微波光子信號(hào)的產(chǎn)生（一）
伴隨微波射頻通信技術(shù)的發(fā)展與光通信技術(shù)的日益成熟，兩者間的相互滲透成為一種需要并逐步成為可能。在現(xiàn)有器件條件下，在100GHz帶寬范圍內(nèi)，電、光模擬信號(hào)可以很方便的自由轉(zhuǎn)換，在光域?qū)δM信號(hào)進(jìn)行選頻濾波，放大也可以方便地實(shí)現(xiàn)，這就為微波光子(Microwave Photonics)技術(shù)出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。微波光子技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在微波信號(hào)產(chǎn)生、用于雙向無(wú)線(xiàn)通信、射頻廣播、雷達(dá)系統(tǒng)等的微波光纖傳輸以及微波信號(hào)處理等方面。這些應(yīng)用的主要思想是把微波射頻信號(hào)調(diào)制在光載波上并通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸分配，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用光纖重量輕、低損耗、廉價(jià)、抗電磁干擾等特點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)高性能，低成本，易于安裝維護(hù)的光子微波系統(tǒng)[1]。
對(duì)于微波通信和光子微波技術(shù)來(lái)說(shuō)，優(yōu)質(zhì)的微波信號(hào)源是一切微波領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)的電微波信號(hào)產(chǎn)生方式有很多不足與局限。比如，在上世紀(jì)60年代以前曾經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波振蕩器幾乎都是由微波電真空器件如反射速調(diào)管、磁控管、行波管等構(gòu)成。這類(lèi)器件一般都存在工作電壓高、供電種類(lèi)繁多、功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大等缺點(diǎn)，特別是其頻譜純度低、相位噪聲大、頻率穩(wěn)定度差，已不適應(yīng)電子技術(shù)的發(fā)展。50年代末期出現(xiàn)了晶體振蕩器為主振、變?nèi)莨鼙额l的微波倍頻源，如石英晶體振蕩器。但石英晶振只在低頻時(shí)才具有少數(shù)幾個(gè)高Q值共振模式，這就使它不能直接產(chǎn)生高頻信號(hào)。加上倍頻效率的限制，不易在較高頻率下獲得大的輸出功率。這些都制約了它在頻率可調(diào)的振蕩器中的應(yīng)用。在光子領(lǐng)域，由于激光器性能的提高和各種光子器件工藝的改善，在光域產(chǎn)生高品質(zhì)的微波信號(hào)，特別是在高頻段(微波/毫米波段)信號(hào)的產(chǎn)生方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。為此，總結(jié)現(xiàn)有的微波光子信號(hào)產(chǎn)生方法，發(fā)展更有效的光微波技術(shù)是一項(xiàng)有意義的工作。
1、微波光子信號(hào)的產(chǎn)生
1.1、電光調(diào)制法
最直接得到光微波信號(hào)的方法是利用電微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，在光載波兩側(cè)產(chǎn)生上、下兩個(gè)邊帶，形成光微波信號(hào)。可用的電光調(diào)制器類(lèi)型主要有馬赫-曾德調(diào)制器(MZM)和電吸收調(diào)制器(EAM).在工作帶寬方面，已報(bào)道的EAM具有95GHz的工作帶寬，并仍有提高的潛力。在調(diào)制的靈活性上，MZM可以通過(guò)改變偏壓和調(diào)制信號(hào)電壓得到載波抑制或高次諧波(倍頻)信號(hào)輸出。如果MZM偏置在最小傳輸點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)正弦信號(hào)頻率為f/2，可以得到頻率為f的載波抑制輸出。另一種選擇是采用f/4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，偏置在最大傳輸點(diǎn)并仔細(xì)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度，可以得到抑制一階邊帶的信號(hào)輸出[2]。這些被調(diào)制信號(hào)的邊帶在光電探測(cè)器(PD)上發(fā)生拍頻，產(chǎn)生所需要的微波/毫米波頻段的信號(hào)。調(diào)制法的信號(hào)產(chǎn)生、傳輸和檢測(cè)原理框圖如圖1所示。
調(diào)制法最明顯的優(yōu)勢(shì)是可以直接得到光微波信號(hào)，但是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量會(huì)直接影響所得到的光微波信號(hào)質(zhì)量。
1.2、外差法
外差法是使用兩個(gè)具有固定頻差的激光器混頻后，通過(guò)PD檢測(cè)，產(chǎn)生頻率為激光頻差微波信號(hào)的一類(lèi)方法，如圖2所示。
應(yīng)該說(shuō)在1.1中所介紹的直接調(diào)制法調(diào)制所得的光微波信號(hào)在檢測(cè)時(shí)所產(chǎn)生的電微波信號(hào)也是利用了這個(gè)原理，不過(guò)這種情況中所用于拍出信號(hào)的各邊帶來(lái)源于同一光源，相互間具有特定的相位關(guān)系。外差法的優(yōu)勢(shì)在于，兩路激光在光纖中傳輸時(shí)不會(huì)受到光纖色散的影響，所拍出信號(hào)的功率不會(huì)隨傳輸距離而變化。另外一個(gè)好處是所產(chǎn)生信號(hào)的頻率連續(xù)可調(diào)，并且可以獲得很高的頻率，探測(cè)器帶寬是對(duì)所生成電信號(hào)頻率的唯一限制。目前所報(bào)道的光探測(cè)的帶寬已經(jīng)可以達(dá)到300GHz以上[3]。
考慮到激光器的自身制作工藝和外界溫度影響等因素，激光器的輸出一般都具有一定的線(xiàn)寬和波長(zhǎng)波動(dòng)，這會(huì)使產(chǎn)生的信號(hào)具有比較大的相位噪聲和頻率不穩(wěn)定性。通常需要采用一些鎖相措施，如光相位鎖相環(huán)(Optical Phase-Locked Loop，OPLL)[3]和光注入相位鎖相環(huán)(Optical Injection Phase-Lock Loop，OIPLL)[4]等技術(shù)加以控制。
除了使用兩個(gè)獨(dú)立的激光器進(jìn)行外差，雙波長(zhǎng)激光器也是一種選擇。已有報(bào)道的一種雙模DFB激光器輸出光頻差為60GHz可用于產(chǎn)生微波信號(hào)[5]，而另一種雙區(qū)增益耦合的可調(diào)諧DFB激光器(two section gain coupled DFB-laser)可以實(shí)現(xiàn)20-64GHz的信號(hào)產(chǎn)生[6]。此外基于光纖結(jié)構(gòu)的雙波長(zhǎng)激光器也有報(bào)道。一種基于光纖的DFB激光器利用刻有光纖布拉格光柵(FBG)的摻鉺-鐿光纖形成分布反饋區(qū)，可以在1-3GHz的范圍內(nèi)產(chǎn)生微波信號(hào)，調(diào)諧性由溫度變化實(shí)現(xiàn)[7]。另一類(lèi)可調(diào)諧雙波長(zhǎng)光纖激光器利用環(huán)內(nèi)兩個(gè)偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)，可在100kHz-14GHz實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧微波產(chǎn)生[8]。
