基于光子技術的寬帶射頻信號產生研究

李森

中電科儀器儀表有限公司 山東青島 266555

現代科技的進步與對電磁信號的發展和應用密切相關。麥克斯韋提出了統一的電磁學基礎的同時，也開啟了對電磁信號的應用的大門。電磁信號在能源、通信、生物醫學、制造業、基礎科研方面的廣泛應用深切地影響了社會的形態。尤其在通信領域，電磁信號作為現代通信的重要物質基礎。從第一條跨大西洋的無線通信，到現今方興未艾的萬物互聯，對電磁信號的應用日益深入我們的日常生活。射頻／微波信號的應用使得我們實現高速率的無線通信；激光的發明和使用為低成本、遠距離、高速率的通信，以及基礎物理和工業制造提供了重要的技術；高能的電磁粒子在醫學上的應用讓我們獲得治療癌癥有效手段。近些年，針對太赫茲頻段的電磁信號的研究和應用有望為我們提供更豐富的技術手段[1]。

1 射頻信號的表征及其光子學產生技術

在對射頻進行廣泛的運用過程中，如何評估信號的質量是至關重要的。不同的應用場景對信號的質量有不同要求。在微波爐中，交變的電磁場只是為了使得食物中極性分子的發生高頻振動，其頻譜純度無關緊要。在通信系統中，載波的純度影響著通信的速率，高速的無線通信要求高純度的載波信號。而在雷達系統中，為了獲得追蹤目標的精確的位置信息和速度信息，對射頻信號的頻譜純度要求則更高。相比傳統的基于電子學技術，基于光子學技術不但可以產生微波、毫米波、甚至太赫茲頻段的高頻電磁信號。除了其寬頻帶的特性之外，基于光子學技術產生得到的信號更因其低相噪的特性而廣受關注。光子學技術產生微波信號的方法有很多種，不同的技術方法具有不同的應用場景，得到不同的信號質量。基本上可以下幾種：光學振蕩器、光學技術輔助的射頻振蕩器、光學技術輔助的倍頻分頻外調制技術、以及基于光學非線性的布里淵散射[2]。

2 基于飛秒激光器的低相噪寬帶可調射頻信號源

基于飛秒激光器的光生微波源被證明是目前頻率穩定度最高的微波頻率源，其相對頻率穩定度可達量級。獲得高頻率穩定度的基本思路是將高頻光頻的頻率穩定度傳遞到微波頻段。我們在上一章節中指出，相同的頻率穩定度下，頻率越低，其相位噪聲越低。因而，當光信號的頻率穩定度通過一定的技術手段傳遞到微波時，其相位抖動得到了極大的壓縮。獲得高質量的微波信號的前提是獲得穩定的光頻梳以及在光生微波中引入最小的噪聲。其中光生微波中噪聲主要以AM-PM 稱合噪聲為主，NIST、巴黎天文臺、以及德國電子加速研究中心等提出了有效抑制AM-PM 耦合噪聲的技術手段并實現了超低相位噪聲的微波信號產生。但這些系統往往較為復雜、且造價高昂。而其中引入的鎖相環等鏈路更是限制了系統調諧的帶寬范圍以及其調諧速度。在本章，我們提出一種頻率變換對的技術，以實現對光生微波信號的低相噪提取過程。基于頻率變換對的光生微波信號技術具有高效的AM-PM 抑制、寬帶的調諧性、以及快速的調諧速度等諸多優點[3]。

3 PM耦合噪聲及其抑制技術

強度調制-相位調制（AM-PM）、相位調制-強度調制（PM-AM）之間的相互轉化會發生在任何對相位非線性響應的鏈路或者器件中。典型的包括：激光器的相位噪聲經過長距離的色散光纖傳播之后會轉化為激光器的RIN（AM-PM）；激光器的強度抖動通過飽和PD探測會轉換為射頻信號相位上的抖動（AMPM）；射頻信號的幅度抖動經過射頻放大器放大之后會引入相位調制（AM-PM）這里我們主要討論在對超短光脈沖進行探測過程的AM-PM 轉化的問題。

在理想條件下，PD 對光信號的探測過程是平方探測，在光的振蕩轉換為電信號的振蕩時，其PD 產生的電流信號的大小正比于瞬時入射光信號的功率。在通常情況下，該過程只考慮到的噪聲包括探測器的熱噪聲、散彈噪聲、以及光源的RIN。一般上認為熱噪聲與散彈噪聲都是白噪聲，即在頻域均勻分布時，其引起的幅度噪聲和相位噪聲均等。熱噪聲的大小與器件的工作溫度相關而與入射的功率無關，在室溫條件下，通常可以忽略。散彈噪聲與入射光功率線性相關，在一般的探測過程中，由于信號的功率與光功率是平方相關的，因此提高光功率有利于相對壓縮散彈噪聲，在超短脈沖的探測過程，散彈噪聲更是被證明是極小的，甚至比室溫下的熱噪聲還小。光源的RIN 與入射光功率也是平方的關系，但這部分噪聲通常只是引起信號幅度上的波動，而對信號的相位沒有影響。因此，在理想條件下的PD 探測過程可以簡單地認為是光的下變頻過程，光脈沖的功率包括在電域上能夠得到完全的再現。

4 結語

在基于飛秒激光器的光生微波方面，頻率變換對的提取方案在帶寬、調諧速度以及成本方面雖具有明顯的優勢，但是其產生的信號仍為CW、單頻微波信號。飛秒激光器具有極為豐富的頻譜資源，如何更有效地利用這些頻譜資源仍是光生射頻信號技術的研究重點。基于STM、FTM 等技術手段在一定程度上整合并利用了這些頻譜資源，但是其技術手段仍顯得簡單，其重構性也遠不足滿足目前電子系統的需求。未來的研究方向應在如何對飛秒頻梳中頻譜資源的精準操控以實現任意形式的信號產生。