मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समधील मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्मितीची सद्यस्थिती आणि महत्त्वाचे विषय

मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सनावाप्रमाणेच, हे मायक्रोवेव्ह आणिऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समायक्रोवेव्ह आणि प्रकाश लहरी या विद्युतचुंबकीय लहरी आहेत, आणि त्यांच्या वारंवारतांमध्ये अनेक पटींनी फरक असतो, तसेच त्यांच्या संबंधित क्षेत्रांमध्ये विकसित केलेले घटक आणि तंत्रज्ञानही खूप भिन्न आहेत. एकत्रितपणे, आपण एकमेकांचा फायदा घेऊ शकतो, आणि त्याद्वारे असे नवीन अनुप्रयोग आणि वैशिष्ट्ये मिळवू शकतो, जे स्वतंत्रपणे साकार करणे कठीण आहे.

ऑप्टिकल कम्युनिकेशनमायक्रोवेव्ह आणि फोटोइलेक्ट्रॉन यांच्या संयोगाचे हे एक उत्तम उदाहरण आहे. सुरुवातीच्या टेलिफोन आणि टेलिग्राफ वायरलेस कम्युनिकेशनमध्ये, सिग्नलची निर्मिती, प्रसार आणि ग्रहण या सर्वांसाठी मायक्रोवेव्ह उपकरणांचा वापर केला जात असे. सुरुवातीला कमी वारंवारतेच्या विद्युत चुंबकीय लहरी वापरल्या जात होत्या, कारण वारंवारतेची श्रेणी लहान होती आणि प्रेषणासाठी चॅनलची क्षमता कमी होती. यावर उपाय म्हणजे प्रसारित होणाऱ्या सिग्नलची वारंवारता वाढवणे; वारंवारता जितकी जास्त, तितके स्पेक्ट्रमचे स्रोत अधिक उपलब्ध होतात. परंतु हवेतून उच्च वारंवारतेच्या सिग्नलच्या प्रसारात मोठी हानी होते, तसेच तो अडथळ्यांमुळे सहजपणे रोखला जातो. जर केबल वापरली, तर केबलमधील हानी मोठी असते आणि लांब अंतराचे प्रेषण ही एक समस्या बनते. ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशनचा उदय हा या समस्यांवर एक चांगला उपाय आहे.ऑप्टिकल फायबरयात प्रसारण हानी खूप कमी असते आणि लांब अंतरावर सिग्नल प्रसारित करण्यासाठी हे एक उत्कृष्ट वाहक आहे. प्रकाश लहरींची वारंवारता श्रेणी मायक्रोवेव्हपेक्षा खूप मोठी असते आणि एकाच वेळी अनेक भिन्न चॅनेल प्रसारित करू शकते. या फायद्यांमुळे...ऑप्टिकल ट्रान्समिशनऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन हे आजच्या माहिती प्रसारणाचा कणा बनले आहे.
ऑप्टिकल कम्युनिकेशनला एक मोठा इतिहास आहे, आणि त्याचे संशोधन व उपयोजन अत्यंत व्यापक आणि परिपक्व आहे, येथे त्याबद्दल अधिक सांगण्याची गरज नाही. हा शोधनिबंध प्रामुख्याने ऑप्टिकल कम्युनिकेशन व्यतिरिक्त, अलिकडच्या वर्षांतील मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समधील नवीन संशोधन विषयांची ओळख करून देतो. मायक्रोवेव्ह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स मुख्यत्वे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रातील पद्धती आणि तंत्रज्ञानाचा आधार घेऊन अशी कार्यक्षमता आणि उपयोजन सुधारते व साध्य करते, जे पारंपरिक मायक्रोवेव्ह इलेक्ट्रॉनिक घटकांद्वारे मिळवणे कठीण असते. उपयोजनाच्या दृष्टिकोनातून, त्यात प्रामुख्याने खालील तीन बाबींचा समावेश होतो.
पहिली गोष्ट म्हणजे एक्स-बँडपासून थेट टेराहर्ट्झ बँडपर्यंत उच्च-कार्यक्षमतेचे, कमी-आवाजाचे मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करण्यासाठी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सचा वापर करणे.
दुसरे म्हणजे, मायक्रोवेव्ह सिग्नल प्रक्रिया. यामध्ये विलंब, गाळण, वारंवारता रूपांतरण, ग्रहण करणे इत्यादींचा समावेश आहे.
तिसरे, अ‍ॅनालॉग सिग्नलचे प्रसारण.

या लेखात, लेखकाने केवळ पहिल्या भागाची, म्हणजेच मायक्रोवेव्ह सिग्नलच्या निर्मितीची ओळख करून दिली आहे. पारंपरिक मायक्रोवेव्ह मिलीमीटर वेव्ह मुख्यत्वे iii_V मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक घटकांद्वारे निर्माण केली जाते. त्याच्या मर्यादा खालीलप्रमाणे आहेत: पहिले, १००GHz वरील उच्च फ्रिक्वेन्सीसाठी, पारंपरिक मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स कमी-कमी शक्ती निर्माण करू शकतात, आणि उच्च फ्रिक्वेन्सीच्या THz सिग्नलसाठी ते काहीही करू शकत नाहीत. दुसरे, फेज नॉईज कमी करण्यासाठी आणि फ्रिक्वेन्सी स्थिरता सुधारण्यासाठी, मूळ उपकरणाला अत्यंत कमी तापमानाच्या वातावरणात ठेवणे आवश्यक असते. तिसरे, विस्तृत श्रेणीतील फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशनचे फ्रिक्वेन्सी रूपांतरण साध्य करणे कठीण आहे. या समस्या सोडवण्यासाठी, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञान महत्त्वाची भूमिका बजावू शकते. मुख्य पद्धती खाली वर्णन केल्या आहेत.

1. आकृती 1 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, दोन वेगवेगळ्या वारंवारतेच्या लेझर सिग्नल्सच्या वारंवारतेतील फरकाद्वारे, मायक्रोवेव्ह सिग्नल्सचे रूपांतर करण्यासाठी उच्च-वारंवारता फोटोडिटेक्टरचा वापर केला जातो.

आकृती १. दोन वारंवारतांच्या फरकाने निर्माण होणाऱ्या मायक्रोवेव्हची योजनाबद्ध आकृती.लेझर.

या पद्धतीचे फायदे म्हणजे साधी रचना, अत्यंत उच्च वारंवारतेचे मिलीमीटर वेव्ह आणि अगदी टेराहर्ट्झ (THz) वारंवारतेचे सिग्नल निर्माण करण्याची क्षमता, तसेच लेझरची वारंवारता समायोजित करून मोठ्या प्रमाणात जलद वारंवारता रूपांतरण आणि स्वीप फ्रिक्वेन्सी करणे शक्य होते. याचा तोटा असा आहे की, दोन असंबंधित लेझर सिग्नलद्वारे निर्माण होणाऱ्या भिन्न वारंवारता सिग्नलची लाइनविड्थ किंवा फेज नॉइज तुलनेने जास्त असते आणि वारंवारतेची स्थिरता उच्च नसते, विशेषतः जर लहान आकाराचा पण जास्त लाइनविड्थ (~MHz) असलेला सेमीकंडक्टर लेझर वापरला गेला असेल. जर सिस्टीमच्या वजनाच्या आणि आकाराच्या आवश्यकता जास्त नसतील, तर कमी नॉइज (~kHz) असलेले सॉलिड-स्टेट लेझर्स वापरता येतात.फायबर लेझरबाह्य पोकळीसेमीकंडक्टर लेझरइत्यादी. याव्यतिरिक्त, एकाच लेझर कॅव्हिटीमध्ये निर्माण झालेल्या लेझर सिग्नलच्या दोन वेगवेगळ्या पद्धतींचा वापर करून भिन्न वारंवारता निर्माण केली जाऊ शकते, ज्यामुळे मायक्रोवेव्ह वारंवारता स्थिरतेच्या कामगिरीमध्ये मोठ्या प्रमाणात सुधारणा होते.

२. मागील पद्धतीमधील दोन लेझर असंगत असणे आणि त्यामुळे निर्माण होणारा सिग्नल फेज नॉईज खूप जास्त असणे, ही समस्या सोडवण्यासाठी, इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंग फेज लॉकिंग पद्धत किंवा निगेटिव्ह फीडबॅक फेज लॉकिंग सर्किट वापरून दोन लेझरमधील सुसंगतता मिळवता येते. आकृती २ मध्ये मायक्रोवेव्ह मल्टिपल्स निर्माण करण्यासाठी इंजेक्शन लॉकिंगचा एक प्रातिनिधिक उपयोग दर्शविला आहे. सेमीकंडक्टर लेझरमध्ये उच्च फ्रिक्वेन्सीचे करंट सिग्नल थेट इंजेक्ट करून, किंवा LinBO3-फेज मॉड्युलेटर वापरून, समान फ्रिक्वेन्सी अंतरासह वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीचे अनेक ऑप्टिकल सिग्नल, किंवा ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स, निर्माण केले जाऊ शकतात. अर्थात, विस्तृत स्पेक्ट्रम ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब मिळवण्यासाठी सामान्यतः वापरली जाणारी पद्धत म्हणजे मोड-लॉक्ड लेझर वापरणे. निर्माण झालेल्या ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बमधील कोणतेही दोन कॉम्ब सिग्नल फिल्टरिंगद्वारे निवडले जातात आणि अनुक्रमे फ्रिक्वेन्सी व फेज लॉकिंग साध्य करण्यासाठी लेझर १ आणि २ मध्ये इंजेक्ट केले जातात. ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बच्या वेगवेगळ्या कॉम्ब सिग्नल्समधील फेज तुलनेने स्थिर असल्यामुळे, दोन लेझर्समधील सापेक्ष फेज स्थिर राहते आणि नंतर पूर्वी वर्णन केलेल्या फरक फ्रिक्वेन्सीच्या पद्धतीनुसार, ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्बच्या पुनरावृत्ती दराचा बहु-पट फ्रिक्वेन्सी मायक्रोवेव्ह सिग्नल मिळवता येतो.

आकृती २. इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंगद्वारे निर्माण केलेल्या मायक्रोवेव्ह फ्रिक्वेन्सी डबलिंग सिग्नलचा योजनाबद्ध आकृती.
दोन लेसरचा सापेक्ष फेज नॉईज कमी करण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे आकृती 3 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे निगेटिव्ह फीडबॅक ऑप्टिकल पीएलएल वापरणे.

आकृती ३. ओपीएलचा योजनाबद्ध आराखडा.

ऑप्टिकल पीएलएलचे तत्त्व इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रातील पीएलएलच्या तत्त्वासारखेच आहे. दोन लेझर्समधील फेज फरक एका फोटोडिटेक्टरद्वारे (फेज डिटेक्टरच्या समतुल्य) विद्युत सिग्नलमध्ये रूपांतरित केला जातो, आणि नंतर एका संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोतासोबत फ्रिक्वेन्सी फरक तयार करून दोन लेझर्समधील फेज फरक मिळवला जातो, ज्याला प्रवर्धित (ॲम्प्लिफाय) आणि फिल्टर करून नंतर एका लेझरच्या फ्रिक्वेन्सी कंट्रोल युनिटला (सेमीकंडक्टर लेझर्ससाठी, तो इंजेक्शन करंट असतो) फीडबॅक दिला जातो. अशा निगेटिव्ह फीडबॅक कंट्रोल लूपद्वारे, दोन लेझर सिग्नल्समधील सापेक्ष फ्रिक्वेन्सी फेज संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नलशी लॉक केली जाते. त्यानंतर एकत्रित ऑप्टिकल सिग्नल ऑप्टिकल फायबरद्वारे दुसऱ्या ठिकाणी असलेल्या फोटोडिटेक्टरकडे पाठवला जाऊ शकतो आणि मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतरित केला जाऊ शकतो. फेज-लॉक्ड निगेटिव्ह फीडबॅक लूपच्या बँडविड्थमध्ये मायक्रोवेव्ह सिग्नलचा परिणामी फेज नॉइज हा संदर्भ सिग्नलच्या फेज नॉइजइतकाच असतो. बँडविड्थच्या बाहेरील फेज नॉइज हा मूळ दोन असंबंधित लेझर्सच्या सापेक्ष फेज नॉइजइतका असतो.
याव्यतिरिक्त, संदर्भ मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोताला इतर सिग्नल स्रोतांद्वारे फ्रिक्वेन्सी डबलिंग, डिव्हायझर फ्रिक्वेन्सी किंवा इतर फ्रिक्वेन्सी प्रोसेसिंगद्वारे रूपांतरित केले जाऊ शकते, जेणेकरून कमी फ्रिक्वेन्सीच्या मायक्रोवेव्ह सिग्नलला अनेक पटींनी वाढवता येईल किंवा उच्च-फ्रिक्वेन्सी RF, THz सिग्नलमध्ये रूपांतरित करता येईल.
इंजेक्शन फ्रिक्वेन्सी लॉकिंगच्या तुलनेत, ज्यात फक्त फ्रिक्वेन्सी दुप्पट करता येते, फेज-लॉक्ड लूप्स अधिक लवचिक असतात, जवळजवळ कोणत्याही फ्रिक्वेन्सी निर्माण करू शकतात आणि अर्थातच अधिक गुंतागुंतीचे असतात. उदाहरणार्थ, आकृती २ मधील फोटोइलेक्ट्रिक मॉड्युलेटरद्वारे निर्माण केलेला ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब प्रकाश स्रोत म्हणून वापरला जातो, आणि ऑप्टिकल फेज-लॉक्ड लूपचा उपयोग दोन लेझर्सची फ्रिक्वेन्सी दोन ऑप्टिकल कॉम्ब सिग्नल्सवर निवडकपणे लॉक करण्यासाठी केला जातो, आणि नंतर फरक फ्रिक्वेन्सीद्वारे उच्च-फ्रिक्वेन्सी सिग्नल्स निर्माण केले जातात, जसे आकृती ४ मध्ये दाखवले आहे. f1 आणि f2 या अनुक्रमे दोन PLLS च्या संदर्भ सिग्नल फ्रिक्वेन्सी आहेत, आणि दोन लेझर्समधील फरक फ्रिक्वेन्सीद्वारे N*frep+f1+f2 चा मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण केला जाऊ शकतो.

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

३. मोड-लॉक्ड पल्स लेसरचा वापर करून ऑप्टिकल पल्स सिग्नलचे मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतर करणेफोटोडिटेक्टर.

या पद्धतीचा मुख्य फायदा हा आहे की, अतिशय चांगली वारंवारता स्थिरता आणि खूप कमी फेज नॉईज असलेला सिग्नल मिळवता येतो. लेझरची वारंवारता एका अतिशय स्थिर अणू आणि रेणू संक्रमण स्पेक्ट्रमशी, किंवा एका अत्यंत स्थिर ऑप्टिकल कॅव्हिटीशी लॉक करून, आणि सेल्फ-डबलिंग फ्रिक्वेन्सी एलिमिनेशन सिस्टीम फ्रिक्वेन्सी शिफ्ट व इतर तंत्रज्ञानाचा वापर करून, आपण अतिशय स्थिर पुनरावृत्ती वारंवारतेसह एक अतिशय स्थिर ऑप्टिकल पल्स सिग्नल मिळवू शकतो, जेणेकरून अत्यंत कमी फेज नॉईज असलेला मायक्रोवेव्ह सिग्नल प्राप्त करता येतो. आकृती ५.

आकृती ५. वेगवेगळ्या सिग्नल स्रोतांच्या सापेक्ष फेज नॉईजची तुलना.

तथापि, पल्स रिपिटेशन रेट हा लेझरच्या कॅव्हिटीच्या लांबीच्या व्यस्त प्रमाणात असल्यामुळे आणि पारंपरिक मोड-लॉक्ड लेझर आकाराने मोठा असल्यामुळे, उच्च वारंवारतेचे मायक्रोवेव्ह सिग्नल थेट मिळवणे कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, पारंपरिक पल्स्ड लेझर्सचा आकार, वजन आणि ऊर्जा वापर, तसेच कठोर पर्यावरणीय आवश्यकता, त्यांच्या प्रामुख्याने प्रयोगशाळेतील उपयोगांना मर्यादित करतात. या अडचणींवर मात करण्यासाठी, अमेरिका आणि जर्मनीमध्ये अलीकडेच संशोधन सुरू झाले आहे, ज्यात नॉन-लिनियर परिणामांचा वापर करून अत्यंत लहान, उच्च-गुणवत्तेच्या चिर्प मोड ऑप्टिकल कॅव्हिटीजमध्ये वारंवारता-स्थिर ऑप्टिकल कॉम्ब्स तयार केले जातात, जे पुढे उच्च-वारंवारतेचे कमी-आवाजाचे मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करतात.

4. ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर, आकृती 6.

आकृती ६. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटरची योजनाबद्ध आकृती.

मायक्रोवेव्ह किंवा लेझर निर्माण करण्याच्या पारंपारिक पद्धतींपैकी एक म्हणजे सेल्फ-फीडबॅक क्लोज्ड लूपचा वापर करणे. जोपर्यंत क्लोज्ड लूपमधील गेन (लाभ) लॉस (हानी) पेक्षा जास्त असतो, तोपर्यंत स्व-उत्तेजित दोलनाद्वारे मायक्रोवेव्ह किंवा लेझर निर्माण होऊ शकतात. क्लोज्ड लूपचा क्वालिटी फॅक्टर Q जितका जास्त असतो, तितका निर्माण होणाऱ्या सिग्नलमधील फेज किंवा फ्रिक्वेन्सी नॉईज कमी असतो. लूपचा क्वालिटी फॅक्टर वाढवण्यासाठी, लूपची लांबी वाढवणे आणि प्रोपगेशन लॉस (प्रसारण हानी) कमी करणे हा थेट मार्ग आहे. तथापि, एक लांब लूप सामान्यतः दोलनाच्या अनेक मोड्सच्या निर्मितीस समर्थन देऊ शकतो आणि जर नॅरो-बँडविड्थ फिल्टर जोडला गेला, तर एकल-फ्रिक्वेन्सीचा कमी-नॉईज असलेला मायक्रोवेव्ह दोलन सिग्नल मिळवता येतो. फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटर हा याच कल्पनेवर आधारित एक मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोत आहे. तो फायबरच्या कमी प्रोपगेशन लॉसच्या वैशिष्ट्यांचा पुरेपूर वापर करतो, आणि लूपचे Q मूल्य सुधारण्यासाठी लांब फायबर वापरून, अत्यंत कमी फेज नॉईज असलेला मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करू शकतो. १९९० च्या दशकात ही पद्धत प्रस्तावित झाल्यापासून, या प्रकारच्या ऑसिलेटरवर विस्तृत संशोधन आणि लक्षणीय विकास झाला आहे, आणि सध्या व्यावसायिक फोटोइलेक्ट्रिक कपल्ड ऑसिलेटर्स उपलब्ध आहेत. अगदी अलीकडे, असे फोटोइलेक्ट्रिक ऑसिलेटर्स विकसित केले गेले आहेत, ज्यांची फ्रिक्वेन्सी विस्तृत श्रेणीत समायोजित केली जाऊ शकते. या रचनेवर आधारित मायक्रोवेव्ह सिग्नल स्रोतांची मुख्य समस्या ही आहे की, लूप लांब असतो आणि त्याच्या मुक्त प्रवाहातील नॉईज (FSR) व त्याची दुहेरी फ्रिक्वेन्सी लक्षणीयरीत्या वाढते. याव्यतिरिक्त, वापरले जाणारे फोटोइलेक्ट्रिक घटक जास्त असतात, खर्च जास्त असतो, आकारमान कमी करणे कठीण असते आणि लांब फायबर पर्यावरणीय अडथळ्यांना अधिक संवेदनशील असतो.

वर फोटोइलेक्ट्रॉनद्वारे मायक्रोवेव्ह सिग्नल निर्माण करण्याच्या विविध पद्धती, तसेच त्यांचे फायदे आणि तोटे यांचा थोडक्यात परिचय दिला आहे. शेवटी, मायक्रोवेव्ह निर्माण करण्यासाठी फोटोइलेक्ट्रॉन वापरण्याचा आणखी एक फायदा असा आहे की, ऑप्टिकल सिग्नल अत्यंत कमी हानीसह ऑप्टिकल फायबरद्वारे प्रत्येक वापरकर्ता टर्मिनलपर्यंत लांब अंतरावरून प्रसारित केला जाऊ शकतो आणि नंतर त्याचे मायक्रोवेव्ह सिग्नलमध्ये रूपांतर केले जाऊ शकते, तसेच पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकांच्या तुलनेत विद्युतचुंबकीय हस्तक्षेपाला प्रतिकार करण्याची क्षमता लक्षणीयरीत्या सुधारते.
या लेखाचे लेखन प्रामुख्याने संदर्भासाठी असून, त्यात लेखकाच्या स्वतःच्या संशोधन अनुभवाचा आणि या क्षेत्रातील अनुभवाचा समावेश असल्याने, काही त्रुटी आणि अपूर्णता असू शकतात, कृपया समजून घ्यावे.