მიკროტალღური სიგნალის წარმოქმნის აქტუალური მდგომარეობა და ცხელი წერტილები მიკროტალღურ ოპტოელექტრონიკაში

მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკაროგორც სახელი გვთავაზობს, არის მიკროტალღური ღუმელის კვეთა დაოპტოელექტრონიკა. მიკროტალღები და მსუბუქი ტალღები ელექტრომაგნიტური ტალღებია და სიხშირეები სხვადასხვა სიდიდის ბრძანებით განსხვავდება და მათ შესაბამის სფეროებში შემუშავებული კომპონენტები და ტექნოლოგიები ძალიან განსხვავებულია. კომბინაციით, ჩვენ შეგვიძლია ვისარგებლოთ ერთმანეთით, მაგრამ შეგვიძლია მივიღოთ ახალი აპლიკაციები და მახასიათებლები, რომელთა რეალიზებაც შესაბამისად რთულია.

ოპტიკური კომუნიკაციაარის მიკროტალღების და ფოტოელექტრონების კომბინაციის მთავარი მაგალითი. ადრეული სატელეფონო და სატელეგრაფო უკაბელო კომუნიკაციები, სიგნალების გენერაცია, გავრცელება და მიღება, ყველა გამოყენებული მიკროტალღური მოწყობილობა. დაბალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღები თავდაპირველად გამოიყენება, რადგან სიხშირის დიაპაზონი მცირეა და არხის სიმძლავრე მცირეა გადაცემისთვის. გამოსავალი არის გადაცემული სიგნალის სიხშირის გაზრდა, რაც უფრო მაღალია სიხშირე, მით მეტია სპექტრის რესურსი. მაგრამ ჰაერის გავრცელების მაღალი სიხშირის სიგნალი დიდია, მაგრამ ასევე ადვილია დაბლოკვა დაბრკოლებებით. თუ კაბელი გამოიყენება, კაბელის დაკარგვა დიდია და დიდ მანძილზე გადაცემა პრობლემაა. ოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაციის გაჩენა ამ პრობლემების კარგი გადაწყვეტაა.ოპტიკური ბოჭკოვანიაქვს ძალიან დაბალი გადაცემის დანაკარგი და არის შესანიშნავი გადამზიდავი სიგნალების გადასაცემად დიდ დისტანციებზე. სინათლის ტალღების სიხშირის დიაპაზონი ბევრად აღემატება მიკროტალღურს და შეუძლია მრავალი სხვადასხვა არხის ერთდროულად გადაცემა. ამ უპირატესობების გამოოპტიკური გადაცემაოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაცია გახდა დღევანდელი ინფორმაციის გადაცემის ხერხემალი.
ოპტიკურ კომუნიკაციას დიდი ისტორია აქვს, კვლევა და გამოყენება ძალიან ვრცელი და მომწიფებულია, აქ მეტის თქმა არ არის. ეს ნაშრომი ძირითადად წარმოგიდგენთ მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკის ახალ კვლევის შინაარსს ბოლო წლებში, გარდა ოპტიკური კომუნიკაციისა. მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკა ძირითადად იყენებს მეთოდებსა და ტექნოლოგიებს ოპტოელექტრონიკაში, როგორც გადამზიდავი, რათა გააუმჯობესოს და მიაღწიოს შესრულებას და გამოყენებას, რაც ძნელია მიღწეული ტრადიციული მიკროტალღური ელექტრონული კომპონენტებით. გამოყენების პერსპექტივიდან იგი ძირითადად მოიცავს შემდეგ სამ ასპექტს.
პირველი არის ოპტოელექტრონიკის გამოყენება მაღალი ხარისხის, დაბალი ხმაურის მიკროტალღური სიგნალების გენერირებისთვის, X-ზოლიდან THz დიაპაზონამდე.
მეორე, მიკროტალღური სიგნალის დამუშავება. მათ შორის დაგვიანება, ფილტრაცია, სიხშირის კონვერტაცია, მიღება და ა.შ.
მესამე, ანალოგური სიგნალების გადაცემა.

ამ სტატიაში ავტორი წარმოგიდგენთ მხოლოდ პირველ ნაწილს, მიკროტალღური სიგნალის წარმოქმნას. ტრადიციული მიკროტალღური მილიმეტრიანი ტალღა ძირითადად წარმოიქმნება iii_V მიკროელექტრონული კომპონენტებით. მის შეზღუდვებს აქვს შემდეგი პუნქტები: პირველი, მაღალი სიხშირეებისთვის, როგორიცაა 100 გჰც ზემოთ, ტრადიციულ მიკროელექტრონიკას შეუძლია უფრო და უფრო ნაკლები სიმძლავრის გამომუშავება, უფრო მაღალი სიხშირის THz სიგნალისთვის, მათ არაფერი შეუძლიათ. მეორეც, ფაზის ხმაურის შესამცირებლად და სიხშირის სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად, ორიგინალური მოწყობილობა უნდა განთავსდეს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურულ გარემოში. მესამე, ძნელია სიხშირის მოდულაციის სიხშირის კონვერტაციის ფართო დიაპაზონის მიღწევა. ამ პრობლემების გადასაჭრელად ოპტოელექტრონულ ტექნოლოგიას შეუძლია როლი შეასრულოს. ძირითადი მეთოდები აღწერილია ქვემოთ.

1. ორი სხვადასხვა სიხშირის ლაზერული სიგნალის განსხვავების სიხშირის მეშვეობით, მიკროტალღური სიგნალების გადასაყვანად გამოიყენება მაღალი სიხშირის ფოტოდეტექტორი, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 1.

სურათი 1. მიკროტალღების სქემატური დიაგრამა, რომელიც წარმოიქმნება ორი სიხშირის სხვაობითლაზერები.

ამ მეთოდის უპირატესობებია მარტივი სტრუქტურა, შეუძლია წარმოქმნას უკიდურესად მაღალი სიხშირის მილიმეტრიანი ტალღა და თუნდაც THz სიხშირის სიგნალი და ლაზერის სიხშირის კორექტირებით შეუძლია განახორციელოს სწრაფი სიხშირის კონვერტაციის დიდი დიაპაზონი, თხრილის სიხშირე. მინუსი არის ის, რომ ორი არადაკავშირებული ლაზერული სიგნალის მიერ წარმოქმნილი განსხვავებულ სიხშირის სიგნალის ხაზის სიგანის ან ფაზის ხმაური შედარებით დიდია და სიხშირის სტაბილურობა არ არის მაღალი, განსაკუთრებით თუ ნახევარგამტარული ლაზერი მცირე მოცულობით, მაგრამ დიდი ხაზის სიგანით (~ MHz) არის. გამოყენებულია. თუ სისტემის წონის მოცულობის მოთხოვნები არ არის მაღალი, შეგიძლიათ გამოიყენოთ დაბალი ხმაურის (~ kHz) მყარი მდგომარეობის ლაზერები,ბოჭკოვანი ლაზერები, გარე ღრუნახევარგამტარული ლაზერებიდა ა.შ. გარდა ამისა, იმავე ლაზერის ღრუში გენერირებული ლაზერული სიგნალების ორი განსხვავებული რეჟიმი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას განსხვავებული სიხშირის გენერირებისთვის, რათა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს მიკროტალღური სიხშირის სტაბილურობის შესრულება.

2. პრობლემის გადასაჭრელად, რომ წინა მეთოდის ორი ლაზერი არათანმიმდევრულია და წარმოქმნილი სიგნალის ფაზის ხმაური ძალიან დიდია, ორ ლაზერს შორის თანმიმდევრულობა შეიძლება მიღებულ იქნას ინექციის სიხშირის დაბლოკვის ფაზის ჩაკეტვის მეთოდით ან უარყოფითი გამოხმაურების ფაზაში. ჩამკეტი წრე. სურათი 2 გვიჩვენებს საინექციო ჩაკეტვის ტიპურ გამოყენებას მიკროტალღური მამრავლების გენერირებისთვის (სურათი 2). ნახევარგამტარ ლაზერში მაღალი სიხშირის დენის სიგნალების უშუალო შეყვანით, ან LinBO3-ფაზის მოდულატორის გამოყენებით, შეიძლება წარმოიქმნას სხვადასხვა სიხშირის მრავალი ოპტიკური სიგნალი თანაბარი სიხშირის მანძილით, ან ოპტიკური სიხშირის სავარცხლები. რა თქმა უნდა, ფართო სპექტრის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის მისაღებად ყველაზე ხშირად გამოყენებული მეთოდია რეჟიმით ჩაკეტილი ლაზერის გამოყენება. ნებისმიერი ორი სავარცხელი სიგნალი გენერირებულ ოპტიკური სიხშირის სავარცხელში შეირჩევა გაფილტვრით და შეჰყავთ ლაზერში 1 და 2, შესაბამისად, სიხშირისა და ფაზის ჩაკეტვის გასაცნობად. იმის გამო, რომ ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის სხვადასხვა სავარცხლის სიგნალებს შორის ფაზა შედარებით სტაბილურია, ასე რომ, ფარდობითი ფაზა ორ ლაზერს შორის არის სტაბილური, შემდეგ კი განსხვავების სიხშირის მეთოდით, როგორც ზემოთ იყო აღწერილი, მრავალჯერადი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალი. შესაძლებელია ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის გამეორების სიჩქარის მიღება.

სურათი 2. მიკროტალღური სიხშირის გაორმაგების სიგნალის სქემატური დიაგრამა, რომელიც გენერირებულია ინექციის სიხშირის ჩაკეტვით.
ორი ლაზერის ფარდობითი ფაზის ხმაურის შემცირების კიდევ ერთი გზაა უარყოფითი უკუკავშირის ოპტიკური PLL გამოყენება, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3.

სურათი 3. OPL-ის სქემატური დიაგრამა.

ოპტიკური PLL პრინციპი მსგავსია PLL-ის პრინციპის ელექტრონიკის სფეროში. ორი ლაზერის ფაზური სხვაობა გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად ფოტოდეტექტორის მიერ (ფაზის დეტექტორის ექვივალენტური), შემდეგ კი ორ ლაზერს შორის ფაზური სხვაობა მიიღება მიკროტალღური სიგნალის წყაროსთან სხვაობის სიხშირის მიღებით, რომელიც გაძლიერებულია. და იფილტრება და შემდეგ მიეწოდება ერთ-ერთი ლაზერის სიხშირის კონტროლის ერთეულს (ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის ეს არის ინექციის დენი). ასეთი უარყოფითი უკუკავშირის კონტროლის მარყუჟის მეშვეობით, ფარდობითი სიხშირის ფაზა ორ ლაზერულ სიგნალს შორის იკეტება საცნობარო მიკროტალღურ სიგნალზე. კომბინირებული ოპტიკური სიგნალი შეიძლება შემდეგ გადაიცეს ოპტიკური ბოჭკოების მეშვეობით სხვაგან ფოტოდეტექტორში და გარდაიქმნას მიკროტალღურ სიგნალად. მიკროტალღური სიგნალის შედეგად მიღებული ფაზის ხმაური თითქმის იგივეა, რაც საცნობარო სიგნალის ფაზაში ჩაკეტილი უარყოფითი უკუკავშირის მარყუჟის გამტარუნარიანობაში. ფაზის ხმაური გამტარუნარიანობის გარეთ უდრის ორიგინალური ორი არადაკავშირებული ლაზერის ფარდობითი ფაზის ხმაურს.
გარდა ამისა, საცნობარო მიკროტალღური სიგნალის წყარო ასევე შეიძლება გარდაიქმნას სხვა სიგნალის წყაროებით სიხშირის გაორმაგების, გამყოფის სიხშირის ან სხვა სიხშირის დამუშავების გზით, ისე, რომ ქვედა სიხშირის მიკროტალღური სიგნალი შეიძლება გაორმაგდეს, ან გადაკეთდეს მაღალი სიხშირის RF, THz სიგნალებად.
ინექციის სიხშირის ჩაკეტვასთან შედარებით შესაძლებელია მხოლოდ სიხშირის გაორმაგება, ფაზაში ჩაკეტილი მარყუჟები უფრო მოქნილია, შეუძლიათ წარმოქმნან თითქმის თვითნებური სიხშირეები და, რა თქმა უნდა, უფრო რთული. მაგალითად, ნახატ 2-ში ფოტოელექტრული მოდულატორის მიერ გენერირებული ოპტიკური სიხშირის სავარცხელი გამოიყენება როგორც სინათლის წყარო, ხოლო ოპტიკური ფაზაში ჩაკეტილი მარყუჟი გამოიყენება ორი ლაზერის სიხშირის შერჩევით დასაბლოკად ორ ოპტიკურ სავარცხლის სიგნალზე და შემდეგ გენერირებს. მაღალი სიხშირის სიგნალები განსხვავებულ სიხშირეზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4. f1 და f2 არის ორი PLLS-ის საცნობარო სიგნალის სიხშირეები, შესაბამისად, და მიკროტალღური სიგნალი N*frep+f1+f2 შეიძლება წარმოიქმნას სიხშირის სხვაობის მიხედვით. ორი ლაზერი.

ნახაზი 4. თვითნებური სიხშირეების გენერირების სქემატური დიაგრამა ოპტიკური სიხშირის სავარცხლებისა და PLLS-ის გამოყენებით.

3. გამოიყენეთ რეჟიმით ჩაკეტილი პულსის ლაზერი ოპტიკური პულსის სიგნალის მიკროტალღურ სიგნალად გადაქცევისთვის.ფოტოდეტექტორი.

ამ მეთოდის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ სიგნალის მიღება შესაძლებელია ძალიან კარგი სიხშირის სტაბილურობით და ძალიან დაბალი ფაზის ხმაურით. ლაზერის სიხშირის ჩაკეტვით ძალიან სტაბილურ ატომურ და მოლეკულურ გარდამავალ სპექტრზე, ან უკიდურესად სტაბილურ ოპტიკურ ღრუში და თვითგაორმაგებული სიხშირის აღმოფხვრის სისტემის სიხშირის ცვლის და სხვა ტექნოლოგიების გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ ძალიან სტაბილური ოპტიკური პულსის სიგნალი. ძალიან სტაბილური გამეორების სიხშირე, რათა მივიღოთ მიკროტალღური სიგნალი ულტრა დაბალი ფაზის ხმაურით. სურათი 5.

სურათი 5. სხვადასხვა სიგნალის წყაროების ფარდობითი ფაზის ხმაურის შედარება.

თუმცა, იმის გამო, რომ პულსის გამეორების სიხშირე უკუპროპორციულია ლაზერის ღრუს სიგრძისა და ტრადიციული რეჟიმით ჩაკეტილი ლაზერი დიდია, ძნელია მაღალი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალების უშუალოდ მიღება. გარდა ამისა, ტრადიციული პულსირებული ლაზერების ზომა, წონა და ენერგიის მოხმარება, ისევე როგორც მკაცრი გარემოსდაცვითი მოთხოვნები, ზღუდავს მათ ძირითადად ლაბორატორიულ გამოყენებას. ამ სირთულეების დასაძლევად, ახლახან დაიწყო კვლევა შეერთებულ შტატებსა და გერმანიაში, არაწრფივი ეფექტების გამოყენებით, რათა გამოიმუშავონ სიხშირეზე სტაბილური ოპტიკური სავარცხლები ძალიან მცირე, მაღალი ხარისხის ჩირქის რეჟიმის ოპტიკურ ღრუებში, რაც თავის მხრივ ქმნის მაღალი სიხშირის დაბალი ხმაურის მიკროტალღურ სიგნალებს.

4. ოპტო ელექტრონული ოსცილატორი, სურათი 6.

სურათი 6. ფოტოელექტრული შეწყვილებული ოსცილატორის სქემატური დიაგრამა.

მიკროტალღების ან ლაზერების წარმოქმნის ერთ-ერთი ტრადიციული მეთოდია თვით-უკუკავშირის დახურული მარყუჟის გამოყენება, სანამ დახურულ მარყუჟში მომატება დანაკარგზე მეტია, თვითაღგზნებულმა რხევამ შეიძლება გამოიწვიოს მიკროტალღები ან ლაზერები. რაც უფრო მაღალია დახურული მარყუჟის ხარისხის Q ფაქტორი, მით უფრო მცირეა გენერირებული სიგნალის ფაზა ან სიხშირის ხმაური. მარყუჟის ხარისხის ფაქტორის გაზრდის მიზნით, პირდაპირი გზაა მარყუჟის სიგრძის გაზრდა და გავრცელების დანაკარგის მინიმუმამდე შემცირება. თუმცა, უფრო გრძელი მარყუჟი ჩვეულებრივ მხარს უჭერს რხევის მრავალი რეჟიმის წარმოქმნას და თუ დაემატება ვიწრო სიჩქარის ფილტრი, შეიძლება მიღებულ იქნეს ერთი სიხშირის დაბალი ხმაურის მიკროტალღური რხევის სიგნალი. ფოტოელექტრული დაწყვილებული ოსცილატორი არის მიკროტალღური სიგნალის წყარო, რომელიც ეფუძნება ამ იდეას, ის სრულად იყენებს ბოჭკოს დაბალი გავრცელების დაკარგვის მახასიათებლებს, უფრო გრძელი ბოჭკოების გამოყენებით მარყუჟის Q მნიშვნელობის გასაუმჯობესებლად, შეუძლია მიკროტალღური სიგნალის წარმოქმნა ძალიან დაბალი ფაზის ხმაურით. მას შემდეგ, რაც მეთოდი შემოგვთავაზეს 1990-იან წლებში, ამ ტიპის ოსცილატორმა მიიღო ვრცელი კვლევა და მნიშვნელოვანი განვითარება და ამჟამად არის კომერციული ფოტოელექტრული დაწყვილებული ოსცილატორები. ახლახან შეიქმნა ფოტოელექტრული ოსცილატორები, რომელთა სიხშირეების რეგულირება შესაძლებელია ფართო დიაპაზონში. ამ არქიტექტურაზე დაფუძნებული მიკროტალღური სიგნალის წყაროების მთავარი პრობლემა არის ის, რომ მარყუჟი გრძელია და მის თავისუფალ ნაკადში (FSR) და ორმაგ სიხშირეში ხმაური მნიშვნელოვნად გაიზრდება. გარდა ამისა, გამოყენებული ფოტოელექტრული კომპონენტები უფრო მეტია, ღირებულება მაღალია, მოცულობის შემცირება რთულია და გრძელი ბოჭკო უფრო მგრძნობიარეა გარემოს დარღვევის მიმართ.

ზემოთ მოკლედ წარმოგიდგენთ მიკროტალღური სიგნალების ფოტოელექტრონის წარმოქმნის რამდენიმე მეთოდს, ასევე მათ უპირატესობებსა და ნაკლოვანებებს. დაბოლოს, მიკროტალღური ღუმელის წარმოებისთვის ფოტოელექტრონების გამოყენებას კიდევ ერთი უპირატესობა აქვს ის, რომ ოპტიკური სიგნალი შეიძლება გადანაწილდეს ოპტიკურ ბოჭკოში ძალიან დაბალი დანაკარგით, შორ მანძილზე გადაცემა თითოეულ ტერმინალამდე და შემდეგ გარდაიქმნას მიკროტალღურ სიგნალებად და ელექტრომაგნიტური წინააღმდეგობის გაწევის უნარი. ჩარევა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია, ვიდრე ტრადიციული ელექტრონული კომპონენტები.
ამ სტატიის წერა ძირითადად საცნობაროა და ავტორის საკუთარი კვლევის გამოცდილებასთან და ამ სფეროში გამოცდილებასთან ერთად, არის უზუსტობები და გაუგებრობა, გთხოვთ, გაიგოთ.