المذبذبات الإلكترونية البصرية Opto-Electronic Oscillators

تم عرض المذبذب الكهروضوئي “OEO” لأول مرة في عام 1996م كمصدر “RF” منخفض الضوضاء، كما تُستخدم مصادر الترددات الراديوية منخفضة الضوضاء تطبيقات متعددة، بدءاً من المحولات التماثلية إلى الرقمية إلى الرادار إلى المقاييس، وفي السنوات الماضية ثبت أنّ “OEO” مفيد لتطبيقات معالجة الإشارات الأخرى، حيث تم استخدامه في تطبيقات معالجة الإشارات، ويمكن تطبيق “OEO” على كل من المشكلات التماثلية والرقمية، ممّا يوفر تقنيات جديدة لحل هذه التحديات.

ما هي المذبذبات الإلكترونية البصرية Opto-Electronic Oscillators؟

المذبذبات الإلكترونية البصرية “Opto-Electronic Oscillators”: هي عبارة عن دائرة إلكترونية ضوئية، حيث يكون ناتج الدائرة على شكل موجة جيبية أو إشارة موجة مستمرة معدلة، كما إنّه جهاز لا تزيد فيه ضوضاء الطور للمذبذب من التردد ويخضع لتنفيذ المذبذبات الإلكترونية، مثل المذبذب البلوري والرنان العازل والرنان العازل.

يُعد المذبذب الكهروضوئي “OEO” عبارة عن ميكروويف هجين ونظام فوتوني قادر على إنتاج ذبذبات ميكروويف مستدامة ذاتياً عندما تسقط الموجات الضوئية المعدلة من المغير على جهاز الكشف الضوئي كما يتم إرسال الإشارة الكهربائية الناتجة للكاشف الضوئي “PD” مرة أخرى إلى المغير لتشكيل حلقة تغذية إلكترونية بصرية مغلقة في تجويف “OEO”، وتنشأ اهتزازات الميكروويف من الضوضاء عندما يتجاوز كسب الحلقة الخسارة.

• “OEO” هي اختصار لـ “Opto-Electronic Oscillators”.

• “PD” هي اختصار لـ “photo detector”.

أساسيات المذبذبات الإلكترونية البصرية Opto-Electronic Oscillators:

يعود تاريخ المذبذب الكهروضوئي إلى عام 1968م في دراسة عن الليزر المغلق للوضع، حيث تم استخدام حلقات التغذية الراجعة الإلكترونية الضوئية لتحقيق قفل الوضع المستقر، وبعد عشر سنوات تم اقتراح مفهوم المذبذب الكهروضوئي بواسطة “Kersten 10” والذي كان أساساً “OEO”، كما كانت مسارات التغذية المرتدة قصيرة نسبياً في الإصدارات المبكرة من “OEOs”.

تم تحقيق اختراق مفاهيمي لـ “OEO” بواسطة “Yao” و”Maleki1–4″ من خلال إدخال خط تأخير طويل للألياف منخفض الفقد كعنصر تخزين الطاقة، والذي قدم ميزة عامل الجودة الأكثر جاذبية في “OEOs” الحديثة، كما حلل المؤلفون بالتفصيل تشغيل المذبذب الطويل القائم على الألياف وقدموا أيضاً الاختصار “OEO”.

مع زيادة الطلب على معالجة الإشارات عالية السرعة ازدادت شعبية الأساليب التي تستخدم الضوئيات لتلبية هذه الحاجة، وتُعد معالجة الإشارات عالية السرعة مصطلحاً عاماً يتضمن تقنيات وتقنيات لمعالجة العديد من التطبيقات المختلفة، كما تُغطي أمثلة هذه التطبيقات نطاقاً واسعاً من أنظمة الترددات الراديوية التماثلية، مثل الرادارات والتصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية إلى الأنظمة الرقمية التي تغطي كل الطرق من شبكات الاتصالات بعيدة المدى إلى الوصلات البينية على الرقاقة في أجهزة الكمبيوتر.

لقد ثبت أنّ معالجة الإشارات الضوئية تلبي احتياجات هذه الأنظمة بسبب النطاق الترددي الفوري الكبير أي أكبر من “40 جيجاهرتز”، والخسارة المنخفضة أي “0.2 ديسيبل / كم” في الألياف الضوئية والمناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، كما إنّ أحد متطلبات معالجة الإشارات الشائعة التي تشترك فيها هذه التطبيقات المتنوعة هو الحاجة إلى توقيت دقيق للغاية.

تتطلب رادارات دوبلر مصادر ذات ضوضاء منخفضة للغاية لساعة الطور من أجل تقليل عدم اليقين في الأشياء التي يتم تعقبها، ونظراً لأنّه ثبت أنّ الشبكات الرقمية الضوئية تنقل إجمالي “10 تيرابايت / ثانية” من البيانات، فإنّها تتطلب ساعات ضوضاء منخفضة الطور لتعدد إرسال تدفقات البيانات على الشبكة بأكملها، وتتضمن التطبيقات الأخرى التي تتطلب ساعات ضوضاء منخفضة الطور أخذ عينات من المحولات التماثلية إلى الرقمية واستعادة الميقاتية ومصادر النبض.

ملاحظة:المذبذب الكهروضوئي المُشار إليه حتى الآن باسم “OEO” هو نظام ضوئي يمكن أن يوفر إشارات ساعة ضوضاء منخفضة للغاية.

التشغيل الأساسي لمذبذبات OEO:

تم اقتراح استخدام “OEO” لتوليد إشارة ضوضاء منخفضة الطور لأول مرة بواسطة “Yao” و”Maleki” في عام 1996م، ويشبه “OEO” دوائر التغذية الراجعة الإلكترونية الضوئية التي أظهرها “Neyer” و”Voges” في عام 1982م و”Nakazawa et alط في عام 1984م، ولاحقاً بواسطة لويس في عام 1992م، وكما هو يبدأ “OEO” بليزر موجة مستمرة يتم تغذيتها في مُعدِّل الشدة.

يتم بعد ذلك تمرير الناتج البصري لمُحَوِّل الشدة عبر خط تأخير طويل من الألياف الضوئية إلى ثنائي ضوئي، كما يتم بعد ذلك تضخيم الإشارة الكهربائية المستردة وتمريرها من خلال مرشح ممر النطاق الإلكتروني، حيث يتم توصيل ناتج المرشح بعد ذلك بمدخل التردد اللاسلكي لمعدل الشدة من أجل إكمال التجويف الإلكتروني البصري.

عندما يكون كسب التجويف أكبر من الخسارة سيبدأ “OEO” في التذبذب، حيث يقوم مرشح ممر النطاق الإلكتروني بتحديد تردد التذبذب عن طريق تخفيف أوضاع التشغيل الحر الأخرى للتجويف تحت العتبة، كما أنّ أحد الدوافع الرئيسية لدراسات “OEOs” هو ضوضاء المرحلة المنخفضة للغاية الناتجة عن عامل الجودة العالية لتجويف “OEO”، والذي يتم تحقيقه باستخدام عناصر تخزين الطاقة الضوئية عالية الجودة، مثل الخسارة المنخفضة ألياف بصرية أو مرنان بصري عالي الجودة.

يمكن أيضاً إنشاء إشارات الميكروويف عالية التردد بسهولة نظراً لأنّ عرض النطاق الترددي لـ “OEO” يقتصر فقط على عرض النطاق الترددي للأجهزة الإلكترونية الضوئية في تجويفه، والتي تصل إلى “100 جيجا هرتز” وهذه الميزات جذابة للغاية مقارنة مع نظيراتها الكهربائية، حيث قد لا يمكن تحقيق الميزات في المجال الكهربائي بناءً على مذبذبات مرنان الميكروويف التقليدية أو الأنظمة المكلفة والمعقدة.

المذبذب البصري الإلكتروني مع ردود فعل نثر Brillouin المحفزة:

تستخدم بنية مذبذب إلكتروني ضوئي تشتيت “Brillouin” المحفز “SBS” لبذر وتصفية وتضخيم إشارة التذبذب في حلقة مذبذب متداخلة لكل من النطاق الجانبي البصري المعدل “RF” وإشارة “SBS”، حيث من خلال مطابقة الطور للنطاق الجانبي البصري المشكل للتردد الراديوي الذي تم إنشاؤه بواسطة “SBS”.

ومع إشارة “SBS” ستؤدي التغذية المرتدة إلى خفض عرض النطاق الترددي لإشارة “SBS” وبدوره عرض النطاق الترددي لإشارة تردد “Brillouin”، والتي تعمل أيضاً كمرشح لتصفية حلقة “OEO” المتعددة غير المرغوب فيها أساليب، كما تؤدي النماذج الواردة هنا إلى تقليل ضوضاء الطور وزيادة الاستقرار.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

• “SBS” هي اختصار لـ “Side Band Signal”.

المذبذبات الكهروضوئية ذات التغذية الراجعة المتأخرة:

تقع المذبذبات الكهروضوئية المتأخرة زمنياً في مركز مجموعة كبيرة من المؤلفات العلمية، كما تم استكشاف السلوك المعقد لهذه المذبذبات غير الخطية بدقة من الناحية النظرية والتجريبية، ممّا أدى إلى فهم أفضل لخصائصها الديناميكية، وبالإضافة إلى الأبحاث الأساسية فقد ألهمت هذه الأنظمة أيضاً مجموعة واسعة ومتنوعة من التطبيقات، مثل اتصالات الفوضى الضوئية وتوليد الأرقام العشوائية الزائفة.

وكذلك التعلم الآلي الإلكتروني القائم على حوسبة الخزان وتوليد الميكروويف عالي النقاء وتوليف قطار النبض البصري والاستشعار، أمّا الهدف من هذه المذبذبات هو تقديم مسح شامل لهذا المجال لتحديد أحدث الإنجازات، وتحديد التحديات الرئيسية المقبلة.