איצטיקע סיטואַציע און הייסע פלעקן פון מייקראַווייוו סיגנאַל דזשענעריישאַן אין מייקראַווייוו אָפּטאָעלעקטראָניק

מייקראַווייוו אָפּטאָעלעקטראָניק, ווי דער נאמען זאגט, איז די קנופּפונקט פון מייקראַוועוו אוןאָפּטאָעלעקטראָניקמייקראַוועוון און ליכט כוואַליעס זענען עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס, און די פרעקווענצן זענען פיל אָרדערס פון מאַגניטוד אַנדערש, און די קאָמפּאָנענטן און טעכנאָלאָגיעס וואָס זענען דעוועלאָפּעד אין זייערע ריספּעקטיוו פעלדער זענען זייער אַנדערש. אין קאָמבינאַציע, קענען מיר נוצן איינער דעם אַנדערן, אָבער מיר קענען באַקומען נייַע אַפּלאַקיישאַנז און קעראַקטעריסטיקס וואָס זענען שווער צו דערגרייכן ריספּעקטיוולי.

אָפּטישע קאָמוניקאַציעאיז א גוטער ביישפיל פון דער קאמבינאציע פון ​​מייקראכוועוון און פאטאעלעקטראנען. פריע טעלעפאן און טעלעגראף דראטלאזע קאמוניקאציעס, די דזשענעראציע, פארשפרייטונג און אויפנעמונג פון סיגנאלן, האבן אלע גענוצט מייקראכוועוון דעווייסעס. נידעריגע פרעקווענץ עלעקטראמאגנעטישע כוואליעס ווערן גענוצט אנפאנגס ווייל די פרעקווענץ קייט איז קליין און די קאנאל קאפאציטעט פאר טראנסמיסיע איז קליין. די לייזונג איז צו פארגרעסערן די פרעקווענץ פון די טראנסמיטירטע סיגנאל, די העכער די פרעקווענץ, די מער ספּעקטרום רעסורסן. אבער די הויך-פרעקווענץ סיגנאל אין די לופט פארשפרייטונג פארלוסטן זענען גרויס, אבער אויך גרינג צו ווערן בלאקירט דורך שטערונגען. אויב מען נוצט א קאבל, איז דער פארלוסט פון די קאבל גרויס, און לאנג-דיסטאנץ טראנסמיסיע איז א פראבלעם. די אויפקום פון אפטישע פיברע קאמוניקאציע איז א גוטע לייזונג צו די פראבלעמען.אָפּטישע פֿאַזערהאט זייער נידעריגע טראַנסמיסיע פארלוסט און איז אן אויסגעצייכנטער טרעגער פארן טראַנסמיטירן סיגנאַלן איבער לאַנגע דיסטאַנסן. די אָפטקייט קייט פון ליכט כוואַליעס איז פיל גרעסער ווי די פון מייקראַווייווז און קען טראַנסמיטירן פילע פאַרשידענע קאַנאַלן סיימאַלטייניאַסלי. צוליב די מעלות פוןאָפּטישע טראַנסמיסיע, אָפּטישע פיברע קאָמוניקאַציע איז געוואָרן דער רוקן-ביין פון היינטיקער אינפֿאָרמאַציע טראַנסמיסיע.
אפּטישע קאָמוניקאַציע האט אַ לאַנגע געשיכטע, די פאָרשונג און אַפּליקאַציע זענען זייער ברייט און רייף, דאָ איז נישט צו זאָגן מער. די פּאַפּיר שטעלט פאָר די נייע פאָרשונג אינהאַלט פון מייקראַווייוו אָפּטאָעלעקטראָניק אין די לעצטע יאָרן אַחוץ אָפּטישע קאָמוניקאַציע. מייקראַווייוו אָפּטאָעלעקטראָניק ניצט די מעטאָדן און טעכנאָלאָגיעס אין די פעלד פון אָפּטאָעלעקטראָניק ווי אַ טרעגער צו פֿאַרבעסערן און דערגרייכן די פאָרשטעלונג און אַפּליקאַציע וואָס זענען שווער צו דערגרייכן מיט טראַדיציאָנעלע מייקראַווייוו עלעקטראָנישע קאָמפּאָנענטן. פֿון דער פּערספּעקטיוו פון אַפּליקאַציע, עס כולל די פאלגענדע דריי אַספּעקטן.
דער ערשטער איז די נוצן פון אָפּטאָעלעקטראָניק צו דזשענערירן הויך-פאָרשטעלונג, נידעריק-ראַש מייקראַווייוו סיגנאַלן, פון די X-באַנד ביז די THz באַנד.
צווייטנס, מייקראַוועוו סיגנאַל פּראַסעסינג. אַרייַנגערעכנט פאַרהאַלטונג, פֿילטערינג, אָפטקייַט קאַנווערזשאַן, ריסיווינג און אַזוי ווייטער.
דריטנס, די טראַנסמיסיע פון ​​אַנאַלאָג סיגנאַלן.

אין דעם אַרטיקל, שטעלט דער מחבר נאָר פֿאָר דעם ערשטן טייל, די דזשענעריישאַן פֿון אַ מיקראָוועלע סיגנאַל. טראַדיציאָנעלע מיקראָוועלע מילימעטער כוואַליע ווערט דער עיקר דזשענערירט דורך iii_V מיקראָעלעקטראָניק קאָמפּאָנענטן. אירע לימיטאַציעס האָבן די פֿאָלגנדיקע פּונקטן: ערשטנס, צו הויכע פֿרעקווענצן ווי 100GHz און העכער, קען טראַדיציאָנעלע מיקראָעלעקטראָניק פּראָדוצירן ווייניקער און ווייניקער מאַכט, און צו אַ העכערער פֿרעקווענץ THz סיגנאַל קענען זיי גאָרנישט טאָן. צווייטנס, כּדי צו רעדוצירן פֿאַזע ראַש און פֿאַרבעסערן פֿרעקווענץ סטאַביליטעט, דאַרף דער אָריגינעלער מיטל געשטעלט ווערן אין אַן עקסטרעם נידעריק טעמפּעראַטור סביבה. דריטנס, איז שווער צו דערגרייכן אַ ברייט קייט פֿון פֿרעקווענץ מאָדולאַציע פֿרעקווענץ קאָנווערסיע. כּדי צו סאָלווען די פּראָבלעמען, קען אָפּטאָעלעקטראָניק טעכנאָלאָגיע שפּילן אַ ראָלע. די הויפּט מעטאָדן ווערן באַשריבן אונטן.

1. דורך די אונטערשייד פרעקווענץ פון צוויי פארשידענע פרעקווענץ לייזער סיגנאלן, ווערט א הויך-פרעקווענץ פאטאדעטעקטאר גענוצט צו פארוואנדלען מייקראכוועוו סיגנאלן, ווי געוויזן אין פיגור 1.

פיגור 1. סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​מייקראַווייווז דזשענערייטאַד דורך די דיפערענץ אָפטקייַט פון צוויילייזערס.

די מעלות פון דעם מעטאָד זענען פּשוט סטרוקטור, קען דזשענערירן גאָר הויך-פרעקווענץ מילימעטער כוואַליע און אפילו THz פרעקווענץ סיגנאַל, און דורך אַדזשאַסטינג די פרעקווענץ פון די לייזער קען דורכפירן אַ גרויס קייט פון שנעל פרעקווענץ קאַנווערזשאַן, סוויפּ פרעקווענץ. דער חסרון איז אַז די ליניעברייט אָדער פאַזע ראַש פון די דיפערענס פרעקווענץ סיגנאַל דזשענערייטאַד דורך צוויי נישט-פֿאַרבונדענע לייזער סיגנאַלן איז לעפיערעך גרויס, און די פרעקווענץ פעסטקייט איז נישט הויך, ספּעציעל אויב אַ האַלב-קאָנדוקטאָר לייזער מיט אַ קליין באַנד אָבער אַ גרויס ליניעברייט (~MHz) איז געניצט. אויב די סיסטעם וואָג באַנד רעקווירעמענץ זענען נישט הויך, איר קענען נוצן נידעריק ראַש (~kHz) האַרט-שטאַט לייזערס,פיבער לייזערס, אויסערלעכע קאַוואַטיהאַלב-קאָנדוקטאָר לייזערס, אאז"וו. דערצו, צוויי פארשידענע מאָדעס פון לאַזער סיגנאַלן דזשענערייטאַד אין דער זעלביקער לאַזער קאַוואַטי קענען אויך זיין געניצט צו דזשענערירן אַ חילוק אָפטקייַט, אַזוי אַז די מייקראַווייוו אָפטקייַט סטאַביליטעט פאָרשטעלונג איז שטארק פֿאַרבעסערט.

2. כדי צו לייזן דאס פראבלעם אז די צוויי לאזערס אין דעם פריערדיגן מעטאד זענען נישט קאכערענט און דער סיגנאל פאזע גערויש וואס ווערט גענערירט איז צו גרויס, קען מען באקומען די קאכערענץ צווישן די צוויי לאזערס דורך דעם אינדזשעקציע פרעקווענץ לאקינג פאזע לאקינג מעטאד אדער דעם נעגאטיווע צוריק-פידבעק פאזע לאקינג קרייז. פיגור 2 ווייזט א טיפישע אנווענדונג פון אינדזשעקציע לאקינג צו גענערירן מייקראוועוו מולטיפלס (פיגור 2). דורך דירעקט אינדזשעקטירן הויך פרעקווענץ שטראם סיגנאלן אין א האלב-קאנדוקטאר לאזער, אדער דורך ניצן א LinBO3-פאזע מאדולאטאר, קען מען גענערירן קייפל אפטישע סיגנאלן פון פארשידענע פרעקווענציעס מיט גלייכע פרעקווענץ ספעיסינג, אדער אפטישע פרעקווענץ קאמבס. נאטירלעך, די געווענליך גענוצטע מעטאד צו באקומען א ברייט-ספעקטרום אפטישע פרעקווענץ קאמב איז צו ניצן א מאד-געשלאסענע לאזער. יעדע צוויי קאמב סיגנאלן אין דעם גענערירטן אפטישן פרעקווענץ קאמב ווערן אויסגעקליבן דורך פילטערן און אינדזשעקטירט אין לאזערס 1 און 2 בהתאמה צו רעאליזירן פרעקווענץ און פאזע לאקינג בהתאמה. ווייל די פאזע צווישן די פארשידענע קאמב סיגנאלן פון דעם אפטישן פרעקווענץ קאמב איז רעלאטיוו סטאביל, אזוי אז די רעלאטיווע פאזע צווישן די צוויי לאזערס איז סטאביל, און דערנאך דורך דעם מעטאד פון דיפערענץ פרעקווענץ ווי פריער באשריבן, קען מען באקומען דעם מולטי-פאכיגן פרעקווענץ מייקראוועוו סיגנאל פון דעם אפטישן פרעקווענץ קאמב איבערחזר ראטע.

פיגור 2. סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​מייקראַוועוו פרעקווענץ פארדאפלונג סיגנאַל דזשענערייטאַד דורך ינדזשעקשאַן פרעקווענץ לאַקינג.
נאך א וועג צו רעדוצירן דעם רעלאטיוון פאזע ראַש פון די צוויי לאַזערס איז צו נוצן א נעגאַטיוו פידבעק אָפּטישן PLL, ווי געוויזן אין פיגור 3.

פיגור 3. סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​OPL.

דער פּרינציפּ פֿון אָפּטישער PLL איז ענלעך צו דעם פֿון PLL אין עלעקטראָניק. דער פֿאַזע־אונטערשייד פֿון די צוויי לאַזערס ווערט פֿאַרוואַנדלט אין אַן עלעקטרישן סיגנאַל דורך אַ פֿאָטאָדעטעקטאָר (עקוויוואַלענט צו אַ פֿאַזע־דעטעקטאָר), און דערנאָך ווערט דער פֿאַזע־אונטערשייד צווישן די צוויי לאַזערס באַקומען דורך מאַכן אַ אונטערשייד־פֿרעקווענץ מיט אַ רעפֿערענץ־מייקראָוועוו־סיגנאַל־מקור, וואָס ווערט פֿאַרשטאַרקט און פֿילטרירט און דערנאָך צוריקגעפֿירט צו דער פֿרעקווענץ־קאָנטראָל־איינהייט פֿון איינעם פֿון די לאַזערס (פֿאַר האַלב־קאָנדוקטאָר־לאַזערס איז דאָס דער אינדזשעקשאַן־שטראָם). דורך אַזאַ נעגאַטיוון פֿידבעק־קאָנטראָל־שליסל ווערט די רעלאַטיווע פֿרעקווענץ־פֿאַזע צווישן די צוויי לאַזערס־סיגנאַלן פֿאַרשפּאַרט צום רעפֿערענץ־מייקראָוועוו־סיגנאַל. דער קאָמבינירטער אָפּטישער סיגנאַל קען דערנאָך ווערן טראַנסמיטירט דורך אָפּטישע פֿאַזערס צו אַ פֿאָטאָדעטעקטאָר אַנדערשוואו און פֿאַרוואַנדלט אין אַ מייקראָווועוו־סיגנאַל. דער רעזולטאַט־פֿאַזע־ראַש פֿון דעם מייקראָווועוו־סיגנאַל איז כּמעט די זעלבע ווי דער פֿון דעם רעפֿערענץ־סיגנאַל אין דער באַנדברייט פֿון דער פֿאַזע־פֿאַרשפּאַרטער נעגאַטיווער פֿידבעק־שליסל. דער פֿאַזע־ראַש אַרויס פֿון דער באַנדברייט איז גלייך צום רעלאַטיוון פֿאַזע־ראַש פֿון די אָריגינעלע צוויי נישט־פֿאַרבונדענע לאַזערס.
דערצו, קען די רעפערענץ מייקראַוועוו סיגנאַל מקור אויך ווערן קאָנווערטירט דורך אַנדערע סיגנאַל מקורים דורך פרעקווענץ דאָפּלינג, דיווייזער פרעקווענץ, אָדער אַנדערע פרעקווענץ פּראַסעסינג, אַזוי אַז די נידעריקער פרעקווענץ מייקראַוועוו סיגנאַל קען ווערן מולטידאָפּאַלד, אָדער קאָנווערטירט צו הויך-פרעקווענץ RF, THz סיגנאַלן.
קאַמפּערד צו אינדזשעקשאַן פרעקווענץ לאַקינג קען נאָר באַקומען פרעקווענץ דאַבאַלינג, פאַסע-לאַקט שלייפן זענען מער פלעקסאַבאַל, קענען פּראָדוצירן כּמעט אַרביטרער פרעקווענץ, און פון קורס מער קאָמפּליצירט. למשל, דער אָפּטישער פרעקווענץ קאַם דזשענערייטאַד דורך די פאָטאָעלעקטריק מאָדולאַטאָר אין פיגור 2 ווערט גענוצט ווי די ליכט מקור, און דער אָפּטישער פאַסע-לאַקט שלייפן ווערט גענוצט צו סעלעקטיוולי לאַקינג די פרעקווענץ פון די צוויי לייזערס צו די צוויי אָפּטישע קאַם סיגנאַלן, און דאַן דזשענערירן הויך-פרעקווענץ סיגנאַלן דורך די דיפערענס פרעקווענץ, ווי געוויזן אין פיגור 4. f1 און f2 זענען די רעפערענץ סיגנאַל פרעקווענץ פון די צוויי PLLS ריספּעקטיוולי, און אַ מייקראַווייוו סיגנאַל פון N*frep+f1+f2 קען זיין דזשענערייטאַד דורך די דיפערענס פרעקווענץ צווישן די צוויי לייזערס.

פיגור 4. סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​דזשענערירן אַרביטראַרע פרעקווענצן ניצן אָפּטישע פרעקווענץ קאָומס און PLLS.

3. ניצן מאָדע-פארשפארט פּולס לאַזער צו קאָנווערטירן אָפּטיש פּולס סיגנאַל אין מייקראַווייוו סיגנאַל דורךפאָטאָדעטעקטאָר.

דער הויפּט מעלה פון דעם מעטאָד איז אַז מען קען באַקומען אַ סיגנאַל מיט זייער גוטע פרעקווענץ סטאַביליטעט און זייער נידעריקע פאַזע ראַש. דורך פֿאַרשפּאַרן די פרעקווענץ פֿון דעם לייזער צו אַ זייער סטאַבילן אַטאָמישן און מאָלעקולאַרן איבערגאַנג ספּעקטרום, אָדער אַן עקסטרעם סטאַבילן אָפּטישן קאַוואַטי, און די נוצן פֿון זיך-פֿאַרדאָפּלטן פרעקווענץ עלימינאַציע סיסטעם פרעקווענץ שיפֿט און אַנדערע טעכנאָלאָגיעס, קענען מיר באַקומען אַ זייער סטאַבילן אָפּטישן פּולס סיגנאַל מיט אַ זייער סטאַבילן איבערחזר פרעקווענץ, אַזוי צו באַקומען אַ מייקראַווייוו סיגנאַל מיט גאָר נידעריקן פאַזע ראַש. פֿיגור 5.

פיגור 5. פארגלייך פון רעלאטיווע פאזע ראַש פון פארשידענע סיגנאַל קוועלער.

אבער, ווייל די פּולס איבערחזר ראטע איז אומקערלעך פראפארציאנעל צו דער קאַוואַטי לענג פון די לייזער, און דער טראדיציאנעלער מאָדע-פארשלאסענער לייזער איז גרויס, איז שווער צו באַקומען הויך-פרעקווענץ מייקראַווייוו סיגנאַלן גלייך. אין דערצו, די גרייס, וואָג און ענערגיע קאַנסאַמשאַן פון טראדיציאנעלע פּולסעד לייזערס, ווי אויך די שטרענגע סביבה רעקווייערמענץ, באַגרענעצן זייער הויפּטזעכלעך לאַבאָראַטאָריע אַפּלאַקיישאַנז. צו באַקומען די שוועריקייטן, האט פאָרשונג לעצטנס אנגעהויבן אין די פאַרייניקטע שטאַטן און דייַטשלאַנד ניצן ניט-לינעאַר יפעקץ צו דזשענערייט אָפטקייַט-סטאַביל אָפּטישע קאָומז אין זייער קליינע, הויך-קוואַליטעט טשירפּ מאָדע אָפּטישע קאַוואַטיעס, וואָס אין קער דזשענערייט הויך-פרעקווענץ נידעריק-ראַש מייקראַווייוו סיגנאַלן.

4. אָפּטאָ עלעקטראָנישער אָסילאַטאָר, פיגור 6.

פיגור 6. סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​פאָטאָעלעקטריש קאַפּאַלד אָסילאַטאָר.

איינע פון ​​די טראדיציאנעלע מעטאדן פון דזשענערירן מייקראַוועוון אדער לאַזערס איז צו נוצן א זעלבסט-פידבעק פארמאכטן שלייף, אזוי לאנג ווי דער געווינס אין דעם פארמאכטן שלייף איז גרעסער ווי דער פארלוסט, קען די זעלבסט-אויפגערייטע אסצילאציע פראדוצירן מייקראַוועוון אדער לאַזערס. ווי העכער דער קוואַליטעט פאַקטאָר Q פון דעם פארמאכטן שלייף, אַלץ קלענער דער דזשענערירטער סיגנאַל פאַזע אדער פרעקווענץ ראַש. כּדי צו פארגרעסערן דעם קוואַליטעט פאַקטאָר פון דעם שלייף, איז דער דירעקטער וועג צו פארגרעסערן די שלייף לענג און מינימיזירן דעם פארשפרייטונג פארלוסט. אבער, א לענגערער שלייף קען געווענליך שטיצן די דזשענעריישאַן פון קייפל מאָדעס פון אסצילאציע, און אויב מען לייגט צו א שמאָל-באַנדווידט פילטער, קען מען באַקומען א איין-פרעקווענץ נידעריק-ראַש מייקראַוועוון אסצילאציע סיגנאַל. פאָטאָעלעקטריש קאַפּאַלד אָסצילאַטאָר איז א מייקראַוועוון סיגנאַל מקור באַזירט אויף דעם געדאַנק, עס נוצט גאָר אויס די נידעריקע פארשפרייטונג פארלוסט קעראַקטעריסטיקס פון די פיברע, ניצנדיק א לענגערער פיברע צו פארבעסערן דעם שלייף Q ווערט, קען מען פראדוצירן א מייקראַוועוון סיגנאַל מיט זייער נידעריקן פאַזע ראַש. זינט דער מעטאָד איז פארגעשלאגן געוואָרן אין די 1990ער יאָרן, האט דעם טיפּ אָסצילאַטאָר באַקומען ברייטע פאָרשונג און באַטייטיקע אַנטוויקלונג, און עס זענען איצט קאמערציעלע פאָטאָעלעקטריש קאַפּאַלד אָסצילאַטאָרן. לעצטנס, זענען פאטאעלעקטרישע אסילאטארן וועמענס פרעקווענצן קענען ווערן צוגעפאסט איבער א ברייטן קייט אנטוויקלט געווארן. די הויפט פראבלעם פון מייקראכוועוו סיגנאל קוועלער באזירט אויף דעם ארכיטעקטור איז אז די שלייף איז לאנג, און דער גערויש אין איר פרייען פלוס (FSR) און איר דאפעלטער פרעקווענץ וועט ווערן באדייטנד פארגרעסערט. דערצו, די פאטאעלעקטרישע קאמפאנענטן וואס ווערן גענוצט זענען מער, די קאסטן איז הויך, דער פארנעם איז שווער צו רעדוצירן, און די לענגערע פיברע איז מער סענסיטיוו צו אומגעבונגס שטערונג.

דאָס אויבנדערמאָנטע שטעלט קורץ פֿאָר עטלעכע מעטאָדן פֿון פֿאָטאָלעקטראָן דזשענעריישאַן פֿון מיקראָוועלע סיגנאַלן, ווי אויך זייערע מעלות און חסרונות. צום סוף, די נוצֿונג פֿון פֿאָטאָלעקטראָנען צו פּראָדוצירן מיקראָוועלע האט נאָך אַ מעלה, אַז דער אָפּטישער סיגנאַל קען ווערן פֿאַרשפּרייט דורך די אָפּטישע פֿאַזער מיט זייער נידעריקן פֿאַרלוסט, לאַנג-דיסטאַנץ טראַנסמיסיע צו יעדן נוצֿונג טערמינאַל און דערנאָך קאָנווערטירט אין מיקראָוועלע סיגנאַלן, און די מעגלעכקייט צו אַנטקעגנשטעלן זיך עלעקטראָמאַגנעטישע שטערונג איז באַדייטנד פֿאַרבעסערט ווי טראַדיציאָנעלע עלעקטראָנישע קאָמפּאָנענטן.
דאס שרייבן פון דעם ארטיקל איז בעיקר פאר רעפערענץ, און צוזאמען מיט דעם מחבר'ס אייגענע פארשונגס-ערפארונג און עקספיריענס אין דעם פעלד, זענען דא אומרעכטיקייטן און אומפארשטענדלעכקייטן, ביטע פארשטייט.