Optoélectronique micro-ondes, comme son nom l'indique, est l'intersection du micro-onde etoptoélectronique. Les micro-ondes et les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques, et les fréquences sont différentes de plusieurs ordres de grandeur, et les composants et technologies développés dans leurs domaines 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 combinaison de micro-ondes et de photoélectrons. Les premières communications sans fil téléphoniques et télégraphiques, la génération, la propagation et la réception de signaux, utilisaient tous des appareils à micro-ondes. Les ondes électromagnétiques basse fréquence sont initialement utilisées car la gamme de fréquences est petite et la capacité du canal de transmission est petite. La solution consiste à augmenter la fréquence du signal transmis, plus la fréquence est élevée, plus il y a de ressources spectrales. Mais le signal haute fréquence dans la perte de propagation aérienne est important, mais il est également facile d'être bloqué par des obstacles. Si le câble est utilisé, la perte du câble est importante et la transmission longue distance pose problème. L’émergence de la communication par fibre optique constitue une bonne solution à ces problèmes.Fibre optiquea une très faible perte de transmission et constitue un excellent support pour transmettre des signaux sur de longues distances. La gamme de fréquences des ondes lumineuses est bien plus étendue que celle des micro-ondes et peuvent transmettre simultanément de nombreux canaux différents. En raison de ces avantages detransmission optique, la communication par fibre optique est devenue l'épine dorsale de la transmission d'informations d'aujourd'hui.
La communication optique a une longue histoire, la recherche et les applications sont très étendues et matures, je ne veux pas en dire plus. Cet article présente principalement le nouveau contenu de recherche en optoélectronique micro-ondes de ces dernières années, autre que la communication optique. L'optoélectronique micro-ondes utilise principalement les méthodes et technologies du domaine de l'optoélectronique comme support pour améliorer et atteindre les performances et les applications difficiles à obtenir 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 hyperfréquences hautes performances et à faible bruit, de la bande X jusqu’à la bande THz.
Deuxièmement, le traitement du signal micro-ondes. Y compris le retard, le filtrage, la conversion de fréquence, la réception, etc.
Troisièmement, la transmission de signaux analogiques.
Dans cet article, l’auteur introduit uniquement la première partie, la génération du signal hyperfréquence. Les ondes millimétriques micro-ondes traditionnelles sont principalement générées par les composants microélectroniques iii_V. Ses limites sont les suivantes : premièrement, pour les hautes fréquences telles que 100 GHz au-dessus, la microélectronique traditionnelle peut produire de moins en moins de puissance, pour le signal THz de fréquence plus élevée, elle ne peut 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 à température extrêmement basse. Troisièmement, il est difficile d’obtenir une large plage 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 différence de fréquence de deux signaux laser de fréquence différente, un photodétecteur haute fréquence est utilisé pour convertir les signaux micro-ondes, comme le montre la figure 1.
Figure 1. Diagramme schématique des micro-ondes générées par la différence de fréquence de deuxlasers.
Les avantages de cette méthode sont une structure simple, elle peut générer une onde millimétrique à très haute fréquence et même un signal de fréquence THz, et en ajustant la fréquence du laser, elle peut effectuer une large gamme de conversion de fréquence rapide, de fréquence de balayage. L'inconvénient est que la largeur de raie ou le bruit de phase du signal de fréquence différentielle généré par deux signaux laser non liés est relativement important et que la stabilité de fréquence n'est pas élevée, en particulier si un laser à semi-conducteur avec un petit volume mais une grande largeur de raie (~ MHz) est utilisé. utilisé. Si les exigences en matière de poids et de volume du système ne sont pas élevées, vous pouvez utiliser des lasers à semi-conducteurs à faible bruit (~ kHz),lasers à fibre, cavité externelasers à semi-conducteurs, etc. De plus, deux modes différents de signaux laser générés dans la même cavité laser peuvent également être utilisés pour générer une fréquence différente, de sorte que les performances de stabilité de fréquence micro-ondes soient grandement améliorées.
2. Afin de résoudre le problème de l'incohérence des deux lasers de la méthode précédente et du bruit de phase du signal généré trop important, la cohérence entre les deux lasers peut être obtenue par la méthode de verrouillage de phase par verrouillage de fréquence d'injection ou par la phase de rétroaction négative. circuit de verrouillage. La figure 2 montre une application typique du verrouillage par injection pour générer des multiples de micro-ondes (Figure 2). En injectant directement des signaux de courant haute fréquence dans un laser à semi-conducteur ou en utilisant un modulateur de phase LinBO3, plusieurs signaux optiques de différentes fréquences avec un espacement de fréquence égal peuvent être générés, ou des peignes de fréquence optique. Bien entendu, la méthode couramment utilisée pour obtenir un peigne de fréquences optiques à large spectre consiste à utiliser un laser à mode verrouillé. Deux signaux de peigne quelconques dans le peigne de fréquence optique généré sont sélectionnés par filtrage et injectés respectivement dans les lasers 1 et 2 pour réaliser respectivement un verrouillage de fréquence et de phase. Parce que la phase entre les différents signaux 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 différence de fréquence comme décrit précédemment, le signal micro-ondes à fréquences multiples du le taux de répétition du peigne de fréquence optique peut être obtenu.
Figure 2. Diagramme schématique du signal de doublement de fréquence micro-ondes généré par le verrouillage de fréquence d’injection.
Une autre façon de réduire le bruit de phase relatif des deux lasers consiste à utiliser une PLL optique à rétroaction négative, comme le montre la figure 3.
Figure 3. Diagramme schématique d'OPL.
Le principe de la PLL optique est similaire à celui de la PLL dans le domaine de l'électronique. La différence de phase des deux lasers est convertie en 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 différence de fréquence avec une source de signal micro-onde de référence, qui est amplifiée. et filtré puis renvoyé à l'unité de contrôle de fréquence de l'un des lasers (pour les lasers à semi-conducteurs, il s'agit du courant d'injection). Grâce à une telle boucle de contrôle à rétroaction négative, la phase de fréquence relative entre les deux signaux laser est verrouillée sur le signal micro-onde de référence. Le signal optique combiné peut ensuite être transmis via des fibres optiques à un photodétecteur situé ailleurs et converti en un signal micro-ondes. Le bruit de phase résultant du signal hyperfréquence est presque le même que celui du signal de référence dans la bande passante de la boucle de rétroaction négative à verrouillage de phase. Le bruit de phase en dehors de la bande passante est égal au bruit de phase relatif des deux lasers d'origine non liés.
De plus, la source de signal micro-ondes de référence peut également être convertie par d'autres sources de signaux par doublage de fréquence, diviseur de fréquence ou autre traitement de fréquence, de sorte que le signal micro-ondes de fréquence inférieure puisse être multidoublé ou converti en signaux RF, THz haute fréquence.
Par rapport au verrouillage de fréquence d'injection ne peut obtenir qu'un doublement de fréquence, les boucles à verrouillage de phase sont plus flexibles, peuvent produire des fréquences presque arbitraires et bien sûr plus complexes. Par exemple, le peigne de fréquence optique généré par le modulateur photoélectrique de la figure 2 est utilisé comme source de lumière, et la boucle optique à verrouillage de phase est utilisée pour verrouiller sélectivement la fréquence des deux lasers sur les deux signaux du peigne optique, puis générer signaux haute fréquence via la fréquence différence, comme le montre la figure 4. f1 et f2 sont respectivement les fréquences des signaux de référence des deux PLLS, et un signal micro-ondes de N*frep+f1+f2 peut être généré par la fréquence différence entre les deux PLLS. deux lasers.
Figure 4. Diagramme schématique de génération de fréquences arbitraires à l’aide de peignes de fréquence optique et de PLLS.
3. Utilisez un laser à impulsions verrouillé en mode pour convertir le signal d'impulsion optique en signal micro-ondes viaphotodétecteur.
Le principal avantage de cette méthode est qu’il est possible d’obtenir un signal présentant une très bonne stabilité de fréquence et un très faible bruit de phase. En verrouillant la fréquence du laser sur un spectre de transition atomique et moléculaire très stable, ou une cavité optique extrêmement stable, et en utilisant un système d'élimination de fréquence auto-doublé, un décalage de fréquence et d'autres technologies, nous pouvons obtenir un signal d'impulsion optique très stable avec une fréquence de répétition très stable, de manière à obtenir un signal micro-onde avec un bruit de phase ultra faible. Graphique 5.
Figure 5. Comparaison du bruit de phase relatif de différentes sources de signaux.
Cependant, étant donné que le taux de répétition des impulsions est inversement proportionnel à la longueur de la cavité du laser et que le laser à mode verrouillé traditionnel est grand, il est difficile d'obtenir directement des signaux micro-ondes haute fréquence. De plus, la taille, le poids et la consommation d'énergie des lasers pulsés traditionnels, ainsi que les exigences environnementales strictes, limitent leurs applications principalement en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, des recherches ont récemment commencé aux États-Unis et en Allemagne utilisant des effets non linéaires pour générer des peignes optiques stables en fréquence dans de très petites cavités optiques en mode chirp de haute qualité, qui à leur tour génèrent des signaux micro-ondes à haute fréquence et à faible bruit.
4. oscillateur optoélectronique, figure 6.
Figure 6. Schéma de principe d'un oscillateur couplé photoélectrique.
L'une des méthodes traditionnelles de génération de micro-ondes ou de lasers consiste à utiliser une boucle fermée à auto-rétroaction. 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 le bruit de phase ou de fréquence du signal généré est faible. Afin d'augmenter le facteur de qualité de la boucle, la méthode directe consiste à augmenter la longueur de la boucle et à minimiser la perte de propagation. Cependant, une boucle plus longue peut généralement prendre en charge la génération de plusieurs modes d'oscillation, et si un filtre à bande passante étroite est ajouté, un signal d'oscillation micro-ondes à faible bruit et monofréquence peut être obtenu. L'oscillateur couplé photoélectrique est une source de signal micro-ondes basée sur cette idée, il utilise pleinement les caractéristiques de faible perte de propagation de la fibre, en utilisant une fibre plus longue pour améliorer la valeur Q de la boucle, peut produire un signal micro-ondes avec un très faible bruit de phase. Depuis que la méthode a été proposée dans les années 1990, ce type d'oscillateur a fait l'objet de recherches approfondies et de développements considérables, et il existe actuellement des oscillateurs couplés photoélectriques commerciaux. Plus récemment, des oscillateurs photoélectriques dont les fréquences peuvent être ajustées sur une large plage ont été développés. Le principal problème des sources de signaux hyperfréquences basées sur cette architecture est que la boucle est longue, et le bruit dans son écoulement libre (FSR) et sa double fréquence sera considérablement augmenté. De plus, les composants photoélectriques utilisés sont plus nombreux, le coût est élevé, le volume est difficile à réduire et la fibre plus longue est plus sensible aux perturbations environnementales.
Ce qui précède présente brièvement plusieurs méthodes de génération de photoélectrons de signaux micro-ondes, ainsi que leurs avantages et inconvénients. Enfin, l'utilisation de photoélectrons pour produire des micro-ondes présente un autre avantage : le signal optique peut être distribué à travers la fibre optique avec une très faible perte, une transmission longue distance vers chaque terminal d'utilisation, puis converti en signaux micro-ondes, et la capacité de résister aux signaux électromagnétiques. les interférences sont considérablement améliorées par rapport aux composants électroniques traditionnels.
La rédaction de cet article est principalement à titre de référence, et combinée à la propre expérience de recherche et à l'expérience de l'auteur dans ce domaine, il y a des inexactitudes et des incompréhensions, veuillez comprendre.
Heure de publication : 03 janvier 2024