الوضع الحالي والنقاط الساخنة لتوليد إشارة الميكروويف في الإلكترونيات الضوئية بالموجات الدقيقة

الإلكترونيات الضوئية الميكروويف، كما يوحي الاسم، هو تقاطع الميكروويف والإلكترونيات الضوئية.الموجات الدقيقة والموجات الضوئية عبارة عن موجات كهرومغناطيسية، وتختلف تردداتها كثيرًا، كما أن المكونات والتقنيات التي تم تطويرها في مجالات كل منها مختلفة تمامًا.معًا، يمكننا الاستفادة من بعضنا البعض، ولكن يمكننا الحصول على تطبيقات وخصائص جديدة يصعب تحقيقها على التوالي.

الاتصال البصرييعد مثالًا رئيسيًا على الجمع بين الموجات الدقيقة والإلكترونات الضوئية.الاتصالات اللاسلكية الهاتفية والتلغرافية المبكرة، وتوليد ونشر واستقبال الإشارات، كلها تستخدم أجهزة الميكروويف.تُستخدم الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد المنخفض في البداية لأن نطاق الترددات صغير وقدرة القناة على الإرسال صغيرة.الحل هو زيادة تردد الإشارة المرسلة، فكلما زاد التردد زادت موارد الطيف.لكن إشارة التردد العالي في فقدان انتشار الهواء كبيرة، ولكن من السهل أيضًا حظرها بواسطة العوائق.إذا تم استخدام الكابل، فإن فقدان الكابل كبير، ويمثل النقل لمسافات طويلة مشكلة.ويعد ظهور اتصالات الألياف الضوئية حلاً جيدًا لهذه المشكلات.الألياف البصريةيتمتع بفقد إرسال منخفض جدًا وهو ناقل ممتاز لنقل الإشارات عبر مسافات طويلة.نطاق تردد موجات الضوء أكبر بكثير من نطاق الموجات الدقيقة ويمكنه نقل العديد من القنوات المختلفة في وقت واحد.بسبب هذه المزاياانتقال بصريأصبحت اتصالات الألياف الضوئية العمود الفقري لنقل المعلومات اليوم.
تتمتع الاتصالات البصرية بتاريخ طويل، كما أن البحث والتطبيق واسع النطاق وناضج للغاية، وهذا لا يعني المزيد.تقدم هذه الورقة بشكل أساسي المحتوى البحثي الجديد للإلكترونيات الضوئية بالموجات الدقيقة في السنوات الأخيرة بخلاف الاتصالات البصرية.تستخدم الإلكترونيات الضوئية بالموجات الدقيقة بشكل أساسي الأساليب والتقنيات الموجودة في مجال الإلكترونيات الضوئية كحامل لتحسين وتحقيق الأداء والتطبيق الذي يصعب تحقيقه باستخدام المكونات الإلكترونية التقليدية للميكروويف.من وجهة نظر التطبيق، فإنه يشمل بشكل رئيسي الجوانب الثلاثة التالية.
الأول هو استخدام الإلكترونيات الضوئية لتوليد إشارات الموجات الدقيقة عالية الأداء ومنخفضة الضوضاء، من النطاق X وصولاً إلى نطاق T هرتز.
ثانيا، معالجة إشارات الميكروويف.بما في ذلك التأخير والتصفية وتحويل التردد والاستقبال وما إلى ذلك.
ثالثا، نقل الإشارات التناظرية.

في هذه المقالة، يقدم المؤلف الجزء الأول فقط، وهو توليد إشارة الميكروويف.يتم إنشاء موجة الميكروويف التقليدية بشكل أساسي بواسطة مكونات إلكترونية دقيقة iii_V.تتمثل حدودها في النقاط التالية: أولاً، بالنسبة للترددات العالية مثل 100 جيجا هرتز أعلاه، يمكن للإلكترونيات الدقيقة التقليدية إنتاج طاقة أقل فأقل، أما بالنسبة لإشارة T هرتز ذات التردد الأعلى، فلا يمكنها فعل أي شيء.ثانيًا، من أجل تقليل ضوضاء الطور وتحسين استقرار التردد، يجب وضع الجهاز الأصلي في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة للغاية.ثالثًا، من الصعب تحقيق نطاق واسع من تحويل تردد تعديل التردد.ولحل هذه المشاكل، يمكن أن تلعب التكنولوجيا الإلكترونية الضوئية دورًا.يتم وصف الطرق الرئيسية أدناه.

1. من خلال اختلاف تردد إشارتي ليزر بترددين مختلفين، يتم استخدام كاشف ضوئي عالي التردد لتحويل إشارات الموجات الدقيقة، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. رسم تخطيطي لأفران الميكروويف الناتجة عن فرق التردد بين اثنينالليزر.

مزايا هذه الطريقة هي بنية بسيطة، ويمكن أن تولد موجة ملليمتر عالية التردد للغاية وحتى إشارة تردد T هرتز، وعن طريق ضبط تردد الليزر يمكن تنفيذ مجموعة كبيرة من تحويل التردد السريع، وتردد الاجتياح.العيب هو أن عرض الخط أو ضجيج الطور لإشارة تردد الفرق الناتجة عن إشارتين ليزر غير مرتبطتين كبير نسبيًا، وأن استقرار التردد ليس مرتفعًا، خاصة إذا كان ليزر أشباه الموصلات ذو حجم صغير ولكن عرض خط كبير (~ ميجا هرتز) مستخدم.إذا كانت متطلبات حجم وزن النظام ليست عالية، فيمكنك استخدام ليزر الحالة الصلبة منخفض الضوضاء (~ كيلو هرتز)،ليزر الأليافتجويف خارجيليزر أشباه الموصلات، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام وضعين مختلفين لإشارات الليزر المتولدة في نفس تجويف الليزر لتوليد تردد مختلف، بحيث يتم تحسين أداء استقرار تردد الميكروويف بشكل كبير.

2. من أجل حل مشكلة أن الليزرين في الطريقة السابقة غير متماسكين وأن ضوضاء مرحلة الإشارة الناتجة كبيرة جدًا، يمكن الحصول على التماسك بين الليزرين عن طريق طريقة قفل مرحلة قفل تردد الحقن أو مرحلة التغذية المرتدة السلبية دائرة القفل.ويبين الشكل 2 تطبيقًا نموذجيًا لقفل الحقن لتوليد مضاعفات الموجات الدقيقة (الشكل 2).عن طريق الحقن المباشر لإشارات تيار عالية التردد في ليزر أشباه الموصلات، أو باستخدام مُعدِّل الطور LinBO3، يمكن توليد إشارات ضوئية متعددة بترددات مختلفة مع تباعد ترددي متساوٍ، أو أمشاط تردد بصرية.وبطبيعة الحال، فإن الطريقة الشائعة الاستخدام للحصول على مشط تردد بصري واسع الطيف هي استخدام ليزر مغلق الوضع.يتم اختيار أي إشارتين للمشطين في مشط التردد البصري الناتج عن طريق الترشيح وحقنهما في الليزر 1 و2 على التوالي لتحقيق قفل التردد والطور على التوالي.نظرًا لأن الطور بين إشارات المشط المختلفة لمشط التردد البصري مستقر نسبيًا، بحيث يكون الطور النسبي بين الليزرين مستقرًا، ومن ثم بطريقة تردد الفرق كما هو موضح سابقًا، فإن إشارة الميكروويف ذات التردد المتعدد الطيات للمشط ويمكن الحصول على معدل تكرار مشط التردد البصري.

الشكل 2. رسم تخطيطي لإشارة مضاعفة تردد الميكروويف الناتجة عن قفل تردد الحقن.
هناك طريقة أخرى لتقليل ضوضاء الطور النسبي لليزرين وهي استخدام ردود فعل سلبية PLL بصرية، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. رسم تخطيطي لOPL.

مبدأ PLL البصري مشابه لمبدأ PLL في مجال الإلكترونيات.يتم تحويل فرق الطور بين الليزرين إلى إشارة كهربائية بواسطة كاشف ضوئي (يعادل كاشف الطور)، ومن ثم يتم الحصول على فرق الطور بين الليزرين عن طريق عمل تردد فرقي مع مصدر إشارة ميكروويف مرجعي، والذي يتم تضخيمه ويتم ترشيحه ثم تغذيته مرة أخرى إلى وحدة التحكم في التردد لأحد أجهزة الليزر (بالنسبة لأشعة الليزر شبه الموصلة، فهو تيار الحقن).من خلال حلقة التحكم في التغذية المرتدة السلبية هذه، يتم قفل مرحلة التردد النسبي بين إشارتي الليزر على إشارة الميكروويف المرجعية.يمكن بعد ذلك نقل الإشارة الضوئية المجمعة عبر الألياف الضوئية إلى كاشف ضوئي في مكان آخر وتحويلها إلى إشارة ميكروويف.إن ضجيج الطور الناتج لإشارة الميكروويف هو تقريبًا نفس ضجيج الإشارة المرجعية ضمن عرض النطاق الترددي لحلقة التغذية المرتدة السلبية المقفلة بالطور.ضوضاء الطور خارج عرض النطاق الترددي تساوي ضوضاء الطور النسبية لليزرين الأصليين غير المرتبطين.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحويل مصدر إشارة الميكروويف المرجعي بواسطة مصادر إشارة أخرى من خلال مضاعفة التردد، أو تردد المقسوم عليه، أو أي معالجة تردد أخرى، بحيث يمكن مضاعفة إشارة الميكروويف ذات التردد المنخفض بشكل متعدد، أو تحويلها إلى إشارات RF أو T هرتز عالية التردد.
بالمقارنة مع قفل تردد الحقن، لا يمكن الحصول إلا على مضاعفة التردد، وتكون الحلقات المقفلة بالطور أكثر مرونة، ويمكن أن تنتج ترددات عشوائية تقريبًا، وبالطبع أكثر تعقيدًا.على سبيل المثال، يتم استخدام مشط التردد البصري الناتج عن المغير الكهروضوئي في الشكل 2 كمصدر للضوء، ويتم استخدام حلقة قفل الطور الضوئية لقفل تردد الليزر بشكل انتقائي لإشارتي المشط البصري، ومن ثم توليد إشارات عالية التردد من خلال تردد الفرق، كما هو مبين في الشكل 4. f1 وf2 هما ترددات الإشارة المرجعية لاثنين من PLLS على التوالي، ويمكن إنشاء إشارة الموجات الدقيقة N*frep+f1+f2 من خلال تردد الفرق بين اثنين من الليزر.

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

3. استخدم الليزر النبضي المقفل في الوضع لتحويل إشارة النبض الضوئية إلى إشارة الميكروويف من خلالphotodetector.

الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي إمكانية الحصول على إشارة ذات استقرار ترددي جيد جدًا وضوضاء طور منخفضة جدًا.من خلال قفل تردد الليزر إلى طيف انتقال ذري وجزيئي مستقر للغاية، أو تجويف بصري مستقر للغاية، واستخدام نظام إزالة التردد المضاعف ذاتيًا، وتقنيات أخرى، يمكننا الحصول على إشارة نبضية بصرية مستقرة جدًا مع تردد تكرار مستقر للغاية، وذلك للحصول على إشارة الميكروويف مع ضوضاء طور منخفضة للغاية.الشكل 5.

الشكل 5. مقارنة الضوضاء المرحلة النسبية لمصادر الإشارة المختلفة.

ومع ذلك، نظرًا لأن معدل تكرار النبض يتناسب عكسيًا مع طول تجويف الليزر، ولأن الليزر التقليدي ذو الوضع المقفل كبير، فمن الصعب الحصول على إشارات الموجات الدقيقة عالية التردد مباشرة.بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم ووزن واستهلاك الطاقة لأجهزة الليزر النبضية التقليدية، فضلاً عن المتطلبات البيئية القاسية، يحد من تطبيقاتها المختبرية بشكل أساسي.للتغلب على هذه الصعوبات، بدأت الأبحاث مؤخرًا في الولايات المتحدة وألمانيا باستخدام التأثيرات غير الخطية لتوليد أمشاط ضوئية مستقرة التردد في تجاويف ضوئية صغيرة جدًا وعالية الجودة، والتي بدورها تولد إشارات موجات صغرية عالية التردد ومنخفضة الضوضاء.

4. المذبذب الإلكتروني البصري، الشكل 6.

الشكل 6. رسم تخطيطي للمذبذب المزدوج الكهروضوئي.

إحدى الطرق التقليدية لتوليد الموجات الدقيقة أو الليزر هي استخدام حلقة مغلقة ذاتية التغذية الراجعة، طالما أن الكسب في الحلقة المغلقة أكبر من الخسارة، فإن التذبذبات ذاتية الإثارة يمكن أن تنتج موجات ميكروويف أو ليزر.كلما زاد عامل الجودة Q للحلقة المغلقة، كلما قلت مرحلة الإشارة المولدة أو ضوضاء التردد.من أجل زيادة عامل جودة الحلقة، الطريقة المباشرة هي زيادة طول الحلقة وتقليل خسارة الانتشار.ومع ذلك، يمكن للحلقة الأطول عادةً أن تدعم توليد أنماط متعددة من التذبذب، وإذا تمت إضافة مرشح نطاق ترددي ضيق، يمكن الحصول على إشارة تذبذب ميكروويف منخفضة الضوضاء أحادية التردد.المذبذب الكهروضوئي المقترن هو مصدر إشارة ميكروويف يعتمد على هذه الفكرة، فهو يستفيد بشكل كامل من خصائص فقدان الانتشار المنخفض للألياف، وذلك باستخدام ألياف أطول لتحسين قيمة الحلقة Q، ويمكن أن ينتج إشارة ميكروويف بضوضاء طور منخفضة جدًا.منذ أن تم اقتراح هذه الطريقة في التسعينيات، تلقى هذا النوع من المذبذب بحثًا مكثفًا وتطورًا كبيرًا، ويوجد حاليًا مذبذبات مزدوجة كهروضوئية تجارية.في الآونة الأخيرة، تم تطوير المذبذبات الكهروضوئية التي يمكن تعديل تردداتها على نطاق واسع.المشكلة الرئيسية لمصادر إشارة الموجات الدقيقة بناءً على هذه البنية هي أن الحلقة طويلة، وسيتم زيادة الضوضاء في تدفقها الحر (FSR) وترددها المزدوج بشكل كبير.بالإضافة إلى ذلك، فإن المكونات الكهروضوئية المستخدمة أكثر، والتكلفة مرتفعة، ومن الصعب تقليل الحجم، والألياف الأطول أكثر حساسية للاضطرابات البيئية.

يقدم ما ورد أعلاه بإيجاز عدة طرق لتوليد إشارات الميكروويف بالإلكترون الضوئي، بالإضافة إلى مزاياها وعيوبها.وأخيرًا، فإن استخدام الإلكترونات الضوئية لإنتاج الموجات الدقيقة له ميزة أخرى وهي أنه يمكن توزيع الإشارة الضوئية من خلال الألياف الضوئية بخسارة منخفضة جدًا، وانتقالها لمسافات طويلة إلى كل محطة استخدام ثم تحويلها إلى إشارات الموجات الدقيقة، والقدرة على مقاومة الكهرومغناطيسية. تم تحسين التداخل بشكل ملحوظ من المكونات الإلكترونية التقليدية.
إن كتابة هذه المقالة هي للإشارة بشكل أساسي، بالإضافة إلى الخبرة البحثية الخاصة بالمؤلف وخبرته في هذا المجال، هناك عدم دقة وعدم فهم، يرجى فهم ذلك.