基于光子技術(shù)的寬帶射頻信號(hào)產(chǎn)生研究

李森

中電科儀器儀表有限公司 山東青島 266555

現(xiàn)代科技的進(jìn)步與對(duì)電磁信號(hào)的發(fā)展和應(yīng)用密切相關(guān)。麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，也開啟了對(duì)電磁信號(hào)的應(yīng)用的大門。電磁信號(hào)在能源、通信、生物醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、基礎(chǔ)科研方面的廣泛應(yīng)用深切地影響了社會(huì)的形態(tài)。尤其在通信領(lǐng)域，電磁信號(hào)作為現(xiàn)代通信的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。從第一條跨大西洋的無(wú)線通信，到現(xiàn)今方興未艾的萬(wàn)物互聯(lián)，對(duì)電磁信號(hào)的應(yīng)用日益深入我們的日常生活。射頻／微波信號(hào)的應(yīng)用使得我們實(shí)現(xiàn)高速率的無(wú)線通信；激光的發(fā)明和使用為低成本、遠(yuǎn)距離、高速率的通信，以及基礎(chǔ)物理和工業(yè)制造提供了重要的技術(shù)；高能的電磁粒子在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用讓我們獲得治療癌癥有效手段。近些年，針對(duì)太赫茲頻段的電磁信號(hào)的研究和應(yīng)用有望為我們提供更豐富的技術(shù)手段[1]。

1 射頻信號(hào)的表征及其光子學(xué)產(chǎn)生技術(shù)

在對(duì)射頻進(jìn)行廣泛的運(yùn)用過(guò)程中，如何評(píng)估信號(hào)的質(zhì)量是至關(guān)重要的。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)信號(hào)的質(zhì)量有不同要求。在微波爐中，交變的電磁場(chǎng)只是為了使得食物中極性分子的發(fā)生高頻振動(dòng)，其頻譜純度無(wú)關(guān)緊要。在通信系統(tǒng)中，載波的純度影響著通信的速率，高速的無(wú)線通信要求高純度的載波信號(hào)。而在雷達(dá)系統(tǒng)中，為了獲得追蹤目標(biāo)的精確的位置信息和速度信息，對(duì)射頻信號(hào)的頻譜純度要求則更高。相比傳統(tǒng)的基于電子學(xué)技術(shù)，基于光子學(xué)技術(shù)不但可以產(chǎn)生微波、毫米波、甚至太赫茲頻段的高頻電磁信號(hào)。除了其寬頻帶的特性之外，基于光子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生得到的信號(hào)更因其低相噪的特性而廣受關(guān)注。光子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生微波信號(hào)的方法有很多種，不同的技術(shù)方法具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景，得到不同的信號(hào)質(zhì)量。基本上可以下幾種：光學(xué)振蕩器、光學(xué)技術(shù)輔助的射頻振蕩器、光學(xué)技術(shù)輔助的倍頻分頻外調(diào)制技術(shù)、以及基于光學(xué)非線性的布里淵散射[2]。

2 基于飛秒激光器的低相噪寬帶可調(diào)射頻信號(hào)源

基于飛秒激光器的光生微波源被證明是目前頻率穩(wěn)定度最高的微波頻率源，其相對(duì)頻率穩(wěn)定度可達(dá)量級(jí)。獲得高頻率穩(wěn)定度的基本思路是將高頻光頻的頻率穩(wěn)定度傳遞到微波頻段。我們?cè)谏弦徽鹿?jié)中指出，相同的頻率穩(wěn)定度下，頻率越低，其相位噪聲越低。因而，當(dāng)光信號(hào)的頻率穩(wěn)定度通過(guò)一定的技術(shù)手段傳遞到微波時(shí)，其相位抖動(dòng)得到了極大的壓縮。獲得高質(zhì)量的微波信號(hào)的前提是獲得穩(wěn)定的光頻梳以及在光生微波中引入最小的噪聲。其中光生微波中噪聲主要以AM-PM 稱合噪聲為主，NIST、巴黎天文臺(tái)、以及德國(guó)電子加速研究中心等提出了有效抑制AM-PM 耦合噪聲的技術(shù)手段并實(shí)現(xiàn)了超低相位噪聲的微波信號(hào)產(chǎn)生。但這些系統(tǒng)往往較為復(fù)雜、且造價(jià)高昂。而其中引入的鎖相環(huán)等鏈路更是限制了系統(tǒng)調(diào)諧的帶寬范圍以及其調(diào)諧速度。在本章，我們提出一種頻率變換對(duì)的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光生微波信號(hào)的低相噪提取過(guò)程。基于頻率變換對(duì)的光生微波信號(hào)技術(shù)具有高效的AM-PM 抑制、寬帶的調(diào)諧性、以及快速的調(diào)諧速度等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

3 PM耦合噪聲及其抑制技術(shù)

強(qiáng)度調(diào)制-相位調(diào)制（AM-PM）、相位調(diào)制-強(qiáng)度調(diào)制（PM-AM）之間的相互轉(zhuǎn)化會(huì)發(fā)生在任何對(duì)相位非線性響應(yīng)的鏈路或者器件中。典型的包括：激光器的相位噪聲經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的色散光纖傳播之后會(huì)轉(zhuǎn)化為激光器的RIN（AM-PM）；激光器的強(qiáng)度抖動(dòng)通過(guò)飽和PD探測(cè)會(huì)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)相位上的抖動(dòng)（AMPM）；射頻信號(hào)的幅度抖動(dòng)經(jīng)過(guò)射頻放大器放大之后會(huì)引入相位調(diào)制（AM-PM）這里我們主要討論在對(duì)超短光脈沖進(jìn)行探測(cè)過(guò)程的AM-PM 轉(zhuǎn)化的問題。

在理想條件下，PD 對(duì)光信號(hào)的探測(cè)過(guò)程是平方探測(cè)，在光的振蕩轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的振蕩時(shí)，其PD 產(chǎn)生的電流信號(hào)的大小正比于瞬時(shí)入射光信號(hào)的功率。在通常情況下，該過(guò)程只考慮到的噪聲包括探測(cè)器的熱噪聲、散彈噪聲、以及光源的RIN。一般上認(rèn)為熱噪聲與散彈噪聲都是白噪聲，即在頻域均勻分布時(shí)，其引起的幅度噪聲和相位噪聲均等。熱噪聲的大小與器件的工作溫度相關(guān)而與入射的功率無(wú)關(guān)，在室溫條件下，通常可以忽略。散彈噪聲與入射光功率線性相關(guān)，在一般的探測(cè)過(guò)程中，由于信號(hào)的功率與光功率是平方相關(guān)的，因此提高光功率有利于相對(duì)壓縮散彈噪聲，在超短脈沖的探測(cè)過(guò)程，散彈噪聲更是被證明是極小的，甚至比室溫下的熱噪聲還小。光源的RIN 與入射光功率也是平方的關(guān)系，但這部分噪聲通常只是引起信號(hào)幅度上的波動(dòng)，而對(duì)信號(hào)的相位沒有影響。因此，在理想條件下的PD 探測(cè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是光的下變頻過(guò)程，光脈沖的功率包括在電域上能夠得到完全的再現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在基于飛秒激光器的光生微波方面，頻率變換對(duì)的提取方案在帶寬、調(diào)諧速度以及成本方面雖具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是其產(chǎn)生的信號(hào)仍為CW、單頻微波信號(hào)。飛秒激光器具有極為豐富的頻譜資源，如何更有效地利用這些頻譜資源仍是光生射頻信號(hào)技術(shù)的研究重點(diǎn)?；赟TM、FTM 等技術(shù)手段在一定程度上整合并利用了這些頻譜資源，但是其技術(shù)手段仍顯得簡(jiǎn)單，其重構(gòu)性也遠(yuǎn)不足滿足目前電子系統(tǒng)的需求。未來(lái)的研究方向應(yīng)在如何對(duì)飛秒頻梳中頻譜資源的精準(zhǔn)操控以實(shí)現(xiàn)任意形式的信號(hào)產(chǎn)生。