Микротолқынды оптоэлектроника, атауынан көрініп тұрғандай, микротолқынды пештің қиылысы жәнеоптоэлектроникаМикротолқындар мен жарық толқындары электромагниттік толқындар болып табылады, жиіліктері әртүрлі, ал олардың тиісті салаларында жасалған компоненттер мен технологиялар өте әртүрлі. Бірге отырып, біз бір-бірімізді пайдалана аламыз, бірақ сәйкесінше жүзеге асыру қиын жаңа қолданбалар мен сипаттамаларды ала аламыз.
Оптикалық байланысмикротолқындар мен фотоэлектрондардың үйлесімінің айқын мысалы болып табылады. Ертедегі телефон және телеграф сымсыз байланысы, сигналдарды генерациялау, тарату және қабылдау, барлығы микротолқынды құрылғыларды пайдаланды. Төмен жиілікті электромагниттік толқындар бастапқыда жиілік диапазоны кішкентай және тарату арнасының сыйымдылығы аз болғандықтан қолданылады. Шешім - берілетін сигналдың жиілігін арттыру, жиілік неғұрлым жоғары болса, спектр ресурстары соғұрлым көп болады. Бірақ ауадағы жоғары жиілікті сигналдың таралу шығыны үлкен, бірақ кедергілермен оңай бұғатталады. Егер кабель пайдаланылса, кабельдің жоғалуы үлкен болады және ұзақ қашықтыққа тарату проблема болып табылады. Оптикалық талшықты байланыстың пайда болуы бұл мәселелердің жақсы шешімі болып табылады.Оптикалық талшықӨткізу шығыны өте төмен және сигналдарды ұзақ қашықтыққа тарату үшін тамаша тасымалдаушы болып табылады. Жарық толқындарының жиілік диапазоны микротолқындарға қарағанда әлдеқайда үлкен және бір уақытта көптеген әртүрлі арналарды жібере алады. Осы артықшылықтарына байланыстыоптикалық беріліс, оптикалық талшықты байланыс бүгінгі таңда ақпарат берудің негізіне айналды.
Оптикалық байланыстың ұзақ тарихы бар, зерттеулер мен қолдану өте кең және жетілген, бұл туралы айтпай-ақ қояйын. Бұл мақалада негізінен оптикалық байланыстан басқа соңғы жылдардағы микротолқынды оптоэлектрониканың жаңа зерттеу мазмұны таныстырылады. Микротолқынды оптоэлектроника негізінен дәстүрлі микротолқынды электронды компоненттермен қол жеткізу қиын өнімділік пен қолдануды жақсарту және қол жеткізу үшін тасымалдаушы ретінде оптоэлектроника саласындағы әдістер мен технологияларды пайдаланады. Қолдану тұрғысынан ол негізінен келесі үш аспектіні қамтиды.
Біріншісі - X-диапазонынан THz диапазонына дейін жоғары өнімді, төмен шуы бар микротолқынды сигналдарды генерациялау үшін оптоэлектрониканы пайдалану.
Екіншіден, микротолқынды сигналды өңдеу. Кідірту, сүзу, жиілікті түрлендіру, қабылдау және т.б. кіреді.
Үшіншіден, аналогтық сигналдарды беру.
Бұл мақалада автор тек бірінші бөлімді, микротолқынды сигналды генерациялауды ұсынады. Дәстүрлі микротолқынды миллиметрлік толқын негізінен iii_V микроэлектрондық компоненттерімен генерацияланады. Оның шектеулері келесідей: Біріншіден, 100 ГГц-тен жоғары сияқты жоғары жиіліктерге дәстүрлі микроэлектроника аз қуат өндіре алады, ал жоғары жиілікті THz сигналына олар ештеңе істей алмайды. Екіншіден, фазалық шуды азайту және жиілік тұрақтылығын жақсарту үшін түпнұсқа құрылғыны өте төмен температуралы ортаға орналастыру қажет. Үшіншіден, жиілік модуляциясының жиілік түрлендіруінің кең ауқымына қол жеткізу қиын. Бұл мәселелерді шешу үшін оптоэлектрондық технология рөл атқара алады. Негізгі әдістер төменде сипатталған.
1. Екі түрлі жиілікті лазерлік сигналдардың жиілік айырмашылығы арқылы микротолқынды сигналдарды түрлендіру үшін жоғары жиілікті фотодетектор қолданылады, бұл 1-суретте көрсетілген.
1-сурет. Екі жиіліктің айырмашылығымен пайда болатын микротолқындардың схемалық диаграммасылазерлер.
Бұл әдістің артықшылықтары - құрылымының қарапайымдылығы, өте жоғары жиілікті миллиметрлік толқынды және тіпті ТГц жиілік сигналын генерациялай алады, ал лазердің жиілігін реттеу арқылы жиілікті жылдам түрлендірудің, жиілікті сыпырудың кең диапазонын жүзеге асыруға болады. Кемшілігі - екі байланыссыз лазер сигналы тудыратын айырмашылық жиілік сигналының сызықтық ені немесе фазалық шуы салыстырмалы түрде үлкен және жиілік тұрақтылығы жоғары емес, әсіресе көлемі аз, бірақ сызықтық ені үлкен (~МГц) жартылай өткізгіш лазер қолданылса. Егер жүйенің салмақ көлеміне қойылатын талаптары жоғары болмаса, төмен шу (~кГц) қатты денелі лазерлерді пайдалануға болады,талшықты лазерлер, сыртқы қуысжартылай өткізгіш лазерлержәне т.б. Сонымен қатар, бір лазер қуысында пайда болатын екі түрлі лазерлік сигнал режимі әртүрлі жиілікті генерациялау үшін де пайдаланылуы мүмкін, осылайша микротолқынды жиіліктің тұрақтылық өнімділігі айтарлықтай жақсарады.
2. Алдыңғы әдістегі екі лазердің когерентті еместігі және пайда болған сигнал фазасының шуы тым үлкен екендігі мәселесін шешу үшін екі лазер арасындағы когеренттілікті инъекция жиілігін құлыптау фазасының құлыптау әдісі немесе теріс кері байланыс фазасының құлыптау тізбегі арқылы алуға болады. 2-суретте микротолқынды еселіктерді генерациялау үшін инъекциялық құлыптаудың типтік қолданылуы көрсетілген (2-сурет). Жартылай өткізгіш лазерге жоғары жиілікті ток сигналдарын тікелей енгізу немесе LinBO3 фаза модуляторын пайдалану арқылы бірдей жиілік аралығы бар әртүрлі жиіліктегі бірнеше оптикалық сигналдарды немесе оптикалық жиілік тарақтарын жасауға болады. Әрине, кең спектрлі оптикалық жиілік тарағын алудың жиі қолданылатын әдісі - режимді құлыптау лазерін пайдалану. Құрылған оптикалық жиілік тарағындағы кез келген екі тарақ сигналы сүзу арқылы таңдалады және сәйкесінше жиілік пен фазаның құлыпталуын жүзеге асыру үшін лазер 1 және 2-ге енгізіледі. Себебі оптикалық жиілік тарағының әртүрлі тарақ сигналдары арасындағы фаза салыстырмалы түрде тұрақты, сондықтан екі лазер арасындағы салыстырмалы фаза тұрақты болады, содан кейін бұрын сипатталғандай айырмашылық жиілік әдісі арқылы оптикалық жиілік тарағының қайталану жылдамдығының көп еселенген жиілікті микротолқынды сигналын алуға болады.
2-сурет. Инъекция жиілігін құлыптау арқылы пайда болатын микротолқынды жиіліктің екі еселену сигналының схемасы.
Екі лазердің салыстырмалы фазалық шуын азайтудың тағы бір жолы - 3-суретте көрсетілгендей, теріс кері байланыс оптикалық PLL пайдалану.
3-сурет. OPL схемалық диаграммасы.
Оптикалық PLL принципі электроника саласындағы PLL принципіне ұқсас. Екі лазердің фазалық айырмашылығы фотодетектор арқылы электрлік сигналға түрлендіріледі (фазалық детекторға баламалы), содан кейін екі лазер арасындағы фазалық айырмашылық эталондық микротолқынды сигнал көзімен айырмашылық жиілігін жасау арқылы алынады, ол күшейтіліп, сүзіліп, содан кейін лазерлердің бірінің жиілікті басқару блогына қайтарылады (жартылай өткізгіш лазерлер үшін бұл инъекция тогы). Мұндай теріс кері байланысты басқару контуры арқылы екі лазерлік сигнал арасындағы салыстырмалы жиілік фазасы эталондық микротолқынды сигналға бекітіледі. Біріктірілген оптикалық сигнал оптикалық талшықтар арқылы басқа жердегі фотодетекторға беріліп, микротолқынды сигналға түрлендірілуі мүмкін. Микротолқынды сигналдың нәтижесінде пайда болған фазалық шу фазамен бекітілген теріс кері байланыс контурының өткізу жолағындағы эталондық сигналдың шуымен бірдей. Өткізу жолағынан тыс фазалық шу бастапқы екі байланыссыз лазердің салыстырмалы фазалық шуына тең.
Сонымен қатар, анықтамалық микротолқынды сигнал көзін жиілікті екі еселеу, бөлгіш жиілік немесе басқа жиілікті өңдеу арқылы басқа сигнал көздерімен түрлендіруге болады, осылайша төменгі жиілікті микротолқынды сигналды көп еселеуге немесе жоғары жиілікті RF, THz сигналдарына түрлендіруге болады.
Инъекциялық жиілікті құлыптаумен салыстырғанда, тек жиілікті екі еселеуге қол жеткізуге болады, фазалық құлыптаулы ілмектер икемдірек, кез келген жиіліктерді шығара алады және әрине күрделірек. Мысалы, 2-суреттегі фотоэлектрлік модулятор шығаратын оптикалық жиілік тарағы жарық көзі ретінде пайдаланылады, ал оптикалық фазалық құлыптаулы ілмек екі лазердің жиілігін екі оптикалық тарақ сигналына таңдамалы түрде құлыптау үшін қолданылады, содан кейін 4-суретте көрсетілгендей, айырмашылық жиілігі арқылы жоғары жиілікті сигналдарды генерациялау үшін қолданылады. f1 және f2 сәйкесінше екі PLLS-тің тірек сигнал жиіліктері болып табылады, ал екі лазер арасындағы айырмашылық жиілігі арқылы N*frep+f1+f2 микротолқынды сигналын жасауға болады.
4-сурет. Оптикалық жиілік тарақтарын және PLLS көмегімен кез келген жиіліктерді генерациялаудың схемалық диаграммасы.
3. Оптикалық импульстік сигналды микротолқынды сигналға түрлендіру үшін режимді құлыптаулы импульстік лазерді пайдаланыңызфотодетектор.
Бұл әдістің басты артықшылығы - өте жақсы жиілік тұрақтылығы және өте төмен фазалық шуы бар сигнал алуға болады. Лазер жиілігін өте тұрақты атомдық және молекулалық ауысу спектріне немесе өте тұрақты оптикалық қуысқа бекіту және өздігінен екі еселенетін жиілікті жою жүйесінің жиілік ығысуын және басқа технологияларды қолдану арқылы біз өте тұрақты қайталану жиілігі бар өте тұрақты оптикалық импульстік сигнал ала аламыз, осылайша ультра төмен фазалық шуы бар микротолқынды сигнал аламыз. 5-сурет.
5-сурет. Әртүрлі сигнал көздерінің салыстырмалы фазалық шуын салыстыру.
Дегенмен, импульстің қайталану жылдамдығы лазердің қуыс ұзындығына кері пропорционалды болғандықтан және дәстүрлі режимді құлыптаушы лазер үлкен болғандықтан, жоғары жиілікті микротолқынды сигналдарды тікелей алу қиын. Сонымен қатар, дәстүрлі импульсті лазерлердің өлшемі, салмағы және энергия тұтынуы, сондай-ақ қатаң қоршаған орта талаптары олардың негізінен зертханалық қолданылуын шектейді. Осы қиындықтарды жеңу үшін жақында Америка Құрама Штаттары мен Германияда өте кішкентай, жоғары сапалы шырылдау режиміндегі оптикалық қуыстарда жиілік тұрақты оптикалық тарақтар жасау үшін сызықтық емес эффектілерді пайдалана отырып зерттеулер басталды, бұл өз кезегінде жоғары жиілікті төмен шуы бар микротолқынды сигналдарды жасайды.
4. оптикалық электрондық осциллятор, 6-сурет.
6-сурет. Фотоэлектрлік байланысқан осциллятордың схемалық диаграммасы.
Микротолқындарды немесе лазерлерді генерациялаудың дәстүрлі әдістерінің бірі - өзін-өзі кері байланыспен тұйықталған циклды пайдалану, егер тұйықталған циклдегі күшейту шығыннан үлкен болса, өздігінен қоздырылатын тербеліс микротолқындарды немесе лазерлерді тудыруы мүмкін. Тұйықталған циклдың сапа коэффициенті Q неғұрлым жоғары болса, генерацияланған сигнал фазасы немесе жиілік шуы соғұрлым аз болады. Циклдің сапа коэффициентін арттыру үшін тікелей жол - цикл ұзындығын арттыру және таралу шығынын азайту. Дегенмен, ұзынырақ цикл әдетте тербелістің бірнеше режимдерін генерациялауды қолдай алады, ал егер тар өткізу жолағы сүзгісі қосылса, бір жиілікті төмен шуы бар микротолқынды тербеліс сигналын алуға болады. Фотоэлектрлік байланысқан осциллятор - осы идеяға негізделген микротолқынды сигнал көзі, ол талшықтың төмен таралу шығыны сипаттамаларын толық пайдаланады, цикл Q мәнін жақсарту үшін ұзынырақ талшықты пайдаланып, өте төмен фазалық шуы бар микротолқынды сигнал шығара алады. Әдіс 1990 жылдары ұсынылғаннан бері бұл типтегі осциллятор кең зерттеулер мен айтарлықтай дамуларға ие болды, қазіргі уақытта коммерциялық фотоэлектрлік байланысқан осцилляторлар бар. Жақында жиіліктерін кең диапазонда реттеуге болатын фотоэлектрлік осцилляторлар жасалды. Осы архитектураға негізделген микротолқынды сигнал көздерінің негізгі мәселесі - цикл ұзын, ал оның еркін ағынындағы (FSR) шу және оның қос жиілігі айтарлықтай артады. Сонымен қатар, қолданылатын фотоэлектрлік компоненттер көп, құны жоғары, көлемін азайту қиын және талшық неғұрлым ұзын болса, қоршаған ортаның бұзылуына соғұрлым сезімтал болады.
Жоғарыда микротолқынды сигналдарды фотоэлектрондық жолмен генерациялаудың бірнеше әдістері, сондай-ақ олардың артықшылықтары мен кемшіліктері қысқаша сипатталған. Соңында, микротолқынды сигналдарды өндіру үшін фотоэлектрондарды пайдаланудың тағы бір артықшылығы бар, ол оптикалық сигналды оптикалық талшық арқылы өте төмен шығынмен таратуға, әрбір пайдалану терминалына ұзақ қашықтыққа беруге және содан кейін микротолқынды сигналдарға түрлендіруге болады, ал электромагниттік кедергілерге төтеп беру қабілеті дәстүрлі электрондық компоненттерге қарағанда айтарлықтай жақсарады.
Бұл мақала негізінен анықтама ретінде жазылған, және автордың осы саладағы өзінің зерттеу тәжірибесі мен тәжірибесімен бірге дәлсіздіктер мен түсініксіздіктер бар, түсіністікпен қараңыз.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 3 қаңтар