Микротолкундуу оптоэлектроника, аталышынан көрүнүп тургандай, микротолкундуу жанаоптоэлектроникаМикротолкундар жана жарык толкундары электромагниттик толкундар болуп саналат жана жыштыктары бир нече эсе айырмаланат, ал эми өз тармактарында иштелип чыккан компоненттер жана технологиялар абдан айырмаланат. Айкалыштырып, биз бири-бирибиздин артыкчылыктарыбызды пайдалана алабыз, бирок тиешелүүлүгүнө жараша ишке ашыруу кыйын болгон жаңы колдонмолорду жана мүнөздөмөлөрдү ала алабыз.
Оптикалык байланышмикротолкундардын жана фотоэлектрондордун айкалышынын эң сонун мисалы болуп саналат. Алгачкы телефон жана телеграф зымсыз байланышы, сигналдарды түзүү, таратуу жана кабыл алуу, баары микротолкундуу түзүлүштөрдү колдонушкан. Төмөнкү жыштыктагы электромагниттик толкундар башында колдонулат, анткени жыштык диапазону кичинекей жана берүү үчүн каналдын сыйымдуулугу аз. Чечим - берилген сигналдын жыштыгын көбөйтүү, жыштык канчалык жогору болсо, спектр ресурстары ошончолук көп. Бирок абадагы жогорку жыштыктагы сигналдын таралышындагы жоготуу чоң, бирок тоскоолдуктар менен оңой эле тосулуп калат. Эгерде кабель колдонулса, кабелдин жоготуусу чоң болот жана узак аралыкка берүү көйгөй жаратат. Оптикалык була байланышынын пайда болушу бул көйгөйлөргө жакшы чечим болуп саналат.Оптикалык булаӨткөрүү жоготуусу өтө төмөн жана сигналдарды алыскы аралыкка жеткирүү үчүн эң сонун алып жүрүүчү болуп саналат. Жарык толкундарынын жыштык диапазону микротолкундардыкына караганда алда канча чоң жана бир эле учурда көптөгөн ар кандай каналдарды өткөрө алат. Ушул артыкчылыктарынан уламоптикалык берүү, оптикалык була байланыш бүгүнкү күндөгү маалымат берүүнүн негизги булагы болуп калды.
Оптикалык байланыштын узак тарыхы бар, изилдөөлөр жана колдонуулар абдан кеңири жана жетилген, бул жерде андан башка эч нерсе айтылбайт. Бул макалада негизинен оптикалык байланыштан башка акыркы жылдардагы микротолкундуу оптоэлектрониканын жаңы изилдөө мазмуну тааныштырылат. Микротолкундуу оптоэлектроника негизинен салттуу микротолкундуу электрондук компоненттер менен жетишүү кыйын болгон иштин натыйжалуулугун жана колдонулушун жакшыртуу жана ишке ашыруу үчүн оптоэлектроника жаатындагы ыкмаларды жана технологияларды алып жүрүүчү катары колдонот. Колдонуу көз карашынан алганда, ал негизинен төмөнкү үч аспектини камтыйт.
Биринчиси, X-диапазонунан THz диапазонуна чейин жогорку өндүрүмдүүлүктөгү, аз ызы-чуулуу микротолкундуу сигналдарды түзүү үчүн оптоэлектрониканы колдонуу.
Экинчиден, микротолкундуу сигналдарды иштетүү. Кечигүү, чыпкалоо, жыштыкты өзгөртүү, кабыл алуу жана башкалар кирет.
Үчүнчүдөн, аналогдук сигналдарды берүү.
Бул макалада автор биринчи бөлүгүн, микротолкундуу сигналды генерациялоону гана тааныштырат. Салттуу микротолкундуу миллиметрдик толкун негизинен iii_V микроэлектрондук компоненттери тарабынан пайда болот. Анын чектөөлөрү төмөнкү жагдайларга ээ: Биринчиден, 100 ГГц жогору сыяктуу жогорку жыштыктарга салттуу микроэлектроника азыраак жана азыраак кубаттуулукту өндүрө алат, ал эми жогорку жыштыктагы THz сигналына алар эч нерсе кыла алышпайт. Экинчиден, фазалык ызы-чууну азайтуу жана жыштыктын туруктуулугун жакшыртуу үчүн, баштапкы түзмөк өтө төмөн температурадагы чөйрөгө жайгаштырылышы керек. Үчүнчүдөн, жыштык модуляциясынын жыштык конвертациясынын кеңири диапазонуна жетүү кыйын. Бул көйгөйлөрдү чечүү үчүн оптоэлектрондук технология роль ойной алат. Негизги ыкмалар төмөндө баяндалган.
1. Эки башка жыштыктагы лазердик сигналдардын жыштыгынын айырмасы аркылуу микротолкундуу сигналдарды өзгөртүү үчүн жогорку жыштыктагы фотодетектор колдонулат, бул 1-сүрөттө көрсөтүлгөн.
1-сүрөт. Эки жыштыктын айырмасынан пайда болгон микротолкундардын схемалык диаграммасылазерлер.
Бул ыкманын артыкчылыктары жөнөкөй түзүлүштө, өтө жогорку жыштыктагы миллиметрдик толкунду жана ал тургай ТГц жыштык сигналын түзө алат жана лазердин жыштыгын жөнгө салуу менен тез жыштык конвертациясынын, шыпыруунун кеңири диапазонун ишке ашыра алат. Кемчилиги - эки байланышпаган лазердик сигнал тарабынан пайда болгон айырма жыштык сигналынын сызык туурасы же фазалык ызы-чуусу салыштырмалуу чоң жана жыштыктын туруктуулугу жогору эмес, айрыкча көлөмү кичинекей, бирок сызык туурасы чоң (~МГц) жарым өткөргүч лазер колдонулса. Эгерде системанын салмак көлөмүнө талаптар жогору болбосо, сиз аз ызы-чуулуу (~кГц) катуу абалдагы лазерлерди колдоно аласыз,була лазерлери, тышкы көңдөйжарым өткөргүч лазерлерж.б. Мындан тышкары, бир эле лазер көңдөйүндө пайда болгон эки башка лазердик сигнал режими ар кандай жыштыкты түзүү үчүн да колдонулушу мүмкүн, ошентип микротолкундуу жыштыктын туруктуулугунун көрсөткүчү бир топ жакшырат.
2. Мурунку ыкмадагы эки лазердин когеренттүү эместиги жана пайда болгон сигнал фазасынын ызы-чуусу өтө чоң экендиги маселесин чечүү үчүн, эки лазердин ортосундагы когеренттүүлүктү инъекциялык жыштыктагы кулпулоо фазасын кулпулоо ыкмасы же терс кайтарым байланыш фазасын кулпулоо схемасы аркылуу алууга болот. 2-сүрөттө микротолкундуу көбөйткүчтөрдү түзүү үчүн инъекциялык кулпулоонун типтүү колдонулушу көрсөтүлгөн (2-сүрөт). Жарым өткөргүч лазерге жогорку жыштыктагы ток сигналдарын түздөн-түз сайып же LinBO3 фаза модуляторун колдонуп, бирдей жыштыктагы ар кандай жыштыктагы бир нече оптикалык сигналдарды же оптикалык жыштык уячаларын түзүүгө болот. Албетте, кеңири спектрдеги оптикалык жыштык уячасын алуу үчүн кеңири колдонулган ыкма - режимдик кулпуланган лазерди колдонуу. Түзүлгөн оптикалык жыштык уячасындагы каалаган эки уяча сигналы чыпкалоо жолу менен тандалып алынат жана тиешелүүлүгүнө жараша жыштыкты жана фазаны кулпулоону ишке ашыруу үчүн лазер 1 жана 2ге сайылат. Анткени оптикалык жыштык уячасынын ар кандай уяча сигналдарынын ортосундагы фаза салыштырмалуу туруктуу, ошондуктан эки лазердин ортосундагы салыштырмалуу фаза туруктуу болот, андан кийин мурда сүрөттөлгөндөй айырма жыштык ыкмасы менен оптикалык жыштык уячасынын кайталоо ылдамдыгынын көп эселенген жыштыктагы микротолкундуу сигналын алууга болот.
2-сүрөт. Инъекциялык жыштыкты кулпулоо аркылуу пайда болгон микротолкундуу жыштыктын эки эселенген сигналынын схемалык диаграммасы.
Эки лазердин салыштырмалуу фазалык ызы-чуусун азайтуунун дагы бир жолу - 3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, терс кайтарым байланыштагы оптикалык PLLди колдонуу.
3-сүрөт. OPLдин схемалык диаграммасы.
Оптикалык PLLдин принциби электроника жаатындагы PLLге окшош. Эки лазердин фаза айырмасы фотодетектор (фаза детекторуна барабар) тарабынан электрдик сигналга айландырылат, андан кийин эки лазердин ортосундагы фаза айырмасы эталондук микротолкундуу сигнал булагы менен айырма жыштыгын түзүү менен алынат, ал күчөтүлүп, чыпкаланып, андан кийин лазерлердин биринин жыштык башкаруу блогуна кайра берилет (жарым өткөргүч лазерлер үчүн бул инжекциялык ток). Мындай терс кайтарым байланышты башкаруу цикли аркылуу эки лазердик сигналдын ортосундагы салыштырмалуу жыштык фазасы эталондук микротолкундуу сигналга бекитилет. Андан кийин айкалышкан оптикалык сигнал оптикалык булалар аркылуу башка жердеги фотодетекторго берилип, микротолкундуу сигналга айландырылышы мүмкүн. Микротолкундуу сигналдын натыйжасында пайда болгон фазалык ызы-чуу фаза менен бекитилген терс кайтарым байланыш циклинин өткөрүү жөндөмдүүлүгүндөгү эталондук сигналдын ызы-чуусуна дээрлик окшош. Өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн сыртындагы фазалык ызы-чуу баштапкы эки байланышпаган лазердин салыштырмалуу фазалык ызы-чуусуна барабар.
Мындан тышкары, эталондук микротолкундуу сигнал булагын башка сигнал булактары тарабынан жыштыкты эки эсе көбөйтүү, бөлгүч жыштык же башка жыштыкты иштетүү аркылуу конвертациялоого болот, ошентип төмөнкү жыштыктагы микротолкундуу сигналды көп эсе көбөйтүүгө же жогорку жыштыктагы RF, THz сигналдарына конвертациялоого болот.
Инъекциялык жыштыкты кулпулоо менен салыштырганда, жыштыкты эки эсеге гана алып келет, фаза менен кулпуланган циклдер ийкемдүүрөөк, дээрлик каалагандай жыштыктарды чыгара алат жана албетте, татаалыраак. Мисалы, 2-сүрөттө фотоэлектрдик модулятор тарабынан түзүлгөн оптикалык жыштык тарагы жарык булагы катары колдонулат, ал эми оптикалык фаза менен кулпуланган цикл эки лазердин жыштыгын эки оптикалык тарак сигналына тандап кулпулоо үчүн колдонулат, андан кийин 4-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, айырма жыштыгы аркылуу жогорку жыштыктагы сигналдарды түзүү үчүн колдонулат. f1 жана f2 тиешелүүлүгүнө жараша эки PLLSтин эталондук сигнал жыштыктары болуп саналат жана эки лазердин ортосундагы айырма жыштыгы менен N*frep+f1+f2 микротолкундуу сигналын түзүүгө болот.
4-сүрөт. Оптикалык жыштык таракты жана PLLSти колдонуу менен каалагандай жыштыктарды түзүүнүн схемалык диаграммасы.
3. Оптикалык импульстук сигналды микротолкундуу сигналга айландыруу үчүн режимде кулпуланган импульстук лазерди колдонуңузфотодетектор.
Бул ыкманын негизги артыкчылыгы - абдан жакшы жыштык туруктуулугу жана өтө төмөн фазалык ызы-чуусу бар сигналды алууга болот. Лазердин жыштыгын абдан туруктуу атомдук жана молекулярдык өткөөл спектрге же өтө туруктуу оптикалык көңдөйгө бекитүү жана өзүн-өзү эки эсе көбөйтүүчү жыштыкты жок кылуу системасынын жыштык жылышын жана башка технологияларды колдонуу менен, биз өтө туруктуу кайталоо жыштыгы бар абдан туруктуу оптикалык импульстук сигналды ала алабыз, ошентип, өтө төмөн фазалык ызы-чуусу бар микротолкундуу сигналды алабыз. 5-сүрөт.
5-сүрөт. Ар кандай сигнал булактарынын салыштырмалуу фазалык ызы-чуусун салыштыруу.
Бирок, импульстун кайталануу ылдамдыгы лазердин көңдөйүнүн узундугуна тескери пропорционалдуу болгондуктан жана салттуу режимде кулпуланган лазер чоң болгондуктан, жогорку жыштыктагы микротолкундуу сигналдарды түз алуу кыйын. Мындан тышкары, салттуу импульстуу лазерлердин өлчөмү, салмагы жана энергия керектөөсү, ошондой эле катаал экологиялык талаптар алардын негизинен лабораториялык колдонулушун чектейт. Бул кыйынчылыктарды жеңүү үчүн жакында эле Америка Кошмо Штаттарында жана Германияда өтө кичинекей, жогорку сапаттагы чырылдаган режимдеги оптикалык көңдөйлөрдө жыштыкта туруктуу оптикалык уяларды түзүү үчүн сызыктуу эмес эффекттерди колдонуу менен изилдөөлөр башталды, алар өз кезегинде жогорку жыштыктагы аз ызы-чуулуу микротолкундуу сигналдарды жаратат.
4. оптикалык электрондук осциллятор, 6-сүрөт.
6-сүрөт. Фотоэлектрдик байланышкан осциллятордун схемалык диаграммасы.
Микротолкундарды же лазерлерди өндүрүүнүн салттуу ыкмаларынын бири - өз алдынча кайтарым байланыш жабык циклин колдонуу, эгерде жабык циклдеги күчөтүү жоготуудан чоң болсо, өз алдынча козголгон термелүү микротолкундарды же лазерлерди пайда кылышы мүмкүн. Жабык циклдин сапат коэффициенти Q канчалык жогору болсо, пайда болгон сигналдын фазасы же жыштык ызы-чуусу ошончолук кичине болот. Циклдин сапат коэффициентин жогорулатуу үчүн, түз жол - циклдин узундугун көбөйтүү жана таралуу жоготуусун минималдаштыруу. Бирок, узунураак цикл, адатта, бир нече термелүү режимдерин генерациялоону колдой алат жана эгерде тар тилкелүү чыпка кошулса, бир жыштыктагы аз ызы-чуулуу микротолкундуу термелүү сигналын алууга болот. Фотоэлектрдик байланышкан осциллятор - бул идеяга негизделген микротолкундуу сигнал булагы, ал буланын аз таралуу жоготуу мүнөздөмөлөрүн толук колдонот, циклдин Q маанисин жакшыртуу үчүн узунураак буланы колдонуп, өтө төмөн фазалык ызы-чуулуу микротолкундуу сигналды чыгара алат. Бул ыкма 1990-жылдары сунушталгандан бери, бул типтеги осциллятор кеңири изилдөөлөргө жана бир топ өнүгүүлөргө ээ болду жана учурда коммерциялык фотоэлектрдик байланышкан осцилляторлор бар. Жакында эле жыштыктарын кеңири диапазондо жөнгө салууга мүмкүн болгон фотоэлектрдик осцилляторлор иштелип чыкты. Бул архитектурага негизделген микротолкундуу сигнал булактарынын негизги көйгөйү - цикл узун, ал эми анын эркин агымындагы (FSR) ызы-чуу жана анын кош жыштыгы бир кыйла жогорулайт. Мындан тышкары, колдонулган фотоэлектрдик компоненттер көбүрөөк, баасы жогору, көлөмүн азайтуу кыйын жана була канчалык узун болсо, айлана-чөйрөнүн бузулушуна сезгич болот.
Жогоруда микротолкундуу сигналдарды фотоэлектрондук жол менен түзүүнүн бир нече ыкмалары, ошондой эле алардын артыкчылыктары жана кемчиликтери кыскача баяндалган. Акырында, микротолкундуу чырактарды өндүрүү үчүн фотоэлектрондорду колдонуунун дагы бир артыкчылыгы бар, анда оптикалык сигнал оптикалык була аркылуу өтө аз жоготуу менен таратылышы мүмкүн, ар бир колдонуу терминалына узак аралыкка берилип, андан кийин микротолкундуу сигналдарга айландырылат жана электромагниттик тоскоолдуктарга туруштук берүү мүмкүнчүлүгү салттуу электрондук компоненттерге караганда бир топ жакшырган.
Бул макала негизинен маалымат алуу үчүн жазылган жана автордун өзүнүн изилдөө тажрыйбасы жана бул тармактагы тажрыйбасы менен айкалышканда, так эместиктер жана түшүнүксүздүк бар, түшүнүү менен кабыл алыңыз.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 3-январы