マイクロ波optoelectronics、名前が示すように、電子レンジとOptoelectronics。マイクロ波と光波は電磁波であり、周波数は大きく異なり、それぞれのフィールドで開発されたコンポーネントと技術は非常に異なります。組み合わせて、お互いを利用することができますが、それぞれ実現が困難な新しいアプリケーションと特性を取得できます。
光学通信マイクロ波と光電子の組み合わせの代表的な例です。初期の電話および電信ワイヤレス通信、生成、伝播、信号の受信、すべて使用されたマイクロ波デバイス。周波数範囲が小さく、伝送のチャネル容量が小さいため、低周波電磁波が最初に使用されます。解決策は、送信された信号の周波数を増加させることです。周波数が高いほど、スペクトルリソースが高くなります。しかし、空気伝播損失の高周波信号は大きいですが、障害物によってブロックされるのも簡単です。ケーブルを使用すると、ケーブルの損失が大きく、長距離伝送が問題です。光ファイバ通信の出現は、これらの問題に対する良い解決策です。光ファイバトランスミッション損失が非常に低く、長距離にわたって信号を送信するための優れたキャリアです。光波の周波数範囲は、マイクロ波の周波数範囲よりもはるかに大きく、多くの異なるチャネルを同時に送信できます。のこれらの利点のため光伝送、光ファイバー通信は、今日の情報伝送のバックボーンになりました。
光学通信には長い歴史があり、研究と応用は非常に広範で成熟しています。これ以上はそうではありません。このペーパーでは、主に光学通信以外に近年、マイクロ波Optoelectronicsの新しい研究内容を紹介します。マイクロ波Optoelectronicsは、主にオプトエレクトロニクスの分野のメソッドとテクノロジーをキャリアとして使用して、従来のマイクロ波電子コンポーネントで達成が困難なパフォーマンスとアプリケーションを改善および実現します。アプリケーションの観点から見ると、主に次の3つの側面が含まれます。
1つ目は、XバンドからTHZバンドまで、XバンドからTHZバンドまで、高性能で低ノイズのマイクロ波信号を生成するためにOptoelectronicsを使用することです。
第二に、マイクロ波信号処理。遅延、フィルタリング、周波数変換、受信などを含む。
第三に、アナログ信号の送信。
この記事では、著者は最初の部分であるマイクロ波信号の生成のみを紹介します。従来のマイクロ波ミリメートル波は、主にIII_Vマイクロエレクトロニクス成分によって生成されます。その制限には次の点があります。最初に、上記の100GHzなどの高周波数、従来のマイクロエレクトロニクスは、より少ないパワーを生成することができ、より高い周波数THZ信号に対して、何もできません。第二に、位相ノイズを減らして周波数の安定性を改善するために、元のデバイスは非常に低い温度環境に配置する必要があります。第三に、幅広い周波数変調周波数変換を達成することは困難です。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ます。主な方法については、以下に説明します。
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の差頻度によって生成されたマイクロ波の概略図レーザー.
この方法の利点は単純な構造であり、非常に高周波数ミリメートル波やTHZ周波数信号を生成することができ、レーザーの周波数を調整することにより、広範囲の高速周波数変換、スイープ周波数を実行できます。欠点は、2つの無関係なレーザー信号によって生成された差周波数信号の線幅または位相ノイズが比較的大きく、特に少量の半導体レーザーであるが大きな線幅（〜MHz）が使用される場合、周波数の安定性は高くないことです。システムの体重量の要件が高くない場合は、低ノイズ（〜KHz）ソリッドステートレーザーを使用できます。ファイバーレーザー、外部空洞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つの異なるレーザー信号のモードを使用して差周波数を生成するため、マイクロ波周波数安定性パフォーマンスが大幅に改善されます。
2。前の方法の2つのレーザーが一貫性がなく、生成された信号相ノイズが大きすぎるという問題を解決するために、2つのレーザー間のコヒーレンスは、注入周波数ロック位相ロック法または負のフィードバックフェーズロック回路によって得られます。図2は、マイクロ波の倍数を生成するための噴射ロックの典型的な適用を示しています（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相モジュレーターを使用して、等周波数間隔を持つ異なる周波数の複数の光信号を生成することができます。もちろん、広いスペクトル光周波数櫛を取得するために一般的に使用される方法は、モードロックレーザーを使用することです。生成された光周波数のコームの2つのコーム信号は、フィルタリングによってそれぞれ選択され、それぞれレーザー1と2に注入され、それぞれ周波数と位相ロックを実現します。光周波数櫛の異なる櫛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が安定しているため、前述のように差分周波数の方法により、光周波数繰り返し繰り返し速度の多倍周波数マイクロ波信号を取得できます。
図2。注入周波数ロックによって生成されたマイクロ波周波数の倍増信号の概略図。
2つのレーザーの相対位相ノイズを減らす別の方法は、図3に示すように、負のフィードバック光PLLを使用することです。
図3。OPLの概略図。
光学PLLの原理は、電子機器の分野におけるPLLの原理と類似しています。 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、次に2つのレーザー間の位相差が得られ、参照マイクロ波信号ソースで拡大およびろ過され、次にレーザーの1つの周波数コントロールユニットに戻されます（半導体レーザー）。このような負のフィードバック制御ループを介して、2つのレーザー信号間の相対周波数段階が参照マイクロ波信号にロックされます。次に、光ファイバーを介して他の場所の光繊維に光繊維に送信し、マイクロ波信号に変換できます。マイクロ波信号の結果の位相ノイズは、位相ロックされた負のフィードバックループの帯域幅内の参照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、参照マイクロ波信号ソースは、周波数倍、除数周波数、またはその他の周波数処理を介して他の信号ソースによって変換されるため、低周波マイクロ波信号をマルチドゥーダブルまたは高周波RF、THZ信号に変換できます。
注入周波数ロックと比較すると、周波数倍率のみが得られ、位相ロックループはより柔軟で、ほぼ任意の周波数を生成し、もちろんより複雑になります。たとえば、図2の光電気変調器によって生成された光周波数は光源として使用され、光学位相ロックループを使用して2つの光学櫛シグナルに2つの光学信号に選択的にロックし、図4。F1およびF2に示すように、2つのPLLの基準信号です。 N*FREP+F1+F2は、2つのレーザー間の差周波数によって生成できます。
図4。光周波数櫛とPLLを使用して任意の周波数を生成する概略図。
3.モードロックされた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します光検出器.
この方法の主な利点は、非常に良好な周波数安定性と非常に低い位相ノイズを備えた信号を取得できることです。レーザーの周波数を非常に安定した原子および分子遷移スペクトル、または非常に安定した光学空洞にロックすること、および自己密度の周波数排出システム周波数シフトおよび他の技術の使用により、非常に安定した光パルス信号を取得することができます。図5。
図5。異なる信号ソースの相対位相ノイズの比較。
ただし、パルスの繰り返し速度はレーザーのキャビティの長さに反比例し、従来のモードロックレーザーが大きいため、高周波マイクロ波信号を直接取得することは困難です。さらに、従来のパルスレーザーのサイズ、重量、エネルギー消費、および過酷な環境要件により、主に実験室の用途が制限されます。これらの困難を克服するために、最近、米国とドイツで研究が始まっており、非線形効果を使用して、非常に小さく高品質のChIRPモード光キャビティで周波数安定光コームを生成し、高周波の低雑音マイクロ波シグナルを生成します。
4。Opto電子発振器、図6。
図6。光電化発振器の概略図。
マイクロ波またはレーザーを生成する従来の方法の1つは、閉ループのゲインが損失よりも大きい限り、セルフフィードバック閉ループを使用することです。閉ループの品質係数Qが高いほど、生成された信号位相または周波数ノイズが小さくなります。ループの品質係数を増やすために、直接的な方法は、ループの長さを増やし、伝播損失を最小限に抑えることです。ただし、長いループは通常、複数の振動モードの生成をサポートでき、狭い帯域幅フィルターが追加されると、単一周波数低ノイズマイクロ波振動信号を取得できます。光電気結合オシレーターは、このアイデアに基づいたマイクロ波信号ソースであり、ループQ値を改善するために長いファイバーを使用して、繊維の低い伝播損失特性を最大限に活用し、非常に低位相ノイズのある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、このタイプの発振器は広範な研究とかなりの開発を受けており、現在、商業的な光電オシッ剤があります。最近では、周波数を広範囲にわたって調整できる光電オシレーターが開発されました。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、自由流（FSR）のノイズとその二重周波数が大幅に増加することです。さらに、使用される光電コンポーネントはより多く、コストが高く、ボリュームを減らすのが難しく、繊維が長いほど環境障害に敏感です。
上記では、電子電子生成のマイクロ波シグナルのいくつかの方法と、その利点と短所を簡単に紹介します。最後に、電子レクトロンをマイクロ波を生成するために使用することにはもう1つの利点があります。光繊維を非常に低い損失、各使用端子への長距離伝送で光ファイバに分布させ、マイクロ波信号に変換し、電磁干渉に耐える能力が従来の電子コンポーネントよりも大幅に改善されることです。
この記事の執筆は主に参照用であり、著者自身の研究経験とこの分野での経験と組み合わされて、不正確さと不可解性があります、理解してください。
投稿時間：1月-2024