曾永福，范 浩

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，航天系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)以及遙感遙測系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄔ吹男盘栙|(zhì)量提出了更高的要求。在這些系統(tǒng)的電子設(shè)備中，微波信號源作為關(guān)鍵器件，對實現(xiàn)設(shè)備功能有著舉足輕重的作用。系統(tǒng)對微波源的指標要求主要包括無雜散動態(tài)范圍、相位噪聲以及頻率穩(wěn)定性等參數(shù)。傳統(tǒng)的電子微波振蕩器面對現(xiàn)代通信系統(tǒng)指標需求的提高，已經(jīng)難以滿足。在20 世紀60 年代以前，微波振蕩器幾乎全是由固體器件或者電真空微波器件制成，信號頻率穩(wěn)定性差，相位噪聲差。之后由于晶體振蕩器的發(fā)明帶來了相關(guān)技術(shù)的快速進步，但是仍然不能產(chǎn)生頻譜純度高且功率大的高頻振蕩信號。

20 世紀70 年代，光通信技術(shù)的發(fā)展日益成熟，低損耗光纖和可常溫工作的半導(dǎo)體激光器被成功研發(fā)，將現(xiàn)代通信技術(shù)擴展到了光領(lǐng)域，也推動了光通信技術(shù)與微波通信技術(shù)的融合發(fā)展，為微波振蕩源的研究提供了新的方向。由于光通信相比于傳統(tǒng)微波通信在傳輸速率、信號帶寬、傳輸距離以及抗電磁干擾等方面優(yōu)勢明顯，因此采用光學(xué)的輔助手法，用光纖、光器件和微波器件制造基于光電的微波振蕩器成為近年來的研究熱點。

2 光電振蕩器基本組成和原理

光電振蕩器（Opto-Electronic Oscillator，OEO）主要由一部分光學(xué)元件和一部分微波元件組成。其中：光學(xué)元件主要有激光源、光電調(diào)制器、光纖和光電探測器等；微波元件主要有電濾波器、電功分器和微波放大器等。圖1 是一個基本的光電振蕩器組成示意圖，是一個最基礎(chǔ)的光-電-光正反饋環(huán)路振蕩器（本文中所有框圖中實線代表光信號，虛線代表電信號）。

圖1 光電振蕩器基本組成

光電振蕩器與其他振蕩器的原理相似，不同的地方在于OEO 系統(tǒng)的諧振腔是由長光纖組成的儲能環(huán)路構(gòu)成，諧振腔的振蕩頻率由環(huán)路中的選頻器件來選擇，選頻器件通常為電濾波器。OEO 系統(tǒng)的基本工作原理為：先由激光源產(chǎn)生連續(xù)光波信號，該光信號由調(diào)制器進行調(diào)制后進入一段長距離的光纖中傳輸?shù)焦怆娞綔y器，光電探測器拍頻檢波輸出的電信號經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外雜散頻率后，通過微波放大器實現(xiàn)功率放大，最終通過功分器分出1路信號回到調(diào)制器形成環(huán)路。OEO 是一個正反饋形式的環(huán)路，它的振蕩信號是從環(huán)路的系統(tǒng)隨機噪聲中選擇出來的。當(dāng)環(huán)路在選擇的頻點處的增益大于起振閾值條件時，該頻點的噪聲信號將被循環(huán)放大，并最后實現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。其余頻段的噪聲信號由于濾波器的濾波作用，環(huán)路增益小于閾值，所以最終不會被放大。因為光纖傳輸損耗很小，在1 550 nm波段小于0.3 dB/km，所以O(shè)EO 中可使用長距離光纖構(gòu)成環(huán)路，以獲得較好的儲能時長，使得整個諧振腔的Q值得以提高而不會造成系統(tǒng)插損過大，進而不會引起起振。

OEO 的基本運算模型如圖2 所示。當(dāng)環(huán)路增益≥1 時，在任何頻率滿足（N為整數(shù)）處都會產(chǎn)生起振模式。其中τd為環(huán)路儲能延時，為起振模式的間隔。OEO 的系統(tǒng)Q值和模式間隔由τd決定。τd越大，Q值越大，模式間隔越小，濾波器的選頻難度越大，邊模噪聲越大。

圖2 振蕩器模型

3 改進型雙環(huán)光電振蕩器介紹

為了保持OEO 高Q 值的同時盡可能抑制邊模噪聲，2000 年姚曉天等在經(jīng)典OEO 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種雙環(huán)路結(jié)構(gòu)的OEO，如圖3 所示。

圖3 雙環(huán)路OEO 結(jié)構(gòu)

該雙環(huán)OEO 中，兩根光纖中一根為長光纖，一根為短光纖，形成兩個長度不同的諧振腔。系統(tǒng)中共用1個激光器、1個信號調(diào)制器和1條微波鏈路，但是使用2 條光鏈路和2 個探測器。調(diào)制后的光信號通過光分路器件分為兩路，分別進入兩個光纖環(huán)內(nèi)進行傳輸，再由探測器生產(chǎn)電信號后進行合路。由于雙環(huán)路的起振模式不同，因此只能當(dāng)某個模式既滿足長環(huán)起振條件又滿足短環(huán)起振條件時，整個系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)起振，而其余模式則會被抑制消除，從而達到降低OEO 輸出信號邊模噪聲的目的[1]。雙環(huán)OEO 的選模原理如圖4 所示。

圖4 雙環(huán)路OEO 起振模式選擇

同樣的，根據(jù)雙環(huán)的思路還可以進一步增加多條不同長度的光纖環(huán)形成更多諧振腔的選頻系統(tǒng)，理論上可以進一步提高邊模抑制能力，但是這將會大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。所以，雙環(huán)的基本構(gòu)型一直是OEO 研究的重點。經(jīng)過多年的發(fā)展，各類基于雙環(huán)OEO 的改進方案不斷被提出。

2005 年，Zhou 等人提出了主從式注入鎖定OEO 方案[2]，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該系統(tǒng)使用2套OEO，將長環(huán)OEO 的輸出信號注入到短環(huán)OEO中鎖定，既保持長環(huán)OEO 的高Q 值和低相噪優(yōu)點，又兼具短環(huán)OEO 的邊模噪聲抑制性能。2011 年，Okusaga 等人在主從OEO 方案基礎(chǔ)上進行改進，將單向注入改為主OEO 與從OEO 間進行雙向注入鎖定，實現(xiàn)了低的相位噪聲和高的邊模抑制比。在不增加1 kHz 范圍內(nèi)相位噪聲的情況下，它實現(xiàn)了10 GHz 振蕩信號的60 dB 最鄰近模式邊模抑制比指標[3]。但是，雙環(huán)注入方案的不足在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度控制難度大且成本較高。

圖5 主從式注入OEO 結(jié)構(gòu)

2007 年，天津大學(xué)的江陽等在《光學(xué)學(xué)報》發(fā)表文章，提出了一種基于光信號的偏振復(fù)用的雙環(huán)OEO 結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。這種雙環(huán)OEO 沒有增加其他有源器件，只是采用對偏振光進行分束和合束的方法實現(xiàn)光信號的偏振復(fù)用。由于采用了偏振復(fù)用的思路，兩路光載波分別是兩個不同的偏振態(tài)，在光域上正好正交，可以消除隨機干涉和拍噪聲的影響。經(jīng)過實驗對比，采用這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的光電振蕩器可以把邊模抑制比提高30 dB 以上[4]。

圖6 基于光偏振復(fù)用的雙環(huán)OEO 結(jié)構(gòu)

2007 年，韓國延世大學(xué)的Lee K H 等人提出了光電混合環(huán)路構(gòu)造的雙環(huán)光電振蕩器。這個方案使用了高Q 值的電環(huán)路來產(chǎn)生單模振蕩。實驗結(jié)果表明，該光電振蕩器在30 GHz 處實現(xiàn)了邊模抑制比大于50 dB，單邊帶在10 kHz 頻偏處的相位噪聲低于-100 dBc/Hz[1]。2008 年，以色列理工學(xué)院的Shumakher E 等人提出了基于波分復(fù)用的多環(huán)路光電振蕩器，可以產(chǎn)生頻率為10.2 GHz 的振蕩信號，在10 kHz 頻偏處的相噪為-108 dBc/Hz，邊模抑制比達到約80 dB[5]。

4 其他研究進展

近年來，基于光纖環(huán)路的光電振蕩器依然在朝著降低相位噪聲、提高頻率穩(wěn)定性等方面開展研究工作，包括基于相位調(diào)制的可調(diào)光濾波器、波分復(fù)用以及受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）等，下面將分別介紹這些工作。

2013 年，北京大學(xué)的Xie X 等人提出了一種基于寬帶相位調(diào)制器和可調(diào)光濾波器的OEO 結(jié)構(gòu)，可對信號頻率進行調(diào)諧[6]，如圖7 所示。頻率調(diào)諧方法是通過調(diào)節(jié)光子帶通濾波器改變其選頻特性，從而實現(xiàn)起振模式的改變。該OEO 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高質(zhì)量的微波振蕩信號的產(chǎn)生，輸出頻率可調(diào)范圍從幾個GHz 可以到幾十個GHz。

2015 年，天津大學(xué)的賈石等人提出了一種基于波分復(fù)用，采用了不同波長的新穎的雙環(huán)光電振蕩器[7]，如圖8 所示。由兩個激光源分別產(chǎn)生兩束不同波長且輸出功率大致相等的連續(xù)光信號，經(jīng)過波分復(fù)用器的合波和分波后，兩路光分別進入光纖1和光纖2 進行傳輸。由于采用了不同波長的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的微波振蕩源信號幾乎沒有拍頻噪聲。鎖相環(huán)模塊輸出的反饋信號會帶來光纖拉伸器里光纖長度的微小改變，從而抵消OEO 腔長的變化，使起振頻率穩(wěn)定，不受腔長漂移影響。

圖7 基于可調(diào)光濾波器的OEO 結(jié)構(gòu)

圖8 波分復(fù)用雙環(huán)路結(jié)構(gòu)OEO 實驗裝置

2015 年，北京大學(xué)的Peng H 等人利用雙環(huán)路和雙激光器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了光電振蕩器頻率的可調(diào)性[8]。其中，一個激光源作為信號光，另一個激光源作為泵浦光。通過直接調(diào)節(jié)泵浦光的波長，實現(xiàn)了微波振蕩信號在極寬頻率范圍內(nèi)的可調(diào)諧。通過雙環(huán)路方式，提升了微波振蕩信號的功率和頻率的穩(wěn)定性。2017 年，他們又利用相位調(diào)制和SBS 實現(xiàn)了一個可調(diào)的單通帶的微波光子濾波器（Microwave Photonic Filter，MPF），并實現(xiàn)了光電振蕩器的頻率可調(diào)性[9]。該方案實現(xiàn)了7～40 GHz 范圍內(nèi)的微波信號頻率可調(diào)諧。

2017 年，大連理工大學(xué)的Han X Y 等人提出了同時基于偏振復(fù)用和SBS 的雙環(huán)路光電振蕩器[10]。該OEO 的輸出頻率可通過改變泵浦光或信號光的波長來調(diào)節(jié)。SBS 有兩個功能：一是將相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制信號；二是選擇OEO的起振模式。偏振復(fù)用的雙環(huán)路則是用來抑制邊模的游標效應(yīng)。

2019 年，大連理工大學(xué)的范峰等人提出了一種基于SBS 和耦合型雙環(huán)的可調(diào)諧光電振蕩器[11]，方案如圖9 所示。信號激光器和泵浦激光器采用不同的波長，其頻率的差值能夠在受激布里淵頻移處產(chǎn)生頻帶極窄的增益譜，可以實現(xiàn)調(diào)制信號的放大。該方案產(chǎn)生的微波振蕩信號可以實現(xiàn)2～18 GHz范圍內(nèi)頻率可調(diào)諧。

圖9 基于SBS 和耦合型雙環(huán)的OEO 結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

在OEO 的早期研究中，研究人員一般采用電域的帶通濾波器作為振蕩模式選擇器，以產(chǎn)生微波振蕩信號，但是電域帶通濾波器的中心頻率一般是固定的，使得光電振蕩器的可調(diào)諧性受到了極大限制。為了實現(xiàn)振蕩頻率的自由調(diào)諧，研究人員陸續(xù)提出了許多新方案，大部分是用光域帶通濾波器替代電域帶通濾波器，包括添加注入鎖定FP 激光器改變腔長度[12]、利用偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài)[13]以及直接利用可調(diào)諧光濾波器[14]等。這些方案可不同程度實現(xiàn)光電振蕩器的頻率可調(diào)諧。

近年來，基于光纖環(huán)路的OEO 研究朝著提高頻率穩(wěn)定性和降低相位噪聲方向開展了大量工作，且已取得一定進步。目前，比較集中的研究方向包括受激布里淵散射、偏振復(fù)用、波分復(fù)用、相位調(diào)制和可調(diào)光濾波器等方面?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，基于光纖環(huán)的光電振蕩器依然是研究熱點，并有望在商業(yè)實用化方面取得更大的進展。