موجودہ صورتحال اور مائیکرو ویو آپٹو الیکٹرانکس میں مائکروویو سگنل جنریشن کے گرم مقامات

مائکروویو آپٹو الیکٹرانکسجیسا کہ نام سے ظاہر ہے، مائکروویو اور کا چوراہا ہے۔آپٹو الیکٹرانکس. مائیکرو ویوز اور روشنی کی لہریں برقی مقناطیسی لہریں ہیں، اور تعدد کی شدت کے بہت سے آرڈر مختلف ہیں، اور ان کے متعلقہ شعبوں میں تیار کردہ اجزاء اور ٹیکنالوجیز بہت مختلف ہیں۔ مجموعہ میں، ہم ایک دوسرے سے فائدہ اٹھا سکتے ہیں، لیکن ہم نئی ایپلی کیشنز اور خصوصیات حاصل کر سکتے ہیں جن کا بالترتیب احساس کرنا مشکل ہے۔

آپٹیکل مواصلاتمائکروویو اور فوٹو الیکٹران کے امتزاج کی ایک بہترین مثال ہے۔ ابتدائی ٹیلی فون اور ٹیلی گراف وائرلیس کمیونیکیشنز، جنریشن، پروپیگیشن اور سگنلز کا استقبال، تمام استعمال شدہ مائیکرو ویو ڈیوائسز۔ کم فریکوئنسی برقی مقناطیسی لہروں کو ابتدائی طور پر استعمال کیا جاتا ہے کیونکہ فریکوئنسی کی حد چھوٹی ہے اور ٹرانسمیشن کے لیے چینل کی گنجائش کم ہے۔ اس کا حل یہ ہے کہ ٹرانسمٹڈ سگنل کی فریکوئنسی کو بڑھایا جائے، فریکوئنسی جتنی زیادہ ہوگی، سپیکٹرم کے وسائل اتنے ہی زیادہ ہوں گے۔ لیکن ہوا کے پھیلاؤ کے نقصان میں ہائی فریکوئنسی سگنل بڑا ہے، لیکن رکاوٹوں کے ذریعہ بلاک کرنا بھی آسان ہے۔ اگر کیبل استعمال کی جاتی ہے تو، کیبل کا نقصان بڑا ہے، اور طویل فاصلے تک ٹرانسمیشن ایک مسئلہ ہے۔ آپٹیکل فائبر کمیونیکیشن کا ظہور ان مسائل کا ایک اچھا حل ہے۔آپٹیکل فائبربہت کم ٹرانسمیشن نقصان ہے اور طویل فاصلے پر سگنل منتقل کرنے کے لئے ایک بہترین کیریئر ہے. روشنی کی لہروں کی فریکوئنسی رینج مائیکرو ویوز کی نسبت بہت زیادہ ہے اور یہ بیک وقت کئی مختلف چینلز کو منتقل کر سکتی ہے۔ کے ان فوائد کی وجہ سےآپٹیکل ٹرانسمیشن، آپٹیکل فائبر مواصلات آج کی معلومات کی ترسیل کی ریڑھ کی ہڈی بن گیا ہے۔
آپٹیکل کمیونیکیشن کی ایک طویل تاریخ ہے، تحقیق اور اطلاق بہت وسیع اور پختہ ہے، یہاں مزید کہنا نہیں ہے۔ یہ مقالہ بنیادی طور پر آپٹیکل کمیونیکیشن کے علاوہ حالیہ برسوں میں مائیکرو ویو آپٹو الیکٹرانکس کے نئے تحقیقی مواد کو متعارف کراتا ہے۔ مائیکرو ویو آپٹو الیکٹرانکس بنیادی طور پر آپٹو الیکٹرانکس کے میدان میں طریقوں اور ٹکنالوجیوں کو کیریئر کے طور پر استعمال کرتا ہے تاکہ کارکردگی اور اطلاق کو بہتر اور حاصل کیا جا سکے جو روایتی مائکروویو الیکٹرانک اجزاء کے ساتھ حاصل کرنا مشکل ہے۔ درخواست کے نقطہ نظر سے، اس میں بنیادی طور پر درج ذیل تین پہلو شامل ہیں۔
سب سے پہلے X-بینڈ سے لے کر THz بینڈ تک اعلیٰ کارکردگی، کم شور والے مائکروویو سگنلز پیدا کرنے کے لیے آپٹو الیکٹرانکس کا استعمال ہے۔
دوسرا، مائکروویو سگنل پروسیسنگ. بشمول تاخیر، فلٹرنگ، فریکوئنسی کنورژن، وصول کرنا وغیرہ۔
تیسرا، ینالاگ سگنلز کی ترسیل۔

اس مضمون میں، مصنف نے صرف پہلا حصہ متعارف کرایا ہے، مائکروویو سگنل کی نسل۔ روایتی مائکروویو ملی میٹر لہر بنیادی طور پر iii_V مائیکرو الیکٹرانک اجزاء کے ذریعہ تیار کی جاتی ہے۔ اس کی حدود میں درج ذیل نکات ہیں: سب سے پہلے، اوپر 100GHz جیسی اعلی تعدد تک، روایتی مائیکرو الیکٹرانکس کم اور کم طاقت پیدا کر سکتے ہیں، اعلی تعدد THz سگنل تک، وہ کچھ نہیں کر سکتے۔ دوسرا، مرحلے کے شور کو کم کرنے اور تعدد کے استحکام کو بہتر بنانے کے لیے، اصل ڈیوائس کو انتہائی کم درجہ حرارت والے ماحول میں رکھنے کی ضرورت ہے۔ تیسرا، فریکوئنسی ماڈیولیشن فریکوئنسی تبادلوں کی ایک وسیع رینج حاصل کرنا مشکل ہے۔ ان مسائل کو حل کرنے کے لیے، آپٹو الیکٹرانک ٹیکنالوجی ایک کردار ادا کر سکتی ہے۔ اہم طریقے ذیل میں بیان کیے گئے ہیں۔

1. دو مختلف فریکوئنسی لیزر سگنلز کی فرق فریکوئنسی کے ذریعے، مائیکرو ویو سگنلز کو تبدیل کرنے کے لیے ایک ہائی فریکوئنسی فوٹو ڈیٹیکٹر استعمال کیا جاتا ہے، جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 1. مائیکرو ویوز کا اسکیمیٹک ڈایاگرام جو دو کی فریکوئنسی کے فرق سے پیدا ہوتا ہے۔لیزر.

اس طریقہ کار کے فوائد سادہ ساخت ہیں، انتہائی ہائی فریکوئنسی ملی میٹر لہر اور یہاں تک کہ ٹی ایچ زیڈ فریکوئنسی سگنل بھی پیدا کر سکتے ہیں، اور لیزر کی فریکوئنسی کو ایڈجسٹ کر کے فاسٹ فریکوئنسی کنورژن، سویپ فریکوئنسی کی ایک بڑی رینج کو انجام دے سکتا ہے۔ نقصان یہ ہے کہ دو غیر متعلقہ لیزر سگنلز کے ذریعے پیدا ہونے والے فرق فریکوئنسی سگنل کی لائن وڈتھ یا فیز شور نسبتاً بڑا ہے، اور فریکوئنسی کا استحکام زیادہ نہیں ہے، خاص طور پر اگر ایک سیمی کنڈکٹر لیزر جس کا حجم چھوٹا ہو لیکن ایک بڑی لائن وڈتھ (~MHz) ہو۔ استعمال کیا جاتا ہے اگر سسٹم کے وزن کے حجم کی ضروریات زیادہ نہیں ہیں، تو آپ کم شور (~kHz) سالڈ سٹیٹ لیزرز استعمال کر سکتے ہیں،فائبر لیزرز، بیرونی گہاسیمی کنڈکٹر لیزرزوغیرہ۔ اس کے علاوہ، ایک ہی لیزر کیویٹی میں پیدا ہونے والے لیزر سگنلز کے دو مختلف طریقوں کو بھی فرق فریکوئنسی پیدا کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، تاکہ مائکروویو فریکوئنسی استحکام کی کارکردگی بہت بہتر ہو۔

2. اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے کہ پچھلے طریقہ میں دو لیزرز متضاد ہیں اور پیدا ہونے والا سگنل فیز شور بہت زیادہ ہے، دونوں لیزرز کے درمیان ہم آہنگی انجیکشن فریکوئنسی لاکنگ فیز لاکنگ طریقہ یا منفی فیڈ بیک فیز کے ذریعے حاصل کی جا سکتی ہے۔ تالا لگا سرکٹ. شکل 2 مائیکرو ویو ملٹیپلز (شکل 2) پیدا کرنے کے لیے انجیکشن لاکنگ کا ایک عام اطلاق دکھاتا ہے۔ سیمی کنڈکٹر لیزر میں ہائی فریکوئنسی کرنٹ سگنلز کو براہ راست انجیکشن کرکے، یا LinBO3 فیز ماڈیولیٹر کا استعمال کرتے ہوئے، مساوی فریکوئنسی اسپیسنگ کے ساتھ مختلف فریکوئنسیوں کے متعدد آپٹیکل سگنلز یا آپٹیکل فریکوئنسی کومبس تیار کیے جاسکتے ہیں۔ بلاشبہ، وسیع سپیکٹرم آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی حاصل کرنے کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والا طریقہ موڈ لاکڈ لیزر کا استعمال ہے۔ جنریٹڈ آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی میں کوئی بھی دو کنگھی سگنل فلٹرنگ کے ذریعے منتخب کیے جاتے ہیں اور بالترتیب فریکوئنسی اور فیز لاکنگ کا احساس کرنے کے لیے بالترتیب لیزر 1 اور 2 میں انجیکشن لگائے جاتے ہیں۔ کیونکہ آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی کے مختلف کنگھی سگنلز کے درمیان کا مرحلہ نسبتاً مستحکم ہے، تاکہ دو لیزرز کے درمیان رشتہ دار مرحلہ مستحکم ہو، اور پھر فرق فریکوئنسی کے طریقہ کار کے مطابق جیسا کہ پہلے بیان کیا گیا ہے، ملٹی فولڈ فریکوئنسی مائکروویو سگنل آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی تکرار کی شرح حاصل کی جا سکتی ہے.

شکل 2. انجیکشن فریکوئنسی لاکنگ سے پیدا ہونے والے مائکروویو فریکوئنسی ڈبلنگ سگنل کا اسکیمیٹک ڈایاگرام۔
دو لیزرز کے متعلقہ مرحلے کے شور کو کم کرنے کا ایک اور طریقہ منفی فیڈ بیک آپٹیکل PLL کا استعمال کرنا ہے، جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔

تصویر 3. OPL کا اسکیمیٹک خاکہ۔

آپٹیکل پی ایل ایل کا اصول الیکٹرانکس کے شعبے میں پی ایل ایل کی طرح ہے۔ دونوں لیزرز کے فیز فرق کو فوٹو ڈیٹیکٹر (فیز ڈیٹیکٹر کے مساوی) کے ذریعے برقی سگنل میں تبدیل کیا جاتا ہے، اور پھر دونوں لیزرز کے درمیان مرحلے کا فرق ایک حوالہ مائیکرو ویو سگنل سورس کے ساتھ فرق فریکوئنسی بنا کر حاصل کیا جاتا ہے، جسے بڑھایا جاتا ہے۔ اور فلٹر کیا اور پھر کسی ایک لیزر کے فریکوئنسی کنٹرول یونٹ کو کھلایا (سیمی کنڈکٹر لیزرز کے لیے، یہ انجیکشن کرنٹ ہے)۔ اس طرح کے منفی فیڈ بیک کنٹرول لوپ کے ذریعے، دو لیزر سگنلز کے درمیان رشتہ دار فریکوئنسی کا مرحلہ حوالہ مائیکرو ویو سگنل پر مقفل ہو جاتا ہے۔ اس کے بعد مشترکہ آپٹیکل سگنل آپٹیکل ریشوں کے ذریعے کسی اور جگہ فوٹو ڈیٹیکٹر میں منتقل کیا جا سکتا ہے اور اسے مائکروویو سگنل میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ مائیکرو ویو سگنل کا نتیجہ فیز شور تقریباً ویسا ہی ہوتا ہے جو کہ فیز لاکڈ منفی فیڈ بیک لوپ کی بینڈوتھ کے اندر ریفرنس سگنل کا ہوتا ہے۔ بینڈوتھ کے باہر فیز شور اصل دو غیر متعلقہ لیزرز کے رشتہ دار فیز شور کے برابر ہے۔
اس کے علاوہ، ریفرینس مائیکرو ویو سگنل سورس کو دوسرے سگنل ذرائع سے فریکوئنسی ڈبلنگ، ڈیوائزر فریکوئنسی، یا دیگر فریکوئنسی پروسیسنگ کے ذریعے بھی تبدیل کیا جا سکتا ہے، تاکہ کم فریکوئنسی مائکروویو سگنل کو ملٹی ڈبل کیا جا سکے، یا ہائی فریکوئنسی RF، THz سگنلز میں تبدیل کیا جا سکے۔
انجیکشن فریکوئنسی لاکنگ کے مقابلے میں صرف فریکوئنسی دگنی ہو سکتی ہے، فیز لاکڈ لوپس زیادہ لچکدار ہوتے ہیں، تقریباً صوابدیدی فریکوئنسی پیدا کر سکتے ہیں، اور یقیناً زیادہ پیچیدہ۔ مثال کے طور پر، تصویر 2 میں فوٹو الیکٹرک ماڈیولیٹر کے ذریعے تیار کردہ آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی کو روشنی کے منبع کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اور آپٹیکل فیز لاکڈ لوپ کا استعمال دو لیزرز کی فریکوئنسی کو منتخب طور پر دو آپٹیکل کومب سگنلز پر لاک کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، اور پھر جنریٹ کیا جاتا ہے۔ فرق فریکوئنسی کے ذریعے ہائی فریکوئنسی سگنلز، جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ f1 اور f2 بالترتیب دو PLLS کی ریفرنس سگنل فریکوئنسی ہیں، اور N*frep+f1+f2 کا مائکروویو سگنل فرق فریکوئنسی سے پیدا کیا جا سکتا ہے۔ دو لیزر

تصویر 4. آپٹیکل فریکوئنسی کومبس اور PLLS کا استعمال کرتے ہوئے صوابدیدی فریکوئنسی پیدا کرنے کا اسکیمیٹک خاکہ۔

3. آپٹیکل پلس سگنل کو مائکروویو سگنل میں تبدیل کرنے کے لیے موڈ لاکڈ پلس لیزر کا استعمال کریںفوٹو ڈیٹیکٹر.

اس طریقہ کار کا بنیادی فائدہ یہ ہے کہ بہت اچھی فریکوئنسی استحکام اور بہت کم فیز شور والا سگنل حاصل کیا جا سکتا ہے۔ لیزر کی فریکوئنسی کو ایک انتہائی مستحکم ایٹم اور مالیکیولر ٹرانزیشن سپیکٹرم، یا ایک انتہائی مستحکم آپٹیکل کیویٹی، اور خود کو دوگنا کرنے والے فریکوئنسی کے خاتمے کے نظام کی فریکوئنسی شفٹ اور دیگر ٹیکنالوجیز کے استعمال سے، ہم ایک بہت ہی مستحکم آپٹیکل پلس سگنل حاصل کر سکتے ہیں۔ ایک بہت مستحکم تکرار فریکوئنسی، تاکہ الٹرا لو فیز شور کے ساتھ مائکروویو سگنل حاصل کیا جا سکے۔ تصویر 5۔

شکل 5. مختلف سگنل ذرائع کے رشتہ دار مرحلے کے شور کا موازنہ۔

تاہم، چونکہ نبض کی تکرار کی شرح لیزر کی گہا کی لمبائی کے الٹا متناسب ہے، اور روایتی موڈ لاکڈ لیزر بڑا ہے، اس لیے براہ راست ہائی فریکوئنسی مائکروویو سگنل حاصل کرنا مشکل ہے۔ اس کے علاوہ، روایتی پلسڈ لیزرز کا سائز، وزن اور توانائی کی کھپت، نیز سخت ماحولیاتی تقاضے، بنیادی طور پر لیبارٹری کے استعمال کو محدود کرتے ہیں۔ ان مشکلات پر قابو پانے کے لیے، حال ہی میں ریاست ہائے متحدہ امریکہ اور جرمنی میں تحقیق شروع ہوئی ہے جس میں بہت چھوٹے، اعلیٰ معیار کے چہچہانے والے آپٹیکل کیویٹیز میں فریکوئنسی-مستحکم آپٹیکل کنگھیاں پیدا کرنے کے لیے نان لائنر اثرات کا استعمال کیا گیا ہے، جس کے نتیجے میں ہائی فریکوئنسی کم شور والے مائکروویو سگنلز پیدا ہوتے ہیں۔

4. آپٹو الیکٹرانک آسکیلیٹر، شکل 6۔

تصویر 6. فوٹو الیکٹرک کپلڈ آسکیلیٹر کا اسکیمیٹک خاکہ۔

مائیکرو ویوز یا لیزرز پیدا کرنے کے روایتی طریقوں میں سے ایک سیلف فیڈ بیک بند لوپ کا استعمال کرنا ہے، جب تک کہ بند لوپ میں حاصل نقصان سے زیادہ ہو، خود پرجوش دوغلا مائیکرو ویوز یا لیزر پیدا کر سکتا ہے۔ بند لوپ کا کوالٹی فیکٹر Q جتنا زیادہ ہوگا، پیدا ہونے والا سگنل فیز یا فریکوئنسی شور اتنا ہی چھوٹا ہوگا۔ لوپ کے معیار کے عنصر کو بڑھانے کے لیے، براہ راست طریقہ یہ ہے کہ لوپ کی لمبائی کو بڑھایا جائے اور پھیلاؤ کے نقصان کو کم کیا جائے۔ تاہم، ایک لمبا لوپ عام طور پر دولن کے متعدد طریقوں کی نسل کو سہارا دے سکتا ہے، اور اگر ایک تنگ بینڈوتھ فلٹر کو شامل کیا جائے تو، ایک سنگل فریکوئنسی کم شور والا مائکروویو دوغلی سگنل حاصل کیا جا سکتا ہے۔ فوٹو الیکٹرک کپلڈ آسکیلیٹر اس آئیڈیا پر مبنی ایک مائیکرو ویو سگنل کا ذریعہ ہے، یہ فائبر کے کم پھیلاؤ کے نقصان کی خصوصیات کا مکمل استعمال کرتا ہے، لوپ کیو ویلیو کو بہتر بنانے کے لیے طویل فائبر کا استعمال کرتے ہوئے، بہت کم فیز شور کے ساتھ مائکروویو سگنل پیدا کر سکتا ہے۔ چونکہ یہ طریقہ 1990 کی دہائی میں تجویز کیا گیا تھا، اس قسم کے آسکیلیٹر کو وسیع تحقیق اور خاطر خواہ ترقی ملی ہے، اور فی الحال تجارتی فوٹو الیکٹرک کپلڈ آسیلیٹرز موجود ہیں۔ ابھی حال ہی میں، فوٹو الیکٹرک آسکیلیٹر جن کی تعدد کو وسیع رینج میں ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے تیار کیا گیا ہے۔ اس فن تعمیر پر مبنی مائکروویو سگنل کے ذرائع کا بنیادی مسئلہ یہ ہے کہ لوپ لمبا ہے، اور اس کے فری فلو (FSR) میں شور اور اس کی ڈبل فریکوئنسی میں نمایاں اضافہ ہوگا۔ اس کے علاوہ، فوٹو الیکٹرک پرزوں کا استعمال زیادہ ہے، قیمت زیادہ ہے، حجم کو کم کرنا مشکل ہے، اور طویل فائبر ماحولیاتی خلل کے لیے زیادہ حساس ہے۔

مندرجہ بالا مختصراً مائیکرو ویو سگنلز کے فوٹو الیکٹران جنریشن کے کئی طریقوں کے ساتھ ساتھ ان کے فوائد اور نقصانات کا بھی تعارف کرایا گیا ہے۔ آخر میں، مائیکرو ویو پیدا کرنے کے لیے فوٹو الیکٹران کے استعمال کا ایک اور فائدہ یہ ہے کہ آپٹیکل سگنل کو آپٹیکل فائبر کے ذریعے بہت کم نقصان کے ساتھ تقسیم کیا جا سکتا ہے، ہر استعمال کے ٹرمینل تک طویل فاصلے تک ٹرانسمیشن اور پھر مائیکرو ویو سگنلز میں تبدیل کیا جا سکتا ہے، اور برقی مقناطیسی مزاحمت کرنے کی صلاحیت۔ مداخلت روایتی الیکٹرانک اجزاء کے مقابلے میں نمایاں طور پر بہتر ہوئی ہے۔
اس مضمون کی تحریر بنیادی طور پر حوالہ کے لیے ہے، اور اس شعبے میں مصنف کے اپنے تحقیقی تجربے اور تجربے کے ساتھ مل کر، غلطیاں اور ناقابل فہمیاں ہیں، براہ کرم سمجھیں۔