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 उनकी आवृत्तियाँ परिमाण के कई क्रमों में भिन्न होती हैं, और उनके संबंधित क्षेत्रों में विकसित घटक और प्रौद्योगिकियाँ भी 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 साकार करना कठिन है।

ऑप्टिकल संचारमाइक्रोवेव और फोटोइलेक्ट्रॉनों के संयोजन का एक प्रमुख उदाहरण है। प्रारंभिक टेलीफोन और टेलीग्राफ वायरलेस संचार, संकेतों का उत्पादन, प्रसार और स्वागत, सभी में माइक्रोवेव उपकरणों का उपयोग किया जाता था। कम आवृत्ति वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उपयोग शुरू में किया जाता था क्योंकि आवृत्ति रेंज छोटी होती है और संचरण के लिए चैनल क्षमता भी कम होती है। समाधान प्रेषित संकेत की आवृत्ति को बढ़ाना है, जितनी अधिक आवृत्ति, उतने ही अधिक स्पेक्ट्रम संसाधन। लेकिन हवा में उच्च आवृत्ति वाले संकेत प्रसार हानि बड़ी होती है, लेकिन बाधाओं द्वारा अवरुद्ध होना भी आसान होता 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 संचरण हानि बहुत कम होती है और यह लंबी दूरी तक संकेतों को प्रेषित करने के लिए एक उत्कृष्ट वाहक है। प्रकाश तरंगों की आवृत्ति सीमा माइक्रोवेव की तुलना में बहुत अधिक होती है और यह एक साथ कई अलग-अलग चैनलों को प्रेषित कर सकती है। इन लाभों के कारण,ऑप्टिकल ट्रांसमिशनऑप्टिकल फाइबर संचार आज के सूचना प्रसारण की रीढ़ बन गया है।
ऑप्टिकल संचार का एक लंबा इतिहास रहा है, और अनुसंधान एवं अनुप्रयोग बहुत व्यापक और परिपक्व हैं, यहाँ और कुछ नहीं कहा जा सकता। यह शोध पत्र मुख्य रूप से ऑप्टिकल संचार के अलावा हाल के वर्षों में माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के नए शोध विषयों का परिचय देता है। माइक्रोवेव ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स मुख्य रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में मौजूद विधियों और तकनीकों को वाहक के रूप में उपयोग करता है ताकि पारंपरिक माइक्रोवेव इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ प्राप्त करना कठिन प्रदर्शन और अनुप्रयोग को बेहतर बनाया जा सके और प्राप्त किया जा सके। अनुप्रयोग के दृष्टिकोण से, इसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन पहलू शामिल हैं।
पहला तरीका है ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन, कम शोर वाले माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न करना, जो एक्स-बैंड से लेकर टीएचजेड बैंड तक होता है।
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 उत्पत्ति, का परिचय देता है। पारंपरिक माइक्रोवेव मिलीमीटर तरंग मुख्य रूप से iii_V माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकों द्वारा उत्पन्न होती है। इसकी सीमाएँ निम्नलिखित हैं: पहला, 100GHz से ऊपर की उच्च आवृत्तियों पर, पारंपरिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स कम और कम शक्ति उत्पन्न कर सकते हैं, और उच्च आवृत्ति THz सिग्नल पर, वे कुछ नहीं कर सकते। दूसरा, चरण शोर को कम करने और आवृत्ति स्थिरता में सुधार करने के लिए, मूल उपकरण को अत्यंत कम तापमान वाले वातावरण में रखा जाना चाहिए। तीसरा, आवृत्ति मॉडुलन आवृत्ति रूपांतरण की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त करना कठिन है। इन समस्याओं के समाधान में, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक एक भूमिका निभा सकती है। मुख्य विधियों 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 तरंगों की भिन्न आवृत्तियों द्वारा उत्पन्न माइक्रोवेव का योजनाबद्ध आरेखपराबैंगनीकिरण.

इस विधि के लाभ सरल संरचना हैं, अत्यधिक उच्च आवृत्ति मिलीमीटर तरंग और यहाँ तक कि THz आवृत्ति संकेत उत्पन्न कर सकते हैं, और लेज़र की आवृत्ति को समायोजित करके तेज़ आवृत्ति रूपांतरण और स्वीप आवृत्ति की एक विस्तृत श्रृंखला को अंजाम दे सकते हैं। नुकसान यह है कि दो असंबंधित लेज़र संकेतों द्वारा उत्पन्न अंतर आवृत्ति संकेत का लाइनविड्थ या कला शोर अपेक्षाकृत अधिक होता है, और आवृत्ति स्थिरता अधिक नहीं होती है, खासकर यदि छोटे आयतन लेकिन बड़े लाइनविड्थ (~MHz) वाले अर्धचालक लेज़र का उपयोग किया जाता है। यदि सिस्टम भार आयतन आवश्यकताएँ अधिक नहीं हैं, तो आप कम शोर (~kHz) वाले ठोस-अवस्था लेज़रों का उपयोग कर सकते हैं,फाइबर लेज़रों, बाहरी गुहाअर्धचालक लेज़रों, आदि। इसके 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 LinBO3-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। क्योंकि ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी के विभिन्न कंघी संकेतों के बीच चरण अपेक्षाकृत स्थिर है, ताकि दो लेजर 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 सिग्नल 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. ओपीएल का योजनाबद्ध आरेख.

प्रकाशीय PLL का सिद्धांत इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में PLL के समान है। दो लेज़रों के कलांतर को एक फोटोडिटेक्टर (कला संसूचक के समतुल्य) द्वारा विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है, और फिर दोनों लेज़रों के बीच कलांतर एक संदर्भ माइक्रोवेव संकेत स्रोत के साथ एक अंतर आवृत्ति बनाकर प्राप्त किया जाता है, जिसे प्रवर्धित और फ़िल्टर किया जाता है और फिर किसी एक लेज़र की आवृत्ति नियंत्रण इकाई (अर्धचालक लेज़रों के लिए, यह अंतःक्षेपण धारा है) को वापस भेजा जाता है। ऐसे ऋणात्मक पुनर्निवेश नियंत्रण लूप के माध्यम से, दो लेज़र संकेतों के बीच सापेक्ष आवृत्ति कला को संदर्भ माइक्रोवेव संकेत से जोड़ दिया जाता है। संयुक्त प्रकाशीय संकेत को फिर प्रकाशिक तंतुओं के माध्यम से किसी अन्य स्थान पर स्थित एक फोटोडिटेक्टर तक प्रेषित किया जा सकता है और माइक्रोवेव संकेत में परिवर्तित किया जा सकता है। माइक्रोवेव संकेत का परिणामी कला शोर, कला-संकुचित ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप की बैंडविड्थ के भीतर संदर्भ संकेत के लगभग समान होता है। बैंडविड्थ के बाहर का कला शोर मूल दो असंबंधित लेज़रों के सापेक्ष कला शोर के बराबर होता 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 बहु-दोगुना किया जा सके, या उच्च आवृत्ति आरएफ, टीएचजेड सिग्नल में परिवर्तित किया जा सके।
इंजेक्शन फ़्रीक्वेंसी लॉकिंग की तुलना में, जिससे केवल फ़्रीक्वेंसी दोगुनी हो सकती है, फ़ेज़-लॉक्ड लूप ज़्यादा लचीले होते हैं, लगभग मनमाना फ़्रीक्वेंसी उत्पन्न कर सकते हैं, और ज़ाहिर है ज़्यादा जटिल भी। उदाहरण के लिए, चित्र 2 में फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलेटर द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब का उपयोग प्रकाश स्रोत के रूप में किया जाता है, और ऑप्टिकल फ़ेज़-लॉक्ड लूप का उपयोग दो लेज़रों की फ़्रीक्वेंसी को दो ऑप्टिकल कॉम्ब सिग्नलों से चुनिंदा रूप से लॉक करने के लिए किया जाता है, और फिर अंतर फ़्रीक्वेंसी के माध्यम से उच्च-फ़्रीक्वेंसी सिग्नल उत्पन्न करते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। f1 और f2 क्रमशः दो PLLS की संदर्भ सिग्नल फ़्रीक्वेंसी हैं, और दो लेज़रों के बीच अंतर फ़्रीक्वेंसी द्वारा N*frep+f1+f2 का एक माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न किया जा सकता है।

चित्र 4. ऑप्टिकल आवृत्ति कॉम्ब्स 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 कला शोर वाला संकेत प्राप्त किया जा सकता है। लेज़र की आवृत्ति को एक बहुत ही स्थिर परमाणु और आणविक संक्रमण स्पेक्ट्रम, या एक अत्यंत स्थिर प्रकाशिक गुहा में लॉक करके, और स्व-द्विगुणन आवृत्ति उन्मूलन प्रणाली, आवृत्ति परिवर्तन और अन्य तकनीकों का उपयोग करके, हम एक बहुत ही स्थिर पुनरावृत्ति आवृत्ति वाला एक बहुत ही स्थिर प्रकाशिक पल्स संकेत प्राप्त कर सकते हैं, जिससे अति-निम्न कला शोर वाला एक माइक्रोवेव संकेत प्राप्त होता है। चित्र 5.

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

हालाँकि, चूँकि स्पंद पुनरावृत्ति दर लेज़र की गुहा लंबाई के व्युत्क्रमानुपाती होती है, और पारंपरिक मोड-लॉक्ड लेज़र बड़ा होता है, इसलिए उच्च आवृत्ति वाले माइक्रोवेव सिग्नल सीधे प्राप्त करना मुश्किल होता है। इसके अलावा, पारंपरिक स्पंदित लेज़रों का आकार, वजन और ऊर्जा खपत, साथ ही कठोर पर्यावरणीय आवश्यकताएँ, 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 कैविटीज़ में आवृत्ति-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब उत्पन्न करने के लिए अरैखिक 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 दोलक 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 होता है, स्व-उत्तेजित दोलन माइक्रोवेव या लेजर का उत्पादन कर सकता है। बंद लूप का गुणवत्ता कारक Q जितना अधिक होगा, उत्पन्न सिग्नल 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 दोलक पर व्यापक शोध और उल्लेखनीय विकास हुआ है, और वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्रकाश-विद्युत युग्मित दोलक उपलब्ध हैं। हाल ही में, ऐसे प्रकाश-विद्युत दोलक विकसित किए गए हैं जिनकी आवृत्तियों को विस्तृत परास 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) और इसकी दोहरी आवृत्ति में शोर काफी बढ़ जाएगा। इसके अलावा, उपयोग किए जाने वाले प्रकाश-विद्युत घटक अधिक होते हैं, लागत अधिक होती है, आयतन कम करना कठिन होता है, और लंबा फाइबर पर्यावरणीय गड़बड़ी के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।

उपरोक्त संक्षेप में माइक्रोवेव सिग्नल के फोटोइलेक्ट्रॉन उत्पादन की कई विधियों, साथ ही उनके फायदे और नुकसानों का परिचय देता है। अंत में, माइक्रोवेव उत्पादन के लिए फोटोइलेक्ट्रॉनों के उपयोग का एक और लाभ यह है कि ऑप्टिकल सिग्नल को बहुत कम हानि के साथ ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से वितरित किया जा सकता है, प्रत्येक उपयोग टर्मिनल तक लंबी दूरी तक पहुँचाया जा सकता है और फिर माइक्रोवेव सिग्नल में परिवर्तित किया जा सकता है, और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का प्रतिरोध करने की क्षमता पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों की तुलना में काफी बेहतर होती 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।