Mikrouhin optoelektronikaizenak dioen bezala, mikrouhinen etaoptoelektronikaMikrouhinak eta argi-uhinak uhin elektromagnetikoak dira, eta maiztasunak magnitude-ordena askotakoak dira, eta beren arloetan garatutako osagaiak eta teknologiak oso desberdinak dira. Konbinatuta, elkarren abantailak aprobetxa ditzakegu, baina aplikazio eta ezaugarri berriak lor ditzakegu, hurrenez hurren gauzatzea zaila denak.
Komunikazio optikoamikrouhinen eta fotoelektroien konbinazioaren adibide nagusia da. Telefono eta telegrafo bidezko haririk gabeko komunikazio goiztiarrek, seinaleen sorkuntzak, hedapenak eta harrera egiteak, mikrouhin gailuak erabiltzen zituzten. Hasieran, maiztasun baxuko uhin elektromagnetikoak erabili ziren, maiztasun-tartea txikia zelako eta transmisiorako kanalaren edukiera txikia zelako. Irtenbidea transmititutako seinalearen maiztasuna handitzea da, zenbat eta maiztasun handiagoa izan, orduan eta espektro-baliabide gehiago. Baina airean maiztasun handiko seinalearen hedapen-galera handia da, baina oztopoek erraz blokeatzen dute. Kablea erabiltzen bada, kablearen galera handia da, eta distantzia luzeko transmisioa arazo bat da. Zuntz optikoaren komunikazioaren sorrerak arazo horiei irtenbide ona eman die.Zuntz optikoatransmisio-galera oso baxua du eta distantzia luzeetan seinaleak transmititzeko eramaile bikaina da. Argi-uhinen maiztasun-tartea mikrouhinena baino askoz handiagoa da eta hainbat kanal desberdin aldi berean transmititu ditzake. Abantaila hauek direla etatransmisio optikoa, zuntz optikoaren bidezko komunikazioa gaur egungo informazio-transmisioaren bizkarrezurra bihurtu da.
Komunikazio optikoak historia luzea du, ikerketa eta aplikazioa oso zabalak eta helduak dira, hemen ez dago gehiago esateko. Artikulu honek mikrouhin optoelektronikaren azken urteetako ikerketa-eduki berria aurkezten du, komunikazio optikoaz gain. Mikrouhin optoelektronikak optoelektronikaren arloko metodoak eta teknologiak erabiltzen ditu batez ere euskarri gisa, ohiko mikrouhin elektronikoen osagaiekin lortzea zaila den errendimendua eta aplikazioa hobetzeko eta lortzeko. Aplikazioaren ikuspegitik, hiru alderdi hauek hartzen ditu barne.
Lehenengoa optoelektronika erabiltzea da errendimendu handiko eta zarata gutxiko mikrouhin-seinaleak sortzeko, X bandatik THz bandaraino.
Bigarrenik, mikrouhin-seinaleen prozesamendua. Atzerapena, iragazketa, maiztasun-bihurketa, harrera eta abar barne.
Hirugarrenik, seinale analogikoen transmisioa.
Artikulu honetan, egileak lehen zatia baino ez du aurkezten, mikrouhin-seinalearen sorrera. Milimetro-uhin mikrouhin tradizionalak batez ere iii_V osagai mikroelektronikoek sortzen dituzte. Bere mugak honako puntu hauek dira: Lehenik eta behin, 100 GHz-tik gorako maiztasun altuetarako, mikroelektronika tradizionalak gero eta potentzia gutxiago sor dezake, eta THz-ko maiztasun handiko seinaleetarako, ezin dute ezer egin. Bigarrenik, fase-zarata murrizteko eta maiztasun-egonkortasuna hobetzeko, jatorrizko gailua tenperatura oso baxuko ingurune batean jarri behar da. Hirugarrenik, zaila da maiztasun-modulazioko maiztasun-bihurketa sorta zabala lortzea. Arazo hauek konpontzeko, optoelektronika-teknologiak zeresana izan dezake. Metodo nagusiak jarraian deskribatzen dira.
1. Bi laser seinale maiztasun desberdinen maiztasun-diferentziaren bidez, maiztasun handiko fotodetektagailu bat erabiltzen da mikrouhin-seinaleak bihurtzeko, 1. irudian erakusten den bezala.
1. irudia. Bi mikrouhinen maiztasun-diferentziak sortutako mikrouhinen eskema.laserrak.
Metodo honen abantailak hauek dira: egitura sinplea, maiztasun handiko milimetro uhinak eta baita THz maiztasun seinaleak ere sor ditzake, eta laserraren maiztasuna doituz, maiztasun bihurketa azkar sorta zabala eta maiztasun-eskortze bat egin daitezke. Desabantaila da bi laser seinale erlazionatu gabek sortutako maiztasun-diferentzia seinalearen lerro-zabalera edo fase-zarata nahiko handia dela, eta maiztasun-egonkortasuna ez dela handia, batez ere bolumen txikiko baina lerro-zabalera handiko (~MHz) erdieroale laser bat erabiltzen bada. Sistemaren pisu-bolumen-eskakizunak ez badira altuak, zarata gutxiko (~kHz) egoera solidoko laserrak erabil daitezke.zuntz laserrak, kanpoko barrunbeaerdieroale laserrak, etab. Gainera, laser barrunbe berean sortutako bi laser seinale modu desberdin ere erabil daitezke maiztasun desberdina sortzeko, eta horrela mikrouhinen maiztasunaren egonkortasunaren errendimendua asko hobetzen da.
2. Aurreko metodoan bi laserrak inkoherenteak ez diren eta sortutako seinale fase-zarata handiegia den arazoa konpontzeko, bi laserren arteko koherentzia injekzio-maiztasun blokeatze fase-blokeatze metodoaren edo feedback negatiboko fase-blokeatze zirkuituaren bidez lor daiteke. 2. irudiak injekzio-blokeatzearen aplikazio tipiko bat erakusten du mikrouhin-multiploak sortzeko (2. irudia). Maiztasun handiko korronte-seinaleak zuzenean erdieroale-laser batean injektatuz, edo LinBO3 fase-modulatzaile bat erabiliz, maiztasun-tarte berdineko maiztasun desberdinetako seinale optiko anitz sor daitezke, edo maiztasun-orrazi optikoak. Jakina, espektro zabaleko maiztasun-orrazi optiko bat lortzeko ohiko metodoa modu-blokeatutako laser bat erabiltzea da. Sortutako maiztasun-orrazi optikoko bi orrazien seinaleak iragazki bidez hautatzen dira eta 1. eta 2. laserretan injektatzen dira, hurrenez hurren, maiztasun- eta fase-blokeatze prozesua lortzeko. Maiztasun-orrazi optikoaren orrazien seinale desberdinen arteko fasea nahiko egonkorra denez, bi laserren arteko fase erlatiboa egonkorra da, eta gero, aurretik deskribatutako maiztasun-diferentziaren metodoaren bidez, maiztasun-orrazi optikoaren errepikapen-tasaren maiztasun anitzeko mikrouhin-seinalea lor daiteke.
2. irudia. Injekzio-maiztasun blokeatzeak sortutako mikrouhin-maiztasunaren bikoizketa-seinalearen eskema.
Bi laserren fase-zarata erlatiboa murrizteko beste modu bat feedback negatiboko PLL optiko bat erabiltzea da, 3. irudian erakusten den bezala.
3. irudia. OPLren eskema.
PLL optikoaren printzipioa elektronikaren arloko PLLaren antzekoa da. Bi laserren fase-diferentzia seinale elektriko bihurtzen da fotodetektagailu baten bidez (fase-detektagailu baten baliokidea), eta ondoren, bi laserren arteko fase-diferentzia lortzen da erreferentziazko mikrouhin-seinale iturri batekin maiztasun-diferentzia bat eginez, hau anplifikatu eta iragazi egiten da eta gero laserretako baten maiztasun-kontrol unitatera itzultzen da (erdieroale laserrentzat, injekzio-korrontea da). Horrelako feedback negatiboko kontrol-begizta baten bidez, bi laser-seinaleen arteko maiztasun-fase erlatiboa erreferentziazko mikrouhin-seinalean blokeatzen da. Ondoren, seinale optiko konbinatua zuntz optikoen bidez transmititu daiteke beste nonbait dagoen fotodetektagailu batera eta mikrouhin-seinale bihur daiteke. Mikrouhin-seinalearen fase-zarata ia berdina da fase-blokeatutako feedback negatiboko begiztaren banda-zabaleraren barruan dagoen erreferentziazko seinalearenarekin. Banda-zabaleratik kanpoko fase-zarata jatorrizko bi laserren fase-zarata erlatiboaren berdina da.
Gainera, erreferentziazko mikrouhin-seinaleen iturria beste seinale-iturri batzuek ere bihur dezakete maiztasunaren bikoizketaren, zatitzaile-maiztasunaren edo beste maiztasun-prozesamendu baten bidez, maiztasun txikiagoko mikrouhin-seinalea multibikoiztu edo maiztasun handiko RF, THz seinale bihur dadin.
Injekzio bidezko maiztasun-blokeoarekin alderatuta, maiztasuna bikoiztu besterik ezin da lortu, fase-blokeoko begiztak malguagoak dira, ia nahi adina maiztasun sor ditzakete eta, noski, konplexuagoak dira. Adibidez, 2. irudiko modulatzaile fotoelektrikoek sortutako maiztasun-orrazi optikoa erabiltzen da argi-iturri gisa, eta fase-blokeoko begizta optikoa bi laserren maiztasuna bi orrazi optikoen seinaleetara selektiboki blokeatzeko erabiltzen da, eta ondoren maiztasun handiko seinaleak sortzeko maiztasun-diferentziaren bidez, 4. irudian erakusten den bezala. f1 eta f2 bi PLLS-en erreferentziazko seinale-maiztasunak dira, hurrenez hurren, eta N*frep+f1+f2 mikrouhin-seinalea sor daiteke bi laserren arteko maiztasun-diferentziaren bidez.
4. irudia. Maiztasun-orrazi optikoak eta PLLS erabiliz maiztasun arbitrarioak sortzeko eskema.
3. Erabili modu blokeatuko pultsu laserra pultsu seinale optikoa mikrouhin seinale bihurtzekofotodetektagailu.
Metodo honen abantaila nagusia maiztasun-egonkortasun oso ona eta fase-zarata oso baxua duen seinalea lor daitekeela da. Laseraren maiztasuna trantsizio-espektro atomiko eta molekular oso egonkor batera edo barrunbe optiko oso egonkor batera blokeatuz, eta maiztasun-ezarpen auto-bikoiztutako sistemaren maiztasun-desplazamendua eta beste teknologia batzuk erabiliz, errepikapen-maiztasun oso egonkorra duen pultsu-seinale optiko oso egonkorra lor dezakegu, fase-zarata ultra-baxua duen mikrouhin-seinalea lortzeko. 5. irudia.
5. irudia. Seinale-iturri desberdinen fase-zarata erlatiboaren konparaketa.
Hala ere, pultsuen errepikapen-tasa laserren barrunbearen luzerarekiko alderantziz proportzionala denez, eta modu-blokeatutako laser tradizionala handia denez, zaila da maiztasun handiko mikrouhin-seinaleak zuzenean lortzea. Gainera, laser pultsatu tradizionalen tamaina, pisua eta energia-kontsumoak, baita ingurumen-eskakizun gogorrek ere, mugatzen dituzte haien aplikazioak, batez ere laborategian. Zailtasun horiek gainditzeko, ikerketa hasi berri da Estatu Batuetan eta Alemanian, efektu ez-linealak erabiliz, maiztasun-egonkorreko orrazi optikoak sortzeko, txirp moduko barrunbe optiko oso txiki eta kalitate handikoetan, eta hauek, aldi berean, maiztasun handiko zarata baxuko mikrouhin-seinaleak sortzen dituzte.
4. osziladore optoelektronikoa, 6. irudia.
6. irudia. Osziladore fotoelektriko akoplatuaren diagrama eskematikoa.
Mikrouhinak edo laserrak sortzeko metodo tradizionaletako bat auto-atzeraelikadurako begizta itxia erabiltzea da, betiere begizta itxiko irabazia galera baino handiagoa bada, auto-kitzikatutako oszilazio horrek mikrouhinak edo laserrak sor ditzake. Zenbat eta handiagoa izan begizta itxiaren Q kalitate faktorea, orduan eta txikiagoa izango da sortutako seinalearen fase edo maiztasun zarata. Begiztaren kalitate faktorea handitzeko, bide zuzena begiztaren luzera handitzea eta hedapen galera minimizatzea da. Hala ere, begizta luzeago batek normalean oszilazio modu anitz sortzea onartzen du, eta banda zabalera estuko iragazki bat gehitzen bada, maiztasun bakarreko zarata baxuko mikrouhin oszilazio seinalea lor daiteke. Osziladore fotoelektrikoa ideia honetan oinarritutako mikrouhin seinale iturri bat da, zuntzaren hedapen galera baxuko ezaugarriak guztiz erabiltzen ditu, zuntz luzeagoa erabiliz begiztaren Q balioa hobetzeko, fase zarata oso baxuko mikrouhin seinalea sor dezake. Metodoa 1990eko hamarkadan proposatu zenetik, osziladore mota honek ikerketa zabala eta garapen handia jaso du, eta gaur egun merkataritzako osziladore fotoelektrikoak daude. Duela gutxi, maiztasun-tarte zabal batean doi daitezkeen osziladore fotoelektrikoak garatu dira. Arkitektura honetan oinarritutako mikrouhin-seinale iturrien arazo nagusia da begizta luzea dela, eta bere fluxu libreko (FSR) eta maiztasun bikoitzeko zarata nabarmen handituko dela. Gainera, erabiltzen diren osagai fotoelektrikoak gehiago dira, kostua altua da, bolumena zaila da murrizten, eta zuntz luzeagoa ingurumen-asaldurarekiko sentikorragoa da.
Goian laburki aurkezten dira mikrouhin-seinaleak fotoelektroi sortzeko hainbat metodo, baita haien abantailak eta desabantailak ere. Azkenik, fotoelektroiak mikrouhinak ekoizteko erabiltzeak beste abantaila bat du: seinale optikoa zuntz optikoan zehar banatu daiteke galera oso txikiarekin, distantzia luzeko transmisioarekin erabilera-terminal bakoitzera eta gero mikrouhin-seinale bihur daiteke, eta interferentzia elektromagnetikoei aurre egiteko gaitasuna nabarmen hobetzen da osagai elektroniko tradizionalekin alderatuta.
Artikulu hau idaztea batez ere erreferentzia gisa da, eta egilearen ikerketa esperientziarekin eta arlo honetako esperientziarekin konbinatuta, zehaztasunik eza eta ulertezintasuna daude, ulertu mesedez.
Argitaratze data: 2024ko urtarrilaren 3a