マイクロ波オプトエレクトロニクス名前の通り、電子レンジとオプトエレクトロニクスマイクロ波と光波は電磁波であり、周波数は桁違いに異なり、それぞれの分野で開発された部品や技術も大きく異なります。これらを組み合わせることで、互いの利点を活かすだけでなく、それぞれでは実現が難しい新たな用途や特性を得ることができます。
光通信マイクロ波と光電子の組み合わせの好例です。初期の電話や電信などの無線通信では、信号の生成、伝播、受信にはすべてマイクロ波デバイスが使用されていました。当初は低周波の電磁波が使用されていましたが、これは周波数範囲が狭く、伝送チャネル容量が小さいためです。解決策は送信信号の周波数を上げることです。周波数が高いほど、スペクトルリソースが増えます。しかし、高周波信号は空気中での伝播損失が大きく、障害物に遮られやすいです。ケーブルを使用する場合、ケーブルの損失が大きく、長距離伝送が問題になります。光ファイバー通信の出現は、これらの問題に対する良い解決策です。光ファイバー光波は伝送損失が非常に低く、長距離信号伝送に最適な搬送波です。光波の周波数範囲はマイクロ波よりもはるかに広く、同時に多くの異なるチャネルを伝送できます。これらの利点により、光伝送光ファイバー通信は今日の情報伝送の基盤となっています。
光通信は長い歴史を持ち、研究と応用は非常に広範かつ成熟しており、ここでこれ以上述べることはありません。本稿では、光通信以外の近年のマイクロ波オプトエレクトロニクスの新たな研究内容を中心に紹介します。マイクロ波オプトエレクトロニクスは、主にオプトエレクトロニクス分野の手法と技術を基盤として、従来のマイクロ波電子部品では実現が困難な性能と応用を向上させ、実現します。応用の観点から見ると、主に以下の3つの側面が含まれます。
1 つ目は、オプトエレクトロニクスを使用して、X バンドから THz バンドに至るまで、高性能で低ノイズのマイクロ波信号を生成することです。
2つ目は、マイクロ波信号処理です。遅延、フィルタリング、周波数変換、受信などが含まれます。
3番目は、アナログ信号の伝送です。
本稿では、マイクロ波信号の生成という最初の部分についてのみ紹介する。従来のマイクロ波ミリ波は、主にIII_Vマイクロエレクトロニクス部品によって生成される。その限界は以下の通りである。第一に、100GHzを超えるような高周波では、従来のマイクロエレクトロニクスは出力がますます低下し、より高い周波数のTHz信号には対応できない。第二に、位相ノイズを低減し周波数安定性を向上させるには、元のデバイスを極低温環境に置く必要がある。第三に、広範囲の周波数変調・周波数変換を実現することは困難である。これらの問題を解決するために、光電子技術が役割を果たすことができる。主な手法を以下に説明する。
1. 図1に示すように、2つの異なる周波数レーザー信号の差周波数を介して、高周波光検出器を使用してマイクロ波信号を変換します。
図1. 2つの周波数差によって生成されるマイクロ波の模式図レーザー.
この方法の利点は、構造がシンプルで、極めて高い周波数のミリ波やテラヘルツ周波数信号を生成できること、レーザー周波数を調整することで広範囲の高速周波数変換、周波数掃引が可能であることです。欠点は、2つの無関係なレーザー信号によって生成される差周波信号の線幅または位相ノイズが比較的大きく、特に体積は小さいが線幅の広い（～MHz）半導体レーザーを使用する場合、周波数安定性が高くないことです。システム重量や体積要件がそれほど高くない場合は、低ノイズ（～kHz）の固体レーザーを使用できます。ファイバーレーザー、外腔半導体レーザーさらに、同じレーザーキャビティで生成された2つの異なるモードのレーザー信号を使用して差周波数を生成することもできるため、マイクロ波周波数の安定性性能が大幅に向上します。
2. 従来の方法では 2 つのレーザーが非コヒーレントであり、生成される信号位相ノイズが大きすぎるという問題を解決するために、注入周波数同期位相同期法または負帰還位相同期回路によって 2 つのレーザー間のコヒーレンスを得ることができます。 図 2 は、マイクロ波多重を生成するための注入同期の一般的なアプリケーションを示しています (図 2)。 高周波電流信号を半導体レーザーに直接注入するか、LinBO3 位相変調器を使用することによって、等しい周波数間隔を持つ異なる周波数の複数の光信号、つまり光周波数コムを生成できます。 もちろん、広スペクトル光周波数コムを得るために一般的に使用される方法は、モード同期レーザーを使用することです。 生成された光周波数コム内の任意の 2 つのコム信号は、フィルタリングによって選択され、それぞれレーザー 1 と 2 に注入されて、周波数と位相のロックがそれぞれ実現されます。光周波数コムの異なるコム信号間の位相は比較的安定しているため、2 つのレーザー間の相対位相も安定し、前述の差周波数法によって、光周波数コム繰り返し周波数の多重周波数マイクロ波信号が得られます。
図 2. 注入周波数ロックによって生成されるマイクロ波周波数倍増信号の概略図。
2 つのレーザーの相対位相ノイズを低減するもう 1 つの方法は、図 3 に示すように、負帰還光 PLL を使用することです。
図3. OPLの概略図
光PLLの原理は、電子工学分野のPLLと類似しています。2つのレーザーの位相差は、光検出器（位相検出器に相当）によって電気信号に変換されます。次に、基準マイクロ波信号源との差周波数を生成することで、2つのレーザー間の位相差が得られます。この差周波数は増幅・フィルタリングされた後、一方のレーザーの周波数制御部（半導体レーザーの場合は注入電流）にフィードバックされます。このような負帰還制御ループを通して、2つのレーザー信号間の相対周波数位相は基準マイクロ波信号に同期されます。結合された光信号は、光ファイバーを介して別の場所にある光検出器に伝送され、マイクロ波信号に変換されます。結果として得られるマイクロ波信号の位相ノイズは、位相同期負帰還ループの帯域幅内では基準信号の位相ノイズとほぼ同じです。帯域幅外の位相ノイズは、元の2つの無関係なレーザーの相対位相ノイズに等しくなります。
さらに、基準マイクロ波信号源は、周波数倍増、分周周波数、またはその他の周波数処理を通じて他の信号源によって変換することもできるため、低周波のマイクロ波信号を多重倍増したり、高周波 RF、THz 信号に変換したりすることもできます。
注入周波数同期では周波数の倍増しか得られませんが、位相同期回路はより柔軟で、ほぼ任意の周波数を生成できますが、当然ながらより複雑です。例えば、図2の光電変調器によって生成された光周波数コムを光源として用い、光位相同期回路を用いて2つのレーザーの周波数を2つの光コム信号に選択的に同期させ、その差周波数によって高周波信号を生成します（図4参照）。f1とf2はそれぞれ2つのPLLSの基準信号周波数であり、2つのレーザーの差周波数によってN*frep+f1+f2のマイクロ波信号を生成できます。
図 4. 光周波数コムと PLLS を使用して任意の周波数を生成する概略図。
3. モード同期パルスレーザーを使用して光パルス信号をマイクロ波信号に変換する光検出器.
この方法の主な利点は、非常に優れた周波数安定性と非常に低い位相雑音を備えた信号が得られることです。レーザー周波数を非常に安定した原子・分子遷移スペクトル、あるいは極めて安定した光共振器に同期させ、自己逓倍周波数除去システム（SFM）などの周波数シフト技術を用いることで、非常に安定した繰り返し周波数を持つ非常に安定した光パルス信号を得ることができ、これにより超低位相雑音のマイクロ波信号が得られます。図5。
図 5. 異なる信号源の相対位相ノイズの比較。
しかし、パルス繰り返し周波数はレーザーの共振器長に反比例し、従来のモード同期レーザーは大型であるため、高周波マイクロ波信号を直接得ることは困難です。さらに、従来のパルスレーザーはサイズ、重量、消費電力、そして厳しい環境要件のため、主に実験室での応用に限られています。これらの困難を克服するため、米国とドイツでは最近、非線形効果を用いて非常に小型で高品質なチャープモード光共振器内で周波数安定な光コムを生成し、高周波・低ノイズのマイクロ波信号を生成する研究が開始されました。
4. 光電子発振器、図6。
図6 光電結合発振器の概略図。
マイクロ波やレーザーを生成する従来の方法の一つは、自己帰還型閉ループを用いることです。閉ループの利得が損失よりも大きい限り、自己励起発振によってマイクロ波やレーザーを生成できます。閉ループのQ値が高いほど、生成される信号の位相ノイズまたは周波数ノイズは小さくなります。ループのQ値を高めるための直接的な方法は、ループ長を長くし、伝搬損失を最小限に抑えることです。しかし、ループを長くすれば、通常、複数の発振モードの生成が可能になり、狭帯域フィルタを追加すれば、単一周波数の低ノイズマイクロ波発振信号を得ることができます。光電結合発振器は、この考え方に基づくマイクロ波信号源であり、光ファイバの低伝搬損失特性を最大限に活用し、長い光ファイバを使用することでループQ値を向上させることで、位相ノイズが非常に低いマイクロ波信号を生成できます。この方法は1990年代に提案されて以来、広範な研究と開発が進められ、現在では光電結合発振器が実用化されています。近年、広範囲にわたって周波数を調整できる光電発振器が開発されています。このアーキテクチャに基づくマイクロ波信号源の主な問題は、ループが長くなり、自由流（FSR）とその倍周波におけるノイズが大幅に増加することです。さらに、使用される光電部品の数が多く、コストが高く、体積を小さくすることが困難であり、長いファイバは環境擾乱の影響を受けやすくなります。
上記では、光電子を用いたマイクロ波信号生成のいくつかの方法と、それぞれの長所と短所について簡単に紹介しました。最後に、光電子を用いたマイクロ波生成には、光信号を光ファイバーを通して非常に低損失で長距離伝送し、各端末まで伝送した後、マイクロ波信号に変換できるというもう一つの利点があります。また、従来の電子部品に比べて電磁干渉に対する耐性が大幅に向上しています。
この記事の執筆は主に参考のために行われ、著者自身の研究経験とこの分野での経験と相まって、不正確な点やわかりにくい点がありますが、ご了承ください。
投稿日時: 2024年1月3日