Միկրոալիքային ազդանշանի առաջացման ներկա իրավիճակը և թեժ կետերը միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկայի մեջ

Միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկա, ինչպես անունն է հուշում, միկրոալիքային վառարանի ևօպտոէլեկտրոնիկա. Միկրոալիքները և լուսային ալիքները էլեկտրամագնիսական ալիքներ են, և հաճախականությունները մեծության տարբեր կարգեր են, և դրանց համապատասխան ոլորտներում մշակված բաղադրիչներն ու տեխնոլոգիաները շատ տարբեր են: Համակցությամբ մենք կարող ենք օգտվել միմյանցից, բայց կարող ենք ստանալ նոր հավելվածներ և բնութագրեր, որոնք համապատասխանաբար դժվար է իրականացնել:

Օպտիկական հաղորդակցությունմիկրոալիքների և ֆոտոէլեկտրոնների համադրության վառ օրինակ է: Վաղ հեռախոսային և հեռագրական անլար կապեր, ազդանշանների առաջացում, տարածում և ընդունում, բոլոր օգտագործված միկրոալիքային սարքերը: Ցածր հաճախականության էլեկտրամագնիսական ալիքները սկզբում օգտագործվում են, քանի որ հաճախականության տիրույթը փոքր է, իսկ հաղորդման ալիքի հզորությունը փոքր է: Լուծումը փոխանցվող ազդանշանի հաճախականության ավելացումն է, որքան հաճախականությունը, այնքան ավելի շատ սպեկտրի ռեսուրսներ: Բայց օդի տարածման կորստի բարձր հաճախականության ազդանշանը մեծ է, բայց նաև հեշտ է արգելափակվել խոչընդոտներով: Եթե ​​մալուխը օգտագործվում է, մալուխի կորուստը մեծ է, և միջքաղաքային փոխանցումը խնդիր է: Այս խնդիրների լավ լուծում է օպտիկական մանրաթելային կապի առաջացումը:Օպտիկական մանրաթելունի փոխանցման շատ ցածր կորուստ և հիանալի կրիչ է երկար հեռավորությունների վրա ազդանշաններ փոխանցելու համար: Լույսի ալիքների հաճախականության տիրույթը շատ ավելի մեծ է, քան միկրոալիքայինը և կարող է միաժամանակ փոխանցել բազմաթիվ տարբեր ալիքներ: Այս առավելությունների պատճառովօպտիկական փոխանցում, օպտիկական մանրաթելային հաղորդակցությունը դարձել է այսօրվա տեղեկատվության փոխանցման ողնաշարը:
Օպտիկական հաղորդակցությունը երկար պատմություն ունի, հետազոտություններն ու կիրառումը շատ ծավալուն և հասուն են, այստեղ ավելին չասեմ: Այս հոդվածը հիմնականում ներկայացնում է միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկայի վերջին տարիների նոր հետազոտական ​​բովանդակությունը, բացի օպտիկական հաղորդակցությունից: Միկրոալիքային օպտոէլեկտրոնիկան հիմնականում օգտագործում է օպտոէլեկտրոնիկայի բնագավառի մեթոդներն ու տեխնոլոգիաները՝ որպես կրիչ՝ բարելավելու և հասնելու կատարողականության և կիրառման, որոնք դժվար է հասնել ավանդական միկրոալիքային էլեկտրոնային բաղադրիչներով: Կիրառման տեսանկյունից այն հիմնականում ներառում է հետևյալ երեք ասպեկտները.
Առաջինը օպտոէլեկտրոնիկայի օգտագործումն է՝ բարձր արդյունավետության, ցածր աղմուկի միկրոալիքային ազդանշաններ ստեղծելու համար՝ X-ի տիրույթից մինչև THz գոտի:
Երկրորդ, միկրոալիքային ազդանշանի մշակում: Ներառյալ ուշացում, զտում, հաճախականության փոխակերպում, ստացում և այլն:
Երրորդ, անալոգային ազդանշանների փոխանցում:

Այս հոդվածում հեղինակը ներկայացնում է միայն առաջին մասը՝ միկրոալիքային ազդանշանի առաջացումը։ Ավանդական միկրոալիքային միլիմետրային ալիքը հիմնականում առաջանում է iii_V միկրոէլեկտրոնային բաղադրիչներից: Դրա սահմանափակումներն ունեն հետևյալ կետերը. Նախ, բարձր հաճախականությունների համար, ինչպիսիք են 100 ԳՀց վերևում, ավանդական միկրոէլեկտրոնիկան կարող է ավելի ու ավելի քիչ էներգիա արտադրել, իսկ ավելի բարձր հաճախականությամբ THz ազդանշանի դեպքում նրանք ոչինչ չեն կարող անել: Երկրորդ, փուլային աղմուկը նվազեցնելու և հաճախականության կայունությունը բարելավելու համար սկզբնական սարքը պետք է տեղադրվի ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի միջավայրում: Երրորդ, դժվար է հասնել հաճախականության մոդուլյացիայի հաճախականության փոխակերպման լայն շրջանակի: Այս խնդիրները լուծելու համար օպտոէլեկտրոնային տեխնոլոգիան կարող է դեր խաղալ։ Հիմնական մեթոդները նկարագրված են ստորև:

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

Գծապատկեր 1. Միկրոալիքների սխեմատիկ դիագրամ, որոնք առաջանում են երկուսի տարբերության հաճախականությամբլազերներ.

Այս մեթոդի առավելություններն են պարզ կառուցվածքը, կարող է առաջացնել չափազանց բարձր հաճախականության միլիմետրային ալիք և նույնիսկ THz հաճախականության ազդանշան, և լազերային հաճախականությունը կարգավորելով կարող է իրականացնել արագ հաճախականության փոխակերպման մեծ տիրույթ, ավլելու հաճախականություն: Թերությունն այն է, որ տարբեր հաճախականությունների ազդանշանի գծի լայնությունը կամ փուլային աղմուկը, որը ստեղծվում է երկու անկապ լազերային ազդանշանների կողմից, համեմատաբար մեծ է, և հաճախականության կայունությունը բարձր չէ, հատկապես, եթե կիսահաղորդչային լազերը փոքր ծավալով, բայց մեծ գծի լայնությամբ (~ ՄՀց) ունի: օգտագործված. Եթե ​​համակարգի քաշի ծավալի պահանջները բարձր չեն, կարող եք օգտագործել ցածր աղմուկի (~ kHz) պինդ վիճակի լազերներ,մանրաթելային լազերներ, արտաքին խոռոչկիսահաղորդչային լազերներԲացի այդ, նույն լազերային խոռոչում գեներացված լազերային ազդանշանների երկու տարբեր ռեժիմներ կարող են օգտագործվել նաև հաճախականության տարբերության առաջացման համար, որպեսզի միկրոալիքային հաճախականության կայունությունը զգալիորեն բարելավվի:

2. Խնդիրը լուծելու համար, որ նախորդ մեթոդով երկու լազերները անհամապատասխան են, և ազդանշանային փուլի աղմուկը չափազանց մեծ է, երկու լազերների միջև համահունչությունը կարելի է ձեռք բերել ներարկման հաճախականության կողպման փուլի կողպման մեթոդով կամ բացասական արձագանքման փուլով: փական միացում. Նկար 2-ը ցույց է տալիս ներարկման կողպման տիպիկ կիրառում միկրոալիքային վառարանների բազմապատիկ առաջացման համար (Նկար 2): Բարձր հաճախականության հոսանքի ազդանշաններն ուղղակիորեն կիսահաղորդչային լազերի մեջ ներարկելով կամ LinBO3-փուլային մոդուլյատոր օգտագործելով՝ կարող են ստեղծվել տարբեր հաճախականությունների մի քանի օպտիկական ազդանշաններ՝ հավասար հաճախականության տարածությամբ, կամ օպտիկական հաճախականության սանրեր: Իհարկե, լայն սպեկտրի օպտիկական հաճախականության սանր ստանալու համար սովորաբար օգտագործվող մեթոդը ռեժիմով կողպված լազերի օգտագործումն է: Ստեղծված օպտիկական հաճախականության սանրում ցանկացած երկու սանր ազդանշան ընտրվում է զտման միջոցով և ներարկվում համապատասխանաբար լազերային 1 և 2՝ համապատասխանաբար հաճախականության և փուլային կողպման համար: Քանի որ օպտիկական հաճախականության սանրի տարբեր սանր ազդանշանների միջև փուլը համեմատաբար կայուն է, այնպես որ երկու լազերների միջև հարաբերական փուլը կայուն է, և այնուհետև տարբեր հաճախականության մեթոդով, ինչպես նկարագրված է նախկինում, բազմապատիկ հաճախականության միկրոալիքային ազդանշանը: կարելի է ձեռք բերել օպտիկական հաճախականության սանրի կրկնության արագություն:

Նկար 2. Միկրոալիքային հաճախականության կրկնապատկման ազդանշանի սխեմատիկ դիագրամ, որը առաջացել է ներարկման հաճախականության կողպման միջոցով:
Երկու լազերների հարաբերական փուլային աղմուկը նվազեցնելու մեկ այլ միջոց է օգտագործել բացասական հետադարձ օպտիկական PLL, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում:

Նկար 3. OPL-ի սխեմատիկ դիագրամ:

Օպտիկական PLL-ի սկզբունքը նման է PLL-ի սկզբունքին էլեկտրոնիկայի ոլորտում: Երկու լազերների փուլային տարբերությունը ֆոտոդետեկտորի միջոցով (համարժեք է ֆազային դետեկտորի) վերածվում է էլեկտրական ազդանշանի, այնուհետև երկու լազերների միջև փուլային տարբերությունը ստացվում է միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուրի հետ հաճախականության տարբերություն ստեղծելով, որն ուժեղացվում է։ և ֆիլտրացված և այնուհետև վերադարձվում է լազերներից մեկի հաճախականության կառավարման միավորին (կիսահաղորդչային լազերների համար դա ներարկման հոսանքն է): Նման բացասական հետադարձ հսկողության օղակի միջոցով երկու լազերային ազդանշանների միջև հարաբերական հաճախականության փուլը կողպվում է հղման միկրոալիքային ազդանշանին: Համակցված օպտիկական ազդանշանն այնուհետև կարող է օպտիկական մանրաթելերի միջոցով փոխանցվել այլ վայրում գտնվող ֆոտոդետեկտորին և վերածվել միկրոալիքային ազդանշանի: Միկրոալիքային ազդանշանի արդյունքում առաջացող փուլային աղմուկը գրեթե նույնն է, ինչ հղման ազդանշանինը՝ փուլային կողպված բացասական հետադարձ կապի հանգույցի թողունակության մեջ: Ֆազային աղմուկը թողունակությունից դուրս հավասար է սկզբնական երկու անկապ լազերների հարաբերական փուլային աղմուկին:
Բացի այդ, հղման միկրոալիքային ազդանշանի աղբյուրը կարող է նաև փոխակերպվել ազդանշանի այլ աղբյուրներով՝ հաճախականության կրկնապատկման, բաժանարար հաճախականության կամ այլ հաճախականության մշակման միջոցով, այնպես որ ցածր հաճախականության միկրոալիքային ազդանշանը կարող է բազմապատկվել կամ վերածվել բարձր հաճախականության RF, THz ազդանշանների:
Համեմատ ներարկման հաճախականության կողպման հետ, կարող է ստանալ միայն հաճախականության կրկնապատկում, փուլային կողպված օղակները ավելի ճկուն են, կարող են արտադրել գրեթե կամայական հաճախականություններ և, իհարկե, ավելի բարդ: Օրինակ, Նկար 2-ում ֆոտոէլեկտրական մոդուլյատորի կողմից ստեղծված օպտիկական հաճախականության սանրը օգտագործվում է որպես լույսի աղբյուր, իսկ օպտիկական փուլով կողպված հանգույցն օգտագործվում է երկու լազերների հաճախականությունը երկու օպտիկական սանրի ազդանշանների վրա ընտրողաբար կողպելու և այնուհետև առաջացնելու համար: բարձր հաճախականության ազդանշաններ տարբեր հաճախականության միջոցով, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4-ում: f1 և f2-ը համապատասխանաբար երկու PLLS ազդանշանային հաճախականություններն են, և N*frep+f1+f2 միկրոալիքային ազդանշան կարող է առաջանալ տարբեր հաճախականությունների միջև: երկու լազեր.

Նկար 4. Օպտիկական հաճախականության սանրերի և PLLS-ի օգտագործմամբ կամայական հաճախականությունների գեներացման սխեմատիկ դիագրամ:

3. Օգտագործեք ռեժիմով կողպված իմպուլսային լազեր՝ օպտիկական իմպուլսային ազդանշանը միկրոալիքային ազդանշանի միջոցով փոխակերպելու համարֆոտոդետեկտոր.

Այս մեթոդի հիմնական առավելությունն այն է, որ կարելի է ազդանշան ստանալ շատ լավ հաճախականության կայունությամբ և շատ ցածր ֆազային աղմուկով: Կողպելով լազերի հաճախականությունը շատ կայուն ատոմային և մոլեկուլային անցումային սպեկտրում, կամ ծայրահեղ կայուն օպտիկական խոռոչի և ինքնակրկնապատկվող հաճախականության վերացման համակարգի հաճախականության տեղաշարժի և այլ տեխնոլոգիաների կիրառմամբ, մենք կարող ենք ստանալ շատ կայուն օպտիկական իմպուլսային ազդանշան: շատ կայուն կրկնության հաճախականություն, որպեսզի միկրոալիքային ազդանշան ստացվի ծայրահեղ ցածր փուլային աղմուկով: Նկար 5.

Նկար 5. Տարբեր ազդանշանների աղբյուրների հարաբերական փուլային աղմուկի համեմատություն:

Այնուամենայնիվ, քանի որ իմպուլսի կրկնման արագությունը հակադարձ համեմատական ​​է լազերի խոռոչի երկարությանը, և ավանդական ռեժիմով կողպված լազերը մեծ է, դժվար է ուղղակիորեն բարձր հաճախականությամբ միկրոալիքային ազդանշաններ ստանալ: Բացի այդ, ավանդական իմպուլսային լազերների չափը, քաշը և էներգիայի սպառումը, ինչպես նաև շրջակա միջավայրի խիստ պահանջները սահմանափակում են դրանց հիմնականում լաբորատոր կիրառությունները: Այս դժվարությունները հաղթահարելու համար վերջերս ԱՄՆ-ում և Գերմանիայում հետազոտություններ են սկսվել՝ օգտագործելով ոչ գծային էֆեկտներ՝ հաճախականության կայուն օպտիկական սանրեր ստեղծելու համար շատ փոքր, բարձրորակ ծլվլոց ռեժիմի օպտիկական խոռոչներում, որոնք իրենց հերթին առաջացնում են բարձր հաճախականության ցածր աղմուկի միկրոալիքային ազդանշաններ:

4. opto էլեկտրոնային oscillator, Նկար 6:

Նկար 6. Ֆոտոէլեկտրական զուգակցված օսլիլատորի սխեմատիկ դիագրամ:

Միկրոալիքների կամ լազերների գեներացման ավանդական մեթոդներից մեկը ինքնահետադարձ փակ օղակի օգտագործումն է, քանի դեռ փակ հանգույցում շահույթն ավելի մեծ է, քան կորուստը, ինքնագրգռված տատանումը կարող է առաջացնել միկրոալիքներ կամ լազերներ: Որքան բարձր է փակ հանգույցի որակի Q գործակիցը, այնքան փոքր է առաջացած ազդանշանի փուլը կամ հաճախականության աղմուկը: Օղակի որակի գործակիցը բարձրացնելու համար ուղղակի ճանապարհը հանգույցի երկարությունը մեծացնելն է և տարածման կորուստը նվազագույնի հասցնելը: Այնուամենայնիվ, ավելի երկար օղակը սովորաբար կարող է աջակցել տատանումների մի քանի եղանակների առաջացմանը, և եթե ավելացվի նեղ թողունակության ֆիլտր, կարող է ստացվել մեկ հաճախականության ցածր աղմուկի միկրոալիքային տատանման ազդանշան: Ֆոտոէլեկտրական զուգակցված օսցիլատորը 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 միկրոալիքային ազդանշան արտադրել շատ ցածր փուլային աղմուկով: Քանի որ մեթոդը առաջարկվել է 1990-ականներին, այս տեսակի օսլիլատորները ստացել են լայնածավալ հետազոտություններ և զգալի զարգացում, և ներկայումս կան առևտրային ֆոտոէլեկտրական զուգակցված տատանիչներ: Վերջերս ստեղծվել են ֆոտոէլեկտրական տատանիչներ, 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) աղմուկը և կրկնակի հաճախականությունը զգալիորեն կավելանան: Բացի այդ, օգտագործվող ֆոտոէլեկտրական բաղադրիչներն ավելի շատ են, արժեքը բարձր է, ծավալը դժվար է նվազեցնել, իսկ ավելի երկար մանրաթելն ավելի զգայուն է շրջակա միջավայրի խանգարումների նկատմամբ:

Վերոնշյալը համառոտ ներկայացնում է միկրոալիքային ազդանշանների ֆոտոէլեկտրոնների առաջացման մի քանի մեթոդներ, ինչպես նաև դրանց առավելություններն ու թերությունները: Ի վերջո, միկրոալիքային վառարան արտադրելու համար ֆոտոէլեկտրոնների օգտագործումը ևս մեկ առավելություն ունի այն, որ օպտիկական ազդանշանը կարող է տարածվել օպտիկական մանրաթելի միջոցով շատ ցածր կորստով, հեռավորության վրա փոխանցվելով յուրաքանչյուր օգտագործման տերմինալին և այնուհետև վերածվել միկրոալիքային ազդանշանների և էլեկտրամագնիսականին դիմակայելու կարողության։ միջամտությունը զգալիորեն բարելավվել է, քան ավանդական էլեկտրոնային բաղադրիչները:
Այս հոդվածի գրելը հիմնականում հղման նպատակով է, և այս ոլորտում հեղինակի սեփական հետազոտական ​​փորձի և փորձի հետ միասին կան անճշտություններ և անհասկանալիություն, խնդրում եմ հասկանալ: