Quang điện tử vi sóng, như tên cho thấy, là giao điểm của vi sóng vàquang điện tử. Sóng vi ba và sóng ánh sáng là sóng điện từ và tần số có nhiều bậc độ lớn khác nhau, đồng thời các thành phần và công nghệ được phát triển trong các lĩnh vực tương ứng của chúng cũng rất khác nhau. Kết hợp lại, chúng ta có thể tận dụng lợi thế của nhau nhưng có thể có được những ứng dụng và đặc điểm mới khó nhận ra tương ứng.
Truyền thông quang họclà một ví dụ điển hình về sự kết hợp giữa vi sóng và quang điện tử. Truyền thông không dây qua điện thoại và điện báo thời kỳ đầu, việc tạo, truyền và nhận tín hiệu, tất cả đều sử dụng các thiết bị vi sóng. Sóng điện từ tần số thấp được sử dụng ban đầu vì dải tần 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 nhiều. Tuy nhiên, tín hiệu tần số cao trong quá trình truyền tải không khí bị tổn thất lớn nhưng cũng dễ bị chặn bởi chướng ngại vật. Nếu sử dụng cáp thì độ hao hụt của cáp lớn và việc truyền tải đường dài sẽ có vấn đề. Sự xuất hiện của truyền thông cáp quang là một giải pháp tốt cho những vấn đề này.Sợi quangcó tổn thất truyền tải rất thấp và là chất mang tuyệt vời để truyền tín hiệu trên khoảng cách xa. Dải tần của sóng ánh sáng lớn hơn nhiều so với sóng vi ba và có thể truyền đồng thời nhiều kênh khác nhau. Vì những ưu điểm này củatruyền quang, truyền thông cáp quang đã trở thành xương sống của việc truyền thông tin ngày nay.
Truyền thông quang học đã có lịch sử lâu đời, việc nghiên cứu và ứng dụng rất sâu rộng và trưởng thành, ở đây không cần phải nói thêm. 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 chất mang để cải thiện và đạt được hiệu suất cũng như ứng dụng mà các linh kiện điện tử vi sóng truyền thống khó đạt được. Từ góc độ ứng dụng, nó chủ yếu bao gồm ba khía cạnh sau.
Đầu tiên là việc sử dụng quang điện tử để tạo ra các tín hiệu vi sóng có độ ồn thấp, hiệu suất cao, 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, nhận, v.v.
Thứ ba, việc truyền tín hiệu analog.
Trong bài viết này tác giả chỉ giới thiệu phần đầu tiên là việc 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. 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 điện năng, 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 phạm vi chuyển đổi tần số điều chế tần số rộng. Để giải quyết những vấn đề này, công nghệ quang điện tử có thể đóng một vai trò nào đó. Các phương pháp chính được mô tả dưới đây.
1. Thông qua sự chênh lệch tần số của hai tín hiệu laser tần số khác nhau, bộ tách sóng quang tần số cao được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu vi sóng, như trong Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ các vi sóng được tạo ra bởi sự chênh lệch tần số 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 cả tín hiệu tần số THz, đồng thời bằng cách điều chỉnh tần số của 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 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 laser bán dẫn có âm lượng nhỏ nhưng băng thông đường truyền lớn (~ MHz) là đã sử dụng. Nếu yêu cầu về âm lượng của hệ thống không cao, bạn có thể sử dụng laser trạng thái rắn có độ ồn thấp (~ kHz),laser sợi quang, khoang ngoàilaser bán dẫnNgoài 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, nhờ đó hiệu suất ổn định tần số vi sóng được cải thiện đáng kể.
2. Để giải quyết vấn đề hai tia laser trong phương pháp trước không kết hợp và nhiễu pha tín hiệu tạo ra quá lớn, có thể đạt được sự kết hợp giữa hai tia laser bằng phương pháp khóa pha khóa tần số tiêm hoặc pha phản hồi âm mạch khóa. Hình 2 cho thấy một ứng dụng điển hình của khóa tiêm để tạo ra bội số vi sóng (Hình 2). Bằng cách truyền trực tiếp tín hiệu dòng 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 tổ hợp tần số quang. Tất nhiên, phương pháp thường được sử dụng để thu được lược tần số quang phổ rộng là sử dụng tia 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 đưa vào tia laser 1 và 2 tương ứng để nhận ra tần số và khóa pha tương ứng. Do pha giữa các tín hiệu lược khác nhau của lược tần số quang tương đối ổn định, do đó pha tương đối giữa hai tia laser ổn định, sau đó bằng phương pháp chênh lệch tần số như mô tả trước đây, tín hiệu vi sóng tần số đa tầng của tốc độ lặp lại lược tần số quang có thể đạt được.
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 laser là sử dụng PLL quang phản hồi âm, như 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 đổi thành tín hiệu điện bằng bộ tách sóng quang (tương đương với máy dò pha), và sau đó độ lệch pha giữa hai tia laser có được bằng cách tạo ra sự khác biệt tần số với nguồn tín hiệu vi sóng tham chiếu, được khuếch đại. và được lọc rồi đưa trở lại bộ điều khiển tần số của một trong các tia laser (đối với laser bán dẫn là dòng phun). 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 bộ tách sóng quang ở nơi khác và chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng. Nhiễu pha thu được của tín hiệu vi sóng gần giống như nhiễu pha của tín hiệu tham chiếu trong băng thông của vòng phản hồi âm khóa pha. Nhiễu pha bên ngoài băng thông bằng 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 bởi các nguồn tín hiệu khác thông qua việc nhân đôi tần số, tần số chia hoặc xử lý tần số khác để 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 việc khóa tần số tiêm chỉ có thể tăng 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 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 đối với hai tín hiệu lược quang, sau đó tạo ra tín hiệu tần số cao thông qua tần số chênh lệch, như 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 cách sử dụng lược tần quang và PLLS.
3. Sử dụng tia laser xung có chế độ khóa để chuyển đổi tín hiệu xung quang thành tín hiệu vi sóng thông quamáy 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 ở phổ chuyển tiếp nguyên tử và phân tử rất ổn định hoặc hộp quang cực kỳ ổn định và sử dụng dịch chuyển tần số của 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 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 chế độ truyền thống có kích thước lớn nên rất khó thu được tín hiệu vi sóng tần số cao một cách trực tiếp. Ngoài ra, kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ năng lượng của laser xung truyền thống cũng như các yêu cầu về môi trường khắc nghiệt đã 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 sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để tạo ra các lược quang ổn định tần số trong các hộp quang chế độ chirp rất nhỏ, chất lượng cao, từ đó tạo ra các tín hiệu vi sóng có tần số cao, nhiễu thấp.
4. Bộ dao động quang điện tử, Hình 6.
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của bộ dao động ghép quang điện.
Một trong những phương pháp truyền thống để tạo ra vi sóng hoặc laser là sử dụng vòng kín tự phản hồi, miễn là mức tăng trong vòng kín lớn hơn mức suy hao, dao động tự kích thích có thể tạo ra vi sóng hoặc laser. Hệ số chất lượng Q của vòng kín càng cao thì nhiễu pha tín hiệu hoặc tần số được tạo ra càng nhỏ. Để tăng hệ số chất lượng của vòng lặp, cách trực tiếp là tăng độ 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 thì có thể thu được tín hiệu dao động vi sóng có độ ồn thấp tần số đơn. Bộ tạo dao động ghép quang điện là nguồn tín hiệu vi sóng dựa trên ý tưởng này, nó tận dụng tối đa các đặc tính suy hao 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 sóng có nhiễu pha rất thấp. Kể từ khi phương pháp này được đề xuất vào những năm 1990, loại bộ tạo dao động này đã nhận được nghiên cứu sâu rộng và phát triển đáng kể, và hiện nay có các bộ tạo dao động kết hợp quang điện thương mại. Gần đây hơn, các bộ dao động quang điện có tần số có thể điều chỉnh trên 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 tự do (FSR) cũng như tần số kép của nó sẽ tăng lên đáng kể. Ngoài ra, các thành phần quang điện được sử dụng nhiều hơn, giá thành cao, khối lượng khó giảm và sợi dài hơn thì nhạy cảm hơn với nhiễu loạn môi trường.
Phần trên giới thiệu ngắn gọn một số phương pháp tạo tín hiệu vi sóng quang điện tử, cũng như những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Cuối cùng, việc sử dụng quang điện tử để sản xuất 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 đi khoảng cách xa đến từng thiết bị đầu cuối sử dụng rồi chuyển đổi thành tín hiệu vi sóng và có khả năng chống điện từ. nhiễu 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 của bản thân tác giả trong lĩnh vực này, có những sai sót, chưa hiểu rõ, mong các bạn thông cảm.
Thời gian đăng: Jan-03-2024