माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्समा माइक्रोवेभ सिग्नल उत्पादनको वर्तमान अवस्था र हट स्पटहरू

माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सनामले नै सुझाव दिए जस्तै, माइक्रोवेभ रअप्टोइलेक्ट्रोनिक्स। माइक्रोवेभ र प्रकाश तरंगहरू विद्युत चुम्बकीय तरंगहरू हुन्, र फ्रिक्वेन्सीहरू परिमाणका धेरै अर्डरहरू फरक छन्, र तिनीहरूको सम्बन्धित क्षेत्रमा विकसित घटकहरू र प्रविधिहरू धेरै फरक छन्। संयोजनमा, हामी एकअर्काको फाइदा लिन सक्छौं, तर हामी क्रमशः महसुस गर्न गाह्रो हुने नयाँ अनुप्रयोगहरू र विशेषताहरू प्राप्त गर्न सक्छौं।

अप्टिकल सञ्चारमाइक्रोवेभ र फोटोइलेक्ट्रोनको संयोजनको एक प्रमुख उदाहरण हो। प्रारम्भिक टेलिफोन र टेलिग्राफ वायरलेस सञ्चार, सिग्नलहरूको उत्पादन, प्रसार र स्वागत, सबै प्रयोग गरिएका माइक्रोवेभ उपकरणहरू। कम आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय तरंगहरू सुरुमा प्रयोग गरिन्छ किनभने फ्रिक्वेन्सी दायरा सानो हुन्छ र प्रसारणको लागि च्यानल क्षमता सानो हुन्छ। समाधान भनेको प्रसारित सिग्नलको फ्रिक्वेन्सी बढाउनु हो, फ्रिक्वेन्सी जति उच्च हुन्छ, स्पेक्ट्रम स्रोतहरू त्यति नै बढी हुन्छन्। तर हावा प्रसारण हानिमा उच्च आवृत्ति संकेत ठूलो हुन्छ, तर अवरोधहरू द्वारा अवरुद्ध गर्न पनि सजिलो हुन्छ। यदि केबल प्रयोग गरिन्छ भने, केबलको हानि ठूलो हुन्छ, र लामो दूरीको प्रसारण समस्या हो। अप्टिकल फाइबर सञ्चारको उदय यी समस्याहरूको राम्रो समाधान हो।अप्टिकल फाइबरयसमा धेरै कम प्रसारण घाटा छ र लामो दूरीमा संकेतहरू प्रसारण गर्नको लागि यो एक उत्कृष्ट वाहक हो। प्रकाश तरंगहरूको आवृत्ति दायरा माइक्रोवेभको भन्दा धेरै ठूलो छ र एकै साथ धेरै फरक च्यानलहरू प्रसारण गर्न सक्छ। यी फाइदाहरूको कारणले गर्दाअप्टिकल प्रसारणआजको सूचना प्रसारणको मेरुदण्ड अप्टिकल फाइबर सञ्चार बनेको छ।
अप्टिकल कम्युनिकेसनको इतिहास लामो छ, अनुसन्धान र प्रयोग धेरै व्यापक र परिपक्व छन्, यहाँ धेरै भन्नु छैन। यो पेपरले मुख्यतया हालका वर्षहरूमा अप्टिकल कम्युनिकेसन बाहेक माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको नयाँ अनुसन्धान सामग्रीको परिचय दिन्छ। माइक्रोवेभ अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सले मुख्यतया परम्परागत माइक्रोवेभ इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरूसँग प्राप्त गर्न गाह्रो हुने प्रदर्शन र प्रयोगलाई सुधार गर्न र प्राप्त गर्न वाहकको रूपमा अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा विधिहरू र प्रविधिहरू प्रयोग गर्दछ। प्रयोगको दृष्टिकोणबाट, यसले मुख्यतया निम्न तीन पक्षहरू समावेश गर्दछ।
पहिलो भनेको X-ब्यान्डदेखि THz ब्यान्डसम्म उच्च-प्रदर्शन, कम-आवाज माइक्रोवेभ संकेतहरू उत्पन्न गर्न अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सको प्रयोग हो।
दोस्रो, माइक्रोवेभ सिग्नल प्रशोधन। ढिलाइ, फिल्टरिङ, फ्रिक्वेन्सी रूपान्तरण, प्राप्त गर्ने र यस्तै अन्य कुराहरू सहित।
तेस्रो, एनालग संकेतहरूको प्रसारण।

यस लेखमा, लेखकले पहिलो भाग, माइक्रोवेभ सिग्नलको उत्पादनको मात्र परिचय गराउँछन्। परम्परागत माइक्रोवेभ मिलिमिटर तरंग मुख्यतया iii_V माइक्रोइलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरू द्वारा उत्पन्न हुन्छ। यसको सीमितताहरूमा निम्न बुँदाहरू छन्: पहिलो, माथि १००GHz जस्ता उच्च फ्रिक्वेन्सीहरूमा, परम्परागत माइक्रोइलेक्ट्रोनिक्सले कम र कम पावर उत्पादन गर्न सक्छ, उच्च फ्रिक्वेन्सी THz सिग्नलमा, तिनीहरूले केही गर्न सक्दैनन्। दोस्रो, चरण आवाज कम गर्न र फ्रिक्वेन्सी स्थिरता सुधार गर्न, मूल उपकरणलाई अत्यन्त कम तापक्रम वातावरणमा राख्नु आवश्यक छ। तेस्रो, फ्रिक्वेन्सी मोड्युलेसन फ्रिक्वेन्सी रूपान्तरणको विस्तृत दायरा प्राप्त गर्न गाह्रो छ। यी समस्याहरू समाधान गर्न, अप्टोइलेक्ट्रोनिक प्रविधिले भूमिका खेल्न सक्छ। मुख्य विधिहरू तल वर्णन गरिएका छन्।

१. दुई फरक फ्रिक्वेन्सी लेजर सिग्नलहरूको भिन्नता फ्रिक्वेन्सी मार्फत, चित्र १ मा देखाइए अनुसार माइक्रोवेभ सिग्नलहरूलाई रूपान्तरण गर्न उच्च-फ्रिक्वेन्सी फोटोडिटेक्टर प्रयोग गरिन्छ।

चित्र १. दुईको भिन्नता आवृत्तिबाट उत्पन्न माइक्रोवेभहरूको योजनाबद्ध रेखाचित्रलेजरहरू.

यस विधिका फाइदाहरू सरल संरचना हुन्, अत्यन्त उच्च आवृत्ति मिलिमिटर तरंग र THz फ्रिक्वेन्सी सिग्नल पनि उत्पन्न गर्न सक्छ, र लेजरको फ्रिक्वेन्सी समायोजन गरेर द्रुत आवृत्ति रूपान्तरण, स्वीप फ्रिक्वेन्सीको ठूलो दायरा गर्न सक्छ। बेफाइदा यो हो कि दुई असंबद्ध लेजर सिग्नलहरू द्वारा उत्पन्न भिन्नता फ्रिक्वेन्सी सिग्नलको लाइनविड्थ वा चरण आवाज अपेक्षाकृत ठूलो छ, र फ्रिक्वेन्सी स्थिरता उच्च छैन, विशेष गरी यदि सानो भोल्युम तर ठूलो लाइनविड्थ (~MHz) भएको अर्धचालक लेजर प्रयोग गरिएको छ। यदि प्रणाली वजन भोल्युम आवश्यकताहरू उच्च छैनन् भने, तपाईं कम आवाज (~kHz) ठोस-राज्य लेजरहरू प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ,फाइबर लेजरहरू, बाह्य गुहाअर्धचालक लेजरहरू, आदि। यसको अतिरिक्त, एउटै लेजर गुहामा उत्पन्न हुने लेजर संकेतहरूको दुई फरक मोडहरू पनि भिन्नता आवृत्ति उत्पन्न गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा माइक्रोवेभ फ्रिक्वेन्सी स्थिरता प्रदर्शनमा धेरै सुधार हुन्छ।

२. अघिल्लो विधिमा दुई लेजरहरू असंगत छन् र उत्पन्न हुने सिग्नल चरण आवाज धेरै ठूलो छ भन्ने समस्या समाधान गर्न, दुई लेजरहरू बीचको सुसंगतता इन्जेक्सन फ्रिक्वेन्सी लकिङ फेज लकिङ विधि वा नकारात्मक प्रतिक्रिया चरण लकिङ सर्किटद्वारा प्राप्त गर्न सकिन्छ। चित्र २ ले माइक्रोवेभ गुणनहरू उत्पन्न गर्न इन्जेक्सन लकिङको विशिष्ट अनुप्रयोग देखाउँछ (चित्र २)। अर्धचालक लेजरमा उच्च आवृत्ति वर्तमान संकेतहरू सिधै इन्जेक्सन गरेर, वा LinBO3-फेज मोड्युलेटर प्रयोग गरेर, समान आवृत्ति स्पेसिङ भएका विभिन्न फ्रिक्वेन्सीहरूको धेरै अप्टिकल संकेतहरू उत्पन्न गर्न सकिन्छ, वा अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बहरू। अवश्य पनि, फराकिलो स्पेक्ट्रम अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब प्राप्त गर्न सामान्यतया प्रयोग गरिने विधि मोड-लक गरिएको लेजर प्रयोग गर्नु हो। उत्पन्न गरिएको अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बमा कुनै पनि दुई कम्ब सिग्नलहरू फिल्टर गरेर चयन गरिन्छ र क्रमशः फ्रिक्वेन्सी र चरण लकिङ महसुस गर्न लेजर १ र २ मा इन्जेक्सन गरिन्छ। अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बको विभिन्न कम्ब सिग्नलहरू बीचको चरण अपेक्षाकृत स्थिर हुने भएकाले, दुई लेजरहरू बीचको सापेक्ष चरण स्थिर हुने भएकाले, र त्यसपछि पहिले वर्णन गरिएको भिन्नता फ्रिक्वेन्सीको विधिद्वारा, अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब दोहोरिने दरको बहु-गुणा फ्रिक्वेन्सी माइक्रोवेभ सिग्नल प्राप्त गर्न सकिन्छ।

चित्र २. इन्जेक्सन फ्रिक्वेन्सी लकिङद्वारा उत्पन्न हुने माइक्रोवेभ फ्रिक्वेन्सी दोब्बर गर्ने संकेतको योजनाबद्ध रेखाचित्र।
दुई लेजरहरूको सापेक्षिक चरण आवाज कम गर्ने अर्को तरिका भनेको चित्र ३ मा देखाइए अनुसार नकारात्मक प्रतिक्रिया अप्टिकल PLL प्रयोग गर्नु हो।

चित्र ३. OPL को योजनाबद्ध रेखाचित्र।

अप्टिकल PLL को सिद्धान्त इलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा PLL जस्तै छ। दुई लेजरहरूको चरण भिन्नतालाई फोटोडिटेक्टर (फेज डिटेक्टरको बराबर) द्वारा विद्युतीय संकेतमा रूपान्तरण गरिन्छ, र त्यसपछि दुई लेजरहरू बीचको चरण भिन्नता सन्दर्भ माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोतको साथ भिन्नता फ्रिक्वेन्सी बनाएर प्राप्त गरिन्छ, जुन प्रवर्धित र फिल्टर गरिन्छ र त्यसपछि लेजरहरू मध्ये एकको फ्रिक्वेन्सी नियन्त्रण एकाइमा फिर्ता पठाइन्छ (अर्धचालक लेजरहरूको लागि, यो इंजेक्शन करेन्ट हो)। यस्तो नकारात्मक प्रतिक्रिया नियन्त्रण लूप मार्फत, दुई लेजर संकेतहरू बीचको सापेक्ष आवृत्ति चरण सन्दर्भ माइक्रोवेभ सिग्नलमा लक गरिएको छ। संयुक्त अप्टिकल सिग्नल त्यसपछि अप्टिकल फाइबरहरू मार्फत अन्यत्र फोटोडिटेक्टरमा प्रसारित गर्न सकिन्छ र माइक्रोवेभ सिग्नलमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ। माइक्रोवेभ सिग्नलको परिणामस्वरूप चरण आवाज फेज-लक गरिएको नकारात्मक प्रतिक्रिया लूपको ब्यान्डविथ भित्र सन्दर्भ संकेतको जस्तै लगभग हुन्छ। ब्यान्डविथ बाहिरको चरण आवाज मूल दुई असंबंधित लेजरहरूको सापेक्ष चरण आवाज बराबर हुन्छ।
यसको अतिरिक्त, सन्दर्भ माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोतलाई अन्य सिग्नल स्रोतहरूद्वारा फ्रिक्वेन्सी दोब्बर, भाजक आवृत्ति, वा अन्य फ्रिक्वेन्सी प्रशोधन मार्फत पनि रूपान्तरण गर्न सकिन्छ, ताकि तल्लो फ्रिक्वेन्सी माइक्रोवेभ सिग्नललाई बहु-दोब्बर गर्न सकिन्छ, वा उच्च-फ्रिक्वेन्सी RF, THz सिग्नलहरूमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ।
इन्जेक्सन फ्रिक्वेन्सी लकिङको तुलनामा फ्रिक्वेन्सी दोब्बर मात्र प्राप्त गर्न सकिन्छ, फेज-लक गरिएका लूपहरू बढी लचिलो हुन्छन्, लगभग मनमानी फ्रिक्वेन्सीहरू उत्पादन गर्न सक्छन्, र अवश्य पनि बढी जटिल हुन्छन्। उदाहरणका लागि, चित्र २ मा फोटोइलेक्ट्रिक मोड्युलेटरद्वारा उत्पन्न गरिएको अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्बलाई प्रकाश स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र अप्टिकल फेज-लक गरिएको लूप दुई लेजरहरूको फ्रिक्वेन्सीलाई दुई अप्टिकल कम्ब सिग्नलहरूमा छनौट रूपमा लक गर्न प्रयोग गरिन्छ, र त्यसपछि चित्र ४ मा देखाइए अनुसार भिन्न फ्रिक्वेन्सी मार्फत उच्च-फ्रिक्वेन्सी सिग्नलहरू उत्पन्न गर्दछ। f1 र f2 क्रमशः दुई PLLS का सन्दर्भ सिग्नल फ्रिक्वेन्सीहरू हुन्, र N*frep+f1+f2 को माइक्रोवेभ सिग्नल दुई लेजरहरू बीचको भिन्न फ्रिक्वेन्सीद्वारा उत्पन्न गर्न सकिन्छ।

चित्र ४. अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब्स र PLLS प्रयोग गरेर मनमानी फ्रिक्वेन्सीहरू उत्पन्न गर्ने योजनाबद्ध रेखाचित्र।

३. अप्टिकल पल्स सिग्नललाई माइक्रोवेभ सिग्नलमा रूपान्तरण गर्न मोड-लक गरिएको पल्स लेजर प्रयोग गर्नुहोस्फोटोडिटेक्टर.

यस विधिको मुख्य फाइदा भनेको धेरै राम्रो फ्रिक्वेन्सी स्थिरता र धेरै कम फेज आवाज भएको सिग्नल प्राप्त गर्न सकिन्छ। लेजरको फ्रिक्वेन्सीलाई धेरै स्थिर परमाणु र आणविक संक्रमण स्पेक्ट्रम, वा अत्यन्त स्थिर अप्टिकल गुहामा लक गरेर, र स्व-दोब्बर फ्रिक्वेन्सी उन्मूलन प्रणाली फ्रिक्वेन्सी शिफ्ट र अन्य प्रविधिहरूको प्रयोग गरेर, हामी धेरै स्थिर पुनरावृत्ति फ्रिक्वेन्सीको साथ धेरै स्थिर अप्टिकल पल्स सिग्नल प्राप्त गर्न सक्छौं, ताकि अल्ट्रा-लो फेज आवाज भएको माइक्रोवेभ सिग्नल प्राप्त गर्न सकियोस्। चित्र ५।

चित्र ५. विभिन्न सिग्नल स्रोतहरूको सापेक्षिक चरण आवाजको तुलना।

यद्यपि, पल्स पुनरावृत्ति दर लेजरको गुहा लम्बाइको विपरीत समानुपातिक भएकोले, र परम्परागत मोड-लक गरिएको लेजर ठूलो भएकोले, उच्च आवृत्ति माइक्रोवेभ संकेतहरू सिधै प्राप्त गर्न गाह्रो छ। यसको अतिरिक्त, परम्परागत पल्स गरिएको लेजरहरूको आकार, तौल र ऊर्जा खपत, साथै कठोर वातावरणीय आवश्यकताहरूले तिनीहरूको मुख्यतया प्रयोगशाला अनुप्रयोगहरूलाई सीमित गर्दछ। यी कठिनाइहरू पार गर्न, संयुक्त राज्य अमेरिका र जर्मनीमा हालै धेरै सानो, उच्च-गुणस्तरको चिरप मोड अप्टिकल गुहाहरूमा फ्रिक्वेन्सी-स्थिर अप्टिकल कम्बहरू उत्पन्न गर्न गैर-रेखीय प्रभावहरू प्रयोग गरेर अनुसन्धान सुरु भएको छ, जसले बारीमा उच्च-आवृत्ति कम-आवाज माइक्रोवेभ संकेतहरू उत्पन्न गर्दछ।

४. ओप्टो इलेक्ट्रोनिक ओसिलेटर, चित्र ६।

चित्र ६. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ओसिलेटरको योजनाबद्ध रेखाचित्र।

माइक्रोवेभ वा लेजरहरू उत्पादन गर्ने परम्परागत विधिहरू मध्ये एक स्व-प्रतिक्रिया बन्द लूप प्रयोग गर्नु हो, जबसम्म बन्द लूपमा लाभ नोक्सान भन्दा बढी हुन्छ, स्व-उत्साहित दोलनले माइक्रोवेभ वा लेजरहरू उत्पादन गर्न सक्छ। बन्द लूपको गुणस्तर कारक Q जति उच्च हुन्छ, उत्पन्न सिग्नल चरण वा फ्रिक्वेन्सी आवाज त्यति नै सानो हुन्छ। लूपको गुणस्तर कारक बढाउनको लागि, प्रत्यक्ष तरिका भनेको लूप लम्बाइ बढाउनु र प्रसार हानि कम गर्नु हो। यद्यपि, लामो लूपले सामान्यतया दोलनको धेरै मोडहरूको उत्पादनलाई समर्थन गर्न सक्छ, र यदि एक संकीर्ण-ब्यान्डविथ फिल्टर थपियो भने, एकल-फ्रिक्वेन्सी कम-आवृत्ति माइक्रोवेभ दोलन संकेत प्राप्त गर्न सकिन्छ। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ओसिलेटर यस विचारमा आधारित माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोत हो, यसले फाइबरको कम प्रसार हानि विशेषताहरूको पूर्ण प्रयोग गर्दछ, लूप Q मान सुधार गर्न लामो फाइबर प्रयोग गरेर, धेरै कम चरण आवाजको साथ माइक्रोवेभ सिग्नल उत्पादन गर्न सक्छ। विधि 1990 को दशकमा प्रस्ताव गरिएको हुनाले, यस प्रकारको ओसिलेटरले व्यापक अनुसन्धान र उल्लेखनीय विकास प्राप्त गरेको छ, र हाल व्यावसायिक फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ओसिलेटरहरू छन्। हालसालै, फोटोइलेक्ट्रिक ओसिलेटरहरू विकास गरिएका छन् जसको फ्रिक्वेन्सीहरू विस्तृत दायरामा समायोजन गर्न सकिन्छ। यस वास्तुकलामा आधारित माइक्रोवेभ सिग्नल स्रोतहरूको मुख्य समस्या भनेको लूप लामो हुनु हो, र यसको फ्री फ्लो (FSR) मा आवाज र यसको दोहोरो फ्रिक्वेन्सी उल्लेखनीय रूपमा बढ्नेछ। थप रूपमा, प्रयोग गरिएका फोटोइलेक्ट्रिक कम्पोनेन्टहरू बढी छन्, लागत उच्च छ, भोल्युम घटाउन गाह्रो छ, र लामो फाइबर वातावरणीय अशान्तिप्रति बढी संवेदनशील छ।

माथिको विवरणले माइक्रोवेभ सिग्नलहरूको फोटोइलेक्ट्रोन उत्पादनका धेरै विधिहरू, साथै तिनीहरूका फाइदा र बेफाइदाहरू संक्षिप्त रूपमा प्रस्तुत गर्दछ। अन्तमा, माइक्रोवेभ उत्पादन गर्न फोटोइलेक्ट्रोनको प्रयोगको अर्को फाइदा यो हो कि अप्टिकल सिग्नललाई अप्टिकल फाइबर मार्फत धेरै कम क्षतिमा वितरण गर्न सकिन्छ, प्रत्येक प्रयोग टर्मिनलमा लामो दूरीको प्रसारण र त्यसपछि माइक्रोवेभ सिग्नलहरूमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ, र परम्परागत इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरू भन्दा विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप प्रतिरोध गर्ने क्षमता उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ।
यो लेख लेख्नु मुख्यतया सन्दर्भको लागि हो, र लेखकको आफ्नै अनुसन्धान अनुभव र यस क्षेत्रमा अनुभवसँगै, त्यहाँ अशुद्धता र बुझाइमा कमी छ, कृपया बुझ्नुहोस्।