สถานการณ์ปัจจุบันและจุดร้อนของการสร้างสัญญาณไมโครเวฟในไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ตามชื่อที่แนะนำคือจุดตัดของไมโครเวฟและOptoelectronics- ไมโครเวฟและคลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความถี่นั้นมีความแตกต่างกันมากมายและส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในสาขานั้นแตกต่างกันมาก เมื่อรวมกันเราสามารถใช้ประโยชน์จากกันและกันได้ แต่เราสามารถรับแอปพลิเคชันและลักษณะใหม่ที่ยากที่จะตระหนักถึงตามลำดับ

การสื่อสารด้วยแสงเป็นตัวอย่างสำคัญของการรวมกันของไมโครเวฟและโฟโตอิเล็กตรอน การสื่อสารไร้สายโทรศัพท์และโทรเลขยุคแรกการสร้างการแพร่กระจายและการรับสัญญาณทั้งหมดที่ใช้อุปกรณ์ไมโครเวฟทั้งหมด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำถูกนำมาใช้ในขั้นต้นเนื่องจากช่วงความถี่มีขนาดเล็กและความจุของช่องสัญญาณสำหรับการส่งมีขนาดเล็ก วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มความถี่ของสัญญาณที่ส่งยิ่งความถี่สูงขึ้นทรัพยากรสเปกตรัมมากขึ้น แต่สัญญาณความถี่สูงในการสูญเสียการแพร่กระจายอากาศมีขนาดใหญ่ แต่ก็ง่ายต่อการถูกบล็อกโดยอุปสรรค หากใช้สายเคเบิลการสูญเสียสายเคเบิลมีขนาดใหญ่และการส่งทางไกลเป็นปัญหา การเกิดขึ้นของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงเป็นทางออกที่ดีสำหรับปัญหาเหล่านี้ใยแก้วนำแสงมีการสูญเสียการส่งสัญญาณต่ำมากและเป็นผู้ให้บริการที่ยอดเยี่ยมสำหรับการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ช่วงความถี่ของคลื่นแสงนั้นมากกว่าไมโครเวฟมากและสามารถส่งช่องทางที่แตกต่างกันมากมายพร้อมกัน เนื่องจากข้อดีเหล่านี้ของเกียร์ออพติคอลการสื่อสารด้วยแสงไฟเบอร์ได้กลายเป็นกระดูกสันหลังของการส่งข้อมูลในปัจจุบัน
การสื่อสารด้วยแสงมีประวัติยาวนานการวิจัยและการใช้งานนั้นกว้างขวางและเป็นผู้ใหญ่ที่นี่ไม่ได้พูดอะไรเพิ่มเติม บทความนี้ส่วนใหญ่แนะนำเนื้อหาการวิจัยใหม่ของไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสง Optoelectronics ไมโครเวฟส่วนใหญ่ใช้วิธีการและเทคโนโลยีในสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นพาหะในการปรับปรุงและบรรลุประสิทธิภาพและการประยุกต์ใช้ที่ยากที่จะบรรลุด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิม จากมุมมองของแอปพลิเคชันส่วนใหญ่จะรวมถึงสามด้านต่อไปนี้
อย่างแรกคือการใช้ Optoelectronics เพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่มีประสิทธิภาพสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำจาก X-band ไปจนถึงแถบ THz
ประการที่สองการประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ รวมถึงความล่าช้าการกรองการแปลงความถี่การรับและอื่น ๆ
ประการที่สามการส่งสัญญาณอะนาล็อก

ในบทความนี้ผู้เขียนแนะนำส่วนแรกเท่านั้นการสร้างสัญญาณไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟมิลลิเมตรแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่สร้างขึ้นโดยส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ III_V ข้อ จำกัด ของมันมีจุดต่อไปนี้: อันดับแรกถึงความถี่สูงเช่น 100GHz ข้างต้นไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมสามารถผลิตพลังงานน้อยลงและน้อยกว่าสัญญาณ THz ที่สูงขึ้นพวกเขาไม่สามารถทำอะไรได้เลย ประการที่สองเพื่อลดเสียงรบกวนของเฟสและปรับปรุงความเสถียรของความถี่อุปกรณ์ดั้งเดิมจะต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำมาก ประการที่สามมันเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการแปลงความถี่ความถี่ที่หลากหลาย เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้เทคโนโลยี Optoelectronic สามารถมีบทบาทได้ วิธีการหลักอธิบายไว้ด้านล่าง

1. ผ่านความถี่ที่แตกต่างกันของสัญญาณเลเซอร์ความถี่ที่แตกต่างกันสองสัญญาณเครื่องตรวจจับความถี่สูงจะใช้ในการแปลงสัญญาณไมโครเวฟดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1. แผนผังไดอะแกรมของไมโครเวฟที่สร้างขึ้นโดยความถี่ที่แตกต่างกันของสองเลเซอร์.

ข้อดีของวิธีนี้เป็นโครงสร้างที่เรียบง่ายสามารถสร้างคลื่นมิลลิเมตรความถี่สูงมากและแม้กระทั่งสัญญาณความถี่ THz และโดยการปรับความถี่ของเลเซอร์สามารถดำเนินการแปลงความถี่เร็วจำนวนมาก ข้อเสียคือเสียง linewidth หรือเฟสของสัญญาณความถี่ที่แตกต่างที่สร้างขึ้นโดยสัญญาณเลเซอร์ที่ไม่เกี่ยวข้องสองสัญญาณนั้นค่อนข้างใหญ่และความเสถียรของความถี่ไม่สูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาตรขนาดเล็ก หากข้อกำหนดระดับน้ำหนักของระบบไม่สูงคุณสามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตตที่มีเสียงรบกวนต่ำ (~ kHz)เลเซอร์ไฟเบอร์โพรงภายนอกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถใช้สัญญาณเลเซอร์สองโหมดที่แตกต่างกันที่สร้างขึ้นในโพรงเลเซอร์เดียวกันเพื่อสร้างความถี่ที่แตกต่างกันเพื่อให้ประสิทธิภาพความเสถียรของความถี่ไมโครเวฟดีขึ้นอย่างมาก

2. เพื่อแก้ปัญหาที่เลเซอร์ทั้งสองในวิธีก่อนหน้านั้นไม่ต่อเนื่องกันและสัญญาณรบกวนเฟสสัญญาณที่สร้างขึ้นนั้นมีขนาดใหญ่เกินไปการเชื่อมโยงกันระหว่างเลเซอร์ทั้งสองสามารถรับได้โดยวิธีการล็อคเฟสการล็อคความถี่การฉีดหรือวงจรล็อคเฟสผลตอบรับเชิงลบ รูปที่ 2 แสดงการใช้งานโดยทั่วไปของการล็อคการฉีดเพื่อสร้างไมโครเวฟทวีคูณ (รูปที่ 2) โดยการฉีดสัญญาณกระแสไฟฟ้าความถี่สูงโดยตรงลงในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์หรือโดยใช้โมดูเลเตอร์ Linbo3-phase สัญญาณออปติคัลหลายตัวของความถี่ที่แตกต่างกันที่มีระยะห่างความถี่เท่ากันสามารถสร้างขึ้นได้ แน่นอนวิธีที่ใช้กันทั่วไปเพื่อให้ได้หวีความถี่ออพติคอลสเปกตรัมกว้างคือการใช้เลเซอร์ที่ล็อคโหมด สัญญาณหวีสองตัวใด ๆ ในหวีความถี่ออพติคอลที่สร้างขึ้นจะถูกเลือกโดยการกรองและฉีดลงในเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับเพื่อรับรู้ความถี่และการล็อคเฟสตามลำดับ เนื่องจากเฟสระหว่างสัญญาณหวีที่แตกต่างกันของหวีความถี่ออพติคอลค่อนข้างเสถียรดังนั้นเฟสสัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์ทั้งสองมีความเสถียรและจากนั้นโดยวิธีการของความถี่ที่แตกต่างกันตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้สัญญาณไมโครเวฟความถี่หลายเท่าของอัตราการทำซ้ำหวีความถี่ออพติคอลสามารถรับได้

รูปที่ 2 แผนผังแผนผังความถี่ไมโครเวฟเป็นสองเท่าสัญญาณที่เกิดจากการล็อคความถี่ในการฉีด
อีกวิธีหนึ่งในการลดเสียงรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์ทั้งสองคือการใช้ PLL คำติชมเชิงลบ PLL ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังแผนผังของ OPL

หลักการของแสง PLL นั้นคล้ายกับ PLL ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ความแตกต่างของเฟสของเลเซอร์ทั้งสองจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยเครื่องตรวจจับแสง (เทียบเท่ากับเครื่องตรวจจับเฟส) จากนั้นเฟสความแตกต่างระหว่างเลเซอร์ทั้งสองจะได้รับโดยการสร้างความถี่ที่แตกต่างกับแหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง ผ่านลูปควบคุมข้อเสนอแนะเชิงลบเช่นเฟสความถี่สัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณเลเซอร์สองสัญญาณจะถูกล็อคไปยังสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง สัญญาณออปติคัลแบบรวมนั้นสามารถส่งผ่านเส้นใยออพติคอลไปยังเครื่องตรวจจับแสงที่อื่นและแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ สัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นของสัญญาณไมโครเวฟเกือบจะเหมือนกับสัญญาณอ้างอิงภายในแบนด์วิดท์ของลูปข้อเสนอแนะเชิงลบที่ล็อคเฟส เสียงเฟสที่อยู่นอกแบนด์วิดท์เท่ากับเสียงเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์สองตัวดั้งเดิมที่ไม่เกี่ยวข้อง
นอกจากนี้แหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงยังสามารถแปลงโดยแหล่งสัญญาณอื่น ๆ ผ่านความถี่การเพิ่มความถี่ความถี่ตัวหารหรือการประมวลผลความถี่อื่น ๆ เพื่อให้สัญญาณไมโครเวฟความถี่ต่ำกว่าสามารถเป็นหลายตัวหรือแปลงเป็นสัญญาณ RF ความถี่สูง
เมื่อเปรียบเทียบกับการล็อคความถี่ในการฉีดสามารถได้รับความถี่เป็นสองเท่า ตัวอย่างเช่นหวีความถี่ออพติคอลที่สร้างขึ้นโดยโมดูเลเตอร์โฟโตอิเล็กทริกในรูปที่ 2 ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงและลูปที่ล็อคเฟสแบบออพติคอลถูกนำมาใช้เพื่อล็อคความถี่ของเลเซอร์ทั้งสองไปยังสัญญาณหวีออปติคัลทั้งสองแล้วสร้างสัญญาณความถี่สูง N*FREP+F1+F2 สามารถสร้างได้โดยความถี่ที่แตกต่างระหว่างเลเซอร์สองตัว

รูปที่ 4 แผนผังแผนผังของการสร้างความถี่โดยพลการโดยใช้หวีความถี่แสงและ PLL

3. ใช้เลเซอร์พัลส์ที่ล็อคโหมดเพื่อแปลงสัญญาณชีพจรออปติคัลเป็นสัญญาณไมโครเวฟผ่านเครื่องตรวจจับแสง.

ข้อได้เปรียบหลักของวิธีนี้คือสัญญาณที่มีเสถียรภาพความถี่ที่ดีมากและสามารถรับสัญญาณรบกวนเฟสต่ำได้ โดยการล็อคความถี่ของเลเซอร์ไปยังสเปกตรัมการเปลี่ยนสีอะตอมและโมเลกุลที่มีความเสถียรมากหรือโพรงแสงที่มีความเสถียรมากและการใช้ระบบกำจัดความถี่ความถี่ในการจับคู่ด้วยตนเองและเทคโนโลยีอื่น ๆ รูปที่ 5.

รูปที่ 5. การเปรียบเทียบเสียงรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของแหล่งสัญญาณที่แตกต่างกัน

อย่างไรก็ตามเนื่องจากอัตราการทำซ้ำของพัลส์นั้นเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวโพรงของเลเซอร์และเลเซอร์ที่ล็อคโหมดแบบดั้งเดิมมีขนาดใหญ่จึงเป็นเรื่องยากที่จะได้รับสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงโดยตรง นอกจากนี้ขนาดน้ำหนักและพลังงานของเลเซอร์พัลซิ่งแบบดั้งเดิมรวมถึงข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง จำกัด การใช้งานในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก เพื่อเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้การวิจัยได้เริ่มขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ในสหรัฐอเมริกาและเยอรมนีโดยใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างหวีออพติคอลที่มีความถี่ที่มีความถี่ในโพรงออพติคอลโหมดเสียงร้องที่มีคุณภาพสูงขนาดเล็กมาก

4. ออสโตรนิกออสโตรนิคออสซิลเลเตอร์รูปที่ 6

รูปที่ 6 แผนผังแผนผังของโฟโตอิเล็กทริกคู่ออสซิลเลเตอร์

หนึ่งในวิธีการดั้งเดิมในการสร้างไมโครเวฟหรือเลเซอร์คือการใช้ลูปปิดตัวเองแบบปิดตัวเองตราบใดที่กำไรในวงปิดนั้นยิ่งใหญ่กว่าการสูญเสีย ยิ่งปัจจัยคุณภาพ Q ของลูปปิดที่สูงขึ้นเท่านั้นเฟสสัญญาณที่สร้างขึ้นหรือเสียงรบกวนความถี่ เพื่อเพิ่มปัจจัยคุณภาพของลูปวิธีโดยตรงคือการเพิ่มความยาวลูปและลดการสูญเสียการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตามการวนซ้ำที่ยาวขึ้นสามารถรองรับการสร้างหลายโหมดของการแกว่งและหากมีการเพิ่มตัวกรองแบนด์วิดท์แคบ ๆ สามารถรับสัญญาณการแกว่งไมโครเวฟความถี่ต่ำได้ โฟโตอิเล็กทริกคู่ออสซิลเลเตอร์เป็นแหล่งสัญญาณไมโครเวฟตามแนวคิดนี้มันใช้ประโยชน์จากลักษณะการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำของเส้นใยอย่างเต็มที่โดยใช้เส้นใยที่ยาวขึ้นเพื่อปรับปรุงค่าลูป Q สามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก เนื่องจากวิธีการดังกล่าวได้รับการเสนอในปี 1990 ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางและมีการพัฒนาอย่างมากและปัจจุบันมีออสซิลเลเตอร์คู่โฟโตอิเล็กทริกในเชิงพาณิชย์ เมื่อไม่นานมานี้ออสซิลเลเตอร์โฟโตอิเล็กทริกที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างได้รับการพัฒนา ปัญหาหลักของแหล่งสัญญาณไมโครเวฟตามสถาปัตยกรรมนี้คือวงยาวและเสียงรบกวนในการไหลฟรี (FSR) และความถี่สองเท่าของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ส่วนประกอบโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้มีมากขึ้นค่าใช้จ่ายสูงปริมาณก็ยากที่จะลดลงและเส้นใยที่ยาวขึ้นมีความไวต่อการรบกวนสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ข้างต้นแนะนำวิธีการหลายวิธีในการสร้างสัญญาณไมโครเวฟโฟโตอิเล็กตรอนหลายวิธีรวมถึงข้อดีและข้อเสียของพวกเขา ในที่สุดการใช้โฟโตอิเล็กตรอนในการผลิตไมโครเวฟมีข้อได้เปรียบอีกอย่างหนึ่งคือสัญญาณออปติคัลสามารถกระจายผ่านใยแก้วนำแสงที่มีการสูญเสียต่ำมากการส่งผ่านทางไกลไปยังเทอร์มินัลการใช้งานแต่ละครั้งจากนั้นแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ
การเขียนบทความนี้ส่วนใหญ่มีไว้สำหรับการอ้างอิงและเมื่อรวมกับประสบการณ์การวิจัยและประสบการณ์การวิจัยของผู้เขียนในสาขานี้มีความไม่ถูกต้องและความไม่แน่นอนโปรดเข้าใจ