माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्समा माइक्रोवेभ सिग्नल उत्पादनको वर्तमान अवस्था र तातो ठाउँहरू

माइक्रोवेभ ओप्टोइलेक्ट्रोनिक्स, नामले सुझाव दिन्छ, माइक्रोवेवको प्रतिच्छेदन हो रअप्टोइलेक्ट्रोनिक्स। माइक्रोवेभहरू र प्रकाश तरंगहरू विद्युत चुम्बकीय तरंगहरू हुन्, र फ्रिक्वेन्सीहरू परिमाणका धेरै अर्डरहरू हुन्, र तिनीहरूको सम्बन्धित क्षेत्रहरूमा विकसित कम्पोनेन्टहरू र प्रविधिहरू धेरै फरक छन्। संयोजनमा, हामी एकअर्काको फाइदा लिन सक्छौं, तर हामी नयाँ अनुप्रयोगहरू र विशेषताहरू प्राप्त गर्न सक्छौं जुन क्रमशः महसुस गर्न गाह्रो छ।

अप्टिकल संचारमाइक्रोवेभ र फोटोइलेक्ट्रोन को संयोजन को एक प्रमुख उदाहरण हो। प्रारम्भिक टेलिफोन र टेलिग्राफ वायरलेस संचार, उत्पादन, प्रसार र सिग्नल को स्वागत, सबै माइक्रोवेव उपकरणहरू प्रयोग गरियो। कम आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय तरंगहरू सुरुमा प्रयोग गरिन्छ किनभने आवृत्ति दायरा सानो छ र प्रसारणको लागि च्यानल क्षमता सानो छ। समाधान प्रसारित संकेतको आवृत्ति बढाउनु हो, उच्च आवृत्ति, अधिक स्पेक्ट्रम स्रोतहरू। तर हावा प्रसार हानि मा उच्च आवृत्ति संकेत ठूलो छ, तर बाधाहरु द्वारा अवरुद्ध गर्न पनि सजिलो छ। यदि केबल प्रयोग गरिन्छ भने, केबलको हानि ठूलो छ, र लामो दूरीको प्रसारण एक समस्या हो। अप्टिकल फाइबर संचारको उदय यी समस्याहरूको लागि राम्रो समाधान हो।अप्टिकल फाइबरधेरै कम प्रसारण हानि छ र लामो दूरी मा संकेत प्रसारण को लागी एक उत्कृष्ट वाहक हो। प्रकाश तरंगहरूको फ्रिक्वेन्सी दायरा माइक्रोवेभको भन्दा धेरै ठूलो छ र एकै साथ धेरै फरक च्यानलहरू प्रसारण गर्न सक्छ। यी फाइदाहरूको कारणअप्टिकल प्रसारण, अप्टिकल फाइबर संचार आजको सूचना प्रसारणको मेरुदण्ड बनेको छ।
अप्टिकल संचारको लामो इतिहास छ, अनुसन्धान र अनुप्रयोग धेरै व्यापक र परिपक्व छन्, यहाँ थप भन्नु छैन। यस पेपरले मुख्यतया अप्टिकल कम्युनिकेसन बाहेक हालका वर्षहरूमा माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको नयाँ अनुसन्धान सामग्री परिचय गराउँछ। माइक्रोवेभ ओप्टोइलेक्ट्रोनिक्सले मुख्यतया पारम्परिक माइक्रोवेभ इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरूसँग हासिल गर्न गाह्रो हुने कार्यसम्पादन र अनुप्रयोगलाई सुधार गर्न र प्राप्त गर्न वाहकको रूपमा अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा विधिहरू र प्रविधिहरू प्रयोग गर्दछ। आवेदनको दृष्टिकोणबाट, यसले मुख्यतया निम्न तीन पक्षहरू समावेश गर्दछ।
पहिलो भनेको X-band देखि THz ब्यान्ड सम्म उच्च प्रदर्शन, कम-शोर माइक्रोवेभ संकेतहरू उत्पन्न गर्न अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको प्रयोग हो।
दोस्रो, माइक्रोवेभ सिग्नल प्रशोधन। ढिलाइ, फिल्टरिङ, आवृत्ति रूपान्तरण, प्राप्त र यति सहित।
तेस्रो, एनालग संकेतहरूको प्रसारण।

यस लेखमा, लेखकले केवल पहिलो भाग, माइक्रोवेव संकेतको उत्पादनको परिचय दिन्छ। परम्परागत माइक्रोवेभ मिलिमिटर तरंग मुख्यतया iii_V माइक्रोइलेक्ट्रोनिक घटकहरू द्वारा उत्पन्न हुन्छ। यसको सीमितताहरूमा निम्न बुँदाहरू छन्: पहिलो, माथिको 100GHz जस्ता उच्च फ्रिक्वेन्सीहरूमा, परम्परागत माइक्रोइलेक्ट्रोनिक्सले कम र कम पावर उत्पादन गर्न सक्छ, उच्च आवृत्ति THz संकेतमा, तिनीहरूले केही गर्न सक्दैनन्। दोस्रो, चरणको आवाज कम गर्न र फ्रिक्वेन्सी स्थिरता सुधार गर्नको लागि, मूल उपकरणलाई अत्यन्त कम तापक्रम वातावरणमा राख्न आवश्यक छ। तेस्रो, फ्रिक्वेन्सी मोड्युलेसन फ्रिक्वेन्सी रूपान्तरणको विस्तृत दायरा हासिल गर्न गाह्रो छ। यी समस्याहरू समाधान गर्न, ओप्टोइलेक्ट्रोनिक टेक्नोलोजीले भूमिका खेल्न सक्छ। मुख्य विधिहरू तल वर्णन गरिएको छ।

1. दुई फरक फ्रिक्वेन्सी लेजर संकेतहरूको भिन्न आवृत्ति मार्फत, चित्र 1 मा देखाइएको रूपमा माइक्रोवेभ संकेतहरू रूपान्तरण गर्न उच्च-फ्रिक्वेन्सी फोटोडेटेक्टर प्रयोग गरिन्छ।

चित्र 1. दुई को भिन्न आवृत्ति द्वारा उत्पन्न माइक्रोवेव को योजनाबद्ध रेखाचित्रलेजरहरू.

यस विधिका फाइदाहरू सरल संरचना हुन्, यसले अत्यधिक उच्च आवृत्ति मिलिमिटर तरंग र THz फ्रिक्वेन्सी सिग्नल पनि उत्पन्न गर्न सक्छ, र लेजरको फ्रिक्वेन्सी समायोजन गरेर द्रुत फ्रिक्वेन्सी रूपान्तरण, स्वीप फ्रिक्वेन्सीको ठूलो दायरा पूरा गर्न सक्छ। बेफाइदा यो हो कि दुई असंबंधित लेजर संकेतहरू द्वारा उत्पन्न भिन्न आवृत्ति संकेतको लाइनविथ वा चरण शोर अपेक्षाकृत ठूलो छ, र फ्रिक्वेन्सी स्थिरता उच्च छैन, विशेष गरी यदि सानो भोल्युमको साथ अर्धचालक लेजर तर ठूलो लाइनविथ (~MHz) हो। प्रयोग गरियो। यदि प्रणालीको वजन भोल्युम आवश्यकताहरू उच्च छैनन् भने, तपाइँ कम आवाज (~ kHz) ठोस राज्य लेजरहरू प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ,फाइबर लेजरहरू, बाह्य गुहाअर्धचालक लेजरहरू, आदि। साथै, एउटै लेजर गुहामा उत्पन्न हुने लेजर संकेतहरूको दुई फरक मोडहरू पनि फरक फ्रिक्वेन्सी उत्पन्न गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा माइक्रोवेभ फ्रिक्वेन्सी स्थिरता कार्यसम्पादनमा धेरै सुधार हुन्छ।

2. समस्या समाधान गर्नको लागि कि अघिल्लो विधिमा दुई लेजरहरू असंगत छन् र उत्पन्न भएको संकेत चरण आवाज धेरै ठूलो छ, दुई लेजरहरू बीचको समन्वय इन्जेक्शन फ्रिक्वेन्सी लक फेज लक विधि वा नकारात्मक प्रतिक्रिया चरण द्वारा प्राप्त गर्न सकिन्छ। ताला लगाउने सर्किट। चित्र 2 ले माइक्रोवेभ गुणकहरू उत्पन्न गर्न इंजेक्शन लकिङको एक विशिष्ट अनुप्रयोग देखाउँछ (चित्र 2)। उच्च फ्रिक्वेन्सी वर्तमान संकेतहरू सेमीकन्डक्टर लेजरमा सिधै इन्जेक्सन गरेर, वा LinBO3-फेज मोड्युलेटर प्रयोग गरेर, समान फ्रिक्वेन्सी स्पेसिङका साथ विभिन्न फ्रिक्वेन्सीहरूको बहु अप्टिकल सिग्नलहरू उत्पन्न गर्न सकिन्छ, वा अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब्सहरू। निस्सन्देह, व्यापक स्पेक्ट्रम अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब प्राप्त गर्न सामान्यतया प्रयोग गरिएको विधि मोड-लक गरिएको लेजर प्रयोग गर्नु हो। उत्पन्न अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बामा कुनै पनि दुई कम्ब संकेतहरू फिल्टर गरेर चयन गरिन्छ र क्रमशः फ्रिक्वेन्सी र फेज लकिङ महसुस गर्न लेजर 1 र 2 मा इन्जेक्सन गरिन्छ। किनभने अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बको विभिन्न कम्बो संकेतहरू बीचको चरण अपेक्षाकृत स्थिर छ, त्यसैले दुई लेजरहरू बीचको सापेक्षिक चरण स्थिर छ, र त्यसपछि पहिले वर्णन गरिए अनुसार भिन्न आवृत्तिको विधिद्वारा, बहु-गुना आवृत्ति माइक्रोवेभ संकेत। अप्टिकल आवृत्ति कंघी दोहोरिने दर प्राप्त गर्न सकिन्छ।

चित्र 2. माइक्रोवेव फ्रिक्वेन्सी दोब्बर संकेत को योजनाबद्ध रेखाचित्र इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लक द्वारा उत्पन्न।
दुई लेजरहरूको सापेक्ष चरण शोर कम गर्ने अर्को तरिका नकारात्मक प्रतिक्रिया अप्टिकल PLL प्रयोग गर्नु हो, चित्र 3 मा देखाइएको रूपमा।

चित्र 3. OPL को योजनाबद्ध रेखाचित्र।

अप्टिकल PLL को सिद्धान्त इलेक्ट्रोनिक्स को क्षेत्र मा PLL को जस्तै छ। दुई लेजरहरूको चरण भिन्नतालाई फोटोडेटेक्टर (फेज डिटेक्टरको बराबर) द्वारा विद्युतीय संकेतमा रूपान्तरण गरिन्छ, र त्यसपछि दुई लेजरहरू बीचको चरण भिन्नतालाई सन्दर्भ माइक्रोवेभ संकेत स्रोतको साथ भिन्नता फ्रिक्वेन्सी बनाएर प्राप्त गरिन्छ, जुन प्रवर्धित हुन्छ। र फिल्टर गरियो र त्यसपछि लेजरहरू मध्ये एकको फ्रिक्वेन्सी नियन्त्रण इकाईमा फिर्ता फिड गरियो (सेमिकन्डक्टर लेजरहरूको लागि, यो इंजेक्शन करन्ट हो)। यस्तो नकारात्मक प्रतिक्रिया नियन्त्रण लूप मार्फत, दुई लेजर संकेतहरू बीचको सापेक्ष आवृत्ति चरण सन्दर्भ माइक्रोवेव संकेतमा लक गरिएको छ। संयुक्त अप्टिकल सिग्नल त्यसपछि अप्टिकल फाइबर मार्फत अन्यत्र फोटोडेटेक्टरमा पठाउन सकिन्छ र माइक्रोवेभ सिग्नलमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ। माइक्रोवेभ संकेतको परिणामस्वरूप चरण शोर फेज-लक गरिएको नकारात्मक प्रतिक्रिया लूपको ब्यान्डविथ भित्र सन्दर्भ संकेतको जस्तै हो। ब्यान्डविथ बाहिरको चरण शोर मूल दुई असंबंधित लेजरहरूको सापेक्ष चरण शोर बराबर छ।
थप रूपमा, सन्दर्भ माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोतलाई फ्रिक्वेन्सी दोब्बर, भाजक फ्रिक्वेन्सी, वा अन्य फ्रिक्वेन्सी प्रशोधन मार्फत अन्य सिग्नल स्रोतहरूद्वारा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ, ताकि तल्लो फ्रिक्वेन्सी माइक्रोवेभ सिग्नललाई बहु दोब्बर गर्न सकिन्छ, वा उच्च-फ्रिक्वेन्सी RF, THz संकेतहरूमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ।
इन्जेक्शन फ्रिक्वेन्सी लकको तुलनामा फ्रिक्वेन्सी दोब्बर मात्र प्राप्त गर्न सकिन्छ, चरण-लक लूपहरू अधिक लचिलो हुन्छन्, लगभग मनमानी आवृत्तिहरू उत्पादन गर्न सक्छन्, र पक्कै पनि थप जटिल। उदाहरणका लागि, चित्र २ मा फोटोइलेक्ट्रिक मोड्युलेटरले उत्पन्न गरेको अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बोलाई प्रकाश स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र अप्टिकल फेज-लक गरिएको लूपलाई दुई लेजरहरूको फ्रिक्वेन्सीलाई दुईवटा अप्टिकल कंघी संकेतहरूमा छानेर लक गर्न प्रयोग गरिन्छ, र त्यसपछि उत्पन्न हुन्छ। फरक फ्रिक्वेन्सी मार्फत उच्च-फ्रिक्वेन्सी संकेतहरू, चित्र 4 मा देखाइए अनुसार। f1 र f2 क्रमशः दुई PLLS को सन्दर्भ सिग्नल फ्रिक्वेन्सीहरू हुन्, र N*frep+f1+f2 को माइक्रोवेभ संकेतहरू बीचको भिन्नता आवृत्तिद्वारा उत्पन्न गर्न सकिन्छ। दुई लेजरहरू।

चित्र 4. अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब्स र PLLS प्रयोग गरेर आर्बिट्ररी फ्रिक्वेन्सीहरू उत्पन्न गर्ने योजनाबद्ध रेखाचित्र।

3. अप्टिकल पल्स सिग्नललाई माइक्रोवेभ सिग्नलमा रूपान्तरण गर्न मोड-लक गरिएको पल्स लेजर प्रयोग गर्नुहोस्फोटो डिटेक्टर.

यस विधिको मुख्य फाइदा यो हो कि धेरै राम्रो फ्रिक्वेन्सी स्थिरता र धेरै कम चरण शोर संग एक संकेत प्राप्त गर्न सकिन्छ। लेजरको फ्रिक्वेन्सीलाई धेरै स्थिर आणविक र आणविक ट्रान्जिसन स्पेक्ट्रम, वा अत्यन्तै स्थिर अप्टिकल गुहामा लक गरेर, र सेल्फ-डबलिङ फ्रिक्वेन्सी एलिमिनेशन सिस्टम फ्रिक्वेन्सी शिफ्ट र अन्य प्रविधिहरूको प्रयोग गरेर, हामी धेरै स्थिर अप्टिकल पल्स सिग्नल प्राप्त गर्न सक्छौं। एक धेरै स्थिर पुनरावृत्ति आवृत्ति, अल्ट्रा-लो चरण शोर संग माइक्रोवेभ संकेत प्राप्त गर्न को लागी। चित्र ५।

चित्र 5. विभिन्न संकेत स्रोतहरूको सापेक्ष चरण शोरको तुलना।

यद्यपि, किनकी पल्स दोहोरिने दर लेजरको गुहा लम्बाइको विपरीत समानुपातिक छ, र परम्परागत मोड-लक लेजर ठूलो छ, उच्च आवृत्ति माइक्रोवेभ संकेतहरू सीधा प्राप्त गर्न गाह्रो छ। थप रूपमा, परम्परागत स्पंदित लेजरहरूको आकार, तौल र ऊर्जा खपत, साथै कठोर वातावरणीय आवश्यकताहरूले तिनीहरूको मुख्य रूपमा प्रयोगशाला अनुप्रयोगहरू सीमित गर्दछ। यी कठिनाइहरू पार गर्नको लागि, संयुक्त राज्य र जर्मनीमा धेरै सानो, उच्च-गुणस्तरको चरप मोड अप्टिकल गुहाहरूमा फ्रिक्वेन्सी-स्थिर अप्टिकल कम्ब्सहरू उत्पन्न गर्न ननलाइनर प्रभावहरू प्रयोग गरेर अनुसन्धान सुरु भएको छ, जसले उच्च-फ्रिक्वेन्सी कम-शोर माइक्रोवेभ संकेतहरू उत्पन्न गर्दछ।

4. अप्टो इलेक्ट्रोनिक ओसिलेटर, चित्र 6।

चित्र 6. फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ओसिलेटरको योजनाबद्ध रेखाचित्र।

माइक्रोवेभ वा लेजरहरू उत्पादन गर्ने परम्परागत विधिहरू मध्ये एक स्व-प्रतिक्रिया बन्द लुप प्रयोग गर्नु हो, जबसम्म बन्द लुपमा हुने लाभ नोक्सान भन्दा ठूलो हुन्छ, आत्म-उत्तेजित दोलनले माइक्रोवेभ वा लेजरहरू उत्पादन गर्न सक्छ। बन्द लूपको गुणस्तर कारक Q जति उच्च हुन्छ, उत्पन्न गरिएको संकेत चरण वा आवृत्ति आवाज उति सानो हुन्छ। लूपको गुणस्तर कारक बढाउनको लागि, सीधा तरीका भनेको लूपको लम्बाइ बढाउनु र प्रसार हानिलाई कम गर्नु हो। यद्यपि, लामो लूपले सामान्यतया दोलनका बहुविध मोडहरूको उत्पादनलाई समर्थन गर्न सक्छ, र यदि एक संकीर्ण-ब्यान्डविथ फिल्टर थपियो भने, एकल-फ्रिक्वेन्सी कम-शोर माइक्रोवेभ दोलन संकेत प्राप्त गर्न सकिन्छ। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ओसिलेटर यस विचारमा आधारित माइक्रोवेभ संकेत स्रोत हो, यसले फाइबरको कम प्रजनन हानि विशेषताहरूको पूर्ण उपयोग गर्दछ, लूप Q मान सुधार गर्न लामो फाइबर प्रयोग गरेर, धेरै कम चरणको आवाजको साथ माइक्रोवेभ संकेत उत्पादन गर्न सक्छ। 1990 को दशकमा यो विधि प्रस्तावित भएदेखि, यस प्रकारको ओसिलेटरले व्यापक अनुसन्धान र पर्याप्त विकास प्राप्त गरेको छ, र त्यहाँ हाल व्यावसायिक फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ओसिलेटरहरू छन्। हालसालै, फोटोइलेक्ट्रिक ओसिलेटरहरू जसको फ्रिक्वेन्सीहरू विस्तृत दायरामा समायोजित गर्न सकिन्छ विकसित गरिएको छ। यस आर्किटेक्चरमा आधारित माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोतहरूको मुख्य समस्या भनेको लूप लामो छ, र यसको फ्री फ्लो (FSR) र यसको डबल फ्रिक्वेन्सीमा शोर उल्लेखनीय रूपमा बढ्नेछ। थप रूपमा, प्रयोग गरिएको फोटोइलेक्ट्रिक कम्पोनेन्टहरू अधिक छन्, लागत उच्च छ, भोल्युम कम गर्न गाह्रो छ, र लामो फाइबर वातावरणीय अशांतिको लागि बढी संवेदनशील छ।

माथिको छोटकरीमा माइक्रोवेव संकेतहरूको फोटोइलेक्ट्रोन उत्पादनका धेरै विधिहरू, साथै तिनीहरूका फाइदाहरू र बेफाइदाहरू प्रस्तुत गर्दछ। अन्तमा, माइक्रोवेभ उत्पादन गर्न फोटोइलेक्ट्रोनको प्रयोगको अर्को फाइदा छ कि अप्टिकल सिग्नल धेरै कम हानि संग अप्टिकल फाइबर मार्फत वितरण गर्न सकिन्छ, प्रत्येक प्रयोग टर्मिनलमा लामो दूरीको प्रसारण र त्यसपछि माइक्रोवेभ संकेतहरूमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ, र विद्युत चुम्बकीय प्रतिरोध गर्ने क्षमता। हस्तक्षेप परम्परागत इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरू भन्दा उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ।
यस लेखको लेखन मुख्यतया सन्दर्भको लागि हो, र यस क्षेत्रमा लेखकको आफ्नै अनुसन्धान अनुभव र अनुभव संग संयुक्त, त्यहाँ त्रुटि र अस्पष्टता छन्, कृपया बुझ्नुहोस्।