微波光子信号的产生解析

伴随微波射频通信技术的发展与光通信技术的日益成熟，两者间的相互渗透成为一种需要并逐步成为可能。在现有器件条件下，在100GHz带宽范围内，电、光模拟信号可以很方便的自由转换，在光域对模拟信号进行选频滤波，放大也可以方便地实现，这就为微波光子（Microwave Photonics）技术出现提供了基础。微波光子技术的应用主要体现在微波信号产生、用于双向无线通信、射频广播、雷达系统等的微波光纤传输以及微波信号处理等方面。这些应用的主要思想是把微波射频信号调制在光载波上并通过光纤网络进行传输分配，这样做的优点在于可以利用光纤重量轻、低损耗、廉价、抗电磁干扰等特点构建一个高性能，低成本，易于安装维护的光子微波系统［1］。

对于微波通信和光子微波技术来说，优质的微波信号源是一切微波领域应用的基础，而传统的电微波信号产生方式有很多不足与局限。比如，在上世纪60年代以前曾经广泛应用的微波振荡器几乎都是由微波电真空器件如反射速调管、磁控管、行波管等构成。这类器件一般都存在工作电压高、供电种类繁多、功耗大、结构复杂、体积庞大等缺点，特别是其频谱纯度低、相位噪声大、频率稳定度差，已不适应电子技术的发展。50年代末期出现了晶体振荡器为主振、变容管倍频的微波倍频源，如石英晶体振荡器。但石英晶振只在低频时才具有少数几个高Q值共振模式，这就使它不能直接产生高频信号。加上倍频效率的限制，不易在较高频率下获得大的输出功率。这些都制约了它在频率可调的振荡器中的应用。在光子领域，由于激光器性能的提高和各种光子器件工艺的改善，在光域产生高品质的微波信号，特别是在高频段（微波/毫米波段）信号的产生方面显示出明显的优势。为此，总结现有的微波光子信号产生方法，发展更有效的光微波技术是一项有意义的工作。

1、微波光子信号的产生

1.1、电光调制法

最直接得到光微波信号的方法是利用电微波信号驱动电光调制器，在光载波两侧产生上、下两个边带，形成光微波信号。可用的电光调制器类型主要有马赫-曾德调制器（MZM）和电吸收调制器（EAM）。在工作带宽方面，已报道的EAM具有95GHz的工作带宽，并仍有提高的潜力。在调制的灵活性上，MZM可以通过改变偏压和调制信号电压得到载波抑制或高次谐波（倍频）信号输出。如果MZM偏置在最小传输点，驱动正弦信号频率为f/2，可以得到频率为f的载波抑制输出。另一种选择是采用f/4的驱动信号，偏置在最大传输点并仔细调节驱动信号幅度，可以得到抑制一阶边带的信号输出［2］。这些被调制信号的边带在光电探测器（PD）上发生拍频，产生所需要的微波/毫米波频段的信号。调制法的信号产生、传输和检测原理框图如图1所示。

图1　调制法的信号产生、传输和检测原理框图

调制法最明显的优势是可以直接得到光微波信号，但是驱动信号的质量会直接影响所得到的光微波信号质量。

1.2、外差法

外差法是使用两个具有固定频差的激光器混频后，通过PD检测，产生频率为激光频差微波信号的一类方法，如图2所示。

图2　外差法产生微波/毫米波信号原理示意图

应该说在1.1中所介绍的直接调制法调制所得的光微波信号在检测时所产生的电微波信号也是利用了这个原理，不过这种情况中所用于拍出信号的各边带来源于同一光源，相互间具有特定的相位关系。外差法的优势在于，两路激光在光纤中传输时不会受到光纤色散的影响，所拍出信号的功率不会随传输距离而变化。另外一个好处是所产生信号的频率连续可调，并且可以获得很高的频率，探测器带宽是对所生成电信号频率的唯一限制。目前所报道的光探测的带宽已经可以达到300GHz以上［3］。

考虑到激光器的自身制作工艺和外界温度影响等因素，激光器的输出一般都具有一定的线宽和波长波动，这会使产生的信号具有比较大的相位噪声和频率不稳定性。通常需要采用一些锁相措施，如光相位锁相环（Optical Phase-Locked Loop，OPLL）［3］和光注入相位锁相环（Optical Injection Phase-Lock Loop，OIPLL）［4］等技术加以控制。

除了使用两个独立的激光器进行外差，双波长激光器也是一种选择。已有报道的一种双模DFB激光器输出光频差为60GHz可用于产生微波信号［5］，而另一种双区增益耦合的可调谐DFB激光器（two section gain coupled DFB-laser）可以实现20-64GHz的信号产生［6］。此外基于光纤结构的双波长激光器也有报道。一种基于光纤的DFB激光器利用刻有光纤布拉格光栅（FBG）的掺铒-镱光纤形成分布反馈区，可以在1-3GHz的范围内产生微波信号，调谐性由温度变化实现［7］。另一类可调谐双波长光纤激光器利用环内两个偏振态实现，可在100kHz-14GHz实现可调谐微波产生［8］。

1.3、谐波频率产生

外差法的主要缺陷在于需要进行差拍的两路不同频率的光保持稳定的相位关系以确保获得比较小的相位噪声，而如果能从一个光源出发通过各种非线性效应产生高次谐波分量，就可以得到具有相对稳定相位关系的若干光频率，只要能从其中选取两个进行拍频，则可以解决这个问题。在前面提到的调制非线性就是一个例子。此外，借助超连续谱、光脉冲的宽谱或光纤中的传输非线性，也是可行的方案，其基本思路如图3所示。

图3　谐波频率产生方法

对于信号是光脉冲的情况，Dalma Novak曾经给出过实验演示［9］。一个半导体锁模激光器产生重复频率为2.5GHz的光脉冲，通过一个自由光谱区（FSR）为37.1GHz的法布里-珀罗（F-P）滤波器滤出其两个高阶边带后再在PD上产生拍频产生37.1GHz的信号。

利用光纤中的非线性效应产生高次谐波的方案也有报道。一个由频率为f=6.67GHz的正弦信号驱动的载波抑制调制信号被放大后注入高非线性光纤（HNLF）产生四波混频（FWM）效应，出现高阶闲频光，利用FBG滤出其中两个在PD上拍出了频率为40GHz（6f）的微波信号［10］。

1.4、光电振荡器

光电振荡器（OEO）作为一种新型的微波信号发生器能产生频率从几个到上百GHz、Q值高达1010、低相位噪声（工作频率为10GHz时，低于-140dBc/Hz@10kHz）的高品质信号并具有可调谐性和光、电两种输出，是一种非常理想的信号发生装置，如图4所示。光电振荡器（OEO）一般是由光源，强度调制器，滤波器，光电探测器构成的一个正反馈环路，它利用调制器以及光纤低损耗的特性将连续光变为稳定的、频谱干净的射频/微波信号。激光器发出的连续光经电光调制器后通过光纤传输进入光电探测器，光电探测器把光转变为电信号后进入后续的选频、放大和反馈调制器件。在此过程中有源器件会产生包含各种不同频率的噪声扰动，这些扰动通过输出端由滤波器滤出希望起振的频率，并用来反馈控制电光调制器。环路中的放大器提供了增益，信号经过多次循环后，就能建立起稳定的振荡。其振荡频率主要由滤波器的通带特性决定［11］。

在表1中给出了已报道的各种利用光子技术所产生的微波/毫米波信号的基本性能，结合前面介绍的技术方案可以看出，各种方法各有利弊，但从生成信号的相位噪声角度来看，光电振荡器具有非常优越的噪声性能。

2、总结

微波通信与光纤通信相结合出现的微波光子技术具有巨大的应用前景。从微波光子技术的各种应用上看，利用光学方法产生微波信号是其一大特色。设计出简单，低成本，高品质的光子微波信号产生方案不仅对于生产生活有着重要的意义，在国防科技上也有不可估量的作用。通过对已有的微波光子信号产生方案进行总结可以相信，随着光子技术与器件的发展，光微波技术必将发挥更大的作用。