मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समधील मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्मितीची सध्याची परिस्थिती आणि हॉट स्पॉट्स

मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, नावाप्रमाणेच, मायक्रोवेव्हचा छेदनबिंदू आहे आणिऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स. मायक्रोवेव्ह आणि प्रकाश लहरी या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरी आहेत, आणि फ्रिक्वेन्सी वेगवेगळ्या परिमाणांच्या अनेक ऑर्डर आहेत आणि त्यांच्या संबंधित क्षेत्रात विकसित केलेले घटक आणि तंत्रज्ञान खूप भिन्न आहेत. एकत्रितपणे, आम्ही एकमेकांचा फायदा घेऊ शकतो, परंतु आम्हाला नवीन अनुप्रयोग आणि वैशिष्ट्ये मिळू शकतात जी अनुक्रमे लक्षात घेणे कठीण आहे.

ऑप्टिकल संप्रेषणमायक्रोवेव्ह आणि फोटोइलेक्ट्रॉन यांच्या संयोगाचे एक प्रमुख उदाहरण आहे. सुरुवातीचे टेलिफोन आणि टेलीग्राफ वायरलेस कम्युनिकेशन्स, सिग्नल्सची निर्मिती, प्रसार आणि रिसेप्शन, सर्व वापरलेली मायक्रोवेव्ह उपकरणे. कमी फ्रिक्वेंसी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींचा वापर सुरुवातीला केला जातो कारण वारंवारता श्रेणी लहान असते आणि प्रसारणासाठी चॅनेलची क्षमता लहान असते. उपाय म्हणजे प्रसारित सिग्नलची वारंवारता वाढवणे, वारंवारता जितकी जास्त तितकी स्पेक्ट्रम संसाधने. परंतु हवेतील प्रसार हानीमधील उच्च वारंवारता सिग्नल मोठे आहे, परंतु अडथळ्यांद्वारे अवरोधित करणे देखील सोपे आहे. केबल वापरल्यास, केबलचे नुकसान मोठे आहे आणि लांब-अंतराचे प्रसारण एक समस्या आहे. ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशनचा उदय हा या समस्यांवर एक चांगला उपाय आहे.ऑप्टिकल फायबरखूप कमी ट्रान्समिशन लॉस आहे आणि लांब अंतरावर सिग्नल प्रसारित करण्यासाठी एक उत्कृष्ट वाहक आहे. प्रकाश लहरींची वारंवारता श्रेणी मायक्रोवेव्हपेक्षा खूप जास्त आहे आणि एकाच वेळी अनेक भिन्न चॅनेल प्रसारित करू शकतात. च्या या फायद्यांमुळेऑप्टिकल ट्रान्समिशन, ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन आजच्या माहिती प्रसारणाचा कणा बनला आहे.
ऑप्टिकल कम्युनिकेशनला मोठा इतिहास आहे, संशोधन आणि अनुप्रयोग खूप विस्तृत आणि परिपक्व आहेत, येथे अधिक सांगायचे नाही. हा पेपर प्रामुख्याने ऑप्टिकल कम्युनिकेशन व्यतिरिक्त अलिकडच्या वर्षांत मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या नवीन संशोधन सामग्रीचा परिचय देतो. पारंपारिक मायक्रोवेव्ह इलेक्ट्रॉनिक घटकांसह साध्य करणे कठीण असलेले कार्यप्रदर्शन आणि अनुप्रयोग सुधारण्यासाठी आणि साध्य करण्यासाठी मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रामुख्याने ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रातील पद्धती आणि तंत्रज्ञानाचा वाहक म्हणून वापर करते. अर्जाच्या दृष्टीकोनातून, त्यात प्रामुख्याने खालील तीन पैलूंचा समावेश होतो.
पहिला म्हणजे एक्स-बँडपासून ते THz बँडपर्यंत उच्च-कार्यक्षमता, कमी-आवाज मायक्रोवेव्ह सिग्नल तयार करण्यासाठी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिकचा वापर.
दुसरे, मायक्रोवेव्ह सिग्नल प्रक्रिया. विलंब, फिल्टरिंग, वारंवारता रूपांतरण, प्राप्त करणे आणि यासह.
तिसरे, एनालॉग सिग्नलचे प्रसारण.

या लेखात, लेखक फक्त पहिला भाग, मायक्रोवेव्ह सिग्नलची निर्मिती करतो. पारंपारिक मायक्रोवेव्ह मिलिमीटर वेव्ह प्रामुख्याने iii_V मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकांद्वारे तयार केली जाते. त्याच्या मर्यादांमध्ये खालील मुद्दे आहेत: प्रथम, वरील 100GHz सारख्या उच्च फ्रिक्वेन्सीसाठी, पारंपारिक मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक कमी आणि कमी उर्जा निर्माण करू शकतात, उच्च वारंवारता THz सिग्नलपर्यंत, ते काहीही करू शकत नाहीत. दुसरे, फेज आवाज कमी करण्यासाठी आणि वारंवारता स्थिरता सुधारण्यासाठी, मूळ डिव्हाइस अत्यंत कमी तापमानाच्या वातावरणात ठेवणे आवश्यक आहे. तिसरे, फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशन फ्रिक्वेंसी रूपांतरणाची विस्तृत श्रेणी प्राप्त करणे कठीण आहे. या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञान भूमिका बजावू शकते. मुख्य पद्धती खाली वर्णन केल्या आहेत.

1. आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, दोन भिन्न वारंवारता लेसर सिग्नलच्या फरक वारंवारतेद्वारे, मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी उच्च-फ्रिक्वेंसी फोटोडेटेक्टर वापरला जातो.

आकृती 1. दोनच्या फरक वारंवारतेने व्युत्पन्न केलेल्या मायक्रोवेव्हचे योजनाबद्ध आकृतीलेसर.

या पद्धतीचे फायदे साधे संरचना आहेत, अत्यंत उच्च वारंवारता मिलिमीटर लहरी आणि अगदी THz वारंवारता सिग्नल व्युत्पन्न करू शकतात आणि लेसरची वारंवारता समायोजित करून जलद वारंवारता रूपांतरण, स्वीप फ्रिक्वेन्सीची मोठी श्रेणी पार पाडू शकते. तोटा असा आहे की दोन असंबंधित लेसर सिग्नलद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या फरक फ्रिक्वेंसी सिग्नलची लाइनविड्थ किंवा फेज आवाज तुलनेने मोठा आहे आणि वारंवारता स्थिरता जास्त नाही, विशेषत: जर सेमीकंडक्टर लेसर लहान व्हॉल्यूमसह परंतु मोठी लाइनविड्थ (~MHz) असेल तर वापरले. जर सिस्टम वेट व्हॉल्यूम आवश्यकता जास्त नसेल, तर तुम्ही कमी आवाज (~kHz) सॉलिड-स्टेट लेसर वापरू शकता,फायबर लेसर, बाह्य पोकळीसेमीकंडक्टर लेसर, इ. या व्यतिरिक्त, समान लेसर पोकळीमध्ये व्युत्पन्न केलेल्या लेसर सिग्नलचे दोन भिन्न मोड देखील फरक वारंवारता निर्माण करण्यासाठी वापरले जाऊ शकतात, ज्यामुळे मायक्रोवेव्ह वारंवारता स्थिरता कार्यप्रदर्शन मोठ्या प्रमाणात सुधारले जाते.

2. मागील पद्धतीतील दोन लेसर विसंगत आहेत आणि सिग्नल फेजचा आवाज खूप मोठा आहे या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, दोन लेसरमधील सुसंगतता इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंग फेज लॉकिंग पद्धतीद्वारे किंवा नकारात्मक अभिप्राय फेजद्वारे प्राप्त केली जाऊ शकते. लॉकिंग सर्किट. आकृती 2 मायक्रोवेव्ह गुणाकार (आकृती 2) व्युत्पन्न करण्यासाठी इंजेक्शन लॉकिंगचा एक विशिष्ट अनुप्रयोग दर्शविते. सेमीकंडक्टर लेसरमध्ये उच्च वारंवारता वर्तमान सिग्नल थेट इंजेक्ट करून किंवा LinBO3-फेज मॉड्युलेटर वापरून, समान वारंवारता अंतरासह भिन्न फ्रिक्वेन्सीचे एकाधिक ऑप्टिकल सिग्नल तयार केले जाऊ शकतात किंवा ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स तयार केले जाऊ शकतात. अर्थात, विस्तृत स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल वारंवारता कंघी मिळविण्यासाठी सामान्यतः वापरली जाणारी पद्धत म्हणजे मोड-लॉक्ड लेसर वापरणे. व्युत्पन्न केलेल्या ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बमधील कोणतेही दोन कॉम्ब सिग्नल फिल्टरिंगद्वारे निवडले जातात आणि अनुक्रमे वारंवारता आणि फेज लॉकिंग लक्षात घेण्यासाठी अनुक्रमे लेसर 1 आणि 2 मध्ये इंजेक्ट केले जातात. कारण ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बच्या वेगवेगळ्या कॉम्ब सिग्नलमधील टप्पा तुलनेने स्थिर असतो, ज्यामुळे दोन लेसरमधील सापेक्ष टप्पा स्थिर असतो, आणि नंतर आधी वर्णन केल्याप्रमाणे फरक वारंवारतेच्या पद्धतीनुसार, मल्टी-फोल्ड फ्रिक्वेन्सी मायक्रोवेव्ह सिग्नल ऑप्टिकल वारंवारता कंघी पुनरावृत्ती दर मिळू शकते.

आकृती 2. इंजेक्शन फ्रिक्वेंसी लॉकिंगद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या मायक्रोवेव्ह वारंवारता दुप्पट सिग्नलचे योजनाबद्ध आकृती.
दोन लेसरचा सापेक्ष फेज आवाज कमी करण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे नकारात्मक फीडबॅक ऑप्टिकल पीएलएल वापरणे.

आकृती 3. OPL चे योजनाबद्ध आकृती.

ऑप्टिकल पीएलएलचे तत्त्व इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात पीएलएलसारखेच आहे. दोन लेसरमधील फेज फरक फोटोडिटेक्टर (फेज डिटेक्टरच्या समतुल्य) द्वारे इलेक्ट्रिकल सिग्नलमध्ये रूपांतरित केला जातो आणि नंतर दोन लेसरमधील फेज फरक संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्त्रोतासह फरक वारंवारता बनवून प्राप्त केला जातो, जो विस्तारित केला जातो. आणि फिल्टर केले आणि नंतर एका लेसरच्या फ्रिक्वेंसी कंट्रोल युनिटला परत दिले (सेमीकंडक्टर लेसरसाठी, ते इंजेक्शन करंट आहे). अशा नकारात्मक फीडबॅक कंट्रोल लूपद्वारे, दोन लेसर सिग्नलमधील सापेक्ष वारंवारता टप्पा संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नलला लॉक केला जातो. एकत्रित ऑप्टिकल सिग्नल नंतर ऑप्टिकल फायबरद्वारे इतरत्र फोटोडिटेक्टरमध्ये प्रसारित केले जाऊ शकते आणि मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते. मायक्रोवेव्ह सिग्नलचा परिणामी फेज आवाज फेज-लॉक केलेल्या नकारात्मक फीडबॅक लूपच्या बँडविड्थमधील संदर्भ सिग्नलच्या जवळपास समान असतो. बँडविड्थच्या बाहेरचा फेज आवाज मूळ दोन असंबंधित लेसरच्या सापेक्ष फेज आवाजाइतका आहे.
याशिवाय, रेफरन्स मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोत इतर सिग्नल स्रोतांद्वारे फ्रिक्वेंसी दुप्पट, विभाजक फ्रिक्वेंसी किंवा इतर फ्रिक्वेंसी प्रोसेसिंगद्वारे देखील रूपांतरित केले जाऊ शकते, जेणेकरुन कमी फ्रिक्वेंसी मायक्रोवेव्ह सिग्नल बहु-दुप्पट, किंवा उच्च-फ्रिक्वेंसी RF, THz सिग्नलमध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते.
इंजेक्शन फ्रिक्वेंसी लॉकिंगच्या तुलनेत केवळ वारंवारता दुप्पट करणे शक्य आहे, फेज-लॉक केलेले लूप अधिक लवचिक आहेत, जवळजवळ अनियंत्रित फ्रिक्वेन्सी तयार करू शकतात आणि अर्थातच अधिक जटिल आहेत. उदाहरणार्थ, आकृती 2 मधील फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्युलेटरद्वारे व्युत्पन्न केलेली ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कंघी प्रकाश स्रोत म्हणून वापरली जाते आणि ऑप्टिकल फेज-लॉक केलेले लूप दोन लेझरची वारंवारता दोन ऑप्टिकल कॉम्ब सिग्नलवर निवडकपणे लॉक करण्यासाठी वापरले जाते आणि नंतर जनरेट करते. आकृती 4 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, फरक फ्रिक्वेन्सीद्वारे उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नल. f1 आणि f2 अनुक्रमे दोन PLLS च्या संदर्भ सिग्नल फ्रिक्वेन्सी आहेत आणि N*frep+f1+f2 चे मायक्रोवेव्ह सिग्नल यामधील फरक वारंवारतेद्वारे तयार केले जाऊ शकतात. दोन लेसर.

आकृती 4. ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स आणि पीएलएलएस वापरून अनियंत्रित फ्रिक्वेन्सी निर्माण करण्याचे योजनाबद्ध आकृती.

3. ऑप्टिकल पल्स सिग्नलला मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी मोड-लॉक केलेले पल्स लेसर वापराफोटोडिटेक्टर.

या पद्धतीचा मुख्य फायदा असा आहे की खूप चांगली वारंवारता स्थिरता आणि अत्यंत कमी फेज आवाजासह सिग्नल मिळू शकतो. लेसरची वारंवारता एका अतिशय स्थिर अणु आणि आण्विक संक्रमण स्पेक्ट्रममध्ये किंवा अत्यंत स्थिर ऑप्टिकल पोकळीमध्ये लॉक करून आणि सेल्फ-डबलिंग फ्रिक्वेंसी एलिमिनेशन सिस्टम फ्रिक्वेंसी शिफ्ट आणि इतर तंत्रज्ञानाचा वापर करून, आम्ही एक अतिशय स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल मिळवू शकतो. अत्यंत स्थिर पुनरावृत्ती वारंवारता, जेणेकरून अल्ट्रा-लो फेज आवाजासह मायक्रोवेव्ह सिग्नल मिळू शकेल. आकृती 5.

आकृती 5. वेगवेगळ्या सिग्नल स्त्रोतांच्या सापेक्ष फेज आवाजाची तुलना.

तथापि, नाडी पुनरावृत्ती दर लेसरच्या पोकळीच्या लांबीच्या व्यस्त प्रमाणात असल्यामुळे आणि पारंपारिक मोड-लॉक केलेले लेसर मोठे असल्याने, थेट उच्च वारंवारता मायक्रोवेव्ह सिग्नल प्राप्त करणे कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, पारंपारिक स्पंदित लेसरचा आकार, वजन आणि उर्जा वापर, तसेच कठोर पर्यावरणीय आवश्यकता, त्यांच्या मुख्यतः प्रयोगशाळेच्या अनुप्रयोगांवर मर्यादा घालतात. या अडचणींवर मात करण्यासाठी, नुकतेच युनायटेड स्टेट्स आणि जर्मनीमध्ये नॉनलाइनर इफेक्ट्स वापरून अतिशय लहान, उच्च-गुणवत्तेचे चिरप मोड ऑप्टिकल पोकळींमध्ये वारंवारता-स्थिर ऑप्टिकल कंघी निर्माण करण्यासाठी संशोधन सुरू झाले आहे, ज्यामुळे उच्च-फ्रिक्वेंसी कमी-आवाज मायक्रोवेव्ह सिग्नल तयार होतात.

4. ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर, आकृती 6.

आकृती 6. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटरचे योजनाबद्ध आकृती.

मायक्रोवेव्ह किंवा लेसर तयार करण्याच्या पारंपारिक पद्धतींपैकी एक म्हणजे स्व-प्रतिक्रिया बंद लूप वापरणे, जोपर्यंत बंद लूपमधील फायदा हानीपेक्षा जास्त आहे, स्वयं-उत्साही दोलन मायक्रोवेव्ह किंवा लेसर तयार करू शकतात. बंद लूपचा गुणवत्ता घटक Q जितका जास्त असेल तितका व्युत्पन्न केलेला सिग्नल फेज किंवा वारंवारता आवाज कमी होईल. लूपची गुणवत्ता वाढवण्यासाठी, लूपची लांबी वाढवणे आणि प्रसाराचे नुकसान कमी करणे हा थेट मार्ग आहे. तथापि, एक लांब लूप सामान्यत: दोलनाच्या एकाधिक मोडच्या निर्मितीस समर्थन देऊ शकते आणि जर एक अरुंद-बँडविड्थ फिल्टर जोडला गेला तर, एकल-फ्रिक्वेंसी कमी-आवाज मायक्रोवेव्ह ऑसिलेशन सिग्नल मिळू शकतो. या कल्पनेवर आधारित फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटर हा मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोत आहे, तो फायबरच्या कमी प्रसार नुकसान वैशिष्ट्यांचा पूर्ण वापर करतो, लूप क्यू व्हॅल्यू सुधारण्यासाठी दीर्घ फायबरचा वापर करून, अगदी कमी फेज आवाजासह मायक्रोवेव्ह सिग्नल तयार करू शकतो. 1990 च्या दशकात ही पद्धत प्रस्तावित केल्यापासून, या प्रकारच्या ऑसिलेटरवर व्यापक संशोधन आणि लक्षणीय विकास झाला आहे आणि सध्या व्यावसायिक फोटोइलेक्ट्रिक जोडलेले ऑसिलेटर आहेत. अगदी अलीकडे, फोटोइलेक्ट्रिक ऑसिलेटर विकसित केले गेले आहेत ज्यांची वारंवारता विस्तृत श्रेणीमध्ये समायोजित केली जाऊ शकते. या आर्किटेक्चरवर आधारित मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्त्रोतांची मुख्य समस्या अशी आहे की लूप लांब आहे आणि त्याच्या मुक्त प्रवाह (FSR) मध्ये आवाज आणि त्याची दुहेरी वारंवारता लक्षणीय वाढली जाईल. याव्यतिरिक्त, वापरलेले फोटोइलेक्ट्रिक घटक अधिक आहेत, खर्च जास्त आहे, आवाज कमी करणे कठीण आहे आणि जास्त लांब फायबर पर्यावरणीय अशांततेसाठी अधिक संवेदनशील आहे.

वरील मायक्रोवेव्ह सिग्नलच्या फोटोइलेक्ट्रॉन निर्मितीच्या अनेक पद्धती तसेच त्यांचे फायदे आणि तोटे यांचा थोडक्यात परिचय करून दिला आहे. शेवटी, मायक्रोवेव्ह तयार करण्यासाठी फोटोइलेक्ट्रॉनच्या वापराचा आणखी एक फायदा असा आहे की ऑप्टिकल सिग्नल ऑप्टिकल फायबरद्वारे अत्यंत कमी नुकसानासह वितरित केले जाऊ शकते, प्रत्येक वापर टर्मिनलवर लांब-अंतराचे प्रसारण आणि नंतर मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिकला प्रतिकार करण्याची क्षमता. पारंपारिक इलेक्ट्रॉनिक घटकांपेक्षा हस्तक्षेप लक्षणीयरीत्या सुधारला आहे.
या लेखाचे लेखन मुख्यत्वे संदर्भासाठी आहे आणि लेखकाचे स्वतःचे संशोधन आणि या क्षेत्रातील अनुभव यांची सांगड घातली आहे, त्यात अयोग्यता आणि अनाकलनीयता आहे, कृपया समजून घ्या.