माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में माइक्रोवेव सिग्नल पीढ़ी के वर्तमान स्थिति और गर्म स्थान

माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, जैसा कि नाम से पता चलता है, माइक्रोवेव का चौराहा है औरOptoelectronics। माइक्रोवेव और हल्की तरंगें विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, और आवृत्तियां अलग -अलग परिमाण के कई आदेश हैं, और उनके संबंधित क्षेत्रों में विकसित घटकों और प्रौद्योगिकियां बहुत अलग हैं। संयोजन में, हम एक -दूसरे का लाभ उठा सकते हैं, लेकिन हम नए एप्लिकेशन और विशेषताएं प्राप्त कर सकते हैं जो क्रमशः महसूस करना मुश्किल है।

ऑप्टिकल संचारमाइक्रोवेव और फोटोइलेक्ट्रॉन के संयोजन का एक प्रमुख उदाहरण है। प्रारंभिक टेलीफोन और टेलीग्राफ वायरलेस संचार, जनरेशन, प्रसार और संकेतों का स्वागत, सभी ने माइक्रोवेव उपकरणों का उपयोग किया। कम आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग शुरू में किया जाता है क्योंकि आवृत्ति रेंज छोटी होती है और ट्रांसमिशन के लिए चैनल क्षमता छोटी होती है। समाधान प्रेषित सिग्नल की आवृत्ति को बढ़ाने के लिए है, उच्च आवृत्ति, अधिक स्पेक्ट्रम संसाधन। लेकिन वायु प्रसार हानि में उच्च आवृत्ति संकेत बड़ा 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 के ट्रांसमिशन एक समस्या है। ऑप्टिकल फाइबर संचार का उद्भव इन समस्याओं का एक अच्छा समाधान है।प्रकाशित तंतुबहुत कम ट्रांसमिशन लॉस है और लंबी दूरी पर संकेतों को प्रसारित 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 संचारित कर सकती है। के इन लाभों के कारणऑप्टिकल संचरण, ऑप्टिकल फाइबर संचार आज के सूचना संचरण की रीढ़ बन गया है।
ऑप्टिकल संचार का एक लंबा इतिहास है, अनुसंधान और अनुप्रयोग बहुत व्यापक और परिपक्व हैं, यहां अधिक कहना नहीं है। यह पेपर मुख्य रूप से ऑप्टिकल संचार के अलावा हाल के वर्षों में माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की नई अनुसंधान सामग्री का परिचय देता है। माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स मुख्य रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में तरीकों और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करता है, जो कि प्रदर्शन और अनुप्रयोग को बेहतर बनाने और प्राप्त करने के लिए वाहक के रूप में होता है जो पारंपरिक माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ प्राप्त करना मुश्किल है। आवेदन के दृष्टिकोण से, इसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन पहलू शामिल हैं।
पहला एक्स-बैंड से लेकर सभी तरह से THZ बैंड तक उच्च प्रदर्शन, कम-शोर माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करने के लिए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग है।
दूसरा, माइक्रोवेव सिग्नल प्रोसेसिंग। विलंब, फ़िल्टरिंग, आवृत्ति रूपांतरण, प्राप्त करने और इतने पर 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 माइक्रोइलेक्ट्रोनिक घटकों द्वारा उत्पन्न होती है। इसकी सीमाओं में निम्नलिखित बिंदु हैं: सबसे पहले, उच्च आवृत्तियों जैसे कि 100GHz ऊपर, 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 एक बेहद कम तापमान वातावरण में रखने की आवश्यकता है। तीसरा, आवृत्ति मॉड्यूलेशन आवृत्ति रूपांतरण की एक विस्तृत श्रृंखला को प्राप्त करना मुश्किल है। इन समस्याओं को हल करने के लिए, ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक तकनीक एक भूमिका निभा सकती है। मुख्य तरीके नीचे वर्णित हैं।

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

चित्रा 1। दो के अंतर आवृत्ति द्वारा उत्पन्न माइक्रोवेव का योजनाबद्ध आरेखपराबैंगनीकिरण.

इस विधि के फायदे सरल संरचना हैं, अत्यधिक उच्च आवृत्ति मिलीमीटर लहर 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 रेंज को ले जा सकता है। नुकसान यह है कि दो असंबंधित लेजर सिग्नल द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति सिग्नल का लाइनविड्थ या चरण शोर अपेक्षाकृत बड़ा है, और आवृत्ति स्थिरता अधिक नहीं है, खासकर अगर एक छोटी मात्रा के साथ एक अर्धचालक लेजर लेकिन एक बड़ी लाइनविड्थ (~ मेगाहर्ट्ज) का उपयोग किया जाता है। यदि सिस्टम वेट वॉल्यूम की आवश्यकताएं अधिक नहीं हैं, तो आप कम शोर (~ kHz) ठोस-राज्य लेजर का उपयोग कर सकते हैं,फाइबर लेजर, बाहरी गुहाअर्धचालक लेजर।

2। इस समस्या को हल करने के लिए कि पिछली विधि में दो लेजर 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। चित्रा 2 माइक्रोवेव गुणकों (चित्रा 2) को उत्पन्न करने के लिए इंजेक्शन लॉकिंग का एक विशिष्ट अनुप्रयोग दिखाता है। एक अर्धचालक लेजर में उच्च आवृत्ति वर्तमान संकेतों को सीधे इंजेक्ट करके, या एक लिनबो 3-चरण न्यूनाधिक का उपयोग करके, समान आवृत्ति रिक्ति के साथ विभिन्न आवृत्तियों के कई ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न किए जा सकते हैं, या ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब्स। बेशक, एक विस्तृत स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी प्राप्त करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि मोड-लॉक किए गए लेजर का उपयोग करना है। उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी में किसी भी दो कंघी संकेतों को क्रमशः फ़िल्टरिंग और लेजर 1 और 2 में इंजेक्ट करके चुना जाता है ताकि क्रमशः आवृत्ति और चरण लॉकिंग का एहसास हो सके। क्योंकि ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कंघी के विभिन्न कंघी संकेतों के बीच का चरण अपेक्षाकृत स्थिर है, ताकि दो लेज़रों के बीच सापेक्ष चरण स्थिर हो, और फिर पहले वर्णित अंतर आवृत्ति की विधि से, ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी दोहराव दर के बहु-गुना आवृत्ति माइक्रोवेव संकेत प्राप्त किया जा सकता है।

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

चित्रा 3। ओपीएल का योजनाबद्ध आरेख।

ऑप्टिकल पीएलएल का सिद्धांत इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में पीएलएल के समान है। दो लेज़रों के चरण अंतर को एक फोटोडेटेक्टर (एक चरण डिटेक्टर के बराबर) द्वारा एक विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है, और फिर दो लेज़रों के बीच चरण अंतर एक संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत के साथ एक अंतर आवृत्ति बनाकर प्राप्त किया जाता है, जो कि प्रवर्धित और फ़िल्टर किया जाता है और फिर लार्स के एक आवृत्ति इकाई को वापस खिलाया जाता है। इस तरह के एक नकारात्मक प्रतिक्रिया नियंत्रण लूप के माध्यम से, दो लेजर संकेतों के बीच सापेक्ष आवृत्ति चरण को संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल के लिए लॉक किया गया है। संयुक्त ऑप्टिकल सिग्नल को तब ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से एक फोटोडेटेक्टर में कहीं और प्रेषित किया जा सकता है और एक माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है। माइक्रोवेव सिग्नल का परिणामी चरण शोर लगभग वैसा ही है जैसा कि चरण-बंद नकारात्मक प्रतिक्रिया लूप के बैंडविड्थ के भीतर संदर्भ संकेत 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 कम आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल को बहुआयामी किया जा सके, या उच्च-आवृत्ति आरएफ, टीएचजेड सिग्नल में परिवर्तित किया जा सके।
इंजेक्शन आवृत्ति की तुलना में लॉकिंग केवल आवृत्ति दोहरीकरण प्राप्त कर सकती है, चरण-बंद लूप अधिक लचीले होते हैं, लगभग मनमानी आवृत्तियों का उत्पादन कर सकते हैं, और निश्चित रूप से अधिक जटिल हैं। उदाहरण के लिए, चित्रा 2 में फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलेटर द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी का उपयोग प्रकाश स्रोत के रूप में किया जाता है, और ऑप्टिकल चरण-बंद लूप का उपयोग दो ऑप्टिकल कंघी संकेतों के लिए दो लेजर की आवृत्ति को चुनिंदा रूप से लॉक करने के लिए किया जाता है, और फिर अंतर आवृत्ति के माध्यम से उच्च-आवृत्ति संकेतों को उत्पन्न करता है, जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है। N*FREP+F1+F2 को दो लेज़रों के बीच अंतर आवृत्ति द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है।

चित्रा 4। ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स और पीएलएल का उपयोग करके मनमानी आवृत्तियों को उत्पन्न करने का योजनाबद्ध आरेख।

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

इस पद्धति का मुख्य लाभ यह है कि बहुत अच्छी आवृत्ति स्थिरता और बहुत कम चरण शोर के साथ एक 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, और स्व-डाउलिंग फ़्रीक्वेंसी एलिमिनेशन सिस्टम फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट और अन्य प्रौद्योगिकियों के उपयोग के लिए, हम एक बहुत ही स्थिर पुनरावृत्ति आवृत्ति के साथ एक बहुत ही स्थिर पुनर्जन्म आवृत्ति के साथ एक बहुत ही स्थिर ऑप्टिकल पल्स प्राप्त कर सकते हैं। चित्रा 5।

चित्रा 5। विभिन्न सिग्नल स्रोतों के सापेक्ष चरण शोर की तुलना।

हालांकि, क्योंकि पल्स पुनरावृत्ति दर लेजर की गुहा लंबाई के विपरीत आनुपातिक है, और पारंपरिक मोड-लॉक किया गया लेजर बड़ा है, सीधे उच्च आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल प्राप्त करना मुश्किल है। इसके अलावा, पारंपरिक स्पंदित लेज़रों के आकार, वजन और ऊर्जा की खपत, साथ ही कठोर पर्यावरणीय आवश्यकताओं के साथ -साथ उनके मुख्य रूप से प्रयोगशाला अनुप्रयोगों को सीमित करते हैं। इन कठिनाइयों को दूर करने के लिए, हाल ही में संयुक्त राज्य अमेरिका और जर्मनी में अनुसंधान शुरू हुआ है, जो कि बहुत छोटे, उच्च-गुणवत्ता वाले चिरप मोड ऑप्टिकल कैविटी में आवृत्ति-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब्स उत्पन्न करने के लिए गैर-प्रभाव प्रभाव का उपयोग कर रहा है, जो बदले में उच्च-आवृत्ति कम-शोर माइक्रोवेव संकेतों को उत्पन्न करता है।

4। ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक थरथरानवाला, चित्रा 6।

चित्रा 6। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित थरथरानवाला के योजनाबद्ध आरेख।

माइक्रोवेव या लेजर उत्पन्न करने के पारंपरिक तरीकों में से एक स्व-फीडबैक बंद लूप का उपयोग करना है, जब तक कि बंद लूप में लाभ नुकसान से अधिक है, स्व-उत्साहित दोलन माइक्रोवेव या लेजर का उत्पादन कर सकता है। बंद लूप का गुणवत्ता कारक क्यू जितना अधिक होता है, उतना ही कम उत्पन्न सिग्नल चरण या आवृत्ति शोर होता है। लूप के गुणवत्ता कारक को बढ़ाने के लिए, सीधा तरीका लूप की लंबाई को 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 फिल्टर जोड़ा जाता है, तो एक एकल-आवृत्ति कम-शोर माइक्रोवेव दोलन संकेत प्राप्त किया जा सकता है। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित थरथरानवाला इस विचार के आधार पर एक माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत है, यह फाइबर के कम प्रसार हानि विशेषताओं का पूर्ण उपयोग करता है, लूप क्यू मूल्य में सुधार करने के लिए एक लंबे फाइबर का उपयोग करते हुए, बहुत कम चरण शोर के साथ एक माइक्रोवेव सिग्नल का उत्पादन कर सकता है। चूंकि 1990 के दशक में विधि प्रस्तावित की गई थी, इसलिए इस प्रकार के थरथरानवाला को व्यापक शोध और काफी विकास मिला 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 के आधार पर माइक्रोवेव सिग्नल स्रोतों की मुख्य समस्या यह है कि लूप लंबा है, और इसके मुक्त प्रवाह (एफएसआर) में शोर और इसकी दोहरी आवृत्ति में काफी वृद्धि होगी। इसके अलावा, उपयोग किए जाने वाले फोटोइलेक्ट्रिक घटक अधिक हैं, लागत अधिक है, वॉल्यूम को कम करना मुश्किल है, और लंबे समय तक फाइबर पर्यावरणीय गड़बड़ी के लिए अधिक संवेदनशील है।

उपरोक्त संक्षेप में माइक्रोवेव संकेतों के फोटोइलेक्ट्रॉन पीढ़ी के कई तरीकों का परिचय देता है, साथ ही उनके फायदे और नुकसान भी। अंत में, माइक्रोवेव का उत्पादन करने के लिए फोटोइलेक्ट्रॉन के उपयोग का एक और फायदा है कि ऑप्टिकल सिग्नल को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से बहुत कम नुकसान के साथ वितरित किया जा सकता है, प्रत्येक उपयोग टर्मिनल के लिए लंबी दूरी के संचरण और फिर माइक्रोवेव संकेतों में परिवर्तित किया जा सकता है, और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक हस्तक्षेप का विरोध करने की क्षमता पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों की तुलना में काफी सुधार हुआ है।
इस लेख का लेखन मुख्य रूप से संदर्भ के लिए है, और इस क्षेत्र में लेखक के स्वयं के अनुसंधान अनुभव और अनुभव के साथ संयुक्त है, अशुद्धि और समझदारी हैं, कृपया समझें।