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

माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सजैसा कि नाम से पता चलता है, माइक्रोवेव और का प्रतिच्छेदन हैOptoelectronics. माइक्रोवेव और प्रकाश तरंगें विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, और आवृत्तियाँ परिमाण के कई क्रमों में भिन्न होती हैं, और उनके संबंधित क्षेत्रों में विकसित घटक और प्रौद्योगिकियाँ बहुत भिन्न होती 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, सिग्नलों का उत्पादन, प्रसार और स्वागत, सभी माइक्रोवेव उपकरणों का उपयोग किया जाता था। शुरुआत में कम आवृत्ति वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग किया जाता है क्योंकि आवृत्ति सीमा छोटी होती है और संचरण के लिए चैनल क्षमता छोटी होती है। इसका समाधान प्रेषित सिग्नल की आवृत्ति को बढ़ाना है, आवृत्ति जितनी अधिक होगी, स्पेक्ट्रम संसाधन उतने ही अधिक होंगे। लेकिन वायु प्रसार हानि में उच्च आवृत्ति संकेत बड़ा है, लेकिन बाधाओं से अवरुद्ध होना भी आसान है। यदि केबल का उपयोग किया जाता है, तो केबल का नुकसान बड़ा होता है, और लंबी दूरी तक ट्रांसमिशन एक समस्या है। ऑप्टिकल फाइबर संचार का उद्भव इन समस्याओं का एक अच्छा समाधान है।प्रकाशित तंतुइसमें ट्रांसमिशन हानि बहुत कम है और यह लंबी दूरी पर सिग्नल प्रसारित करने के लिए एक उत्कृष्ट वाहक है। प्रकाश तरंगों की आवृत्ति सीमा माइक्रोवेव की तुलना में बहुत अधिक है और एक साथ कई अलग-अलग चैनल प्रसारित कर सकती है। के इन फायदों के कारणऑप्टिकल ट्रांसमिशन, ऑप्टिकल फाइबर संचार आज के सूचना प्रसारण की रीढ़ बन गया है।
ऑप्टिकल संचार का एक लंबा इतिहास है, अनुसंधान और अनुप्रयोग बहुत व्यापक और परिपक्व हैं, यहां अधिक कहने की जरूरत नहीं है। यह पेपर 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 प्रदर्शन और अनुप्रयोग को बेहतर बनाने और प्राप्त करने के लिए वाहक के रूप में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में तरीकों और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करता है जो पारंपरिक माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ हासिल करना मुश्किल है। अनुप्रयोग की दृष्टि से इसमें मुख्यतः निम्नलिखित तीन पहलू सम्मिलित हैं।
पहला है एक्स-बैंड से टीएचजेड बैंड तक उच्च-प्रदर्शन, कम शोर वाले माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करने के लिए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग।
दूसरा, माइक्रोवेव सिग्नल प्रोसेसिंग। जिसमें देरी, फ़िल्टरिंग, आवृत्ति रूपांतरण, प्राप्त करना 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 सीमाओं में निम्नलिखित बिंदु हैं: सबसे पहले, 100GHz से ऊपर की उच्च आवृत्तियों के लिए, पारंपरिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक कम और कम बिजली का उत्पादन कर सकते हैं, उच्च आवृत्ति THz सिग्नल के लिए, वे कुछ 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 हासिल करना मुश्किल है। इन समस्याओं को हल करने के लिए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक भूमिका निभा सकती है। मुख्य विधियाँ नीचे वर्णित हैं।

1. दो अलग-अलग आवृत्ति वाले लेजर सिग्नलों की अंतर आवृत्ति के माध्यम से, माइक्रोवेव सिग्नलों 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 सिग्नल उत्पन्न कर सकते हैं, और लेजर की आवृत्ति को समायोजित करके तेजी से आवृत्ति रूपांतरण, स्वीप आवृत्ति की एक बड़ी श्रृंखला को पूरा कर सकते हैं। नुकसान यह है कि दो असंबद्ध लेजर सिग्नलों द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति सिग्नल का लाइनविड्थ या चरण शोर अपेक्षाकृत बड़ा है, और आवृत्ति स्थिरता अधिक नहीं है, खासकर यदि अर्धचालक लेजर एक छोटी मात्रा के साथ लेकिन एक बड़ी लाइनविड्थ (~ मेगाहर्ट्ज) है इस्तेमाल किया गया। यदि सिस्टम वज़न वॉल्यूम आवश्यकताएँ अधिक नहीं हैं, तो आप कम शोर (~kHz) सॉलिड-स्टेट लेज़रों का उपयोग कर सकते हैं,फाइबर लेजर, बाहरी गुहाअर्धचालक लेजर, आदि। इसके अलावा, एक ही लेजर कैविटी में उत्पन्न लेजर सिग्नल के दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग अंतर आवृत्ति उत्पन्न करने के लिए भी किया जा सकता है, जिससे माइक्रोवेव आवृत्ति स्थिरता प्रदर्शन में काफी सुधार होता है।

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 सामंजस्य इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग चरण लॉकिंग विधि या नकारात्मक प्रतिक्रिया चरण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। लॉकिंग सर्किट. चित्र 2 माइक्रोवेव मल्टीपल उत्पन्न करने के लिए इंजेक्शन लॉकिंग का एक विशिष्ट अनुप्रयोग दिखाता है (चित्र 2)। सेमीकंडक्टर लेजर में सीधे उच्च आवृत्ति वर्तमान संकेतों को इंजेक्ट करके, या लिनबीओ 3-चरण मॉड्यूलेटर का उपयोग करके, समान आवृत्ति रिक्ति के साथ विभिन्न आवृत्तियों के कई ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न किए जा सकते हैं, या ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब्स। बेशक, व्यापक स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कंघी प्राप्त करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि मोड-लॉक लेजर का उपयोग करना है। उत्पन्न ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब में किन्हीं दो कॉम्ब संकेतों को फ़िल्टर करके चुना जाता है और क्रमशः आवृत्ति और चरण लॉकिंग का एहसास करने के लिए लेजर 1 और 2 में इंजेक्ट किया जाता है। क्योंकि ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कंघी के विभिन्न कंघी संकेतों के बीच का चरण अपेक्षाकृत स्थिर होता है, जिससे कि दो लेज़रों के बीच सापेक्ष चरण स्थिर होता है, और फिर पहले वर्णित अंतर आवृत्ति की विधि द्वारा, बहु-गुना आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी पुनरावृत्ति दर प्राप्त की जा सकती है।

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

चित्र 3. ओपीएल का योजनाबद्ध आरेख।

ऑप्टिकल पीएलएल का सिद्धांत इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में पीएलएल के समान है। दो लेजर के चरण अंतर को एक फोटोडिटेक्टर (एक चरण डिटेक्टर के बराबर) द्वारा विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है, और फिर संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत के साथ अंतर आवृत्ति बनाकर दो लेजर के बीच चरण अंतर प्राप्त किया जाता है, जिसे बढ़ाया जाता है और फ़िल्टर किया गया और फिर लेज़रों में से एक की आवृत्ति नियंत्रण इकाई में वापस भेज दिया गया (अर्धचालक लेज़रों के लिए, यह इंजेक्शन करंट है)। ऐसे नकारात्मक फीडबैक नियंत्रण लूप के माध्यम से, दो लेजर सिग्नलों के बीच सापेक्ष आवृत्ति चरण को संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल पर लॉक कर दिया जाता है। संयुक्त ऑप्टिकल सिग्नल को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से कहीं और फोटोडिटेक्टर तक प्रेषित किया जा सकता है और माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है। माइक्रोवेव सिग्नल का परिणामी चरण शोर चरण-लॉक नकारात्मक फीडबैक लूप के बैंडविड्थ के भीतर संदर्भ सिग्नल के लगभग समान है। बैंडविड्थ के बाहर का चरण शोर मूल दो असंबंधित लेजर के सापेक्ष चरण शोर के बराबर है।
इसके अलावा, संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत को आवृत्ति दोहरीकरण, विभाजक आवृत्ति, या अन्य आवृत्ति प्रसंस्करण के माध्यम से अन्य सिग्नल स्रोतों द्वारा भी परिवर्तित किया जा सकता है, ताकि कम आवृत्ति वाले माइक्रोवेव सिग्नल को बहु-दोगुना किया जा सके, या उच्च-आवृत्ति आरएफ, टीएचजेड सिग्नल में परिवर्तित किया जा सके।
इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग की तुलना में केवल आवृत्ति दोहरीकरण प्राप्त किया जा सकता है, चरण-लॉक लूप अधिक लचीले होते हैं, लगभग मनमानी 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 फ्रीक्वेंसी 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 पर चुनिंदा रूप से लॉक करने के लिए किया जाता है, और फिर उत्पन्न होता है अंतर आवृत्ति के माध्यम से उच्च आवृत्ति सिग्नल, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। एफ 1 और एफ 2 क्रमशः दो पीएलएलएस की संदर्भ सिग्नल आवृत्तियां हैं, और एन * एफआरईपी + एफ 1 + एफ 2 का माइक्रोवेव सिग्नल अंतर आवृत्ति द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। दो लेजर.

चित्र 4. ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब्स और पीएलएलएस का उपयोग करके मनमानी आवृत्तियाँ उत्पन्न करने का योजनाबद्ध आरेख।

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

इस पद्धति का मुख्य लाभ यह है कि बहुत अच्छी आवृत्ति स्थिरता और बहुत कम चरण शोर वाला सिग्नल 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-दोहरीकरण आवृत्ति उन्मूलन प्रणाली आवृत्ति शिफ्ट और अन्य प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके, हम एक बहुत ही स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल प्राप्त कर सकते हैं एक बहुत ही स्थिर पुनरावृत्ति आवृत्ति, ताकि अल्ट्रा-लो चरण शोर के साथ 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 विपरीत आनुपातिक है, और पारंपरिक मोड-लॉक लेजर बड़ा है, उच्च आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल सीधे प्राप्त करना मुश्किल 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 चिर मोड ऑप्टिकल गुहाओं में आवृत्ति-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब्स उत्पन्न करने के लिए गैर-रेखीय प्रभावों का उपयोग करके अनुसंधान शुरू किया गया है, जो बदले में उच्च-आवृत्ति कम-शोर वाले माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करते हैं।

4. ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर, चित्र 6.

चित्र 6. फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित थरथरानवाला का योजनाबद्ध आरेख।

माइक्रोवेव या लेज़र उत्पन्न करने के पारंपरिक तरीकों में से एक स्व-प्रतिक्रिया बंद लूप का उपयोग करना है, जब तक कि बंद लूप में लाभ हानि से अधिक है, स्व-उत्तेजित दोलन माइक्रोवेव या लेज़र उत्पन्न कर सकता है। बंद लूप का गुणवत्ता कारक Q जितना अधिक होगा, उत्पन्न सिग्नल चरण या आवृत्ति शोर उतना ही कम होगा। लूप के गुणवत्ता कारक को बढ़ाने के लिए, सीधा तरीका लूप की लंबाई को बढ़ाना और प्रसार हानि को कम करना है। हालाँकि, 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 एक एकल-आवृत्ति कम-शोर माइक्रोवेव दोलन संकेत प्राप्त किया जा सकता है। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ऑसिलेटर इस विचार के आधार पर एक माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत है, यह फाइबर की कम प्रसार हानि विशेषताओं का पूरा उपयोग करता है, लूप क्यू मान में सुधार करने के लिए लंबे फाइबर का उपयोग करके, बहुत कम चरण शोर के साथ माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न कर सकता है। चूँकि यह विधि 1990 के दशक में प्रस्तावित की गई थी, इस प्रकार के ऑसिलेटर को व्यापक अनुसंधान और काफी विकास प्राप्त हुआ है, और वर्तमान में वाणिज्यिक फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित ऑसिलेटर हैं। हाल ही में, फोटोइलेक्ट्रिक ऑसिलेटर विकसित किए गए हैं जिनकी आवृत्तियों को एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है। 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, मात्रा 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 के साथ-साथ उनके फायदे और नुकसान का परिचय दिया गया है। अंत में, माइक्रोवेव का उत्पादन करने के लिए फोटोइलेक्ट्रॉन के उपयोग का एक और फायदा यह है कि ऑप्टिकल सिग्नल को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से बहुत कम नुकसान के साथ वितरित किया जा सकता है, प्रत्येक उपयोग टर्मिनल पर लंबी दूरी का संचरण और फिर माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है, और विद्युत चुम्बकीय प्रतिरोध करने की क्षमता होती है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों की तुलना में हस्तक्षेप में काफी सुधार हुआ है।
इस लेख का लेखन मुख्य रूप से संदर्भ के लिए है, और इस क्षेत्र में लेखक के अपने शोध अनुभव और अनुभव के साथ, इसमें अशुद्धियाँ और समझ नहीं है, कृपया समझें।