الوضع الحالي ونقاط الضعف في توليد إشارات الميكروويف في الإلكترونيات الضوئية للميكروويف

الإلكترونيات الضوئية للميكروويفكما يوحي الاسم، فهو تقاطع الموجات الدقيقة والإلكترونيات الضوئيةالموجات الميكروية والموجات الضوئية هي موجات كهرومغناطيسية، وتختلف تردداتها اختلافًا كبيرًا، كما أن المكونات والتقنيات المستخدمة في كل مجال منها متباينة للغاية. وبالجمع بينهما، يمكننا الاستفادة من كليهما، مما يتيح لنا الحصول على تطبيقات وخصائص جديدة يصعب تحقيقها بشكل منفرد.

الاتصالات البصريةيُعدّ مثالًا بارزًا على دمج الموجات الميكروية والإلكترونات الضوئية. ففي بدايات الاتصالات اللاسلكية، سواءً الهاتفية أو التلغرافية، استُخدمت أجهزة الموجات الميكروية في توليد الإشارات وانتشارها واستقبالها. استُخدمت الموجات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد في البداية نظرًا لضيق نطاق التردد وقلة سعة القناة المتاحة للإرسال. وكان الحل يكمن في زيادة تردد الإشارة المرسلة، فكلما زاد التردد، زادت موارد الطيف الترددي. إلا أن فقدان الإشارة عالية التردد أثناء انتشارها في الهواء كبير، كما أنها عُرضة للانسداد. أما في حال استخدام الكابلات، فيكون الفقدان كبيرًا، ويُشكّل الإرسال لمسافات طويلة تحديًا. وقد مثّل ظهور الاتصالات عبر الألياف الضوئية حلًا مثاليًا لهذه المشكلات.الألياف الضوئيةتتميز الموجات الضوئية بفقدان إرسال منخفض للغاية، وهي ناقل ممتاز لنقل الإشارات عبر مسافات طويلة. كما أن نطاق تردد الموجات الضوئية أكبر بكثير من نطاق تردد الموجات الميكروية، ويمكنها نقل العديد من القنوات المختلفة في وقت واحد. وبفضل هذه المزايا،النقل البصريأصبحت الاتصالات عبر الألياف الضوئية العمود الفقري لنقل المعلومات اليوم.
تتمتع الاتصالات الضوئية بتاريخ عريق، وأبحاثها وتطبيقاتها واسعة النطاق وناضجة، ولن نتطرق إلى المزيد هنا. تتناول هذه الورقة البحثية بشكل أساسي محتوى الأبحاث الجديدة في مجال الإلكترونيات الضوئية الميكروية في السنوات الأخيرة، إلى جانب الاتصالات الضوئية. تستخدم الإلكترونيات الضوئية الميكروية بشكل رئيسي أساليب وتقنيات مجال الإلكترونيات الضوئية كركيزة لتحسين الأداء وتحقيق تطبيقات يصعب الوصول إليها باستخدام مكونات الإلكترونيات الميكروية التقليدية. ومن منظور التطبيق، تشمل هذه التقنية الجوانب الثلاثة التالية.
الأول هو استخدام الإلكترونيات الضوئية لتوليد إشارات الميكروويف عالية الأداء ومنخفضة الضوضاء، من نطاق X وصولاً إلى نطاق THz.
ثانياً، معالجة إشارات الميكروويف. بما في ذلك التأخير، والترشيح، وتحويل التردد، والاستقبال، وما إلى ذلك.
ثالثًا، نقل الإشارات التناظرية.

في هذه المقالة، يقتصر الكاتب على تقديم الجزء الأول، وهو توليد إشارة الميكروويف. تُولّد موجات الميكروويف التقليدية، وخاصةً الموجات المليمترية، بشكل أساسي بواسطة مكونات إلكترونية دقيقة من نوع iii-V. وتتمثل قيودها فيما يلي: أولًا، عند الترددات العالية، مثل 100 جيجاهرتز وما فوق، تُنتج المكونات الإلكترونية الدقيقة التقليدية طاقةً أقل فأقل، بينما لا تُجدي نفعًا مع إشارات الترددات العالية من نوع تيراهيرتز. ثانيًا، يتطلب تقليل ضوضاء الطور وتحسين استقرار التردد وضع الجهاز الأصلي في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة للغاية. ثالثًا، يصعب تحقيق نطاق واسع من تعديل التردد وتحويله. ولحل هذه المشكلات، يمكن لتقنية الإلكترونيات الضوئية أن تُسهم في حلها. وفيما يلي شرح لأهم الطرق المستخدمة.

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

الشكل 1. رسم تخطيطي للموجات الميكروية المتولدة عن طريق فرق التردد بين اثنينالليزر.

تتميز هذه الطريقة ببساطة تركيبها، وقدرتها على توليد موجات مليمترية عالية التردد، بل وحتى إشارات بترددات تيراهيرتز، كما تتيح، من خلال ضبط تردد الليزر، إجراء تحويل سريع للترددات على نطاق واسع، بالإضافة إلى مسح التردد. أما عيوبها فتتمثل في كبر عرض الخط أو ضوضاء الطور لإشارة فرق التردد الناتجة عن إشارتي ليزر غير مرتبطتين، وعدم استقرار التردد، خاصةً عند استخدام ليزر أشباه موصلات صغير الحجم ذي عرض خط كبير (بترددات تصل إلى ميغاهرتز). في حال عدم وجود متطلبات كبيرة لحجم ووزن النظام، يمكن استخدام ليزرات الحالة الصلبة منخفضة الضوضاء (بترددات تصل إلى كيلوهرتز).ليزر الأليافالتجويف الخارجيليزرات أشباه الموصلاتإلخ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام نمطين مختلفين من إشارات الليزر المتولدة في نفس تجويف الليزر لتوليد تردد مختلف، مما يؤدي إلى تحسين أداء استقرار تردد الميكروويف بشكل كبير.

٢. لحل مشكلة عدم تماسك الليزرين في الطريقة السابقة وارتفاع ضوضاء الطور الناتجة، يمكن تحقيق التماسك بينهما باستخدام طريقة قفل الطور بالحقن أو دائرة قفل الطور بالتغذية الراجعة السالبة. يوضح الشكل ٢ تطبيقًا نموذجيًا لقفل الحقن لتوليد مضاعفات الموجات الميكروية. من خلال حقن إشارات تيار عالية التردد مباشرةً في ليزر أشباه الموصلات، أو باستخدام مُعدِّل طور LinBO3، يمكن توليد إشارات ضوئية متعددة بترددات مختلفة وبفواصل متساوية، أو ما يُعرف بأمشاط التردد الضوئي. بالطبع، الطريقة الشائعة للحصول على مشط تردد ضوئي واسع الطيف هي استخدام ليزر مُقفل النمط. يتم اختيار أي إشارتين من مشط التردد الضوئي المُوَلَّد عن طريق الترشيح، ثم تُحقنان في الليزر ١ والليزر ٢ على التوالي لتحقيق قفل التردد وقفل الطور. لأن الطور بين إشارات المشط المختلفة لمشط التردد البصري مستقر نسبيًا، وبالتالي فإن الطور النسبي بين الليزرين مستقر، ومن ثم بطريقة تردد الفرق كما هو موضح سابقًا، يمكن الحصول على معدل تكرار إشارة الميكروويف متعددة التردد لمشط التردد البصري.

الشكل 2. رسم تخطيطي لإشارة مضاعفة تردد الميكروويف الناتجة عن قفل تردد الحقن.
هناك طريقة أخرى لتقليل الضوضاء الطورية النسبية لليزرين وهي استخدام حلقة PLL بصرية ذات تغذية راجعة سلبية، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. رسم تخطيطي لـ OPL.

يشابه مبدأ قفل الطور البصري مبدأ قفل الطور في مجال الإلكترونيات. يُحوّل فرق الطور بين الليزرين إلى إشارة كهربائية بواسطة كاشف ضوئي (مكافئ لكاشف الطور)، ثم يُحسب فرق الطور بينهما عن طريق حساب فرق التردد مع مصدر إشارة ميكروية مرجعية، تُضخّم وتُرشّح، ثم تُعاد إلى وحدة التحكم في تردد أحد الليزرين (في ليزرات أشباه الموصلات، يكون هذا المصدر هو تيار الحقن). من خلال حلقة التحكم هذه ذات التغذية الراجعة السالبة، يُقفل طور التردد النسبي بين إشارتي الليزر مع إشارة الميكروويف المرجعية. بعد ذلك، يمكن إرسال الإشارة الضوئية المُجمّعة عبر الألياف الضوئية إلى كاشف ضوئي آخر، حيث تُحوّل إلى إشارة ميكروية. يكون تشويش الطور الناتج لإشارة الميكروويف مطابقًا تقريبًا لتشويش الطور للإشارة المرجعية ضمن نطاق تردد حلقة التغذية الراجعة السالبة. أما تشويش الطور خارج هذا النطاق، فيساوي تشويش الطور النسبي لليزرين الأصليين غير المرتبطين.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحويل مصدر إشارة الميكروويف المرجعي بواسطة مصادر إشارة أخرى من خلال مضاعفة التردد، أو تردد القسمة، أو معالجة التردد الأخرى، بحيث يمكن مضاعفة إشارة الميكروويف ذات التردد المنخفض، أو تحويلها إلى إشارات RF عالية التردد، THz.
بالمقارنة مع تقنية قفل التردد بالحقن التي لا تُتيح سوى مضاعفة التردد، تتميز حلقات قفل الطور بمرونة أكبر، إذ تُمكن من إنتاج ترددات شبه عشوائية، وهي بالطبع أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يُستخدم مشط التردد الضوئي المُوَلَّد بواسطة المُعدِّل الكهروضوئي في الشكل 2 كمصدر للضوء، وتُستخدم حلقة قفل الطور الضوئية لقفل تردد الليزرين بشكل انتقائي مع إشارتي مشط التردد الضوئي، ثم توليد إشارات عالية التردد من خلال فرق التردد، كما هو موضح في الشكل 4. يُمثل f1 وf2 ترددي الإشارة المرجعية لليزرين PLLS على التوالي، ويمكن توليد إشارة ميكروية بقيمة N*frep+f1+f2 من خلال فرق التردد بين الليزرين.

الشكل 4. رسم تخطيطي لتوليد ترددات عشوائية باستخدام أمشاط التردد البصري وPLLS.

3. استخدم ليزر النبضات المقفلة النمط لتحويل إشارة النبضات الضوئية إلى إشارة الميكروويف من خلالكاشف ضوئي.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في إمكانية الحصول على إشارة ذات استقرار ترددي ممتاز وضوضاء طورية منخفضة للغاية. من خلال تثبيت تردد الليزر على طيف انتقال ذري وجزيئي مستقر للغاية، أو على تجويف بصري مستقر للغاية، وباستخدام نظام إزالة التردد المضاعف ذاتيًا، وإزاحة التردد، وتقنيات أخرى، يمكننا الحصول على إشارة نبضية ضوئية مستقرة للغاية بتردد تكرار مستقر للغاية، وبالتالي الحصول على إشارة ميكروية ذات ضوضاء طورية منخفضة للغاية. (الشكل 5)

الشكل 5. مقارنة الضوضاء الطورية النسبية لمصادر الإشارة المختلفة.

مع ذلك، ولأن معدل تكرار النبضات يتناسب عكسيًا مع طول تجويف الليزر، ولأن ليزر النمط المقفل التقليدي كبير الحجم، يصعب الحصول على إشارات ميكروية عالية التردد مباشرةً. إضافةً إلى ذلك، فإن حجم ووزن واستهلاك الطاقة لليزر النبضي التقليدي، فضلًا عن متطلباته البيئية القاسية، تحدّ من تطبيقاته المختبرية في الغالب. وللتغلب على هذه الصعوبات، بدأت مؤخرًا أبحاث في الولايات المتحدة وألمانيا تستخدم التأثيرات غير الخطية لتوليد أمشاط ضوئية مستقرة التردد في تجاويف ضوئية صغيرة جدًا وعالية الجودة بنمط التردد المتغير، والتي بدورها تولد إشارات ميكروية عالية التردد ومنخفضة الضوضاء.

4. مذبذب إلكتروني ضوئي، الشكل 6.

الشكل 6. رسم تخطيطي للمذبذب المقترن الكهروضوئي.

إحدى الطرق التقليدية لتوليد الموجات الميكروية أو الليزر هي استخدام حلقة تغذية راجعة مغلقة ذاتية الارتداد، فما دام الكسب في هذه الحلقة أكبر من الفقد، يمكن للتذبذب الذاتي توليد الموجات الميكروية أو الليزر. وكلما ارتفع عامل الجودة Q للحلقة المغلقة، قلّت ضوضاء الطور أو التردد للإشارة المتولدة. ولزيادة عامل الجودة، تتمثل الطريقة المباشرة في زيادة طول الحلقة وتقليل فقد الانتشار. ومع ذلك، فإن الحلقة الأطول عادةً ما تدعم توليد أنماط تذبذب متعددة، وإذا أُضيف مرشح ضيق النطاق، يُمكن الحصول على إشارة تذبذب ميكروية أحادية التردد ومنخفضة الضوضاء. ويُعد المذبذب الكهروضوئي المقترن مصدرًا لإشارة الموجات الميكروية قائمًا على هذه الفكرة، إذ يستفيد استفادة كاملة من خصائص فقد الانتشار المنخفض للألياف، وباستخدام ألياف أطول لتحسين قيمة Q للحلقة، يُمكن إنتاج إشارة ميكروية ذات ضوضاء طور منخفضة للغاية. منذ اقتراح هذه الطريقة في تسعينيات القرن الماضي، حظي هذا النوع من المذبذبات باهتمام بحثي وتطويري كبير، وتتوفر حاليًا مذبذبات كهروضوئية تجارية. ومؤخرًا، تم تطوير مذبذبات كهروضوئية ذات نطاق ترددي واسع قابل للتعديل. تكمن المشكلة الرئيسية لمصادر إشارات الميكروويف القائمة على هذا التصميم في طول الحلقة، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في التشويش في نطاق التردد الحر (FSR) وترددها المضاعف. إضافةً إلى ذلك، يتطلب الأمر عددًا أكبر من المكونات الكهروضوئية، مما يرفع التكلفة ويصعب تصغير الحجم، كما أن الألياف الأطول أكثر حساسية للاضطرابات البيئية.

يُقدّم ما سبق بإيجاز عدة طرق لتوليد إشارات الميكروويف باستخدام الإلكترونات الضوئية، بالإضافة إلى مزاياها وعيوبها. وأخيرًا، يتميز استخدام الإلكترونات الضوئية لإنتاج الميكروويف بميزة أخرى، وهي إمكانية توزيع الإشارة الضوئية عبر الألياف الضوئية بفقد منخفض جدًا، ونقلها لمسافات طويلة إلى كل طرفية مستخدمة، ثم تحويلها إلى إشارات ميكروويف، كما أن قدرتها على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي مُحسّنة بشكل ملحوظ مقارنةً بالمكونات الإلكترونية التقليدية.
إن كتابة هذه المقالة هي في الأساس لأغراض مرجعية، وبالاقتران مع خبرة المؤلف البحثية وخبرته في هذا المجال، قد تحتوي على بعض الأخطاء وعدم الشمولية، لذا يرجى تفهم ذلك.