マイクロ波オプトエレクトロニクス、名前が示すように、マイクロ波とマイクロ波の交差点です。オプトエレクトロニクス。マイクロ波と光波は電磁波ですが、周波数が何桁も異なり、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。組み合わせることにより、お互いの利点を活かしながら、それぞれでは実現が難しい新しい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代表的な例です。初期の電話や電信の無線通信、信号の生成、伝播、受信にはすべてマイクロ波装置が使用されていました。周波数範囲が狭く、伝送するチャネル容量が小さいため、最初は低周波電磁波が使用されます。解決策は、送信信号の周波数を高めることです。周波数が高くなるほど、スペクトル リソースが増加します。しかし、高周波信号は空気伝播損失が大きいため、障害物に遮られやすくなります。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となります。光ファイバー通信の登場は、これらの問題に対する良い解決策です。光ファイバ伝送損失が非常に低く、長距離に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の周波数範囲よりもはるかに広く、多くの異なるチャネルを同時に送信できます。こうした利点があるため、光伝送, 光ファイバー通信は今日の情報伝達の根幹となっています。
光通信には長い歴史があり、研究と応用は非常に広範かつ成熟していますが、これ以上言うことはありません。本稿では光通信以外のマイクロ波オプトエレクトロニクスの近年の新しい研究内容を中心に紹介した。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方法と技術をキャリアとして使用し、従来のマイクロ波電子部品では達成が困難な性能とアプリケーションを改善および実現します。応用の観点からは、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 バンドに至るまでの高性能、低ノイズのマイクロ波信号を生成することです。
2番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つ目はアナログ信号の伝送です。
この記事では、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波は、主に iii_V マイクロエレクトロニクス コンポーネントによって生成されます。その制限には以下の点があります。まず、100 GHz 以上の高周波に対しては、従来のマイクロエレクトロニクスは生成できる電力がますます減少し、より高い周波数の THz 信号に対しては何もできません。次に、位相ノイズを低減し、周波数安定性を向上させるために、元のデバイスを極度の低温環境に置く必要があります。第三に、広範囲の周波数変調周波数変換を実現することが困難である。これらの問題を解決するには、光電子技術が役割を果たすことができます。主な方法を以下に説明します。
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を通じて、高周波光検出器を使用してマイクロ波信号が変換されます。
図1. 2つの周波数の差によって発生するマイクロ波の模式図レーザー.
この方式の利点は、構造が簡単で、非常に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、掃引周波数を実行できることです。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が大きい (~MHz) 半導体レーザーの場合、周波数安定性が高くないことです。使用済み。システムの重量体積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、外部キャビティ半導体レーザーさらに、同じレーザーキャビティ内で生成されるレーザー信号の 2 つの異なるモードを使用して差周波数を生成することもできるため、マイクロ波周波数安定性能が大幅に向上します。
2.前の方法で2つのレーザーがイン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、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方法または負帰還位相によって得ることができます。ロック回路。図 2 は、マイクロ波倍数を生成するための注入同期の典型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り、等しい周波数間隔で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 つのコム信号がフィルタリングによって選択され、それぞれレーザー 1 および 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は安定しており、前述した差周波の方法により、レーザーの複数倍の周波数のマイクロ波信号が得られます。光周波数コムの繰り返し周波数を求めることができます。
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 2 倍化信号の概略図。
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、エレクトロニクス分野の PLL の原理と似ています。2つのレーザの位相差を光検出器（位相検出器に相当）で電気信号に変換し、基準となるマイクロ波信号源との差周波を作ることで2つのレーザの位相差を求め、これを増幅します。フィルタリングされ、レーザーの 1 つの周波数制御ユニットにフィードバックされます (半導体レーザーの場合、これは注入電流です)。このような負のフィードバック制御ループを通じて、2 つのレーザー信号間の相対周波数位相が基準マイクロ波信号にロックされます。結合された光信号は、光ファイバーを介して別の場所の光検出器に送信され、マイクロ波信号に変換されます。結果として生じるマイクロ波信号の位相ノイズは、位相ロック負帰還ループの帯域幅内の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、元の無関係な 2 つの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 2 倍化、除数周波数、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、より低い周波数のマイクロ波信号を 2 倍にするか、高周波 RF、THz 信号に変換することができます。
注入周波数ロックと比較すると、周波数を 2 倍にすることしかできませんが、フェーズ 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、図 4 に示すように、差周波を介して高周波信号が生成されます。f1 と f2 はそれぞれ 2 つの PLLS の基準信号周波数であり、N*frep+f1+f2 のマイクロ波信号は、2 つの PLLS 間の差周波によって生成できます。 2つのレーザー。
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が得られることです。非常に安定した原子・分子遷移スペクトルや非常に安定した光共振器にレーザーの周波数をロックし、自己倍加周波数消去システムの周波数シフトなどの技術を利用することで、非常に安定した光パルス信号を得ることができます。非常に安定した繰り返し周波数により、超低位相ノイズのマイクロ波信号が得られます。図5.
図 5. さまざまな信号源の相対位相ノイズの比較。
しかし、パルス繰り返し率はレーザーの共振器長に反比例し、従来のモードロックレーザーは大きいため、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、および厳しい環境要件により、主に実験室での用途が制限されています。これらの困難を克服するために、米国とドイツでは最近、非線形効果を使用して、非常に小さな高品質のチャープモード光キャビティ内に周波数安定した光コムを生成する研究が始まりました。これにより、高周波低ノイズのマイクロ波信号が生成されます。
4.光電子発振器、図6。
図6. 光電結合発振器の回路図。
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、自己フィードバック閉ループを使用することです。閉ループのゲインが損失よりも大きい限り、自励発振によってマイクロ波またはレーザーを生成できます。閉ループの品質係数 Q が高くなるほど、生成される信号位相または周波数ノイズは小さくなります。ループの品質係数を高める直接的な方法は、ループ長を増やして伝播損失を最小限に抑えることです。ただし、ループが長いほど、通常、複数の発振モードの生成をサポートでき、狭帯域幅フィルターを追加すると、単一周波数の低ノイズのマイクロ波発振信号を取得できます。光電結合発振器はこの考えに基づいたマイクロ波信号源であり、ファイバの低伝播損失特性を活かし、より長いファイバを使用することでループのQ値を向上させ、非常に位相雑音が低いマイクロ波信号を生成することができます。この方式が 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が行われ、現在では光電結合発振器が製品化されています。最近では、周波数を広範囲に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、フリー フロー (FSR) およびその 2 倍の周波数のノイズが大幅に増加することです。さらに、使用される光電コンポーネントの数が多くなり、コストが高く、体積を減らすのが難しく、ファイバが長いほど環境擾乱の影響を受けやすくなります。
上記では、マイクロ波信号の光電子生成のいくつかの方法と、その長所と短所を簡単に紹介しました。最後に、光電子を使用してマイクロ波を生成することには、光信号を非常に低損失で光ファイバーを通じて分配し、各使用端末まで長距離伝送してからマイクロ波信号に変換でき、電磁波に耐性があるというもう 1 つの利点があります。従来の電子部品よりも干渉が大幅に改善されます。
この記事の執筆は主に参考目的であり、著者自身の研究経験とこの分野での経験と組み合わせると、不正確さと不理解があることをご理解ください。
投稿時刻: 2024 年 1 月 3 日