마이크로파 광전자공학는 이름에서 알 수 있듯이 전자레인지와 전자레인지의 교차점입니다.광전자공학. 마이크로파와 광파는 전자기파이고, 주파수도 수십 배씩 다르며, 각 분야에서 개발되는 부품과 기술도 매우 다릅니다. 결합하면 서로 장점을 얻을 수 있지만 각각 실현하기 어려운 새로운 용도와 특성을 얻을 수 있습니다.
광통신마이크로파와 광전자의 결합의 대표적인 예입니다. 초기 전화 및 전신 무선 통신, 신호 생성, 전파 및 수신 등은 모두 마이크로파 장치를 사용했습니다. 저주파 전자파는 처음에는 주파수 범위가 작고 전송을 위한 채널 용량이 작기 때문에 사용됩니다. 해결책은 전송되는 신호의 주파수를 높이는 것입니다. 주파수가 높을수록 스펙트럼 리소스도 많아집니다. 그러나 공기 전파 손실의 고주파 신호는 크지만 장애물에 의해 차단되기 쉽습니다. 케이블을 사용하면 케이블의 손실이 크고, 장거리 전송이 문제가 된다. 광섬유 통신의 출현은 이러한 문제에 대한 좋은 해결책입니다.광섬유전송 손실이 매우 낮으며 장거리 신호 전송에 탁월한 캐리어입니다. 광파의 주파수 범위는 마이크로파의 주파수 범위보다 훨씬 크며 다양한 채널을 동시에 전송할 수 있습니다. 이러한 장점 때문에광전송, 광섬유 통신은 오늘날 정보 전송의 중추가 되었습니다.
광통신은 오랜 역사를 가지고 있으며, 연구와 응용은 매우 광범위하고 성숙되어 있습니다. 여기서 더 말할 것도 없습니다. 본 논문에서는 광통신 외에 최근 마이크로파 광전자공학의 새로운 연구 내용을 주로 소개한다. 마이크로파 광전자공학은 주로 광전자공학 분야의 방법과 기술을 캐리어로 사용하여 전통적인 마이크로파 전자 부품으로는 달성하기 어려운 성능과 응용을 개선하고 달성합니다. 적용 관점에서 볼 때 주로 다음 세 가지 측면을 포함합니다.
첫 번째는 광전자공학을 사용하여 X 대역부터 THz 대역까지 고성능, 저잡음 마이크로파 신호를 생성하는 것입니다.
둘째, 마이크로파 신호 처리입니다. 지연, 필터링, 주파수 변환, 수신 등을 포함합니다.
셋째, 아날로그 신호의 전송입니다.
이 기사에서 저자는 첫 번째 부분인 마이크로파 신호 생성만 소개합니다. 전통적인 마이크로파 밀리미터파는 주로 iii_V 마이크로전자 부품에 의해 생성됩니다. 그 한계는 다음과 같습니다. 첫째, 100GHz 이상의 고주파수에 대해 기존 마이크로 전자공학은 점점 더 적은 전력을 생산할 수 있으며, 더 높은 주파수의 THz 신호에 대해서는 아무 것도 할 수 없습니다. 둘째, 위상 잡음을 줄이고 주파수 안정성을 향상시키기 위해 원래 장치를 극도로 낮은 온도 환경에 배치해야 합니다. 셋째, 광범위한 주파수 변조 주파수 변환을 달성하기가 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광전자 기술이 중요한 역할을 할 수 있습니다. 주요 방법은 아래에 설명되어 있습니다.
1. 그림 1과 같이 두 개의 서로 다른 주파수 레이저 신호의 주파수 차이를 통해 고주파 광검출기를 사용하여 마이크로파 신호를 변환합니다.
그림 1. 두 개의 주파수 차이에 의해 생성된 마이크로파의 개략도레이저.
이 방법의 장점은 구조가 간단하고 매우 높은 주파수의 밀리미터파 및 THz 주파수 신호를 생성할 수 있으며 레이저의 주파수를 조정하여 넓은 범위의 빠른 주파수 변환, 스위프 주파수를 수행할 수 있다는 것입니다. 단점은 관련되지 않은 두 개의 레이저 신호에 의해 생성된 차주파수 신호의 선폭이나 위상 잡음이 상대적으로 크고, 주파수 안정성이 높지 않다는 점이다. 특히 부피는 작지만 선폭(~MHz)이 큰 반도체 레이저의 경우 사용된. 시스템 중량 요구 사항이 높지 않은 경우 저소음(~kHz) 고체 레이저를 사용할 수 있습니다.섬유 레이저, 외부 공동반도체 레이저또한, 동일한 레이저 공동에서 생성된 레이저 신호의 두 가지 다른 모드를 사용하여 차이 주파수를 생성할 수도 있으므로 마이크로파 주파수 안정성 성능이 크게 향상됩니다.
2. 이전 방법의 두 레이저가 불일치하고 생성된 신호 위상 잡음이 너무 크다는 문제를 해결하기 위해 두 레이저 간의 일관성은 주입 주파수 고정 위상 고정 방법 또는 네거티브 피드백 위상을 통해 얻을 수 있습니다. 잠금 회로. 그림 2는 마이크로파 배수를 생성하기 위한 주입 잠금의 일반적인 적용을 보여줍니다(그림 2). 고주파 전류 신호를 반도체 레이저에 직접 주입하거나 LinBO3 위상 변조기를 사용하여 동일한 주파수 간격으로 서로 다른 주파수의 여러 광 신호를 생성하거나 광 주파수 빗을 생성할 수 있습니다. 물론, 넓은 스펙트럼의 광주파수 빗을 얻기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 모드 잠금 레이저를 사용하는 것입니다. 생성된 광 주파수 빗의 임의의 두 빗살 신호는 필터링을 통해 선택되고 각각 레이저 1과 레이저 2에 주입되어 각각 주파수 및 위상 고정을 실현합니다. 광 주파수 빗의 서로 다른 빗 신호 사이의 위상이 상대적으로 안정적이기 때문에 두 레이저 사이의 상대 위상이 안정적이며 앞서 설명한 것과 같이 주파수 차이 방법을 사용하여 다중 주파수 마이크로파 신호를 얻을 수 있습니다. 광주파수 빗 반복률을 얻을 수 있습니다.
그림 2. 주입 주파수 잠금에 의해 생성된 마이크로파 주파수 배가 신호의 개략도.
두 레이저의 상대적 위상 잡음을 줄이는 또 다른 방법은 그림 3과 같이 네거티브 피드백 광학 PLL을 사용하는 것입니다.
그림 3. OPL의 개략도.
광학 PLL의 원리는 전자 분야의 PLL과 유사합니다. 두 레이저의 위상차를 광검출기(위상검출기와 동일)에 의해 전기신호로 변환한 후, 기준 마이크로파 신호원으로 차주파수를 만들어 두 레이저의 위상차를 구하고 이를 증폭시킨다. 필터링한 다음 레이저 중 하나의 주파수 제어 장치로 피드백합니다(반도체 레이저의 경우 주입 전류임). 이러한 네거티브 피드백 제어 루프를 통해 두 레이저 신호 사이의 상대 주파수 위상이 기준 마이크로파 신호에 고정됩니다. 결합된 광 신호는 광섬유를 통해 다른 곳의 광검출기로 전송되어 마이크로파 신호로 변환될 수 있습니다. 마이크로파 신호의 결과적인 위상 잡음은 위상 고정 네거티브 피드백 루프의 대역폭 내에서 기준 신호의 위상 잡음과 거의 동일합니다. 대역폭 외부의 위상 잡음은 관련되지 않은 원래 두 레이저의 상대적 위상 잡음과 같습니다.
또한 기준 마이크로파 신호 소스는 주파수 배가, 제수 주파수 또는 기타 주파수 처리를 통해 다른 신호 소스에 의해 변환될 수도 있으므로 저주파 마이크로파 신호는 다중 배가되거나 고주파 RF, THz 신호로 변환될 수 있습니다.
주입 주파수 고정은 주파수 두 배만 얻을 수 있는 반면, 위상 고정 루프는 더 유연하고 거의 임의의 주파수를 생성할 수 있으며 물론 더 복잡합니다. 예를 들어, 그림 2의 광전 변조기에 의해 생성된 광 주파수 빗을 광원으로 사용하고, 광 위상 고정 루프를 사용하여 두 레이저의 주파수를 두 개의 광 빗살 신호에 선택적으로 고정한 다음 생성합니다. f1과 f2는 각각 두 PLLS의 기준 신호 주파수이고, 두 PLLS의 차이 주파수에 의해 N*frep+f1+f2의 마이크로파 신호가 생성될 수 있습니다. 레이저 두 개.
그림 4. 광 주파수 빗 및 PLLS를 사용하여 임의 주파수를 생성하는 개략도.
3. 모드 잠금 펄스 레이저를 사용하여 광 펄스 신호를 마이크로파 신호로 변환합니다.광검출기.
이 방법의 가장 큰 장점은 주파수 안정성이 매우 우수하고 위상 잡음이 매우 낮은 신호를 얻을 수 있다는 것입니다. 레이저의 주파수를 매우 안정적인 원자 및 분자 전이 스펙트럼 또는 매우 안정적인 광 공동에 고정하고 자기 배가 주파수 제거 시스템 주파수 편이 및 기타 기술을 사용하여 매우 안정적인 광 펄스 신호를 얻을 수 있습니다. 매우 안정적인 반복 주파수를 통해 위상 잡음이 매우 낮은 마이크로파 신호를 얻을 수 있습니다. 그림 5.
그림 5. 다양한 신호 소스의 상대적 위상 잡음 비교
그러나 펄스 반복률은 레이저의 공동 길이에 반비례하고 기존 모드 잠금 레이저는 크기 때문에 고주파 마이크로파 신호를 직접 얻기가 어렵습니다. 또한 기존 펄스 레이저의 크기, 무게, 에너지 소비량은 물론 가혹한 환경 요구 사항으로 인해 주로 실험실 응용 분야가 제한됩니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 최근 미국과 독일에서 비선형 효과를 사용하여 매우 작은 고품질 처프 모드 광 공동에서 주파수 안정 광 빗살을 생성하는 연구가 시작되었으며, 이는 결국 고주파수 저잡음 마이크로파 신호를 생성합니다.
4. 광전자 발진기, 그림 6.
그림 6. 광전 결합 발진기의 개략도.
마이크로파 또는 레이저를 생성하는 전통적인 방법 중 하나는 자체 피드백 폐쇄 루프를 사용하는 것입니다. 폐쇄 루프의 이득이 손실보다 크면 자체 여기 진동이 마이크로파 또는 레이저를 생성할 수 있습니다. 폐루프의 품질 계수 Q가 높을수록 생성된 신호 위상 또는 주파수 잡음은 작아집니다. 루프의 품질 인자를 높이기 위한 직접적인 방법은 루프 길이를 늘리고 전파 손실을 최소화하는 것입니다. 그러나 더 긴 루프는 일반적으로 여러 발진 모드의 생성을 지원할 수 있으며, 좁은 대역폭 필터를 추가하면 단일 주파수 저잡음 마이크로파 발진 신호를 얻을 수 있습니다. 광전 결합 발진기는 이 아이디어를 기반으로 한 마이크로파 신호 소스로, 광섬유의 낮은 전파 손실 특성을 최대한 활용하고 더 긴 광섬유를 사용하여 루프 Q 값을 개선하고 위상 잡음이 매우 낮은 마이크로파 신호를 생성할 수 있습니다. 1990년대에 이 방법이 제안된 이후 이러한 유형의 발진기는 광범위한 연구와 상당한 개발을 거쳤으며 현재 상용 광전 결합 발진기가 있습니다. 최근에는 넓은 범위에 걸쳐 주파수를 조정할 수 있는 광전 발진기가 개발되었습니다. 이 아키텍처를 기반으로 하는 마이크로파 신호 소스의 주요 문제점은 루프가 길고 자유 흐름(FSR)의 노이즈와 이중 주파수가 크게 증가한다는 것입니다. 또한, 사용되는 광전 부품이 더 많고 비용이 높으며 부피를 줄이기 어렵고 섬유가 길수록 환경 교란에 더 민감합니다.
위 내용에서는 마이크로파 신호의 광전자 생성에 대한 여러 가지 방법과 그 장점과 단점을 간략하게 소개합니다. 마지막으로, 광전자를 사용하여 마이크로파를 생성하는 것은 또 다른 장점이 있는데, 광신호를 광섬유를 통해 매우 낮은 손실로 분배할 수 있고, 각 사용 단말까지 장거리 전송한 후 마이크로파 신호로 변환할 수 있으며, 전자파에 저항하는 능력이 있다는 것이다. 기존 전자 부품보다 간섭이 크게 개선되었습니다.
이 글은 주로 참고용으로 작성되었으며, 저자 자신의 해당 분야 연구 경험과 경험이 결합되어 부정확하고 이해가 어려운 부분이 있으니 양해해 주시기 바랍니다.
게시 시간: 2024년 1월 3일