حالة الإنتاج والبقع الساخنة لإشارات الميكروويف في الميكروويف الإلكترونيات الضوئية

الإلكترونيات الضوئية الميكروية ، كما يوحي اسمها ، هو نظام متعدد التخصصات من الميكروويف والإلكترونيات البصرية. كل من الموجات الدقيقة والموجات الضوئية هي موجات كهرومغناطيسية ، وتواترها تختلف من حيث الحجم. المكونات والتكنولوجيات التي تم تطويرها في مجالات تخصصهم مختلفة جدا. يمكن أن يؤدي الجمع بين التعلم والتعلم من نقاط القوة في بعضها إلى تقديم تطبيقات وميزات جديدة يصعب تحقيقها [1،2،3].

يعد الاتصال البصري أفضل مثال على مجموعة من الميكروويف والإلكترونيات البصرية. الاتصالات اللاسلكية عبر الهاتف البارتكي المبكر ، توليد الإشارات ، الانتشار والاستقبال هي جميع أجهزة الميكروويف المستخدمة. تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد في البداية ، لأن مدى التردد صغير ، وتكون سعة قناة الإرسال صغيرة. الحل هو زيادة تردد الإشارة المرسلة. كلما زاد التردد ، زادت الموارد الطيفية. ومع ذلك ، فإن إشارات الترددات العالية لها خسائر كبيرة في الانتشار في الجو ويمكن إعاقتها بسهولة بواسطة العوائق. إذا كنت تستخدم الإرسال السلكي ، فإن فقدان الكبل كبير ، ويشكل الإرسال عن بُعد مشكلة كبيرة. لقد أدى ظهور اتصالات الألياف البصرية إلى حل هذه المشاكل. إن خسارة إرسال الألياف الضوئية منخفضة جداً ، فهي ناقلة ممتازة لنقل الإشارات عبر مسافات طويلة. يتجاوز نطاق تردد الموجات الضوئية الموجات الميكروية ، ويمكن نقل العديد من القنوات المختلفة في نفس الوقت. وبسبب هذه المزايا للإرسال البصري ، أصبح اتصال الألياف الضوئية العمود الفقري لنشر المعلومات اليوم.

الاتصالات البصرية لديها تاريخ طويل ، والبحوث والتطبيق واسعة جدا وناضجة ، وأنا لن أقول أكثر هنا. هنا ، أريد أن أعرض بشكل أساسي محتوى البحث الخاص بالإلكترونيات الضوئية التي تظهر في مجال الموجات الصغرية الأخرى بخلاف الاتصالات البصرية في السنوات الأخيرة. تعتمد الميكروإلكترونيات الميكروية بشكل رئيسي على الأساليب والتقنيات في مجال الإلكترونيات البصرية لتحسين الأداء وتحقيقه وتحقيق التطبيقات التي يصعب تحقيقها مع المكونات الإلكترونية التقليدية للميكروويف. من منظور التطبيق ، فإنه يشمل أساسا الجوانب الثلاثة التالية.

أولاً ، استخدام الإلكترونيات البصرية لإنتاج إشارات موجية عالية الأداء منخفضة الضوضاء ، من النطاق X إلى النطاق THz.

الثانية ، معالجة إشارات الميكروويف. بما في ذلك التأخير ، والترشيح ، وتحويل التردد ، وتلقي وهلم جرا.

الثالثة ، ونقل الإشارات التناظرية.

يقدم هذا المقال فقط الجزء الأول من هذه المادة ، جيل من إشارات الميكروويف. يتم إنتاج الموجة الميليمترية التقليدية من المكونات الإلكترونية الدقيقة iii_V [4]. وتتمثل قيوده فيما يلي: أولاً ، إلى الترددات العالية مثل GHz 100 أو أكثر ، يمكن للمكونات الإلكترونية الدقيقة التقليدية إنتاج طاقة أقل وأقل ، وإشارات THZ عالية التردد ، فهي عاجزة. ثانيًا ، من أجل تقليل ضوضاء الطور وتحسين استقرار التردد ، يجب وضع الجهاز الأصلي في بيئة التبريد. ثالثًا ، من الصعب تحقيق نطاق واسع من تحويل تردد FM. لحل هذه المشاكل ، يمكن لتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية إظهار نفسها. فيما يلي بعض الطرق الرئيسية.

1. باستخدام تردد الفرق لإشارتين ليزر مختلفتين للتردد ، يتم تحويل جهاز كشف الكاثود عالي التردد لتوليد إشارة موجية [5 ، 6] ، كما هو موضح في الشكل. 1.

الشكل 1. رسم تخطيطي من اثنين من جيل الميكروويف تردد الليزر التفاضلي.

وتتمثل ميزة هذه الطريقة في أن لها بنية بسيطة ويمكنها توليد إشارات ذات تردد عال للغاية وموجة ملليمتر وحتى تردد THz. علاوة على ذلك ، من خلال ضبط تردد الليزر ، يمكن إجراء مجموعة واسعة من تحويل التردد السريع وتجريف التردد. تتمثل العيوب في أن ضوضاء عرض الخط أو الطور الخاصة بإشارة تردد الاختلاف التي تنتجها إشارتان ليزر غير مترابطتان كبيرتان نسبياً ، واستقرار الترددات ليس كبيراً ، خاصة إذا تم استخدام ليزر أشباه موصلات صغير الحجم ولكن واسع النطاق (~ MHz). . إذا لم تكن متطلبات الوزن والحجم في النظام عالية ، يمكن استخدام ليزر الحالة الصلبة منخفض الضوضاء (~ kHz) ، ليزر الألياف [7،8] ، ليزر أشباه الموصلات التجويف الخارجي [9] ، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام وضعين مختلفين من إشارات الليزر المتولدة في نفس تجويف الليزر لتوليد تردد الفرق ، بحيث يمكن تحسين استقرار تردد الميكروويف الناتج بشكل كبير [10-12].

2. من أجل حل المشكلة بأن الليزرين في الطريقة السابقة غير مترابطين وأن ضوضاء الطور للإشارة المولدة أكبر من اللازم ، يمكن استخدام طريقة قفل الحقن أو الدائرة المغلقة لمرحلة التغذية العكسية السلبية للحصول على التماسك بين ليزران [13]. يبين الشكل 2 تطبيقًا نموذجيًا لتوليد الموجات الدقيقة متعددة الترددات المغلقة بالحقن (الشكل 2). عن طريق الحقن المباشر لإشارة تيار عالية التردد إلى ليزر أشباه الموصلات ، أو باستخدام مُبدِّل طور LiNbO3 ، يمكن توليد مجموعة من الإشارات الضوئية ذات ترددات مختلفة على مسافات متساوية ، أو مشط تردد ضوئي. وبطبيعة الحال ، فإن الطريقة المستخدمة بشكل شائع للحصول على مشط تردد ضوئي واسع النطاق هي استخدام ليزر مقفل بطريقة [14]. يتم اختيار أي إشارات مشط من مشط التردد الضوئي الذي تم إنشاؤه عن طريق الترشيح وحقن في الليزر 1 و 2 على التوالي لتحقيق قفل قفل التردد. نظرًا لأن المرحلة بين إشارات المشط المختلفة للمشط البصري مستقرة نسبيًا ، يتم الحصول على طور نسبي ثابت بين الليزرين ، ويمكن الحصول على تكرار تكرار المشط بطريقة تردد الفرق كما هو موضح أعلاه. إشارة الموجات الميكروية متعددة التردد.

الشكل 2. رسم تخطيطي لتوليد التردد المؤمن بالحقن للإشارات ذات ترددات الموجات الدقيقة.

هناك طريقة أخرى لتقليل ضوضاء الطور النسبية للليزرين ، وهي استخدام حلقة عاكسة ضوئية طورية سلبية ، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. التخطيطي PLL الضوئية.

يشبه مبدأ حلقة الطور البصري المغلق حلقة الطور المغلق في المجال الإلكتروني [15،16،17]. يتم تحويل فرق الطور في أشعة الليزر إلى إشارة كهربائية بواسطة كاشف ضوئي (يناظر كاشف الطور) ، ويتم الحصول على الفرق بين الليزرين بتردد الاختلاف مع مصدر إشارة الموجات الصغرى المرجعي ، ويتم إرجاع التغذية الراجعة إلى اثنين من الليزر بعد التضخيم والترشيح. وحدة التحكم بتردد الليزر (تيار الحقن لليزر أشباه الموصلات). مع حلقة التحكم في ردود الفعل السلبية هذه ، يتم تثبيت التردد النسبي بين إشارات الليزر اثنين مع إشارة الميكروويف المرجعية. يمكن بعد ذلك إرسال الإشارة الضوئية المدمجة عبر ليف بصري إلى مكشاف ضوئي في مكان آخر وتحويلها إلى إشارة موجية. وتكون ضوضاء الطور الخاصة بإشارة الموجات الصغرية المتولدة بهذه الطريقة تقريباً هي نفس ضوضاء الطور للإشارة المرجعية في عرض نطاق حلقة التغذية المرتدة السلبية المقفلة. ضوضاء الطور خارج النطاق الترددي تساوي ضجيج الطور النسبي للليزرين الأصليين غير المترابطين.

وبالإضافة إلى ذلك ، قد يكون مصدر إشارة الموجات الصغرية المرجعي أيضاً مصدراً آخر للإشارة يتم معالجته عن طريق تحويل التردد أو التردد الرقمي أو أي تحويل تردد آخر ، بحيث تكون إشارة الموجات الميكروية ذات التردد الأقل محولة متعددة الترددات أو محولة إلى تردد عالٍ. تردد الراديو ، إشارة THZ وهلم جرا.

بالمقارنة مع التردد المؤمن بالحقن ، والذي لا يمكن أن يحصل إلا على مضاعفة التردد ، فإن حلقات الطور المغلق تكون أكثر مرونة ، ويمكنها توليد أي تردد تقريبًا ، وبطبيعة الحال ، تكون أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، في FIG. 2 ، طور مشكَّل بواسطة مُحَوِّل كهروضوئي ، أو مشط بصري ناتج عن ليزر نابض كمصدر للضوء ، يتم استخدام حلقة بصرية طورية للتثبيت بشكل انتقائي ليزرين إلى اثنين من إشارات سنون المشط الضوئي. توليد إشارات عالية التردد من خلال تردد الفرق ، كما هو موضح في الشكل 4. F1 و F2 هي ترددات الإشارة المرجعية للحلقتين المغلقتين على التوالي ، ويمكن الحصول على إشارة الموجات الصغرية من N * frep + f1 + f2 بواسطة الفرق الفرق بين الليزر اثنين.

الرقم 4. يولد مخطط تردد اعتباطي باستخدام الأمشاط الضوئية و PLLs البصرية.

3. باستخدام الليزر النبضي المغلق بالنمط ، يتم تحويل إشارة النبضة الضوئية إلى إشارة موجية بواسطة مكشاف ضوئي [18-20].

وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في إمكانية الحصول على إشارة ذات استقرار جيد جداً وتداخل ضوئي منخفض للغاية. من خلال قفل تردد الليزر إلى طيف انتقالي جزيئي ذري مستقر جداً ، أو تجويف بصري مستقر للغاية ، وباستخدام تردد ذو تكاثر ذاتي من أجل التخلص من تواترات تردد النظام ، إلخ ، يمكن الحصول على إشارات نبضة بصرية بترددات تكرار ثابتة جداً. إشارة الموجات الصغرى للضوضاء منخفضة للغاية [21-23]. كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5. مقارنة ضوضاء الطور النسبية لمصادر الإشارة المختلفة. مقتطفات من المرجع [21]

ومع ذلك ، لأن تردد تكرار النبضة يتناسب عكسيا مع طول تجويف الليزر ، في حين أن ليزر الوضع التقليدي المقفل يحتوي على حجم كبير ، فإنه من الصعب الحصول على إشارات الموجات الدقيقة العالية التردد مباشرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حجم الليزر التقليدي النابض ، ووزن الطاقة واستهلاكها ، فضلاً عن المتطلبات القاسية للبيئة قد حدّت من استخدامها في المقام الأول في المختبر. من أجل التغلب على هذه الصعوبات ، استخدمت الأبحاث الأكثر تقدمًا في الولايات المتحدة وألمانيا التأثيرات اللاخطية لتوليد أشعار بصرية مستقرة التردد في تجويف صغير صغير وعالي الجودة لإنشاء إشارات موجات دقيقة عالية التردد منخفضة الضوضاء. [24] -29]].