工程師2 發表於 2018-05-07 15:20:00
伴隨微波射頻通信技術的發展與光通信技術的日益成熟，兩者間的相互滲透成為一種需要並逐步成為可能。在現有器件條件下，在100GHz帶寬範圍內，電、光模擬信號可以很方便的自由轉換，在光域對模擬信號進行選頻濾波，放大也可以方便地實現，這就為微波光子（Microwave Photonics）技術出現提供了基礎。微波光子技術的應用主要體現在微波信號產生、用於雙向無線通信、射頻廣播、雷達系統等的微波光纖傳輸以及微波信號處理等方面。這些應用的主要思想是把微波射頻信號調製在光載波上並通過光纖網絡進行傳輸分配，這樣做的優點在於可以利用光纖重量輕、低損耗、廉價、抗電磁幹擾等特點構建一個高性能，低成本，易於安裝維護的光子微波系統［1］。
對於微波通信和光子微波技術來說，優質的微波信號源是一切微波領域應用的基礎，而傳統的電微波信號產生方式有很多不足與局限。比如，在上世紀60年代以前曾經廣泛應用的微波振蕩器幾乎都是由微波電真空器件如反射速調管、磁控管、行波管等構成。這類器件一般都存在工作電壓高、供電種類繁多、功耗大、結構複雜、體積龐大等缺點，特別是其頻譜純度低、相位噪聲大、頻率穩定度差，已不適應電子技術的發展。50年代末期出現了晶體振蕩器為主振、變容管倍頻的微波倍頻源，如石英晶體振蕩器。但石英晶振只在低頻時才具有少數幾個高Q值共振模式，這就使它不能直接產生高頻信號。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的振蕩器中的應用。在光子領域，由於雷射器性能的提高和各種光子器件工藝的改善，在光域產生高品質的微波信號，特別是在高頻段（微波/毫米波段）信號的產生方面顯示出明顯的優勢。為此，總結現有的微波光子信號產生方法，發展更有效的光微波技術是一項有意義的工作。
1.1、電光調製法
最直接得到光微波信號的方法是利用電微波信號驅動電光調製器，在光載波兩側產生上、下兩個邊帶，形成光微波信號。可用的電光調製器類型主要有馬赫-曾德調製器（MZM）和電吸收調製器（EAM）。在工作帶寬方面，已報導的EAM具有95GHz的工作帶寬，並仍有提高的潛力。在調製的靈活性上，MZM可以通過改變偏壓和調製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。另一種選擇是採用f/4的驅動信號，偏置在最大傳輸點並仔細調節驅動信號幅度，可以得到抑制一階邊帶的信號輸出［2］。這些被調製信號的邊帶在光電探測器（PD）上發生拍頻，產生所需要的微波/毫米波頻段的信號。調製法的信號產生、傳輸和檢測原理框圖如圖1所示。
圖1 調製法的信號產生、傳輸和檢測原理框圖
調製法最明顯的優勢是可以直接得到光微波信號，但是驅動信號的質量會直接影響所得到的光微波信號質量。
1.2、外差法
外差法是使用兩個具有固定頻差的雷射器混頻後，通過PD檢測，產生頻率為雷射頻差微波信號的一類方法，如圖2所示。
圖2 外差法產生微波/毫米波信號原理示意圖
應該說在1.1中所介紹的直接調製法調製所得的光微波信號在檢測時所產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於拍出信號的各邊帶來源於同一光源，相互間具有特定的相位關係。外差法的優勢在於，兩路雷射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生信號的頻率連續可調，並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。目前所報導的光探測的帶寬已經可以達到300GHz以上［3］。
考慮到雷射器的自身製作工藝和外界溫度影響等因素，雷射器的輸出一般都具有一定的線寬和波長波動，這會使產生的信號具有比較大的相位噪聲和頻率不穩定性。通常需要採用一些鎖相措施，如光相位鎖相環（Optical Phase-Locked Loop，OPLL）［3］和光注入相位鎖相環（Optical Injection Phase-Lock Loop，OIPLL）［4］等技術加以控制。
除了使用兩個獨立的雷射器進行外差，雙波長雷射器也是一種選擇。已有報導的一種雙模DFB雷射器輸出光頻差為60GHz可用於產生微波信號［5］，而另一種雙區增益耦合的可調諧DFB雷射器（two section gain coupled DFB-laser）可以實現20-64GHz的信號產生［6］。此外基於光纖結構的雙波長雷射器也有報導。一種基於光纖的DFB雷射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，可以在1-3GHz的範圍內產生微波信號，調諧性由溫度變化實現［7］。另一類可調諧雙波長光纖雷射器利用環內兩個偏振態實現，可在100kHz-14GHz實現可調諧微波產生［8］。
1.3、諧波頻率產生
外差法的主要缺陷在於需要進行差拍的兩路不同頻率的光保持穩定的相位關係以確保獲得比較小的相位噪聲，而如果能從一個光源出發通過各種非線性效應產生高次諧波分量，就可以得到具有相對穩定相位關係的若干光頻率，只要能從其中選取兩個進行拍頻，則可以解決這個問題。在前面提到的調製非線性就是一個例子。此外，藉助超連續譜、光脈衝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 諧波頻率產生方法
對於信號是光脈衝的情況，Dalma Novak曾經給出過實驗演示［9］。一個半導體鎖模雷射器產生重複頻率為2.5GHz的光脈衝，通過一個自由光譜區（FSR）為37.1GHz的法布裡-珀羅（F-P）濾波器濾出其兩個高階邊帶後再在PD上產生拍頻產生37.1GHz的信號。
利用光纖中的非線性效應產生高次諧波的方案也有報導。一個由頻率為f=6.67GHz的正弦信號驅動的載波抑制調製信號被放大後注入高非線性光纖（HNLF）產生四波混頻（FWM）效應，出現高階閒頻光，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生器能產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，低於-140dBc/Hz@10kHz）的高品質信號並具有可調諧性和光、電兩種輸出，是一種非常理想的信號發生裝置，如圖4所示。光電振蕩器（OEO）一般是由光源，強度調製器，濾波器，光電探測器構成的一個正反饋環路，它利用調製器以及光纖低損耗的特性將連續光變為穩定的、頻譜乾淨的射頻/微波信號。雷射器發出的連續光經電光調製器後通過光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光轉變為電信號後進入後續的選頻、放大和反饋調製器件。在此過程中有源器件會產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，並用來反饋控制電光調製器。環路中的放大器提供了增益，信號經過多次循環後，就能建立起穩定的振蕩。其振蕩頻率主要由濾波器的通帶特性決定［11］。
在表1中給出了已報導的各種利用光子技術所產生的微波/毫米波信號的基本性能，結合前面介紹的技術方案可以看出，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越的噪聲性能。
微波通信與光纖通信相結合出現的微波光子技術具有巨大的應用前景。從微波光子技術的各種應用上看，利用光學方法產生微波信號是其一大特色。設計出簡單，低成本，高品質的光子微波信號產生方案不僅對於生產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生方案進行總結可以相信，隨著光子技術與器件的發展，光微波技術必將發揮更大的作用。
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