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