สถานการณ์ปัจจุบันและจุดร้อนของการสร้างสัญญาณไมโครเวฟในไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ตามชื่อเลยคือจุดตัดระหว่างไมโครเวฟและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟและคลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งความถี่ของคลื่นทั้งสองนี้ต่างกันมาก และส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในสาขานั้นๆ ก็แตกต่างกันมากเช่นกัน เมื่อนำมารวมกันแล้ว เราสามารถใช้ประโยชน์จากกันและกันได้ แต่เราสามารถนำไปใช้งานและมีคุณสมบัติใหม่ๆ ที่ยากต่อการใช้งานได้

การสื่อสารด้วยแสงเป็นตัวอย่างที่ดีของการผสมผสานระหว่างไมโครเวฟและโฟโตอิเล็กตรอน การสื่อสารไร้สายโทรศัพท์และโทรเลขในยุคแรก การสร้าง การแพร่กระจาย และการรับสัญญาณ ล้วนใช้ไมโครเวฟทั้งสิ้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำถูกนำมาใช้ในช่วงแรกเนื่องจากช่วงความถี่มีขนาดเล็กและความจุของช่องสัญญาณในการส่งสัญญาณมีขนาดเล็ก วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มความถี่ของสัญญาณที่ส่ง ยิ่งความถี่สูงขึ้น ทรัพยากรสเปกตรัมก็จะมากขึ้น แต่สัญญาณความถี่สูงในอากาศมีการสูญเสียมาก แต่ก็ถูกสิ่งกีดขวางปิดกั้นได้ง่ายเช่นกัน หากใช้สายเคเบิล การสูญเสียของสายเคเบิลก็จะมาก และการส่งสัญญาณระยะไกลก็เป็นปัญหา การเกิดขึ้นของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ดีเส้นใยแก้วนำแสงมีการสูญเสียในการส่งสัญญาณต่ำมากและเป็นพาหะที่ดีเยี่ยมในการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ช่วงความถี่ของคลื่นแสงนั้นกว้างกว่าคลื่นไมโครเวฟมากและสามารถส่งสัญญาณช่องสัญญาณต่างๆ ได้หลายช่องพร้อมกัน เนื่องด้วยข้อดีเหล่านี้การส่งสัญญาณด้วยแสงการสื่อสารผ่านสายใยแก้วนำแสงกลายเป็นกระดูกสันหลังของการส่งข้อมูลในปัจจุบัน
การสื่อสารด้วยแสงมีประวัติศาสตร์อันยาวนาน การวิจัยและการประยุกต์ใช้มีขอบเขตกว้างขวางและครบถ้วนสมบูรณ์ ต่อไปนี้จะไม่กล่าวอะไรมากไปกว่านี้ บทความนี้จะแนะนำเนื้อหาการวิจัยใหม่ๆ ของไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสง ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ใช้วิธีการและเทคโนโลยีในสาขาของออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นสื่อกลางเพื่อปรับปรุงและบรรลุประสิทธิภาพและการประยุกต์ใช้ที่ยากต่อการทำได้ด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิม จากมุมมองของการประยุกต์ใช้ ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยสามประเด็นต่อไปนี้
ประการแรกคือการใช้ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟประสิทธิภาพสูงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำตั้งแต่ย่านความถี่ X ไปจนถึงย่านความถี่ THz
ประการที่สอง การประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ รวมถึงการหน่วงเวลา การกรอง การแปลงความถี่ การรับ และอื่นๆ
ประการที่สามการส่งสัญญาณอะนาล็อก

ในบทความนี้ผู้เขียนจะแนะนำเฉพาะส่วนแรกเท่านั้น ซึ่งก็คือการสร้างสัญญาณไมโครเวฟ คลื่นมิลลิเมตรไมโครเวฟแบบดั้งเดิมนั้นสร้างขึ้นโดยส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ iii_V เป็นหลัก ข้อจำกัดของมันมีดังต่อไปนี้ ประการแรก สำหรับความถี่สูง เช่น 100GHz ขึ้นไป ไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมสามารถผลิตพลังงานได้น้อยลงเรื่อยๆ สำหรับสัญญาณ THz ความถี่ที่สูงขึ้น พวกมันไม่สามารถทำอะไรได้เลย ประการที่สอง เพื่อลดสัญญาณรบกวนเฟสและปรับปรุงเสถียรภาพของความถี่ อุปกรณ์ดั้งเดิมจะต้องวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ประการที่สาม การแปลงความถี่มอดูเลชั่นความถี่นั้นทำได้ยาก เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์สามารถมีบทบาทได้ วิธีการหลักๆ อธิบายไว้ด้านล่าง

1. ผ่านความถี่ที่แตกต่างของสัญญาณเลเซอร์สองความถี่ที่ต่างกัน เครื่องตรวจจับโฟโตความถี่สูงจะถูกใช้เพื่อแปลงสัญญาณไมโครเวฟ ดังที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังของคลื่นไมโครเวฟที่เกิดจากความถี่ต่างสองความถี่เลเซอร์.

ข้อดีของวิธีนี้คือโครงสร้างที่เรียบง่าย สามารถสร้างคลื่นมิลลิเมตรความถี่สูงมากและสัญญาณความถี่ THz และโดยการปรับความถี่ของเลเซอร์ สามารถทำการแปลงความถี่ได้อย่างรวดเร็วในช่วงกว้าง ความถี่กวาด ข้อเสียคือความกว้างของเส้นหรือสัญญาณรบกวนเฟสของสัญญาณความถี่ต่างที่สร้างโดยสัญญาณเลเซอร์ที่ไม่เกี่ยวข้องกันสองตัวนั้นค่อนข้างใหญ่ และความเสถียรของความถี่ไม่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาตรเล็กแต่ความกว้างของเส้น (~MHz) มาก หากข้อกำหนดปริมาตรน้ำหนักของระบบไม่สูง คุณสามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตตที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ (~kHz)ไฟเบอร์เลเซอร์, โพรงภายนอกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์นอกจากนี้ สัญญาณเลเซอร์สองโหมดที่แตกต่างกันที่สร้างขึ้นในช่องเลเซอร์เดียวกันยังสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างความถี่ที่แตกต่างกันได้ จึงทำให้ประสิทธิภาพเสถียรภาพของความถี่ไมโครเวฟได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

2. เพื่อแก้ปัญหาที่เลเซอร์สองตัวในวิธีก่อนหน้านั้นไม่สอดคล้องกันและสัญญาณรบกวนเฟสที่สร้างขึ้นมีขนาดใหญ่เกินไป ความสอดคล้องกันระหว่างเลเซอร์สองตัวสามารถทำได้โดยวิธีล็อกเฟสแบบฉีดหรือวงจรล็อกเฟสแบบป้อนกลับเชิงลบ รูปที่ 2 แสดงการใช้งานทั่วไปของการล็อกการฉีดเพื่อสร้างคลื่นไมโครเวฟหลายตัว (รูปที่ 2) โดยการฉีดสัญญาณกระแสความถี่สูงโดยตรงเข้าไปในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์หรือโดยใช้มอดูเลเตอร์เฟส LinBO3 สามารถสร้างสัญญาณออปติกหลายสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันโดยมีระยะห่างความถี่เท่ากันหรือหวีความถี่ออปติก แน่นอนว่าวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการรับหวีความถี่ออปติกที่มีสเปกตรัมกว้างคือการใช้เลเซอร์ที่ล็อกโหมด สัญญาณหวีสองสัญญาณใดๆ ในหวีความถี่ออปติกที่สร้างขึ้นจะถูกเลือกโดยการกรองและฉีดเข้าไปในเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับเพื่อทำการล็อกความถี่และเฟสตามลำดับ เนื่องจากเฟสระหว่างสัญญาณหวีที่แตกต่างกันของหวีความถี่แสงนั้นค่อนข้างเสถียร ดังนั้นเฟสสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัวจึงเสถียร จากนั้นจึงสามารถได้สัญญาณไมโครเวฟความถี่หลายเท่าของอัตราการทำซ้ำของหวีความถี่แสงได้ โดยใช้วิธีความถี่ต่างกันดังที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

รูปที่ 2 แผนผังของสัญญาณการเพิ่มความถี่ไมโครเวฟเป็นสองเท่าที่เกิดจากการล็อกความถี่การฉีด
อีกวิธีหนึ่งในการลดสัญญาณรบกวนเฟสสัมพันธ์ของเลเซอร์ทั้งสองตัวคือการใช้ PLL ออปติคัลข้อเสนอแนะเชิงลบ ดังที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังของ OPL

หลักการของ PLL แบบออปติคัลนั้นคล้ายคลึงกับหลักการของ PLL ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฟสต่างของเลเซอร์ทั้งสองตัวจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยเครื่องตรวจจับแสง (เทียบเท่ากับเครื่องตรวจจับเฟส) จากนั้นเฟสต่างระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัวจะได้มาจากการสร้างความถี่ต่างด้วยแหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง ซึ่งจะถูกขยายและกรอง จากนั้นจึงป้อนกลับไปยังหน่วยควบคุมความถี่ของเลเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ จะเป็นกระแสฉีด) ผ่านลูปควบคุมการป้อนกลับเชิงลบดังกล่าว เฟสความถี่สัมพันธ์ระหว่างสัญญาณเลเซอร์ทั้งสองตัวจะถูกล็อกกับสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง จากนั้นสัญญาณออปติคัลรวมสามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงไปยังเครื่องตรวจจับแสงที่อื่นและแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟได้ สัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นจากสัญญาณไมโครเวฟนั้นเกือบจะเหมือนกับสัญญาณอ้างอิงภายในแบนด์วิดท์ของลูปป้อนกลับเชิงลบที่ล็อกเฟส สัญญาณรบกวนเฟสภายนอกแบนด์วิดท์นั้นเท่ากับสัญญาณรบกวนเฟสสัมพันธ์ของเลเซอร์สองตัวเดิมที่ไม่เกี่ยวข้องกัน
นอกจากนี้ แหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงยังสามารถแปลงโดยแหล่งสัญญาณอื่น ๆ ได้ด้วยการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ความถี่ตัวหาร หรือการประมวลผลความถี่อื่น ๆ ทำให้สัญญาณไมโครเวฟความถี่ต่ำกว่าสามารถเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า หรือแปลงเป็นสัญญาณ RF ความถี่สูง THz ได้
เมื่อเปรียบเทียบกับการล็อกความถี่การฉีด สามารถทำได้เพียงการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ลูปล็อกเฟสมีความยืดหยุ่นมากกว่า สามารถสร้างความถี่ได้เกือบตามอำเภอใจ และแน่นอนว่าซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น หวีความถี่ออปติกที่สร้างโดยโมดูเลเตอร์โฟโตอิเล็กทริกในรูปที่ 2 ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง และลูปล็อกเฟสออปติกใช้เพื่อล็อกความถี่ของเลเซอร์ทั้งสองตัวเข้ากับสัญญาณหวีออปติกสองตัวอย่างเลือกสรร จากนั้นจึงสร้างสัญญาณความถี่สูงผ่านความถี่ความแตกต่าง ดังที่แสดงในรูปที่ 4 f1 และ f2 คือความถี่สัญญาณอ้างอิงของ PLLS ทั้งสองตัวตามลำดับ และสามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟของ N*frep+f1+f2 ได้จากความถี่ความแตกต่างระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัว

รูปที่ 4 แผนผังการสร้างความถี่โดยพลการโดยใช้หวีความถี่แสงและ PLLS

3. ใช้เลเซอร์พัลส์ล็อคโหมดเพื่อแปลงสัญญาณพัลส์ออปติคัลเป็นสัญญาณไมโครเวฟผ่านเครื่องตรวจจับภาพ.

ข้อได้เปรียบหลักของวิธีนี้คือสามารถรับสัญญาณที่มีเสถียรภาพความถี่ที่ดีมากและมีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมากได้ โดยการล็อกความถี่ของเลเซอร์ให้เป็นสเปกตรัมการเปลี่ยนผ่านอะตอมและโมเลกุลที่เสถียรมากหรือช่องแสงที่เสถียรมาก และการใช้ระบบกำจัดความถี่แบบเพิ่มตัวเองเป็นสองเท่า การเลื่อนความถี่และเทคโนโลยีอื่นๆ เราสามารถรับสัญญาณพัลส์ออปติกที่เสถียรมากด้วยความถี่การทำซ้ำที่เสถียรมาก เพื่อรับสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก รูปที่ 5

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบเฟสสัญญาณรบกวนสัมพันธ์ของแหล่งสัญญาณที่แตกต่างกัน

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์แปรผกผันกับความยาวของโพรงของเลเซอร์ และเลเซอร์แบบล็อกโหมดดั้งเดิมมีขนาดใหญ่ จึงยากที่จะรับสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงโดยตรง นอกจากนี้ ขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานของเลเซอร์แบบพัลส์ดั้งเดิม รวมถึงข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ยังจำกัดการใช้งานในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก เพื่อเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้ การวิจัยได้เริ่มขึ้นในสหรัฐอเมริกาและเยอรมนีเมื่อไม่นานนี้โดยใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างหวีออปติกที่เสถียรต่อความถี่ในโพรงออปติกแบบชิร์ปคุณภาพสูงขนาดเล็กมาก ซึ่งในทางกลับกันจะสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ

4. ออสซิลเลเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 6

รูปที่ 6 แผนผังของออสซิลเลเตอร์แบบจับคู่โฟโตอิเล็กทริก

วิธีดั้งเดิมอย่างหนึ่งในการสร้างคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์คือการใช้วงจรปิดแบบป้อนกลับด้วยตนเอง ตราบใดที่ค่าเกนในวงจรปิดมากกว่าการสูญเสีย การสั่นที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยตนเองก็สามารถผลิตคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์ได้ ยิ่งค่าปัจจัยคุณภาพ Q ของวงจรปิดสูงขึ้นเท่าใด เฟสของสัญญาณที่สร้างขึ้นหรือสัญญาณรบกวนความถี่ก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น เพื่อเพิ่มปัจจัยคุณภาพของวงจร วิธีโดยตรงคือการเพิ่มความยาวของวงจรและลดการสูญเสียการแพร่กระจายให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม วงจรที่ยาวกว่ามักจะรองรับการสร้างโหมดการสั่นหลายโหมดได้ และหากเพิ่มฟิลเตอร์แบนด์วิดท์แคบ ก็จะได้สัญญาณการสั่นไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนต่ำความถี่เดียว ออสซิลเลเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกคือแหล่งสัญญาณไมโครเวฟที่อิงตามแนวคิดนี้ โดยใช้ประโยชน์จากลักษณะการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำของไฟเบอร์อย่างเต็มที่ โดยใช้ไฟเบอร์ที่ยาวกว่าเพื่อปรับปรุงค่า Q ของวงจร จึงสามารถผลิตสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมากได้ นับตั้งแต่มีการเสนอวิธีการนี้ในปี 1990 ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางและการพัฒนาที่สำคัญและปัจจุบันมีออสซิลเลเตอร์แบบจับคู่โฟโตอิเล็กทริกเชิงพาณิชย์ เมื่อไม่นานมานี้ ออสซิลเลเตอร์โฟโตอิเล็กทริกที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างได้รับการพัฒนา ปัญหาหลักของแหล่งสัญญาณไมโครเวฟที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้คือลูปยาวและสัญญาณรบกวนในกระแสอิสระ (FSR) และความถี่สองเท่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ส่วนประกอบโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้มีมากขึ้น ต้นทุนสูง ลดปริมาตรได้ยาก และไฟเบอร์ที่ยาวขึ้นจะไวต่อการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ข้างต้นจะแนะนำวิธีการสร้างสัญญาณไมโครเวฟด้วยโฟโตอิเล็กตรอนโดยย่อ รวมทั้งข้อดีและข้อเสียของวิธีการเหล่านั้น สุดท้าย การใช้โฟโตอิเล็กตรอนในการผลิตไมโครเวฟมีข้อดีอีกประการหนึ่งคือสามารถกระจายสัญญาณออปติกผ่านใยแก้วนำแสงโดยมีการสูญเสียต่ำมาก การส่งสัญญาณระยะไกลไปยังแต่ละเทอร์มินัลการใช้งาน จากนั้นแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ และความสามารถในการต้านทานการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม
บทความนี้เขียนขึ้นเพื่อการอ้างอิงเป็นหลัก และเมื่อรวมกับประสบการณ์การวิจัยและประสบการณ์ในสาขานี้ของผู้เขียนเองแล้ว อาจมีข้อผิดพลาดและไม่เข้าใจได้ โปรดเข้าใจด้วย