Quang điện tử vi sóng, như tên cho thấy, là giao điểm của lò vi sóng vàquang điện tử. Lò vi sóng và sóng ánh sáng là sóng điện từ, và tần số có nhiều thứ tự khác nhau, và các thành phần và công nghệ được phát triển trong các trường tương ứng của chúng rất khác nhau. Kết hợp lại, chúng ta có thể tận dụng lợi thế của nhau, nhưng chúng ta có thể nhận được các ứng dụng và đặc điểm mới khó nhận ra tương ứng.
Giao tiếp quang họclà một ví dụ điển hình của sự kết hợp của lò vi sóng và quang điện tử. Giao tiếp không dây điện thoại và điện báo sớm, tạo ra, truyền và nhận tín hiệu, tất cả các thiết bị vi sóng được sử dụng. Sóng điện từ tần số thấp được sử dụng ban đầu vì dải tần số nhỏ và dung lượng kênh để truyền là nhỏ. Giải pháp là tăng tần số của tín hiệu truyền, tần số càng cao, tài nguyên phổ càng nhiều. Nhưng tín hiệu tần số cao trong tổn thất lan truyền không khí là lớn, nhưng cũng dễ bị chặn bởi các chướng ngại vật. Nếu cáp được sử dụng, việc mất cáp là lớn và truyền đường dài là một vấn đề. Sự xuất hiện của giao tiếp sợi quang là một giải pháp tốt cho những vấn đề này.Sợi quangCó tổn thất truyền rất thấp và là một tàu sân bay tuyệt vời để truyền tín hiệu trên khoảng cách xa. Dãy tần số của sóng ánh sáng lớn hơn nhiều so với lò vi sóng và có thể truyền cùng nhiều kênh khác nhau. Vì những lợi thế củaTruyền quang học, Truyền thông sợi quang đã trở thành xương sống của việc truyền thông tin ngày nay.
Giao tiếp quang học có một lịch sử lâu dài, nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi và trưởng thành, ở đây không phải là để nói thêm. Bài viết này chủ yếu giới thiệu nội dung nghiên cứu mới về quang điện tử vi sóng trong những năm gần đây ngoài giao tiếp quang học. Optoelectronics vi sóng chủ yếu sử dụng các phương pháp và công nghệ trong lĩnh vực quang điện tử làm chất mang để cải thiện và đạt được hiệu suất và ứng dụng khó đạt được với các thành phần điện tử vi sóng truyền thống. Từ quan điểm của ứng dụng, nó chủ yếu bao gồm ba khía cạnh sau đây.
Đầu tiên là việc sử dụng quang điện tử để tạo ra các tín hiệu lò vi sóng có hiệu suất cao, hiệu suất cao, từ băng tần X cho đến dải THz.
Thứ hai, xử lý tín hiệu vi sóng. Bao gồm độ trễ, lọc, chuyển đổi tần số, nhận và như vậy.
Thứ ba, việc truyền tín hiệu tương tự.
Trong bài viết này, tác giả chỉ giới thiệu phần đầu tiên, thế hệ tín hiệu vi sóng. Sóng milimet vi sóng truyền thống chủ yếu được tạo ra bởi các thành phần vi điện tử III_V. Những hạn chế của nó có các điểm sau: Đầu tiên, với các tần số cao như 100GHz ở trên, vi điện tử truyền thống có thể tạo ra ngày càng ít năng lượng hơn, với tín hiệu THz tần số cao hơn, chúng không thể làm gì. Thứ hai, để giảm nhiễu pha và cải thiện độ ổn định tần số, thiết bị ban đầu cần được đặt trong môi trường nhiệt độ cực thấp. Thứ ba, rất khó để đạt được một loạt các chuyển đổi tần số điều chế 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 tần số chênh lệch của hai tín hiệu laser tần số khác nhau, bộ quang điện quang tần số cao được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu vi sóng, như trong Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ của lò vi sóng được tạo ra bởi tần số chênh lệch của haiLaser.
Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc đơn giản, có thể tạo ra sóng milimet tần số cực cao và thậm chí tín hiệu tần số THz và bằng cách điều chỉnh tần số của laser có thể thực hiện phạm vi chuyển đổi tần số nhanh, tần số quét. Nhược điểm là nhiễu dòng điện hoặc pha của tín hiệu tần số chênh lệch được tạo ra bởi hai tín hiệu laser không liên quan là tương đối lớn và độ ổn định tần số không cao, đặc biệt là nếu tia laser bán dẫn có thể tích nhỏ nhưng độ rộng đường lớn (~ MHz) được sử dụng. Nếu các yêu cầu về khối lượng trọng lượng hệ thống không cao, bạn có thể sử dụng laser trạng thái rắn nhiễu thấp (~ kHz),Laser sợi, khoang bên 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 biệt, do đó hiệu suất ổn định tần số vi sóng được cải thiện rất nhiều.
2. Để giải quyết vấn đề rằng hai laser trong phương pháp trước đó không mạch lạc và nhiễu pha tín hiệu được tạo ra quá lớn, sự kết hợp giữa hai laser có thể thu được bằng phương pháp khóa pha khóa tần số phun hoặc mạch khóa pha phản hồi âm. Hình 2 cho thấy một ứng dụng điển hình của khóa phun để tạo bội số vi sóng (Hình 2). Bằng cách trực tiếp tiêm các tín hiệu dòng tần số cao vào laser bán dẫn hoặc bằng cách sử dụng bộ điều biến pha LINBO3, nhiều tín hiệu quang có các tần số khác nhau có khoảng cách tần số bằng nhau có thể được tạo ra hoặc kết hợp 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 được chọn bằng cách lọc và tiêm vào laser 1 và 2 tương ứng để nhận ra 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, do đó pha tương đối giữa hai laser ổn định, và sau đó bằng phương pháp tần số chênh lệch như được mô tả trước đó, có thể thu được tín hiệu lặp lại tần số nhiều lần của tốc độ của tần số quang.
Hình 2. Sơ đồ tín hiệu nhân đôi tần số vi sóng được tạo ra bằng khóa tần số phun.
Một cách khác để giảm nhiễu pha tương đối của hai laser là sử dụng PLL quang phản hồi tiêu cực, như trong Hình 3.
Hình 3. Sơ đồ của OPL.
Nguyên tắc của PLL quang tương tự như PLL trong lĩnh vực điện tử. Sự khác biệt pha của hai laser được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng bộ quang điện (tương đương với máy dò pha), và sau đó chênh lệch pha giữa hai laser thu được bằng cách tạo tần số khác biệt với nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu, được lọc và sau đó được cung cấp lại. Thông qua một vòng điều khiển phản hồi tiêu cực như vậy, pha tần số tương đối giữa hai tín hiệu laser được khóa vào tín hiệu vi sóng tham chiếu. Tín hiệu quang kết hợp sau đó có thể được truyền qua các sợi quang đến một bộ quang điện ở nơi khác và được chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng. Tiếng ồn pha kết quả của tín hiệu vi sóng gần giống như tín hiệu tham chiếu trong băng thông của vòng phản hồi âm bị khóa pha. Tiếng ồn pha bên ngoài băng thông bằng nhiễu pha tương đối của hai laser không liên quan ban đầu.
Ngoài ra, nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu cũng có thể được chuyển đổi bởi các nguồn tín hiệu khác thông qua tăng gấp 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 đa nhân hoặc chuyển đổi thành tín hiệu RF, THZ tần số cao.
So với khóa tần số tiêm chỉ có thể thu được gấp đôi tần số, các vòng khóa pha linh hoạt hơn, có thể tạo ra các tần số gần như tùy ý và tất nhiên là phức tạp hơn. Ví dụ, lược tần số quang được tạo bởi bộ điều biến quang điện trong Hình 2 được sử dụng làm nguồn ánh sáng và vòng khóa pha quang được sử dụng để khóa một cách chọn lọc tần số của hai laser với hai tín hiệu Tần số của Tần số N*frep+f1+f2 có thể được tạo ra bởi tần số chênh lệch giữa hai laser.
Hình 4. Sơ đồ tạo tần số tùy ý bằng cách sử dụng các khối tần số quang và PLL.
3. Sử dụng laser xung bị khóa chế độ để chuyển đổi tín hiệu xung quang thành tín hiệu vi sóng thông quaPhotodetector.
Ưu điểm chính của phương pháp này là có thể thu được tín hiệu với 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 khoang quang cực kỳ ổn định, và sử dụng sự thay đổi tần số tần số tần số tự tăng gấp đôi và các công nghệ khác, chúng ta có thể thu được tín hiệu mạch quang rất ổn định. 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 chế độ truyền thống là rất lớn để có được tín hiệu vi sóng tần số cao trực tiếp. Ngoài ra, kích thước, trọng lượng và tiêu thụ năng lượng của laser xung truyền thống, cũng như các yêu cầu môi trường khắc nghiệt, 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 bắt đầu ở Hoa Kỳ và Đức bằng cách sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để tạo ra các lược quang ổn định tần số trong các khoang quang Chế độ Chirp rất nhỏ, chất lượng cao, từ đó tạo ra các tín hiệu lò vi sóng âm thanh thấp tần số cao.
4. Opto Dao động điện tử, Hình 6.
Hình 6. Sơ đồ của bộ tạo dao động kết hợp quang điện.
Một trong những phương pháp truyền thống để tạo ra lò vi sóng hoặc laser là sử dụng vòng kín tự phản hồi, miễn là mức tăng trong vòng kín lớn hơn tổn thất, dao động tự kích thích có thể tạo ra lò vi sóng hoặc laser. Hệ số chất lượng Q cao của vòng kín, pha tín hiệu được tạo ra hoặc nhiễu tần số càng nhỏ. Để tăng yếu tố chất lượng của vòng lặp, cách trực tiếp là tăng chiều dài vòng lặp và giảm thiểu tổn thất lan truyền. Tuy nhiên, một vòng lặp dài hơn thường có thể hỗ trợ việc tạo ra nhiều chế độ dao động và nếu có thể thu được bộ lọc băng thông hẹp, có thể thu được tín hiệu dao động lò vi sóng nhiễu thấp một tần số đơn. Bộ tạo dao động kết hợp quang điện là nguồn tín hiệu vi sóng dựa trên ý tưởng này, nó sử dụng đầy đủ các đặc tính tổn thất lan truyền thấp của sợi, sử dụng sợi dài hơn để cải thiện giá trị vòng Q, có thể tạo ra tín hiệu vi sóng với nhiễu pha rất thấp. Kể từ khi phương pháp được đề xuất vào những năm 1990, loại dao động này đã nhận được nghiên cứu sâu rộng và phát triển đáng kể, và hiện tại có các bộ dao động kết hợp quang điện thương mại. Gần đây, các bộ dao động quang điện có tần số có thể được điều chỉnh trong một 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 đáng kể. Ngoài ra, các thành phần quang điện được sử dụng nhiều hơn, chi phí cao, khối lượng rất khó để giảm và sợi dài hơn nhạy hơn với sự xáo trộn môi trường.
Các phần trên giới thiệu ngắn gọn một số phương pháp tạo ra các tín hiệu vi sóng quang điện tử, cũng như những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Cuối cùng, việc sử dụng các quang điện tử để tạo ra lò vi sóng có một lợi thế khác là tín hiệu quang học có thể được phân phối thông qua sợi quang với tổn thất rất thấp, truyền đường dài cho mỗi thiết bị đầu cuối sử dụng và sau đó chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng và khả năng chống lại nhiễu điện từ được cải thiện đáng kể so với các thành phần điện tử truyền thống.
Việc viết bài viết này chủ yếu để tham khảo, và kết hợp với kinh nghiệm nghiên cứu và kinh nghiệm nghiên cứu của chính tác giả trong lĩnh vực này, có những điểm không chính xác và không thể hiểu được, xin vui lòng hiểu.
Thời gian đăng: Tháng 1-03-2024