关于光电振荡器和飞秒激光器技术的思考

光电振荡器（optoelectronicoscillator，OEO）和飞秒激光器都是产生超宽带可调谐、低相位噪声的微波振荡的途径。本文简单介绍北邮射频光子学实验室在这两个技术手段的思考。

高质量的微波振荡是现在电子系统的核心部件之一，在测控、雷达、电子对抗、通信、仪器仪表、导航、以及近代物理实验等众多领域，均有非常广泛的应用；频率合成器为上述电子系统提供必不可少的本振组、参考频率源、以及时钟等。

应用于未来军用信息电子系统的频率合成器将是多个核心指标的联合优化，“短一不可”： 为了提高雷达的低空或远距离探测能力，必须降低频率源的相位噪声和改进其频谱纯度，以优化雷达的改善因子；为了提高通信速率、增大电子侦查或干扰的能力，必须提高频率源的输出频率范围，以增大发射机和接收机的带宽、提供更多的频道选择或监控；为了提高雷达的生存能力、降低通信被对方干扰的几率，必须实现更快的频率转换速度，以实现频道的捷变。

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传统的电子技术

传统的频率合成器，根据被发明的时间顺序可分为三代。第一代是直接模拟频率合成技术，利用一个或多个不同的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频、滤波等途径直接产生目标振荡。虽然基准信号（例如石英振荡器）具有高的频谱纯度、在频偏10 kHz时可达到-150 dBc/Hz，但输出频率仅为几十MHz，输出信号的相位噪声性能随其频率增加而迅速降低；另外多次频率变换引入的杂散也较难抑制，导致频谱纯度较差。直接模拟合成方法频率转换时间快，但体积大、功耗大。第二代即锁相频率合成技术，它通过谐波发生器将基准信号转换为大量谐波，然后利用锁相环将压控振荡器（VCO）的频率锁定在某一谐波上。锁相环相当于一个极窄带的跟踪滤波器，可以很好的选择所需谐波、抑制杂散分量。然而，由于输出实际上来自于VCO、而非基准源，有限的锁相环带宽导致其相位噪声受限于VCO；高频宽带VCO的相位噪声、频率稳定性都很差（X波段典型值约-70 dBc/Hz @ 10 kHz频偏），而超低相噪VCO（例如介质谐振腔振荡器，DRO，商用器件X波段典型值约-110 dBc/Hz @ 10 kHz频偏；实验室最高水平可低于-160 dBc/Hz）的可调谐范围非常有限（MHz以下），而且通常体积大、环境敏感。锁相环的存在同时也制约了频率转换的速度。第三代是直接数字频率合成（DDS）技术，采用了数字采样存储技术，具有精确的相位、频率分辨力，快速的转换时间等突出优点，但其带宽仍较窄（当前最大瞬时带宽~ GHz），并且由于数模转换（DAC）电路的非线性效应，信号非线性杂波较多。数字产生方法仍需多次倍频实现目标高载频，波形的相位噪声和杂波性能将进一步恶化。

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典型光生微波技术

当前已有多种基于光子技术的频率合成器，以下面三类最具代表性、研究时间长且广泛：（左）双波长连续光（CW）激光器及拍频产生技术、（中）光电振荡器（OEO）技术、和（右）光倍频技术。

**双波长连续光（CW）激光器及拍频产生技术：**两个激光器通过混频输出微波，其频率等于两个光之间的频率差；控制其中一个激光器的振荡频率即可控制输出微波的频率；因而该技术类似于电VCO。光的高载频（10¹⁴ Hz）特性使其频率调谐范围很容易接近THz（10¹² Hz），因而该技术可以实现巨大的调谐带宽。法国Thales防务公司在2013年展示的结果表明，起振在同一个激光腔内的两个独立偏振纵模的拍频可以实现0~13 GHz的调谐范围和1 GHz/us的调谐速度，优于当前的电VCO。但其相噪较差，约-60 dBc/Hz @ 10-kHz频偏（较电VCO差）。光由于其载频高于微波四到五个数量级，其振荡噪声也要远高于微波振荡；因而简单的通过变频（而非分频）实现光生微波，其相位噪声无法得到压缩。相噪特性差是光混频产生微波所面临的主要挑战。

光电振荡器（OEO）技术： 高性能振荡器需要高储能腔，传统的介质（微波储能）和石英（声波储能）腔的频率范围最高适用于MHz和~GHz；对于更高的载频，光储能（例如光纤的长距离、低损耗传输）的优势就表现出来。OEO即是一种利用了光储能器件的电VCO，于1994年美国空气动力实验室的X. S. Yao等人提出并一直广受关注；其优势在于光储能器件Q值高、产生微波相噪低。根据美国OEwave公司的报道，高质量10-GHz OEO在10-kHz频偏处的相噪可低至-160 dBc/Hz，远优于传统高频振荡器。OEO的另一个优势是频率调谐范围大（可达几十GHz；受限于光/电转换器件的带宽），且相噪不随载波增高而恶化。然而，其快速可调谐性尚无法实现：OEO振荡频率由其腔内选模滤波器决定，当前高频可调谐电滤波器（例如YIG等）带宽较宽（几十MHz）、容易导致多模振荡或较高杂散，调谐速度也很慢（几十ms）；组合滤波（例如引入额外的宽带可调谐微波光子滤波）可以抑制杂散，但更加降低了调谐速度和稳定性。OEO是高阶谐波振荡，由滤波器调谐带动的输出频率调谐往往伴随着振荡淬灭等现象，因而调谐速度具有理论上限；另外，类似于传统的锁相频率合成技术，OEO需要锁相环来提高频率稳定性，但同时限制了其调谐速度。因而，稳定且快速的频率调谐，是OEO所面临的主要挑战。

光倍频技术： 该技术类似于传统的数字波形产生，利用数字电路实现基带波形、然后利用光学手段对其进行倍频（例如，在电光调制过程实现）和混频（例如，利用相干拍频实现）。该技术与传统数字波形产生面临相同挑战、具有有限的“调谐带宽÷噪声”：为降低数字电路的难度而降低基带波形带宽，就需要多次倍频、导致噪声恶化；但倍频次数降低又增加数字电路带宽，其噪声受电子瓶颈的限制仍然增大。

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基于飞秒激光器的微波频率合成

除了上述三种典型的光生微波技术，基于飞秒激光器、尤其是超短脉冲光纤激光器的高纯度微波生成方案，近年来也开始引起世界级研究单位的重点关注。该研究当前尚不如上述三种技术广泛，这里做更加详细的介绍。

飞秒激光器的输出，在时域上表现为重复频率在百MHz量级、脉冲持续时间从几十飞秒到几百飞秒的高稳定、高相干性窄脉冲序列，若经过平方检波的理想光电探测器，其输出将包含从激光器基频开始、一直到THz以上的各阶谐波。在频域上，激光器的输出则表现为以基频为间隔的光学频率梳，覆盖了THz以上的光波频段，任意两个梳齿的混频可以覆盖未来绝大多数应用场景对微波/毫米波信号源的频段需求。而且，所有谐波振荡均稳定存在，对其中任意频率的“挑选”并不涉及类似OEO那样从噪声重新起振的过程，因而频率捷变的速率在理论上可以很高。

在相位噪声性能上，飞秒激光器所生成的微波振荡也毫不逊色于已被广泛认可的OEO，在理论上甚至优于后者。下图表示了传统电子或光子倍频技术、微波振荡直接产生技术（包括OEO、DRO等）、以及基于飞秒激光器的“分频产生”技术在相位噪声性能方面的对比。从倍频产生到直接产生、再到分频产生，微波振荡将具有越来越低的理论相位噪声极限。

众所周知，倍频将导致相位噪声的恶化。OEO或者DRO技术直接在目标微波频率（GHz到几十GHz）处产生振荡，避免始于低参考频率（一般为几十MHz）的高次倍频，因而相位噪声较倍频技术大大压缩。基于飞秒激光器的频率合成延续了这一思路：依赖光巨大的带宽资源，飞秒激光器包含了THz到几百THz的参考振荡，而目标微波频率是上述振荡的某个分频；在分频过程中，超高频率振荡的相位噪声反而被压缩，因而飞秒分频技术较OEO等直接振荡方案具有更低的相位噪声理论极限。该思路于2011年首次由美国国家标准局（NIST）提出（见下左图），直接将500 THz的光频振荡通过飞秒激光器分频到10 GHz，分频比例达到5×10⁴之高；实现的微波相噪在1 Hz频偏处可达到-104 dBc/Hz，在10 kHz频偏处已经接近光散粒噪声极限，同时又具备极高的频率稳定性（相对频率误差1秒平均值小于8×10⁻¹⁶）。

德国电子加速研究中心/美国MIT大学Franz X. Kärtner教授研究组（以低抖动飞秒激光器和阿秒量级长距离同步等研究闻名）及其后续工作、以及美国OEWave公司（OEO技术的起源地之一）等延续了这一思路，但将被分频率从光频降低至几十THz以下，即飞秒激光器既是分频器、又包含了超高频率的参考振荡；省略参考光频率、实现装置得到极大简化，但性能降低却不多：产生的10 GHz微波振荡在10 kHz频偏处的相位噪声为-142 dBc/Hz。2014年意大利的光子网络国家实验室、国家雷达和防务国家实验室在Nature主刊首次报道的微波光子相参雷达，也从飞秒激光器内丰富的光频资源中提取跨波段的微波本振（见下右图）。