摘 要  在對(duì)光電振蕩器(OEO)的工作原理和特性進(jìn)行闡述和分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)回顧了邊模抑制、降低相位噪聲、     提高頻率穩(wěn)定性等改善光電振蕩器性能的各種技術(shù)手段和方案，評(píng)述了基于光電振蕩器的光脈沖產(chǎn)生、時(shí)    
鐘提取等應(yīng)用，討論了制約光電振蕩器實(shí)用化的因素，提出了可能的發(fā)展方向和改進(jìn)措施 1 引言       高質(zhì)量的微波信號(hào)在民用通信、電子測(cè)量、電子 對(duì)抗、雷達(dá)等方面都有廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的微波信 號(hào)產(chǎn)生方法中，介質(zhì)振蕩器在低噪聲、高譜純度或可 調(diào)諧的條件下，表現(xiàn)往往不盡如人意。石英雖然可以 獲得品質(zhì)因素(Q 值)很高的穩(wěn)定晶振，卻不能直接得 到高頻信號(hào)。與之相比，光電振蕩器(OEO)作為一種 新型的微波信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生頻率從幾個(gè)到上百吉 赫茲，Q 值高達(dá) 10¹⁰，低相位噪聲(工作頻率為 10 GHz 時(shí)，低于-140 dBc/Hz@10 kHz)的高品質(zhì)信號(hào)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(hào) 發(fā)生裝置^[1，2]。 2 光電振蕩器的工作原理及特性       光電振蕩器一般是由光源、強(qiáng)度調(diào)制器、濾波器、 光電探測(cè)器(PD)構(gòu)成的一個(gè)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(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。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(jìn)入光電 探測(cè)器，光電探測(cè)器把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后進(jìn)入選頻、 放大和反饋調(diào)制器件。在此過程中有源器件會(huì)產(chǎn)生不 同頻率的噪聲擾動(dòng)，這些擾動(dòng)在輸出端被濾波器濾出 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(hào)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。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)，環(huán)路中能量的衰減時(shí)間(介質(zhì)的儲(chǔ)能能力)決定了振蕩器的 Q 值。這里
 
Q=2πft _d，其中 f 為振蕩頻率，t_d 為能量衰減時(shí)間。因此只要環(huán)路中的光纖具有足夠的長(zhǎng)度，光電振蕩器就可
 
以產(chǎn)生比傳統(tǒng)振蕩器更高品質(zhì)的信號(hào)輸出^[2]。此外，研究還指出光電振蕩器的相位噪聲隨其頻偏量 f′ 呈二次方下降，而對(duì)于固定的 f′ ，相位噪聲隨環(huán)路延時(shí)呈二次方下降，并且與振蕩器的工作頻率無關(guān)。盡管相位噪聲不會(huì)隨環(huán)路延時(shí)的增加而無限減小[信噪比**終受制于激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)]^[2]，但是使用長(zhǎng)光纖的仍是一個(gè)必然的趨勢(shì)。
 
光電振蕩器的性能雖然突出，但是它的系統(tǒng)構(gòu)成也決定了它的一些不足。shou先，為了得到高 Q 值的信號(hào)輸出，一般需要在腔內(nèi)使用長(zhǎng)光纖，而此時(shí)腔長(zhǎng)長(zhǎng)度還決定了起振模式之間的間隔，腔越長(zhǎng)，模式間隔就越小。理論上可以用一個(gè)足夠窄的濾波器濾除不需要的模式，但在器件的獲得上有相當(dāng)?shù)睦щy；其次，在信號(hào)的相位噪聲方面，光源的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、光電探測(cè)器以及電放大器都會(huì)對(duì)**終所產(chǎn)生微波信號(hào)的相位噪聲造成影響。濾波器、放大器帶寬過大也會(huì)使通帶范圍內(nèi)的信噪比降低，影響起振頻率的品質(zhì)；**后，由于環(huán)路主要由光纖構(gòu)成，其腔長(zhǎng)容易受到環(huán)境溫度、應(yīng)力等的影響發(fā)生變化，造成起振基頻的變化使輸出頻率發(fā)生漂移或跳頻；另外，長(zhǎng)光纖占有比較大的體積，對(duì)整個(gè)光電振蕩器系統(tǒng)的小型化、集成化造成了障礙。解決以上這些問題是光電振蕩器**終實(shí)用化的一些關(guān)鍵工作。
 
 
3 光電振蕩器的性能研究進(jìn)展
 
3.1 單模起振與邊模抑制
 
根據(jù)光電振蕩器的工作原理，起振模式的間隔 Df
 
由環(huán)路對(duì)信號(hào)的延時(shí)決定，可表示為 Df=1/t ，這里 t 
為延時(shí)量^[3]。當(dāng)環(huán)路中使用光纖長(zhǎng)度達(dá)到 1 km 時(shí)，則模式間隔約為 200 kHz。目前的商用電濾波器難以提供足夠窄的帶寬實(shí)現(xiàn)單一模式的選擇。為了解決這一困難，研究者分別提出了高 Q 光子濾波器代替長(zhǎng)光纖儲(chǔ)能和采用多環(huán)路結(jié)構(gòu)抑制邊模的光電振蕩器方案。
 
采用高 Q 值的濾波器實(shí)現(xiàn)單一模式起振的想法是很容易理解的。在眾多光子微波濾波器中，回音廊模 式 諧 振 器 [whispering -gallery mode (WGM) resonators] 是一個(gè)典型代表并被成功地用于光電振蕩器的選頻濾波^[4，5]。它由電介質(zhì)材料加工成亞毫米結(jié)構(gòu)的盤(圓柱)型諧振腔，通過波導(dǎo)輸入，輸出光信號(hào)。光信號(hào)在諧振腔中反復(fù)振蕩，完成選頻輸出。以微盤結(jié)構(gòu)為例，其剖視圖如圖 2 所示^[6]。這種 WGM 諧振器的選頻特性與法布里-珀羅(F-P)濾波器類似，不像長(zhǎng)光纖腔那樣具有很多小間隔邊模，可通過控制電壓、應(yīng)力或溫度變化實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能，其 Q 值在 10 GHz
 
的工作頻率下可達(dá)到 10⁶，效果等效于數(shù)千米的光纖環(huán)路，具有很好的選模特性，為光電振蕩器小型化奠定了良好的基礎(chǔ)^[5，7]。但是這種 WGM 諧振腔也并非：shou先，這種濾波器具有洛倫茲線性的濾波窗口，為了滿足對(duì)邊模抑制要求比較高的場(chǎng)合的需要，有時(shí)必須多個(gè)級(jí)聯(lián)使用；其次，在同時(shí)要求高 Q 值和大范圍可調(diào)諧方面還不理想；**后，這種結(jié)構(gòu)的濾波器工作穩(wěn)定性易受環(huán)境溫度、應(yīng)力的影響，因此需要一些輔助的外圍溫控；另外，它的耦合損耗也是一個(gè)不容忽視的影響。#p#分頁標(biāo)題#e#

 
為延時(shí)量^[3]。當(dāng)環(huán)路中使用光纖長(zhǎng)度達(dá)到 1 km 時(shí)，則模式間隔約為 200 kHz。目前的商用電濾波器難以提供足夠窄的帶寬實(shí)現(xiàn)單一模式的選擇。為了解決這一困難，研究者分別提出了高 Q 光子濾波器代替長(zhǎng)光纖儲(chǔ)能和采用多環(huán)路結(jié)構(gòu)抑制邊模的光電振蕩器方案。
 
采用高 Q 值的濾波器實(shí)現(xiàn)單一模式起振的想法是很容易理解的。在眾多光子微波濾波器中，回音廊模 式 諧 振 器 [whispering -gallery mode (WGM) resonators] 是一個(gè)典型代表并被成功地用于光電振蕩器的選頻濾波^[4，5]。它由電介質(zhì)材料加工成亞毫米結(jié)構(gòu)的盤(圓柱)型諧振腔，通過波導(dǎo)輸入，輸出光信號(hào)。光信號(hào)在諧振腔中反復(fù)振蕩，完成選頻輸出。以微盤結(jié)構(gòu)為例，其剖視圖如圖 2 所示^[6]。這種 WGM 諧振器的選頻特性與法布里-珀羅(F-P)濾波器類似，不像長(zhǎng)光纖腔那樣具有很多小間隔邊模，可通過控制電壓、應(yīng)力或溫度變化實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能，其 Q 值在 10 GHz
 
的工作頻率下可達(dá)到 10⁶，效果等效于數(shù)千米的光纖環(huán)路，具有很好的選模特性，為光電振蕩器小型化奠定了良好的基礎(chǔ)^[5，7]。但是這種 WGM 諧振腔也并非：shou先，這種濾波器具有洛倫茲線性的濾波窗口，為了滿足對(duì)邊模抑制要求比較高的場(chǎng)合的需要，有時(shí)必須多個(gè)級(jí)聯(lián)使用；其次，在同時(shí)要求高 Q 值和大范圍可調(diào)諧方面還不理想；**后，這種結(jié)構(gòu)的濾波器工作穩(wěn)定性易受環(huán)境溫度、應(yīng)力的影響，因此需要一些輔助的外圍溫控；另外，它的耦合損耗也是一個(gè)不容忽視的影響。明顯優(yōu)勢(shì)。
 明顯優(yōu)勢(shì)。
 境變化對(duì)系統(tǒng)的影響，也是一種提高輸出信號(hào)穩(wěn)定的
 
方法。在 X.Steve Yao 等^[3]的實(shí)驗(yàn)中，這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被放置于一個(gè)填充泡沫的盒子里以隔jue振動(dòng)帶來的影響。而 D.Eliyahu 等^[13]所做的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過溫度控制的光電振蕩器系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性從-8.3×10^-6/℃ 提高到-0.1
 
×10^-6/℃，短期穩(wěn)定性達(dá)到 0.02 ×10^-6，由腔長(zhǎng)變化引起的跳頻等現(xiàn)象被消除。
 
另一個(gè)提高頻率穩(wěn)定性的方法是在系統(tǒng)中使用高 Q 值的濾波器，嚴(yán)格選定一個(gè)模式起振，強(qiáng)烈抑制邊模，則光電振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定性可以得到極大的提高。D.Strekalov 等^[4]對(duì)高 Q 值濾波器的穩(wěn)頻作用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并演示了高 Q 值介質(zhì)濾波器和利用銣原子蒸氣室中的電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，鎖定起振頻率的實(shí)驗(yàn)。F.Quinlan 等^[17]對(duì)利用高精細(xì)度的 F -P 濾波器用作高 Q 值濾波器的情況也進(jìn)行了討論。
 
鎖相環(huán)是一種用以提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的常用方案，它同樣有利于實(shí)現(xiàn)光電振蕩器的頻率穩(wěn)定輸出。重點(diǎn)介紹的是在多環(huán)路結(jié)構(gòu)中通過載波抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鎖相方案，該方案整體上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電振蕩器輸出信號(hào)的邊模抑制、降低相位噪聲和頻率穩(wěn)定，其鎖相部分原理如圖 4 所示^[3]。振蕩器的一路光輸出經(jīng)由長(zhǎng)光纖傳輸延時(shí)后作為參考信號(hào)被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后與一路振蕩器輸出的電信號(hào)耦合。仔細(xì)調(diào)節(jié)電信號(hào)的強(qiáng)度和相位使得兩路耦合輸出的一路為載波抑制輸出 (耦合時(shí)兩信號(hào)相位差 π)，一路為載波增強(qiáng)(耦合時(shí)兩信號(hào)同相)。載波抑制輸出端的載波可受到約 40 dB 的抑制，載噪比增大，該過程可以使頻率(相位)的抖動(dòng)轉(zhuǎn)化為幅度的變化，而該信號(hào)進(jìn)入放大器放大時(shí)，放大器不會(huì)飽和。被放大的信號(hào)再與一路振蕩器的電輸出信號(hào)(本振)進(jìn)行混頻，其

中頻輸出作用于壓控移相器以調(diào)節(jié)載波增強(qiáng)一路的相位，然后進(jìn)行反饋調(diào)制。在這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)中，滿足**佳載波抑制條件時(shí)，振蕩環(huán)路中可以實(shí)現(xiàn)**大增益，因此，該方案可以保證振蕩器的輸出能跟蹤腔長(zhǎng)的變化，保持?jǐn)?shù)小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)由于頻率抖動(dòng)的消除，相位噪聲性能也得到了提高，而多環(huán)路對(duì)邊模的抑制特性也得到了發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在離載波 10 Hz 處的相位噪聲得到了約 20 dB 的抑制。
 
通過注入鎖定一個(gè)低頻信號(hào)的高次諧波，也可以視為得到穩(wěn)定高頻輸出的一類方法。利用一個(gè)低頻穩(wěn)定信號(hào)的調(diào)制非線性或其他光纖中的非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波后注入光電振蕩器，在光電振蕩器中選用合適的濾波器鎖定一個(gè)高頻諧波信號(hào)進(jìn)行反饋增強(qiáng)，就可以產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的高頻信號(hào)輸出，并具有很好
 
的頻率穩(wěn)定性，Hidemi Tsuchida 等^[18] 研究演示了這類實(shí)驗(yàn)方案。
 
4 光電振蕩器的應(yīng)用
 
光電振蕩器的基本功能是產(chǎn)生高品質(zhì)的光、電微波信號(hào)，但是經(jīng)過發(fā)展，也衍生出了一些新的應(yīng)用方式。在這些應(yīng)用中，光電振蕩器的電輸出部分基本保持微波信號(hào)輸出，但是光輸出部分出現(xiàn)了一些變化。
 
4.1 光脈沖輸出
 
在 1997 年和 2000 年，X. Steve Yao 等^{[19，20]#p#分頁標(biāo)題#e#}先后分析演示了由 SOA 提供增益的光學(xué)諧振腔與光電振蕩器環(huán)路混合的結(jié)構(gòu)(COEO)用以產(chǎn)生電微波信號(hào)與光脈沖。這個(gè)方案類似于再生鎖模激光器，主要區(qū)別在于 COEO 的光電環(huán)路部分需要起振，而**終輸出模式受到兩個(gè)環(huán)路的選模特性約束。在 2007 年，Ertan
 
Salik^[21]演示了基于摻鉺光纖放大(EDFA)提供光路增益的 COEO 結(jié)構(gòu)，得到了具有-150 dBc/Hz(在頻偏 10~ 100 kHz 處) 超低相位噪聲的 9.4 GHz 微波信號(hào)輸出和只有 2 fs 抖動(dòng)的光脈沖輸出。這種結(jié)構(gòu)的光脈沖輸出機(jī)理是基于光纖鎖模激光器，因此為了得到高性能
 
的輸出，對(duì)光學(xué)腔的腔長(zhǎng)穩(wěn)定、色散控制和偏振保持設(shè)計(jì)有很高的要求。
 
另一類可行的方案是通過改變光電振蕩器環(huán)路中的光電調(diào)制特性產(chǎn)生光脈沖。在 2003 年，Jacob Lasri 等^[22]利用電吸收調(diào)制器(EAM)替代傳統(tǒng)方案中的馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)，通過對(duì) EAM 的偏壓控制，形成較窄的調(diào)制傳輸窗口得到了 10 GHz 的
 
電微波信號(hào)和光脈沖輸出。若在光源部分采用多波長(zhǎng)光源，這種結(jié)構(gòu)也可以方便地產(chǎn)生多波長(zhǎng)光脈沖^[23]。這種方案的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是 EAM 一般具有較大的插入損耗，所得到的脈沖寬度也較寬。此外，使用工作在增益開關(guān)條件下或采用大信號(hào)直調(diào)的半導(dǎo)體激光器作為光電振蕩器的光源，可以不需要額外的調(diào)制器得到電微波信號(hào)和光脈沖輸出，文獻(xiàn)[24，25]分別給出了這類的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
 
5 總結(jié)與展望
 
可以看出，光電振蕩器作為一種高品質(zhì)的光、電
 
微波信號(hào)發(fā)生器具有極大的性和廣泛的適用前景，各種各具特色的應(yīng)用手段也為光電振蕩器的多功能化打下了良好的基礎(chǔ)。但是不可否認(rèn)的是目前的光電振蕩器還主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，要想使它在G民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和G防科技發(fā)展中得到實(shí)際應(yīng)用還有一段過程。其主要制約因素集中在如何把光電振蕩器系統(tǒng)做成一個(gè)小型化、集成化、便于頻率控制的緊湊體系，這些要求的實(shí)現(xiàn)都取決于新的光子微波器件和相應(yīng)有源器件的開發(fā)和制作工藝的進(jìn)一步完善。盡管沒有直接針對(duì)光電振蕩器，我們?nèi)匀辉诮诘奈墨I(xiàn)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)了一些契機(jī)，例如光電探測(cè)方面的 UTC-PD (Uni-Traveling-Carrier Photodiode)可以接收很強(qiáng)的光功率并有大功率的電信號(hào)輸出可以減少或避免光
振蕩器中電放大器的使用^[33]；集成半導(dǎo)體激光器與調(diào)制器工藝的發(fā)展對(duì)光電振蕩器光源與反饋調(diào)制提供了小型化的可能；半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的微環(huán)高 Q 值光子濾波器^[34]有利于實(shí)現(xiàn)光電振蕩器的系統(tǒng)集成及可調(diào)諧性。相信隨著這些技術(shù)的逐步成熟，光電振蕩器必將得到實(shí)際應(yīng)用，發(fā)揮出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。