os dois lasers é obtida pela geração de uma diferença de frequência com uma fonte de sinal de micro-ondas de referência, que é amplificada, filtrada e então realimentada à unidade de controle de frequência de um dos lasers (para lasers semicondutores, trata-se da corrente de injeção). Através desse circuito de controle de realimentação negativa, a fase relativa entre os dois sinais de laser é sincronizada com o sinal de micro-ondas de referência. O sinal óptico combinado pode então ser transmitido por fibras ópticas até um fotodetector em outro local e convertido em um sinal de micro-ondas. O ruído de fase resultante do sinal de micro-ondas é quase o mesmo que o do sinal de referência dentro da largura de banda do circuito de realimentação negativa de fase sincronizada. O ruído de fase fora da largura de banda é igual ao ruído de fase relativo dos dois lasers originais não relacionados.
Além disso, a fonte de sinal de micro-ondas de referência também pode ser convertida por outras fontes de sinal através de duplicação de frequência, divisor de frequência ou outro processamento de frequência, de modo que o sinal de micro-ondas de baixa frequência possa ser duplicado ou convertido em sinais de RF e THz de alta frequência.
Em comparação com o bloqueio de frequência por injeção, que só permite a duplicação de frequência, os circuitos de bloqueio de fase (PLLs) são mais flexíveis, podendo produzir frequências praticamente arbitrárias e, naturalmente, mais complexos. Por exemplo, o pente de frequências ópticas gerado pelo modulador fotoelétrico na Figura 2 é usado como fonte de luz, e o PLL óptico é utilizado para bloquear seletivamente a frequência dos dois lasers aos dois sinais do pente óptico, gerando então sinais de alta frequência através da diferença de frequência, como mostrado na Figura 4. f1 e f2 são as frequências de referência dos dois PLLs, respectivamente, e um sinal de micro-ondas de N*frep+f1+f2 pode ser gerado pela diferença de frequência entre os dois lasers.
Figura 4. Diagrama esquemático da geração de frequências arbitrárias usando pentes de frequência óptica e PLLS.
3. Utilize um laser de pulsos com bloqueio de modo para converter um sinal de pulso óptico em um sinal de micro-ondas através defotodetector.
A principal vantagem deste método é a obtenção de um sinal com excelente estabilidade de frequência e baixíssimo ruído de fase. Ao sincronizar a frequência do laser com um espectro de transição atômica e molecular muito estável, ou com uma cavidade óptica extremamente estável, e utilizando tecnologias como o deslocamento de frequência por eliminação de autoduplicação, podemos obter um sinal de pulso óptico muito estável com uma frequência de repetição também muito estável, resultando em 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 de pulsos é inversamente proporcional ao comprimento da cavidade do laser, e o laser de modo travado tradicional 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 as exigências ambientais rigorosas, limitam suas aplicações principalmente em laboratório. Para superar essas dificuldades, pesquisas recentes começaram nos Estados Unidos e na Alemanha utilizando 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 micro-ondas de alta frequência e baixo ruído.
4. Oscilador optoeletrônico, Figura 6.
Figura 6. Diagrama esquemático de um oscilador acoplado fotoeletricamente.
Um dos métodos tradicionais de geração de micro-ondas ou lasers é o uso de um circuito fechado com realimentação automática. Desde que o ganho no circuito fechado seja maior que a perda, a oscilação autoexcitada pode produzir micro-ondas ou lasers. Quanto maior o fator de qualidade Q do circuito fechado, menor será o ruído de fase ou de frequência do sinal gerado. Para aumentar o fator de qualidade do circuito, a maneira direta é aumentar o comprimento do circuito e minimizar a perda de propagação. No entanto, um circuito mais longo geralmente suporta a geração de múltiplos modos de oscilação e, se um filtro de banda estreita for adicionado, um sinal de oscilação de micro-ondas de baixo ruído e frequência única pode ser obtido. O oscilador fotoelétrico acoplado é uma fonte de sinal de micro-ondas baseada nessa ideia, que aproveita ao máximo as características de baixa perda de propagação da fibra óptica. Utilizando uma fibra mais longa para melhorar o valor Q do circuito, é possível produzir um sinal de micro-ondas com ruído de fase muito baixo. Desde que o método foi proposto na década de 1990, esse tipo de oscilador tem sido alvo de extensa pesquisa e considerável desenvolvimento, e atualmente existem osciladores 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 nessa arquitetura é o comprimento da espira, o que aumenta significativamente o ruído em seu intervalo espectral livre (FSR) e em sua frequência dupla. Além disso, o uso de componentes fotoelétricos é mais frequente, o custo é elevado, o volume é difícil de reduzir e fibras mais longas são mais sensíveis a interferências ambientais.
O texto acima apresenta brevemente diversos métodos de geração de sinais de micro-ondas por fotoelétrons, bem como suas vantagens e desvantagens. Por fim, o uso de fotoelétrons para produzir micro-ondas apresenta outra vantagem: o sinal óptico pode ser distribuído por fibra óptica com baixíssima perda, transmitido a longas distâncias até cada terminal de uso e, em seguida, convertido em sinais de micro-ondas. Além disso, a capacidade de resistir a interferências eletromagnéticas é significativamente maior do que a dos componentes eletrônicos tradicionais.
A redação deste artigo tem como objetivo principal servir de referência e, combinada com a experiência e pesquisa do próprio autor nesta área, pode conter imprecisões e lacunas. Pedimos a sua compreensão.
Data da publicação: 03/01/2024