Quang điện tử vi sóngNhư tên gọi cho thấy, đây là sự giao thoa giữa vi sóng và...quang điện tửSóng vi ba và sóng ánh sáng là sóng điện từ, tần số của chúng khác nhau nhiều bậc độ lớn, và các thành phần cũng như công nghệ được phát triển trong lĩnh vực tương ứng của chúng rất khác nhau. Khi kết hợp, chúng ta có thể tận dụng lợi thế của nhau, nhưng cũng có thể tạo ra những ứng dụng và đặc tính mới mà khó có thể thực hiện được nếu tách riêng lẻ.
Truyền thông quang họcĐây là một ví dụ điển hình về sự kết hợp giữa vi sóng và quang điện tử. Trong các hệ thống liên lạc không dây như điện thoại và điện báo thời kỳ đầu, việc tạo ra, truyền tải và thu nhận tín hiệu đều sử dụng các thiết bị vi sóng. Ban đầu, sóng điện từ tần số thấp được sử dụng vì dải tần hẹp và dung lượng kênh truyền tải nhỏ. Giải pháp là tăng tần số của tín hiệu truyền tải, tần số càng cao thì tài nguyên phổ càng lớn. Tuy nhiên, tín hiệu tần số cao bị suy hao lớn khi truyền trong không khí, đồng thời dễ bị cản trở bởi các vật cản. Nếu sử dụng cáp, tổn hao do cáp lớn, và việc truyền tải đường dài gặp khó khăn. Sự ra đời của truyền thông cáp quang là một giải pháp tốt cho những vấn đề này.Sợi quangÁnh sáng có tổn hao truyền dẫn rất thấp và là một phương tiện tuyệt vời để truyền tín hiệu trên khoảng cách xa. Dải tần số của sóng ánh sáng rộng hơn nhiều so với vi sóng và có thể truyền nhiều kênh khác nhau cùng một lúc. Chính vì những ưu điểm này của ánh sáng,truyền quang họcNhờ đó, truyền thông cáp quang đã trở thành xương sống của việc truyền tải thông tin hiện nay.
Truyền thông quang học có lịch sử lâu đời, nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi và trưởng thành, không cần phải nói thêm gì nữa. Bài báo này chủ yếu giới thiệu nội dung nghiên cứu mới về quang điện tử vi sóng trong những năm gần đây ngoài lĩnh vực truyền thông quang học. Quang điện tử vi sóng chủ yếu sử dụng các phương pháp và công nghệ trong lĩnh vực quang điện tử làm nền tảng để cải thiện và đạt được hiệu suất và ứng dụng khó có thể đạt được với các linh kiện điện tử vi sóng truyền thống. Từ góc độ ứng dụng, nó chủ yếu bao gồm ba khía cạnh sau.
Thứ nhất là việc sử dụng quang điện tử để tạo ra các tín hiệu vi sóng hiệu suất cao, độ nhiễu thấp, từ băng tần X đến băng tần THz.
Thứ hai, xử lý tín hiệu vi sóng. Bao gồm độ trễ, lọc, chuyển đổi tần số, thu tín hiệu, v.v.
Thứ ba, việc truyền tín hiệu tương tự.
Trong bài viết này, tác giả chỉ giới thiệu phần đầu tiên, đó là việc tạo ra tín hiệu vi sóng. Vi sóng milimét truyền thống chủ yếu được tạo ra bởi các linh kiện vi điện tử iii_V. Những hạn chế của nó gồm các điểm sau: Thứ nhất, đối với tần số cao như trên 100GHz, các vi điện tử truyền thống chỉ có thể tạo ra công suất ngày càng thấp, đối với tín hiệu THz tần số cao hơn, chúng hoàn toàn không thể làm được. Thứ hai, để giảm nhiễu pha và cải thiện độ ổn định tần số, thiết bị cần được đặt trong môi trường nhiệt độ cực thấp. Thứ ba, rất khó để đạt được sự chuyển đổi tần số điều chế dải rộng. Để giải quyết những vấn đề này, công nghệ quang điện tử có thể đóng vai trò quan trọng. Các phương pháp chính được mô tả dưới đây.
1. Thông qua sự khác biệt tần số giữa hai tín hiệu laser có tần số khác nhau, một bộ tách sóng quang tần số cao được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu vi sóng, như thể hiện trong Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của sóng vi ba được tạo ra bởi sự chênh lệch tần số của hai nguồn.tia laser.
Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc đơn giản, có thể tạo ra tín hiệu sóng milimét tần số cực cao, thậm chí cả tần số THz, và bằng cách điều chỉnh tần số của laser có thể thực hiện chuyển đổi tần số nhanh trong phạm vi rộng, quét tần số. Nhược điểm là độ rộng vạch phổ hoặc nhiễu pha của tín hiệu tần số chênh lệch được tạo ra bởi hai tín hiệu laser không liên quan tương đối lớn, và độ ổn định tần số không cao, đặc biệt nếu sử dụng laser bán dẫn có kích thước nhỏ nhưng độ rộng vạch phổ lớn (~MHz). Nếu yêu cầu về kích thước và trọng lượng hệ thống không cao, có thể sử dụng laser bán dẫn có độ nhiễu thấp (~kHz).laser sợi quangkhoang ngoàilaser bán dẫnv.v... Ngoài ra, hai chế độ tín hiệu laser khác nhau được tạo ra trong cùng một khoang laser cũng có thể được sử dụng để tạo ra tần số chênh lệch, nhờ đó hiệu suất ổn định tần số vi sóng được cải thiện đáng kể.
2. Để giải quyết vấn đề hai laser trong phương pháp trước đó không đồng bộ và nhiễu pha tín hiệu tạo ra quá lớn, có thể đạt được sự đồng bộ giữa hai laser bằng phương pháp khóa pha bằng cách tiêm tần số hoặc mạch khóa pha phản hồi âm. Hình 2 cho thấy một ứng dụng điển hình của khóa tiêm để tạo ra bội số vi sóng (Hình 2). Bằng cách tiêm trực tiếp các tín hiệu dòng điện tần số cao vào laser bán dẫn, hoặc bằng cách sử dụng bộ điều biến pha LinBO3, có thể tạo ra nhiều tín hiệu quang có tần số khác nhau với khoảng cách tần số bằng nhau, hay còn gọi là lược tần số quang. Tất nhiên, phương pháp thường được sử dụng để thu được lược tần số quang phổ rộng là sử dụng laser khóa chế độ. Bất kỳ hai tín hiệu lược nào trong lược tần số quang được tạo ra đều được chọn bằng cách lọc và tiêm vào laser 1 và 2 tương ứng để thực hiện khóa tần số và khóa pha tương ứng. Bởi vì pha giữa các tín hiệu lược khác nhau của lược tần số quang tương đối ổn định, nên pha tương đối giữa hai laser ổn định, và sau đó bằng phương pháp tần số khác biệt như đã mô tả trước đó, có thể thu được tín hiệu vi sóng tần số bội số của tốc độ lặp lại lược tần số quang.
Hình 2. Sơ đồ mạch tín hiệu nhân đôi tần số vi sóng được tạo ra bằng phương pháp khóa tần số bằng cách tiêm tín hiệu.
Một cách khác để giảm nhiễu pha tương đối của hai laser là sử dụng PLL quang học phản hồi âm, như thể hiện trong Hình 3.
Hình 3. Sơ đồ cấu tạo của OPL.
Nguyên lý của PLL quang học tương tự như PLL trong lĩnh vực điện tử. Sự chênh lệch pha giữa hai laser được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng một bộ tách sóng quang (tương đương với bộ dò pha), sau đó sự chênh lệch pha giữa hai laser được thu được bằng cách tạo ra tần số chênh lệch với nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu, được khuếch đại và lọc, rồi đưa trở lại bộ điều khiển tần số của một trong các laser (đối với laser bán dẫn, đó là dòng điện tiêm). Thông qua vòng điều khiển phản hồi âm như vậy, pha tần số tương đối giữa hai tín hiệu laser được khóa với tín hiệu vi sóng tham chiếu. Tín hiệu quang kết hợp sau đó có thể được truyền qua sợi quang đến một bộ tách sóng quang ở nơi khác và được chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng. Độ nhiễu pha của tín hiệu vi sóng thu được gần như giống với độ nhiễu pha của tín hiệu tham chiếu trong băng thông của vòng phản hồi âm khóa pha. Độ nhiễu pha bên ngoài băng thông bằng với độ nhiễu pha tương đối của hai laser ban đầu không liên quan.
Ngoài ra, nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu cũng có thể được chuyển đổi từ các nguồn tín hiệu khác thông qua việc nhân đôi tần số, chia tần số hoặc các quá trình xử lý tần số khác, để tín hiệu vi sóng tần số thấp có thể được nhân đôi hoặc chuyển đổi thành tín hiệu RF, THz tần số cao.
So với phương pháp khóa tần số bằng cách tiêm tín hiệu chỉ có thể tạo ra tần số gấp đôi, vòng khóa pha (PLL) linh hoạt hơn, có thể tạo ra hầu hết mọi tần số tùy ý, và tất nhiên phức tạp hơn. Ví dụ, dải tần quang học được tạo ra bởi bộ điều biến quang điện trong Hình 2 được sử dụng làm nguồn sáng, và vòng khóa pha quang học được sử dụng để khóa tần số của hai laser một cách chọn lọc theo hai tín hiệu dải tần quang học, sau đó tạo ra các tín hiệu tần số cao thông qua hiệu số tần số, như thể hiện trong Hình 4. f1 và f2 lần lượt là tần số tín hiệu tham chiếu của hai PLLS, và một tín hiệu vi sóng có kích thước N*frep+f1+f2 có thể được tạo ra bằng hiệu số tần số giữa hai laser.
Hình 4. Sơ đồ minh họa quá trình tạo ra các tần số tùy ý bằng cách sử dụng lược tần số quang học và PLLS.
3. Sử dụng laser xung khóa pha để chuyển đổi tín hiệu xung quang học thành tín hiệu vi sóng thông quabộ tách sóng quang.
Ưu điểm chính của phương pháp này là có thể thu được tín hiệu có độ ổn định tần số rất tốt và nhiễu pha rất thấp. Bằng cách khóa tần số của laser vào phổ chuyển tiếp nguyên tử và phân tử rất ổn định, hoặc một khoang quang học cực kỳ ổn định, và sử dụng hệ thống khử tần số tự nhân đôi, dịch chuyển tần số và các công nghệ khác, chúng ta có thể thu được tín hiệu xung quang học rất ổn định với tần số lặp lại rất ổn định, từ đó thu được tín hiệu vi sóng với nhiễu pha cực thấp. Hình 5.
Hình 5. So sánh độ nhiễu pha tương đối của các nguồn tín hiệu khác nhau.
Tuy nhiên, do tần số lặp xung tỷ lệ nghịch với chiều dài khoang cộng hưởng của laser, và laser khóa chế độ truyền thống có kích thước lớn, nên rất khó để thu được tín hiệu vi sóng tần số cao trực tiếp. Ngoài ra, kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng của các laser xung truyền thống, cũng như các yêu cầu môi trường khắc nghiệt, đã hạn chế ứng dụng chủ yếu của chúng trong phòng thí nghiệm. Để khắc phục những khó khăn này, các nghiên cứu gần đây đã bắt đầu ở Hoa Kỳ và Đức sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để tạo ra các dải tần quang ổn định trong các khoang cộng hưởng quang chế độ chirp rất nhỏ, chất lượng cao, từ đó tạo ra các tín hiệu vi sóng tần số cao, độ nhiễu thấp.
4. Bộ dao động quang điện tử, Hình 6.
Hình 6. Sơ đồ cấu tạo của bộ dao động ghép quang điện.
Một trong những phương pháp truyền thống để tạo ra sóng vi ba hoặc laser là sử dụng vòng kín tự phản hồi. Miễn là độ khuếch đại trong vòng kín lớn hơn tổn hao, dao động tự kích thích có thể tạo ra sóng vi ba hoặc laser. Hệ số chất lượng Q của vòng kín càng cao, nhiễu pha hoặc tần số của tín hiệu tạo ra càng nhỏ. Để tăng hệ số chất lượng của vòng, cách trực tiếp là tăng chiều dài vòng và giảm thiểu tổn hao truyền dẫn. Tuy nhiên, vòng dài hơn thường có thể hỗ trợ tạo ra nhiều chế độ dao động, và nếu thêm bộ lọc băng thông hẹp, có thể thu được tín hiệu dao động vi sóng đơn tần có nhiễu thấp. Bộ dao động ghép quang điện là một nguồn tín hiệu vi sóng dựa trên ý tưởng này, nó tận dụng tối đa đặc tính tổn hao truyền dẫn thấp của sợi quang, sử dụng sợi quang dài hơn để cải thiện giá trị Q của vòng, có thể tạo ra tín hiệu vi sóng với nhiễu pha rất thấp. Kể từ khi phương pháp này được đề xuất vào những năm 1990, loại dao động này đã được nghiên cứu rộng rãi và phát triển đáng kể, và hiện nay đã có các bộ dao động ghép quang điện thương mại. Gần đây hơn, các bộ dao động quang điện có tần số có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng đã được phát triển. Vấn đề chính của các nguồn tín hiệu vi sóng dựa trên kiến trúc này là vòng lặp dài, và nhiễu trong dòng chảy tự do (FSR) và tần số kép của nó sẽ tăng lên đáng kể. Ngoài ra, các linh kiện quang điện được sử dụng nhiều hơn, chi phí cao, khó giảm thể tích, và sợi quang dài hơn càng nhạy cảm với nhiễu loạn môi trường.
Phần trên đã giới thiệu ngắn gọn một số phương pháp tạo tín hiệu vi sóng bằng quang điện tử, cũng như ưu điểm và nhược điểm của chúng. Cuối cùng, việc sử dụng quang điện tử để tạo ra vi sóng có một ưu điểm khác là tín hiệu quang có thể được phân phối qua sợi quang với tổn hao rất thấp, truyền dẫn đường dài đến từng thiết bị đầu cuối và sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng, và khả năng chống nhiễu điện từ được cải thiện đáng kể so với các linh kiện điện tử truyền thống.
Bài viết này chủ yếu nhằm mục đích tham khảo, kết hợp với kinh nghiệm nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn của tác giả, do đó có thể có những điểm không chính xác và chưa đầy đủ, mong quý vị thông cảm.
Thời gian đăng bài: 03/01/2024