الوضع الحالي والبقع الساخنة لتوليد إشارة الميكروويف في إلكترونيات بصرية الميكروويف

إلكترونيات بصرية الميكروويف، كما يوحي الاسم ، هو تقاطع الميكروويف والإلكترونيات الضوئية. أفران الميكروويف والموجات الخفيفة هي موجات كهرومغناطيسية ، والترددات هي العديد من أوامر الحجم المختلفة ، وتختلف المكونات والتقنيات التي تم تطويرها في حقول كل منهما. مجتمعة ، يمكننا الاستفادة من بعضنا البعض ، ولكن يمكننا الحصول على تطبيقات وخصائص جديدة يصعب إدراكها على التوالي.

التواصل البصريهو مثال رئيسي على مزيج من الموجات الدقيقة والكهرباء الضوئية. الاتصالات المبكرة للهاتف والتلغراف اللاسلكي ، وتوليد وانتشار واستقبال الإشارات ، وجميع أجهزة الميكروويف المستخدمة. يتم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد في البداية لأن نطاق التردد صغير وقدرة القناة على الإرسال صغيرة. يتمثل الحل في زيادة تواتر الإشارة المرسلة ، وكلما زاد التردد ، زادت موارد الطيف. لكن إشارة التردد العالية في فقدان الهواء كبيرة ، ولكن من السهل أيضًا حظر العقبات. إذا تم استخدام الكابل ، فإن فقدان الكبل كبير ، ونقل المسافات الطويلة يمثل مشكلة. يعد ظهور التواصل الألياف البصرية حلاً جيدًا لهذه المشكلات.الألياف البصريةلديه فقدان انتقال منخفض للغاية وهو حامل ممتاز لنقل الإشارات على مسافات طويلة. نطاق تردد موجات الضوء أكبر بكثير من تلك الموجودة في الميكروويف ويمكن أن تنقل العديد من القنوات المختلفة في وقت واحد. بسبب هذه المزاياانتقال البصرية، أصبح اتصال الألياف الضوئية العمود الفقري لنقل المعلومات اليوم.
التواصل البصري له تاريخ طويل ، والبحث والتطبيق واسع النطاق للغاية وناضج ، هنا لا يعني المزيد. تقدم هذه الورقة أساسًا المحتوى البحثي الجديد للإلكترونيات البصرية للميكروويف في السنوات الأخيرة بخلاف التواصل البصري. تستخدم الإلكترونيات الضوئية للميكروويف الأساليب والتقنيات في مجال الإلكترونيات البصرية كحاملة لتحسين الأداء والتطبيق الذي يصعب تحقيقه مع المكونات الإلكترونية للميكروويف التقليدية. من منظور التطبيق ، يتضمن بشكل أساسي الجوانب الثلاثة التالية.
الأول هو استخدام الإلكترونيات البصرية لتوليد إشارات ميكروويف عالية الأداء منخفضة الأداء ، من النطاق X على طول الطريق إلى نطاق THZ.
ثانياً ، معالجة إشارة الميكروويف. بما في ذلك التأخير والتصفية وتحويل التردد والاستلام وما إلى ذلك.
ثالثًا ، نقل الإشارات التناظرية.

في هذه المقالة ، يقدم المؤلف فقط الجزء الأول ، وهو توليد إشارة الميكروويف. يتم إنشاء موجة الميكروويف التقليدية بشكل أساسي بواسطة مكونات إلكترونية دقيقة III_V. إن حدوده لها النقاط التالية: أولاً ، إلى ترددات عالية مثل 100 جيجا هرتز أعلاه ، يمكن أن تنتج الإلكترونيات الدقيقة التقليدية قوة أقل وأقل ، إلى إشارة THZ عالية التردد ، لا يمكنهم فعل شيء. ثانياً ، من أجل تقليل ضوضاء الطور وتحسين ثبات التردد ، يجب وضع الجهاز الأصلي في بيئة درجة حرارة منخفضة للغاية. ثالثًا ، من الصعب تحقيق مجموعة واسعة من تحويل تردد التردد. لحل هذه المشكلات ، يمكن أن تلعب تكنولوجيا الإلكترونية البصرية دورًا. الطرق الرئيسية موصوفة أدناه.

1. من خلال تواتر الفرق بين إشارات ليزر مختلفة للتردد ، يتم استخدام كاشف ضوئي عالي التردد لتحويل إشارات الميكروويف ، كما هو مبين في الشكل 1.

الشكل 1.الليزر.

إن مزايا هذه الطريقة هي بنية بسيطة ، ويمكن أن تولد موجة ملليمتر عالية التردد للغاية وحتى إشارة التردد THz ، ومن خلال ضبط تواتر الليزر يمكن أن تنفذ مجموعة كبيرة من تحويل التردد السريع ، وتردد المسح. العيب هو أن عرض الخط أو الطور في إشارة تردد الفرق الناتجة عن إشارات ليزر غير ذات صلة كبيرة نسبيًا ، وأن ثبات التردد ليس مرتفعًا ، خاصةً إذا تم استخدام ليزر أشباه الموصلات مع حجم صغير ولكن عرض خط كبير (~ MHz). إذا لم تكن متطلبات حجم وزن النظام مرتفعًا ، فيمكنك استخدام الليزر المنخفض الضوضاء (kHz)ليزر الأليافتجويف خارجيليزر أشباه الموصلاتوما إلى ذلك ، بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام وضعين مختلفين من إشارات الليزر الناتجة في نفس تجويف الليزر لتوليد تردد الفرق ، بحيث يتم تحسين أداء ثبات تردد الميكروويف بشكل كبير.

2. من أجل حل المشكلة التي تفيد بأن الليزر في الطريقة السابقة غير متماسكين وضوضاء مرحلة الإشارة التي يتم إنشاؤها كبيرة جدًا ، يمكن الحصول على التماسك بين الليزر من خلال طريقة قفل مرحلة قفل تردد الحقن أو دائرة قفل مرحلة التغذية المرتدة السلبية. يوضح الشكل 2 تطبيقًا نموذجيًا لقفل الحقن لإنشاء مضاعفات الميكروويف (الشكل 2). عن طريق حقن إشارات تيار عالية التردد مباشرة إلى ليزر أشباه الموصلات ، أو باستخدام مُشكال مرحلة LinBO3 ، يمكن إنشاء إشارات بصرية متعددة لترددات مختلفة مع تباعد التردد المتساوي ، أو أمشاط التردد البصرية. بطبيعة الحال ، فإن الطريقة الشائعة الاستخدام للحصول على مشط تردد بصري واسع الطيف هي استخدام ليزر مقفلة الوضع. يتم اختيار أي إشارات مشط في مشط التردد البصري المتولد عن طريق التصفية وحقنها في الليزر 1 و 2 على التوالي لتحقيق تواتر وقفل الطور على التوالي. نظرًا لأن المرحلة بين إشارات المشط المختلفة لمشط التردد البصري تكون مستقرة نسبيًا ، بحيث تكون المرحلة النسبية بين الليزر مستقرة ، وبعد ذلك عن طريق تواتر الفرق كما هو موضح من قبل ، يمكن الحصول على إشارة ميكروويف التردد متعدد الطول لمعدل تكرار تمشيط التردد البصري.

الشكل 2. مخطط تخطيطي لتردد الميكروويف المضاعف الذي تم إنشاؤه بواسطة قفل تردد الحقن.
هناك طريقة أخرى لتقليل ضوضاء المرحلة النسبية للليزر وهي استخدام التغذية المرتدة السلبية PLL ، كما هو مبين في الشكل 3.

الشكل 3. مخطط تخطيطي من OPL.

مبدأ PLL البصري يشبه مثيل PLL في مجال الإلكترونيات. يتم تحويل اختلاف الطور لليزرتين إلى إشارة كهربائية بواسطة كاشف ضوئي (أي ما يعادل كاشف الطور) ، ثم يتم الحصول على اختلاف الطور بين الليزر عن طريق تحديد تردد الفرق مع مصدر إشارة الميكروويف المرجعي ، والذي يتم تضخيمه وترشيحه ثم تغذيه إلى وحدة التحكم في التردد في أحد الليزر (بالنسبة للزواقي Lasers ، فإنه يصدر. من خلال حلقة التحكم في التغذية المرتدة السلبية ، يتم قفل مرحلة التردد النسبي بين إشارتي الليزر لإشارة الميكروويف المرجعية. يمكن بعد ذلك نقل الإشارة البصرية المشتركة عبر الألياف البصرية إلى كاشف ضوئي في مكان آخر وتحويلها إلى إشارة ميكروويف. تكون ضوضاء الطور الناتجة لإشارة الميكروويف هي نفسها تقريبًا مثل الإشارة المرجعية داخل عرض النطاق الترددي لحلقة التغذية المرتدة السلبية المقفلة. تساوي ضوضاء الطور خارج نطاق النطاق الترددي ضوضاء المرحلة النسبية للليزر الأصليين غير المرتبطين.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا تحويل مصدر إشارة الميكروويف المرجعي بواسطة مصادر إشارة أخرى من خلال مضاعفة التردد أو تردد المقسوم أو معالجة التردد الأخرى ، بحيث يمكن أن تكون إشارة الميكروويف منخفض التردد متعددة ، أو تحويلها إلى إشارات RF عالية التردد ، THz.
بالمقارنة مع قفل تردد الحقن ، يمكن أن يحصل على مضاعفة التردد فقط ، حيث تكون الحلقات المقفلة للمرحلة أكثر مرونة ، ويمكن أن تنتج ترددات تعسفية تقريبًا ، وبالطبع أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يتم استخدام مشط التردد البصري الذي تم إنشاؤه بواسطة المغير الكهروضوئي في الشكل 2 كمصدر للضوء ، ويتم استخدام الحلقة البصرية المقفلة للمرحلة بشكل انتقائي لتواتر الليزرتين بشكل انتقائي إلى إشارات المشط البصري ، ثم توليد الإشارات المرجعية على التوالي على التوالي على التوالي من الإشارة على التواليين على التوالي ، وينشئان على التوالي من الإشارة إلى وينفذان وينشئان على التوالي. يمكن إنشاء N*Frep+F1+F2 من خلال تردد الفرق بين الليزر.

الشكل 4. رسم تخطيطي لتوليد ترددات تعسفية باستخدام أمشاط التردد البصرية و PLLs.

3. استخدام ليزر النبض المملوء بالوضع لتحويل إشارة النبض البصري إلى إشارة ميكروويف من خلالالكاشف الضوئي.

الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي أنه يمكن الحصول على إشارة ذات استقرار جيد للغاية وضوضاء طور منخفضة للغاية. من خلال قفل تواتر الليزر إلى طيف انتقالي ذري وجزيئي مستقر للغاية ، أو تجويف بصري مستقر للغاية ، واستخدام تحول نظام التكرار ذاتيًا للتردد ، يمكننا الحصول على إشارة نبضات بصرية مستقرة للغاية مع تواتر متكرر مستقر للغاية ، وكذلك للحصول على إشارة microwave مع مرحلة microwave. الشكل 5.

الشكل 5. مقارنة ضوضاء المرحلة النسبية لمصادر الإشارة المختلفة.

ومع ذلك ، نظرًا لأن معدل تكرار النبض يتناسب عكسيا مع طول تجويف الليزر ، والليزر التقليدي المقفلة في الوضع كبير ، فمن الصعب الحصول على إشارات ميكروويف عالية التردد مباشرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حجم ووزن واستهلاك الليزر النبضي التقليدي ، وكذلك المتطلبات البيئية القاسية ، يحد من تطبيقاتها المختبرية بشكل أساسي. للتغلب على هذه الصعوبات ، بدأت الأبحاث مؤخرًا في الولايات المتحدة وألمانيا باستخدام تأثيرات غير خطية لتوليد أمشاط ضوئية مستقرة في التردد في تجاويف ضوئية في وضع الغدشة الصغيرة للغاية ، والتي بدورها تولد إشارات ميكروويف منخفضة التردد.

4. OPTO مذبذب إلكتروني ، الشكل 6.

الشكل 6. رسم تخطيطي لمذبذب كهروضوئية.

تتمثل إحدى الطرق التقليدية لتوليد أفران الميكروويف أو الليزر في استخدام حلقة مغلقة في التغذية الذاتية ، طالما أن الربح في الحلقة المغلقة أكبر من الخسارة ، فإن التذبذب الذاتي الذي يمكن أن ينتج عن الموجات الدقيقة أو الليزر. كلما ارتفع عامل الجودة Q للحلقة المغلقة ، كلما كانت مرحلة الإشارة التي تم إنشاؤها أصغر أو ضوضاء التردد. من أجل زيادة عامل الجودة للحلقة ، فإن الطريقة المباشرة هي زيادة طول الحلقة وتقليل فقدان الانتشار. ومع ذلك ، يمكن أن تدعم حلقة أطول عادة توليد أوضاع متعددة من التذبذب ، وإذا تمت إضافة مرشح النطاق الترددي الضيق ، فيمكن الحصول على إشارة تذبذب ميكروويف منخفضة التردد. مذبذب الكهروضوئي المذبذب هو مصدر إشارة الميكروويف يعتمد على هذه الفكرة ، فإنه يستفيد بالكامل من خصائص فقدان الانتشار المنخفضة للألياف ، باستخدام ألياف أطول لتحسين قيمة الحلقة Q ، يمكن أن تنتج إشارة ميكروويف مع ضوضاء طور منخفضة للغاية. منذ أن تم اقتراح الطريقة في التسعينيات ، تلقى هذا النوع من المذبذب أبحاثًا مكثفة وتطويرًا كبيرًا ، وهناك حاليًا مذبذبات كهروضوئية تجارية. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير مذبذبات كهروضوئية يمكن تعديل تردداتها على مدى واسع. المشكلة الرئيسية لمصادر إشارة الميكروويف بناءً على هذه البنية هي أن الحلقة طويلة ، والضوضاء في التدفق الحر (FSR) وسيتم زيادة ترددها المزدوج بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، تكون المكونات الكهروضوئية المستخدمة أكثر ، والتكلفة مرتفعة ، ويصعب تقليل حجمها ، والألياف الأطول أكثر حساسية للاضطرابات البيئية.

يقدم ما سبق بإيجاز عدة طرق لتوليد الإلكترون الضوئي من إشارات الميكروويف ، وكذلك مزاياها وعيوبها. أخيرًا ، فإن استخدام الإلكترونات الضوئية لإنتاج الميكروويف له ميزة أخرى هو أن الإشارة البصرية يمكن توزيعها من خلال الألياف البصرية مع فقدان منخفض للغاية ، ونقل المسافة الطويلة لكل محطة استخدام ، ثم يتم تحويلها إلى إشارات ميكروويف ، والقدرة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي تحسنت بشكل كبير من المتجمعات الإلكترونية التقليدية.
إن كتابة هذه المقالة بشكل أساسي للرجوع إليها ، بالإضافة إلى الخبرة البحثية الخاصة بالمؤلف وخبرتها في هذا المجال ، هناك عدم دقة وعدم الفهم ، يرجى الفهم.