高频微波信号的产生

微波光电子学，顾名思义，是微波和光电子的交叉学科。微波和光波都是电磁波，所处频率相差很多个数量级，在各自的领域所发展出来的元器件和技术很不相同。结合起来，互取所长，却能得到各自所难实现的新的应用和特点[1,2,3]。
光通信就是一个微波和光电子结合的最好的例子。早期电话电报无线通讯，信号的产生，传播和接收，都是使用的微波器件。一开始使用低频电磁波，因为频率范围小，传输的信道容量少。解决的办法是增加传输信号的频率，频率越高，频谱资源就多。但高频信号在空中传播损耗大，也容易被障碍物遮挡。如果用有线传播，电缆的损耗大，远距离传输是个问题。光纤通讯的出现很好的解决了这些问题。光纤的传输损耗极低，是远距离传送信号的极佳载体。光波的频率范围远超过微波，可以同时传送很多个不同的信道。正因为光传输的这些优越性，光纤通讯已经成为当今信息传播的骨干。

夏房釜

2019-7-29 14:11:10

光通讯历史悠久，研究和应用都很广泛和成熟，这里我就不多说了。这里我主要想介绍近些年在光通信以外的其他新兴的微波光电子学的研究内容。微波光电子学，主要还是以光电子领域的方法和技术为载体，来提高和实现传统的微波电子元器件所难达到的性能和应用。从应用的角度主要包括以下三个方面。
其一，应用光电子技术产生高性能低噪声的微波信号，包括从X波段一直到THz波段。
其二，微波信号的处理。包括延时，滤波，频率转换，接收等。
其三，模拟信号的传输。
本篇文章笔者只介绍第一部分，微波信号的产生。传统的微波毫米波主要是由iii_V族微电子元器件产生[4]。其局限性有以下几点：第一，到高频例如100GHz以上，传统的微电子元件可产生的功率越来越小，到更高频的THz信号，他们就无能为力了。第二，为了降低相位噪声和提高频率稳定性，需要将原器件置于极低温环境。第三，难以实现大范围内的调频变频。针对这些问题，光电子技术正好可以大显身手。下面介绍主要的一些方法。

张晓宁

2019-7-29 14:11:29

1. 通过两个不同频率激光信号的差频，使用高频的光电探测器转换产生微波信号[5, 6]，如图1所示。

图1. 两个激光差频产生微波示意图。
此方法的优点是结构简单,可以产生极高频毫米波乃至THz频率的信号,而且通过调节激光器的频率可以进行较大范围的快速的变频,扫频。缺点是，两个不相干的激光信号所产生的差频信号的线宽或者说位相噪声比较大，频率稳定性不高，特别是如果使用体积小，但是线宽(~MHz)大的半导体激光器。如果对于系统重量体积要求不高的话，可以使用噪声较低(~kHz)的固体激光器，光纤激光器[7,8],外腔半导体激光器[9]等。此外，还可以利用产生于同一个激光腔的两个不同模式的激光信号来产生差频，这样产生的微波频率稳定性能有较大的提高[10-12]。
2. 为了解决上一方法中两激光不相干，所产生信号位相噪声过大的问题，可以使用注入式锁频锁相的方法，或者是负反馈锁相电路获得两激光器之间的相干性[13]。图2是一个典型应用注入式锁频产生微波多倍频的方法（图2）。通过对半导体激光器直接注入高频电流信号，或者是应用LiNbO3位相调制器，可以产生频率等间距的多个不同频率的光信号，或称光频梳。当然现在常用的获得宽谱光频梳的方法是采用锁模激光器[14]。将产生的光频梳其中任意两个梳齿信号通过滤波选择出来，分别注入到激光1和2从而分别实现锁频锁相。因为光频梳不同的梳齿信号之间的位相是相对稳定的，这样两激光器之间就获得了稳定的相对位相，再通过如前所述差频的方法便可以得到光频梳重复频率的多倍频微波信号了。

图2. 注入式锁频产生微波倍频信号示意图。
另一个减小两激光相对相位噪声的方法是使用负反馈光锁相环，如图3。

图3. 光锁相环示意图。
光锁相环原理类似于电子领域的锁相环[15,16,17]。两个激光器的频率位相差由光电检测器(相当于位相检测器)转换为电信号，再与参考微波信号源做差频得到两激光之间的位相差，经过放大和滤波处理再反馈回其中一个激光的频率控制单元（对于半导体激光器而言就是注入电流）。通过这样一个负反馈的控制回路，两激光信号之间的相对频率位相与参考微波信号锁定。合并的光信号又可以通过光纤传送到别处的光电检测器再转化为微波信号。这样所产生的微波信号的位相噪声在锁相负反馈回路的带宽内和参考信号的位相噪声几乎相同。在带宽之外位相噪声则等于原来两不相干的激光器的相对位相噪声。
另外，参考微波信号源也可以是别的信号源通过倍频，除数频，或别的频率处理转化而来，从而可以将较低频率的微波信号进行多倍频，或者是转换为高频的射频，THz信号等。
相对于注入式锁频只能获得倍频而言，锁相环更加灵活，可以产生几乎任意的频率，当然也更加复杂一些。例如以图2中的经过光电调制器位相调制的，或者脉冲激光产生的光频梳作为光源，利用光锁相环将两个激光器有选择性的锁频到其中两条光梳齿信号，再通过差频产生高频信号，如图4。f1和f2分别是两个锁相环的参考信号频率,通过两激光之间的差频便可以以产生N*frep+f1+f2的微波信号。

图4. 利用光频梳和光锁相环产生任意频率示意图。

刘涛

2019-7-29 14:11:38

3. 使用锁模脉冲激光器，通过光电探测器把光脉冲信号转化为微波信号[18-20]。
此方法的主要优点是可以获得频率稳定性非常好，位相噪声极低的信号。通过将激光的频率锁频到非常稳定的原子分子跃迁光谱，或者是是极其稳定的光腔，以及利用自倍频消除系统频移等等技术，可以获得重复频率非常稳的光脉冲信号，从而获得位相噪声超低的微波信号[21-23]。如图5.

图5. 不同信号源相对位相噪声比较。摘自参考文献[21]
但是因为脉冲的重复频率是跟激光器的腔长成反比的，而传统的锁模激光器体积较大，因此难以直接获得高频的微波信号。另外传统的脉冲激光体积，重量和能耗，以及对于环境的苛刻要求都限制了它们主要是在实验室应用。为了克服这些困难，最进美国和德国兴起研究利用非线性效应在很小的高品质的啾啁模光腔内产生频率稳定的光频梳，进而产生高频的低噪声微波信号[24-29]。
4. 光电耦合振荡器(opto electronic oscillator) [30-33]，如图6。

图6. 光电耦合振荡器示意图
传统的产生微波或者激光的方法之一是使用一个自反馈的闭环回路，只要闭环中的增益大于损耗，自激振荡就能产生微波或者激光。该闭环的品质因素Q越高，产生的信号位相或者频率噪声越小。为了增加回路的品质因素，直接的办法是增加回路长度并且尽量降低传播损耗。但是较长的回路通常能够会支持产生多个振荡模式，如果加入一个窄带宽的滤波器，就可以获得单频低噪声的微波振荡信号。光电耦合振荡器就是一种基于此想法产生的微波信号源，它充分利用了光纤的低传播损耗的特性，使用较长的光纤提高回路的Q值，可以产生位相噪声极低的微波信号。自从九十年代该方法提出，该类型的振荡器获得了广泛的研究和长足的发展,目前已有商业化的光电耦合振荡器[34]。最近更有发展出频率可大范围调节的光电振荡器[35, 36]。基于这种架构的微波信号源主要的问题是回路较长，在其自由普(FSR)及其倍频频率噪声会显著增高。另外所用的光电元件较多，成本高，体积难以缩小，而且较长的光纤对于环境的扰动较敏感。
以上初略介绍了几种光电子产生微波信号的方法，以及各自的优缺点。最后提一句，利用光电子产生微波还有另外一个好处是，可以将光信号通过光纤以极低的损耗以分布式的，远距离的传播到各个使用终端再转换为微波信号，而且抗电磁干扰的能力比传统电子元件有显著提高。

3. 使用锁模脉冲激光器，通过光电探测器把光脉冲信号转化为微波信号[18-20]。
此方法的主要优点是可以获得频率稳定性非常好，位相噪声极低的信号。通过将激光的频率锁频到非常稳定的原子分子跃迁光谱，或者是是极其稳定的光腔，以及利用自倍频消除系统频移等等技术，可以获得重复频率非常稳的光脉冲信号，从而获得位相噪声超低的微波信号[21-23]。如图5.

图5. 不同信号源相对位相噪声比较。摘自参考文献[21]
但是因为脉冲的重复频率是跟激光器的腔长成反比的，而传统的锁模激光器体积较大，因此难以直接获得高频的微波信号。另外传统的脉冲激光体积，重量和能耗，以及对于环境的苛刻要求都限制了它们主要是在实验室应用。为了克服这些困难，最进美国和德国兴起研究利用非线性效应在很小的高品质的啾啁模光腔内产生频率稳定的光频梳，进而产生高频的低噪声微波信号[24-29]。
4. 光电耦合振荡器(opto electronic oscillator) [30-33]，如图6。

图6. 光电耦合振荡器示意图
传统的产生微波或者激光的方法之一是使用一个自反馈的闭环回路，只要闭环中的增益大于损耗，自激振荡就能产生微波或者激光。该闭环的品质因素Q越高，产生的信号位相或者频率噪声越小。为了增加回路的品质因素，直接的办法是增加回路长度并且尽量降低传播损耗。但是较长的回路通常能够会支持产生多个振荡模式，如果加入一个窄带宽的滤波器，就可以获得单频低噪声的微波振荡信号。光电耦合振荡器就是一种基于此想法产生的微波信号源，它充分利用了光纤的低传播损耗的特性，使用较长的光纤提高回路的Q值，可以产生位相噪声极低的微波信号。自从九十年代该方法提出，该类型的振荡器获得了广泛的研究和长足的发展,目前已有商业化的光电耦合振荡器[34]。最近更有发展出频率可大范围调节的光电振荡器[35, 36]。基于这种架构的微波信号源主要的问题是回路较长，在其自由普(FSR)及其倍频频率噪声会显著增高。另外所用的光电元件较多，成本高，体积难以缩小，而且较长的光纤对于环境的扰动较敏感。
以上初略介绍了几种光电子产生微波信号的方法，以及各自的优缺点。最后提一句，利用光电子产生微波还有另外一个好处是，可以将光信号通过光纤以极低的损耗以分布式的，远距离的传播到各个使用终端再转换为微波信号，而且抗电磁干扰的能力比传统电子元件有显著提高。

刘丽丽

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夏房釜

张晓宁

刘涛

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