Optoélectronique micro-ondes, comme son nom l'indique, est l'intersection des micro-ondes etoptoélectroniqueLes micro-ondes et les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques dont les fréquences diffèrent de plusieurs ordres de grandeur, et les composants et technologies développés dans leurs domaines respectifs sont très différents. En combinant ces deux technologies, nous pouvons tirer profit les uns des autres, mais nous pouvons obtenir de nouvelles applications et caractéristiques difficiles à réaliser.
Communication optiqueest un excellent exemple de la combinaison des micro-ondes et des photoélectrons. Les premières communications sans fil téléphoniques et télégraphiques, ainsi que la génération, la propagation et la réception des signaux, utilisaient toutes des dispositifs à micro-ondes. Les ondes électromagnétiques basse fréquence ont été initialement utilisées en raison de la faible portée et de la faible capacité du canal de transmission. La solution consiste à augmenter la fréquence du signal transmis : plus elle est élevée, plus les ressources spectrales sont importantes. Cependant, les pertes de propagation du signal haute fréquence dans l'air sont importantes et peuvent facilement être bloquées par des obstacles. L'utilisation du câble entraîne des pertes importantes et la transmission longue distance pose problème. L'émergence de la communication par fibre optique offre une solution efficace à ces problèmes.Fibre optiqueprésente une très faible perte de transmission et constitue un excellent support pour la transmission de signaux sur de longues distances. La gamme de fréquences des ondes lumineuses est bien plus étendue que celle des micro-ondes et permet de transmettre simultanément de nombreux canaux différents. Grâce à ces avantages,transmission optiqueLa 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 y sont très étendues et matures. Cet article présente principalement les nouveaux domaines de recherche en optoélectronique micro-ondes de ces dernières années, autres que la communication optique. L'optoélectronique micro-ondes utilise principalement les méthodes et technologies de l'optoélectronique pour améliorer et atteindre des performances et des applications difficiles à obtenir avec les composants électroniques micro-ondes traditionnels. Du point de vue de l'application, elle comprend principalement les trois aspects suivants.
La première est l’utilisation de l’optoélectronique pour générer des signaux micro-ondes à hautes performances et à faible bruit, de la bande X jusqu’à la bande THz.
Deuxièmement, le traitement du signal micro-ondes, notamment le retard, le filtrage, la conversion de fréquence, la réception, etc.
Troisièmement, la transmission de signaux analogiques.
Dans cet article, l'auteur ne présente que la première partie, la génération du signal micro-onde. Les micro-ondes millimétriques traditionnelles sont principalement générées par des composants microélectroniques iii_V. Leurs limites sont les suivantes : premièrement, à des fréquences élevées, telles que 100 GHz et plus, la microélectronique traditionnelle produit de moins en moins de puissance ; à des fréquences plus élevées, elle est inopérante. Deuxièmement, afin de réduire le bruit de phase et d'améliorer la stabilité de fréquence, le dispositif d'origine doit être placé dans un environnement à très basse température. Troisièmement, il est difficile d'obtenir une large plage de conversion de fréquence par 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 illustré dans la figure 1.
Figure 1. Schéma des micro-ondes générées par la différence de fréquence de deuxlasers.
Cette méthode présente les avantages d'une structure simple, capable de générer des signaux millimétriques et même des signaux THz à très haute fréquence. En ajustant la fréquence du laser, elle permet une large gamme de conversions de fréquence rapides et de balayages. Son inconvénient réside dans la largeur de raie (ou bruit de phase) du signal de différence de fréquence généré par deux signaux laser indépendants, relativement importante, et une faible stabilité de fréquence, notamment avec un laser à semi-conducteur de faible volume mais de grande largeur de raie (~ MHz). Si les exigences de poids et de volume du système sont faibles, des lasers à semi-conducteurs à faible bruit (~ kHz) peuvent être utilisés.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 sont considérablement améliorées.
2. Afin de résoudre le problème d'incohérence des deux lasers de la méthode précédente et de 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 injection ou par un circuit de verrouillage de phase à rétroaction négative. La figure 2 illustre une application typique du verrouillage par injection pour générer des multiples 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, il est possible de générer plusieurs signaux optiques de fréquences différentes et espacés régulièrement, appelés peignes de fréquences optiques. Bien entendu, la méthode couramment utilisée pour obtenir un peigne de fréquences optiques à large spectre consiste à utiliser un laser à verrouillage de mode. Deux signaux de peigne quelconques du peigne de fréquences optiques généré sont sélectionnés par filtrage et injectés respectivement dans les lasers 1 et 2 pour réaliser le verrouillage de fréquence et de phase. Étant donné que la phase entre les différents signaux de peigne du peigne de fréquence optique est relativement stable, de sorte que la phase relative entre les deux lasers est stable, et ensuite par la méthode de différence de fréquence telle que décrite précédemment, le signal micro-onde à fréquence multiple du taux de répétition du peigne de fréquence optique peut être obtenu.
Figure 2. Schéma du signal de doublement de fréquence micro-onde généré par verrouillage de fréquence d'injection.
Une autre façon de réduire le bruit de phase relatif des deux lasers est d’utiliser un PLL optique à rétroaction négative, comme illustré dans la figure 3.
Figure 3. Schéma de principe de l’OPL.
Le principe de la PLL optique est similaire à celui de la PLL en électronique. La différence de phase des deux lasers est convertie en signal électrique par un photodétecteur (équivalent d'un détecteur de phase). La différence de phase entre les deux lasers est ensuite obtenue en calculant une différence de fréquence avec une source de signal micro-onde de référence. Cette différence est amplifiée et filtrée, puis renvoyée au contrôleur de fréquence de l'un des lasers (pour les lasers à semi-conducteurs, il s'agit du courant d'injection). Grâce à cette boucle de contrôle à rétroaction négative, la phase relative des deux signaux laser est verrouillée sur le signal micro-onde de référence. Le signal optique combiné peut ensuite être transmis par fibres optiques à un photodétecteur situé ailleurs et converti en signal micro-onde. Le bruit de phase résultant du signal micro-onde est quasiment identique à celui du signal de référence dans la bande passante de la boucle de contrôle à rétroaction négative à verrouillage de phase. Le bruit de phase hors de cette bande passante est égal au bruit de phase relatif des deux lasers d'origine, indépendants.
De plus, la source de signal micro-onde de référence peut également être convertie par d'autres sources de signal via un doublage de fréquence, une fréquence de division ou un autre traitement de fréquence, de sorte que le signal micro-onde de fréquence inférieure peut être multidoublé ou converti en signaux RF, THz haute fréquence.
Comparées au verrouillage de fréquence par injection, qui ne permet que le doublement de fréquence, les boucles à verrouillage de phase sont plus flexibles, peuvent produire des fréquences quasi arbitraires et sont bien sûr plus complexes. Par exemple, le peigne de fréquences optiques généré par le modulateur photoélectrique de la figure 2 sert de source lumineuse, et la boucle à verrouillage de phase optique permet de verrouiller sélectivement la fréquence des deux lasers sur les deux signaux du peigne optique, puis de générer des signaux haute fréquence via la fréquence différentielle, comme illustré à la figure 4. f1 et f2 sont respectivement les fréquences de référence des deux PLLS, et un signal micro-onde de N*frep+f1+f2 peut être généré par la fréquence différentielle des deux lasers.
Figure 4. Schéma de principe de la génération de fréquences arbitraires à l'aide de peignes de fréquences optiques et de PLLS.
3. Utilisez un laser à impulsions à verrouillage de mode pour convertir le signal d'impulsion optique en signal micro-ondes viaphotodétecteur.
Le principal avantage de cette méthode est qu'elle permet 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 sur une cavité optique extrêmement stable, et en utilisant un système d'élimination de fréquence auto-doublant, 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, afin d'obtenir un signal micro-ondes à très faible bruit de phase. Figure 5.
Figure 5. Comparaison du bruit de phase relatif de différentes sources de signaux.
Cependant, comme le taux de répétition des impulsions est inversement proportionnel à la longueur de la cavité du laser et que le laser à modes verrouillés traditionnel est volumineux, il est difficile d'obtenir directement des signaux micro-ondes haute fréquence. De plus, la taille, le poids et la consommation énergétique des lasers pulsés traditionnels, ainsi que les exigences environnementales rigoureuses, limitent leurs applications, principalement en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, des recherches ont récemment débuté aux États-Unis et en Allemagne. Elles utilisent 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 génèrent à leur tour des signaux micro-ondes haute fréquence 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-réaction. Tant que le gain de 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. Pour améliorer le facteur de qualité de la boucle, la solution la plus simple consiste à augmenter sa longueur et à minimiser les pertes de propagation. Cependant, une boucle plus longue permet généralement de générer plusieurs modes d'oscillation, et l'ajout d'un filtre à bande passante étroite permet d'obtenir un signal d'oscillation micro-ondes monofréquence à faible bruit. L'oscillateur à couplage photoélectrique (OPC) est une source de signaux micro-ondes basée sur ce principe. Il exploite pleinement les faibles pertes de propagation de la fibre. L'utilisation d'une fibre plus longue pour améliorer le facteur Q de la boucle permet de produire un signal micro-ondes à très faible bruit de phase. Depuis sa proposition 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 à couplage photoélectrique 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 micro-ondes basées sur cette architecture est la longueur de la boucle, ce qui augmente considérablement le bruit en flux libre (FSR) et sa double fréquence. 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 signaux micro-ondes par photoélectrons, 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 par fibre optique avec de très faibles pertes, transmis longue distance vers chaque terminal, puis converti en signaux micro-ondes. De plus, sa résistance aux interférences électromagnétiques est nettement supérieure à celle des 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.
Date de publication : 03/01/2024