光生太赫茲波振蕩器的原理及實現

中國電子科技集團公司第八研究所，安徽合肥 230041

關鍵字：太赫茲；振蕩器；相位噪聲；鎖相穩頻

一、引言

太赫茲波(THz)是指頻率在0.1THz～10THz范圍的電磁波，其介于毫米波與紅外之間，稱為亞毫米波或者遠紅外光，處于從電子學向光子學的過渡區[1-2]。太赫茲波不僅可以應用于軍事領域也能應用于民用領域。在軍事領域的應用主要包括：單兵指揮通信和軍用衛星通信、軍用飛機導航、軍事裝備質量檢查、軍事反恐“穿墻術”(利用太赫茲的強穿透性，實現隔墻成像)、軍事偵查、反隱形作戰等。在民用領域的應用主要包括：空間通信、地面高速通信與組網、新一代安檢等。

目前國際上研究太赫茲的主要機構有：日本NTT公司、德國IAF研究所、美國Sandia實驗室、美國JPL實驗室等。國外典型的太赫茲系統主要有日本NTT的0.12 THz和0.3 THz通信系統、德國IAF的0.22 THz 和0.24 THz 通信系統和美國Bell實驗室的0.625 THz 通信系統。

國內從事太赫茲研究的機構有：中國工程物理研究院電子工程研究所、中科院微系統與信息技術研究所、電子科技大學、深圳大學、首都師范大學、北京理工大學、中國兵器工業209 所、中國電科38所。其中代表性成果有中國工程物理研究院電子工程研究所的0.14THz高分辨率逆合成孔徑雷達(ISAR)系統和0.34THz通信系統、中科院微系統與信息技術研究所的4.13THz通信系統、中國兵器工業209所研制的0.89THz激光器用于探測隱身目標等。

太赫茲波的產生一直是該領域研究的熱點和難點，常用產生太赫茲波的方法包括：微波倍頻法和光學變頻法[3-4]。利用微波器件實現倍頻產生太赫茲波的顯著缺點是相位噪聲差，用光學變頻法產生太赫茲波雖然克服了微波變頻相位噪聲差的不足，但使用光學變頻的方法存在頻率穩定性差、相位噪聲受限于外部參考源等不足。

本文介紹了一種采用光生太赫茲波的新方法,在光域內通過激光器、電光調制器、探測器及長光纖構成自激反饋環路，利用調制器以及光纖的低損耗特性，將連續低噪聲光信號變為太赫茲波信號輸出，采用鎖相穩頻負反饋技術使光域內產生的太赫茲波信號具有更好的頻率穩定性，本文的研究旨在為太赫茲波信號的產生提供一種新的設計方法。

二、光電振蕩器的原理介紹及分析

光生太赫茲波的基本原理類似于光電振蕩器，光電振蕩器的基本結構是一個基于光電混合結構的正反饋系統，該光電混合結構由低噪聲的激光器、電光調制器、光纖、光電探測器、帶通濾波器和放大器等構成。光纖產生時間延遲，以獲得產生低噪聲高質量信號所需的品質因數Q，利用調制器以及光纖的低損耗特性，將連續光變為頻譜純凈的穩定的微波信號輸出。光電振蕩器的基本原理如圖1所示。

在圖1中，低噪聲激光器發出的連續光經電光調制器調制后通過長光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光信號轉變為電信號，之后通過濾波器進行選頻、濾波，再通過放大器進行信號放大，放大后的信號反饋給電光調制器，從而形成正反饋回路，形成自激振蕩。振蕩環路中的放大器提供了信號增益，信號經過多次循環放大后,就能建立起穩定的振蕩，其振蕩頻率由激光器、光纖長度及濾波器的通帶特性決定。

光電振蕩器輸出的信號Vout(t)可表示為：

式中，Vph—光電振蕩器的振蕩閾值電壓；

η—調制器的消光比；

VB—電光調制器的偏置電壓；

Vπ—調制器的半波電壓。

由式（1）可知，輸出信號包含很多ω的諧波分量，輸出信號示意圖如圖2所示。

在圖2中不同頻率信號之間的間隔為c/nL（c為光速、n為光纖的折射率、L為光纖長度），對于單光纖環結構的光電振蕩器存在唯一一種模式輸出，且信號頻率間隔由c/nL決定。理論上可以用帶寬足夠窄的濾波器選擇需要的頻率信號，但實際上濾波器的帶寬不可能做到很小，濾波器的帶寬往往是模間距c/nL的很多倍，導致無法選擇單一頻率的輸出信號。

三、光生太赫茲波的方案設計及分析

光電振蕩器不僅能產生低相噪的微波信號，也能產生太赫茲信號，在前期設計研制X波段光電振蕩器的基礎上，完成了光生太赫茲波振蕩器的方案設計。光生太赫茲波振蕩器的設計包括了主動鎖模激光器設計、三光纖環設計和鎖相穩頻設計，本文設計的光生太赫茲波振蕩器的總體方案如圖3所示。

圖3所示的光生太赫茲波振蕩器主要由主動鎖模激光器、三光纖環設計和鎖相穩頻及濾波器、放大器、功分器等組成。

主動鎖模激光器的功能是一方面提供脈沖光信號，另一方面與三光纖環、鎖相穩頻模塊等一起形成正反饋，為電光調制器提供驅動信號；三光纖環設計的意義在于抑制邊模信號，由圖2所示可知，不同長度的光纖決定了輸出信號不同的模間距離，在三光纖環結構中，只有模式相同的信號才能形成自激振蕩。在圖3中L1、L2、L3是3個光纖環的光纖長度，對應的光纖延遲時間分別為τ1、τ2、τ3，光生太赫茲振蕩器產生信號的頻率f0可表示為：

式中m、n、l為正整數。

由式（2）可知，由于光纖環長度不同，引起的振蕩模式不同，每個模式的頻率間隔分別為延遲時間的倒數。在三光纖環結構中，產生信號的振蕩頻率由3個光纖環共同決定，因此，振蕩頻率為3個光纖環頻率間隔的整數倍。當不同光纖環的振蕩頻率正好相等時，振蕩頻率就是輸出信號的頻率。根據光纖的傳輸特性，1km光纖延遲時間τ約為5μs，振蕩頻率間隔Δf=1/τ，即1km光纖產生的頻率間隔約為200kHz。在圖3所示的三光纖環結構中，設計L1、L2、L3的長度分別為4.4km、3km、1.2km，L1、L2、L3對應頻率間隔分別約為 45kHz、66kHz、166kHz。只有同時滿足 45kHz、66kHz、166kHz整數倍的信號才能發生振蕩并最終通過濾波器選頻后輸出需要的頻率信號。鎖相穩頻模塊的功能是跟蹤相位并實現穩頻。

四、設計難點與解決措施

光生太赫茲波振蕩器的設計難點主要包括：低相位噪聲的設計實現和頻率穩定性的控制實現。

1、光生太赫茲波振蕩器相位噪聲簡介

光生太赫茲波振蕩器相位噪聲密度可表示為：

式中，kB— 玻耳茲曼常數；

T— 環境溫度；

NF—放大器的噪聲系數；

e—電子電荷；

Iph—光電探測器的電流；

R—探測器的負載阻抗；

NRIN—激光器的相對強度噪聲。

在式（3）中，4kBTNF是熱噪聲，2eIphR是閃爍噪聲，是激光器相對強度噪聲。由圖3可知，激光器產生的光信號通過探測器轉換為電信號。同樣激光器的相對強度噪聲通過探測器轉換為光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲。

2、降低光生太赫茲波振蕩器相位噪聲的研究

由式（3）分析可知，降低光生太赫茲波相位噪聲可通過選擇相對強度噪聲小的激光器實現，還可通過探測器降低相位噪聲。探測器輸入光功率與探測器輸出射頻信號功率之間的關系如圖4所示。

由圖4可知，當輸入光功率很小時(〈5.6 mW)，圖4所示曲線滿足平方定律。即當輸入光功率增大為原來的2倍時，對應的輸出射頻信號功率增加為原來的4倍。探測器未達到飽和狀態時，隨著輸入光功率的增大，對應輸出射頻信號功率曲線的斜率越來越小，且當輸入光功率為(8～9) mW時，功率曲線的斜率趨近于0，此時探測器達到飽和狀態。超過飽和狀態時，隨著輸入光功率的增加，輸出射頻信號功率并未增加反而不斷降低。

激光器的光功率與光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲關系測試結果如圖5所示。

由圖5可知，當光電探測器處于飽和狀態(10 mW)時，得到了光生太赫茲波振蕩器相位噪聲的最小值。當輸入光功率高于或低于探測器的飽和功率時，光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲會明顯增大。例如，當偏離10mW功率±3mW（7mW或13mW）時，對應的相位噪聲增大了約20dB。

通過上述研究可知，在選定激光器的前提下，通過探測器工作在飽和或臨界飽和狀態可有效降低光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲。

3、光生太赫茲振蕩器頻率穩定性的研究

由前面幾節的分析可知，光生太赫茲波振蕩器輸出信號的頻率間隔為c/nL，c為光速、n為光纖的折射率、L為光纖長度。光纖的折射率和長度均與溫度有關，由于環境溫度的變化，光纖的折射率和機械長度都會發生變化。

光生太赫茲波振蕩器輸出信號頻率隨溫度的漂移特性可表示為

式中，L—光纖長度；

N—光纖折射率。

由式（4）可知，輸出信號頻率的變化與光纖長度的變化和折射率的變化有關。在實際中，溫度的變化引起光纖長度的變化非常小(大約在0.l ppm/℃量級)。而當環境溫度在-60℃～85℃變化時，單模光纖的折射率n與溫度的變化可表示為Δn/ΔT=1.2×10-5/℃，近似為線性變化(約為10 ppm/℃量級 )。

由以上分析可知，光纖長度隨溫度變化比折射率隨溫度變化大約小兩個數量級。因此，式（4）中第一項相對于第二項可以忽略，溫度對光纖折射率的影響成為頻率漂移的主要因素。在這種情況下，光生太赫茲波振蕩器輸出信號頻率變化與溫度變化的關系為可表示為

實現穩定頻率輸出的的有效途徑之一是采取恒溫控制，其次是使用鎖相穩頻技術實現穩頻，光生太赫茲波振蕩器鎖相穩頻原理如圖6所示。

在圖6中，V是功分器輸出的信號，經N分頻器后得到約100MHz的頻率信號，該信號與100MHz固定參考頻率一起送給鑒相器，鑒相器將相位差信號變成電壓誤差信號，電壓誤差信號經有源濾波器和放大器濾波、放大后產生0～12V的控制電壓VT。當外界因素的變化使得輸出頻率變大時，VT變小，控制圖3中的頻率控制器實現輸出頻率的調節，反之亦然，通過這樣的負反饋控制實現輸出信號頻率的穩定。

五、結論與展望

本文介紹了光電振蕩器的基本原理及輸出信號的數學表達式，通過研究表明輸出信號存在多個頻率成分，且不同頻率的間隔與光纖長度和折射率有關。在此基礎上設計了基于主動鎖模激光器、三光纖環和鎖相穩頻結構的光生太赫茲波振蕩器原理，詳細介紹了光生太赫茲波振蕩器的設計原理并分析了影響頻率穩定性和相位噪聲的因素，給出了實現頻率穩定和降低相位噪聲的方法。

通過研究發現，影響光生太赫茲波振蕩器輸出信號頻率穩定的主要因素是溫度的變化，采取恒溫控制是解決頻率漂移的有效途徑，此外通過采用鎖相穩頻技術也可實現穩頻的目的。通過研究還發現光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲主要由激光器的相對強度噪聲決定，通過讓探測器工作在飽和或臨界飽和的狀態可有效降低輸出信號的相位噪聲。

太赫茲波不僅可以應用于軍用領域還可以廣泛應用于民用領域，采用光學的方法產生太赫茲波是該領域的研究熱點，本文介紹的光生太赫茲波原理為后續工程化樣機的設計完善提供了理論依據，本文有關頻率穩定性和相位噪聲的研究成果對同類產品的研發設計具有重要的借鑒意義。