基于光电振荡器的参量感知技术①

邱纪琛，祝艳宏，金晓峰，肖 康

(浙江大学信息与电子工程学院，杭州 310007)

0 引言

光电振荡器(Optoelectronic oscillator,OEO)是一种由光载射频链路和电学正反馈回路组成的混合系统，凭借其低相噪，高Q值的优势，正成为在毫米波段中综合性能最好的振荡器之一。尤其是在射频测量、电子对抗、卫星导航等领域[1-22]，光电振荡器和传统石英晶体振荡器相比，能大幅提升电子系统的时钟信号质量，在射频信号的接收、参量感知方面具有巨大潜力。本文通过调研基于光电振荡器的射频信号接收以及动静参量传感器等感知技术的发展现状，为我国军工技术的快速发展提供参考。

1 光电振荡器的低相噪产生技术

光电振荡器是一种可以将激光能量转化为射频微波能量的新型振荡器，能产生低相噪，高稳定性的射频信号。最早的结构由X.S.Yao等人提出[2]，如图1所示，OEO环路主要由激光器、电光调制器、低损耗光纤、光电探测器、微波带通滤波器、低噪声放大器组成。光信号经过电光调制后经过光纤环路注入光电探测器，再由光电探测器拍频输出电信号，电信号再经过放大，带通滤波，移相返回至电光调制器射频口。一旦满足振荡器的幅度和相位起振条件，OEO就可以输出高质量的特定频率的射频信号。由于微波频率远低于光频率，低损耗光纤的储能性能不易受到微波频率波动的影响，因此可以输出几十GHz甚至几百GHz的稳定振荡信号。正因为这些优势，OEO开始逐步取代传统振荡器应用在各种高精领域。

图1 光电振荡器原理图

相位噪声是衡量OEO性能的重要指标之一，最初研究人员一般选用长光纤提供更长的储能时间，提升OEO的Q值，降低相位噪声。但是长光纤也会减小模式间隔，降低频谱的纯净度。降低OEO相噪还可以采取多种方法，其一就是采取注入锁定方法[4]。注入锁定式OEO是在单环OEO结构的基础上，在振荡环路注入一个与OEO自由振荡频率接近，但幅度远小于振荡主模的射频信号。由于电光调制器的非线性引起的竞争效应，会抑制其他振荡模式，保留主模，最终振荡器锁定在注入频率附近。在基于注入锁定型OEO中，由于利用高稳参考注入信号，如：高稳晶振、原子钟及其他高稳射频源等，可以显著提高OEO的长期稳定性，使得在近载频处相噪由外部注入信号相噪决定，而远载频处相噪由OEO自由振荡的相噪决定，从而降低了整体系统的近载频处相噪，避免跳模现象。国内外针对注入锁定型OEO也进行了深入的研究，其中比较典型的有Abhijit Banerjee等人[13]对注入锁定的动态过程进行了详细分析，较为清楚地揭示了注入锁定在OEO中的锁相以及频率牵引机制，并且讨论了不同强度射频信号对于OEO锁相效果的影响。降低OEO相噪的第二种方法是采取耦合型光电振荡器结构(Coupled Optoelectronic oscillator, COEO)[5,14,15]。COEO是由光放大器的自发辐射产生初始光信号，经过选频、放大形成一系列等频率间隔的光纵模。一部分光信号再经由耦合器引出，提供OEO振荡所需能量。光信号再经过光电转换、低噪放大、带通选频，产生光生电信号耦合至电光调制器射频口，形成OEO振荡环路。由于谐波锁模效应，经过若干周期循环后，不满足锁模条件的纵模将被抑制，满足锁模条件的纵模线宽变窄，相位趋于同步，振荡器的Q值也因此提升，从而降低相噪。降低OEO相噪的第三种措施是利用锁相环电路[16,17]补偿OEO环路中的长光纤受温度、应变所引发的相位漂移，从而提高输出振荡信号的稳定性，避免跳模现象的产生。通过比较参考信号与OEO的输出信号之间的相位，产生相位误差电压进而调整光学补偿器从而改变光域传输的射频信号相位，直至OEO输出信号的相位与参考信号之间的相位差保持常数。通过稳相的方法，提高OEO的相噪性能与稳定性。

2 基于光电振荡器的静态量传感研究

近年来，随着我国科技水平的不断进步，越来越多的温度、应力传感设备在核电、桥梁堤坝建设、电力电网等基础工业中，发挥着重要作用，这也对传感器的稳定性提出了更高的要求。OEO以光栅、光纤作为敏感元件，具有更好的耐腐蚀安全性，凭借更好的抗电磁干扰能力，已经开始逐步代替传统传感器件投入到工业领域使用。在2008年基于OEO的温度传感器首次被提出[8]后，研究人员对其折射率、长度等参数也进行了深入研究。但目前已发表的基于光电振荡器的传感器解调方法较为单一，稳定性较差。在此背景下，课题组设计了基于单环结构的低相噪光电振荡器的温度传感器[11]，对其误差，灵敏度，解调范围进行了深入研究，克服了传统OEO可能存在的跳模、动态范围较小以及低频温度漂移带来的相噪恶化等问题。

2.1 基于单环光电振荡器的温度传感器

随着外界温度的变化，光纤的折射率以及长度也会发生相应改变，OEO的振荡频率也会发生变化。基于这项特性，基于单环OEO的温度传感器结构也随之提出，其结构如图2所示[11]。光电振荡环路生成的振荡信号与本振下变频后由ADC采集，并进行快速傅里叶计算得出光电振荡环路的频率。此外，整个系统还通过第一章的外部注入锁定方法，稳定光电振荡环路初始振荡频率，避免出现跳模现象，减小实验系统误差。当待测温度ΔT变化时，OEO的频率变化量Δf如式(1)所示，其中α表示热膨胀系数，ξ表示热光系数，Lh表示传感光纤长度，L表示OEO环路长度。可见频率与温度变化量是线性关系，因此很容易解调出温度数据。

(1)

实验结果如图3所示，图3(a)显示当温度从20 ℃线性增加到240 ℃时，光电振荡器的振荡频率随着温度的升高而线性下降，根据实验结果拟合的曲线线性度为2.18%，其灵敏度为-43.91 kHz/℃。而图3(b)则记录了光电振荡器在不同温度下10分钟内的频率波动，并且转化为对应的温度测量精度。实验结果表明，OEO最大频率波动在±5.5 kHz内，测量不确定度为±0.12 ℃，频率波动随温度变化不大。考虑到光纤加热器的温度精度只有0.1 ℃，这表明该温度传感器已具备较高精度。

图2 基于光电振荡器的温度传感器结构图

(a)振荡频率随温度变化图 (b)不同温度下振荡频率波动及对应不确定度

2.2 基于受激布里渊散射光电振荡器的温度传感器

受激布里渊散射是指，当注入光纤中的光功率达到一定阈值时，会产生频率高于泵浦光的反斯托克斯光以及频率低于泵浦光大约9 GHz-12 GHz的斯托克斯光，而低频的斯托克斯光功率远大于反斯托克斯光功率。斯托克斯光边带带宽大约几十MHz，且会随温度发生变化，因此基于受激布里渊散射的光电振荡器(Simulated Brillouin Scattering Optoelectronic Oscillator，BOEO)可以应用于温度传感领域[18]。

基于BOEO的温度传感器结构如图4所示[9]，激光器输出连续光经光耦合器分成两路，其中一路经掺饵光纤放大器放大，进入环形器1端口作为高功率泵浦光，用以激发光纤中的布里渊散射，产生对温度敏感的斯托克斯光边带。另一路光信号经过扰偏器消除偏振态后，注入环形器2端口，构成光电振荡环路。输出的振荡信号经频谱仪解调其频率，得到待测温度。理论上根据式(2)可知，布里渊频移与温度和应变均相关。但应变灵敏度 远小于温度灵敏度 ，其对实验结果影响可忽略。计算可得温度灵敏度约为1 MHz/℃，相比于单环OEO的温度传感器提高了10倍。

Δf=CεΔε+CTΔT

(2)

图4 基于受激布里渊散射OEO 的温度传感器原理图

实验结果如图5所示，为BOEO在不同温度下振荡的频谱图，可见其具有较好的单模振荡特性，BOEO的振荡频率随温度的升高而线性增大，随温度变化的灵敏度达到了997.67 kHz/℃，与理论值1 MHz/℃十分吻合。因为在解调时还加入了锁相环电路，BOEO并未出现跳模现象，因此解调结果线性度较好。

(a)BOEO振荡频率与温度间的关系

(b)不同温度下BOEO的振荡频谱

2.3 基于光电振荡器的应变传感器

为了解决OEO在工作时，由于光纤环路的应变带来的低频抖动甚至跳模等现象。课题组提出了一种基于锁相跟踪解调的应变传感器。该传感器的设计思路是，虽然每次实验时光纤应变引起的频率变化量是不同的，但可以通过锁相环控制电控移相器实时抵消应力带来的频率抖动，使得光电振荡器的输出频率始终锁定在外部本振频率。因此，移相器控制电压的变化就对应着光纤的应变。控制电压的变化可以通过计算机解调出来，进而解调得到应变信号。

应变传感器的结构如图6所示[10]，激光器输出连续光进入偏置在正交点的强度调制器，输出的调制光经由用于应力传感的单模光纤注入光电探测器，转化为电信号。光生电信号再经过窄带带通滤波、低噪放大后输入至电控移相器的输入端。移相后的电信号由3 dB功分器分为两路，一路与本振信号鉴相后经过低通滤波生成移相器的压控信号，该压控信号也作为解调的输出信号。功分器的另一路则输入至强度调制器的射频口闭合光电振荡环路。

图6 基于锁相跟踪解调的应变传感器结构图

控制电压与应变大小的关系如图7(a)所示，控制信号的电压随着应变的增大而线性增加，且实验中的数据点都落在直线上，解调线性度较高。同时对光纤施加了190.48 με应变时，测量移相器的长时间稳定性的结果如图7(b)所示，在160分钟内的电压波动范围为±2.3 mV，对应着±2 με的测量不确定度，说明振荡频率具有较高稳定性。图7(b)中小图显示了1秒钟内的移相器控制电压波动情况，可知其短期内波动为±1 mV，对比长期波动可知，该传感器测量中的环境温漂很小，应变引起的频率波动占主导地位，实验结果较为可靠。

(a)电移相器控制电压随应变大小关系图

(b)应变为190.48 με时电移相器控制电压的稳定性

3 基于光电振荡器的振动传感研究

高动态、高灵敏度的振动传感器在地震监测、水声探测等领域有着广阔的应用前景。传统的光学振动传感器诸如光纤光栅、萨格纳克干涉仪等，存在着灵敏度较低，解调系统复杂等缺点。其中，基于光纤光栅的振动传感器其典型的最小可检测动态相移大约为上百μrad[21]，而传统干涉仪型传感器典型的最小检测动态相移为数十μrad[22]。凭借着极低的相位噪声以及振荡频率与振动量的线性关系，光电振荡器在众多传感技术中脱颖而出。课题组在前人工作的基础上，设计了一款高灵敏度的基于相移载波光电振荡器的振动传感器。

(3)

·cos[ωct+φm(t-τ)]

(4)

图8 基于相移载波调制OEO的振动传感器原理图

经过实验测试，施加1 kHz，5.5 V与10 kHz，1.25 V的驱动信号均可使压电陶瓷环产生1000 μrad的相移，经过一个小时的热稳定后，对1 kHz与10 kHz两个频点处进行解调分析。使用信号分析仪的时域解调结果如图9所示，在1 kHz信号解调时，OEO频偏的峰峰值在±1 Hz左右，对应相位1000 μrad。10 kHz信号调制时，振荡频偏的峰峰值为±10 Hz，同样对应相位1000 μrad，两个频点解调结果与压电陶瓷环施加相移量一致。

对图9的时域信号加汉明窗经过FFT变换得到的频谱如图10所示。1 kHz信号的信噪比达到64.6 dB，当信噪比降低到0 dB时，对应的最小检测量为0.58 μrad；而10 kHz信号的信噪比达到73.4 dB，其对应的最小检测量为0.21 μrad，这个结果要比传统的光学干涉仪得到的最佳解调灵敏度优1个量级以上。

(a)1 kHz信号解调时域波形

(b)10 kHz信号解调时域波形

图10 在1000μrad振动下，解调信号频谱图

4 基于OEO的射频信号接收

射频接收机是无线通信系统中重要的组成部分之一。为了满足5G通信大带宽，高速率的性能指标，传统的电子学射频接收机需要更高的载波频率来提升带宽，但这也会增加系统的成本和能量损耗。近年来，新型的光子射频接收机凭借其损耗低、频带宽、容量大等优点有望成为新型接收机的解决方案[12，19，20]。

4.1 基于OEO的光子外差接收机

在实验时，调节可调带通滤波器的控制电压，使得本振频率从小到大变化。当相调制的待测射频信号频率ωRF等于本振频率ωRF加中频滤波器的中心频率时，由式(5)可知，模数转换器(Analog-Digital converter, ADC)可以监测到中频信号。并且根据本振信号和中频信号的各参数，就可以算出待测信号的幅度和频率。

(5)

图11 基于单边带可调OEO的射频接收机原理图

在基于单边带可调OEO射频接收机结构中，在底噪为-148 dBm/Hz的实验条件下，系统SFDR为73.8 dB·Hz2/3，10.1GHz处最小可探测射频功率为-84.6 dBm。为了验证系统的宽带信号解调能力，在相位调制器上调制载波频率10.1 GHz，波特率30 Mbps的QPSK矢量信号，解调后的信号误差矢量幅度(EVM)为10.3%。

为了提高中频信号接收效率与结构集成度，如图12所示的改进结构中，使用单个双电级调制器，其中一个射频口用作待测射频信号输入，另一个射频口则用来闭合OEO环路，产生本振信号。为了尽可能提高接收机的转换效率和杂散抑制能力，双电级调制器需要偏置在最小点，同时为了满足起振条件，还需要加入光放大器和电放大器来提供增益。在底噪为-135 dBm/Hz的实验条件下，系统三阶SFDR为98 dB·Hz2/3，最小可检测射频功率为-114.8 dBm。在同样的宽带矢量信号测试条件下，信号解调误差矢量幅度降低至5.5%。

图12 基于双电极调制器的光子射频扫描接收机原理图

4.2 基于光电振荡器的镜频抑制接收机

外差式接收机凭借其大动态范围、高灵敏度以及低杂散的优势在雷达、卫星通信、电子对抗等系统中广泛应用。但外差式接收机最大的问题是容易受到镜频信号的干扰，接收到的中频信号叠加上镜频信号噪声会导致解调信号的质量恶化。因此，抑制镜频信号产生的中频信号，保留期望信号的中频信号在现代通信系统中格外重要。由于电子学的镜频抑制接收机受限于工作带宽和频率，基于微波光子学的镜频抑制系统成为更有前景的解决方案。Li Peixuan等人曾在2017年提出了一种基于偏振控制器和相位调制器的镜频抑制方案[8]，然而这种方案会引入受偏振影响的相差，恶化了系统相噪特性。2019年，课题组提出了一种利用光电振荡器作高稳本振源，实现镜频抑制的新型镜频抑制光子接收机方案[7]。

图13所示的为基于双电级调制器的镜频抑制光子接收机结构图。其中激光器输出窄线宽激光，经由一段保偏光纤输入至双电级调制器(DEMZM)，用来调制射频信号和本振信号。输出的光信号经光耦合器分成两路，其中一路光经过一段单模光纤后，注入光电探测器转化为电信号。该路光生电信号再经过带通滤波、放大，反馈至DEMZM的射频口，形成光电振荡环路。光耦合器输出的另一路光信号，则送入Waveshaper进行处理。Waveshaper的两个通道分别设置为不同中心波长的带通光滤波器，输出起始光信号的上、下边带信号。上、下边带两路光信号再分别输入至两路光电探测器转化为电信号，这两路电信号再经过正交耦合器以及低通滤波，从而构成镜频抑制光子接收机。

图13 基于双电极调制器的镜频抑制光子射频接收机原理图

(a)0.85 GHz II 和IF 信号正交合成后的时域波形

(b)0.85 GHz II 和IF 信号正交合成后的频谱图

为了验证该结构的镜频抑制性能，在DEMZM上输入13.15 GHz镜频信号。图14(a)为射频信号和镜频信号下变频后输出的IF和II信号正交合成的时域波形。IF信号幅度为69.1 mV，而II信号仅为0.5 mV。图14(b)所示的则是IF和II信号的频谱图，可以看到，IF信号功率为-13.2 dBm，而II信号功率小于-55.8 dBm，这表明该结构实现的镜频抑制比达到42.6 dB。

为了检测对宽带信号的抑制能力，在DEMZM调制上载频14.85 GHz，波特率大小为30 Mbps的QPSK矢量信号。光电振荡器产生14 GHz的本振信号，其镜像频率为13.15 GHz，中频信号为0.85 GHz。图15(a)和图15(b)分别为射频和镜频解调后的星座图，可以看到射频信号解调后的星座图较为清晰，EVM仅为6.2%，而镜频信号的已经无法解调，说明该结构对宽带信号同样有很好的镜频抑制能力。

(a)射频信号解调后的星座图

(b)镜频信号解调后的星座图

5 结论

针对航天系统信号参量感知的应用需求，文章介绍了几种基于低相位噪声光电振荡器的几种新型参量感知技术。实验验证了基于光电振荡器的高精度温度、大范围应变传感器，高灵敏微弱振动信号检测器以及具有镜频高度抑制的射频信号外差接收机。随着低相噪、高稳定、高集成化、可调谐等技术的发展，未来基于低相噪光电振荡器的参量感知必将在我国航天等国防领域有广泛的应用。

致谢

本文的部分研究工作得到中国卫星海上测控部赵文华研究员、丛波高工以及西安空间无线电技术研究所谭庆贵博士、王国永博士等同志的合作支持，在此深表谢意。