Միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկայում միկրոալիքային ազդանշանների առաջացման ներկայիս վիճակը և թեժ կետերը

Միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկա, ինչպես անունն է հուշում, միկրոալիքային վառարանի ևօպտոէլեկտրոնիկաՄիկրոալիքային և լուսային ալիքները էլեկտրամագնիսական ալիքներ են, և հաճախականությունները մեծության բազմաթիվ կարգերով տարբեր են, և համապատասխան ոլորտներում մշակված բաղադրիչներն ու տեխնոլոգիաները շատ տարբեր են։ Համակցելով՝ մենք կարող ենք օգտվել միմյանցից, բայց կարող ենք ստանալ նոր կիրառություններ և բնութագրեր, որոնք համապատասխանաբար դժվար է իրականացնել։

Օպտիկական կապՄիկրոալիքային և ֆոտոէլեկտրոնային ճառագայթների համադրության վառ օրինակ է: Վաղ հեռախոսային և հեռագրական անլար կապի մեջ, ազդանշանների առաջացումը, տարածումը և ընդունումը, բոլորն էլ օգտագործում էին միկրոալիքային սարքեր: Սկզբում օգտագործվում էին ցածր հաճախականության էլեկտրամագնիսական ալիքներ, քանի որ հաճախականության տիրույթը փոքր է, և փոխանցման ալիքի թողունակությունը փոքր է: Լուծումը փոխանցվող ազդանշանի հաճախականությունը մեծացնելն է, որքան բարձր է հաճախականությունը, այնքան շատ սպեկտրի ռեսուրսներ: Սակայն բարձր հաճախականության ազդանշանի օդային տարածման կորուստը մեծ է, բայց նաև հեշտությամբ կարող է խցանվել խոչընդոտներով: Եթե օգտագործվում է մալուխ, մալուխի կորուստը մեծ է, և երկար հեռավորության վրա փոխանցումը խնդիր է: Օպտիկամանրաթելային կապի ի հայտ գալը լավ լուծում է այս խնդիրների համար:Օպտիկական մանրաթելունի շատ ցածր փոխանցման կորուստ և հիանալի կրող է երկար հեռավորությունների վրա ազդանշաններ փոխանցելու համար: Լույսի ալիքների հաճախականության դիապազոնը շատ ավելի մեծ է, քան միկրոալիքայիններինը և կարող է միաժամանակ փոխանցել բազմաթիվ տարբեր ալիքներ: Այս առավելությունների պատճառովօպտիկական փոխանցում, օպտիկամանրաթելային կապը դարձել է այսօրվա տեղեկատվության փոխանցման հիմքը։
Օպտիկական կապը երկար պատմություն ունի, հետազոտություններն ու կիրառությունները շատ լայնածավալ և հասուն են, ավելին ասելու կարիք չկա։ Այս հոդվածը հիմնականում ներկայացնում է միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկայի վերջին տարիներին կատարված նոր հետազոտական ​​բովանդակությունը՝ բացի օպտիկական կապից։ Միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկան հիմնականում օգտագործում է օպտոէլեկտրոնիկայի ոլորտում առկա մեթոդներն ու տեխնոլոգիաները որպես կրող՝ բարելավելու և հասնելու այնպիսի կատարողականության և կիրառման, որոնք դժվար է հասնել ավանդական միկրոալիքային էլեկտրոնային բաղադրիչներով։ Կիրառման տեսանկյունից այն հիմնականում ներառում է հետևյալ երեք ասպեկտները։
Առաջինը օպտոէլեկտրոնիկայի օգտագործումն է՝ X-դիապազոնից մինչև THz դիապազոն բարձր արդյունավետությամբ, ցածր աղմուկով միկրոալիքային ազդանշաններ ստեղծելու համար։
Երկրորդ՝ միկրոալիքային ազդանշանի մշակում։ Ներառյալ ուշացումը, ֆիլտրացումը, հաճախականության փոխակերպումը, ընդունումը և այլն։
Երրորդ՝ անալոգային ազդանշանների փոխանցումը։

Այս հոդվածում հեղինակը ներկայացնում է միայն առաջին մասը՝ միկրոալիքային ազդանշանի առաջացումը: Ավանդական միկրոալիքային միլիմետրային ալիքը հիմնականում ստեղծվում է iii_V միկրոէլեկտրոնային բաղադրիչների կողմից: Դրա սահմանափակումներն են հետևյալը. նախ, բարձր հաճախականությունների դեպքում, ինչպիսիք են 100 ԳՀց-ից բարձր հաճախականությունները, ավանդական միկրոէլեկտրոնիկան կարող է արտադրել ավելի ու ավելի քիչ հզորություն, իսկ բարձր հաճախականությունների դեպքում՝ THz ազդանշանի դեպքում, նրանք ոչինչ չեն կարող անել: երկրորդ, փուլային աղմուկը նվազեցնելու և հաճախականության կայունությունը բարելավելու համար սկզբնական սարքը պետք է տեղադրվի չափազանց ցածր ջերմաստիճանի միջավայրում: երրորդ, դժվար է հասնել հաճախականության մոդուլյացիայի լայն տիրույթի հաճախականության փոխակերպման: Այս խնդիրները լուծելու համար օպտոէլեկտրոնային տեխնոլոգիան կարող է դեր խաղալ: Հիմնական մեթոդները նկարագրված են ստորև:

1. Երկու տարբեր հաճախականության լազերային ազդանշանների տարբեր հաճախականության միջոցով, բարձր հաճախականության լուսադետեկտորն օգտագործվում է միկրոալիքային ազդանշանները փոխակերպելու համար, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում:

Նկար 1. Երկու տարբեր հաճախականությունների միջոցով առաջացած միկրոալիքային ճառագայթումների սխեմատիկ դիագրամլազերներ.

Այս մեթոդի առավելություններն են պարզ կառուցվածքը, կարող է առաջացնել չափազանց բարձր հաճախականության միլիմետրային ալիք և նույնիսկ ՏՀց հաճախականության ազդանշան, և լազերի հաճախականությունը կարգավորելով՝ կարելի է իրականացնել արագ հաճախականության փոխակերպման լայն տիրույթ, սկանավորման հաճախականություն: Թերությունն այն է, որ երկու անկապ լազերային ազդանշանների կողմից առաջացած տարբերության հաճախականության ազդանշանի գծի լայնությունը կամ փուլային աղմուկը համեմատաբար մեծ է, և հաճախականության կայունությունը բարձր չէ, հատկապես, եթե օգտագործվում է փոքր ծավալով, բայց մեծ գծի լայնությամբ (~MHz) կիսահաղորդչային լազեր: Եթե համակարգի քաշի ծավալի պահանջները բարձր չեն, կարող եք օգտագործել ցածր աղմուկով (~kHz) պինդ վիճակի լազերներ:մանրաթելային լազերներ, արտաքին խոռոչկիսահաղորդչային լազերներ, և այլն: Բացի այդ, նույն լազերային խոռոչում առաջացած լազերային ազդանշանների երկու տարբեր ռեժիմներ նույնպես կարող են օգտագործվել տարբեր հաճախականություն ստեղծելու համար, որպեսզի միկրոալիքային հաճախականության կայունության աշխատանքը զգալիորեն բարելավվի:

2. Նախորդ մեթոդում երկու լազերների անհամատեղելիության և առաջացած ազդանշանի փուլային աղմուկի չափազանց մեծ լինելու խնդիրը լուծելու համար երկու լազերների միջև համահունչությունը կարելի է ստանալ ներարկման հաճախականության կողպման փուլային կողպման մեթոդով կամ բացասական հետադարձ կապի փուլային կողպման սխեմայով: Նկար 2-ը ցույց է տալիս ներարկման կողպման տիպիկ կիրառումը՝ միկրոալիքային բազմապատիկներ ստեղծելու համար (Նկար 2): Բարձր հաճախականության հոսանքի ազդանշանները կիսահաղորդչային լազերի մեջ ուղղակիորեն ներարկելով կամ LinBO3-փուլային մոդուլյատոր օգտագործելով՝ կարելի է ստեղծել տարբեր հաճախականությունների բազմակի օպտիկական ազդանշաններ՝ հավասար հաճախականային միջակայքով, կամ օպտիկական հաճախականության սանրեր: Իհարկե, լայն սպեկտրի օպտիկական հաճախականության սանր ստանալու համար սովորաբար օգտագործվող մեթոդը ռեժիմային կողպմամբ լազերի օգտագործումն է: Ստեղծված օպտիկական հաճախականության սանրում ցանկացած երկու սանրային ազդանշաններ ընտրվում են զտման միջոցով և ներարկվում համապատասխանաբար 1 և 2 լազերների մեջ՝ համապատասխանաբար հաճախականության և փուլային կողպում իրականացնելու համար: Քանի որ օպտիկական հաճախականության սանրի տարբեր սանրային ազդանշանների միջև փուլը համեմատաբար կայուն է, այնպես որ երկու լազերների միջև հարաբերական փուլը կայուն է, ապա նախկինում նկարագրված տարբերության հաճախականության մեթոդով կարելի է ստանալ օպտիկական հաճախականության սանրի կրկնության արագության բազմակի հաճախականության միկրոալիքային ազդանշան:

Նկար 2. Միկրոալիքային հաճախականության կրկնապատկման ազդանշանի սխեմատիկ դիագրամ, որը ստեղծվել է ներարկման հաճախականության արգելափակման միջոցով։
Երկու լազերների հարաբերական փուլային աղմուկը նվազեցնելու մեկ այլ միջոց է բացասական հետադարձ կապի օպտիկական PLL-ի օգտագործումը, ինչպես ցույց է տրված նկար 3-ում։

Նկար 3. OPL-ի սխեմատիկ դիագրամ։

Օպտիկական PLL-ի սկզբունքը նման է էլեկտրոնիկայի ոլորտում PLL-ի սկզբունքին: Երկու լազերների փուլային տարբերությունը լուսադետեկտորի միջոցով վերածվում է էլեկտրական ազդանշանի (համարժեք է փուլային դետեկտորի), ապա երկու լազերների միջև փուլային տարբերությունը ստացվում է՝ միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուրի հետ տարբեր հաճախականություն ստեղծելով, որը ուժեղացվում և ֆիլտրվում է, ապա հետ է փոխանցվում լազերներից մեկի հաճախականության կառավարման բլոկին (կիսահաղորդչային լազերների համար դա ներարկման հոսանքն է): Նման բացասական հետադարձ կապի կառավարման օղակի միջոցով երկու լազերային ազդանշանների միջև հարաբերական հաճախականության փուլը ամրագրվում է հղման միկրոալիքային ազդանշանին: Այնուհետև համակցված օպտիկական ազդանշանը կարող է օպտիկական մանրաթելերի միջոցով փոխանցվել այլուր գտնվող լուսադետեկտորի և վերածվել միկրոալիքային ազդանշանի: Միկրոալիքային ազդանշանի արդյունքում առաջացող փուլային աղմուկը գրեթե նույնն է, ինչ փուլային ամրագրմամբ բացասական հետադարձ կապի օղակի թողունակության մեջ գտնվող հղման ազդանշանին: Թողունակությունից դուրս փուլային աղմուկը հավասար է երկու սկզբնական անկապ լազերների հարաբերական փուլային աղմուկին:
Բացի այդ, հղման միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուրը կարող է նաև փոխակերպվել այլ ազդանշանային աղբյուրների կողմից՝ հաճախականության կրկնապատկման, բաժանարար հաճախականության կամ հաճախականության այլ մշակման միջոցով, որպեսզի ցածր հաճախականության միկրոալիքային ազդանշանը կարողանա բազմապատկվել կամ փոխակերպվել բարձր հաճախականության ռադիոհաճախականության, ՏՀց ազդանշանների։
Ինեկցիոն հաճախականության կողպումը համեմատած ներարկման հաճախականության կողպման հետ կարող է ապահովել միայն հաճախականության կրկնապատկում, փուլային կողպված օղակները ավելի ճկուն են, կարող են ստեղծել գրեթե կամայական հաճախականություններ և, իհարկե, ավելի բարդ են: Օրինակ, նկար 2-ում պատկերված ֆոտոէլեկտրական մոդուլյատորի կողմից ստեղծված օպտիկական հաճախականության սանրը օգտագործվում է որպես լույսի աղբյուր, իսկ օպտիկական փուլային կողպված օղակը օգտագործվում է երկու լազերների հաճախականությունը ընտրողաբար կողպելու երկու օպտիկական սանրային ազդանշանների վրա, ապա տարբերության հաճախականության միջոցով բարձր հաճախականության ազդանշաններ ստեղծելու համար, ինչպես ցույց է տրված նկար 4-ում: f1-ը և f2-ը համապատասխանաբար երկու PLLS-ների հղման ազդանշանային հաճախականություններն են, և N*frep+f1+f2 միկրոալիքային ազդանշանը կարող է ստեղծվել երկու լազերների միջև տարբերության հաճախականությունից:

Նկար 4. Օպտիկական հաճախականության սանրերի և PLLS-ի միջոցով կամայական հաճախականությունների ստեղծման սխեմատիկ դիագրամ:

3. Օգտագործեք ռեժիմով կողպված իմպուլսային լազեր՝ օպտիկական իմպուլսային ազդանշանը միկրոալիքային ազդանշանի փոխակերպելու համար՝լուսադետեկտոր.

Այս մեթոդի հիմնական առավելությունն այն է, որ կարելի է ստանալ շատ լավ հաճախականության կայունությամբ և շատ ցածր փուլային աղմուկով ազդանշան։ Լազերի հաճախականությունը շատ կայուն ատոմային և մոլեկուլային անցումային սպեկտրի կամ չափազանց կայուն օպտիկական խոռոչի վրա ֆիքսելով և ինքնակրկնապատկվող հաճախականության վերացման համակարգի հաճախականության տեղաշարժի և այլ տեխնոլոգիաների կիրառմամբ, մենք կարող ենք ստանալ շատ կայուն օպտիկական իմպուլսային ազդանշան՝ շատ կայուն կրկնության հաճախականությամբ, որպեսզի ստանանք միկրոալիքային ազդանշան՝ գերցածր փուլային աղմուկով։ Նկար 5։

Նկար 5. Տարբեր ազդանշանային աղբյուրների հարաբերական փուլային աղմուկի համեմատություն։

Սակայն, քանի որ իմպուլսային կրկնության արագությունը հակադարձ համեմատական ​​է լազերի խոռոչի երկարությանը, իսկ ավանդական ռեժիմով կողպված լազերը մեծ է, դժվար է անմիջապես ստանալ բարձր հաճախականության միկրոալիքային ազդանշաններ: Բացի այդ, ավանդական իմպուլսային լազերների չափը, քաշը և էներգիայի սպառումը, ինչպես նաև խիստ շրջակա միջավայրի պահանջները սահմանափակում են դրանց հիմնականում լաբորատոր կիրառությունները: Այս դժվարությունները հաղթահարելու համար վերջերս Միացյալ Նահանգներում և Գերմանիայում սկսվել են հետազոտություններ՝ օգտագործելով ոչ գծային էֆեկտներ՝ շատ փոքր, բարձրորակ ճռռացող ռեժիմով օպտիկական խոռոչներում հաճախականության կայուն օպտիկական սանրեր ստեղծելու համար, որոնք իրենց հերթին առաջացնում են բարձր հաճախականության ցածր աղմուկով միկրոալիքային ազդանշաններ:

4. օպտոէլեկտրոնային օսցիլյատոր, նկար 6։

Նկար 6. Ֆոտոէլեկտրական միացված օսցիլյատորի սխեմատիկ դիագրամ։

Միկրոալիքային ճառագայթումներ կամ լազերներ ստեղծելու ավանդական մեթոդներից մեկը ինքնահետադարձ փակ օղակի օգտագործումն է, քանի դեռ փակ օղակում ուժեղացումը մեծ է կորստից, ինքնագրգռված տատանումը կարող է առաջացնել միկրոալիքային ճառագայթներ կամ լազերներ: Որքան բարձր է փակ օղակի որակի գործակից Q-ն, այնքան փոքր է առաջացած ազդանշանի փուլային կամ հաճախականային աղմուկը: Շրջանակի որակի գործակիցը մեծացնելու համար ուղիղ ճանապարհը օղակի երկարությունը մեծացնելն ու տարածման կորուստը նվազագույնի հասցնելն է: Այնուամենայնիվ, ավելի երկար օղակը սովորաբար կարող է աջակցել տատանման բազմաթիվ ռեժիմների ստեղծմանը, և եթե ավելացվի նեղ շերտային ֆիլտր, կարելի է ստանալ մեկ հաճախականությամբ ցածր աղմուկով միկրոալիքային տատանման ազդանշան: Ֆոտոէլեկտրական միացված օսցիլյատորը միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուր է, որը հիմնված է այս գաղափարի վրա, այն լիովին օգտագործում է մանրաթելի ցածր տարածման կորստի բնութագրերը, օգտագործելով ավելի երկար մանրաթել՝ օղակի Q արժեքը բարելավելու համար, կարող է ստեղծել միկրոալիքային ազդանշան շատ ցածր փուլային աղմուկով: Մեթոդի 1990-ականներին առաջարկվելուց ի վեր, այս տեսակի օսցիլյատորը լայնածավալ հետազոտություններ և զգալի զարգացում է ստացել, և ներկայումս կան առևտրային ֆոտոէլեկտրական միացված օսցիլյատորներ: Վերջերս մշակվել են ֆոտոէլեկտրական օսցիլյատորներ, որոնց հաճախականությունները կարող են կարգավորվել լայն տիրույթում: Այս ճարտարապետության վրա հիմնված միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուրների հիմնական խնդիրն այն է, որ օղակը երկար է, և դրա ազատ հոսքի (FSR) և դրա կրկնակի հաճախականության աղմուկը զգալիորեն կաճի: Բացի այդ, օգտագործվող ֆոտոէլեկտրական բաղադրիչները ավելի շատ են, արժեքը բարձր է, ծավալը դժվար է նվազեցնել, և ավելի երկար մանրաթելն ավելի զգայուն է շրջակա միջավայրի ազդեցությունների նկատմամբ:

Վերոնշյալը համառոտ ներկայացնում է միկրոալիքային ազդանշանների ֆոտոէլեկտրոնային ստեղծման մի քանի մեթոդներ, ինչպես նաև դրանց առավելություններն ու թերությունները: Վերջապես, ֆոտոէլեկտրոնների օգտագործումը միկրոալիքային ճառագայթում ստանալու համար ունի ևս մեկ առավելություն. օպտիկական ազդանշանը կարող է տարածվել օպտիկական մանրաթելի միջոցով շատ ցածր կորուստներով, երկար հեռավորության վրա փոխանցվել յուրաքանչյուր օգտագործման տերմինալին, այնուհետև վերածվել միկրոալիքային ազդանշանների, և էլեկտրամագնիսական միջամտությանը դիմակայելու ունակությունը զգալիորեն բարելավված է ավանդական էլեկտրոնային բաղադրիչների համեմատ:
Այս հոդվածը գրելը հիմնականում հղման համար է, և հեղինակի սեփական հետազոտական ​​փորձի և այս ոլորտում ունեցած փորձի հետ մեկտեղ, կան անճշտություններ և անհասկանալիություններ, խնդրում եմ հասկացեք։