Οπτικοηλεκτρονικός παραμετρικός ταλαντωτής

Οι ταλαντωτές είναι ένα από τα βασικά στοιχεία σε διάφορες εφαρμογές ως πηγή σήματος για τη δημιουργία περιοδικών ταλαντώσεων. Μεταξύ αυτών, ένας οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής (OPO) είναι ένας κινούμενος αρμονικός ταλαντωτής βασισμένος σε παραμετρική μετατροπή συχνότητας σε μια οπτική κοιλότητα, ο οποίος έχει διερευνηθεί ευρέως ως μια συνεκτική πηγή φωτός με ένα εξαιρετικά ευρύ εύρος συντονισμού μήκους κύματος. Ωστόσο, η σταθερή ταλάντωση σε ένα OPO περιορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας, η οποία οδηγεί σε δυσκολία στο συντονισμό συχνότητας και ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός με το ελάχιστο βήμα συντονισμού που καθορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας. Εδώ, προτείνουμε και επιδεικνύουμε ένα αντίστοιχο ενός OPO στον οπτοηλεκτρονικό τομέα, δηλαδή έναν οπτοηλεκτρονικό παραμετρικό ταλαντωτή (OEPO) με βάση την παραμετρική μετατροπή συχνότητας σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα για τη δημιουργία σημάτων μικροκυμάτων. Λόγω της μοναδικής διαδικασίας μετάβασης ενέργειας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. Η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. Η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένας OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένας OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων....>>>>>Οι ταλαντωτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλες τις πτυχές της σύγχρονης κοινωνίας, από ρολόγια και κινητά τηλέφωνα έως πειράματα φυσικής υψηλής ενέργειας, καθώς και στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Οι παραμετρικοί ταλαντωτές είναι ένας σημαντικός τύπος ταλαντωτών που βασίζεται σε μια μη γραμμική διαδικασία. Συγκεκριμένα, οι οπτικοί παραμετρικοί ταλαντωτές (OPO) επεκτείνουν σημαντικά τη συχνότητα λειτουργίας των λέιζερ χρησιμοποιώντας μη γραμμικότητα δεύτερης ή τρίτης τάξης, ενώ το εύρος συχνότητας λειτουργίας των συνηθισμένων λέιζερ περιορίζεται στο επίπεδο διέγερσης ατομικής ενέργειας 6 , 7 , 8 , 9 . Ωστόσο, ένα OPO, ειδικά το OPO διπλού συντονισμού (DRO) 10, είναι δύσκολο να λειτουργήσει επειδή δεν πρέπει να ικανοποιείται μόνο η συνθήκη αντιστοίχισης φάσης αλλά και η κατάσταση λειτουργίας για το σήμα και το ρελαντί. Η σταθερή ταλάντωση σε ένα τέτοιο OPO είναι μια λειτουργία που ελέγχεται από καθυστέρηση, η οποία περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας, καθώς το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής αν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης. Η ελεγχόμενη από καθυστέρηση λειτουργία οδηγεί σε δυσκολία στο συντονισμό συχνότητας και ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός με το ελάχιστο βήμα συντονισμού που καθορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας 11 . Από την άλλη πλευρά, ένα από τα ελκυστικά χαρακτηριστικά ενός OPO είναι η συνεχής δυνατότητα συντονισμού του, η οποία εφαρμόζεται γενικά με την αλλαγή της θερμοκρασίας, του προσανατολισμού ή της περιόδου poling του κρυστάλλου για να επηρεάσει τις συνθήκες αντιστοίχισης φάσης 12 , 13 ,14 . Αυτές οι προσεγγίσεις αλλάζουν ουσιαστικά τον χρόνο μετ 'επιστροφής του κύματος φωτός. Οι τρόποι κοιλότητας εξακολουθούν να καθορίζονται από την καθυστέρηση κοιλότητας, παρόμοια με άλλους ταλαντωτές γραμμής καθυστέρησης. Ένας παραμετρικός ταλαντωτής μπορεί επίσης να σχεδιαστεί στον τομέα ραδιοσυχνοτήτων (RF) χρησιμοποιώντας μια μη γραμμική ηλεκτρονική συσκευή 15 , 16, π.χ., μια δίοδος βαρακτόρων. Στην πράξη, η παραμετρική διαδικασία στον τομέα RF χρησιμοποιείται για την ενίσχυση αδύναμων σημάτων με υπερβολικό θόρυβο, ο οποίος είναι πολύ σημαντικός σε περιοχές όπως ραντάρ μεγάλης εμβέλειας, ραδιοτηλεσκόπια και δορυφορικοί επίγειοι σταθμοί. Ουσιαστικά, η συμβατική παραμετρική διαδικασία στον τομέα RF δεν έχει καμία διαφορά από αυτήν στον οπτικό τομέα. Από την άλλη πλευρά, ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) είναι ένας άλλος τύπος ταλαντωτή γραμμής καθυστέρησης που εφαρμόζεται σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα 17 , 18 , 19 , 20. Διαθέτει έναν υβριδικό βρόχο θετικής ανάδρασης που σχηματίζεται από μια οπτική διαδρομή και μια ηλεκτρική διαδρομή για τη δημιουργία σημάτων μικροκυμάτων με θόρυβο υπερήλικης φάσης λόγω της χρήσης ενός στοιχείου οπτικής ενέργειας υψηλής ποιότητας (συντελεστής Q), όπως μια μακρά οπτική ίνα γραμμή καθυστέρησης. Η δημιουργία εξαιρετικά σταθερών σημάτων μικροκυμάτων μίας λειτουργίας και ταλαντώσεων μικροκυμάτων πολλαπλών τρόπων, όπως χαοτικά σήματα ευρείας ζώνης, έχει αποδειχθεί ευρέως με χρήση OEO. Παρ 'όλα αυτά, η σταθερή ταλάντωση σε έναν ΟΕΟ είναι επίσης μια λειτουργία ελεγχόμενη από καθυστέρηση, η οποία περιορίζεται επίσης από την καθυστέρηση της κοιλότητας όπως σε ένα OPO και έναν ηλεκτρικό παραμετρικό ταλαντωτή. Εδώ, προτείνουμε έναν οπτοηλεκτρονικό παραμετρικό ταλαντωτή (OEPO) με βάση τη μη γραμμικότητα δεύτερης τάξης σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα. Ένα ζεύγος τρόπων ταλάντωσης μετατρέπεται το ένα στο άλλο στο μη γραμμικό μέσο από έναν τοπικό ταλαντωτή (LO) στο προτεινόμενο OEPO. Η αθροιστική φάση κάθε ζεύγους λειτουργίας κλειδώνεται από το LO, το οποίο εξασφαλίζει σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένα OEO ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Επιπλέον, λόγω της μοναδικής διαδικασίας μετάβασης ενέργειας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, η ταλάντωση στο OEPO είναι μια ελεγχόμενη από φάση λειτουργία, της οποίας η συχνότητα μπορεί να είναι ανεξάρτητη από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Ο συνεχής συντονισμός συχνότητας επιτυγχάνεται χωρίς την ανάγκη τροποποίησης της καθυστέρησης κοιλότητας. Αποτελέσματα Μια σύγκριση μεταξύ ενός OPO, ενός OEO και του προτεινόμενου OEPO φαίνεται στο Σχ. 1 . Στην OPO, η ενέργεια ρέει από την αντλία ω ρ στο σήμα ω s και αδρανή ω θμέσω ενός οπτικού μη γραμμικού μέσου, όπως ενός οπτικού μη γραμμικού κρυστάλλου. Το σήμα και το ρελαντί ενισχύονται από το οπτικό κέρδος που προκύπτει από την παραμετρική ενίσχυση στο οπτικό μη γραμμικό μέσο, ​​το οποίο επιτρέπει σε ένα ή και τα δύο να ταλαντεύονται στο OPO. Εκτός από το οπτικό μη γραμμικό μέσο, ​​μια οπτική συντονισμένη κοιλότητα είναι επίσης ένα βασικό συστατικό του OPO. Η οπτική συντονισμένη κοιλότητα χρησιμεύει για συντονισμό τουλάχιστον ενός από τα μήκη κύματος σήματος και ρελαντί. Εάν η κοιλότητα συντονισμού είναι συντονισμένη είτε στο σήμα είτε στο ρελαντί μήκος κύματος, τότε είναι ένα απλό συντονισμό OPO (SRO). Όταν το σήμα και το ρελαντί είναι συντονισμένα, τότε η κοιλότητα είναι DRO. Μια άλλη διαμόρφωση είναι ένα τριπλό συντονιστικό OPO (TRO), στο οποίο τα κύματα αντλίας, σήματος και ρελαντί συντονίζονται ταυτόχρονα. Ένα από τα πιο ελκυστικά χαρακτηριστικά ενός OPO είναι ότι είναι δυνατή η πρόσβαση σε μήκη κύματος που είναι δύσκολο ή ακόμη και αδύνατο να επιτευχθούν με λέιζερ, όπως στη φασματική περιοχή μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης χρονισμού, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι όπως στη μεσαία υπέρυθρη φασματική περιοχή. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι όπως στη μεσαία υπέρυθρη φασματική περιοχή. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι το οποίο είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι το οποίο είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναιΤο n / τ μπορεί να επιβιώσει, όπου το n είναι ακέραιος και τ είναι η καθυστέρηση κοιλότητας. Ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός και το ελάχιστο βήμα συντονισμού είναι το φασματικό εύρος χωρίς κοιλότητα FSR  = 1 / τ . Οι λειτουργίες κοιλότητας ενός OEO είναι επίσης διακριτές και η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι 2 π/ τ, παρόμοιο με αυτό ενός OPO, καθώς και οι δύο ταλαντωτές που ελέγχονται από καθυστέρηση. Στη φυσική διαμόρφωση, ο OEO και ο προτεινόμενος OEPO εφαρμόζονται και οι δύο σε οπτοηλεκτρονική κοιλότητα. Η κύρια διαφορά είναι ότι μια παραμετρική διαδικασία μετατροπής συχνότητας εισάγεται στην κοιλότητα OEPO, η οποία οδηγεί στις μοναδικές ιδιότητες και πλεονεκτήματα του προτεινόμενου OEPO. Επιπλέον, το ταλαντωτικό σήμα στον ΟΕΟ καθορίζεται απευθείας από το θόρυβο και δεν υπάρχουν ενεργειακές μεταβάσεις από το σήμα της αντλίας στο ταλαντωτικό σήμα, όπως στο προτεινόμενο OEPO και OPOΕικ. 1: Σύγκριση μεταξύ ενός OPO, ενός OEO και του προτεινόμενου OEPO
α Σχηματική και τρόπων κοιλότητος ενός τυπικού ΟΡΟ. Οι λειτουργίες κοιλότητας είναι διακριτές και η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι 2 π / τ, όπου τ είναι η καθυστέρηση κοιλότητας. β Σχηματικές λειτουργίες και λειτουργίες κοιλότητας ενός τυπικού OEO. Οι λειτουργίες κοιλότητας είναι παρόμοιες με εκείνες ενός OPO, καθώς και οι δύο ταλαντωτές που ελέγχονται από καθυστέρηση. γ Σχηματικές λειτουργίες και λειτουργίες κοιλότητας του προτεινόμενου OEPO. ω lo είναι η συχνότητα του LO. Λόγω του άλματος φάσης στην παραμετρική διαδικασία μετατροπής συχνότητας, οι τρόποι κοιλότητας μπορούν να συντονίζονται συνεχώς συντονίζοντας το LO. Η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι π / τ. ρεΕνεργειακές μεταβάσεις σε ένα τυπικό OPO και στον προτεινόμενο OEPO. Η ταλάντωση στο OPO βασίζεται σε οπτική παραμετρική ενίσχυση. Η ενέργεια ρέει από την αντλία στο σήμα και στο ρελαντί μέσω ενός οπτικού μη γραμμικού μέσου. Δεν υπάρχει άλμα φάσης για τα ταλαντευόμενα σήματα στο οπτικό μη γραμμικό μέσο. Στο προτεινόμενο OEPO, η ταλάντωση βασίζεται σε ηλεκτρική παραμετρική μετατροπή συχνότητας. Ένα ζευγάρι ταλαντώσεων μετατρέπονται το ένα στο άλλο στο ηλεκτρικό μη γραμμικό μέσο από τον τοπικό ταλαντωτή (LO). Υπάρχει ένα άλμα φάσης για τα ταλαντούμενα σήματα στο μη γραμμικό μέσο, ​​το οποίο οδηγεί στις ιδιότητες μοναδικής λειτουργίας του προτεινόμενου OEPO. Φωτοανιχνευτής PD, ενισχυτής χαμηλού θορύβου LNA, φίλτρο διέλευσης ζώνης BPF.......Σχ. 2: Διαδικασίες φασμάτων ισχύος και ταλαντώσεων των εξόδων OEPO σε λειτουργία πολλαπλών τρόπων και μονής λειτουργίας. Σχήμα