マイクロ波オプトエレクトロニクスその名前が示すように、マイクロ波と光電子工学マイクロ波と光波は電磁波ですが、周波数は桁違いに異なり、それぞれの分野で開発されている構成要素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ことができ、それぞれ単独では実現が難しい新たな応用や特性を生み出すことができます。
光通信は、マイクロ波と光電子の組み合わせの代表的な例です。初期の電話や電信の無線通信では、信号の生成、伝搬、受信のすべてにマイクロ波デバイスが使用されていました。当初は、周波数範囲が狭く、伝送チャネルの容量が小さいため、低周波電磁波が使用されていました。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多くなります。しかし、高周波信号は空気中での伝搬損失が大きく、障害物によって遮断されやすいという問題があります。ケーブルを使用する場合、ケーブルの損失が大きく、長距離伝送が問題となります。光ファイバー通信の出現は、これらの問題に対する優れた解決策です。光ファイバー光は伝送損失が非常に少なく、長距離にわたって信号を伝送するのに優れたキャリアです。光波の周波数範囲はマイクロ波よりもはるかに広く、多くの異なるチャネルを同時に伝送できます。これらの利点により、光透過率光ファイバー通信は、今日の情報伝送の基盤となっている。
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、ここではこれ以上説明する必要はない。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しい研究内容を主に紹介する。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の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、実現する。応用の観点からは、主に以下の3つの側面が含まれる。
一つ目は、光電子工学を用いて、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ことである。
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、アナログ信号の伝送。
本稿では、マイクロ波信号の生成という最初の部分のみを紹介する。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。その限界は以下のとおりである。第一に、100GHz以上の高周波では、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、さらに高い周波数のTHz信号に対しては何もできない。第二に、位相ノイズを低減し、周波数安定性を向上させるために、元のデバイスは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。主な方法は以下のとおりである。
1. 図1に示すように、周波数の異なる2つのレーザー信号の周波数差を利用して、高周波光検出器を用い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概略図レーザー.
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の信号を生成でき、レーザーの周波数を調整することで広範囲の高速周波数変換や周波数掃引を実行できることです。欠点は、無関係な2つのレーザー信号によって生成される差周波数信号の線幅または位相ノイズが比較的大きく、周波数安定性が高くないことです。特に、体積は小さいが線幅の大きい（～MHz）半導体レーザーを使用する場合は顕著です。システムの重量と体積の要件が高くない場合は、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部空洞半導体レーザーなど。さらに、同じレーザー共振器内で生成された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、マイクロ波周波数の安定性性能が大幅に向上します。
2. 前述の方法では、2 つのレーザーが非干渉性であり、発生す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、注入周波数ロック位相ロック方式または負帰還位相ロック回路によって、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、マイクロ波多重信号を生成するための注入ロックの典型的な応用例を示しています (図 2)。半導体レーザーに高周波電流信号を直接注入するか、LinBO3 位相変調器を使用することで、周波数間隔が等しい異なる周波数の複数の光信号、すなわち光周波数コムを生成できます。もちろん、広帯域光周波数コムを得るための一般的な方法は、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、それぞれ周波数ロックと位相ロックが実現されます。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が安定し、前述の差周波数法によって、光周波数コムの繰り返し周波数の多重周波数マイクロ波信号を得ることができる。
図2．注入周波数同期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、フォトディテクタ（位相検出器に相当）によって電気信号に変換され、基準マイクロ波信号源との差周波数によって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、一方のレーザーの周波数制御ユニット（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によって、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ロックされます。合成された光信号は、光ファイバーを通して別の場所にあるフォトディテクタに伝送され、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、位相ロックされた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になります。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、基準となる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によって他の信号源によって変換されることもあり、それによって低周波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ができる。
注入周波数ロックでは周波数倍増しか得られないのに対し、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でき、もちろんより複雑です。たとえば、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使用し、光位相ロックループを使用して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ロックし、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つのレーザー間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を用いて任意周波数を生成する概略図。
3. モードロック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、周波数安定性が非常に高く、位相ノイズが非常に低い信号が得られることです。レーザーの周波数を非常に安定した原子・分子遷移スペクトル、または極めて安定した光共振器にロックし、自己倍増周波数除去システム周波数シフトなどの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、それによって超低位相ノイズのマイクロ波信号を得ることができます。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、エネルギー消費量が大きく、厳しい環境条件も相まって、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、近年、米国とドイツでは、非線形効果を利用し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、それによって高周波低雑音マイクロ波信号を生成する研究が始まっています。
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。閉ループの利得が損失よりも大きければ、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。閉ループの品質係数Qが高いほど、生成される信号の位相ノイズや周波数ノイズは小さくなります。ループの品質係数を上げるには、ループ長を長くして伝搬損失を最小限に抑えるのが直接的な方法です。しかし、ループが長くなると、通常は複数の発振モードの生成をサポートでき、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、この考え方に基づいた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、より長い光ファイバを使用してループの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、このタイプの発振器は広範な研究と大幅な開発を受けており、現在では市販の光電結合発振器が存在します。近年では、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る。この方式に基づくマイクロ波信号源の主な問題点は、ループが長いため、自由空間（FSR）におけるノイズと倍周波数ノイズが著しく増加することである。さらに、使用する光電部品が多く、コストが高く、小型化が難しく、光ファイバーが長くなるほど環境ノイズの影響を受けやすくなる。
以上では、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、それぞれの利点と欠点について簡単に紹介しました。最後に、光電子を用いてマイクロ波を生成するもう一つの利点は、光信号を光ファイバーを通して非常に低い損失で伝送でき、各使用端末まで長距離伝送した後、マイクロ波信号に変換できること、そして電磁干渉に対する耐性が従来の電子部品よりも大幅に向上することです。
この記事は主に参考資料として書かれたものであり、著者自身の研究経験やこの分野での経験に基づいているため、不正確な点や不十分な点があるかもしれませんので、ご了承ください。
投稿日時：2024年1月3日