Optoelettronica à microonde, cum'è u nome suggerisce, hè l'intersezione di microonde èoptoelettronicaE microonde è l'onde luminose sò onde elettromagnetiche, è e frequenze sò diverse di parechji ordini di grandezza, è i cumpunenti è e tecnulugie sviluppate in i so rispettivi campi sò assai diverse. In cumbinazione, pudemu prufittà l'unu di l'altru, ma pudemu ottene nuove applicazioni è caratteristiche chì sò difficiuli da realizà rispettivamente.
Cumunicazione otticahè un esempiu primu di a cumbinazione di microonde è fotoelettroni. E prime cumunicazioni senza filu telefoniche è telegrafiche, a generazione, a propagazione è a ricezione di signali, anu utilizatu tutti dispositivi à microonde. L'onde elettromagnetiche à bassa frequenza sò aduprate inizialmente perchè a gamma di frequenza hè chjuca è a capacità di u canale per a trasmissione hè chjuca. A suluzione hè di aumentà a frequenza di u signale trasmessu, più alta hè a frequenza, più risorse di spettru. Ma u signale d'alta frequenza in a perdita di propagazione in aria hè grande, ma hè ancu faciule da bluccà da ostaculi. Se si usa u cavu, a perdita di u cavu hè grande, è a trasmissione à longa distanza hè un prublema. L'emergenza di a cumunicazione in fibra ottica hè una bona suluzione à questi prublemi.Fibra otticahà una perdita di trasmissione assai bassa è hè un eccellente vettore per a trasmissione di signali nantu à longhe distanze. A gamma di frequenza di l'onde luminose hè assai più grande di quella di e microonde è pò trasmette parechji canali diversi simultaneamente. Per via di sti vantaghji ditrasmissione ottica, a cumunicazione in fibra ottica hè diventata a spina dorsale di a trasmissione d'infurmazioni d'oghje.
A cumunicazione ottica hà una longa storia, a ricerca è l'applicazione sò assai vaste è mature, ùn ci hè bisognu di dì di più quì. Stu documentu introduce principalmente u novu cuntenutu di ricerca di l'optoelettronica à microonde in l'ultimi anni, fora di a cumunicazione ottica. L'optoelettronica à microonde usa principalmente i metudi è e tecnulugie in u campu di l'optoelettronica cum'è vettore per migliurà è ottene e prestazioni è l'applicazione chì sò difficiuli da ottene cù i cumpunenti elettronichi à microonde tradiziunali. Da u puntu di vista di l'applicazione, include principalmente i trè aspetti seguenti.
U primu hè l'usu di l'optoelettronica per generà signali à microonde d'altu rendimentu è à bassu rumore, da a banda X finu à a banda THz.
Siconda, u trattamentu di u signale à microonde. Include u ritardu, u filtraggio, a cunversione di frequenza, a ricezione è cusì.
Terzu, a trasmissione di signali analogichi.
In questu articulu, l'autore introduce solu a prima parte, a generazione di u signale à microonde. L'onda millimetrica à microonde tradiziunale hè generata principalmente da cumpunenti microelettronici iii_V. I so limiti anu i seguenti punti: Prima, à alte frequenze cum'è 100 GHz sopra, a microelettronica tradiziunale pò pruduce sempre menu putenza, à u signale THz di frequenza più alta, ùn ponu fà nunda. Siconda, per riduce u rumore di fase è migliurà a stabilità di frequenza, u dispusitivu originale deve esse piazzatu in un ambiente di temperatura estremamente bassa. Terzu, hè difficiule d'ottene una larga gamma di cunversione di frequenza di modulazione di frequenza. Per risolve questi prublemi, a tecnulugia optoelettronica pò ghjucà un rolu. I metudi principali sò descritti quì sottu.
1. Attraversu a differenza di frequenza di dui signali laser di frequenza diversa, un fotodetector d'alta frequenza hè utilizatu per cunvertisce i signali à microonde, cum'è mostratu in a Figura 1.
Figura 1. Schema di e microonde generate da a differenza di frequenza di duielaser.
I vantaghji di stu metudu sò una struttura simplice, pò generà onde millimetriche di frequenza estremamente alta è ancu signali di frequenza THz, è aghjustendu a frequenza di u laser pò realizà una larga gamma di cunversione di frequenza rapida, frequenza di scansione. U svantaghju hè chì a larghezza di linea o u rumore di fase di u signale di frequenza di differenza generatu da dui signali laser senza relazione hè relativamente grande, è a stabilità di frequenza ùn hè micca alta, soprattuttu s'ellu si usa un laser à semiconduttore cù un picculu vulume ma una grande larghezza di linea (~ MHz). Se i requisiti di vulume di pesu di u sistema ùn sò micca alti, pudete aduprà laser à statu solidu à bassu rumore (~ kHz).laser à fibra, cavità esternalaser à semiconduttori, ecc. Inoltre, dui modi diffirenti di signali laser generati in a stessa cavità laser ponu ancu esse aduprati per generà una frequenza di differenza, in modu chì a prestazione di stabilità di frequenza di microonde sia assai migliorata.
2. Per risolve u prublema chì i dui laser in u metudu precedente sò incoerenti è u rumore di fase di signale generatu hè troppu grande, a cuerenza trà i dui laser pò esse ottenuta da u metudu di bloccu di fase di bloccu di frequenza d'iniezione o u circuitu di bloccu di fase di feedback negativu. A Figura 2 mostra una applicazione tipica di u bloccu d'iniezione per generà multipli di microonde (Figura 2). Iniettendu direttamente signali di corrente d'alta frequenza in un laser à semiconduttore, o aduprendu un modulatore di fase LinBO3, si ponu generà multipli signali ottici di diverse frequenze cù una spaziatura di frequenza uguale, o pettini di frequenza ottica. Benintesa, u metudu cumunemente adupratu per ottene un pettine di frequenza ottica à largu spettru hè di utilizà un laser bluccatu in modu. Ogni dui signali di pettine in u pettine di frequenza ottica generatu sò selezziunati per filtrazione è iniettati in u laser 1 è 2 rispettivamente per realizà u bloccu di frequenza è di fase rispettivamente. Siccomu a fase trà i diversi signali di pettine di u pettine di frequenza ottica hè relativamente stabile, cusì chì a fase relativa trà i dui laser hè stabile, è dopu da u metudu di differenza di frequenza cum'è descrittu prima, si pò ottene u signale di microonde di frequenza multipla di a frequenza di ripetizione di u pettine di frequenza ottica.
Figura 2. Schema di u signale di radduppiamentu di a frequenza di e microonde generatu da u bloccu di frequenza di l'iniezione.
Un altru modu per riduce u rumore di fase relativa di i dui laser hè di utilizà un PLL otticu à feedback negativu, cum'è mostratu in a Figura 3.
Figura 3. Schema di OPL.
U principiu di u PLL otticu hè simile à quellu di u PLL in u campu di l'elettronica. A differenza di fase di i dui laser hè cunvertita in un signale elettricu da un fotodetector (equivalente à un detector di fase), è dopu a differenza di fase trà i dui laser hè ottenuta facendu una differenza di frequenza cù una fonte di signale di microonde di riferimentu, chì hè amplificata è filtrata è dopu rimessa à l'unità di cuntrollu di frequenza di unu di i laser (per i laser à semiconduttori, hè a corrente d'iniezione). Attraversu un tale ciclu di cuntrollu di feedback negativu, a fase di frequenza relativa trà i dui signali laser hè bluccata à u signale di microonde di riferimentu. U signale otticu cumminatu pò esse trasmessu attraversu fibre ottiche à un fotodetector in altrò è cunvertitu in un signale di microonde. U rumore di fase risultante di u signale di microonde hè guasi listessu à quellu di u signale di riferimentu in a larghezza di banda di u ciclu di feedback negativu bluccatu in fase. U rumore di fase fora di a larghezza di banda hè uguale à u rumore di fase relativu di i dui laser originali senza relazione.
Inoltre, a fonte di signali à microonde di riferimentu pò ancu esse cunvertita da altre fonti di signali per mezu di radduppiu di frequenza, frequenza di divisore, o altra trasfurmazione di frequenza, in modu chì u signali à microonde di frequenza più bassa pò esse multiduppiatu, o cunvertitu in signali RF d'alta frequenza, THz.
In paragone cù u bloccu di frequenza d'iniezione pò ottene solu un raddoppiu di frequenza, i circuiti à bloccu di fase sò più flessibili, ponu pruduce frequenze quasi arbitrarie, è benintesa più cumplessi. Per esempiu, u pettine di frequenza ottica generatu da u modulatore fotoelettricu in a Figura 2 hè adupratu cum'è fonte di luce, è u circuitu à bloccu di fase ottica hè adupratu per bluccà selettivamente a frequenza di i dui laser à i dui signali di pettine otticu, è dopu generà signali d'alta frequenza attraversu a frequenza di differenza, cum'è mostratu in a Figura 4. f1 è f2 sò e frequenze di signali di riferimentu di i dui PLLS rispettivamente, è un signale di microonde di N * frep + f1 + f2 pò esse generatu da a frequenza di differenza trà i dui laser.
Figura 4. Schema di generazione di frequenze arbitrarie utilizendu pettini di frequenza ottici è PLLS.
3. Aduprate u laser à impulsi bluccatu in modu per cunvertisce u signale d'impulsi ottichi in signale à microonde attraversufotodetettore.
U principale vantaghju di stu metudu hè chì si pò ottene un signale cù una stabilità di frequenza assai bona è un rumore di fase assai bassu. Bloccendu a frequenza di u laser à un spettru di transizione atomica è moleculare assai stabile, o una cavità ottica estremamente stabile, è l'usu di u sistema di eliminazione di frequenza auto-raddoppiante di spostamentu di frequenza è altre tecnulugie, pudemu ottene un signale d'impulsu otticu assai stabile cù una frequenza di ripetizione assai stabile, in modu da ottene un signale à microonde cù un rumore di fase ultra-bassu. Figura 5.
Figura 5. Paragone di u rumore di fase relativa di diverse fonti di signali.
Tuttavia, postu chì a frequenza di ripetizione di l'impulsi hè inversamente proporzionale à a lunghezza di a cavità di u laser, è u laser tradiziunale à modu bluccatu hè grande, hè difficiule d'ottene direttamente signali à microonde d'alta frequenza. Inoltre, a dimensione, u pesu è u cunsumu energeticu di i laser pulsati tradiziunali, è ancu i requisiti ambientali severi, limitanu e so applicazioni principalmente di laburatoriu. Per superà queste difficultà, a ricerca hè stata recentemente iniziata in i Stati Uniti è in Germania utilizendu effetti non lineari per generà pettini ottici à frequenza stabile in cavità ottiche in modu chirp assai chjuche è di alta qualità, chì à u so tornu generanu signali à microonde à alta frequenza è bassu rumore.
4. oscillatore optoelettronicu, Figura 6.
Figura 6. Schema di l'oscillatore accoppiatu fotoelettricu.
Unu di i metudi tradiziunali di generazione di microonde o laser hè di utilizà un circuitu chjusu auto-retroazione, basta chì u guadagnu in u circuitu chjusu sia più grande di a perdita, l'oscillazione autoeccitata pò pruduce microonde o laser. Più altu hè u fattore di qualità Q di u circuitu chjusu, più chjucu hè u rumore di fase o di frequenza di u signale generatu. Per aumentà u fattore di qualità di u circuitu, u modu direttu hè di aumentà a lunghezza di u circuitu è minimizà a perdita di propagazione. Tuttavia, un circuitu più longu pò generalmente supportà a generazione di più modi d'oscillazione, è se si aghjusta un filtru à larghezza di banda stretta, si pò ottene un signale d'oscillazione à microonde à bassu rumore à frequenza unica. L'oscillatore accoppiatu fotoelettricu hè una fonte di signale à microonde basata annantu à sta idea, face pienu usu di e caratteristiche di bassa perdita di propagazione di a fibra, aduprendu una fibra più longa per migliurà u valore Q di u circuitu, pò pruduce un signale à microonde cù un rumore di fase assai bassu. Dapoi chì u metudu hè statu prupostu in l'anni 1990, stu tipu d'oscillatore hà ricevutu una ricerca approfondita è un sviluppu considerableu, è ci sò attualmente oscillatori accoppiati fotoelettrici cummerciali. Più recentemente, sò stati sviluppati oscillatori fotoelettrici chì e so frequenze ponu esse aghjustate in una larga gamma. U prublema principale di e fonti di signali à microonde basate nantu à sta architettura hè chì u circuitu hè longu, è u rumore in u so flussu liberu (FSR) è a so doppia frequenza saranu significativamente aumentati. Inoltre, i cumpunenti fotoelettrici utilizati sò più numerosi, u costu hè altu, u vulume hè difficiule da riduce, è a fibra più longa hè più sensibile à i disturbi ambientali.
Quì sopra, parechji metudi di generazione di fotoelettroni di signali à microonde sò presentati brevemente, è ancu i so vantaghji è svantaghji. Infine, l'usu di fotoelettroni per pruduce microonde hà un altru vantaghju: u signale otticu pò esse distribuitu attraversu a fibra ottica cù una perdita assai bassa, trasmissione à longa distanza à ogni terminale d'usu è poi cunvertitu in signali à microonde, è a capacità di resiste à l'interferenze elettromagnetiche hè significativamente migliorata rispetto à i cumpunenti elettronichi tradiziunali.
A scrittura di questu articulu hè principalmente per riferimentu, è cumminata cù a propria sperienza di ricerca è sperienza di l'autore in questu duminiu, ci sò inesattezze è incomprensività, per piacè capite.
Data di publicazione: 03 di ghjennaghju di u 2024