สถานการณ์ปัจจุบันและจุดร้อนของการสร้างสัญญาณไมโครเวฟในออปโตอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟ

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟตามชื่อคือจุดตัดของไมโครเวฟและออปโตอิเล็กทรอนิกส์- ไมโครเวฟและคลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และความถี่ก็มีขนาดต่างกันมาก และส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในสาขานั้น ๆ ก็แตกต่างกันมาก เมื่อรวมกันแล้ว เราสามารถใช้ประโยชน์จากกันและกันได้ แต่เราจะได้รับแอปพลิเคชันและคุณลักษณะใหม่ๆ ที่ยากต่อการตระหนักตามลำดับ

การสื่อสารด้วยแสงเป็นตัวอย่างที่สำคัญของการรวมกันของไมโครเวฟและโฟโตอิเล็กตรอน การสื่อสารไร้สายทางโทรศัพท์และโทรเลขยุคแรก การสร้าง การแพร่กระจาย และการรับสัญญาณ อุปกรณ์ไมโครเวฟที่ใช้ทั้งหมด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำถูกนำมาใช้ตั้งแต่แรกเนื่องจากช่วงความถี่มีขนาดเล็กและความจุช่องสัญญาณสำหรับการส่งมีขนาดเล็ก วิธีแก้ไขคือเพิ่มความถี่ของสัญญาณที่ส่ง ยิ่งความถี่สูง ทรัพยากรสเปกตรัมก็จะยิ่งมากขึ้น แต่สัญญาณความถี่สูงในการสูญเสียการแพร่กระจายของอากาศมีขนาดใหญ่ แต่ยังถูกบล็อกจากสิ่งกีดขวางได้ง่าย หากใช้สายเคเบิล สายเคเบิลจะสูญเสียขนาดใหญ่ และการส่งข้อมูลทางไกลจะเป็นปัญหา การเกิดขึ้นของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงถือเป็นทางออกที่ดีสำหรับปัญหาเหล่านี้ใยแก้วนำแสงมีการสูญเสียการส่งสัญญาณต่ำมากและเป็นตัวพาที่ดีเยี่ยมสำหรับการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ช่วงความถี่ของคลื่นแสงนั้นมากกว่าช่วงความถี่ของไมโครเวฟมากและสามารถส่งผ่านช่องสัญญาณต่างๆ มากมายพร้อมกันได้ เพราะข้อดีเหล่านี้ของการส่งผ่านแสงการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นหัวใจสำคัญของการส่งข้อมูลในปัจจุบัน
การสื่อสารด้วยแสงมีประวัติอันยาวนาน การวิจัยและการประยุกต์ใช้นั้นกว้างขวางและมีความสมบูรณ์มาก ไม่ต้องพูดอะไรมากไปกว่านี้ บทความนี้จะแนะนำเนื้อหาการวิจัยใหม่ๆ เกี่ยวกับออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบไมโครเวฟในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสงเป็นหลัก ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟส่วนใหญ่ใช้วิธีการและเทคโนโลยีในสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวพาเพื่อปรับปรุงและบรรลุประสิทธิภาพและการใช้งานที่ยากต่อการบรรลุด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิม จากมุมมองของการใช้งาน ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยสามประเด็นต่อไปนี้
ประการแรกคือการใช้ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟประสิทธิภาพสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ ตั้งแต่แถบ X ไปจนถึงแถบ THz
ประการที่สอง การประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ รวมถึงความล่าช้า การกรอง การแปลงความถี่ การรับ และอื่นๆ
ประการที่สาม การส่งสัญญาณแอนะล็อก

ในบทความนี้ ผู้เขียนจะแนะนำเฉพาะส่วนแรกเท่านั้น นั่นคือ การสร้างสัญญาณไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟมิลลิเมตรแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ iii_V ข้อจำกัดมีประเด็นต่อไปนี้: ประการแรก สำหรับความถี่สูง เช่น 100GHz ข้างต้น ไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบเดิมสามารถผลิตพลังงานน้อยลงเรื่อยๆ สำหรับสัญญาณ THz ความถี่ที่สูงกว่า ก็ไม่ทำอะไรเลย ประการที่สอง เพื่อลดสัญญาณรบกวนเฟสและปรับปรุงความเสถียรของความถี่ อุปกรณ์ดั้งเดิมจะต้องวางในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ประการที่สาม การแปลงความถี่การมอดูเลตความถี่ที่หลากหลายเป็นเรื่องยาก เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์สามารถเข้ามามีบทบาทได้ วิธีการหลักมีการอธิบายไว้ด้านล่าง

1. ด้วยความถี่ที่แตกต่างกันของสัญญาณเลเซอร์ความถี่ที่แตกต่างกันสองสัญญาณ เครื่องตรวจจับแสงความถี่สูงจะใช้ในการแปลงสัญญาณไมโครเวฟ ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังของไมโครเวฟที่เกิดจากความถี่ต่างกันของทั้งสองเลเซอร์.

ข้อดีของวิธีนี้คือโครงสร้างที่เรียบง่าย สามารถสร้างคลื่นมิลลิเมตรความถี่สูงมากและแม้กระทั่งสัญญาณความถี่ THz และโดยการปรับความถี่ของเลเซอร์ ก็สามารถดำเนินการแปลงความถี่ที่รวดเร็วและความถี่กวาดได้หลากหลาย ข้อเสียคือเส้นตรงหรือสัญญาณรบกวนเฟสของสัญญาณความถี่ที่แตกต่างกันที่สร้างโดยสัญญาณเลเซอร์ที่ไม่เกี่ยวข้องกันสองตัวมีขนาดค่อนข้างใหญ่ และความเสถียรของความถี่ไม่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาตรน้อยแต่มีความกว้างเส้นตรงมาก (~MHz) ใช้แล้ว. หากข้อกำหนดด้านปริมาตรน้ำหนักของระบบไม่สูง คุณสามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตตสัญญาณรบกวนต่ำ (~kHz)ไฟเบอร์เลเซอร์, ช่องภายนอกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ฯลฯ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้สัญญาณเลเซอร์สองโหมดที่แตกต่างกันที่สร้างขึ้นในช่องเลเซอร์เดียวกันเพื่อสร้างความถี่ที่แตกต่างกัน เพื่อให้ประสิทธิภาพความเสถียรของความถี่ไมโครเวฟได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

2. เพื่อแก้ปัญหาที่เลเซอร์สองตัวในวิธีการก่อนหน้านี้ไม่สอดคล้องกันและเสียงเฟสสัญญาณที่สร้างขึ้นมีขนาดใหญ่เกินไป การเชื่อมโยงกันระหว่างเลเซอร์ทั้งสองสามารถทำได้โดยวิธีการล็อคเฟสล็อคความถี่การฉีดหรือเฟสตอบรับเชิงลบ วงจรล็อค รูปที่ 2 แสดงการใช้งานทั่วไปของการฉีดล็อคเพื่อสร้างไมโครเวฟทวีคูณ (รูปที่ 2) โดยการฉีดสัญญาณกระแสความถี่สูงโดยตรงลงในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ หรือโดยการใช้โมดูเลเตอร์เฟส LinBO3 จะสามารถสร้างสัญญาณแสงหลายสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันโดยมีระยะห่างความถี่เท่ากันได้ หรือหวีความถี่แสง แน่นอนว่าวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการรับหวีความถี่แสงสเปกตรัมกว้างคือการใช้เลเซอร์ที่ล็อคโหมด สัญญาณหวีสองอันในหวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นจะถูกเลือกโดยการกรองและฉีดเข้าไปในเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับเพื่อรับการล็อคความถี่และเฟสตามลำดับ เนื่องจากเฟสระหว่างสัญญาณหวีที่แตกต่างกันของหวีความถี่แสงค่อนข้างเสถียร เพื่อให้เฟสสัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์ทั้งสองมีความเสถียร จากนั้นตามวิธีความถี่ที่แตกต่างกันตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้า สัญญาณไมโครเวฟความถี่หลายเท่าของ สามารถรับอัตราการทำซ้ำหวีความถี่แสงได้

รูปที่ 2 แผนผังของสัญญาณความถี่ไมโครเวฟที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าซึ่งเกิดจากการล็อคความถี่ในการฉีด
อีกวิธีหนึ่งในการลดสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์ทั้งสองคือการใช้ PLL แบบตอบรับเชิงลบ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังของ OPL

หลักการของออปติคัล PLL นั้นคล้ายคลึงกับหลักการของ PLL ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ความต่างเฟสของเลเซอร์ทั้งสองจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยเครื่องตรวจจับแสง (เทียบเท่ากับเครื่องตรวจจับเฟส) จากนั้นความต่างเฟสระหว่างเลเซอร์ทั้งสองจะได้รับจากการสร้างความถี่ที่แตกต่างด้วยแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง ซึ่งได้รับการขยาย และกรองแล้วป้อนกลับไปยังหน่วยควบคุมความถี่ของเลเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์คือกระแสการฉีด) เฟสความถี่สัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณเลเซอร์ทั้งสองจะถูกล็อคไว้กับสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงผ่านลูปควบคุมการป้อนกลับเชิงลบ สัญญาณแสงที่รวมกันแล้วสามารถส่งผ่านเส้นใยนำแสงไปยังเครื่องตรวจจับแสงที่อื่นและแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ สัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นของสัญญาณไมโครเวฟเกือบจะเหมือนกับสัญญาณอ้างอิงภายในแบนด์วิธของลูปป้อนกลับเชิงลบแบบล็อคเฟส สัญญาณรบกวนเฟสที่อยู่นอกแบนด์วิธเท่ากับสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์สองตัวดั้งเดิมที่ไม่เกี่ยวข้องกัน
นอกจากนี้ แหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงยังสามารถแปลงโดยแหล่งสัญญาณอื่นๆ ผ่านการคูณความถี่ ความถี่ตัวหาร หรือการประมวลผลความถี่อื่นๆ เพื่อให้สัญญาณไมโครเวฟความถี่ต่ำกว่าสามารถคูณได้หลายเท่า หรือแปลงเป็นสัญญาณ RF, THz ความถี่สูง
เมื่อเปรียบเทียบกับการล็อคความถี่การฉีดสามารถทำได้เพียงการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ลูปล็อคเฟสมีความยืดหยุ่นมากกว่า สามารถสร้างความถี่ได้เกือบตามอำเภอใจ และแน่นอนว่าซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น หวีความถี่แสงที่สร้างโดยโมดูเลเตอร์โฟโตอิเล็กทริกในรูปที่ 2 ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง และใช้ลูปล็อคเฟสแบบออปติคัลเพื่อล็อคความถี่ของเลเซอร์สองตัวไปยังสัญญาณหวีแสงสองตัว จากนั้นจึงสร้าง สัญญาณความถี่สูงผ่านความถี่ที่แตกต่างกัน ดังแสดงในรูปที่ 4 f1 และ f2 เป็นความถี่สัญญาณอ้างอิงของ PLLS สองตัวตามลำดับ และสัญญาณไมโครเวฟของ N*frep+f1+f2 สามารถสร้างขึ้นได้จากความถี่ที่แตกต่างกันระหว่าง เลเซอร์สองตัว

รูปที่ 4 แผนผังของการสร้างความถี่ตามอำเภอใจโดยใช้หวีความถี่แสงและ PLLS

3. ใช้เลเซอร์พัลส์แบบล็อคโหมดเพื่อแปลงสัญญาณพัลส์แสงเป็นสัญญาณไมโครเวฟผ่านเครื่องตรวจจับแสง.

ข้อได้เปรียบหลักของวิธีนี้คือสามารถรับสัญญาณที่มีความเสถียรของความถี่ที่ดีมากและมีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก ด้วยการล็อคความถี่ของเลเซอร์ให้เป็นสเปกตรัมการเปลี่ยนผ่านของอะตอมและโมเลกุลที่เสถียรมาก หรือช่องแสงที่มีความเสถียรอย่างยิ่ง และการใช้การเปลี่ยนความถี่ของระบบกำจัดความถี่ที่เพิ่มขึ้นเองเป็นสองเท่า และเทคโนโลยีอื่น ๆ เราสามารถรับสัญญาณพัลส์แสงที่เสถียรมากด้วย ความถี่การทำซ้ำที่เสถียรมาก เพื่อให้ได้สัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำเป็นพิเศษ รูปที่ 5.

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของแหล่งสัญญาณต่างๆ

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์แปรผกผันกับความยาวของช่องของเลเซอร์ และเลเซอร์ล็อคโหมดแบบเดิมมีขนาดใหญ่ จึงเป็นเรื่องยากที่จะรับสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงโดยตรง นอกจากนี้ ขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานของพัลซิ่งเลเซอร์แบบดั้งเดิม รวมถึงข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ยังจำกัดการใช้งานในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก เพื่อเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้ การวิจัยได้เริ่มต้นขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ในสหรัฐอเมริกาและเยอรมนีโดยใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างหวีแสงที่มีความเสถียรของความถี่ในช่องแสงแสงโหมดเจี๊ยบคุณภาพสูงที่เล็กมาก ซึ่งในทางกลับกันจะสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงที่มีเสียงรบกวนต่ำ

4. ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ออสซิลเลเตอร์ รูปที่ 6

รูปที่ 6 แผนผังของออสซิลเลเตอร์คู่โฟโตอิเล็กทริค

วิธีการดั้งเดิมวิธีหนึ่งในการสร้างไมโครเวฟหรือเลเซอร์คือการใช้วงจรปิดแบบตอบรับตัวเอง ตราบใดที่อัตราขยายในวงปิดมากกว่าการสูญเสีย การสั่นด้วยความตื่นเต้นในตัวเองก็สามารถผลิตไมโครเวฟหรือเลเซอร์ได้ ยิ่งปัจจัยด้านคุณภาพ Q ของวงปิดสูงเท่าใด เฟสสัญญาณหรือสัญญาณรบกวนความถี่ที่สร้างขึ้นก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เพื่อเพิ่มปัจจัยด้านคุณภาพของลูป วิธีโดยตรงคือการเพิ่มความยาวของลูปและลดการสูญเสียการแพร่กระจายให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปการวนซ้ำที่ยาวกว่าสามารถรองรับการสร้างโหมดการสั่นได้หลายโหมด และหากเพิ่มตัวกรองแบนด์วิดท์แคบ ก็สามารถรับสัญญาณการสั่นด้วยคลื่นไมโครเวฟความถี่ต่ำความถี่เดียวได้ โฟโตอิเล็กทริคคัปเปิลออสซิลเลเตอร์เป็นแหล่งสัญญาณไมโครเวฟตามแนวคิดนี้ โดยใช้ประโยชน์จากลักษณะการสูญเสียการแพร่กระจายที่ต่ำของไฟเบอร์อย่างเต็มที่ โดยใช้ไฟเบอร์ที่ยาวขึ้นเพื่อปรับปรุงค่า Q ของลูป สามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก นับตั้งแต่มีการเสนอวิธีการนี้ในปี 1990 ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางและมีการพัฒนาอย่างมาก และปัจจุบันมีออสซิลเลเตอร์คู่โฟโตอิเล็กทริกเชิงพาณิชย์ เมื่อเร็วๆ นี้ โฟโตอิเล็กทริคออสซิลเลเตอร์ที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างได้รับการพัฒนา ปัญหาหลักของแหล่งสัญญาณไมโครเวฟตามสถาปัตยกรรมนี้คือลูปนั้นยาว และเสียงในการไหลอิสระ (FSR) และความถี่สองเท่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ส่วนประกอบโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้มีมากกว่า ต้นทุนสูง ลดปริมาณได้ยาก และเส้นใยที่ยาวกว่าจะไวต่อการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมมากกว่า

ข้างต้นจะแนะนำวิธีการสร้างสัญญาณไมโครเวฟด้วยโฟโตอิเล็กตรอนหลายวิธี รวมถึงข้อดีและข้อเสีย ในที่สุด การใช้โฟโตอิเล็กตรอนเพื่อผลิตไมโครเวฟก็มีข้อดีอีกประการหนึ่งคือสัญญาณแสงสามารถกระจายผ่านใยแก้วนำแสงที่มีการสูญเสียน้อยมาก การส่งสัญญาณทางไกลไปยังแต่ละขั้วการใช้งานแล้วแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ และความสามารถในการต้านทานแม่เหล็กไฟฟ้า สัญญาณรบกวนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบเดิม
การเขียนบทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้อ้างอิงเป็นหลัก และเมื่อรวมกับประสบการณ์การวิจัยของผู้เขียนเองและประสบการณ์ในสาขานี้ มีความคลาดเคลื่อนและไม่เข้าใจ โปรดเข้าใจ