მიკროტალღური სიგნალის წარმოქმნის ამჟამინდელი მდგომარეობა და ცხელი წერტილები მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკაში

მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკა, როგორც სახელი გვთავაზობს, არის მიკროტალღური კვეთა დაოპტოელექტრონიკა. მიკროტალღები და მსუბუქი ტალღები არის ელექტრომაგნიტური ტალღები, ხოლო სიხშირე სხვადასხვა მასშტაბის სხვადასხვა ბრძანებით, ხოლო მათ შესაბამის სფეროებში შემუშავებული კომპონენტები და ტექნოლოგიები ძალიან განსხვავებულია. კომბინაციით, ჩვენ შეგვიძლია ვისარგებლოთ ერთმანეთთან, მაგრამ შეგვიძლია მივიღოთ ახალი პროგრამები და მახასიათებლები, რომელთა რეალიზებაც რთულია.

ოპტიკური კომუნიკაციამიკროტალღების და ფოტოელექტრონების კომბინაციის მთავარი მაგალითია. ადრეული სატელეფონო და ტელეგრაფის უკაბელო კომუნიკაციები, თაობა, სიგნალების გავრცელება და მიღება, ყველა გამოყენებული მიკროტალღური მოწყობილობა. დაბალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღები თავდაპირველად გამოიყენება, რადგან სიხშირის დიაპაზონი მცირეა და გადაცემის არხის სიმძლავრე მცირეა. გამოსავალია გადაცემული სიგნალის სიხშირის გაზრდა, მით უფრო მაღალია სიხშირე, უფრო მეტი სპექტრის რესურსები. მაგრამ მაღალი სიხშირის სიგნალი ჰაერის გამრავლების დაკარგვაში დიდია, მაგრამ ასევე ადვილია დაბლოკილი დაბრკოლებებით. თუ საკაბელო გამოიყენება, საკაბელო დაკარგვა დიდია, ხოლო გრძელი დისტანციური გადაცემა პრობლემაა. ოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაციის გაჩენა ამ პრობლემების კარგი გამოსავალია.ოპტიკური ბოჭკოვანიაქვს ძალიან დაბალი გადაცემის დაკარგვა და შესანიშნავი გადამზიდავია გრძელი დისტანციებზე სიგნალების გადასაცემად. მსუბუქი ტალღების სიხშირის დიაპაზონი გაცილებით მეტია, ვიდრე მიკროტალღები და შეუძლია ერთდროულად გადაიტანოს მრავალი სხვადასხვა არხი. ამ უპირატესობების გამოოპტიკური გადაცემა, ოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაცია გახდა დღევანდელი ინფორმაციის გადაცემის ხერხემალი.
ოპტიკურ კომუნიკაციას აქვს გრძელი ისტორია, კვლევა და გამოყენება ძალიან ვრცელი და მომწიფებულია, აქ მეტი არ არის ნათქვამი. ეს სტატია ძირითადად წარმოგიდგენთ ბოლო წლებში მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკის ახალი კვლევის შინაარსს, გარდა ოპტიკური კომუნიკაციისა. მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკა ძირითადად იყენებს ოპტოელექტრონიკის სფეროში არსებულ მეთოდებსა და ტექნოლოგიებს, როგორც გადამზიდავს, რომ გააუმჯობესოს და მიაღწიოს შესრულებას და გამოყენებას, რომლის მიღწევაც რთულია ტრადიციული მიკროტალღური ელექტრონული კომპონენტებით. განაცხადის თვალსაზრისით, იგი ძირითადად მოიცავს შემდეგ სამ ასპექტს.
პირველი არის ოპტოელექტრონიკის გამოყენება მაღალი ხარისხის, დაბალი ხმაურის მიკროტალღური სიგნალების შესაქმნელად, X-Band– დან THZ– ის ჯგუფამდე.
მეორე, მიკროტალღური სიგნალის დამუშავება. შეფერხების, ფილტრაციის, სიხშირის კონვერტაციის, მიღების და ა.შ.
მესამე, ანალოგური სიგნალების გადაცემა.

ამ სტატიაში, ავტორი მხოლოდ პირველი ნაწილს წარმოგიდგენთ, მიკროტალღური სიგნალის წარმოქმნას. ტრადიციული მიკროტალღური მილიმეტრიანი ტალღა ძირითადად წარმოიქმნება III_V მიკროელექტრონული კომპონენტებით. მის შეზღუდვებს აქვს შემდეგი წერტილები: პირველ რიგში, მაღალი სიხშირით, როგორიცაა 100GHz ზემოთ, ტრადიციულ მიკროელექტრონიკას შეუძლია წარმოქმნას ნაკლები და ნაკლები ენერგია, უფრო მაღალი სიხშირის THz სიგნალამდე, მათ შეუძლიათ არაფერი გააკეთონ. მეორე, ფაზის ხმაურის შესამცირებლად და სიხშირის სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად, ორიგინალი მოწყობილობა უნდა განთავსდეს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურულ გარემოში. მესამე, ძნელია სიხშირის მოდულაციის სიხშირის კონვერტაციის ფართო სპექტრის მიღწევა. ამ პრობლემების გადასაჭრელად, ოპტოელექტრონულ ტექნოლოგიას შეუძლია როლი შეასრულოს. ძირითადი მეთოდები აღწერილია ქვემოთ.

1. ორი განსხვავებული სიხშირის ლაზერული სიგნალის განსხვავების სიხშირით, მაღალი სიხშირის ფოტოდეტექტორი გამოიყენება მიკროტალღური სიგნალების გადასაადგილებლად, როგორც ეს მოცემულია ნახაზში 1.

სურათი 1. მიკროტალღების სქემატური დიაგრამა, რომელიც წარმოიქმნება ორი განსხვავების სიხშირითლაზერები.

ამ მეთოდის უპირატესობები არის მარტივი სტრუქტურა, შეიძლება წარმოქმნას უკიდურესად მაღალი სიხშირის მილიმეტრიანი ტალღა და თუნდაც THz სიხშირის სიგნალი, ხოლო ლაზერის სიხშირის კორექტირებით, შეიძლება განახორციელოს სწრაფი სიხშირის კონვერტაციის დიდი დიაპაზონი, გაწმენდის სიხშირე. მინუსი ის არის, რომ ორი უკავშირდება ლაზერული სიგნალით წარმოქმნილი განსხვავების სიხშირის სიგნალის ხაზსქალი ან ფაზური ხმაური შედარებით დიდია, ხოლო სიხშირის სტაბილურობა არ არის მაღალი, განსაკუთრებით იმ შემთხვევაში, თუ მცირე მოცულობით ნახევარგამტარული ლაზერი, მაგრამ დიდი ხაზის (~ MHZ) გამოიყენება. თუ სისტემის წონის მოცულობის მოთხოვნები არ არის მაღალი, შეგიძლიათ გამოიყენოთ დაბალი ხმაურის (~ kHz) მყარი მდგომარეობის ლაზერები,ბოჭკოვანი ლაზერები, გარე ღრუსნახევარგამტარული ლაზერებიდა ა.შ. გარდა ამისა, ერთსა და იმავე ლაზერულ ღრუში წარმოქმნილი ლაზერული სიგნალის ორი განსხვავებული რეჟიმი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას განსხვავების სიხშირის შესაქმნელად, ისე, რომ მიკროტალღური სიხშირის სტაბილურობის შესრულება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს.

2. პრობლემის გადასაჭრელად, რომ წინა მეთოდით ორი ლაზერი არათანმიმდევრულია და წარმოქმნილი სიგნალის ფაზის ხმაური ძალიან დიდია, ორ ლაზერს შორის თანხვედრა შეიძლება მიიღოთ ინექციის სიხშირის ჩაკეტვის ფაზის ჩაკეტვის მეთოდით ან უარყოფითი უკუკავშირის ფაზის ჩაკეტვის საშუალებით. სურათი 2 გვიჩვენებს ინექციის ჩაკეტვის ტიპურ გამოყენებას მიკროტალღური მრავლობითის შესაქმნელად (სურათი 2). მაღალი სიხშირის მიმდინარე სიგნალების უშუალოდ ინექციით, ნახევარგამტარული ლაზერში, ან Linbo3-ფაზის მოდულატორის გამოყენებით, შეიძლება წარმოიქმნას სხვადასხვა სიხშირის სხვადასხვა სიხშირეების მრავალჯერადი ოპტიკური სიგნალი, ან ოპტიკური სიხშირის სავარცხლები. რა თქმა უნდა, ჩვეულებრივ გამოყენებული მეთოდი ფართო სპექტრის ოპტიკური სიხშირის მისაღებად არის რეჟიმის ჩაკეტილი ლაზერის გამოყენება. ნებისმიერი ორი სავარცხელი სიგნალი წარმოქმნილი ოპტიკური სიხშირის სავარცხელში შეირჩევა ფილტრაციით და შეჰყავთ ლაზერ 1 და 2, შესაბამისად, სიხშირე და ფაზის ჩაკეტვა. იმის გამო, რომ ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის სხვადასხვა სავარცხლის სიგნალებს შორის ფაზა შედარებით სტაბილურია, ისე, რომ ორ ლაზერს შორის ფარდობითი ფაზა სტაბილურია, შემდეგ კი განსხვავების სიხშირის მეთოდით, როგორც ეს ადრე იყო აღწერილი, მრავალჯერადი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალი შეიძლება მიიღოთ.

სურათი 2. მიკროტალღური სიხშირის გაორმაგებული სიგნალის სქემატური დიაგრამა, რომელიც წარმოიქმნება ინექციის სიხშირის ჩაკეტვით.
ორი ლაზერის ფარდობითი ფაზის ხმაურის შემცირების კიდევ ერთი გზაა უარყოფითი გამოხმაურების ოპტიკური PLL გამოყენება, როგორც ეს მოცემულია ნახაზში 3.

სურათი 3. OPL სქემატური დიაგრამა.

ოპტიკური PLL– ის პრინციპი მსგავსია PLL– ის ელექტრონიკის სფეროში. ორი ლაზერის ფაზური სხვაობა გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად ფოტოდეტექტორის მიერ (ექვივალენტი ფაზის დეტექტორთან), შემდეგ კი ორ ლაზერს შორის ფაზის სხვაობა მიიღება განსხვავების სიხშირის მიღებით საცნობარო მიკროტალღური სიგნალის წყაროსთან, რომელიც გაძლიერებულია და გაფილტრულია და შემდეგ იკვებება ერთ - ერთი ლაზერის სიხშირის კონტროლის ერთეულისგან (დაზიანების ლაზერებისთვის). ამგვარი უარყოფითი უკუკავშირის კონტროლის მარყუჟის საშუალებით, ლაზერული სიგნალის ფარდობითი სიხშირის ფაზა ჩაკეტილია მინიშნება მიკროტალღური სიგნალით. კომბინირებული ოპტიკური სიგნალი შემდეგ შეიძლება გადაიტანოთ ოპტიკური ბოჭკოების საშუალებით სხვაგან ფოტოდეტექტორში და გადაკეთდეს მიკროტალღური სიგნალად. მიკროტალღოვანი სიგნალის შედეგად მიღებული ფაზური ხმაური თითქმის იგივეა, რაც საცნობარო სიგნალის ფაზის ჩაკეტილი უარყოფითი უკუკავშირის მარყუჟის სიჩქარეს. გამტარობის გარეთ ფაზის ხმაური ტოლია ორიგინალური ორი დაუკავშირებელი ლაზერის ფარდობითი ფაზის ხმაურით.
გარდა ამისა, საცნობარო მიკროტალღური სიგნალის წყარო ასევე შეიძლება გარდაიქმნას სხვა სიგნალის წყაროებით სიხშირის გაორმაგების, გამყოფი სიხშირის ან სხვა სიხშირის დამუშავების გზით, ისე, რომ ქვედა სიხშირის მიკროტალღური სიგნალი შეიძლება მრავალჯერადი იყოს, ან გადაკეთდეს მაღალი სიხშირის RF, THZ სიგნალებში.
ინექციის სიხშირის ჩაკეტვასთან შედარებით, მხოლოდ სიხშირის გაორმაგება შეგიძლიათ, ფაზური ჩაკეტილი მარყუჟები უფრო მოქნილია, შეიძლება წარმოქმნას თითქმის თვითნებური სიხშირე და, რა თქმა უნდა, უფრო რთული. მაგალითად, ფოტოელექტრული მოდულატორის მიერ წარმოქმნილი ოპტიკური სიხშირის სავარცხელი ნახაზში 2 გამოიყენება როგორც მსუბუქი წყარო, ხოლო ოპტიკური ფაზის ჩაკეტილი მარყუჟი გამოიყენება ორი ლაზერის სიხშირის შერჩევით ჩაკეტვის მიზნით, ორი ოპტიკური სავარცხლის სიგნალზე, შემდეგ კი წარმოქმნის მაღალი სიხშირის სიგნალებს განსხვავების სიხშირეზე, როგორც ეს მოცემულია ფიგურაში 4. F1 და F2. N*FREP+F1+F2 შეიძლება წარმოიქმნას ორ ლაზერს შორის განსხვავების სიხშირით.

სურათი 4. თვითნებური სიხშირეების წარმოქმნის სქემატური დიაგრამა ოპტიკური სიხშირის სავარცხლებისა და PLL– ების გამოყენებით.

3. გამოიყენეთ რეჟიმში ჩაკეტილი პულსის ლაზერი, რომ გადააკეთოთ ოპტიკური პულსის სიგნალი მიკროტალღური სიგნალადფოტოდეტექტორი.

ამ მეთოდის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ სიგნალი ძალიან კარგი სიხშირის სტაბილურობით და ძალიან დაბალი ფაზის ხმაურის მიღება შესაძლებელია. ლაზერის სიხშირის ჩაკეტვით ძალიან სტაბილურ ატომურ და მოლეკულურ გადასვლის სპექტრზე, ან უკიდურესად სტაბილურ ოპტიკურ ღრუში, და თვით-დუბლირების სიხშირის აღმოფხვრის სისტემის სიხშირის ცვლა და სხვა ტექნოლოგიები, ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ ძალიან სტაბილური ოპტიკური სიგნალი ძალიან სტაბილური გამეორების სიხშირით, ასე რომ მივიღოთ მიკროტალღოვანი სიგნალით ულტრაიჯალი ფაზა. სურათი 5.

სურათი 5. სხვადასხვა სიგნალის წყაროს ფარდობითი ფაზის ხმაურის შედარება.

ამასთან, იმის გამო, რომ პულსის განმეორების მაჩვენებელი საპირისპიროდ პროპორციულია ლაზერის ღრუს სიგრძეზე, ხოლო ტრადიციული რეჟიმის ჩაკეტილი ლაზერი დიდია, ძნელია მაღალი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალების პირდაპირ მიღება. გარდა ამისა, ტრადიციული პულსირებული ლაზერების ზომა, წონა და ენერგიის მოხმარება, ისევე როგორც მკაცრი გარემოსდაცვითი მოთხოვნები, ზღუდავს მათ ძირითადად ლაბორატორიულ გამოყენებებს. ამ სირთულეების დასაძლევად, ახლახან დაიწყო კვლევები შეერთებულ შტატებსა და გერმანიაში არაწრფივი ეფექტების გამოყენებით, სიხშირე-სტაბილური ოპტიკური სავარცხლების წარმოქმნის მიზნით, ძალიან მცირე, მაღალი ხარისხის Chirp რეჟიმის ოპტიკური ღრუში, რაც თავის მხრივ წარმოქმნის მაღალი სიხშირის დაბალი ხმაურის მიკროტალღური სიგნალებს.

4. Opto Electronic Oscillator, სურათი 6.

სურათი 6. ფოტოელექტრული ერთმანეთთან დაკავშირებული ოსცილატორის სქემატური დიაგრამა.

მიკროტალღების ან ლაზერების წარმოქმნის ერთ-ერთი ტრადიციული მეთოდია თვითკონტროლი დახურული მარყუჟის გამოყენება, რადგან დახურულ მარყუჟში მომატება უფრო მეტია, ვიდრე ზარალი, თვითგამოცხადებულმა რხევამ შეიძლება გამოიწვიოს მიკროტალღები ან ლაზერები. რაც უფრო მაღალია დახურული მარყუჟის ხარისხის ფაქტორი Q, მით უფრო მცირეა წარმოქმნილი სიგნალის ფაზა ან სიხშირის ხმაური. მარყუჟის ხარისხის ფაქტორების გასაზრდელად, პირდაპირი გზაა მარყუჟის სიგრძის გაზრდა და გამრავლების ზარალის შემცირება. ამასთან, უფრო გრძელი მარყუჟს ჩვეულებრივ შეუძლია მხარი დაუჭიროს რხევების მრავალჯერადი რეჟიმის წარმოქმნას, და თუ ვიწრო სიჩქარის ფილტრს ემატება, შეიძლება მიიღოთ ერთჯერადი სიხშირის დაბალი ხმაურის მიკროტალღური რხევების სიგნალის მიღება. ფოტოელექტრიკული დაწყვილებული ოსცილატორი არის მიკროტალღური სიგნალის წყარო ამ იდეის საფუძველზე, იგი სრულად იყენებს ბოჭკოს დაბალი გამრავლების დაკარგვის მახასიათებლებს, უფრო გრძელი ბოჭკოს გამოყენებით მარყუჟის Q მნიშვნელობის გასაუმჯობესებლად, შეუძლია წარმოქმნას მიკროტალღური სიგნალი ძალიან დაბალი ფაზის ხმაურით. მას შემდეგ, რაც მეთოდი შემოთავაზებულია 1990 -იან წლებში, ამ ტიპის ოსტილატორმა მიიღო ფართო გამოკვლევა და მნიშვნელოვანი განვითარება, და ამჟამად არსებობს კომერციული ფოტოელექტრული ერთმანეთთან დაკავშირებული ოსცილატორები. ახლახან შემუშავებულია ფოტოელექტრული ოსცილატორები, რომელთა სიხშირეების კორექტირება შესაძლებელია ფართო დიაპაზონში. მიკროტალღოვანი სიგნალის წყაროების ძირითადი პრობლემა ამ არქიტექტურაზე დაყრდნობით არის ის, რომ მარყუჟი გრძელია, ხოლო ხმაური მის თავისუფალ ნაკადში (FSR) და მისი ორმაგი სიხშირე მნიშვნელოვნად გაიზრდება. გარდა ამისა, გამოყენებული ფოტოელექტრული კომპონენტები უფრო მეტია, ღირებულება მაღალია, მოცულობის შემცირება რთულია, ხოლო გრძელი ბოჭკოვანი უფრო მგრძნობიარეა გარემოსდაცვითი დარღვევისთვის.

ზემოთ მოყვანილი მოკლედ წარმოგიდგენთ მიკროტალღური სიგნალების ფოტოელექტრონის წარმოქმნის რამდენიმე მეთოდს, ასევე მათ უპირატესობებსა და უარყოფითი მხარეებს. დაბოლოს, ფოტოელექტორების გამოყენებას მიკროტალღური წარმოებისთვის კიდევ ერთი უპირატესობა აქვს ის, რომ ოპტიკური სიგნალი შეიძლება განაწილდეს ოპტიკური ბოჭკოს საშუალებით, ძალიან დაბალი დანაკარგით, გრძელი დისტანციური გადაცემა თითოეულ გამოყენების ტერმინალზე და შემდეგ გადაკეთდეს მიკროტალღური სიგნალებით, ხოლო ელექტრომაგნიტური ჩარევის წინააღმდეგობის გაწევის უნარი მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია, ვიდრე ტრადიციული ელექტრონული კომპონენტები.
ამ სტატიის დაწერა ძირითადად მითითებისთვის, და ამ სფეროში ავტორის საკუთარი კვლევითი გამოცდილებისა და გამოცდილების შერწყმისთვის, გთხოვთ, გაითვალისწინოთ უზუსტობები და გაუგებრობა.