基于光纤环路的光电振荡器研究进展*

曾永福，范 浩

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004）

0 引言

随着通信技术的发展，航天系统、雷达系统、电子对抗系统以及遥感遥测系统等应用领域对微波源的信号质量提出了更高的要求。在这些系统的电子设备中，微波信号源作为关键器件，对实现设备功能有着举足轻重的作用。系统对微波源的指标要求主要包括无杂散动态范围、相位噪声以及频率稳定性等参数。传统的电子微波振荡器面对现代通信系统指标需求的提高，已经难以满足。在20 世纪60 年代以前，微波振荡器几乎全是由固体器件或者电真空微波器件制成，信号频率稳定性差，相位噪声差。之后由于晶体振荡器的发明带来了相关技术的快速进步，但是仍然不能产生频谱纯度高且功率大的高频振荡信号。

20 世纪70 年代，光通信技术的发展日益成熟，低损耗光纤和可常温工作的半导体激光器被成功研发，将现代通信技术扩展到了光领域，也推动了光通信技术与微波通信技术的融合发展，为微波振荡源的研究提供了新的方向。由于光通信相比于传统微波通信在传输速率、信号带宽、传输距离以及抗电磁干扰等方面优势明显，因此采用光学的辅助手法，用光纤、光器件和微波器件制造基于光电的微波振荡器成为近年来的研究热点。

2 光电振荡器基本组成和原理

光电振荡器（Opto-Electronic Oscillator，OEO）主要由一部分光学元件和一部分微波元件组成。其中：光学元件主要有激光源、光电调制器、光纤和光电探测器等；微波元件主要有电滤波器、电功分器和微波放大器等。图1 是一个基本的光电振荡器组成示意图，是一个最基础的光-电-光正反馈环路振荡器（本文中所有框图中实线代表光信号，虚线代表电信号）。

图1 光电振荡器基本组成

光电振荡器与其他振荡器的原理相似，不同的地方在于OEO 系统的谐振腔是由长光纤组成的储能环路构成，谐振腔的振荡频率由环路中的选频器件来选择，选频器件通常为电滤波器。OEO 系统的基本工作原理为：先由激光源产生连续光波信号，该光信号由调制器进行调制后进入一段长距离的光纤中传输到光电探测器，光电探测器拍频检波输出的电信号经过带通滤波器滤除带外杂散频率后，通过微波放大器实现功率放大，最终通过功分器分出1路信号回到调制器形成环路。OEO 是一个正反馈形式的环路，它的振荡信号是从环路的系统随机噪声中选择出来的。当环路在选择的频点处的增益大于起振阈值条件时，该频点的噪声信号将被循环放大，并最后实现稳定振荡。其余频段的噪声信号由于滤波器的滤波作用，环路增益小于阈值，所以最终不会被放大。因为光纤传输损耗很小，在1 550 nm波段小于0.3 dB/km，所以OEO 中可使用长距离光纤构成环路，以获得较好的储能时长，使得整个谐振腔的Q值得以提高而不会造成系统插损过大，进而不会引起起振。

OEO 的基本运算模型如图2 所示。当环路增益≥1 时，在任何频率满足（N为整数）处都会产生起振模式。其中τd为环路储能延时，为起振模式的间隔。OEO 的系统Q值和模式间隔由τd决定。τd越大，Q值越大，模式间隔越小，滤波器的选频难度越大，边模噪声越大。

图2 振荡器模型

3 改进型双环光电振荡器介绍

为了保持OEO 高Q 值的同时尽可能抑制边模噪声，2000 年姚晓天等在经典OEO 结构基础上提出了一种双环路结构的OEO，如图3 所示。

图3 双环路OEO 结构

该双环OEO 中，两根光纤中一根为长光纤，一根为短光纤，形成两个长度不同的谐振腔。系统中共用1个激光器、1个信号调制器和1条微波链路，但是使用2 条光链路和2 个探测器。调制后的光信号通过光分路器件分为两路，分别进入两个光纤环内进行传输，再由探测器生产电信号后进行合路。由于双环路的起振模式不同，因此只能当某个模式既满足长环起振条件又满足短环起振条件时，整个系统才能够实现起振，而其余模式则会被抑制消除，从而达到降低OEO 输出信号边模噪声的目的[1]。双环OEO 的选模原理如图4 所示。

图4 双环路OEO 起振模式选择

同样的，根据双环的思路还可以进一步增加多条不同长度的光纤环形成更多谐振腔的选频系统，理论上可以进一步提高边模抑制能力，但是这将会大大增加系统的复杂度。所以，双环的基本构型一直是OEO 研究的重点。经过多年的发展，各类基于双环OEO 的改进方案不断被提出。

2005 年，Zhou 等人提出了主从式注入锁定OEO 方案[2]，具体结构如图5 所示。该系统使用2套OEO，将长环OEO 的输出信号注入到短环OEO中锁定，既保持长环OEO 的高Q 值和低相噪优点，又兼具短环OEO 的边模噪声抑制性能。2011 年，Okusaga 等人在主从OEO 方案基础上进行改进，将单向注入改为主OEO 与从OEO 间进行双向注入锁定，实现了低的相位噪声和高的边模抑制比。在不增加1 kHz 范围内相位噪声的情况下，它实现了10 GHz 振荡信号的60 dB 最邻近模式边模抑制比指标[3]。但是，双环注入方案的不足在于系统结构复杂，温度控制难度大且成本较高。

图5 主从式注入OEO 结构

2007 年，天津大学的江阳等在《光学学报》发表文章，提出了一种基于光信号的偏振复用的双环OEO 结构，如图6 所示。这种双环OEO 没有增加其他有源器件，只是采用对偏振光进行分束和合束的方法实现光信号的偏振复用。由于采用了偏振复用的思路，两路光载波分别是两个不同的偏振态，在光域上正好正交，可以消除随机干涉和拍噪声的影响。经过实验对比，采用这种双环结构的光电振荡器可以把边模抑制比提高30 dB 以上[4]。

图6 基于光偏振复用的双环OEO 结构

2007 年，韩国延世大学的Lee K H 等人提出了光电混合环路构造的双环光电振荡器。这个方案使用了高Q 值的电环路来产生单模振荡。实验结果表明，该光电振荡器在30 GHz 处实现了边模抑制比大于50 dB，单边带在10 kHz 频偏处的相位噪声低于-100 dBc/Hz[1]。2008 年，以色列理工学院的Shumakher E 等人提出了基于波分复用的多环路光电振荡器，可以产生频率为10.2 GHz 的振荡信号，在10 kHz 频偏处的相噪为-108 dBc/Hz，边模抑制比达到约80 dB[5]。

4 其他研究进展

近年来，基于光纤环路的光电振荡器依然在朝着降低相位噪声、提高频率稳定性等方面开展研究工作，包括基于相位调制的可调光滤波器、波分复用以及受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）等，下面将分别介绍这些工作。

2013 年，北京大学的Xie X 等人提出了一种基于宽带相位调制器和可调光滤波器的OEO 结构，可对信号频率进行调谐[6]，如图7 所示。频率调谐方法是通过调节光子带通滤波器改变其选频特性，从而实现起振模式的改变。该OEO 结构实现了高质量的微波振荡信号的产生，输出频率可调范围从几个GHz 可以到几十个GHz。

2015 年，天津大学的贾石等人提出了一种基于波分复用，采用了不同波长的新颖的双环光电振荡器[7]，如图8 所示。由两个激光源分别产生两束不同波长且输出功率大致相等的连续光信号，经过波分复用器的合波和分波后，两路光分别进入光纤1和光纤2 进行传输。由于采用了不同波长的双环结构，产生的微波振荡源信号几乎没有拍频噪声。锁相环模块输出的反馈信号会带来光纤拉伸器里光纤长度的微小改变，从而抵消OEO 腔长的变化，使起振频率稳定，不受腔长漂移影响。

图7 基于可调光滤波器的OEO 结构

图8 波分复用双环路结构OEO 实验装置

2015 年，北京大学的Peng H 等人利用双环路和双激光器的结构实现了光电振荡器频率的可调性[8]。其中，一个激光源作为信号光，另一个激光源作为泵浦光。通过直接调节泵浦光的波长，实现了微波振荡信号在极宽频率范围内的可调谐。通过双环路方式，提升了微波振荡信号的功率和频率的稳定性。2017 年，他们又利用相位调制和SBS 实现了一个可调的单通带的微波光子滤波器（Microwave Photonic Filter，MPF），并实现了光电振荡器的频率可调性[9]。该方案实现了7～40 GHz 范围内的微波信号频率可调谐。

2017 年，大连理工大学的Han X Y 等人提出了同时基于偏振复用和SBS 的双环路光电振荡器[10]。该OEO 的输出频率可通过改变泵浦光或信号光的波长来调节。SBS 有两个功能：一是将相位调制信号转换为强度调制信号；二是选择OEO的起振模式。偏振复用的双环路则是用来抑制边模的游标效应。

2019 年，大连理工大学的范峰等人提出了一种基于SBS 和耦合型双环的可调谐光电振荡器[11]，方案如图9 所示。信号激光器和泵浦激光器采用不同的波长，其频率的差值能够在受激布里渊频移处产生频带极窄的增益谱，可以实现调制信号的放大。该方案产生的微波振荡信号可以实现2～18 GHz范围内频率可调谐。

图9 基于SBS 和耦合型双环的OEO 结构

5 结语

在OEO 的早期研究中，研究人员一般采用电域的带通滤波器作为振荡模式选择器，以产生微波振荡信号，但是电域带通滤波器的中心频率一般是固定的，使得光电振荡器的可调谐性受到了极大限制。为了实现振荡频率的自由调谐，研究人员陆续提出了许多新方案，大部分是用光域带通滤波器替代电域带通滤波器，包括添加注入锁定FP 激光器改变腔长度[12]、利用偏振控制器调节偏振态[13]以及直接利用可调谐光滤波器[14]等。这些方案可不同程度实现光电振荡器的频率可调谐。

近年来，基于光纤环路的OEO 研究朝着提高频率稳定性和降低相位噪声方向开展了大量工作，且已取得一定进步。目前，比较集中的研究方向包括受激布里渊散射、偏振复用、波分复用、相位调制和可调光滤波器等方面。可以预见，在不久的将来，基于光纤环的光电振荡器依然是研究热点，并有望在商业实用化方面取得更大的进展。