الوضع الحالي والنقاط الساخنة لتوليد إشارة الميكروويف في الإلكترونيات الضوئية للميكروويف

الإلكترونيات الضوئية للميكروويفكما يوحي الاسم، فهو تقاطع الميكروويف والإلكترونيات البصريةالموجات الدقيقة والموجات الضوئية موجات كهرومغناطيسية، وتختلف تردداتها اختلافًا كبيرًا، وتختلف مكوناتها وتقنياتها المُطوّرة في مجالاتها اختلافًا كبيرًا. وبالجمع بينهما، يُمكننا الاستفادة من بعضنا البعض، ولكن يُمكننا الحصول على تطبيقات وخصائص جديدة يصعب تحقيقها.

الاتصالات البصريةيُعدّ مثالاً بارزاً على دمج الموجات الدقيقة مع الإلكترونات الضوئية. استخدمت جميع الاتصالات اللاسلكية المبكرة للهاتف والتلغراف، بالإضافة إلى توليد الإشارات ونشرها واستقبالها، أجهزة الموجات الدقيقة. استُخدمت الموجات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد في البداية لصغر نطاق التردد وصغر سعة قناة الإرسال. يكمن الحل في زيادة تردد الإشارة المرسلة، فكلما ارتفع التردد، زادت موارد الطيف. إلا أن فقدان انتشار الإشارة عالية التردد في الهواء كبير، كما أنها عرضة للحجب بسهولة بسبب العوائق. في حال استخدام الكابل، يكون فقدانه كبيراً، ويمثل النقل لمسافات طويلة مشكلة. ويُعدّ ظهور اتصالات الألياف الضوئية حلاً جيداً لهذه المشاكل.الألياف البصريةيتميز بفقدان إرسال منخفض جدًا، وهو ناقل ممتاز لنقل الإشارات لمسافات طويلة. نطاق تردد الموجات الضوئية أكبر بكثير من نطاق تردد الموجات الدقيقة، ويمكنه نقل العديد من القنوات المختلفة في آنٍ واحد. نظرًا لهذه المزايا،النقل البصريلقد أصبح الاتصال عبر الألياف الضوئية العمود الفقري لنقل المعلومات اليوم.
للاتصالات البصرية تاريخ عريق، وأبحاثها وتطبيقاتها واسعة النطاق ونضجت، ولن أطيل الحديث هنا. تُقدم هذه الورقة البحثية بشكل رئيسي أحدث الأبحاث في مجال الإلكترونيات البصرية بالموجات الدقيقة في السنوات الأخيرة، إلى جانب الاتصالات البصرية. تعتمد الإلكترونيات البصرية بالموجات الدقيقة بشكل رئيسي على الأساليب والتقنيات المستخدمة في مجال الإلكترونيات البصرية كوسيلة لتحسين الأداء وتحقيق تطبيقات يصعب تحقيقها باستخدام المكونات الإلكترونية التقليدية بالموجات الدقيقة. من منظور التطبيق، تشمل هذه الورقة بشكل رئيسي الجوانب الثلاثة التالية.
الأول هو استخدام الإلكترونيات الضوئية لتوليد إشارات ميكروويف عالية الأداء ومنخفضة الضوضاء، من نطاق X وحتى نطاق THz.
ثانيًا، معالجة إشارات الميكروويف، بما في ذلك التأخير، والترشيح، وتحويل التردد، والاستقبال، وما إلى ذلك.
ثالثا، نقل الإشارات التناظرية.

في هذه المقالة، يُقدّم المؤلف الجزء الأول فقط، وهو توليد إشارة الميكروويف. تُولّد موجات الميكروويف المليمترية التقليدية بشكل رئيسي بواسطة مكونات إلكترونية دقيقة iii_V. تكمن محدوديتها في النقاط التالية: أولاً، عند الترددات العالية، كـ 100 جيجاهرتز فأكثر، تُنتج الإلكترونيات الدقيقة التقليدية طاقة أقل فأقل، أما عند الترددات الأعلى (تيراهرتز)، فلا تُنتج أي طاقة. ثانياً، لتقليل ضوضاء الطور وتحسين استقرار التردد، يجب وضع الجهاز الأصلي في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة للغاية. ثالثاً، من الصعب تحقيق نطاق واسع من تحويل التردد بتعديل التردد. لحل هذه المشكلات، يُمكن لتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية أن تلعب دوراً. الطرق الرئيسية موضحة أدناه.

1. من خلال الفرق في التردد بين إشارتي ليزر بتردد مختلفين، يتم استخدام كاشف ضوئي عالي التردد لتحويل إشارات الميكروويف، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. مخطط تخطيطي للموجات الدقيقة الناتجة عن اختلاف تردد موجتينالليزر.

تتميز هذه الطريقة ببنيتها البسيطة، وقدرتها على توليد موجات مليمترية عالية التردد، وحتى إشارات تردد تيرا هرتز. ومن خلال ضبط تردد الليزر، يمكن تحقيق نطاق واسع من التحويلات الترددية السريعة، وتردد المسح. أما عيبها، فهو أن عرض الخط أو ضوضاء الطور لإشارة التردد الفرقية الناتجة عن إشارتي ليزر غير مرتبطتين يكون كبيرًا نسبيًا، كما أن استقرار التردد منخفض، خاصةً عند استخدام ليزر أشباه الموصلات صغير الحجم ولكن عرض الخط كبير (~MHz). إذا لم تكن متطلبات حجم وزن النظام عالية، فيمكن استخدام ليزرات الحالة الصلبة منخفضة الضوضاء (~kHz).ليزر الألياف، تجويف خارجيليزرات أشباه الموصلات، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام وضعين مختلفين لإشارات الليزر المولدة في نفس تجويف الليزر لتوليد تردد مختلف، بحيث يتم تحسين أداء استقرار تردد الميكروويف بشكل كبير.

٢. لحل مشكلة عدم تماسك الليزرين في الطريقة السابقة وارتفاع ضوضاء طور الإشارة الناتجة، يمكن الحصول على التماسك بين الليزرين من خلال طريقة حقن تردد القفل أو دائرة حقن طور التغذية الراجعة السلبية. يوضح الشكل ٢ تطبيقًا نموذجيًا لحقن القفل لتوليد مضاعفات الموجات الدقيقة (الشكل ٢). عن طريق حقن إشارات تيار عالية التردد مباشرةً في ليزر أشباه الموصلات، أو باستخدام مُعدِّل طور LinBO3، يمكن توليد إشارات ضوئية متعددة بترددات مختلفة وبمسافات ترددية متساوية، أو ما يُعرف بأمشاط التردد الضوئي. وبالطبع، فإن الطريقة الشائعة للحصول على مشط تردد ضوئي واسع الطيف هي استخدام ليزر مُقفل النمط. يتم اختيار أي إشارتي مشط في مشط التردد الضوئي الناتج عن طريق الترشيح، ثم حقنهما في الليزر ١ والليزرين ٢ على التوالي لتحقيق قفل التردد والطور على التوالي. نظرًا لأن الطور بين إشارات المشط المختلفة لمشط التردد البصري مستقر نسبيًا، فإن الطور النسبي بين الليزرين مستقر، ومن ثم من خلال طريقة تردد الاختلاف كما هو موضح سابقًا، يمكن الحصول على إشارة الميكروويف ذات التردد المتعدد الأضعاف لمعدل تكرار مشط التردد البصري.

الشكل 2. مخطط تخطيطي لإشارة مضاعفة تردد الميكروويف الناتجة عن قفل تردد الحقن.
هناك طريقة أخرى لتقليل الضوضاء الطورية النسبية لليزرين وهي استخدام PLL بصري ذو ردود فعل سلبية، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. الرسم التخطيطي لـOPL.

مبدأ تقنية PLL البصرية مشابه لمبدأ تقنية PLL في مجال الإلكترونيات. يُحوّل كاشف ضوئي (مكافئ لكاشف الطور) فرق الطور بين الليزرين إلى إشارة كهربائية، ثم يُحصل على فرق الطور بينهما عن طريق توليد تردد فرق مع مصدر إشارة ميكروويف مرجعي، يُضخّم هذا التردد ويُرشّح، ثم يُعاد إلى وحدة التحكم بالتردد في أحد الليزرين (في ليزرات أشباه الموصلات، يكون تيار الحقن). من خلال حلقة تحكم بالتغذية الراجعة السلبية، يُثبّت طور التردد النسبي بين إشارتي الليزر على إشارة الميكروويف المرجعية. ثم تُنقل الإشارة الضوئية المُدمجة عبر الألياف الضوئية إلى كاشف ضوئي في مكان آخر، وتُحوّل إلى إشارة ميكروويف. يُعادل ضجيج الطور الناتج عن إشارة الميكروويف تقريبًا ضجيج الإشارة المرجعية ضمن نطاق حلقة التغذية الراجعة السلبية المُثبّتة للطور. يُساوي ضجيج الطور خارج النطاق الترددي ضجيج الطور النسبي لليزرين الأصليين غير المرتبطين.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحويل مصدر إشارة الميكروويف المرجعية بواسطة مصادر إشارة أخرى من خلال مضاعفة التردد، أو تردد المقسوم، أو معالجة التردد الأخرى، بحيث يمكن مضاعفة إشارة الميكروويف ذات التردد المنخفض، أو تحويلها إلى إشارات RF، THz عالية التردد.
بالمقارنة مع تقنية تثبيت تردد الحقن، لا يمكن تحقيق سوى مضاعفة التردد، بينما تُعد حلقات قفل الطور أكثر مرونة، ويمكنها إنتاج ترددات عشوائية تقريبًا، وبالطبع أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يُستخدم مشط التردد الضوئي الناتج عن المُعدِّل الكهروضوئي في الشكل 2 كمصدر للضوء، وتُستخدم حلقة قفل الطور الضوئي لربط تردد الليزرين بشكل انتقائي بإشارتي المشط الضوئي، ثم توليد إشارات عالية التردد عبر تردد الفرق، كما هو موضح في الشكل 4. f1 وf2 هما ترددا الإشارة المرجعية لجهازي PLLS على التوالي، ويمكن توليد إشارة ميكروويف N*frep+f1+f2 من خلال تردد الفرق بين الليزرين.

الشكل 4. مخطط تخطيطي لتوليد ترددات عشوائية باستخدام أمشاط التردد الضوئية وPLLS.

3. استخدم ليزر النبض المقفل الوضع لتحويل إشارة النبض الضوئية إلى إشارة ميكروويف من خلالكاشف ضوئي.

الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي إمكانية الحصول على إشارة ذات استقرار ترددي ممتاز وضوضاء طور منخفضة للغاية. بربط تردد الليزر بطيف انتقالي ذري وجزيئي مستقر للغاية، أو تجويف بصري شديد الاستقرار، واستخدام نظام إزاحة التردد بنظام الإزالة الذاتية للمضاعفة، وغيرها من التقنيات، يمكن الحصول على إشارة نبضية ضوئية مستقرة للغاية مع تردد تكراري مستقر للغاية، مما يتيح الحصول على إشارة ميكروويف ذات ضوضاء طور منخفضة للغاية. الشكل 5.

الشكل 5. مقارنة الضوضاء الطورية النسبية لمصادر الإشارة المختلفة.

ومع ذلك، نظرًا لتناسب معدل تكرار النبضات عكسيًا مع طول تجويف الليزر، ولكبر حجم الليزر التقليدي ذي الوضع المغلق، يصعب الحصول على إشارات ميكروويف عالية التردد مباشرةً. إضافةً إلى ذلك، فإن حجم ووزن واستهلاك الطاقة لليزرات النبضية التقليدية، بالإضافة إلى المتطلبات البيئية القاسية، يحدّ من تطبيقاتها المختبرية بشكل رئيسي. وللتغلب على هذه الصعوبات، بدأت مؤخرًا أبحاث في الولايات المتحدة وألمانيا باستخدام تأثيرات غير خطية لتوليد أمشاط بصرية مستقرة التردد في تجاويف بصرية صغيرة جدًا وعالية الجودة تعمل بنظام التغريد، والتي بدورها تولد إشارات ميكروويف عالية التردد ومنخفضة الضوضاء.

4. مذبذب بصري إلكتروني، الشكل 6.

الشكل 6. الرسم التخطيطي للمذبذب المقترن بالكهرباء الضوئية.

إحدى الطرق التقليدية لتوليد الموجات الدقيقة أو الليزر هي استخدام حلقة مغلقة ذاتية التغذية. طالما أن الكسب في الحلقة المغلقة أكبر من الخسارة، يمكن للتذبذب المثار ذاتيًا إنتاج موجات دقيقة أو ليزر. كلما ارتفع عامل الجودة Q للحلقة المغلقة، قلّت ضوضاء طور الإشارة أو ترددها. لزيادة عامل الجودة للحلقة، تتمثل الطريقة المباشرة في زيادة طول الحلقة وتقليل خسارة الانتشار. ومع ذلك، يمكن للحلقة الأطول عادةً دعم توليد أوضاع تذبذب متعددة، وإذا تمت إضافة مرشح ضيق النطاق الترددي، يمكن الحصول على إشارة تذبذب ميكروويف منخفضة الضوضاء أحادية التردد. المذبذب المقترن الكهروضوئي هو مصدر إشارة ميكروويف يعتمد على هذه الفكرة، ويستفيد بشكل كامل من خصائص خسارة الانتشار المنخفضة للألياف، باستخدام ألياف أطول لتحسين قيمة Q للحلقة، يمكن إنتاج إشارة ميكروويف ذات ضوضاء طور منخفضة جدًا. منذ طرح هذه الطريقة في تسعينيات القرن الماضي، شهد هذا النوع من المذبذبات أبحاثًا مكثفة وتطويرًا ملحوظًا، وتتوفر حاليًا مذبذبات مقترنة ضوئية كهربائية تجارية. وفي الآونة الأخيرة، طُوّرت مذبذبات ضوئية كهربائية يمكن تعديل تردداتها على نطاق واسع. تكمن المشكلة الرئيسية لمصادر إشارة الموجات الميكروية القائمة على هذه البنية في طول الحلقة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الضوضاء في تدفقها الحر (FSR) وترددها المزدوج. بالإضافة إلى ذلك، فإن المكونات الضوئية المستخدمة أكثر، وتكلفتها مرتفعة، ويصعب تقليل حجمها، والألياف الأطول أكثر حساسية للاضطرابات البيئية.

يقدم ما سبق بإيجاز عدة طرق لتوليد إشارات الميكروويف باستخدام الإلكترونات الضوئية، بالإضافة إلى مزاياها وعيوبها. وأخيرًا، يتميز استخدام الإلكترونات الضوئية في إنتاج الموجات الدقيقة بميزة أخرى، وهي إمكانية توزيع الإشارة الضوئية عبر الألياف الضوئية بفقدان منخفض جدًا، ونقلها لمسافات طويلة إلى كل طرف استخدام، ثم تحويلها إلى إشارات ميكروويف، كما أن قدرتها على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي تتحسن بشكل ملحوظ مقارنةً بالمكونات الإلكترونية التقليدية.
إن كتابة هذه المقالة هي في الأساس مرجعية، وبالاقتران مع تجربة البحث الخاصة بالمؤلف وخبرته في هذا المجال، هناك عدم دقة وعدم فهم، يرجى فهم ذلك.