माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में माइक्रोवेव सिग्नल उत्पादन की वर्तमान स्थिति और हॉट स्पॉट

माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सजैसा कि नाम से पता चलता है, यह माइक्रोवेव और का प्रतिच्छेदन हैOptoelectronicsमाइक्रोवेव और प्रकाश तरंगें विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, और आवृत्तियाँ परिमाण के कई क्रम भिन्न हैं, और उनके संबंधित क्षेत्रों में विकसित घटक और प्रौद्योगिकियाँ बहुत भिन्न हैं। संयोजन में, हम एक दूसरे का लाभ उठा सकते हैं, लेकिन हम क्रमशः नए अनुप्रयोग और विशेषताएँ प्राप्त कर सकते हैं जिन्हें महसूस करना मुश्किल है।

ऑप्टिकल संचारमाइक्रोवेव और फोटोइलेक्ट्रॉन के संयोजन का एक प्रमुख उदाहरण है। प्रारंभिक टेलीफोन और टेलीग्राफ वायरलेस संचार, संकेतों की पीढ़ी, प्रसार और प्राप्ति, सभी में माइक्रोवेव उपकरणों का उपयोग किया गया था। कम आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग शुरू में किया जाता है क्योंकि आवृत्ति रेंज छोटी होती है और संचरण के लिए चैनल क्षमता छोटी होती है। समाधान प्रेषित संकेत की आवृत्ति को बढ़ाना है, जितनी अधिक आवृत्ति, उतने अधिक स्पेक्ट्रम संसाधन। लेकिन हवा में उच्च आवृत्ति संकेत प्रसार हानि बड़ी है, लेकिन बाधाओं द्वारा अवरुद्ध होना भी आसान है। यदि केबल का उपयोग किया जाता है, तो केबल का नुकसान बड़ा होता है, और लंबी दूरी का संचरण एक समस्या है। ऑप्टिकल फाइबर संचार का उद्भव इन समस्याओं का एक अच्छा समाधान है।प्रकाशित तंतुइसमें बहुत कम संचरण हानि होती है और यह लंबी दूरी पर संकेतों को प्रेषित करने के लिए एक उत्कृष्ट वाहक है। प्रकाश तरंगों की आवृत्ति रेंज माइक्रोवेव की तुलना में बहुत अधिक है और एक साथ कई अलग-अलग चैनलों को प्रसारित कर सकती है। इन लाभों के कारणऑप्टिकल ट्रांसमिशनऑप्टिकल फाइबर संचार आज सूचना प्रसारण की रीढ़ बन गया है।
ऑप्टिकल संचार का इतिहास बहुत पुराना है, अनुसंधान और अनुप्रयोग बहुत व्यापक और परिपक्व हैं, यहाँ अधिक कहने की आवश्यकता नहीं है। यह पत्र मुख्य रूप से ऑप्टिकल संचार के अलावा हाल के वर्षों में माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की नई शोध सामग्री का परिचय देता है। माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स मुख्य रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में विधियों और प्रौद्योगिकियों का उपयोग वाहक के रूप में करता है ताकि पारंपरिक माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ प्राप्त करना मुश्किल प्रदर्शन और अनुप्रयोग को बेहतर बनाया जा सके और प्राप्त किया जा सके। आवेदन के दृष्टिकोण से, इसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन पहलू शामिल हैं।
पहला तरीका है ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके एक्स-बैंड से लेकर टीएचजेड बैंड तक उच्च-प्रदर्शन, कम शोर वाले माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करना।
दूसरा, माइक्रोवेव सिग्नल प्रोसेसिंग। इसमें विलंब, फ़िल्टरिंग, आवृत्ति रूपांतरण, प्राप्ति आदि शामिल हैं।
तीसरा, एनालॉग सिग्नल का प्रसारण।

इस लेख में, लेखक केवल पहले भाग, माइक्रोवेव सिग्नल की पीढ़ी का परिचय देता है। पारंपरिक माइक्रोवेव मिलीमीटर तरंग मुख्य रूप से iii_V माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकों द्वारा उत्पन्न होती है। इसकी सीमाएँ निम्नलिखित बिंदु हैं: सबसे पहले, 100GHz से ऊपर की उच्च आवृत्तियों पर, पारंपरिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स कम और कम शक्ति का उत्पादन कर सकते हैं, उच्च आवृत्ति THz सिग्नल के लिए, वे कुछ भी नहीं कर सकते हैं। दूसरा, चरण शोर को कम करने और आवृत्ति स्थिरता में सुधार करने के लिए, मूल उपकरण को बेहद कम तापमान वाले वातावरण में रखा जाना चाहिए। तीसरा, आवृत्ति मॉड्यूलेशन आवृत्ति रूपांतरण की एक विस्तृत श्रृंखला को प्राप्त करना मुश्किल है। इन समस्याओं को हल करने के लिए, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक एक भूमिका निभा सकती है। मुख्य तरीकों का वर्णन नीचे किया गया है।

1. दो अलग-अलग आवृत्ति वाले लेजर संकेतों की अंतर आवृत्ति के माध्यम से, माइक्रोवेव संकेतों को परिवर्तित करने के लिए एक उच्च आवृत्ति फोटोडिटेक्टर का उपयोग किया जाता है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।

चित्र 1. दो की अंतर आवृत्ति द्वारा उत्पन्न माइक्रोवेव का योजनाबद्ध आरेखपराबैंगनीकिरण.

इस विधि के फायदे सरल संरचना हैं, अत्यधिक उच्च आवृत्ति मिलीमीटर तरंग और यहां तक ​​कि THz आवृत्ति संकेत उत्पन्न कर सकते हैं, और लेजर की आवृत्ति को समायोजित करके तेजी से आवृत्ति रूपांतरण, स्वीप आवृत्ति की एक बड़ी रेंज को अंजाम दे सकते हैं। नुकसान यह है कि दो असंबंधित लेजर संकेतों द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति संकेत का लाइनविड्थ या चरण शोर अपेक्षाकृत बड़ा है, और आवृत्ति स्थिरता अधिक नहीं है, खासकर अगर एक छोटे वॉल्यूम लेकिन एक बड़े लाइनविड्थ (~ मेगाहर्ट्ज) के साथ एक अर्धचालक लेजर का उपयोग किया जाता है। यदि सिस्टम वजन मात्रा की आवश्यकताएं अधिक नहीं हैं, तो आप कम शोर (~ kHz) ठोस-राज्य लेजर का उपयोग कर सकते हैं,फाइबर लेजर, बाहरी गुहाअर्धचालक लेज़रइसके अलावा, एक ही लेजर गुहा में उत्पन्न लेजर संकेतों के दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग अंतर आवृत्ति उत्पन्न करने के लिए भी किया जा सकता है, ताकि माइक्रोवेव आवृत्ति स्थिरता प्रदर्शन में काफी सुधार हो।

2. इस समस्या को हल करने के लिए कि पिछली विधि में दो लेज़र असंगत हैं और उत्पन्न सिग्नल चरण शोर बहुत बड़ा है, दो लेज़रों के बीच सुसंगतता इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग चरण लॉकिंग विधि या नकारात्मक प्रतिक्रिया चरण लॉकिंग सर्किट द्वारा प्राप्त की जा सकती है। चित्र 2 माइक्रोवेव गुणकों (चित्र 2) को उत्पन्न करने के लिए इंजेक्शन लॉकिंग का एक विशिष्ट अनुप्रयोग दिखाता है। उच्च आवृत्ति वर्तमान संकेतों को सीधे अर्धचालक लेजर में इंजेक्ट करके, या लिनबीओ3-चरण मॉड्यूलेटर का उपयोग करके, समान आवृत्ति रिक्ति के साथ विभिन्न आवृत्तियों के कई ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न किए जा सकते हैं, या ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी। बेशक, एक विस्तृत स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी प्राप्त करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि एक मोड-लॉक लेजर का उपयोग करना है। उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी में क्योंकि ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी के विभिन्न कंघी संकेतों के बीच चरण अपेक्षाकृत स्थिर है, ताकि दो लेज़रों के बीच सापेक्ष चरण स्थिर हो, और फिर पहले वर्णित अंतर आवृत्ति की विधि द्वारा, ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी पुनरावृत्ति दर के बहु-गुना आवृत्ति माइक्रोवेव संकेत प्राप्त किया जा सकता है।

चित्र 2. इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग द्वारा उत्पन्न माइक्रोवेव आवृत्ति दोहरीकरण संकेत का योजनाबद्ध आरेख।
दो लेज़रों के सापेक्ष चरण शोर को कम करने का एक अन्य तरीका नकारात्मक प्रतिक्रिया ऑप्टिकल PLL का उपयोग करना है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।

चित्र 3. ओ.पी.एल. का योजनाबद्ध आरेख।

ऑप्टिकल PLL का सिद्धांत इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में PLL के समान है। दो लेज़रों के चरण अंतर को एक फोटोडिटेक्टर (चरण डिटेक्टर के बराबर) द्वारा विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है, और फिर दो लेज़रों के बीच चरण अंतर को एक संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत के साथ एक अंतर आवृत्ति बनाकर प्राप्त किया जाता है, जिसे प्रवर्धित और फ़िल्टर किया जाता है और फिर लेज़रों में से एक की आवृत्ति नियंत्रण इकाई में वापस भेजा जाता है (अर्धचालक लेज़रों के लिए, यह इंजेक्शन करंट है)। इस तरह के एक नकारात्मक प्रतिक्रिया नियंत्रण लूप के माध्यम से, दो लेज़र संकेतों के बीच सापेक्ष आवृत्ति चरण संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल से लॉक हो जाता है। संयुक्त ऑप्टिकल सिग्नल को फिर ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से कहीं और एक फोटोडिटेक्टर में प्रेषित किया जा सकता है और माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है। माइक्रोवेव सिग्नल का परिणामी चरण शोर चरण-लॉक किए गए नकारात्मक प्रतिक्रिया लूप की बैंडविड्थ के भीतर संदर्भ सिग्नल के लगभग समान है। बैंडविड्थ के बाहर चरण शोर मूल दो असंबंधित लेज़रों के सापेक्ष चरण शोर के बराबर है।
इसके अलावा, संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत को अन्य सिग्नल स्रोतों द्वारा आवृत्ति दोहरीकरण, विभाजक आवृत्ति, या अन्य आवृत्ति प्रसंस्करण के माध्यम से भी परिवर्तित किया जा सकता है, ताकि निम्न आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल को बहुदोगुना किया जा सके, या उच्च आवृत्ति आरएफ, टीएचजेड सिग्नल में परिवर्तित किया जा सके।
इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग की तुलना में केवल आवृत्ति दोगुनी प्राप्त की जा सकती है, चरण-लॉक लूप अधिक लचीले होते हैं, लगभग मनमाने आवृत्तियों का उत्पादन कर सकते हैं, और निश्चित रूप से अधिक जटिल होते हैं। उदाहरण के लिए, चित्र 2 में फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलेटर द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी का उपयोग प्रकाश स्रोत के रूप में किया जाता है, और ऑप्टिकल चरण-लॉक लूप का उपयोग दो लेजर की आवृत्ति को दो ऑप्टिकल कंघी संकेतों में चुनिंदा रूप से लॉक करने के लिए किया जाता है, और फिर अंतर आवृत्ति के माध्यम से उच्च आवृत्ति संकेत उत्पन्न करते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। f1 और f2 क्रमशः दो PLLS की संदर्भ सिग्नल आवृत्तियाँ हैं, और N*frep+f1+f2 का एक माइक्रोवेव सिग्नल दो लेजर के बीच अंतर आवृत्ति द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है।

चित्र 4. ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब और पीएलएलएस का उपयोग करके मनमाने आवृत्तियों को उत्पन्न करने का योजनाबद्ध आरेख।

3. ऑप्टिकल पल्स सिग्नल को माइक्रोवेव सिग्नल में बदलने के लिए मोड-लॉक्ड पल्स लेजर का उपयोग करेंफोटोडिटेक्टर.

इस विधि का मुख्य लाभ यह है कि बहुत अच्छी आवृत्ति स्थिरता और बहुत कम चरण शोर वाला संकेत प्राप्त किया जा सकता है। लेजर की आवृत्ति को एक बहुत ही स्थिर परमाणु और आणविक संक्रमण स्पेक्ट्रम, या एक अत्यंत स्थिर ऑप्टिकल गुहा में लॉक करके, और स्व-दोगुनी आवृत्ति उन्मूलन प्रणाली आवृत्ति शिफ्ट और अन्य तकनीकों का उपयोग करके, हम एक बहुत ही स्थिर पुनरावृत्ति आवृत्ति के साथ एक बहुत ही स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल प्राप्त कर सकते हैं, ताकि अल्ट्रा-कम चरण शोर के साथ एक माइक्रोवेव सिग्नल प्राप्त किया जा सके। चित्र 5.

चित्र 5. विभिन्न सिग्नल स्रोतों के सापेक्ष चरण शोर की तुलना।

हालाँकि, क्योंकि पल्स पुनरावृत्ति दर लेजर की गुहा लंबाई के व्युत्क्रमानुपाती होती है, और पारंपरिक मोड-लॉक्ड लेजर बड़ा होता है, इसलिए उच्च आवृत्ति वाले माइक्रोवेव सिग्नल को सीधे प्राप्त करना मुश्किल होता है। इसके अलावा, पारंपरिक स्पंदित लेजर का आकार, वजन और ऊर्जा खपत, साथ ही कठोर पर्यावरणीय आवश्यकताएं, उनके मुख्य रूप से प्रयोगशाला अनुप्रयोगों को सीमित करती हैं। इन कठिनाइयों को दूर करने के लिए, हाल ही में संयुक्त राज्य अमेरिका और जर्मनी में बहुत छोटे, उच्च-गुणवत्ता वाले चिरप मोड ऑप्टिकल कैविटी में आवृत्ति-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब उत्पन्न करने के लिए गैर-रेखीय प्रभावों का उपयोग करके अनुसंधान शुरू हुआ है, जो बदले में उच्च-आवृत्ति वाले कम-शोर वाले माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करते हैं।

4. ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर, चित्र 6.

चित्र 6. फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित दोलित्र का योजनाबद्ध आरेख।

माइक्रोवेव या लेजर उत्पन्न करने के पारंपरिक तरीकों में से एक स्व-प्रतिक्रिया बंद लूप का उपयोग करना है, जब तक बंद लूप में लाभ हानि से अधिक है, स्व-उत्तेजित दोलन माइक्रोवेव या लेजर का उत्पादन कर सकता है। बंद लूप का गुणवत्ता कारक Q जितना अधिक होगा, उत्पन्न संकेत चरण या आवृत्ति शोर उतना ही छोटा होगा। लूप के गुणवत्ता कारक को बढ़ाने के लिए, सीधा तरीका लूप की लंबाई बढ़ाना और प्रसार हानि को कम करना है। हालांकि, एक लंबा लूप आमतौर पर दोलन के कई तरीकों की पीढ़ी का समर्थन कर सकता है, और यदि एक संकीर्ण-बैंडविड्थ फ़िल्टर जोड़ा जाता है, तो एकल-आवृत्ति कम-शोर माइक्रोवेव दोलन संकेत प्राप्त किया जा सकता है। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित दोलक इस विचार पर आधारित एक माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत है, 1990 के दशक में इस विधि के प्रस्तावित होने के बाद से, इस प्रकार के ऑसिलेटर को व्यापक शोध और काफी विकास प्राप्त हुआ है, और वर्तमान में वाणिज्यिक फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ऑसिलेटर हैं। हाल ही में, फोटोइलेक्ट्रिक ऑसिलेटर जिनकी आवृत्तियों को एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है, विकसित किए गए हैं। इस वास्तुकला पर आधारित माइक्रोवेव सिग्नल स्रोतों की मुख्य समस्या यह है कि लूप लंबा है, और इसके मुक्त प्रवाह (एफएसआर) और इसकी दोहरी आवृत्ति में शोर काफी बढ़ जाएगा। इसके अलावा, उपयोग किए जाने वाले फोटोइलेक्ट्रिक घटक अधिक हैं, लागत अधिक है, वॉल्यूम को कम करना मुश्किल है, और लंबा फाइबर पर्यावरणीय गड़बड़ी के प्रति अधिक संवेदनशील है।

ऊपर संक्षेप में माइक्रोवेव सिग्नल के फोटोइलेक्ट्रॉन उत्पादन के कई तरीकों का परिचय दिया गया है, साथ ही उनके फायदे और नुकसान भी बताए गए हैं। अंत में, माइक्रोवेव उत्पादन के लिए फोटोइलेक्ट्रॉन के उपयोग का एक और फायदा यह है कि ऑप्टिकल सिग्नल को बहुत कम नुकसान के साथ ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से वितरित किया जा सकता है, प्रत्येक उपयोग टर्मिनल को लंबी दूरी की ट्रांसमिशन और फिर माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है, और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का विरोध करने की क्षमता पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों की तुलना में काफी बेहतर है।
इस लेख का लेखन मुख्य रूप से संदर्भ के लिए है, और लेखक के अपने शोध अनुभव और इस क्षेत्र में अनुभव के साथ संयुक्त, इसमें अशुद्धियाँ और अपूर्णताएँ हैं, कृपया समझें।