微波光子信號的產(chǎn)生解析

伴隨微波射頻通信技術(shù)的發(fā)展與光通信技術(shù)的日益成熟，兩者間的相互滲透成為一種需要并逐步成為可能。在現(xiàn)有器件條件下，在100GHz帶寬范圍內(nèi)，電、光模擬信號可以很方便的自由轉(zhuǎn)換，在光域?qū)δM信號進行選頻濾波，放大也可以方便地實現(xiàn)，這就為微波光子（Microwave Photonics）技術(shù)出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。微波光子技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在微波信號產(chǎn)生、用于雙向無線通信、射頻廣播、雷達系統(tǒng)等的微波光纖傳輸以及微波信號處理等方面。這些應(yīng)用的主要思想是把微波射頻信號調(diào)制在光載波上并通過光纖網(wǎng)絡(luò)進行傳輸分配，這樣做的優(yōu)點在于可以利用光纖重量輕、低損耗、廉價、抗電磁干擾等特點構(gòu)建一個高性能，低成本，易于安裝維護的光子微波系統(tǒng)［1］。

對于微波通信和光子微波技術(shù)來說，優(yōu)質(zhì)的微波信號源是一切微波領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)的電微波信號產(chǎn)生方式有很多不足與局限。比如，在上世紀60年代以前曾經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波振蕩器幾乎都是由微波電真空器件如反射速調(diào)管、磁控管、行波管等構(gòu)成。這類器件一般都存在工作電壓高、供電種類繁多、功耗大、結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大等缺點，特別是其頻譜純度低、相位噪聲大、頻率穩(wěn)定度差，已不適應(yīng)電子技術(shù)的發(fā)展。50年代末期出現(xiàn)了晶體振蕩器為主振、變?nèi)莨鼙额l的微波倍頻源，如石英晶體振蕩器。但石英晶振只在低頻時才具有少數(shù)幾個高Q值共振模式，這就使它不能直接產(chǎn)生高頻信號。加上倍頻效率的限制，不易在較高頻率下獲得大的輸出功率。這些都制約了它在頻率可調(diào)的振蕩器中的應(yīng)用。在光子領(lǐng)域，由于激光器性能的提高和各種光子器件工藝的改善，在光域產(chǎn)生高品質(zhì)的微波信號，特別是在高頻段（微波/毫米波段）信號的產(chǎn)生方面顯示出明顯的優(yōu)勢。為此，總結(jié)現(xiàn)有的微波光子信號產(chǎn)生方法，發(fā)展更有效的光微波技術(shù)是一項有意義的工作。

1、微波光子信號的產(chǎn)生

1.1、電光調(diào)制法

最直接得到光微波信號的方法是利用電微波信號驅(qū)動電光調(diào)制器，在光載波兩側(cè)產(chǎn)生上、下兩個邊帶，形成光微波信號?？捎玫碾姽庹{(diào)制器類型主要有馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）和電吸收調(diào)制器（EAM）。在工作帶寬方面，已報道的EAM具有95GHz的工作帶寬，并仍有提高的潛力。在調(diào)制的靈活性上，MZM可以通過改變偏壓和調(diào)制信號電壓得到載波抑制或高次諧波（倍頻）信號輸出。如果MZM偏置在最小傳輸點，驅(qū)動正弦信號頻率為f/2，可以得到頻率為f的載波抑制輸出。另一種選擇是采用f/4的驅(qū)動信號，偏置在最大傳輸點并仔細調(diào)節(jié)驅(qū)動信號幅度，可以得到抑制一階邊帶的信號輸出［2］。這些被調(diào)制信號的邊帶在光電探測器（PD）上發(fā)生拍頻，產(chǎn)生所需要的微波/毫米波頻段的信號。調(diào)制法的信號產(chǎn)生、傳輸和檢測原理框圖如圖1所示。

圖1　調(diào)制法的信號產(chǎn)生、傳輸和檢測原理框圖

調(diào)制法最明顯的優(yōu)勢是可以直接得到光微波信號，但是驅(qū)動信號的質(zhì)量會直接影響所得到的光微波信號質(zhì)量。

1.2、外差法

外差法是使用兩個具有固定頻差的激光器混頻后，通過PD檢測，產(chǎn)生頻率為激光頻差微波信號的一類方法，如圖2所示。

圖2　外差法產(chǎn)生微波/毫米波信號原理示意圖

應(yīng)該說在1.1中所介紹的直接調(diào)制法調(diào)制所得的光微波信號在檢測時所產(chǎn)生的電微波信號也是利用了這個原理，不過這種情況中所用于拍出信號的各邊帶來源于同一光源，相互間具有特定的相位關(guān)系。外差法的優(yōu)勢在于，兩路激光在光纖中傳輸時不會受到光纖色散的影響，所拍出信號的功率不會隨傳輸距離而變化。另外一個好處是所產(chǎn)生信號的頻率連續(xù)可調(diào)，并且可以獲得很高的頻率，探測器帶寬是對所生成電信號頻率的唯一限制。目前所報道的光探測的帶寬已經(jīng)可以達到300GHz以上［3］。

考慮到激光器的自身制作工藝和外界溫度影響等因素，激光器的輸出一般都具有一定的線寬和波長波動，這會使產(chǎn)生的信號具有比較大的相位噪聲和頻率不穩(wěn)定性。通常需要采用一些鎖相措施，如光相位鎖相環(huán)（Optical Phase-Locked Loop，OPLL）［3］和光注入相位鎖相環(huán)（Optical Injection Phase-Lock Loop，OIPLL）［4］等技術(shù)加以控制。

除了使用兩個獨立的激光器進行外差，雙波長激光器也是一種選擇。已有報道的一種雙模DFB激光器輸出光頻差為60GHz可用于產(chǎn)生微波信號［5］，而另一種雙區(qū)增益耦合的可調(diào)諧DFB激光器（two section gain coupled DFB-laser）可以實現(xiàn)20-64GHz的信號產(chǎn)生［6］。此外基于光纖結(jié)構(gòu)的雙波長激光器也有報道。一種基于光纖的DFB激光器利用刻有光纖布拉格光柵（FBG）的摻鉺-鐿光纖形成分布反饋區(qū)，可以在1-3GHz的范圍內(nèi)產(chǎn)生微波信號，調(diào)諧性由溫度變化實現(xiàn)［7］。另一類可調(diào)諧雙波長光纖激光器利用環(huán)內(nèi)兩個偏振態(tài)實現(xiàn)，可在100kHz-14GHz實現(xiàn)可調(diào)諧微波產(chǎn)生［8］。

1.3、諧波頻率產(chǎn)生

外差法的主要缺陷在于需要進行差拍的兩路不同頻率的光保持穩(wěn)定的相位關(guān)系以確保獲得比較小的相位噪聲，而如果能從一個光源出發(fā)通過各種非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波分量，就可以得到具有相對穩(wěn)定相位關(guān)系的若干光頻率，只要能從其中選取兩個進行拍頻，則可以解決這個問題。在前面提到的調(diào)制非線性就是一個例子。此外，借助超連續(xù)譜、光脈沖的寬譜或光纖中的傳輸非線性，也是可行的方案，其基本思路如圖3所示。

圖3　諧波頻率產(chǎn)生方法

對于信號是光脈沖的情況，Dalma Novak曾經(jīng)給出過實驗演示［9］。一個半導體鎖模激光器產(chǎn)生重復頻率為2.5GHz的光脈沖，通過一個自由光譜區(qū)（FSR）為37.1GHz的法布里-珀羅（F-P）濾波器濾出其兩個高階邊帶后再在PD上產(chǎn)生拍頻產(chǎn)生37.1GHz的信號。

利用光纖中的非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波的方案也有報道。一個由頻率為f=6.67GHz的正弦信號驅(qū)動的載波抑制調(diào)制信號被放大后注入高非線性光纖（HNLF）產(chǎn)生四波混頻（FWM）效應(yīng)，出現(xiàn)高階閑頻光，利用FBG濾出其中兩個在PD上拍出了頻率為40GHz（6f）的微波信號［10］。

1.4、光電振蕩器

光電振蕩器（OEO）作為一種新型的微波信號發(fā)生器能產(chǎn)生頻率從幾個到上百GHz、Q值高達1010、低相位噪聲（工作頻率為10GHz時，低于-140dBc/Hz@10kHz）的高品質(zhì)信號并具有可調(diào)諧性和光、電兩種輸出，是一種非常理想的信號發(fā)生裝置，如圖4所示。光電振蕩器（OEO）一般是由光源，強度調(diào)制器，濾波器，光電探測器構(gòu)成的一個正反饋環(huán)路，它利用調(diào)制器以及光纖低損耗的特性將連續(xù)光變?yōu)榉€(wěn)定的、頻譜干凈的射頻/微波信號。激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)電光調(diào)制器后通過光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筮M入后續(xù)的選頻、放大和反饋調(diào)制器件。在此過程中有源器件會產(chǎn)生包含各種不同頻率的噪聲擾動，這些擾動通過輸出端由濾波器濾出希望起振的頻率，并用來反饋控制電光調(diào)制器。環(huán)路中的放大器提供了增益，信號經(jīng)過多次循環(huán)后，就能建立起穩(wěn)定的振蕩。其振蕩頻率主要由濾波器的通帶特性決定［11］。

在表1中給出了已報道的各種利用光子技術(shù)所產(chǎn)生的微波/毫米波信號的基本性能，結(jié)合前面介紹的技術(shù)方案可以看出，各種方法各有利弊，但從生成信號的相位噪聲角度來看，光電振蕩器具有非常優(yōu)越的噪聲性能。

2、總結(jié)

微波通信與光纖通信相結(jié)合出現(xiàn)的微波光子技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景。從微波光子技術(shù)的各種應(yīng)用上看，利用光學方法產(chǎn)生微波信號是其一大特色。設(shè)計出簡單，低成本，高品質(zhì)的光子微波信號產(chǎn)生方案不僅對于生產(chǎn)生活有著重要的意義，在國防科技上也有不可估量的作用。通過對已有的微波光子信號產(chǎn)生方案進行總結(jié)可以相信，隨著光子技術(shù)與器件的發(fā)展，光微波技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。