基于光子技术的宽带射频信号产生研究

李森

中电科仪器仪表有限公司 山东青岛 266555

现代科技的进步与对电磁信号的发展和应用密切相关。麦克斯韦提出了统一的电磁学基础的同时，也开启了对电磁信号的应用的大门。电磁信号在能源、通信、生物医学、制造业、基础科研方面的广泛应用深切地影响了社会的形态。尤其在通信领域，电磁信号作为现代通信的重要物质基础。从第一条跨大西洋的无线通信，到现今方兴未艾的万物互联，对电磁信号的应用日益深入我们的日常生活。射频／微波信号的应用使得我们实现高速率的无线通信；激光的发明和使用为低成本、远距离、高速率的通信，以及基础物理和工业制造提供了重要的技术；高能的电磁粒子在医学上的应用让我们获得治疗癌症有效手段。近些年，针对太赫兹频段的电磁信号的研究和应用有望为我们提供更丰富的技术手段[1]。

1 射频信号的表征及其光子学产生技术

在对射频进行广泛的运用过程中，如何评估信号的质量是至关重要的。不同的应用场景对信号的质量有不同要求。在微波炉中，交变的电磁场只是为了使得食物中极性分子的发生高频振动，其频谱纯度无关紧要。在通信系统中，载波的纯度影响着通信的速率，高速的无线通信要求高纯度的载波信号。而在雷达系统中，为了获得追踪目标的精确的位置信息和速度信息，对射频信号的频谱纯度要求则更高。相比传统的基于电子学技术，基于光子学技术不但可以产生微波、毫米波、甚至太赫兹频段的高频电磁信号。除了其宽频带的特性之外，基于光子学技术产生得到的信号更因其低相噪的特性而广受关注。光子学技术产生微波信号的方法有很多种，不同的技术方法具有不同的应用场景，得到不同的信号质量。基本上可以下几种：光学振荡器、光学技术辅助的射频振荡器、光学技术辅助的倍频分频外调制技术、以及基于光学非线性的布里渊散射[2]。

2 基于飞秒激光器的低相噪宽带可调射频信号源

基于飞秒激光器的光生微波源被证明是目前频率稳定度最高的微波频率源，其相对频率稳定度可达量级。获得高频率稳定度的基本思路是将高频光频的频率稳定度传递到微波频段。我们在上一章节中指出，相同的频率稳定度下，频率越低，其相位噪声越低。因而，当光信号的频率稳定度通过一定的技术手段传递到微波时，其相位抖动得到了极大的压缩。获得高质量的微波信号的前提是获得稳定的光频梳以及在光生微波中引入最小的噪声。其中光生微波中噪声主要以AM-PM 稱合噪声为主，NIST、巴黎天文台、以及德国电子加速研究中心等提出了有效抑制AM-PM 耦合噪声的技术手段并实现了超低相位噪声的微波信号产生。但这些系统往往较为复杂、且造价高昂。而其中引入的锁相环等链路更是限制了系统调谐的带宽范围以及其调谐速度。在本章，我们提出一种频率变换对的技术，以实现对光生微波信号的低相噪提取过程。基于频率变换对的光生微波信号技术具有高效的AM-PM 抑制、宽带的调谐性、以及快速的调谐速度等诸多优点[3]。

3 PM耦合噪声及其抑制技术

强度调制-相位调制（AM-PM）、相位调制-强度调制（PM-AM）之间的相互转化会发生在任何对相位非线性响应的链路或者器件中。典型的包括：激光器的相位噪声经过长距离的色散光纤传播之后会转化为激光器的RIN（AM-PM）；激光器的强度抖动通过饱和PD探测会转换为射频信号相位上的抖动（AMPM）；射频信号的幅度抖动经过射频放大器放大之后会引入相位调制（AM-PM）这里我们主要讨论在对超短光脉冲进行探测过程的AM-PM 转化的问题。

在理想条件下，PD 对光信号的探测过程是平方探测，在光的振荡转换为电信号的振荡时，其PD 产生的电流信号的大小正比于瞬时入射光信号的功率。在通常情况下，该过程只考虑到的噪声包括探测器的热噪声、散弹噪声、以及光源的RIN。一般上认为热噪声与散弹噪声都是白噪声，即在频域均匀分布时，其引起的幅度噪声和相位噪声均等。热噪声的大小与器件的工作温度相关而与入射的功率无关，在室温条件下，通常可以忽略。散弹噪声与入射光功率线性相关，在一般的探测过程中，由于信号的功率与光功率是平方相关的，因此提高光功率有利于相对压缩散弹噪声，在超短脉冲的探测过程，散弹噪声更是被证明是极小的，甚至比室温下的热噪声还小。光源的RIN 与入射光功率也是平方的关系，但这部分噪声通常只是引起信号幅度上的波动，而对信号的相位没有影响。因此，在理想条件下的PD 探测过程可以简单地认为是光的下变频过程，光脉冲的功率包括在电域上能够得到完全的再现。

4 结语

在基于飞秒激光器的光生微波方面，频率变换对的提取方案在带宽、调谐速度以及成本方面虽具有明显的优势，但是其产生的信号仍为CW、单频微波信号。飞秒激光器具有极为丰富的频谱资源，如何更有效地利用这些频谱资源仍是光生射频信号技术的研究重点。基于STM、FTM 等技术手段在一定程度上整合并利用了这些频谱资源，但是其技术手段仍显得简单，其重构性也远不足满足目前电子系统的需求。未来的研究方向应在如何对飞秒频梳中频谱资源的精准操控以实现任意形式的信号产生。