Optoélectronique micro-ondes, comme son nom l'indique, l'intersection du micro-ondes etoptoélectronique. Les micro-ondes et les ondes légères sont des ondes électromagnétiques, et les fréquences sont différentes de nombreux ordres de grandeur, et les composants et technologies développés dans leurs champs respectifs sont très différents. En combinaison, nous pouvons profiter les uns des autres, mais nous pouvons obtenir de nouvelles applications et caractéristiques difficiles à réaliser respectivement.
Communication optiqueest un excellent exemple de la combinaison de micro-ondes et de photoélectrons. Les communications sans fil téléphoniques et télégraphiques précoces, la génération, la propagation et la réception des signaux, tous utilisés par micro-ondes. Les ondes électromagnétiques à basse fréquence sont utilisées initialement car la plage de fréquences est petite et la capacité de transmission du canal est faible. La solution consiste à augmenter la fréquence du signal transmis, plus la fréquence est élevée, plus les ressources de spectre sont élevées. Mais le signal à haute fréquence dans la perte de propagation de l'air est important, mais aussi facile à bloquer par des obstacles. Si le câble est utilisé, la perte du câble est grande et la transmission à longue distance est un problème. L'émergence de la communication de fibres optiques est une bonne solution à ces problèmes.Fibre optiquea une perte de transmission très faible et est un excellent porte-avions pour transmettre des signaux sur de longues distances. La gamme de fréquences des ondes légères est beaucoup plus grande que celle des micro-ondes et peut transmettre de nombreux canaux différents simultanément. En raison de ces avantages detransmission optique, la communication de fibres optiques est devenue l'épine dorsale de la transmission d'informations d'aujourd'hui.
La communication optique a une longue histoire, la recherche et l'application sont très étendues et matures, voici plus en dire plus. Cet article présente principalement le nouveau contenu de recherche de l'optoélectronique micro-ondes au cours des dernières années, autres que la communication optique. L'optoélectronique micro-ondes utilise principalement les méthodes et les technologies dans le domaine de l'optoélectronique comme support pour améliorer et atteindre les performances et l'application difficiles à réaliser avec les composants électroniques micro-ondes traditionnels. Du point de vue de l'application, il comprend principalement les trois aspects suivants.
Le premier est l'utilisation de l'optoélectronique pour générer des signaux micro-ondes à haute performance et à faible bruit, de la bande X jusqu'à la bande THz.
Deuxièmement, traitement du signal micro-ondes. Y compris le retard, le filtrage, la conversion de fréquence, la réception, etc.
Troisièmement, la transmission des signaux analogiques.
Dans cet article, l'auteur n'introduit que la première partie, la génération de signal micro-ondes. L'onde de millimètres micro-ondes traditionnelle est principalement générée par les composants microélectroniques III_V. Ses limites ont les points suivants: Premièrement, à des fréquences élevées telles que 100 GHz au-dessus, la microélectronique traditionnelle peut produire de moins en moins de puissance, au signal THz de fréquence plus élevée, ils ne peuvent rien faire. Deuxièmement, afin de réduire le bruit de phase et d'améliorer la stabilité de la fréquence, le dispositif d'origine doit être placé dans un environnement de température extrêmement basse. Troisièmement, il est difficile d'obtenir une large gamme de conversion de fréquence de modulation de fréquence. Pour résoudre ces problèmes, la technologie optoélectronique peut jouer un rôle. Les principales méthodes sont décrites ci-dessous.
1. Grâce à la fréquence de différence de deux signaux laser de fréquence différents, un photodétecteur à haute fréquence est utilisé pour convertir les signaux micro-ondes, comme le montre la figure 1.
Figure 1. Diagramme schématique des micro-ondes générés par la fréquence de différence de deuxlasers.
Les avantages de cette méthode sont une structure simple, peuvent générer une onde de millimètre à fréquence extrêmement haute et même un signal de fréquence THz, et en ajustant la fréquence du laser peut effectuer une large gamme de conversion de fréquence rapide, de fréquence de balayage. L'inconvénient est que la largeur de ligne ou le bruit de phase du signal de fréquence de différence généré par deux signaux laser non apparentés est relativement grand, et la stabilité de la fréquence n'est pas élevée, surtout si un laser semi-conducteur avec un petit volume mais une grande largeur de ligne (~ MHz) est utilisé. Si les exigences de volume de poids du système ne sont pas élevées, vous pouvez utiliser des lasers à l'état solide à faible bruit (~ kHz),lasers en fibre, cavité externelasers semi-conducteurs, etc.
2. Afin de résoudre le problème que les deux lasers dans la méthode précédente sont incohérents et que le bruit de phase de signal généré est trop grand, la cohérence entre les deux lasers peut être obtenue par la méthode de verrouillage de la phase de verrouillage de la fréquence d'injection ou le circuit de verrouillage de phase de rétroaction négative. La figure 2 montre une application typique du verrouillage d'injection pour générer des multiples micro-ondes (figure 2). En injectant directement les signaux de courant à haute fréquence dans un laser semi-conducteur, ou en utilisant un modulateur en phase linbo3, plusieurs signaux optiques de différentes fréquences avec un espacement de fréquence égal peuvent être générés ou des peignes de fréquence optique. Bien sûr, la méthode couramment utilisée pour obtenir un peigne à fréquence optique à large spectre consiste à utiliser un laser verrouillé en mode. Les deux signaux de combinaison dans le peigne de fréquence optique généré sont sélectionnés par filtrage et injectés respectivement dans le laser 1 et 2 pour réaliser respectivement la fréquence et le verrouillage de phase. Étant donné que la phase entre les différents signaux de combinaison du peigne de fréquence optique est relativement stable, de sorte que la phase relative entre les deux lasers est stable, puis par la méthode de la fréquence de différence comme décrit précédemment, le signal micro-ondes de fréquence multicolore du taux de répétition de peigne de fréquence optique peut être obtenu.
Figure 2. Diagramme schématique du signal de doublement de fréquence micro-ondes généré par le verrouillage de la fréquence d'injection.
Une autre façon de réduire le bruit de phase relatif des deux lasers est d'utiliser un PLL optique négatif, comme le montre la figure 3.
Figure 3. Diagramme schématique de l'OPL.
Le principe de la PLL optique est similaire à celui de PLL dans le domaine de l'électronique. La différence de phase des deux lasers est convertie en un signal électrique par un photodétecteur (équivalent à un détecteur de phase), puis la différence de phase entre les deux lasers est obtenue en faisant une fréquence de différence avec une source de signal micro-ondes de référence, qui est amplifiée et filtrée, puis nourri à l'unité de contrôle de fréquence de l'une des lasers (pour les lasers semi-conducteurs, c'est le courant injection). Grâce à une telle boucle de contrôle de rétroaction négative, la phase de fréquence relative entre les deux signaux laser est verrouillée au signal micro-ondes de référence. Le signal optique combiné peut ensuite être transmis à travers des fibres optiques à un photodétecteur ailleurs et converti en signal micro-ondes. Le bruit de phase résultant du signal micro-ondes est presque le même que celui du signal de référence dans la bande passante de la boucle de rétroaction négative verrouillée en phase. Le bruit de phase à l'extérieur de la bande passante est égal au bruit de phase relatif des deux lasers non liés d'origine.
De plus, la source de signal de micro-ondes de référence peut également être convertie par d'autres sources de signal par le doublement de la fréquence, la fréquence du diviseur ou un autre traitement de fréquence, de sorte que le signal micro-ondes à faible fréquence peut être multidoublé ou converti en signaux RF à haute fréquence, THz.
Par rapport au verrouillage de fréquence d'injection ne peut obtenir que des boucles de doublement en fréquence, les boucles à verrouillage de phase sont plus flexibles, peuvent produire des fréquences presque arbitraires et bien sûr plus complexes. For example, the optical frequency comb generated by the photoelectric modulator in Figure 2 is used as the light source, and the optical phase-locked loop is used to selectively lock the frequency of the two lasers to the two optical comb signals, and then generate high-frequency signals through the difference frequency, as shown in Figure 4. f1 and f2 are the reference signal frequencies of the two PLLS respectively, and a microwave signal of N * FREP + F1 + F2 peut être généré par la fréquence de différence entre les deux lasers.
Figure 4. Diagramme schématique de la génération de fréquences arbitraires à l'aide de peignes de fréquence optique et de PLL.
3. Utilisez le laser d'impulsion verrouillé en mode pour convertir le signal d'impulsion optique en signal micro-ondes à traversphotodétecteur.
Le principal avantage de cette méthode est qu'un signal avec une très bonne stabilité de fréquence et un bruit de phase très faible peuvent être obtenus. En verrouillant la fréquence du laser à un spectre de transition atomique et moléculaire très stable, ou une cavité optique extrêmement stable, et l'utilisation d'un déplacement de fréquence du système d'élimination de la fréquence d'auto-doublage et d'autres technologies, nous pouvons obtenir un signal d'impulsion optique très stable avec une fréquence de répétition très stable, afin d'obtenir un signal micro-ligne avec un bruit de phase ultra-low. Figure 5.
Figure 5. Comparaison du bruit de phase relatif de différentes sources de signal.
Cependant, comme le taux de répétition de l'impulsion est inversement proportionnel à la longueur de la cavité du laser et que le laser traditionnel verrouillé en mode est grand, il est difficile d'obtenir directement des signaux micro-ondes à haute fréquence. De plus, la taille, le poids et la consommation d'énergie des lasers pulsés traditionnels, ainsi que les exigences environnementales sévères, limitent leurs applications principalement en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, les recherches ont récemment commencé aux États-Unis et en Allemagne en utilisant des effets non linéaires pour générer des peignes optiques stables en fréquence dans des cavités optiques en mode CHIRP très petites de haute qualité, qui génèrent à leur tour des signaux micro-ondes à faible bruit à haute fréquence.
4. Opto Electronic Oscillateur, Figure 6.
Figure 6. Diagramme schématique de l'oscillateur couplé photoélectrique.
L'une des méthodes traditionnelles de génération de micro-ondes ou de lasers est d'utiliser une boucle fermée d'auto-alimentation, tant que le gain dans la boucle fermée est supérieur à la perte, l'oscillation auto-excitée peut produire des micro-ondes ou des lasers. Plus le facteur de qualité Q de la boucle fermée est élevé, plus la phase de signal ou le bruit de fréquence généré est faible. Afin d'augmenter le facteur de qualité de la boucle, la voie directe est d'augmenter la longueur de la boucle et de minimiser la perte de propagation. Cependant, une boucle plus longue peut généralement prendre en charge la génération de multiples modes d'oscillation, et si un filtre à bande passante étroite est ajouté, un signal d'oscillation micro-ondes à faible bruit à faible taille peut être obtenu. L'oscillateur couplé photoélectrique est une source de signal micro-ondes basé sur cette idée, il utilise pleinement les caractéristiques de perte de propagation faible de la fibre, en utilisant une fibre plus longue pour améliorer la valeur de boucle Q, peut produire un signal micro-ondes avec un bruit de phase très faible. Depuis que la méthode a été proposée dans les années 1990, ce type d'oscillateur a reçu des recherches approfondies et un développement considérable, et il existe actuellement des oscillateurs couplés photoélectriques commerciaux. Plus récemment, des oscillateurs photoélectriques dont les fréquences peuvent être ajustés sur une large gamme ont été développés. Le principal problème des sources de signal micro-ondes basées sur cette architecture est que la boucle est longue et que le bruit dans son flux libre (FSR) et sa double fréquence seront considérablement augmentés. De plus, les composants photoélectriques utilisés sont plus, le coût est élevé, le volume est difficile à réduire et la fibre plus longue est plus sensible aux perturbations environnementales.
Ce qui précède introduit brièvement plusieurs méthodes de génération photoélectronique de signaux micro-ondes, ainsi que leurs avantages et inconvénients. Enfin, l'utilisation de photoélectrons pour produire un micro-ondes a un autre avantage est que le signal optique peut être distribué à travers la fibre optique avec une très faible perte, une transmission à longue distance à chaque terminal d'utilisation, puis converti en signaux micro-ondes, et la capacité de résister à l'interférence électromagnétique est significativement améliorée que les composants électroniques traditionnels.
La rédaction de cet article est principalement pour référence, et combinée avec la propre expérience et l'expérience de recherche de l'auteur dans ce domaine, il y a des inexactitudes et de l'incompréhensivité, veuillez comprendre.
Heure du poste: janvier-03-2024