光電振蕩器（optoelectronicoscillator，OEO）和飛秒激光器都是產(chǎn)生超寬帶可調(diào)諧、低相位噪聲的微波振蕩的途徑。本文簡(jiǎn)單介紹北郵射頻光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室在這兩個(gè)技術(shù)手段的思考。

高質(zhì)量的微波振蕩是現(xiàn)在電子系統(tǒng)的核心部件之一，在測(cè)控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、儀器儀表、導(dǎo)航、以及近代物理實(shí)驗(yàn)等眾多領(lǐng)域，均有非常廣泛的應(yīng)用；頻率合成器為上述電子系統(tǒng)提供必不可少的本振組、參考頻率源、以及時(shí)鐘等。

應(yīng)用于未來(lái)軍用信息電子系統(tǒng)的頻率合成器將是多個(gè)核心指標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化，“短一不可”： 為了提高雷達(dá)的低空或遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，必須降低頻率源的相位噪聲和改進(jìn)其頻譜純度，以優(yōu)化雷達(dá)的改善因子；為了提高通信速率、增大電子偵查或干擾的能力，必須提高頻率源的輸出頻率范圍，以增大發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的帶寬、提供更多的頻道選擇或監(jiān)控；為了提高雷達(dá)的生存能力、降低通信被對(duì)方干擾的幾率，必須實(shí)現(xiàn)更快的頻率轉(zhuǎn)換速度，以實(shí)現(xiàn)頻道的捷變。

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傳統(tǒng)的電子技術(shù)

傳統(tǒng)的頻率合成器，根據(jù)被發(fā)明的時(shí)間順序可分為三代。第一代是直接模擬頻率合成技術(shù)，利用一個(gè)或多個(gè)不同的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)信號(hào)源，經(jīng)過(guò)倍頻、分頻、混頻、濾波等途徑直接產(chǎn)生目標(biāo)振蕩。雖然基準(zhǔn)信號(hào)（例如石英振蕩器）具有高的頻譜純度、在頻偏10 kHz時(shí)可達(dá)到-150 dBc/Hz，但輸出頻率僅為幾十MHz，輸出信號(hào)的相位噪聲性能隨其頻率增加而迅速降低；另外多次頻率變換引入的雜散也較難抑制，導(dǎo)致頻譜純度較差。直接模擬合成方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快，但體積大、功耗大。第二代即鎖相頻率合成技術(shù)，它通過(guò)諧波發(fā)生器將基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為大量諧波，然后利用鎖相環(huán)將壓控振蕩器（VCO）的頻率鎖定在某一諧波上。鎖相環(huán)相當(dāng)于一個(gè)極窄帶的跟蹤濾波器，可以很好的選擇所需諧波、抑制雜散分量。然而，由于輸出實(shí)際上來(lái)自于VCO、而非基準(zhǔn)源，有限的鎖相環(huán)帶寬導(dǎo)致其相位噪聲受限于VCO；高頻寬帶VCO的相位噪聲、頻率穩(wěn)定性都很差（X波段典型值約-70 dBc/Hz @ 10 kHz頻偏），而超低相噪VCO（例如介質(zhì)諧振腔振蕩器，DRO，商用器件X波段典型值約-110 dBc/Hz @ 10 kHz頻偏；實(shí)驗(yàn)室最高水平可低于-160 dBc/Hz）的可調(diào)諧范圍非常有限（MHz以下），而且通常體積大、環(huán)境敏感。鎖相環(huán)的存在同時(shí)也制約了頻率轉(zhuǎn)換的速度。第三代是直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，采用了數(shù)字采樣存儲(chǔ)技術(shù)，具有精確的相位、頻率分辨力，快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間等突出優(yōu)點(diǎn)，但其帶寬仍較窄（當(dāng)前最大瞬時(shí)帶寬~ GHz），并且由于數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）電路的非線性效應(yīng)，信號(hào)非線性雜波較多。數(shù)字產(chǎn)生方法仍需多次倍頻實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高載頻，波形的相位噪聲和雜波性能將進(jìn)一步惡化。

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典型光生微波技術(shù)

當(dāng)前已有多種基于光子技術(shù)的頻率合成器，以下面三類最具代表性、研究時(shí)間長(zhǎng)且廣泛：（左）雙波長(zhǎng)連續(xù)光（CW）激光器及拍頻產(chǎn)生技術(shù)、（中）光電振蕩器（OEO）技術(shù)、和（右）光倍頻技術(shù)。

**雙波長(zhǎng)連續(xù)光（CW）激光器及拍頻產(chǎn)生技術(shù)：**兩個(gè)激光器通過(guò)混頻輸出微波，其頻率等于兩個(gè)光之間的頻率差；控制其中一個(gè)激光器的振蕩頻率即可控制輸出微波的頻率；因而該技術(shù)類似于電VCO。光的高載頻（101? Hz）特性使其頻率調(diào)諧范圍很容易接近THz（1012 Hz），因而該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)巨大的調(diào)諧帶寬。法國(guó)Thales防務(wù)公司在2013年展示的結(jié)果表明，起振在同一個(gè)激光腔內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立偏振縱模的拍頻可以實(shí)現(xiàn)0~13 GHz的調(diào)諧范圍和1 GHz/us的調(diào)諧速度，優(yōu)于當(dāng)前的電VCO。但其相噪較差，約-60 dBc/Hz @ 10-kHz頻偏（較電VCO差）。光由于其載頻高于微波四到五個(gè)數(shù)量級(jí)，其振蕩噪聲也要遠(yuǎn)高于微波振蕩；因而簡(jiǎn)單的通過(guò)變頻（而非分頻）實(shí)現(xiàn)光生微波，其相位噪聲無(wú)法得到壓縮。相噪特性差是光混頻產(chǎn)生微波所面臨的主要挑戰(zhàn)。

光電振蕩器（OEO）技術(shù)： 高性能振蕩器需要高儲(chǔ)能腔，傳統(tǒng)的介質(zhì)（微波儲(chǔ)能）和石英（聲波儲(chǔ)能）腔的頻率范圍最高適用于MHz和~GHz；對(duì)于更高的載頻，光儲(chǔ)能（例如光纖的長(zhǎng)距離、低損耗傳輸）的優(yōu)勢(shì)就表現(xiàn)出來(lái)。OEO即是一種利用了光儲(chǔ)能器件的電VCO，于1994年美國(guó)空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的X. S. Yao等人提出并一直廣受關(guān)注；其優(yōu)勢(shì)在于光儲(chǔ)能器件Q值高、產(chǎn)生微波相噪低。根據(jù)美國(guó)OEwave公司的報(bào)道，高質(zhì)量10-GHz OEO在10-kHz頻偏處的相噪可低至-160 dBc/Hz，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)高頻振蕩器。OEO的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是頻率調(diào)諧范圍大（可達(dá)幾十GHz；受限于光/電轉(zhuǎn)換器件的帶寬），且相噪不隨載波增高而惡化。然而，其快速可調(diào)諧性尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)：OEO振蕩頻率由其腔內(nèi)選模濾波器決定，當(dāng)前高頻可調(diào)諧電濾波器（例如YIG等）帶寬較寬（幾十MHz）、容易導(dǎo)致多模振蕩或較高雜散，調(diào)諧速度也很慢（幾十ms）；組合濾波（例如引入額外的寬帶可調(diào)諧微波光子濾波）可以抑制雜散，但更加降低了調(diào)諧速度和穩(wěn)定性。OEO是高階諧波振蕩，由濾波器調(diào)諧帶動(dòng)的輸出頻率調(diào)諧往往伴隨著振蕩淬滅等現(xiàn)象，因而調(diào)諧速度具有理論上限；另外，類似于傳統(tǒng)的鎖相頻率合成技術(shù)，OEO需要鎖相環(huán)來(lái)提高頻率穩(wěn)定性，但同時(shí)限制了其調(diào)諧速度。因而，穩(wěn)定且快速的頻率調(diào)諧，是OEO所面臨的主要挑戰(zhàn)。

光倍頻技術(shù)： 該技術(shù)類似于傳統(tǒng)的數(shù)字波形產(chǎn)生，利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)基帶波形、然后利用光學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行倍頻（例如，在電光調(diào)制過(guò)程實(shí)現(xiàn)）和混頻（例如，利用相干拍頻實(shí)現(xiàn)）。該技術(shù)與傳統(tǒng)數(shù)字波形產(chǎn)生面臨相同挑戰(zhàn)、具有有限的“調(diào)諧帶寬÷噪聲”：為降低數(shù)字電路的難度而降低基帶波形帶寬，就需要多次倍頻、導(dǎo)致噪聲惡化；但倍頻次數(shù)降低又增加數(shù)字電路帶寬，其噪聲受電子瓶頸的限制仍然增大。

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基于飛秒激光器的微波頻率合成

除了上述三種典型的光生微波技術(shù)，基于飛秒激光器、尤其是超短脈沖光纖激光器的高純度微波生成方案，近年來(lái)也開始引起世界級(jí)研究單位的重點(diǎn)關(guān)注。該研究當(dāng)前尚不如上述三種技術(shù)廣泛，這里做更加詳細(xì)的介紹。

飛秒激光器的輸出，在時(shí)域上表現(xiàn)為重復(fù)頻率在百M(fèi)Hz量級(jí)、脈沖持續(xù)時(shí)間從幾十飛秒到幾百飛秒的高穩(wěn)定、高相干性窄脈沖序列，若經(jīng)過(guò)平方檢波的理想光電探測(cè)器，其輸出將包含從激光器基頻開始、一直到THz以上的各階諧波。在頻域上，激光器的輸出則表現(xiàn)為以基頻為間隔的光學(xué)頻率梳，覆蓋了THz以上的光波頻段，任意兩個(gè)梳齒的混頻可以覆蓋未來(lái)絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)微波/毫米波信號(hào)源的頻段需求。而且，所有諧波振蕩均穩(wěn)定存在，對(duì)其中任意頻率的“挑選”并不涉及類似OEO那樣從噪聲重新起振的過(guò)程，因而頻率捷變的速率在理論上可以很高。

在相位噪聲性能上，飛秒激光器所生成的微波振蕩也毫不遜色于已被廣泛認(rèn)可的OEO，在理論上甚至優(yōu)于后者。下圖表示了傳統(tǒng)電子或光子倍頻技術(shù)、微波振蕩直接產(chǎn)生技術(shù)（包括OEO、DRO等）、以及基于飛秒激光器的“分頻產(chǎn)生”技術(shù)在相位噪聲性能方面的對(duì)比。從倍頻產(chǎn)生到直接產(chǎn)生、再到分頻產(chǎn)生，微波振蕩將具有越來(lái)越低的理論相位噪聲極限。

眾所周知，倍頻將導(dǎo)致相位噪聲的惡化。OEO或者DRO技術(shù)直接在目標(biāo)微波頻率（GHz到幾十GHz）處產(chǎn)生振蕩，避免始于低參考頻率（一般為幾十MHz）的高次倍頻，因而相位噪聲較倍頻技術(shù)大大壓縮。基于飛秒激光器的頻率合成延續(xù)了這一思路：依賴光巨大的帶寬資源，飛秒激光器包含了THz到幾百THz的參考振蕩，而目標(biāo)微波頻率是上述振蕩的某個(gè)分頻；在分頻過(guò)程中，超高頻率振蕩的相位噪聲反而被壓縮，因而飛秒分頻技術(shù)較OEO等直接振蕩方案具有更低的相位噪聲理論極限。該思路于2011年首次由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）提出（見下左圖），直接將500 THz的光頻振蕩通過(guò)飛秒激光器分頻到10 GHz，分頻比例達(dá)到5×10?之高；實(shí)現(xiàn)的微波相噪在1 Hz頻偏處可達(dá)到-104 dBc/Hz，在10 kHz頻偏處已經(jīng)接近光散粒噪聲極限，同時(shí)又具備極高的頻率穩(wěn)定性（相對(duì)頻率誤差1秒平均值小于8×10?1?）。

德國(guó)電子加速研究中心/美國(guó)MIT大學(xué)Franz X. K?rtner教授研究組（以低抖動(dòng)飛秒激光器和阿秒量級(jí)長(zhǎng)距離同步等研究聞名）及其后續(xù)工作、以及美國(guó)OEWave公司（OEO技術(shù)的起源地之一）等延續(xù)了這一思路，但將被分頻率從光頻降低至幾十THz以下，即飛秒激光器既是分頻器、又包含了超高頻率的參考振蕩；省略參考光頻率、實(shí)現(xiàn)裝置得到極大簡(jiǎn)化，但性能降低卻不多：產(chǎn)生的10 GHz微波振蕩在10 kHz頻偏處的相位噪聲為-142 dBc/Hz。2014年意大利的光子網(wǎng)絡(luò)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家雷達(dá)和防務(wù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在Nature主刊首次報(bào)道的微波光子相參雷達(dá)，也從飛秒激光器內(nèi)豐富的光頻資源中提取跨波段的微波本振（見下右圖）。