สถานการณ์ปัจจุบันและประเด็นสำคัญของการสร้างสัญญาณไมโครเวฟในด้านอิเล็กโทรออปติกไมโครเวฟ

ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ดังที่ชื่อบ่งบอก คือจุดตัดระหว่างไมโครเวฟและออปโตอิเล็กทรอนิกส์คลื่นไมโครเวฟและคลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และความถี่แตกต่างกันหลายลำดับความ magnitud และส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในแต่ละสาขาก็แตกต่างกันมาก เมื่อนำมาใช้ร่วมกัน เราสามารถใช้ประโยชน์จากกันและกันได้ แต่เราอาจได้แอปพลิเคชันและคุณลักษณะใหม่ๆ ที่ยากจะเกิดขึ้นได้หากแยกใช้เพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง

การสื่อสารด้วยแสงเป็นตัวอย่างสำคัญของการผสมผสานระหว่างคลื่นไมโครเวฟและโฟโตอิเล็กตรอน การสื่อสารไร้สายในยุคแรก เช่น โทรศัพท์และโทรเลข การสร้าง การแพร่กระจาย และการรับสัญญาณ ล้วนใช้อุปกรณ์ไมโครเวฟ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำถูกนำมาใช้ในตอนแรกเนื่องจากช่วงความถี่แคบและความจุของช่องสัญญาณสำหรับการส่งสัญญาณมีน้อย วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มความถี่ของสัญญาณที่ส่ง ยิ่งความถี่สูงเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีทรัพยากรสเปกตรัมมากขึ้นเท่านั้น แต่สัญญาณความถี่สูงมีการสูญเสียการแพร่กระจายในอากาศสูง และยังถูกกีดขวางได้ง่าย หากใช้สายเคเบิล การสูญเสียของสายเคเบิลก็สูง และการส่งสัญญาณในระยะทางไกลก็เป็นปัญหา การเกิดขึ้นของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงจึงเป็นทางออกที่ดีสำหรับปัญหาเหล่านี้ใยแก้วนำแสงแสงมีอัตราการสูญเสียการส่งสัญญาณต่ำมากและเป็นตัวนำที่ดีเยี่ยมสำหรับการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ช่วงความถี่ของคลื่นแสงนั้นกว้างกว่าคลื่นไมโครเวฟมากและสามารถส่งสัญญาณได้หลายช่องสัญญาณพร้อมกัน เนื่องจากข้อดีเหล่านี้ของแสงการส่งผ่านแสงการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นหัวใจสำคัญของการส่งข้อมูลในปัจจุบัน
การสื่อสารด้วยแสงมีประวัติศาสตร์ยาวนาน การวิจัยและการประยุกต์ใช้มีความกว้างขวางและสมบูรณ์มาก จึงไม่จำเป็นต้องกล่าวอะไรเพิ่มเติม บทความนี้จึงเน้นนำเสนอเนื้อหาการวิจัยใหม่ๆ ในด้านอิเล็กโทรออปติกส์ไมโครเวฟในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสง อิเล็กโทรออปติกส์ไมโครเวฟส่วนใหญ่ใช้วิธีการและเทคโนโลยีในสาขาอิเล็กโทรออปติกส์เป็นตัวกลางในการปรับปรุงและบรรลุประสิทธิภาพและการใช้งานที่ยากจะทำได้ด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิม จากมุมมองของการประยุกต์ใช้ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามด้านดังต่อไปนี้
ประการแรกคือการใช้อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์เพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟประสิทธิภาพสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ ตั้งแต่ย่านความถี่ X-band ไปจนถึงย่านความถี่ THz
ประการที่สอง การประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ ซึ่งรวมถึงการหน่วงเวลา การกรอง การแปลงความถี่ การรับสัญญาณ และอื่นๆ
ประการที่สาม การส่งสัญญาณอนาล็อก

ในบทความนี้ ผู้เขียนจะกล่าวถึงเฉพาะส่วนแรก คือ การสร้างสัญญาณไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟมิลลิเมตรแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่สร้างขึ้นโดยใช้ชิ้นส่วนไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีข้อจำกัดดังต่อไปนี้: ประการแรก สำหรับความถี่สูง เช่น 100 GHz ขึ้นไป ไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมสามารถผลิตพลังงานได้น้อยลงเรื่อยๆ และสำหรับสัญญาณความถี่สูงกว่าระดับเทราเฮิร์ตซ์ (THz) ก็ไม่สามารถทำได้ ประการที่สอง เพื่อลดสัญญาณรบกวนเฟสและปรับปรุงความเสถียรของความถี่ อุปกรณ์ดั้งเดิมจำเป็นต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ประการที่สาม การแปลงความถี่แบบมอดูเลชั่นในช่วงกว้างทำได้ยาก เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์สามารถเข้ามามีบทบาทได้ วิธีการหลักๆ จะอธิบายไว้ด้านล่าง

1. โดยใช้ความแตกต่างของความถี่ระหว่างสัญญาณเลเซอร์สองความถี่ที่แตกต่างกัน เครื่องตรวจจับแสงความถี่สูงจะถูกใช้เพื่อแปลงสัญญาณไมโครเวฟ ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงการทำงานของคลื่นไมโครเวฟที่เกิดจากความแตกต่างของความถี่ระหว่างสองแหล่งกำเนิดเลเซอร์.

ข้อดีของวิธีนี้คือโครงสร้างเรียบง่าย สามารถสร้างสัญญาณความถี่สูงมากระดับมิลลิเมตรและแม้กระทั่งระดับเทราเฮิรตซ์ได้ และโดยการปรับความถี่ของเลเซอร์สามารถทำการแปลงความถี่อย่างรวดเร็วและกวาดความถี่ได้ในช่วงกว้าง ข้อเสียคือความกว้างของเส้นสเปกตรัมหรือสัญญาณรบกวนเฟสของสัญญาณความถี่ต่างที่เกิดจากสัญญาณเลเซอร์สองสัญญาณที่ไม่เกี่ยวข้องกันนั้นค่อนข้างมาก และความเสถียรของความถี่ไม่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาตรเล็กแต่ความกว้างของเส้นสเปกตรัมสูง (~MHz) หากความต้องการด้านน้ำหนักและปริมาตรของระบบไม่สูงมากนัก สามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตทที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ (~kHz) ได้เลเซอร์ไฟเบอร์โพรงภายนอกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์นอกจากนี้ ยังสามารถใช้สัญญาณเลเซอร์สองโหมดที่แตกต่างกันซึ่งสร้างขึ้นในโพรงเลเซอร์เดียวกัน เพื่อสร้างความถี่ที่แตกต่างกัน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพความเสถียรของความถี่ไมโครเวฟได้อย่างมาก

2. เพื่อแก้ปัญหาที่ว่าเลเซอร์ทั้งสองตัวในวิธีเดิมนั้นไม่สอดคล้องกัน และสัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่เกินไป สามารถสร้างความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัวได้โดยใช้วิธีการล็อกเฟสด้วยการฉีดความถี่ หรือวงจรล็อกเฟสแบบป้อนกลับเชิงลบ รูปที่ 2 แสดงการประยุกต์ใช้การล็อกด้วยการฉีดเพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟหลายความถี่ (รูปที่ 2) โดยการฉีดสัญญาณกระแสความถี่สูงเข้าไปในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยตรง หรือโดยการใช้ตัวปรับเฟส LinBO3 สามารถสร้างสัญญาณแสงหลายความถี่ที่มีระยะห่างความถี่เท่ากัน หรือหวีความถี่แสงได้ แน่นอนว่า วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการสร้างหวีความถี่แสงที่มีสเปกตรัมกว้างคือการใช้เลเซอร์แบบล็อกโหมด สัญญาณหวีความถี่แสงสองสัญญาณใดๆ ในหวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นจะถูกเลือกโดยการกรองและฉีดเข้าไปในเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับ เพื่อให้เกิดการล็อกความถี่และเฟสตามลำดับ เนื่องจากเฟสระหว่างสัญญาณหวีความถี่แสงที่แตกต่างกันนั้นค่อนข้างคงที่ ดังนั้นเฟสสัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์ทั้งสองจึงคงที่ และด้วยวิธีการความถี่ต่างตามที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ จึงสามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่หลายเท่าของอัตราการทำซ้ำของหวีความถี่แสงได้

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงวงจรสัญญาณเพิ่มความถี่ไมโครเวฟเป็นสองเท่าที่สร้างขึ้นโดยการล็อกความถี่ด้วยการฉีดสัญญาณ
อีกวิธีหนึ่งในการลดสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์ทั้งสองตัวคือการใช้ PLL แบบออปติคอลที่มีการป้อนกลับเชิงลบ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงโครงสร้างของ OPL

หลักการของ PLL ทางแสงคล้ายคลึงกับ PLL ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ โดยจะแปลงความแตกต่างของเฟสระหว่างเลเซอร์สองตัวให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าด้วยโฟโตดีเทคเตอร์ (เทียบเท่ากับตัวตรวจจับเฟส) จากนั้นจึงหาความแตกต่างของเฟสระหว่างเลเซอร์ทั้งสองโดยการสร้างความถี่ต่างกับแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง ซึ่งจะถูกขยายและกรอง แล้วป้อนกลับไปยังหน่วยควบคุมความถี่ของเลเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ คือกระแสฉีด) ด้วยวงจรควบคุมป้อนกลับเชิงลบนี้ เฟสความถี่สัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณเลเซอร์ทั้งสองจะถูกล็อกกับสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง จากนั้นสัญญาณแสงที่รวมกันแล้วสามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงไปยังโฟโตดีเทคเตอร์ที่อื่นและแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ สัญญาณรบกวนเฟสของสัญญาณไมโครเวฟที่ได้จะเกือบเท่ากับสัญญาณรบกวนเฟสของสัญญาณอ้างอิงภายในแบนด์วิดท์ของวงจรป้อนกลับเชิงลบที่ล็อกเฟส ส่วนสัญญาณรบกวนเฟสภายนอกแบนด์วิดท์จะเท่ากับสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์สองตัวที่ไม่เกี่ยวข้องกันในตอนแรก
นอกจากนี้ แหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงยังสามารถแปลงเป็นสัญญาณแหล่งอื่นได้ผ่านการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า การหารความถี่ หรือการประมวลผลความถี่อื่นๆ เพื่อให้สัญญาณไมโครเวฟความถี่ต่ำสามารถเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหลายเท่า หรือแปลงเป็นสัญญาณ RF หรือ THz ความถี่สูงได้
เมื่อเปรียบเทียบกับการล็อกความถี่แบบฉีดซึ่งสามารถเพิ่มความถี่ได้เพียงสองเท่า วงจรล็อกเฟสมีความยืดหยุ่นมากกว่า สามารถสร้างความถี่ได้เกือบทุกความถี่ และแน่นอนว่ามีความซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น หวีความถี่แสงที่สร้างโดยตัวปรับสัญญาณแสงในรูปที่ 2 ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง และวงจรล็อกเฟสแสงถูกใช้เพื่อล็อกความถี่ของเลเซอร์ทั้งสองตัวให้เข้ากับสัญญาณหวีความถี่แสงทั้งสอง จากนั้นสร้างสัญญาณความถี่สูงผ่านความถี่ที่แตกต่างกัน ดังแสดงในรูปที่ 4 โดยที่ f1 และ f2 คือความถี่สัญญาณอ้างอิงของ PLLS ทั้งสองตัวตามลำดับ และสามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟ N*frep+f1+f2 ได้จากความถี่ที่แตกต่างกันระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัว

รูปที่ 4 แผนภาพแสดงการสร้างความถี่ตามต้องการโดยใช้หวีความถี่แสงและ PLLS

3. ใช้เลเซอร์พัลส์แบบล็อกโหมดเพื่อแปลงสัญญาณพัลส์แสงเป็นสัญญาณไมโครเวฟผ่านทางโฟโตดีเทคเตอร์.

ข้อได้เปรียบหลักของวิธีนี้คือสามารถสร้างสัญญาณที่มีความเสถียรของความถี่สูงมากและมีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมากได้ โดยการล็อกความถี่ของเลเซอร์เข้ากับสเปกตรัมการเปลี่ยนผ่านของอะตอมและโมเลกุลที่มีความเสถียรสูงมาก หรือโพรงแสงที่มีความเสถียรสูงมาก และการใช้ระบบกำจัดความถี่แบบเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าและการเลื่อนความถี่ รวมถึงเทคโนโลยีอื่นๆ เราสามารถสร้างสัญญาณพัลส์แสงที่มีความเสถียรสูงมากด้วยความถี่การทำซ้ำที่เสถียรสูงมาก เพื่อให้ได้สัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก รูปที่ 5

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของแหล่งสัญญาณต่างๆ

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอัตราการทำซ้ำของพัลส์แปรผกผันกับความยาวของโพรงเลเซอร์ และเลเซอร์แบบล็อกโหมดแบบดั้งเดิมมีขนาดใหญ่ จึงเป็นการยากที่จะสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงโดยตรง นอกจากนี้ ขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานของเลเซอร์แบบพัลส์แบบดั้งเดิม รวมถึงข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ยังจำกัดการใช้งานส่วนใหญ่ไว้ในห้องปฏิบัติการ เพื่อเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้ การวิจัยจึงเริ่มต้นขึ้นในสหรัฐอเมริกาและเยอรมนี โดยใช้ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างหวีแสงที่มีความเสถียรของความถี่ในโพรงแสงแบบชิปโหมดขนาดเล็กและคุณภาพสูง ซึ่งจะสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ

4. ออสซิลเลเตอร์แบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 6

รูปที่ 6 แผนภาพแสดงวงจร oscillator ที่เชื่อมต่อด้วยโฟโตอิเล็กทริก

หนึ่งในวิธีการดั้งเดิมในการสร้างคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์คือการใช้ลูปปิดแบบป้อนกลับด้วยตนเอง ตราบใดที่อัตราขยายในลูปปิดมากกว่าการสูญเสีย การสั่นแบบกระตุ้นด้วยตนเองก็สามารถสร้างคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์ได้ ยิ่งค่าคุณภาพ Q ของลูปปิดสูงเท่าไร สัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่ของสัญญาณที่สร้างขึ้นก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น วิธีโดยตรงในการเพิ่มค่าคุณภาพของลูปคือการเพิ่มความยาวของลูปและลดการสูญเสียการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม ลูปที่ยาวขึ้นมักจะรองรับการสร้างโหมดการสั่นหลายโหมด และหากเพิ่มตัวกรองแบนด์วิดท์แคบๆ ก็จะได้สัญญาณการสั่นของไมโครเวฟความถี่เดียวที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ ออสซิลเลเตอร์แบบคู่โฟโตอิเล็กทริกเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟที่ใช้แนวคิดนี้ โดยใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำของใยแก้วนำแสงอย่างเต็มที่ การใช้ใยแก้วนำแสงที่ยาวขึ้นเพื่อปรับปรุงค่า Q ของลูป สามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมากได้ นับตั้งแต่มีการเสนอวิธีการนี้ในช่วงทศวรรษ 1990 ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้ได้รับการวิจัยและพัฒนาอย่างกว้างขวาง และปัจจุบันมีออสซิลเลเตอร์แบบใช้โฟโตอิเล็กทริกที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์แล้ว เมื่อไม่นานมานี้ ออสซิลเลเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างก็ได้รับการพัฒนาขึ้น ปัญหาหลักของแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้คือ วงจรมีความยาวมาก และสัญญาณรบกวนในการไหลอิสระ (FSR) และความถี่สองเท่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ยังใช้ส่วนประกอบโฟโตอิเล็กทริกจำนวนมาก ต้นทุนสูง ลดขนาดได้ยาก และเส้นใยที่ยาวขึ้นจะไวต่อการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ข้างต้นได้แนะนำวิธีการสร้างสัญญาณไมโครเวฟจากโฟโตอิเล็กตรอนโดยสังเขป รวมถึงข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธี สุดท้ายนี้ การใช้โฟโตอิเล็กตรอนในการผลิตไมโครเวฟมีข้อดีอีกประการหนึ่งคือ สัญญาณแสงสามารถกระจายผ่านใยแก้วนำแสงได้โดยมีการสูญเสียต่ำมาก สามารถส่งสัญญาณไปยังปลายทางผู้ใช้แต่ละแห่งได้ในระยะทางไกล แล้วจึงแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ และความสามารถในการต้านทานการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าก็ดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม
บทความนี้เขียนขึ้นเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงเป็นหลัก และเมื่อรวมกับประสบการณ์การวิจัยและประสบการณ์ของผู้เขียนในสาขานี้ อาจมีข้อผิดพลาดและความไม่สมบูรณ์ โปรดเข้าใจด้วย