Estado de Produção e Pontos Quentes de Sinais de Microondas em Optoeletrônica de Microondas

A optoeletrônica por microondas, como o próprio nome sugere, é uma disciplina interdisciplinar de microondas e optoeletrônica. Ambas as microondas e ondas de luz são ondas eletromagnéticas, e suas freqüências são muitas ordens de grandeza diferentes. Os componentes e tecnologias desenvolvidos em seus respectivos campos são muito diferentes. Combinar e aprender com os pontos fortes uns dos outros pode render novas aplicações e características que são difíceis de alcançar [1,2,3].

A comunicação óptica é o melhor exemplo de uma combinação de microondas e optoeletrônica. Comunicação sem fio por telegrafia telefônica, geração de sinal, propagação e recepção são todos dispositivos de microondas usados. Ondas eletromagnéticas de baixa freqüência são usadas inicialmente, porque a faixa de freqüência é pequena e a capacidade do canal de transmissão é pequena. A solução é aumentar a frequência do sinal transmitido. Quanto maior a frequência, mais recursos espectrais. No entanto, os sinais de alta frequência apresentam grandes perdas de propagação no ar e são facilmente obstruídos por obstáculos. Se você usar transmissão com fio, a perda do cabo é grande e a transmissão de longa distância é um problema. O surgimento das comunicações por fibra ótica resolveu esses problemas. Perda de transmissão de fibra óptica é muito baixa, é uma excelente transportadora para a transmissão de sinais em longas distâncias. A faixa de freqüência das ondas de luz excede em muito as microondas, e muitos canais diferentes podem ser transmitidos ao mesmo tempo. Devido a essas vantagens da transmissão óptica, a comunicação por fibra ótica tornou-se a espinha dorsal da disseminação de informações de hoje.

Comunicação óptica tem uma longa história, pesquisa e aplicação são muito extensas e maduras, não vou dizer mais aqui. Aqui, eu quero principalmente introduzir o conteúdo de pesquisa de outras optoeletrônicas de micro-ondas emergentes além da comunicação óptica nos últimos anos. A optoeletrônica de microondas baseia-se principalmente em métodos e técnicas no campo da optoeletrônica para melhorar e realizar o desempenho e as aplicações que são difíceis de alcançar com os componentes eletrônicos de microondas tradicionais. Do ponto de vista da aplicação, inclui principalmente os três aspectos seguintes.

Primeiro, o uso da optoeletrônica para produzir sinais de microondas de alto desempenho e baixo ruído, da banda X para a banda THz.

Em segundo lugar, o processamento de sinais de microondas. Incluindo atraso, filtragem, conversão de frequência, recebimento e assim por diante.

Em terceiro lugar, transmissão de sinal analógico.

Este artigo apenas introduz a primeira parte do artigo, a geração de sinais de microondas. A onda tradicional de microondas é produzida principalmente por componentes microeletrônicos iii_V [4]. Suas limitações são as seguintes: primeiro, para altas freqüências como 100 GHz ou mais, os componentes microeletrônicos tradicionais podem produzir cada vez menos energia e, para sinais de freqüência mais alta, eles são sem energia. Em segundo lugar, a fim de reduzir o ruído de fase e melhorar a estabilidade da freqüência, o dispositivo original precisa ser colocado em um ambiente criogênico. Em terceiro lugar, é difícil conseguir uma ampla gama de conversão de freqüência de FM. Para resolver esses problemas, a tecnologia optoeletrônica pode se mostrar. Aqui estão alguns dos principais métodos.

1. Utilizando a frequência de diferença de dois sinais de laser de frequência diferentes, um fotodetector de alta frequência é convertido para gerar um sinal de microondas [5, 6], como mostrado na FIG. 1

Figura 1. Diagrama esquemático da geração de microondas de duas frequências diferenciais de laser.

A vantagem deste método é que ele possui uma estrutura simples e pode gerar sinais de frequência extremamente alta, onda milimétrica e até mesmo frequência THz. Além disso, ao ajustar a freqüência do laser, uma ampla gama de conversão rápida de frequência e varredura de frequência pode ser realizada. A desvantagem é que a largura da linha ou o ruído de fase do sinal de diferença de frequência produzido por dois sinais laser incoerentes é relativamente grande, e a estabilidade da frequência não é alta, especialmente se for usado um laser semicondutor de tamanho pequeno mas largo (~ MHz). . Se os requisitos de peso e volume do sistema não forem altos, um laser de estado sólido de baixo ruído (~ kHz), laser de fibra [7,8], laser de semicondutor de cavidade externa [9] etc. pode ser usado. Além disso, dois modos diferentes de sinais de laser gerados na mesma cavidade de laser também podem ser usados para gerar a diferença de frequência, de modo que a estabilidade da freqüência de microondas resultante possa ser muito melhorada [10-12].

2. Para resolver o problema de que os dois lasers no método anterior são incoerentes e o ruído de fase do sinal gerado é muito grande, um método de travamento de injeção ou um circuito bloqueado de fase de feedback negativo pode ser usado para obter a coerência entre o dois lasers [13]. A Figura 2 mostra uma aplicação típica de geração de microondas de frequência múltipla com bloqueio de frequência de injeção (Figura 2). Ao injetar diretamente um sinal de corrente de alta frequência no laser de semicondutor, ou usando um modulador de fase de LiNbO3, uma pluralidade de sinais ópticos com freqüências diferentes em intervalos iguais podem ser gerados, ou um pente de freqüência ótica. Evidentemente, o método comumente usado para obter um pente de freqüência ótica de amplo espectro é usar um laser de modo bloqueado [14]. Quaisquer dois sinais de pente do pente de frequ�cia �tica gerado s� seleccionados por filtragem e injectados nos lasers 1 e 2, respectivamente, para obter o bloqueio bloqueado por frequ�cia. Como a fase entre os diferentes sinais de pente do pente óptico é relativamente estável, obtém-se uma fase relativa estável entre os dois lasers e a frequência da repetição de pente pode ser obtida pelo método da frequência de diferença como descrito acima. Sinal de microondas de múltiplas frequências.

Figura 2. Diagrama esquemático da geração de frequência bloqueada por injeção de sinais duplicados em frequência de microondas.

Outra maneira de reduzir o ruído de fase relativo dos dois lasers é usar um loop óptico de bloqueio de fase de feedback negativo, como mostrado na Figura 3.

Figura 3. Esquema óptico de PLL.

O princípio do loop óptico de bloqueio de fase é semelhante ao loop de fase bloqueado no campo eletrônico [15,16,17]. A diferença de fase dos dois lasers é convertida em um sinal elétrico por um fotodetector (correspondente a um detector de fase), e a diferença entre os dois lasers é obtida pela diferença de freqüência com a fonte de sinal de referência de microondas, e a realimentação é retornada ao laser. dois lasers após amplificação e filtragem. Uma unidade de controle de freqüência de laser (corrente de injeção para lasers semicondutores). Com um loop de controle de feedback negativo, a freqüência relativa entre os dois sinais de laser é travada em fase com o sinal de microondas de referência. O sinal óptico combinado pode então ser transmitido através de uma fibra ótica para um fotodetector em outro lugar e convertido em um sinal de microondas. O ruído de fase do sinal de microondas assim gerado é quase o mesmo que o ruído de fase do sinal de referência na largura de banda do circuito de realimentação negativa de bloqueio de fase. O ruído de fase fora da largura de banda é igual ao ruído de fase relativo dos dois lasers incoerentes originais.

Adicionalmente, a fonte de sinal de microondas de referência também pode ser outra fonte de sinal que é processada por conversão de frequência, frequência digital ou outra conversão de frequência, de modo que o sinal de microondas com frequência mais baixa pode ser convertido em frequência múltipla ou convertido em alta frequência. Freqüência de rádio, sinal THz e assim por diante.

Em comparação com a freqüência de bloqueio de injeção, que só pode obter multiplicação de frequência, os loops de fase bloqueada são mais flexíveis, podem gerar quase qualquer freqüência e, é claro, são mais complexos. Por exemplo, na FIG. 2, fase modulada por um modulador optoeletrônico, ou um pente óptico gerado por um laser pulsado como uma fonte de luz, um loop óptico de bloqueio de fase é usado para bloquear seletivamente dois lasers para dois dos sinais ópticos dente-pente. Gere sinais de alta freqüência através da diferença de freqüência, como mostrado na Figura 4. F1 e f2 são as frequências de sinal de referência dos dois loops de fase bloqueados respectivamente, e um sinal de microondas de N * frep + f1 + f2 pode ser gerado pelo diferença de freqüência entre os dois lasers.

Figura 4. Gera um diagrama de frequência arbitrário usando pentes óticos e PLLs óticos.

3. Usando um laser pulsado de modo bloqueado, o sinal de pulso óptico é convertido para um sinal de microondas por um fotodetector [18-20].

A principal vantagem deste método é que um sinal com muito boa estabilidade de freqüência e ruído de fase extremamente baixo pode ser obtido. Ao bloquear a frequência do laser para um espectro de transição molecular atómica muito estável, ou uma cavidade óptica extremamente estável, e utilizando uma frequência de auto-multiplicação para eliminar desvios de frequência do sistema, etc., podem ser obtidos sinais de impulsos ópticos com frequências de repetição muito estáveis. Sinal de microondas com ruído de fase ultrabaixo [21-23]. Como mostrado na Figura 5.

Figura 5. Comparação do ruído de fase relativo de diferentes fontes de sinal. Trecho da referência [21]

No entanto, como a frequência de repetição do pulso é inversamente proporcional ao comprimento da cavidade do laser, enquanto o laser de modo convencional bloqueado tem um grande volume, é difícil obter diretamente sinais de microondas de alta frequência. Além disso, o tradicional volume de laser pulsado, peso e consumo de energia, bem como os requisitos rigorosos do ambiente, limitaram seu uso principalmente no laboratório. Para superar essas dificuldades, as pesquisas mais avançadas nos Estados Unidos e na Alemanha usaram efeitos não-lineares para gerar pentes óticos de frequência estável em uma cavidade de modo pequeno e de alta qualidade para gerar sinais de microondas de alta frequência e baixo ruído. -29]].