一種新型高性能微波振蕩器—光電振蕩器

摘 要：文章主要介紹一種基于微波光子技術(shù)的新型微波振蕩器——光電振蕩器。光電振蕩器采用低損耗的長光纖或高Q光諧振器作為儲(chǔ)能單元，可產(chǎn)生數(shù)MHz至上百GHz的微波或毫米波信號(hào)，產(chǎn)生信號(hào)的相位噪聲低至-163dBc/Hz@10kHz，并具有光電兩種輸出，是一種非常理想的高性能微波振蕩器。文章闡述了光電振蕩器的工作原理和特性，評(píng)述并討論了光電振蕩器的發(fā)展現(xiàn)狀及實(shí)用化的難點(diǎn)，展望了光電振蕩器可能的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光電振蕩器； 微波光子學(xué)； 相位噪聲； 寬帶調(diào)諧； 頻率穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2015）04-003-003

一、引言

振蕩器（Oscillator）是一種將連續(xù)的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為周期性模擬信號(hào)（通常是正弦波或方波）的裝置。光電振蕩器是電子技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛的器件之一，已被應(yīng)用于廣播通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子測量、電子對(duì)抗等工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活的方方面面，例如振蕩器可以為無線電發(fā)射機(jī)提供其工作頻段的載波信號(hào)；為超外差接收機(jī)提供本地振蕩信號(hào)；在高速數(shù)字通信系統(tǒng)和各種電子測量設(shè)備中作為頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)；為分布式系統(tǒng)提供參考源等。

一般來說，微波振蕩器產(chǎn)生微波信號(hào)的質(zhì)量決定于振蕩腔的儲(chǔ)能性能。要產(chǎn)生高質(zhì)量的微波信號(hào)，必須要有高Q值和低損耗的儲(chǔ)能單元。當(dāng)前的微波振蕩器大多基于電子學(xué)（如電介質(zhì)振蕩器）和聲學(xué)（如晶體振蕩器）儲(chǔ)能元件。這些元件在GHz以上頻率工作時(shí)，儲(chǔ)能特性會(huì)急劇下降，所產(chǎn)生高頻微波的相位噪聲與頻譜純度較差。1996年，加州理工噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的X.S.Yao和L.Maleki在利用光子學(xué)技術(shù)改進(jìn)微波系統(tǒng)工作性能的過程中開發(fā)了一種基于光子學(xué)儲(chǔ)能單元的微波振蕩器，這種振蕩器被命名為光電振蕩器（optoelectronic oscillator，OEO）[1]。與基于電子學(xué)和聲學(xué)儲(chǔ)能單元的微波振蕩器相比，光電振蕩器可產(chǎn)生數(shù)MHz到數(shù)百GHz的高純度微波或毫米波信號(hào)，其儲(chǔ)能元件的Q值高達(dá)1010，產(chǎn)生高頻信號(hào)的相位噪聲在頻偏10kHz處低至-163dBc/Hz，并具有光、電兩種輸出，是一種非常理想的高性能微波振蕩器，有望在未來得到廣泛的應(yīng)用。

二、光電振蕩器工作原理

光電振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由激光器、電光調(diào)制器、高Q光儲(chǔ)能單元（如一定長度的光纖）、光電探測器、帶通濾波器、微波放大器、移相器和微波耦合器等組成的正反饋回路。振蕩的能量來自于電光調(diào)制器前的注入光，注入光經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制后變成載有特定頻率的光信號(hào)，這個(gè)光信號(hào)被光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后放大，再經(jīng)過帶通濾波器濾出特定頻率，一部分用于輸出，一部分反饋入電光調(diào)制的微波輸入口，完成一次循環(huán)。經(jīng)過不斷循環(huán)，最終形成穩(wěn)定的振蕩。由于光電振蕩器采用了低損耗的長光纖等高Q光學(xué)儲(chǔ)能單元，輸出信號(hào)具有極低的相位噪聲。此外，光纖等光學(xué)儲(chǔ)能單元內(nèi)損耗不隨微波頻率改變而變化，因此理論上光電振蕩器輸出信號(hào)的性能不會(huì)隨著頻率升高而惡化。

經(jīng)過近二十年的不斷探索，對(duì)光電振蕩器的研究已取得了飛速進(jìn)展，在美國，光電振蕩器作為高質(zhì)量本振源已成功應(yīng)用于無人機(jī)等尖端技術(shù)領(lǐng)域。盡管如此，光電振蕩器要想得到更廣泛的應(yīng)用，還需要在性能與穩(wěn)定性等方面不斷完善。目前對(duì)光電振蕩器的研究主要集中在相位噪聲降低、邊模抑制比提高、頻率穩(wěn)定性提升、輸出頻率拓展、頻率調(diào)諧性能提升、小型化與多頻振蕩等方面，具體如下：

1.相位噪聲

光電振蕩器輸出信號(hào)的相位噪聲主要來源于激光器、光電探測器以及放大器等有源器件的熱噪聲、散射噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲。可以通過優(yōu)化微波光子鏈路的結(jié)構(gòu)和器件的工作方式來降低相位噪聲。在D.Eliyahu等產(chǎn)生極低相位噪聲（-163 dBc/Hz@6kHz）信號(hào)的實(shí)驗(yàn)中，采用了相對(duì)強(qiáng)度噪聲低的高功率Nd：YAG激光器和低相位噪聲的陣列放大器[2]。P.S.Devgan等利用低偏置的馬赫曾德調(diào)制器和光放大器實(shí)現(xiàn)了全光增益的光電振蕩器，與采用電放大器的光電振蕩器相比，該方案的相位噪聲有10dB改善[3]。此外，采用高功率的光電探測器能有效降低白噪聲，而采用光電探測器陣列接收信號(hào)則能有效降低閃爍噪聲的影響[4]。文獻(xiàn)[4]中還實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)中有源器件的飽和狀態(tài)能夠抑制相位噪聲。

2.邊模抑制

要獲得低相位噪聲的微波輸出，光電振蕩器的諧振腔必須具有極高的Q值（Q=2πfτ，f為中心頻率，τ為能量衰減時(shí)間），即需要極大的能量衰減時(shí)間。通過增加光纖長度可以獲得較大的τ，但隨著光纖長度增加，光電振蕩器腔內(nèi)縱模間距（Δf=1/τ）不斷減小（可低至幾十kHz），要有效抑制非振蕩模式并選擇出單一振蕩頻率，需要相當(dāng)窄的微波帶通濾波器。

一種抑制邊模的方法是采用雙環(huán)路光電振蕩器。在光電振蕩器腔內(nèi)構(gòu)成兩個(gè)不同長度的光纖環(huán)路，只有同時(shí)滿足兩個(gè)環(huán)路選模條件的模式，才有可能起振。分別選取適當(dāng)?shù)沫h(huán)路長度，能夠最終實(shí)現(xiàn)單模起振[5-8]。雙環(huán)路光電振蕩器方案可分為電域耦合的光電混合雙環(huán)路結(jié)構(gòu)[5]和光域耦合雙環(huán)路結(jié)構(gòu)[6-8]。本課題組提出了基于偏振調(diào)制和偏分復(fù)用的雙環(huán)路光電振蕩器[7]。其中的偏振分束器不僅實(shí)現(xiàn)了偏振調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換，還實(shí)現(xiàn)了將入射光波分成偏振態(tài)正交的兩路形成雙環(huán)路。本方案產(chǎn)生的10GHz信號(hào)的邊模抑制比達(dá)到了78dB。相比于電域耦合雙環(huán)路方案，光域耦合方案僅需一個(gè)光電探測器。光域耦合雙環(huán)路方案也可以利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)[8]。另一種抑制邊模的方法是利用耦合式光電振蕩器（coupled optoelectronic oscillator，COEO）[9，10]。耦合式光電振蕩器包括主動(dòng)鎖模激光器環(huán)路和光電反饋環(huán)路兩個(gè)部分，其中主動(dòng)鎖模光纖激光器環(huán)路能夠有效提高振蕩器的Q值，因此，采用較短的光纖長度即可獲得較低的相位噪聲。本課題組利用非泵浦摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)了10.7GHz穩(wěn)定輸出的耦合式光電振蕩器，其相位噪聲低于-120dBc/Hz@10kHz[10]。

3.頻率穩(wěn)定性

影響光電振蕩器頻率穩(wěn)定性的因素主要為兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)中的高Q元件（包括長光纖和窄帶電濾波器）易受環(huán)境的影響發(fā)生變化，使起振模式發(fā)生改變?cè)斐奢敵鲱l率不穩(wěn)定，特別是光纖受溫度等環(huán)境因素的影響而引起等效腔長的改變；二是由于光電振蕩器中使用的濾波器通常具有比較大的通帶范圍，所以在環(huán)路的增益帶寬內(nèi)會(huì)出現(xiàn)很多邊模。這些邊模中的一個(gè)可能會(huì)在腔長的變化過程中獲得足夠的增益而代替原有的起振頻率，造成起振頻率不穩(wěn)定。此外，常用的電光調(diào)制器存在的偏置點(diǎn)漂移問題，也會(huì)影響輸出頻率的穩(wěn)定性。

將光電振蕩器與環(huán)境隔離或者利用溫度控制裝置，可以降低環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)的影響，例如在X.S.Yao等的實(shí)驗(yàn)中，光電振蕩器被放置于一個(gè)填充泡沫的盒子里，以隔絕振動(dòng)帶來的影響[5]。采用主動(dòng)鎖相環(huán)電路控制，將光電振蕩器的振蕩信號(hào)鎖定到外部參考源上，也可以有效改善光電振蕩器的頻率穩(wěn)定性[11]。

4.工作頻率

理論上光電振蕩器可產(chǎn)生數(shù)MHz至上百GHz的信號(hào)，并且相位噪聲與頻率無關(guān)，但高頻毫米波光電振蕩器卻難以實(shí)現(xiàn)。這主要是因?yàn)楣怆娬袷幤髦幸褂霉怆娬{(diào)制器、微波耦合器、微波移相器、微波放大器和微波傳輸線等微波器件，其工作頻率受到電子瓶頸的限制。雖然近期已有研制出高頻微波或毫米波器件的報(bào)道，但這些器件一般成本高昂、功耗較大，性能并不理想。

針對(duì)以上問題，M.Shin等利用LiNbO3馬赫曾德調(diào)制器半波電壓與波長的正比關(guān)系實(shí)現(xiàn)了10GHz基頻和20GHz倍頻信號(hào)的同時(shí)產(chǎn)生[12]。本課題組等提出了一種基于偏振調(diào)制器的倍頻光電振蕩器[13]。在該系統(tǒng)中，偏振調(diào)制器后面級(jí)聯(lián)兩個(gè)檢偏器的結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)雙輸出強(qiáng)度調(diào)制器。通過分別調(diào)節(jié)兩路檢偏器前的偏振控制器，其中一路等效偏置于線性點(diǎn)并反饋至偏振調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)基頻振蕩，另一路等效偏置在最小傳輸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)倍頻信號(hào)的輸出。本課題組還基于單個(gè)偏振調(diào)制器和級(jí)聯(lián)偏振調(diào)制器分別實(shí)現(xiàn)了四倍頻的光電振蕩器[14，15]，使得光電振蕩器工作范圍擴(kuò)展到原來的四倍。

5.可調(diào)諧性

為產(chǎn)生寬帶可調(diào)的微波信號(hào)，光電振蕩器需使用寬帶可調(diào)的高Q濾波器，該濾波器可以為可調(diào)諧電濾波器，光濾波器或微波光子濾波器[24，25]。受限于電子瓶頸，采用可調(diào)電濾波器的光電振蕩器輸出信號(hào)的調(diào)諧范圍有限[16]。基于微波光子濾波器的光電振蕩器通常具有較大的調(diào)諧范圍。本課題組提出利用外部光注入的F-P激光器實(shí)現(xiàn)寬帶頻率可調(diào)的微波光子濾波器，通過改變注入光波波長或改變溫度，使光電振蕩器的頻率調(diào)諧范圍達(dá)到6.41GHz 至10.85 GHz[17]。本課題組還提出基于偏振調(diào)制器和啁啾光纖光柵的可調(diào)諧光電振蕩器，實(shí)現(xiàn)了5.8-11.8GHz的頻率調(diào)諧范圍[18]。此系統(tǒng)利用偏振調(diào)制對(duì)色散的控制實(shí)現(xiàn)可調(diào)微波光子濾波器，通過改變?cè)谄裾{(diào)制器后面的光信號(hào)的偏振態(tài)來改變環(huán)路中的濾波響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率信號(hào)的輸出。

6.小型化研究

光電振蕩器通常包括激光源、強(qiáng)度調(diào)制器、長光纖延時(shí)線、光電探測器、電放大器、電相移器、電帶通濾波器和其他電的或光的器件。這些分立電學(xué)和光學(xué)元件使光電振蕩器體積大，同時(shí)也導(dǎo)致較大的功率損耗。通過采用高Q光諧振器（如回音壁模式諧振器）替代長達(dá)數(shù)千米的光纖，可以顯著減小光電振蕩器儲(chǔ)能單元的體積[19]。本課題組提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于電吸收調(diào)制激光器的小型化光電振蕩器，本方案中僅用一個(gè)電吸收調(diào)制激光器即代替了傳統(tǒng)光電振蕩器中激光器、強(qiáng)度調(diào)制器及光電探測器三個(gè)器件，可節(jié)省兩個(gè)器件和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路[20]。

7.多頻振蕩

光電振蕩器通常只產(chǎn)生一個(gè)純凈的單頻信號(hào)。而在寬帶信道化接收機(jī)與多頻段雷達(dá)等應(yīng)用場合，需要多個(gè)頻率的信號(hào)。2012年，F(xiàn).Kong等利用相移布拉格光柵的雙折射特性實(shí)現(xiàn)了一種雙頻光電振蕩器[21]。該方案的不足之處是僅能產(chǎn)生兩個(gè)頻率的信號(hào)，并且系統(tǒng)對(duì)環(huán)境非常敏感。本課題組提出并實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)相位調(diào)制器的多頻光電振蕩器[22]。此方案采用了多波長光源，在每個(gè)光載波上分別形成了一個(gè)單通帶的可調(diào)諧微波光子濾波器。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)獲得了頻率為10GHz和40GHz的信號(hào)，通過增加光載波數(shù)目，將很容易獲得更多路的不同頻率信號(hào)輸出。

三、結(jié)論和展望

光電振蕩器具有工作頻率范圍廣、相位噪聲低、頻譜純度高和調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的高性能微波振蕩器，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)在光電振蕩器上主要是以學(xué)術(shù)探索為主，其穩(wěn)定性和小型化問題尚未得到有效解決，因此迫切需要開展相關(guān)研究，以推動(dòng)光電振蕩器的實(shí)用化。相信隨著光子集成芯片等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，光電振蕩器可以被制作成一個(gè)集成化的緊湊器件，從而在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用。

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基金資助：江蘇省自然科學(xué)基金（BK2012031），國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃，2012CB315705），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61422108，61401201）。