สถานการณ์ปัจจุบันและจุดร้อนของการสร้างสัญญาณไมโครเวฟในไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ตามชื่อที่บ่งบอก เป็นจุดตัดระหว่างไมโครเวฟและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟและคลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่ของคลื่นทั้งสองมีความแตกต่างกันอย่างมาก และส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในแต่ละสาขาก็มีความแตกต่างกันอย่างมาก เมื่อนำมารวมกัน เราสามารถใช้ประโยชน์จากกันและกันได้ แต่เราสามารถนำมาประยุกต์ใช้และมีคุณสมบัติใหม่ๆ ที่ยากต่อการเข้าใจได้

การสื่อสารด้วยแสงเป็นตัวอย่างสำคัญของการผสมผสานระหว่างไมโครเวฟและโฟโตอิเล็กตรอน การสื่อสารไร้สายในยุคแรกเริ่ม ทั้งโทรศัพท์และโทรเลข การสร้าง การแพร่กระจาย และการรับสัญญาณ ล้วนใช้อุปกรณ์ไมโครเวฟ ในระยะแรก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำถูกนำมาใช้เนื่องจากช่วงความถี่มีขนาดเล็กและความจุของช่องสัญญาณในการส่งสัญญาณมีน้อย วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มความถี่ของสัญญาณที่ส่ง ยิ่งความถี่สูง ทรัพยากรสเปกตรัมก็จะยิ่งมากขึ้น อย่างไรก็ตาม สัญญาณความถี่สูงในอากาศมีการสูญเสียสูง แต่ก็ถูกสิ่งกีดขวางปิดกั้นได้ง่าย หากใช้สายเคเบิล การสูญเสียของสายเคเบิลจะมีมาก และการส่งสัญญาณระยะไกลก็เป็นปัญหา การเกิดขึ้นของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงจึงเป็นทางออกที่ดีสำหรับปัญหาเหล่านี้เส้นใยแก้วนำแสงมีการสูญเสียการส่งสัญญาณต่ำมากและเป็นพาหะที่ดีเยี่ยมสำหรับการส่งสัญญาณในระยะทางไกล ช่วงความถี่ของคลื่นแสงนั้นกว้างกว่าคลื่นไมโครเวฟมาก และสามารถส่งสัญญาณได้หลายช่องสัญญาณพร้อมกัน ด้วยข้อดีเหล่านี้การส่งสัญญาณด้วยแสงการสื่อสารผ่านสายใยแก้วนำแสงกลายเป็นกระดูกสันหลังของการส่งข้อมูลในปัจจุบัน
การสื่อสารด้วยแสงมีประวัติศาสตร์อันยาวนาน งานวิจัยและการประยุกต์ใช้มีขอบเขตกว้างขวางและสมบูรณ์ บทความนี้จะนำเสนอเนื้อหางานวิจัยใหม่ๆ ของไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสง ไมโครเวฟออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ใช้วิธีการและเทคโนโลยีในสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นสื่อกลางในการปรับปรุงและบรรลุประสิทธิภาพและการประยุกต์ใช้งานที่ยากต่อการใช้งานด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิม จากมุมมองของการประยุกต์ใช้ บทความนี้ประกอบด้วยสามประเด็นหลักดังต่อไปนี้
ประการแรกคือการใช้ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟประสิทธิภาพสูงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำตั้งแต่ย่านความถี่ X ไปจนถึงย่านความถี่ THz
ประการที่สอง การประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ รวมถึงการหน่วงเวลา การกรอง การแปลงความถี่ การรับสัญญาณ และอื่นๆ
สาม การส่งสัญญาณอะนาล็อก

ในบทความนี้ ผู้เขียนจะแนะนำเฉพาะส่วนแรก นั่นคือการสร้างสัญญาณไมโครเวฟ คลื่นมิลลิเมตรไมโครเวฟแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่สร้างขึ้นโดยส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ iii_V ข้อจำกัดของมันมีดังต่อไปนี้: ประการแรก สำหรับความถี่สูง เช่น 100GHz ขึ้นไป ไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมสามารถผลิตพลังงานได้น้อยลงเรื่อยๆ ในขณะที่สัญญาณความถี่สูง THz จะไม่สามารถทำอะไรได้ ประการที่สอง เพื่อลดสัญญาณรบกวนเฟสและปรับปรุงเสถียรภาพความถี่ อุปกรณ์ดั้งเดิมจำเป็นต้องวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ประการที่สาม การแปลงความถี่แบบมอดูเลตความถี่ที่กว้างนั้นทำได้ยาก เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์จึงมีบทบาทสำคัญต่อการแก้ปัญหาเหล่านี้ วิธีการหลักๆ มีดังต่อไปนี้

1. ผ่านความถี่ที่แตกต่างกันของสัญญาณเลเซอร์สองความถี่ เครื่องตรวจจับโฟโตความถี่สูงจะถูกใช้เพื่อแปลงสัญญาณไมโครเวฟ ดังที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังของไมโครเวฟที่เกิดจากความถี่ต่างของสองเลเซอร์.

ข้อดีของวิธีนี้คือโครงสร้างที่เรียบง่าย สามารถสร้างคลื่นมิลลิเมตรความถี่สูงมากและสัญญาณความถี่เทระเฮิรตซ์ได้ และด้วยการปรับความถี่ของเลเซอร์ จึงสามารถทำการแปลงความถี่ได้อย่างรวดเร็วในช่วงความถี่กว้าง ข้อเสียคือสัญญาณรบกวนเฟสหรือความกว้างของเส้นของสัญญาณความถี่ต่างที่เกิดจากสัญญาณเลเซอร์สองสัญญาณที่ไม่เกี่ยวข้องกันนั้นค่อนข้างมาก และความเสถียรของความถี่ไม่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาตรน้อยแต่มีความกว้างของเส้นมาก (~MHz) หากข้อกำหนดด้านน้ำหนักของระบบไม่สูงนัก คุณสามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตตที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ (~kHz) ได้ไฟเบอร์เลเซอร์, โพรงภายนอกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์นอกจากนี้ สัญญาณเลเซอร์สองโหมดที่แตกต่างกันซึ่งสร้างขึ้นในช่องเลเซอร์เดียวกันยังสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างความถี่ที่แตกต่างกันได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพเสถียรภาพของความถี่ไมโครเวฟได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

2. เพื่อแก้ปัญหาที่เลเซอร์สองตัวในวิธีการก่อนหน้านี้มีความไม่สอดคล้องกันและสัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่เกินไป ความสอดคล้องกันระหว่างเลเซอร์สองตัวสามารถทำได้โดยวิธีการล็อกเฟสแบบล็อกความถี่การฉีด หรือวงจรล็อกเฟสแบบป้อนกลับเชิงลบ รูปที่ 2 แสดงการประยุกต์ใช้ล็อกการฉีดโดยทั่วไปเพื่อสร้างคลื่นไมโครเวฟทวีคูณ (รูปที่ 2) โดยการป้อนสัญญาณกระแสความถี่สูงโดยตรงเข้าไปในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ หรือการใช้มอดูเลเตอร์เฟส LinBO3 สามารถสร้างสัญญาณแสงหลายสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันและมีระยะห่างความถี่เท่ากัน หรือหวีความถี่แสง แน่นอนว่าวิธีการที่นิยมใช้เพื่อให้ได้หวีความถี่แสงแบบสเปกตรัมกว้างคือการใช้เลเซอร์แบบล็อกโหมด สัญญาณหวีใดๆ สองสัญญาณในหวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นจะถูกเลือกโดยการกรองและฉีดเข้าไปในเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับ เพื่อให้ได้การล็อกความถี่และเฟสตามลำดับ เนื่องจากเฟสระหว่างสัญญาณหวีที่แตกต่างกันของหวีความถี่ออปติคัลค่อนข้างเสถียร ดังนั้นเฟสสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์ทั้งสองจึงเสถียร จากนั้นจึงสามารถรับสัญญาณไมโครเวฟความถี่หลายเท่าของอัตราการทำซ้ำของหวีความถี่ออปติคัลได้โดยใช้ความถี่ต่างกันดังที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

รูปที่ 2 แผนผังของสัญญาณการเพิ่มความถี่ไมโครเวฟเป็นสองเท่าที่เกิดจากการล็อกความถี่การฉีด
อีกวิธีหนึ่งในการลดสัญญาณรบกวนเฟสสัมพันธ์ของเลเซอร์ทั้งสองตัวคือการใช้ PLL ออปติคัลป้อนกลับเชิงลบ ดังที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังของ OPL

หลักการของ PLL แบบออปติคัลมีความคล้ายคลึงกับ PLL ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ความแตกต่างของเฟสของเลเซอร์ทั้งสองจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยเครื่องตรวจจับแสง (เทียบเท่ากับเครื่องตรวจจับเฟส) จากนั้นความแตกต่างของเฟสระหว่างเลเซอร์ทั้งสองจะเกิดขึ้นโดยการสร้างความถี่ความแตกต่างของสัญญาณจากแหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง ซึ่งจะถูกขยายและกรอง แล้วป้อนกลับไปยังหน่วยควบคุมความถี่ของเลเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เรียกว่ากระแสฉีด) ผ่านลูปควบคุมป้อนกลับเชิงลบนี้ เฟสความถี่สัมพัทธ์ระหว่างสัญญาณเลเซอร์ทั้งสองจะถูกล็อกเข้ากับสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิง จากนั้นสัญญาณแสงที่รวมกันสามารถส่งผ่านเส้นใยแก้วนำแสงไปยังเครื่องตรวจจับแสงที่อื่นและแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟได้ สัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดขึ้นจากสัญญาณไมโครเวฟนั้นเกือบจะเหมือนกับสัญญาณอ้างอิงภายในแบนด์วิดท์ของลูปป้อนกลับเชิงลบแบบล็อกเฟส สัญญาณรบกวนเฟสที่อยู่นอกแบนด์วิดท์จะเท่ากับสัญญาณรบกวนเฟสสัมพัทธ์ของเลเซอร์สองตัวเดิมที่ไม่เกี่ยวข้องกัน
นอกจากนี้ แหล่งสัญญาณไมโครเวฟอ้างอิงยังสามารถแปลงโดยแหล่งสัญญาณอื่น ๆ ได้ด้วยการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ความถี่ตัวหาร หรือการประมวลผลความถี่อื่น ๆ ทำให้สัญญาณไมโครเวฟความถี่ต่ำกว่าสามารถเพิ่มเป็นสองเท่า หรือแปลงเป็นสัญญาณ RF ความถี่สูง THz ได้
เมื่อเทียบกับการล็อกความถี่แบบฉีด (injection frequency locking) ทำได้เพียงการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ลูปล็อกเฟสมีความยืดหยุ่นมากกว่า สามารถสร้างความถี่ได้เกือบตามใจชอบ และแน่นอนว่ามีความซับซ้อนมากกว่า ตัวอย่างเช่น หวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยตัวปรับแสงโฟโตอิเล็กทริกในรูปที่ 2 ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง และลูปล็อกเฟสแสงจะถูกใช้เพื่อล็อกความถี่ของเลเซอร์ทั้งสองตัวเข้ากับสัญญาณหวีแสงทั้งสองแบบ แล้วจึงสร้างสัญญาณความถี่สูงผ่านความถี่ต่าง ดังแสดงในรูปที่ 4 f1 และ f2 คือความถี่สัญญาณอ้างอิงของ PLLS ทั้งสองตัวตามลำดับ และสามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟ N*frep+f1+f2 ได้จากความถี่ต่างระหว่างเลเซอร์ทั้งสองตัว

รูปที่ 4 แผนผังของการสร้างความถี่โดยพลการโดยใช้หวีความถี่แสงและ PLLS

3. ใช้เลเซอร์พัลส์ล็อคโหมดเพื่อแปลงสัญญาณพัลส์ออปติคัลเป็นสัญญาณไมโครเวฟผ่านเครื่องตรวจจับภาพ.

ข้อดีหลักของวิธีนี้คือสามารถรับสัญญาณที่มีเสถียรภาพความถี่สูงมากและมีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก โดยการล็อกความถี่ของเลเซอร์ให้อยู่ในสเปกตรัมการเปลี่ยนผ่านของอะตอมและโมเลกุลที่เสถียรมาก หรือในโพรงแสงที่เสถียรอย่างยิ่งยวด ร่วมกับการใช้ระบบกำจัดความถี่แบบเพิ่มตัวเองเป็นสองเท่า (self-double frequency elimination system) หรือการเลื่อนความถี่ (frequency shift) และเทคโนโลยีอื่นๆ เราจึงสามารถรับสัญญาณพัลส์แสงที่เสถียรมากและมีความถี่การทำซ้ำที่เสถียรมาก เพื่อให้ได้สัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก รูปที่ 5

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนเฟสสัมพันธ์ของแหล่งสัญญาณที่แตกต่างกัน

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์แปรผกผันกับความยาวของโพรงเลเซอร์ และเลเซอร์แบบล็อกโหมดดั้งเดิมมีขนาดใหญ่ จึงเป็นการยากที่จะรับสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงโดยตรง นอกจากนี้ ขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานของเลเซอร์แบบพัลส์ดั้งเดิม รวมถึงข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ยังเป็นข้อจำกัดในการใช้งานในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก เพื่อเอาชนะปัญหาเหล่านี้ การวิจัยในสหรัฐอเมริกาและเยอรมนีได้เริ่มต้นขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ โดยใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างหวีแสงที่เสถียรความถี่ในโพรงแสงแบบชิร์ปคุณภาพสูงขนาดเล็กมาก ซึ่งจะสร้างสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ

4. ออสซิลเลเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 6

รูปที่ 6 แผนผังของออสซิลเลเตอร์แบบจับคู่โฟโตอิเล็กทริก

หนึ่งในวิธีการดั้งเดิมในการสร้างคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์คือการใช้วงจรปิดแบบป้อนกลับด้วยตนเอง ตราบใดที่ค่าเกนในวงจรปิดมีค่ามากกว่าค่าความสูญเสีย การสั่นที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยตนเองก็สามารถผลิตคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์ได้ ยิ่งค่าปัจจัยคุณภาพ Q ของวงจรปิดสูง สัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่ที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งน้อยลง เพื่อเพิ่มค่าปัจจัยคุณภาพของวงจร วิธีโดยตรงคือการเพิ่มความยาวของวงจรและลดการสูญเสียจากการแพร่กระจายให้น้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม วงจรที่ยาวกว่ามักจะรองรับการสร้างโหมดการสั่นได้หลายโหมด และหากเพิ่มตัวกรองแบนด์วิดท์แคบ ก็จะได้สัญญาณไมโครเวฟออสซิลเลเตอร์แบบความถี่เดียวที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ ออสซิลเลเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกคัปเปิลเป็นแหล่งสัญญาณไมโครเวฟที่มีพื้นฐานมาจากแนวคิดนี้ โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการสูญเสียจากการแพร่กระจายต่ำของเส้นใยนำสัญญาณอย่างเต็มที่ โดยใช้เส้นใยนำสัญญาณที่ยาวกว่าเพื่อปรับปรุงค่า Q ของวงจร สามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมากได้ นับตั้งแต่มีการเสนอวิธีการนี้ในช่วงทศวรรษ 1990 ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้ได้รับการวิจัยและการพัฒนาอย่างกว้างขวาง และปัจจุบันมีออสซิลเลเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกที่เชื่อมต่อกันในเชิงพาณิชย์ เมื่อไม่นานมานี้ ออสซิลเลเตอร์แบบโฟโตอิเล็กทริกที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างได้รับการพัฒนาขึ้น ปัญหาหลักของแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้คือ ลูปมีความยาว และสัญญาณรบกวนในกระแสอิสระ (FSR) และความถี่คู่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ส่วนประกอบโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้ยังมีขนาดใหญ่กว่า ต้นทุนสูง ลดขนาดได้ยาก และเส้นใยแก้วที่ยาวกว่าจะไวต่อการรบกวนจากสภาพแวดล้อมมากกว่า

ข้างต้นจะแนะนำวิธีการสร้างสัญญาณไมโครเวฟด้วยโฟโตอิเล็กตรอนหลายวิธี รวมถึงข้อดีและข้อเสีย สุดท้าย การใช้โฟโตอิเล็กตรอนเพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟมีข้อดีอีกประการหนึ่งคือ สัญญาณแสงสามารถกระจายผ่านใยแก้วนำแสงด้วยการสูญเสียที่ต่ำมาก ส่งข้อมูลระยะไกลไปยังแต่ละจุดปลายทาง แล้วแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ และความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้ายังดีขึ้นกว่าส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมอย่างมาก
บทความนี้เขียนขึ้นเพื่อการอ้างอิงเป็นหลัก และเมื่อรวมกับประสบการณ์การวิจัยและประสบการณ์ในสาขานี้ของผู้เขียนเองแล้ว อาจมีข้อมูลที่ไม่ถูกต้องและไม่ครอบคลุม โปรดเข้าใจ