Quang điện tử vi sóng, như tên gọi của nó, là giao điểm của vi sóng vàquang điện tử. Sóng vi ba và sóng ánh sáng là sóng điện từ, tần số khác nhau nhiều bậc độ lớn, các thành phần và công nghệ phát triển trong lĩnh vực tương ứng của chúng rất khác nhau. Khi kết hợp, chúng ta có thể tận dụng lẫn nhau, nhưng chúng ta có thể có được các ứng dụng và đặc điểm mới khó có thể hiện thực hóa tương ứng.
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 ban đầu, việc tạo ra, truyền và thu tín hiệu, tất cả đều sử dụng thiết bị vi ba. Sóng điện từ tần số thấp ban đầu được sử dụng vì dải tần số nhỏ và dung lượng kênh truyền nhỏ. Giải pháp là tăng tần số của tín hiệu truyền, tần số càng cao thì tài nguyên phổ càng nhiều. Nhưng tín hiệu tần số cao trong không khí bị mất mát khi truyền đi lớn, nhưng cũng dễ bị vật cản chặn lại. Nếu sử dụng cáp, tổn thất của cáp lớn và truyền đi xa là một vấn đề. Sự xuất hiện 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 phương tiện truyền dẫn tuyệt vời để truyền tín hiệu trên những khoảng cách xa. Dải tần số của sóng ánh sáng lớn hơn nhiều so với sóng vi ba và có thể truyền nhiều kênh khác nhau cùng một lúc. Vì những ưu điểm này củatruyền 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 rộng rãi và trưởng thành, ở đây không nói thêm nữa. Bài báo này chủ yếu giới thiệu nội dung nghiên cứu mới của 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 chất mang để cải thiện và đạt được hiệu suất và ứng dụng khó đạt được bằng các linh kiện điện tử vi sóng truyền thống. Theo quan điểm ứng dụng, 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, 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 linh kiện vi điện tử iii_V. Những hạn chế của nó có những điểm sau: Thứ nhất, đối với tần số cao như 100GHz trở lên, vi điện tử truyền thống có thể tạo ra ngày càng ít năng lượng, đối với tín hiệu tần số THz cao hơn, chúng không thể làm gì. 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 phạm vi rộng của tần số điều chế 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 chênh lệch 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 thể hiện 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 sóng milimet tần số cực cao và thậm chí là tín hiệu tần số THz, và bằng cách điều chỉnh tần số của tia laser có thể thực hiện một phạm vi lớn chuyển đổi tần số nhanh, tần số quét. Nhược điểm là độ rộng đường truyền hoặc nhiễu pha của tín hiệu tần số khác biệt 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 đường truyền lớn (~MHz). Nếu yêu cầu về thể tích trọng lượng hệ thống không cao, bạn có thể sử dụng laser trạng thái rắn có độ ồn thấp (~kHz),laser sợi quang, 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 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, có thể đạt được sự đồng nhất giữa hai laser bằng phương pháp khóa pha 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 biến 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 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 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 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 tia laser được chuyển thành tín hiệu điện bằng bộ tách sóng quang (tương đương với bộ tách sóng pha), sau đó độ lệch pha giữa hai tia laser thu được bằng cách tạo ra độ lệch tần số với nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu, được khuếch đại và lọc rồi đưa trở lại bộ phận điều khiển tần số của một trong hai tia 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. Sau đó, tín hiệu quang kết hợp có thể được truyền qua sợi quang đến bộ tách sóng quang ở nơi khác và được chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng. Độ nhiễu pha thu được của tín hiệu vi sóng gần 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 tia 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 gấp đôi, các vòng khóa pha linh hoạt hơn, có thể tạo ra tần số gần như tùy ý và tất nhiên là phức tạp hơn. Ví dụ, lược tần số quang được tạo ra bởi bộ điều biến quang điện trong Hình 2 được sử dụng làm nguồn sáng và vòng khóa pha quang được sử dụng để khóa có chọn lọc tần số của hai tia laser với hai tín hiệu lược quang, sau đó tạo ra các tín hiệu tần số cao thông qua tần số chênh lệch, như thể hiện trong Hình 4. f1 và f2 lần lượt là tần số tín hiệu tham chiếu của hai PLLS và tín hiệu vi sóng N * frep + f1 + f2 có thể được tạo ra bởi tần số chênh lệch giữa hai tia laser.
Hình 4. Sơ đồ 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 ảnh.
Ưu điểm chính của phương pháp này là có thể thu được tín hiệu có độ ổn định tần số rất tốt và độ nhiễu pha rất thấp. Bằng cách khóa tần số của tia laser vào phổ chuyển tiếp nguyên tử và phân tử rất ổn định hoặc khoang quang cực kỳ ổn định và sử dụng dịch chuyển tần số hệ thống loại bỏ tần số tự nhân đôi 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, để thu được tín hiệu vi sóng có độ nhiễu pha cực thấp. Hình 5.
Hình 5. So sánh độ nhiễu pha tương đối của các nguồn tín hiệu khác nhau.
Tuy nhiên, vì tốc độ lặp lại xung tỷ lệ nghịch với chiều dài khoang 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 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 bắt đầu ở Hoa Kỳ và Đức bằng cách sử dụng các hiệu ứng phi tuyến tính 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 vi sóng tần số cao có 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 thất, 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 pha tín hiệu hoặc nhiễu tần số 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 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 thêm bộ lọc băng thông hẹp, có thể thu được tín hiệu dao động vi ba tần số đơn có độ 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 thất lan truyền thấp của sợi, sử dụng sợi dài hơn để cải thiện giá trị Q của vòng lặp, có thể tạo ra tín hiệu vi ba có độ nhiễu pha rất thấp. Kể từ khi phương pháp này được đề xuất vào những năm 1990, loại dao động này đã nhận được nhiều nghiên cứu sâu rộng và phát triển đáng kể, và hiện nay đã có các dao động quang điện ghép thương mại. Gần đây hơn, các 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 thành phần quang điện được sử dụng nhiều hơn, chi phí cao, thể tích khó giảm và sợi dài hơn nhạy cảm hơn với nhiễu môi trường.
Trên đây giới thiệu vắn tắt một số phương pháp tạo ra quang điện tử của tín hiệu vi sóng, 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 độ suy hao rất thấp, truyền đi xa đến từng thiết bị đầu cuối sử dụng 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 mang tính chất tham khảo, kết hợp với kinh nghiệm nghiên cứu và hiểu biết của tác giả trong lĩnh vực này nên có những thiếu sót, chưa đầy đủ, mong bạn thông cảm.
Thời gian đăng: 03-01-2024