მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკაში მიკროტალღური სიგნალის გენერირების ამჟამინდელი მდგომარეობა და ცხელი წერტილები

მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკა, როგორც სახელიდან ჩანს, არის მიკროტალღური დაოპტოელექტრონიკამიკროტალღური და სინათლის ტალღები ელექტრომაგნიტური ტალღებია და მათი სიხშირეები სიდიდის მრავალი რიგით განსხვავდება, ხოლო მათ შესაბამის სფეროებში შემუშავებული კომპონენტები და ტექნოლოგიები ძალიან განსხვავებულია. კომბინირებულად, ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ ერთმანეთი, მაგრამ შეგვიძლია მივიღოთ ახალი გამოყენებები და მახასიათებლები, რომელთა რეალიზებაც შესაბამისად რთულია.

ოპტიკური კომუნიკაციამიკროტალღებისა და ფოტოელექტრონების კომბინაციის საუკეთესო მაგალითია. ადრეული სატელეფონო და ტელეგრაფიული უკაბელო კომუნიკაციები, სიგნალების გენერირება, გავრცელება და მიღება, ყველა იყენებდა მიკროტალღურ მოწყობილობებს. დაბალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღები თავდაპირველად გამოიყენებოდა, რადგან სიხშირის დიაპაზონი მცირეა და გადაცემის არხის ტევადობაც მცირეა. გამოსავალი გადაცემული სიგნალის სიხშირის გაზრდაა, რაც უფრო მაღალია სიხშირე, მით მეტი სპექტრის რესურსია. თუმცა, ჰაერში მაღალი სიხშირის სიგნალის გავრცელებისას დანაკარგი დიდია, მაგრამ ასევე ადვილად იბლოკება დაბრკოლებებით. თუ კაბელი გამოიყენება, კაბელის დანაკარგი დიდია და დიდ მანძილზე გადაცემა პრობლემას წარმოადგენს. ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კომუნიკაციის გაჩენა ამ პრობლემების კარგი გადაწყვეტაა.ოპტიკურ-ბოჭკოვანიაქვს ძალიან დაბალი გადაცემის დანაკარგები და წარმოადგენს შესანიშნავ გადამტანს სიგნალების დიდ მანძილზე გადასაცემად. სინათლის ტალღების სიხშირის დიაპაზონი გაცილებით დიდია, ვიდრე მიკროტალღების და ერთდროულად მრავალი სხვადასხვა არხის გადაცემა შეუძლია. ამ უპირატესობების გამოოპტიკური გადაცემაოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაცია დღევანდელი ინფორმაციის გადაცემის ხერხემალად იქცა.
ოპტიკურ კომუნიკაციას ხანგრძლივი ისტორია აქვს, კვლევა და გამოყენება ძალიან ვრცელი და განვითარებულია, აქ მეტის თქმა აღარ მინდა. ეს ნაშრომი ძირითადად წარმოგვიდგენს მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკის ახალ კვლევით შინაარსს ბოლო წლებში, ოპტიკური კომუნიკაციის გარდა. მიკროტალღური ოპტოელექტრონიკა ძირითადად იყენებს ოპტოელექტრონიკის სფეროში არსებულ მეთოდებსა და ტექნოლოგიებს, როგორც გადამზიდავს, რათა გააუმჯობესოს და მიაღწიოს იმ შესრულებასა და გამოყენებას, რომლის მიღწევაც რთულია ტრადიციული მიკროტალღური ელექტრონული კომპონენტებით. გამოყენების თვალსაზრისით, ის ძირითადად მოიცავს შემდეგ სამ ასპექტს.
პირველი არის ოპტოელექტრონიკის გამოყენება მაღალი ხარისხის, დაბალი ხმაურის მქონე მიკროტალღური სიგნალების გენერირებისთვის, X-დიაპაზონიდან თერაცჰც დიაპაზონამდე.
მეორე, მიკროტალღური სიგნალის დამუშავება. მათ შორის დაყოვნება, ფილტრაცია, სიხშირის გარდაქმნა, მიღება და ა.შ.
მესამე, ანალოგური სიგნალების გადაცემა.

ამ სტატიაში ავტორი მხოლოდ პირველ ნაწილს, მიკროტალღური სიგნალის გენერირებას, წარმოგვიდგენს. ტრადიციული მიკროტალღური მილიმეტრიანი ტალღა ძირითადად iii_V მიკროელექტრონული კომპონენტებით გენერირდება. მისი შეზღუდვები შემდეგია: პირველი, მაღალი სიხშირეებისთვის, როგორიცაა 100 გჰც-ზე მეტი, ტრადიციულ მიკროელექტრონიკას შეუძლია სულ უფრო და უფრო ნაკლები სიმძლავრის გამომუშავება, ხოლო მაღალი სიხშირის THz სიგნალისთვის მათ არაფრის გაკეთება არ შეუძლიათ. მეორე, ფაზური ხმაურის შესამცირებლად და სიხშირის სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად, ორიგინალური მოწყობილობა უნდა განთავსდეს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურულ გარემოში. მესამე, სიხშირის მოდულაციის ფართო დიაპაზონის სიხშირის გარდაქმნის მიღწევა რთულია. ამ პრობლემების გადასაჭრელად ოპტოელექტრონულ ტექნოლოგიას შეუძლია როლი შეასრულოს. ძირითადი მეთოდები ქვემოთ არის აღწერილი.

1. ორი განსხვავებული სიხშირის ლაზერული სიგნალის სხვაობის სიხშირის მეშვეობით, მაღალი სიხშირის ფოტოდეტექტორი გამოიყენება მიკროტალღური სიგნალების გარდასაქმნელად, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1-ზე.

სურათი 1. ორი სიხშირის სხვაობით გენერირებული მიკროტალღების სქემატური დიაგრამალაზერები.

ამ მეთოდის უპირატესობებია მარტივი სტრუქტურა, შეუძლია უკიდურესად მაღალი სიხშირის მილიმეტრიული ტალღის და თუნდაც თერც სიხშირის სიგნალის გენერირება, ხოლო ლაზერის სიხშირის რეგულირებით შესაძლებელია სწრაფი სიხშირის გარდაქმნის, სვინგის სიხშირის ფართო დიაპაზონში განხორციელება. ნაკლი ის არის, რომ ორი დაუკავშირებელი ლაზერული სიგნალის მიერ გენერირებული სხვაობის სიხშირის სიგნალის ხაზის სიგანე ან ფაზური ხმაური შედარებით დიდია და სიხშირის სტაბილურობა მაღალი არ არის, განსაკუთრებით თუ გამოიყენება ნახევარგამტარული ლაზერი მცირე მოცულობით, მაგრამ დიდი ხაზის სიგანით (~MHz). თუ სისტემის წონისა და მოცულობის მოთხოვნები მაღალი არ არის, შეგიძლიათ გამოიყენოთ დაბალი ხმაურის (~kHz) მყარი მდგომარეობის ლაზერები.ბოჭკოვანი ლაზერები, გარე ღრუნახევარგამტარული ლაზერებიდა ა.შ. გარდა ამისა, ერთსა და იმავე ლაზერულ ღრუში გენერირებული ლაზერული სიგნალების ორი განსხვავებული რეჟიმის გამოყენება შესაძლებელია სხვაობის სიხშირის გენერირებისთვის, რათა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს მიკროტალღური სიხშირის სტაბილურობის მახასიათებლები.

2. წინა მეთოდის ორი ლაზერის არათანმიმდევრულობისა და გენერირებული სიგნალის ფაზური ხმაურის ძალიან დიდი რაოდენობის პრობლემის გადასაჭრელად, ორ ლაზერს შორის კოჰერენტობის მიღწევა შესაძლებელია ინექციის სიხშირის ბლოკირების ფაზის ბლოკირების მეთოდით ან უარყოფითი უკუკავშირის ფაზის ბლოკირების სქემით. სურათი 2 გვიჩვენებს ინექციის ბლოკირების ტიპურ გამოყენებას მიკროტალღური ჯერადების გენერირებისთვის (სურათი 2). ნახევარგამტარულ ლაზერში მაღალი სიხშირის დენის სიგნალების პირდაპირი ინექციით ან LinBO3-ფაზის მოდულატორის გამოყენებით, შესაძლებელია სხვადასხვა სიხშირის მრავალი ოპტიკური სიგნალის გენერირება თანაბარი სიხშირული დაშორებით, ანუ ოპტიკური სიხშირის სავარცხლების. რა თქმა უნდა, ფართო სპექტრის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის მისაღებად ხშირად გამოყენებული მეთოდია რეჟიმით ბლოკირებული ლაზერის გამოყენება. გენერირებულ ოპტიკურ სიხშირის სავარცხელში ნებისმიერი ორი სავარცხლის სიგნალი შეირჩევა ფილტრაციით და შეჰყავთ შესაბამისად 1 და 2 ლაზერში სიხშირის და ფაზის ბლოკირების მისაღწევად. რადგან ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის სხვადასხვა სავარცხლის სიგნალებს შორის ფაზა შედარებით სტაბილურია, ამიტომ ორ ლაზერს შორის ფარდობითი ფაზა სტაბილურია და შემდეგ, ადრე აღწერილი სხვაობის სიხშირის მეთოდით, შესაძლებელია ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის გამეორების სიჩქარის მრავალჯერადი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალის მიღება.

სურათი 2. ინექციის სიხშირის ბლოკირებით გენერირებული მიკროტალღური სიხშირის გაორმაგების სიგნალის სქემატური დიაგრამა.
ორი ლაზერის ფარდობითი ფაზური ხმაურის შემცირების კიდევ ერთი გზაა უარყოფითი უკუკავშირის ოპტიკური PLL-ის გამოყენება, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 3-ზე.

სურათი 3. OPL-ის სქემატური დიაგრამა.

ოპტიკური PLL-ის პრინციპი ელექტრონიკის სფეროში არსებული PLL-ის მსგავსია. ორი ლაზერის ფაზური სხვაობა ფოტოდეტექტორის (ფაზური დეტექტორის ექვივალენტური) მეშვეობით გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად, შემდეგ კი ორ ლაზერს შორის ფაზური სხვაობა მიიღება მიკროტალღური სიგნალის წყაროსთან სხვაობის სიხშირის შექმნით, რომელიც ძლიერდება და იფილტრება და შემდეგ უბრუნდება ერთ-ერთი ლაზერის სიხშირის მართვის ბლოკს (ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის ეს არის ინექციური დენი). ასეთი უარყოფითი უკუკავშირის მართვის მარყუჟის მეშვეობით, ორ ლაზერულ სიგნალს შორის ფარდობითი სიხშირის ფაზა ფიქსირდება საცნობარო მიკროტალღურ სიგნალთან. კომბინირებული ოპტიკური სიგნალი შემდეგ შეიძლება გადაეცეს ოპტიკური ბოჭკოების მეშვეობით სხვაგან მდებარე ფოტოდეტექტორს და გარდაიქმნას მიკროტალღურ სიგნალად. მიკროტალღური სიგნალის შედეგად მიღებული ფაზური ხმაური თითქმის იგივეა, რაც ფაზურად ფიქსირებული უარყოფითი უკუკავშირის მარყუჟის გამტარუნარიანობის ფარგლებში არსებული საცნობარო სიგნალის. გამტარუნარიანობის გარეთ ფაზური ხმაური უდრის ორი ორიგინალური დაუკავშირებელი ლაზერის ფარდობით ფაზურ ხმაურს.
გარდა ამისა, საცნობარო მიკროტალღური სიგნალის წყარო ასევე შეიძლება გარდაიქმნას სხვა სიგნალის წყაროებით სიხშირის გაორმაგების, გამყოფი სიხშირის ან სხვა სიხშირის დამუშავების გზით, ისე, რომ დაბალი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალი შეიძლება გაორმაგდეს ან გარდაიქმნას მაღალი სიხშირის რადიოსიხშირულ, თერაციან სიგნალებად.
ინექციური სიხშირის ბლოკირებასთან შედარებით, მხოლოდ სიხშირის გაორმაგებას იძლევა, ფაზური ბლოკირების მარყუჟები უფრო მოქნილია, თითქმის თვითნებური სიხშირეების წარმოქმნა შეუძლია და, რა თქმა უნდა, უფრო რთულია. მაგალითად, ნახაზ 2-ზე ფოტოელექტრული მოდულატორის მიერ გენერირებული ოპტიკური სიხშირის სავარცხელი გამოიყენება სინათლის წყაროდ, ხოლო ოპტიკური ფაზური ბლოკირების მარყუჟი გამოიყენება ორი ლაზერის სიხშირის ორ ოპტიკურ სავარცხლის სიგნალზე შერჩევით დასაბლოკად და შემდეგ მაღალი სიხშირის სიგნალების გენერირებისთვის სხვაობის სიხშირის მეშვეობით, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 4-ზე. f1 და f2 შესაბამისად ორი PLLS-ის საცნობარო სიგნალის სიხშირეებია, ხოლო N*frep+f1+f2 მიკროტალღური სიგნალის გენერირება შესაძლებელია ორ ლაზერს შორის სხვაობის სიხშირით.

სურათი 4. თვითნებური სიხშირეების გენერირების სქემატური დიაგრამა ოპტიკური სიხშირული სავარცხლებისა და PLLS-ის გამოყენებით.

3. გამოიყენეთ რეჟიმით ბლოკირებული პულსური ლაზერი ოპტიკური პულსური სიგნალის მიკროტალღურ სიგნალად გადასაყვანადფოტოდეტექტორი.

ამ მეთოდის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ შესაძლებელია ძალიან კარგი სიხშირული სტაბილურობისა და ძალიან დაბალი ფაზური ხმაურის მქონე სიგნალის მიღება. ლაზერის სიხშირის ძალიან სტაბილურ ატომურ და მოლეკულურ გარდამავალ სპექტრზე ან უკიდურესად სტაბილურ ოპტიკურ ღრუზე დაბლოკვით და თვითგაორმაგებული სიხშირის აღმოფხვრის სისტემის სიხშირის ცვლისა და სხვა ტექნოლოგიების გამოყენებით, შეგვიძლია მივიღოთ ძალიან სტაბილური ოპტიკური იმპულსური სიგნალი ძალიან სტაბილური გამეორების სიხშირით, რათა მივიღოთ მიკროტალღური სიგნალი ულტრადაბალი ფაზური ხმაურით. სურათი 5.

სურათი 5. სხვადასხვა სიგნალის წყაროების ფარდობითი ფაზური ხმაურის შედარება.

თუმცა, რადგან იმპულსების გამეორების სიხშირე ლაზერის ღრუს სიგრძის უკუპროპორციულია და ტრადიციული რეჟიმით ბლოკირებული ლაზერი დიდია, მაღალი სიხშირის მიკროტალღური სიგნალების პირდაპირ მიღება რთულია. გარდა ამისა, ტრადიციული იმპულსური ლაზერების ზომა, წონა და ენერგიის მოხმარება, ასევე მკაცრი გარემო მოთხოვნები, ზღუდავს მათ ძირითადად ლაბორატორიულ გამოყენებას. ამ სირთულეების დასაძლევად, შეერთებულ შტატებსა და გერმანიაში ცოტა ხნის წინ დაიწყო კვლევა არაწრფივი ეფექტების გამოყენებით, რათა წარმოიქმნას სიხშირე-სტაბილური ოპტიკური სავარცხლები ძალიან პატარა, მაღალი ხარისხის ჭიკჭიკის რეჟიმის ოპტიკურ ღრუებში, რომლებიც თავის მხრივ წარმოქმნიან მაღალი სიხშირის დაბალი ხმაურის მიკროტალღურ სიგნალებს.

4. ოპტოელექტრონული ოსცილატორი, სურათი 6.

სურათი 6. ფოტოელექტრული შეერთებული ოსცილატორის სქემატური დიაგრამა.

მიკროტალღების ან ლაზერების გენერირების ერთ-ერთი ტრადიციული მეთოდია თვითუკუკავშირის დახურული მარყუჟის გამოყენება, თუ დახურულ მარყუჟში მომატება დანაკარგზე მეტია, თვითაღგზნებულ რხევას შეუძლია მიკროტალღების ან ლაზერების წარმოქმნა. რაც უფრო მაღალია დახურული მარყუჟის ხარისხის ფაქტორი Q, მით უფრო მცირეა გენერირებული სიგნალის ფაზური ან სიხშირული ხმაური. ​​მარყუჟის ხარისხის ფაქტორის გასაზრდელად, პირდაპირი გზაა მარყუჟის სიგრძის გაზრდა და გავრცელების დანაკარგის მინიმიზაცია. თუმცა, უფრო გრძელი მარყუჟი, როგორც წესი, მხარს უჭერს რხევის მრავალი რეჟიმის გენერირებას და თუ დაემატება ვიწროზოლოვანი ფილტრი, შესაძლებელია ერთსიხშირიანი დაბალი ხმაურის მიკროტალღური რხევის სიგნალის მიღება. ფოტოელექტრული შეწყვილებული ოსცილატორი არის მიკროტალღური სიგნალის წყარო, რომელიც დაფუძნებულია ამ იდეაზე, ის სრულად იყენებს ბოჭკოს დაბალი გავრცელების დანაკარგის მახასიათებლებს, გრძელი ბოჭკოს გამოყენებით მარყუჟის Q მნიშვნელობის გასაუმჯობესებლად, შეუძლია წარმოქმნას მიკროტალღური სიგნალი ძალიან დაბალი ფაზური ხმაურით. 1990-იან წლებში მეთოდის შემოთავაზების შემდეგ, ამ ტიპის ოსცილატორმა ფართო კვლევა და მნიშვნელოვანი განვითარება განიცადა და ამჟამად არსებობს კომერციული ფოტოელექტრული შეწყვილებული ოსცილატორები. ბოლო დროს შემუშავდა ფოტოელექტრული ოსცილატორები, რომელთა სიხშირეების ფართო დიაპაზონში რეგულირებაა შესაძლებელი. ამ არქიტექტურაზე დაფუძნებული მიკროტალღური სიგნალის წყაროების მთავარი პრობლემა ის არის, რომ მარყუჟი გრძელია და მის თავისუფალ ნაკადში (FSR) და მის ორმაგ სიხშირეში ხმაური მნიშვნელოვნად გაიზრდება. გარდა ამისა, გამოყენებული ფოტოელექტრული კომპონენტები უფრო მეტია, ღირებულება მაღალია, მოცულობის შემცირება რთულია და უფრო გრძელი ბოჭკო უფრო მგრძნობიარეა გარემო ფაქტორების ზემოქმედების მიმართ.

ზემოთ მოკლედ არის წარმოდგენილი მიკროტალღური სიგნალების ფოტოელექტრონული გენერირების რამდენიმე მეთოდი, ასევე მათი უპირატესობები და ნაკლოვანებები. და ბოლოს, მიკროტალღური სიგნალების წარმოებისთვის ფოტოელექტრონების გამოყენებას კიდევ ერთი უპირატესობა აქვს, რაც იმაში მდგომარეობს, რომ ოპტიკური სიგნალი შეიძლება გავრცელდეს ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კაბელის მეშვეობით ძალიან დაბალი დანაკარგებით, დიდ მანძილზე გადაცემით თითოეულ გამოსაყენებელ ტერმინალამდე და შემდეგ გარდაიქმნას მიკროტალღურ სიგნალებად, ხოლო ელექტრომაგნიტური ჩარევისადმი წინააღმდეგობის უნარი მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია ტრადიციულ ელექტრონულ კომპონენტებთან შედარებით.
ამ სტატიის დაწერა ძირითადად საცნობაროა და ავტორის საკუთარ კვლევით გამოცდილებასთან და ამ სფეროში გამოცდილებასთან ერთად, არსებობს უზუსტობები და გაუგებრობები, გთხოვთ, გაითვალისწინოთ.