माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में माइक्रोवेव सिग्नल जनरेशन की वर्तमान स्थिति और प्रमुख क्षेत्र

माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सजैसा कि नाम से पता चलता है, यह माइक्रोवेव औरOptoelectronicsमाइक्रोवेव और प्रकाश तरंगें विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, जिनकी आवृत्तियाँ परिमाण में कई गुना भिन्न होती हैं, और उनके संबंधित क्षेत्रों में विकसित घटक और प्रौद्योगिकियाँ भी बहुत अलग हैं। संयोजन में, हम एक दूसरे का लाभ उठा सकते हैं, लेकिन इससे हमें ऐसे नए अनुप्रयोग और विशेषताएँ प्राप्त हो सकती हैं जिन्हें अलग-अलग रूप से साकार करना कठिन है।

ऑप्टिकल संचारमाइक्रोवेव और फोटोइलेक्ट्रॉन के संयोजन का यह एक उत्कृष्ट उदाहरण है। प्रारंभिक टेलीफोन और टेलीग्राफ वायरलेस संचार में, संकेतों के उत्पादन, प्रसार और प्राप्ति के लिए माइक्रोवेव उपकरणों का उपयोग किया जाता था। शुरुआत में कम आवृत्ति वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग किया जाता था क्योंकि आवृत्ति सीमा कम होती थी और संचरण के लिए चैनल की क्षमता भी सीमित होती थी। इसका समाधान प्रेषित संकेत की आवृत्ति को बढ़ाना था; आवृत्ति जितनी अधिक होगी, स्पेक्ट्रम संसाधन उतने ही अधिक होंगे। लेकिन हवा में उच्च आवृत्ति वाले संकेतों के प्रसार में हानि अधिक होती है, साथ ही वे बाधाओं से आसानी से अवरुद्ध हो जाते हैं। केबल का उपयोग करने पर, केबल में हानि अधिक होती है, जिससे लंबी दूरी का संचरण मुश्किल हो जाता है। ऑप्टिकल फाइबर संचार का उदय इन समस्याओं का एक अच्छा समाधान है।प्रकाशित तंतुइसमें संचरण हानि बहुत कम होती है और यह लंबी दूरी तक सिग्नल संचारित करने के लिए एक उत्कृष्ट वाहक है। प्रकाश तरंगों की आवृत्ति सीमा माइक्रोवेव की तुलना में कहीं अधिक होती है और यह एक साथ कई अलग-अलग चैनलों को संचारित कर सकती है। इन लाभों के कारणऑप्टिकल संचरणआज के समय में सूचना प्रसारण का आधार ऑप्टिकल फाइबर संचार बन गया है।
ऑप्टिकल संचार का लंबा इतिहास है, अनुसंधान और अनुप्रयोग व्यापक और परिपक्व स्तर पर फैले हुए हैं, यहाँ और अधिक वर्णन करना संभव नहीं है। यह शोधपत्र मुख्य रूप से ऑप्टिकल संचार के अलावा हाल के वर्षों में माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के नए अनुसंधान विषयों का परिचय देता है। माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स मुख्य रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में प्रचलित विधियों और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके उन प्रदर्शन और अनुप्रयोगों को बेहतर बनाने और प्राप्त करने का प्रयास करता है जिन्हें पारंपरिक माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ प्राप्त करना कठिन है। अनुप्रयोग 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, रिसीविंग आदि शामिल हैं।
तीसरा, एनालॉग संकेतों का संचरण।

इस लेख में लेखक ने केवल पहले भाग, माइक्रोवेव सिग्नल के उत्पादन का परिचय दिया है। पारंपरिक माइक्रोवेव मिलीमीटर तरंग मुख्य रूप से iii_V माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकों द्वारा उत्पन्न की जाती है। इसकी सीमाएँ निम्नलिखित हैं: पहला, 100GHz से अधिक जैसी उच्च आवृत्तियों पर, पारंपरिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स कम शक्ति उत्पन्न कर पाते हैं, और इससे भी अधिक आवृत्ति वाले THz सिग्नल के लिए वे कुछ भी नहीं कर पाते। दूसरा, फेज नॉइज़ को कम करने और आवृत्ति स्थिरता में सुधार करने के लिए, मूल उपकरण को अत्यंत कम तापमान वाले वातावरण में रखना आवश्यक होता है। तीसरा, व्यापक आवृत्ति मॉड्यूलेशन और आवृत्ति रूपांतरण प्राप्त करना कठिन है। इन समस्याओं को हल करने में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती है। मुख्य विधियों का वर्णन नीचे किया गया है।

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

चित्र 1. दो आवृत्तियों के अंतर से उत्पन्न माइक्रोवेव का योजनाबद्ध आरेखपराबैंगनीकिरण.

इस विधि के लाभ हैं इसकी सरल संरचना, अत्यंत उच्च आवृत्ति वाले मिलीमीटर तरंग और यहां तक ​​कि THz आवृत्ति सिग्नल उत्पन्न करने की क्षमता, और लेजर की आवृत्ति को समायोजित करके तीव्र आवृत्ति रूपांतरण और स्वीप आवृत्ति को अंजाम देना। इसका नुकसान यह है कि दो असंबंधित लेजर सिग्नलों द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति सिग्नल की लाइनविड्थ या फेज नॉइज़ अपेक्षाकृत अधिक होती है, और आवृत्ति स्थिरता उच्च नहीं होती है, विशेष रूप से यदि कम आयतन लेकिन उच्च लाइनविड्थ (~MHz) वाले सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग किया जाता है। यदि सिस्टम के वजन और आयतन की आवश्यकताएं अधिक नहीं हैं, तो कम शोर (~kHz) वाले सॉलिड-स्टेट लेजर का उपयोग किया जा सकता है।फाइबर लेजरबाह्य गुहासेमीकंडक्टर लेजरइसके अतिरिक्त, एक ही लेजर कैविटी में उत्पन्न लेजर संकेतों के दो अलग-अलग मोड का उपयोग अंतर आवृत्ति उत्पन्न करने के लिए भी किया जा सकता है, जिससे माइक्रोवेव आवृत्ति स्थिरता प्रदर्शन में काफी सुधार होता है।

2. पिछली विधि में दो लेज़रों की असंगतता और उत्पन्न सिग्नल फेज़ नॉइज़ की अधिकता की समस्या को हल करने के लिए, इंजेक्शन फ़्रीक्वेंसी लॉकिंग फेज़ लॉकिंग विधि या नेगेटिव फ़ीडबैक फेज़ लॉकिंग सर्किट द्वारा दोनों लेज़रों के बीच संगति प्राप्त की जा सकती है। चित्र 2 माइक्रोवेव मल्टीपल्स उत्पन्न करने के लिए इंजेक्शन लॉकिंग के एक विशिष्ट अनुप्रयोग को दर्शाता है (चित्र 2)। सेमीकंडक्टर लेज़र में उच्च आवृत्ति धारा सिग्नल को सीधे इंजेक्ट करके, या LinBO3-फेज़ मॉड्यूलेटर का उपयोग करके, समान आवृत्ति अंतराल वाले विभिन्न आवृत्तियों के कई ऑप्टिकल सिग्नल, या ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब उत्पन्न किए जा सकते हैं। बेशक, व्यापक स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब प्राप्त करने की सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली विधि मोड-लॉक्ड लेज़र का उपयोग करना है। उत्पन्न ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब में से किन्हीं दो कॉम्ब सिग्नलों को फ़िल्टरिंग द्वारा चुना जाता है और क्रमशः फ़्रीक्वेंसी और फेज़ लॉकिंग प्राप्त करने के लिए लेज़र 1 और 2 में इंजेक्ट किया जाता है। क्योंकि ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब के विभिन्न कॉम्ब सिग्नलों के बीच का फेज अपेक्षाकृत स्थिर होता है, जिससे दो लेज़रों के बीच का सापेक्षिक फेज स्थिर हो जाता है, और फिर पहले वर्णित अंतर आवृत्ति विधि द्वारा, ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब पुनरावृति दर का बहु-आवृत्ति माइक्रोवेव सिग्नल प्राप्त किया जा सकता है।

चित्र 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 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 उपयोग होने वाले पीएलएल के समान है। दो लेज़रों के बीच कला अंतर को एक फोटोडिटेक्टर (जो एक कला डिटेक्टर के समतुल्य है) द्वारा विद्युत सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है। फिर, एक संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत के साथ आवृत्ति अंतर बनाकर दोनों लेज़रों के बीच कला अंतर प्राप्त किया जाता है। इस सिग्नल को प्रवर्धित और फ़िल्टर किया जाता है और फिर इसे किसी एक लेज़र की आवृत्ति नियंत्रण इकाई (सेमीकंडक्टर लेज़रों के लिए, यह इंजेक्शन करंट होता है) को वापस भेजा जाता है। इस प्रकार के ऋणात्मक प्रतिक्रिया नियंत्रण लूप के माध्यम से, दोनों लेज़र सिग्नलों के बीच सापेक्ष आवृत्ति कला को संदर्भ माइक्रोवेव सिग्नल के साथ लॉक कर दिया जाता है। संयुक्त ऑप्टिकल सिग्नल को फिर ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से कहीं और स्थित फोटोडिटेक्टर तक प्रेषित किया जा सकता है और इसे माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है। कला-लॉक ऋणात्मक प्रतिक्रिया लूप की बैंडविड्थ के भीतर माइक्रोवेव सिग्नल का परिणामी कला शोर संदर्भ सिग्नल के कला शोर के लगभग समान होता है। बैंडविड्थ के बाहर कला शोर मूल दो असंबंधित लेज़रों के सापेक्ष कला शोर के बराबर होता है।
इसके अतिरिक्त, 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 कई गुना बढ़ाया जा सके, या उच्च आवृत्ति वाले आरएफ, टीएचजेड सिग्नल में परिवर्तित किया जा सके।
इंजेक्शन आवृत्ति लॉकिंग की तुलना में, जिससे केवल आवृत्ति दोगुनी की जा सकती है, फेज-लॉक्ड लूप अधिक लचीले होते हैं, लगभग किसी भी आवृत्ति को उत्पन्न कर सकते हैं, और निश्चित रूप से अधिक जटिल होते हैं। उदाहरण के लिए, चित्र 2 में फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलेटर द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब को प्रकाश स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, और ऑप्टिकल फेज-लॉक्ड लूप का उपयोग दो लेज़रों की आवृत्ति को दो ऑप्टिकल कॉम्ब संकेतों से चुनिंदा रूप से लॉक करने के लिए किया जाता है, और फिर आवृत्ति अंतर के माध्यम से उच्च-आवृत्ति संकेत उत्पन्न किए जाते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। f1 और f2 क्रमशः दो PLLS की संदर्भ संकेत आवृत्तियाँ हैं, और दो लेज़रों के बीच आवृत्ति अंतर द्वारा N*frep+f1+f2 का माइक्रोवेव संकेत उत्पन्न किया जा सकता है।

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

3. ऑप्टिकल पल्स सिग्नल को माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित करने के लिए मोड-लॉक्ड पल्स लेजर का उपयोग करें।फोटोडिटेक्टर.

इस विधि का मुख्य लाभ यह है कि इससे बहुत अच्छी आवृत्ति स्थिरता और बहुत कम चरण शोर वाला सिग्नल प्राप्त किया जा सकता है। लेजर की आवृत्ति को एक अत्यंत स्थिर परमाणु और आणविक संक्रमण स्पेक्ट्रम, या एक अत्यंत स्थिर ऑप्टिकल कैविटी से लॉक करके, और स्व-दोहरीकरण आवृत्ति उन्मूलन प्रणाली आवृत्ति शिफ्ट और अन्य तकनीकों का उपयोग करके, हम एक अत्यंत स्थिर पुनरावृति आवृत्ति के साथ एक बहुत स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल प्राप्त कर सकते हैं, जिससे अति-निम्न चरण शोर वाला माइक्रोवेव सिग्नल प्राप्त होता है। चित्र 5।

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

हालांकि, लेजर की पल्स पुनरावृति दर उसकी कैविटी की लंबाई के व्युत्क्रमानुपाती होती है, और पारंपरिक मोड-लॉक्ड लेजर का आकार बड़ा होता है, इसलिए उच्च आवृत्ति वाले माइक्रोवेव सिग्नल सीधे प्राप्त करना कठिन है। इसके अलावा, पारंपरिक पल्स 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 गैर-रेखीय प्रभावों का उपयोग करके बहुत छोटी, उच्च-गुणवत्ता वाली चिरप मोड ऑप्टिकल कैविटी में आवृत्ति-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब उत्पन्न करने के लिए 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. प्रकाशविद्युत युग्मित दोलक का योजनाबद्ध आरेख।

माइक्रोवेव या लेज़र उत्पन्न करने की पारंपरिक विधियों में से एक है स्व-प्रतिक्रियाशील बंद लूप का उपयोग करना। जब तक बंद लूप में लाभ हानि से अधिक होता है, स्व-उत्तेजित दोलन माइक्रोवेव या लेज़र उत्पन्न कर सकता है। बंद लूप का गुणवत्ता गुणांक Q जितना अधिक होगा, उत्पन्न सिग्नल का चरण या आवृत्ति शोर उतना ही कम होगा। लूप के गुणवत्ता गुणांक को बढ़ाने का सीधा तरीका लूप की लंबाई बढ़ाना और प्रसार हानि को कम करना है। हालांकि, एक लंबा लूप आमतौर पर दोलन के कई मोड उत्पन्न करने में सक्षम होता है, और यदि एक संकीर्ण-बैंडविड्थ फ़िल्टर जोड़ा जाता है, तो एकल-आवृत्ति कम-शोर वाला माइक्रोवेव दोलन सिग्नल प्राप्त किया जा सकता है। फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित दोलक इसी विचार पर आधारित एक माइक्रोवेव सिग्नल स्रोत है। यह फाइबर की कम प्रसार हानि विशेषताओं का पूर्ण उपयोग करता है, और लूप के Q मान को बेहतर बनाने के लिए एक लंबे फाइबर का उपयोग करके, बहुत कम चरण शोर वाला माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न कर सकता है। 1990 के दशक में इस विधि के प्रस्तावित होने के बाद से, इस प्रकार के दोलक पर व्यापक शोध और उल्लेखनीय विकास हुआ है, और वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फोटोइलेक्ट्रिक युग्मित दोलक उपलब्ध हैं। हाल ही में, ऐसे फोटोइलेक्ट्रिक दोलक विकसित किए गए हैं जिनकी आवृत्तियों को एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है। इस संरचना पर आधारित माइक्रोवेव सिग्नल स्रोतों की मुख्य समस्या यह है कि लूप लंबा होता है, और इसके मुक्त प्रवाह (FSR) में शोर और इसकी दोहरी आवृत्ति काफी बढ़ जाती है। इसके अलावा, उपयोग किए जाने वाले फोटोइलेक्ट्रिक घटक अधिक होते हैं, लागत अधिक होती है, आयतन को कम करना मुश्किल होता है, और लंबी फाइबर पर्यावरणीय गड़बड़ी के प्रति अधिक संवेदनशील होती है।

ऊपर फोटोइलेक्ट्रॉन द्वारा माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करने की कई विधियों, उनके लाभ और हानियों का संक्षिप्त परिचय दिया गया है। अंत में, फोटोइलेक्ट्रॉन का उपयोग करके माइक्रोवेव उत्पन्न करने का एक अन्य लाभ यह है कि ऑप्टिकल सिग्नल को ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से बहुत कम हानि के साथ वितरित किया जा सकता है, प्रत्येक टर्मिनल तक लंबी दूरी तक प्रेषित किया जा सकता है और फिर माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है, और पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों की तुलना में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का प्रतिरोध करने की क्षमता में काफी सुधार होता है।
इस लेख का लेखन मुख्य रूप से संदर्भ के लिए है, और लेखक के स्वयं के शोध अनुभव और इस क्षेत्र में अनुभव के कारण इसमें कुछ अशुद्धियाँ और अस्पष्टताएँ हो सकती हैं, कृपया इसे समझें।