मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समध्ये मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्मितीचे सध्याचे परिस्थिती आणि हॉट स्पॉट्स

मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सनावाप्रमाणेच, मायक्रोवेव्ह आणिऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स. मायक्रोवेव्ह आणि प्रकाश लहरी या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरी आहेत, आणि त्यांच्या फ्रिक्वेन्सीज अनेक प्रमाणात वेगवेगळ्या आहेत आणि त्यांच्या संबंधित क्षेत्रात विकसित केलेले घटक आणि तंत्रज्ञान खूप भिन्न आहेत. एकत्रितपणे, आपण एकमेकांचा फायदा घेऊ शकतो, परंतु आपल्याला अनुक्रमे नवीन अनुप्रयोग आणि वैशिष्ट्ये मिळू शकतात जी साकार करणे कठीण आहे.

ऑप्टिकल कम्युनिकेशनमायक्रोवेव्ह आणि फोटोइलेक्ट्रॉनच्या संयोजनाचे हे एक उत्तम उदाहरण आहे. सुरुवातीच्या टेलिफोन आणि टेलिग्राफ वायरलेस कम्युनिकेशन्स, सिग्नलची निर्मिती, प्रसार आणि रिसेप्शन, सर्व वापरले जाणारे मायक्रोवेव्ह डिव्हाइस. कमी फ्रिक्वेन्सी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्ह्स सुरुवातीला वापरल्या जातात कारण फ्रिक्वेन्सी रेंज लहान असते आणि ट्रान्समिशनसाठी चॅनेल क्षमता कमी असते. यावर उपाय म्हणजे ट्रान्समिटेड सिग्नलची फ्रिक्वेन्सी वाढवणे, फ्रिक्वेन्सी जितकी जास्त असेल तितकी जास्त स्पेक्ट्रम संसाधने. परंतु हवेच्या प्रसारणात उच्च फ्रिक्वेन्सी सिग्नलचे नुकसान मोठे असते, परंतु अडथळ्यांमुळे ते सहजपणे रोखले जाऊ शकते. जर केबल वापरली गेली तर केबलचे नुकसान मोठे असते आणि लांब अंतराचे ट्रान्समिशन ही एक समस्या आहे. ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशनचा उदय हा या समस्यांवर एक चांगला उपाय आहे.ऑप्टिकल फायबरयात ट्रान्समिशन लॉस खूप कमी आहे आणि ते लांब अंतरावर सिग्नल ट्रान्समिट करण्यासाठी एक उत्कृष्ट वाहक आहे. प्रकाश लाटांची वारंवारता श्रेणी मायक्रोवेव्हपेक्षा खूप जास्त आहे आणि एकाच वेळी अनेक वेगवेगळ्या चॅनेल ट्रान्समिट करू शकते. या फायद्यांमुळेऑप्टिकल ट्रान्समिशन, ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन आजच्या माहिती प्रसारणाचा कणा बनला आहे.
ऑप्टिकल कम्युनिकेशनचा इतिहास खूप मोठा आहे, संशोधन आणि अनुप्रयोग खूप व्यापक आणि परिपक्व आहेत, येथे अधिक सांगायचे नाही. हा पेपर प्रामुख्याने अलिकडच्या वर्षांत ऑप्टिकल कम्युनिकेशन व्यतिरिक्त मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या नवीन संशोधन सामग्रीची ओळख करून देतो. मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रामुख्याने ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रातील पद्धती आणि तंत्रज्ञानाचा वापर वाहक म्हणून करते जेणेकरून पारंपारिक मायक्रोवेव्ह इलेक्ट्रॉनिक घटकांसह साध्य करणे कठीण असलेल्या कामगिरी आणि अनुप्रयोगात सुधारणा आणि साध्य करता येईल. अनुप्रयोगाच्या दृष्टिकोनातून, त्यात प्रामुख्याने खालील तीन पैलूंचा समावेश आहे.
पहिले म्हणजे एक्स-बँडपासून ते THz बँडपर्यंत उच्च-कार्यक्षमता, कमी-आवाज मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करण्यासाठी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सचा वापर.
दुसरे म्हणजे, मायक्रोवेव्ह सिग्नल प्रोसेसिंग. ज्यामध्ये विलंब, फिल्टरिंग, वारंवारता रूपांतरण, प्राप्त करणे इत्यादींचा समावेश आहे.
तिसरे, अॅनालॉग सिग्नलचे प्रसारण.

या लेखात, लेखक फक्त पहिल्या भागाची ओळख करून देतात, मायक्रोवेव्ह सिग्नलची निर्मिती. पारंपारिक मायक्रोवेव्ह मिलिमीटर वेव्ह प्रामुख्याने iii_V मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकांद्वारे निर्माण होते. त्याच्या मर्यादांमध्ये खालील मुद्दे आहेत: प्रथम, वरील 100GHz सारख्या उच्च फ्रिक्वेन्सीजसाठी, पारंपारिक मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स कमी आणि कमी पॉवर निर्माण करू शकतात, उच्च फ्रिक्वेन्सी THz सिग्नलसाठी, ते काहीही करू शकत नाहीत. दुसरे, फेज नॉइज कमी करण्यासाठी आणि फ्रिक्वेन्सी स्थिरता सुधारण्यासाठी, मूळ डिव्हाइस अत्यंत कमी तापमानाच्या वातावरणात ठेवणे आवश्यक आहे. तिसरे, फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशन फ्रिक्वेन्सी रूपांतरणाची विस्तृत श्रेणी साध्य करणे कठीण आहे. या समस्या सोडवण्यासाठी, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञान भूमिका बजावू शकते. मुख्य पद्धती खाली वर्णन केल्या आहेत.

१. आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, दोन वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सी लेसर सिग्नलच्या फरकाच्या फ्रिक्वेन्सीद्वारे, मायक्रोवेव्ह सिग्नल रूपांतरित करण्यासाठी उच्च-फ्रिक्वेन्सी फोटोडिटेक्टर वापरला जातो.

आकृती १. दोन मायक्रोवेव्हच्या फरकाच्या वारंवारतेमुळे निर्माण होणाऱ्या मायक्रोवेव्हचे योजनाबद्ध आकृतीलेसर.

या पद्धतीचे फायदे म्हणजे साधी रचना, अत्यंत उच्च वारंवारता मिलिमीटर वेव्ह आणि अगदी THz वारंवारता सिग्नल निर्माण करू शकते आणि लेसरची वारंवारता समायोजित करून जलद वारंवारता रूपांतरण, स्वीप वारंवारता मोठ्या प्रमाणात करू शकते. तोटा असा आहे की दोन असंबंधित लेसर सिग्नलद्वारे निर्माण होणाऱ्या फरक वारंवारता सिग्नलची लाइनविड्थ किंवा फेज नॉइज तुलनेने मोठी असते आणि फ्रिक्वेन्सी स्थिरता जास्त नसते, विशेषतः जर लहान व्हॉल्यूम असलेले परंतु मोठ्या लाइनविड्थ (~MHz) असलेले सेमीकंडक्टर लेसर वापरले असेल. जर सिस्टम वेट व्हॉल्यूम आवश्यकता जास्त नसतील, तर तुम्ही कमी नॉइज (~kHz) सॉलिड-स्टेट लेसर वापरू शकता,फायबर लेसर, बाह्य पोकळीअर्धवाहक लेसर, इत्यादी. याव्यतिरिक्त, एकाच लेसर पोकळीत निर्माण होणाऱ्या लेसर सिग्नलच्या दोन वेगवेगळ्या पद्धतींचा वापर फरक वारंवारता निर्माण करण्यासाठी देखील केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे मायक्रोवेव्ह वारंवारता स्थिरता कामगिरी मोठ्या प्रमाणात सुधारते.

२. मागील पद्धतीतील दोन लेसर विसंगत आहेत आणि निर्माण होणारा सिग्नल फेज आवाज खूप मोठा आहे या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंग फेज लॉकिंग पद्धतीद्वारे किंवा नकारात्मक अभिप्राय फेज लॉकिंग सर्किटद्वारे दोन्ही लेसरमधील सुसंगतता मिळवता येते. आकृती २ मायक्रोवेव्ह गुणाकार निर्माण करण्यासाठी इंजेक्शन लॉकिंगचा एक सामान्य वापर दर्शविते (आकृती २). सेमीकंडक्टर लेसरमध्ये थेट उच्च वारंवारता प्रवाह सिग्नल इंजेक्ट करून किंवा लिनबीओ३-फेज मॉड्युलेटर वापरून, समान वारंवारता अंतरासह वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीचे अनेक ऑप्टिकल सिग्नल किंवा ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स तयार केले जाऊ शकतात. अर्थात, विस्तृत स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब मिळविण्यासाठी सामान्यतः वापरली जाणारी पद्धत म्हणजे मोड-लॉक केलेले लेसर वापरणे. जनरेट केलेल्या ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बमधील कोणतेही दोन कॉम्ब सिग्नल फिल्टर करून निवडले जातात आणि अनुक्रमे वारंवारता आणि फेज लॉकिंग साकार करण्यासाठी अनुक्रमे लेसर १ आणि २ मध्ये इंजेक्ट केले जातात. कारण ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बच्या वेगवेगळ्या कॉम्ब सिग्नलमधील फेज तुलनेने स्थिर असतो, त्यामुळे दोन लेसरमधील सापेक्ष फेज स्थिर असतो आणि नंतर आधी वर्णन केल्याप्रमाणे फरक फ्रिक्वेन्सीच्या पद्धतीद्वारे, ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब पुनरावृत्ती दराचा मल्टी-फोल्ड फ्रिक्वेन्सी मायक्रोवेव्ह सिग्नल मिळवता येतो.

आकृती २. इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंगद्वारे निर्माण होणाऱ्या मायक्रोवेव्ह फ्रिक्वेन्सी डबलिंग सिग्नलचे योजनाबद्ध आकृती.
आकृती ३ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, दोन्ही लेसरचा सापेक्ष फेज आवाज कमी करण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे नकारात्मक अभिप्राय ऑप्टिकल पीएलएल वापरणे.

आकृती ३. ओपीएलचा योजनाबद्ध आकृती.

ऑप्टिकल पीएलएलचे तत्व इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रातील पीएलएलसारखेच आहे. दोन लेसरमधील फेज डिफरन्स फोटोडिटेक्टर (फेज डिटेक्टरच्या समतुल्य) द्वारे इलेक्ट्रिकल सिग्नलमध्ये रूपांतरित केले जाते आणि नंतर दोन लेसरमधील फेज डिफरन्स रेफरन्सी बनवून मिळवला जातो, जो रेफरन्स मायक्रोवेव्ह सिग्नल सोर्ससह रेफरन्सी बनवून मिळवला जातो, जो एम्प्लीफाय केला जातो आणि फिल्टर केला जातो आणि नंतर एका लेसरच्या फ्रिक्वेन्सी कंट्रोल युनिटला परत दिला जातो (सेमीकंडक्टर लेसरसाठी, तो इंजेक्शन करंट आहे). अशा नकारात्मक फीडबॅक कंट्रोल लूपद्वारे, दोन लेसर सिग्नलमधील रिलेटिव्ह फ्रिक्वेन्सी फेज रेफरन्स मायक्रोवेव्ह सिग्नलला लॉक केला जातो. नंतर एकत्रित ऑप्टिकल सिग्नल ऑप्टिकल फायबरद्वारे इतरत्र फोटोडिटेक्टरमध्ये प्रसारित केला जाऊ शकतो आणि मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित केला जाऊ शकतो. मायक्रोवेव्ह सिग्नलचा परिणामी फेज नॉइज फेज-लॉक केलेल्या नेगेटिव्ह फीडबॅक लूपच्या बँडविड्थमधील रेफरन्स सिग्नलसारखाच असतो. बँडविड्थच्या बाहेरील फेज नॉइज मूळ दोन असंबंधित लेसरच्या रिलेटिव्ह फेज नॉइजइतकाच असतो.
याव्यतिरिक्त, संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोत इतर सिग्नल स्रोतांद्वारे वारंवारता दुप्पट, विभाजक वारंवारता किंवा इतर वारंवारता प्रक्रियेद्वारे रूपांतरित केला जाऊ शकतो, जेणेकरून कमी वारंवारता मायक्रोवेव्ह सिग्नल बहु-दुप्पट केला जाऊ शकतो किंवा उच्च-फ्रिक्वेन्सी RF, THz सिग्नलमध्ये रूपांतरित केला जाऊ शकतो.
इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंगच्या तुलनेत फक्त फ्रिक्वेन्सी डबलिंग मिळू शकते, फेज-लॉक केलेले लूप अधिक लवचिक असतात, जवळजवळ अनियंत्रित फ्रिक्वेन्सी निर्माण करू शकतात आणि अर्थातच अधिक जटिल असतात. उदाहरणार्थ, आकृती 2 मध्ये फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्युलेटरद्वारे निर्माण केलेला ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कंघी प्रकाश स्रोत म्हणून वापरला जातो आणि ऑप्टिकल फेज-लॉक केलेले लूप दोन लेसरची फ्रिक्वेन्सी निवडकपणे दोन ऑप्टिकल कंघी सिग्नलवर लॉक करण्यासाठी वापरला जातो आणि नंतर आकृती 4 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे फरक फ्रिक्वेन्सीद्वारे उच्च-फ्रिक्वेन्सी सिग्नल तयार करतो. f1 आणि f2 हे अनुक्रमे दोन PLLS चे संदर्भ सिग्नल फ्रिक्वेन्सी आहेत आणि दोन लेसरमधील फरक फ्रिक्वेन्सीद्वारे N*frep+f1+f2 चा मायक्रोवेव्ह सिग्नल तयार केला जाऊ शकतो.

आकृती ४. ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स आणि पीएलएलएस वापरून अनियंत्रित फ्रिक्वेन्सी निर्माण करण्याचे योजनाबद्ध आकृती.

३. 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 खूप कमी फेज आवाज असलेला सिग्नल मिळवता येतो. लेसरची वारंवारता अतिशय स्थिर अणु आणि आण्विक संक्रमण स्पेक्ट्रम किंवा अत्यंत स्थिर ऑप्टिकल पोकळीशी लॉक करून आणि स्वयं-दुप्पट वारंवारता निर्मूलन प्रणाली वारंवारता शिफ्ट आणि इतर तंत्रज्ञानाचा वापर करून, आपण अतिशय स्थिर पुनरावृत्ती वारंवारता असलेला एक अतिशय स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल मिळवू शकतो, जेणेकरून अल्ट्रा-लो फेज आवाज असलेला मायक्रोवेव्ह सिग्नल मिळू शकेल. आकृती 5.

आकृती ५. वेगवेगळ्या सिग्नल स्रोतांच्या सापेक्ष टप्प्यातील आवाजाची तुलना.

तथापि, पल्स रिपीटेशन रेट लेसरच्या पोकळीच्या लांबीच्या व्यस्त प्रमाणात असल्याने आणि पारंपारिक मोड-लॉक केलेले लेसर मोठे असल्याने, उच्च वारंवारता मायक्रोवेव्ह सिग्नल थेट मिळवणे कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, पारंपारिक स्पंदित लेसरचा आकार, वजन आणि ऊर्जा वापर, तसेच कठोर पर्यावरणीय आवश्यकता, त्यांच्या प्रामुख्याने प्रयोगशाळेतील अनुप्रयोगांवर मर्यादा घालतात. या अडचणींवर मात करण्यासाठी, युनायटेड स्टेट्स आणि जर्मनीमध्ये अलीकडेच नॉनलाइनर इफेक्ट्स वापरून अतिशय लहान, उच्च-गुणवत्तेच्या चिरप मोड ऑप्टिकल पोकळींमध्ये वारंवारता-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब्स निर्माण करण्यासाठी संशोधन सुरू झाले आहे, जे यामधून उच्च-फ्रिक्वेन्सी कमी-आवाज मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करतात.

४. ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर, आकृती ६.

आकृती ६. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटरचा योजनाबद्ध आकृती.

मायक्रोवेव्ह किंवा लेसर निर्माण करण्याच्या पारंपारिक पद्धतींपैकी एक म्हणजे सेल्फ-फीडबॅक क्लोज्ड लूप वापरणे, जोपर्यंत क्लोज्ड लूपमधील नफा तोट्यापेक्षा जास्त असतो, तोपर्यंत सेल्फ-एक्साइटेड ऑसिलेशन मायक्रोवेव्ह किंवा लेसर निर्माण करू शकते. क्लोज्ड लूपचा क्वालिटी फॅक्टर Q जितका जास्त असेल तितका जनरेटेड सिग्नल फेज किंवा फ्रिक्वेन्सी नॉइज कमी असेल. लूपचा क्वालिटी फॅक्टर वाढवण्यासाठी, लूपची लांबी वाढवणे आणि प्रसारण नुकसान कमी करणे हा थेट मार्ग आहे. तथापि, एक लांब लूप सहसा दोलनाच्या अनेक मोडच्या निर्मितीला समर्थन देऊ शकतो आणि जर एक अरुंद-बँडविड्थ फिल्टर जोडला गेला तर एकल-फ्रिक्वेन्सी लो-नॉइज मायक्रोवेव्ह ऑसिलेशन सिग्नल मिळवता येतो. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटर हा या कल्पनेवर आधारित मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोत आहे, तो फायबरच्या कमी प्रसारण नुकसान वैशिष्ट्यांचा पूर्ण वापर करतो, लूप Q मूल्य सुधारण्यासाठी लांब फायबर वापरून, खूप कमी फेज नॉइजसह मायक्रोवेव्ह सिग्नल तयार करू शकतो. 1990 च्या दशकात ही पद्धत प्रस्तावित केल्यापासून, या प्रकारच्या ऑसिलेटरला व्यापक संशोधन आणि लक्षणीय विकास मिळाला आहे आणि सध्या व्यावसायिक फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटर आहेत. अलिकडेच, फोटोइलेक्ट्रिक ऑसिलेटर विकसित केले गेले आहेत ज्यांची फ्रिक्वेन्सी विस्तृत श्रेणीत समायोजित केली जाऊ शकते. या आर्किटेक्चरवर आधारित मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोतांची मुख्य समस्या म्हणजे लूप लांब असतो आणि त्याच्या मुक्त प्रवाहात (FSR) आवाज आणि त्याची दुहेरी वारंवारता लक्षणीयरीत्या वाढेल. याव्यतिरिक्त, वापरलेले फोटोइलेक्ट्रिक घटक जास्त असतात, किंमत जास्त असते, आकारमान कमी करणे कठीण असते आणि लांब फायबर पर्यावरणीय विघटनास अधिक संवेदनशील असतो.

वरील माहितीमध्ये मायक्रोवेव्ह सिग्नलच्या फोटोइलेक्ट्रॉन निर्मितीच्या अनेक पद्धती तसेच त्यांचे फायदे आणि तोटे थोडक्यात सादर केले आहेत. शेवटी, मायक्रोवेव्ह तयार करण्यासाठी फोटोइलेक्ट्रॉनचा वापर करण्याचा आणखी एक फायदा म्हणजे ऑप्टिकल सिग्नल ऑप्टिकल फायबरद्वारे खूप कमी नुकसानासह वितरित केला जाऊ शकतो, प्रत्येक वापराच्या टर्मिनलवर लांब-अंतराचे प्रसारण केले जाऊ शकते आणि नंतर मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते आणि पारंपारिक इलेक्ट्रॉनिक घटकांपेक्षा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेपाचा प्रतिकार करण्याची क्षमता लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे.
या लेखाचे लेखन प्रामुख्याने संदर्भासाठी आहे, आणि लेखकाच्या स्वतःच्या संशोधन अनुभवा आणि या क्षेत्रातील अनुभवासह, त्यात चुकीच्या आणि अनाकलनीयता आहेत, कृपया समजून घ्या.