Örbylgjuofnsljósleiðni, eins og nafnið gefur til kynna, er skurðpunktur örbylgjuofns ogljósfræðileg rafeindatækniÖrbylgjur og ljósbylgjur eru rafsegulbylgjur og tíðnin er margvísleg og íhlutirnir og tæknin sem þróaðar eru á viðkomandi sviðum eru mjög ólík. Í sameiningu getum við nýtt okkur hvort annað en fengið ný notkunarsvið og eiginleika sem erfitt er að útfæra.
Sjónræn samskiptier gott dæmi um samsetningu örbylgju og ljósrafeinda. Snemma notuðu þráðlaus síma- og símskeytasamskipti, myndun, útbreiðslu og móttöku merkja, öll örbylgjutæki. Lágtíðni rafsegulbylgjur voru upphaflega notaðar vegna þess að tíðnisviðið er lítið og rásargetan fyrir sendingu er lítil. Lausnin er að auka tíðni sendimerkisins, því hærri sem tíðnin er, því meiri litrófsauðlindir. En tapið á útbreiðslu hátíðnimerkis í lofti er mikið, en einnig auðvelt að hindra það. Ef kapall er notaður er tapið á kaplinum mikið og langdrægar sendingar eru vandamál. Tilkoma ljósleiðarasamskipta er góð lausn á þessum vandamálum.Ljósleiðarihefur mjög lítið tap á sendingu og er frábær burðarefni til að senda merki yfir langar vegalengdir. Tíðnisvið ljósbylgna er miklu stærra en örbylgna og getur sent margar mismunandi rásir samtímis. Vegna þessara kostaljósleiðsla, ljósleiðarasamskipti hafa orðið burðarás upplýsingaflutnings nútímans.
Sjónræn samskipti eiga sér langa sögu, rannsóknir og notkun eru mjög umfangsmiklar og þroskaðar, hér er ekki meira sagt. Þessi grein kynnir aðallega nýtt rannsóknarefni á sviði örbylgjuljóstækni á undanförnum árum, fyrir utan ljósfræðileg samskipti. Örbylgjuljóstækni notar aðallega aðferðir og tækni á sviði ljóstækni sem burðarefni til að bæta og ná fram afköstum og notkun sem erfitt er að ná með hefðbundnum örbylgjuofna rafeindabúnaði. Frá sjónarhóli notkunar felur hún aðallega í sér eftirfarandi þrjá þætti.
Hið fyrra er notkun ljósfræðilegra rafeindabúnaðar til að mynda afkastamikil og lágsuð örbylgjumerki, allt frá X-bandinu upp í THz bandið.
Í öðru lagi, örbylgjumerkjavinnsla. Þar á meðal seinkun, síun, tíðnibreyting, móttaka og svo framvegis.
Í þriðja lagi, sending hliðrænna merkja.
Í þessari grein kynnir höfundurinn aðeins fyrsta hlutann, myndun örbylgjumerkis. Hefðbundnar örbylgjubylgjur með millimetra eru aðallega myndaðar af iii_V örrafeindabúnaði. Takmarkanir hennar eru eftirfarandi: Í fyrsta lagi, við háar tíðnir eins og 100GHz og hærri, geta hefðbundnar örrafeindabúnaðir framleitt minna og minna afl, og við hærri tíðni THz merkja geta þær ekkert gert. Í öðru lagi, til að draga úr fasahávaða og bæta tíðnistöðugleika, þarf að setja upprunalega tækið í umhverfi með afar lágu hitastigi. Í þriðja lagi er erfitt að ná fram breiðu svið tíðnimótunar. Til að leysa þessi vandamál getur ljósfræðileg tækni gegnt hlutverki. Helstu aðferðirnar eru lýstar hér að neðan.
1. Með því að nota mismunartíðni tveggja leysigeislamerkja með mismunandi tíðni er hátíðni ljósnemi notaður til að umbreyta örbylgjumerkjum, eins og sýnt er á mynd 1.
Mynd 1. Skýringarmynd af örbylgjum sem myndast við mismunartíðni tveggjaleysir.
Kostir þessarar aðferðar eru einföld uppbygging, hægt er að mynda mjög háa tíðni millímetrabylgju og jafnvel THz tíðnimerki, og með því að stilla tíðni leysigeislans er hægt að framkvæma breitt svið af hraðri tíðnibreytingu, sveiflutíðni. Ókosturinn er að línubreidd eða fasahávaði mismunartíðnimerkisins sem myndast af tveimur ótengdum leysigeislum er tiltölulega mikill og tíðnistöðugleiki er ekki hár, sérstaklega ef notaður er hálfleiðaraleysir með lítið rúmmál en mikla línubreidd (~MHz). Ef kröfur um þyngd kerfisins eru ekki miklar er hægt að nota lágt hávaða (~kHz) fastfasaleysira.trefjalaserar, ytra holrýmihálfleiðara leysir, o.s.frv. Að auki er einnig hægt að nota tvo mismunandi stillingar leysimerkja sem myndast í sama leysiholinu til að mynda mismunandi tíðni, þannig að stöðugleiki örbylgjutíðni batnar til muna.
2. Til að leysa vandamálið með að tveir leysir í fyrri aðferðinni eru ósamfelldir og merkjafasahávaðinn sem myndast er of mikill, er hægt að ná samfellunni milli leysiranna tveggja með fasalæsingaraðferð með innspýtingartíðni eða fasalæsingarrás með neikvæðri afturvirkri afturvirkni. Mynd 2 sýnir dæmigerða notkun innspýtingarlæsingar til að mynda örbylgjumargfeldi (Mynd 2). Með því að sprauta hátíðni straummerkjum beint inn í hálfleiðara leysir, eða með því að nota LinBO3-fasa mótara, er hægt að mynda mörg ljósmerki með mismunandi tíðni og jöfnu tíðnibili, eða ljóstíðnigembur. Að sjálfsögðu er algengasta aðferðin til að fá breitt ljóstíðnigemb að nota hamlæstan leysi. Tvö greiðumerki í myndaða ljóstíðnigembinu eru valin með síun og sprautuð inn í leysi 1 og 2 til að ná fram tíðni- og fasalæsingu. Vegna þess að fasinn milli mismunandi greiðumerkja ljóstíðnigembsins er tiltölulega stöðugur, þannig að hlutfallslegur fasi milli leysiranna tveggja er stöðugur, og síðan með aðferð mismunartíðni eins og lýst er áður, er hægt að fá margfalda tíðni örbylgjumerki endurtekningartíðni ljóstíðnigembsins.
Mynd 2. Skýringarmynd af tvöföldunarmerki örbylgjutíðni sem myndast með læsingu á innspýtingartíðni.
Önnur leið til að draga úr hlutfallslegu fasahávaða leysinganna tveggja er að nota neikvæða afturvirka ljósleiðara-PLL, eins og sýnt er á mynd 3.
Mynd 3. Skýringarmynd af OPL.
Meginreglan á bak við ljósleiðara-PLL er svipuð og PLL á sviði rafeindatækni. Fasamismunurinn á milli leysanna tveggja er breytt í rafmagnsmerki með ljósnema (jafngildir fasaskynjara) og síðan er fasamismunurinn á milli leysanna tveggja fenginn með því að búa til mismunartíðni með viðmiðunarörbylgjumerkisgjafa, sem er magnaður og síaður og síðan sendur aftur til tíðnistýringareiningar annars leysanna (fyrir hálfleiðara-leysara er það innspýtingarstraumurinn). Í gegnum slíka neikvæða afturvirka stýrilykkju er hlutfallslegur tíðnifasi milli leysarmerkjanna tveggja læstur við viðmiðunarörbylgjumerkið. Sameinaða ljósmerkið er síðan hægt að senda í gegnum ljósleiðara til ljósnema annars staðar og breyta í örbylgjumerki. Fasahávaðinn sem myndast í örbylgjumerkinu er næstum sá sami og viðmiðunarmerkið innan bandvíddar fasalæstu neikvæðu afturvirku lykkjunnar. Fasahávaðinn utan bandvíddarinnar er jafn hlutfallslegur fasahávaðinn í upprunalegu tveimur ótengdum leysurum.
Að auki er einnig hægt að umbreyta viðmiðunarörbylgjumerkisgjafanum með öðrum merkjagjöfum með tíðnitvöföldun, deilitíðni eða annarri tíðnivinnslu, þannig að hægt sé að margfalda örbylgjumerkið með lægri tíðni eða breyta því í hátíðni RF og THz merki.
Í samanburði við innspýtingartíðni er aðeins hægt að fá tvöföldun á tíðninni, en fasalæstar lykkjur eru sveigjanlegri, geta framleitt nánast handahófskenndar tíðnir og eru auðvitað flóknari. Til dæmis er ljóstíðnisgambið sem myndast af ljósrafmótaranum á mynd 2 notað sem ljósgjafi, og ljósfasalæsta lykkjan er notuð til að læsa tíðni leysanna tveggja sértækt við ljósgambimerkin tvö og mynda síðan hátíðnimerki í gegnum mismunartíðnina, eins og sýnt er á mynd 4. f1 og f2 eru viðmiðunarmerkjatíðni PLLS-anna tveggja, og örbylgjumerkið N*frep+f1+f2 er hægt að mynda með mismunartíðninni milli leysanna tveggja.
Mynd 4. Skýringarmynd af því að mynda handahófskenndar tíðnir með ljóstíðniskambi og PLLS.
3. Notið læstan púlsleysir til að umbreyta sjónrænum púlsmerkjum í örbylgjumerki í gegnumljósnemi.
Helsti kosturinn við þessa aðferð er að hægt er að fá merki með mjög góðum tíðnistöðugleika og mjög lágum fasahávaða. Með því að læsa tíðni leysigeislans við mjög stöðugt atóm- og sameindaumskiptaróf, eða afar stöðugt ljóshol, og með því að nota sjálftvöföldunar tíðniútrýmingarkerfi og aðra tækni, getum við fengið mjög stöðugt ljóspúlsmerki með mjög stöðugri endurtekningartíðni, þannig að örbylgjumerki með afar lágum fasahávaða fæst. Mynd 5.
Mynd 5. Samanburður á hlutfallslegum fasahávaða mismunandi merkjagjafa.
Hins vegar, þar sem púlsendurtekningartíðnin er í öfugu hlutfalli við lengd holrýmisins í leysigeislanum, og hefðbundinn stilltur leysigeisli er stór, er erfitt að fá hátíðni örbylgjumerki beint. Þar að auki takmarka stærð, þyngd og orkunotkun hefðbundinna púlsaðra leysigeisla, sem og erfiðar umhverfiskröfur, notkun þeirra aðallega í rannsóknarstofum. Til að sigrast á þessum erfiðleikum hafa rannsóknir nýlega hafist í Bandaríkjunum og Þýskalandi með því að nota ólínuleg áhrif til að búa til tíðnistöðuga ljósleiðara í mjög litlum, hágæða chirp-stillingu ljósleiðaraholum, sem aftur mynda hátíðni lág-suð örbylgjumerki.
4. ljósleiðari með rafeindasveiflu, mynd 6.
Mynd 6. Skýringarmynd af ljóstengdum sveiflujöfnum.
Ein af hefðbundnu aðferðunum til að framleiða örbylgjur eða leysigeisla er að nota sjálfsendurgjöf lokaða lykkju. Svo lengi sem hagnaðurinn í lokaða lykkjunni er meiri en tapið getur sjálfsörvuð sveifla framleitt örbylgjur eða leysigeisla. Því hærri sem gæðastuðullinn Q í lokaða lykkjunni er, því minni er myndað fasa- eða tíðnisuð. Til að auka gæðastuðul lykkjunnar er bein leið að auka lengd lykkjunnar og lágmarka útbreiðslutap. Hins vegar getur lengri lykkja venjulega stutt myndun margra sveifluhamna, og ef bætt er við þröngbandssíu er hægt að fá örbylgjusveiflumerki með einni tíðni og lágu hávaða. Ljósvirkur tengdur sveiflari er örbylgjumerkjagjafi byggður á þessari hugmynd og nýtir sér lágt útbreiðslutap ljósleiðarans til fulls. Með því að nota lengri ljósleiðara til að bæta Q gildi lykkjunnar er hægt að framleiða örbylgjumerki með mjög lágu fasasuði. Frá því að aðferðin var lögð til á tíunda áratugnum hefur þessi tegund sveiflara verið rannsökuð og þroskuð, og nú eru til ljósvirkir tengdir sveiflarar í verslunum. Nýlega hafa verið þróaðir ljósrafsegulbylgjur sem hægt er að stilla tíðni yfir breitt svið. Helsta vandamálið með örbylgjumerkjagjöfum sem byggja á þessari arkitektúr er að lykkjan er löng og hávaðinn í frjálsu flæði (FSR) og tvöfaldri tíðni eykst verulega. Að auki eru ljósrafsegulíhlutirnir sem notaðir eru fleiri, kostnaðurinn mikill, rúmmálið erfitt að minnka og lengri trefjar eru viðkvæmari fyrir umhverfisröskunum.
Hér að ofan eru kynntar stuttlega nokkrar aðferðir til að framleiða örbylgjumerki með ljósrafeindum, sem og kosti og galla þeirra. Að lokum hefur notkun ljósrafeinda til að framleiða örbylgjur annan kost, þ.e. að hægt er að dreifa ljósmerkinu í gegnum ljósleiðarann með mjög litlu tapi, langdrægri sendingu til hvers notkunartækis og síðan umbreyta því í örbylgjumerki, og hæfni þess til að standast rafsegultruflanir er verulega bætt samanborið við hefðbundna rafeindabúnaði.
Ritun þessarar greinar er aðallega til viðmiðunar og ásamt eigin rannsóknarreynslu og reynslu höfundar á þessu sviði eru ónákvæmni og óskiljanleiki, vinsamlegast skiljið.
Birtingartími: 3. janúar 2024