Optoeletrônica de micro-ondas, como o nome sugere, é a intersecção de microondas eoptoeletrônicaMicro-ondas e ondas de luz são ondas eletromagnéticas, com frequências muito diferentes, e componentes e tecnologias desenvolvidas em seus respectivos campos também são bastante distintos. Combinadas, podemos tirar proveito uma da outra, mas podemos obter novas aplicações e características que são difíceis de implementar.
Comunicação ópticaé um excelente exemplo da combinação de micro-ondas e fotoelétrons. As primeiras comunicações sem fio telefônicas e telegráficas, a geração, propagação e recepção de sinais, utilizavam dispositivos de micro-ondas. Ondas eletromagnéticas de baixa frequência foram usadas inicialmente porque a faixa de frequência era pequena e a capacidade do canal de transmissão também. A solução é aumentar a frequência do sinal transmitido; quanto maior a frequência, maiores os recursos espectrais. No entanto, a perda de sinal de alta frequência na propagação aérea é grande, mas também pode ser facilmente bloqueada por obstáculos. Se o cabo for usado, a perda de sinal é grande e a transmissão de longa distância é um problema. O surgimento da comunicação por fibra óptica é uma boa solução para esses problemas.Fibra ópticaApresenta perdas de transmissão muito baixas e é um excelente portador para transmissão de sinais a longas distâncias. A faixa de frequência das ondas de luz é muito maior do que a das micro-ondas e pode transmitir muitos canais diferentes simultaneamente. Devido a essas vantagens,transmissão óptica, a comunicação por fibra óptica se tornou a espinha dorsal da transmissão de informações atual.
A comunicação óptica tem uma longa história, com pesquisas e aplicações muito extensas e maduras. Não há mais o que dizer. Este artigo apresenta principalmente os novos conteúdos de pesquisa em optoeletrônica de micro-ondas nos últimos anos, além da comunicação óptica. A optoeletrônica de micro-ondas utiliza principalmente métodos e tecnologias na área da optoeletrônica como meio de transporte para aprimorar e alcançar o desempenho e a aplicação difíceis de serem alcançados com componentes eletrônicos de micro-ondas tradicionais. Do ponto de vista da aplicação, ela abrange principalmente os três aspectos a seguir.
O primeiro é o uso da optoeletrônica para gerar sinais de micro-ondas de alto desempenho e baixo ruído, da banda X até a banda THz.
Segundo, 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 incluem os seguintes pontos: primeiro, para frequências altas, como 100 GHz acima, a microeletrônica tradicional pode produzir cada vez menos energia; para sinais de frequências mais altas, como THz, não pode 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 faixa de conversão de frequência de modulação de frequência. Para resolver esses problemas, a tecnologia optoeletrônica pode desempenhar um papel. Os principais métodos são descritos a seguir.
1. Por meio da diferença de frequência de dois sinais de laser de frequências 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 doislasers.
As vantagens deste método são a estrutura simples, a capacidade de gerar ondas milimétricas de frequência extremamente alta e até mesmo sinais de frequência THz, e a conversão rápida de frequência e a frequência de varredura podem ser realizadas em uma ampla faixa, ajustando a frequência do laser. A desvantagem é que a largura de linha ou 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 grande largura de linha (~MHz). Se os requisitos de peso e volume do sistema não forem altos, lasers de estado sólido de baixo ruído (~kHz) podem ser usados.lasers de fibra, cavidade 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 da estabilidade da frequência de micro-ondas seja bastante melhorado.
2. Para resolver o problema de incoerência dos dois lasers no método anterior e de ruído de fase do sinal gerado ser muito grande, a coerência entre os dois lasers pode ser obtida pelo método de bloqueio de fase por injeção de frequência ou pelo circuito de bloqueio de fase por 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 usando um modulador de fase LinBO3, múltiplos 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 com bloqueio de modo. Quaisquer dois sinais de pente no pente de frequência óptica gerado são selecionados por filtragem e injetados nos lasers 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, então, pelo método de frequência de diferença, conforme descrito anteriormente, o sinal de micro-ondas de frequência múltipla da taxa de repetição do pente de frequência óptica pode ser obtido.
Figura 2. Diagrama esquemático do sinal de duplicação da frequência de micro-ondas gerado pelo bloqueio da frequência de injeção.
Outra maneira 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 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 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 filtrada e então realimentada para a unidade de controle de frequência de um dos lasers (para lasers semicondutores, é a corrente de injeção). Através de tal loop de controle de feedback negativo, a fase de frequência relativa entre os dois sinais de laser é bloqueada para o 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 que o do sinal de referência dentro da largura de banda do loop de feedback negativo de fase bloqueada. 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 do 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 de RF de alta frequência, THz.
Comparado ao bloqueio de frequência por injeção, que só permite obter a duplicação da frequência, os loops de bloqueio de fase são mais flexíveis, podem produzir frequências quase arbitrárias e, claro, são 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 de bloqueio de fase óptica é usado para bloquear seletivamente a frequência dos dois lasers para os dois sinais do pente óptico e, em seguida, gerar 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. Use o laser de pulso de modo bloqueado para converter o sinal de pulso óptico em sinal de micro-ondas por meio defotodetector.
A principal vantagem deste método é a obtenção de um sinal com excelente estabilidade de frequência e ruído de fase muito baixo. Ao fixar a frequência do laser em um espectro de transição atômico e molecular muito estável, ou em uma cavidade óptica extremamente estável, e ao utilizar o sistema de eliminação de frequência autoduplicante (frequência de deslocamento) 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 de 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 suas aplicações, principalmente em laboratório. Para superar essas dificuldades, pesquisas foram iniciadas recentemente nos Estados Unidos e na Alemanha, utilizando efeitos não lineares para gerar pentes ópticos com 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 do oscilador fotoelétrico acoplado.
Um dos métodos tradicionais de geração de micro-ondas ou lasers é usar um circuito fechado com auto-realimentação. 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 o ruído de fase ou 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 pode suportar a geração de múltiplos 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 fotoelétrico acoplado é uma fonte de sinal de micro-ondas baseada nessa ideia, que faz uso total das características de baixa perda de propagação da fibra. Usando uma fibra mais longa para melhorar o valor Q do circuito, pode 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 recebeu extensa pesquisa e considerável desenvolvimento, e atualmente existem osciladores fotoelétricos acoplados 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 que o loop é longo, e o ruído em seu fluxo livre (FSR) e sua dupla frequência será significativamente aumentado. Além disso, os componentes fotoelétricos utilizados são mais numerosos, o custo é alto, o volume é difícil de reduzir e a fibra mais longa é mais sensível a perturbações ambientais.
O texto acima apresenta brevemente vários 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 tem outra vantagem: o sinal óptico pode ser distribuído através da fibra óptica com perdas muito baixas, transmitido a longa distância para cada terminal de uso e, em seguida, convertido em sinais de micro-ondas, e a capacidade de resistir à interferência eletromagnética é significativamente melhorada em comparação com componentes eletrônicos tradicionais.
A redação deste artigo é principalmente para referência e, combinada com a experiência de pesquisa do próprio autor e experiência neste campo, há imprecisões e incompreensão, por favor, entenda.
Horário da postagem: 03/01/2024