由于電光調制器產生微波信號的倍頻方法結構簡單、調諧性好、穩定性較高，為產生毫米波頻段乃至太赫茲頻段信號提供了一種有效的解決方法。為此下面文章重點介紹了基于電光調制器的幾種典型倍頻方案與關鍵技術及其最新研究進展，綜合比較了各個方案的優缺點，并指明了下一步研究與發展的方向。

　　關鍵詞：光電子學,倍頻技術,電光調制器,馬赫-曾德爾調制器,雙平行馬赫-曾德爾調制器,相位調制器,偏振調制器

　　高頻微波信號可廣泛應用于雷達、無線通信、光譜傳感以及先進的測試儀器[1-3]。用電學的方法實現高頻微波信號的產生需要多級倍頻結構，增加了系統的復雜度，同時高頻微波信號的性能也受到諧波分量的影響[2-5]。相比之下，基于光學方法的微波倍頻技術提供了更大的倍頻次數、更寬的頻率調諧范圍和更高的頻譜純度[19-23]。

　　微波光子倍頻方法可分為以下三類：光鎖相環法[1-7]、光注入鎖定法[8-17]和外調制法[18-39]。其中，光注入鎖定法是利用從激光器對經主激光器調制后產生的光邊帶信號進行鎖定，拍頻后產生所需的微波信號[2-5]。光鎖相環法則將主從激光器拍頻產生的微波信號與本振信號的相位差反饋回從激光器中，從而實現相位的鎖定[10-12]。可以看到，光注入鎖定法與光鎖相環法均需要兩個激光器，不僅成本高、結構復雜，而且均存在信號接收范圍窄、穩定性較差等缺點[4-6，11-14]。

　　而外調制法只需要利用單個光源，通過電光調制器可快速地將微波信號調制到相干光載波上，經光域處理后在光電探測器上可產生高純度微波倍頻信號[18-25]。由于外調制法結構簡單、系統穩定性好、頻率調諧范圍大同時產生的倍頻微波信號純度高[1，5，8]，近年來成為研究熱點，特別是電光調制器的廣泛應用，使得基于電光調制器的外調制倍頻方法受到廣泛關注[30-33]。

　　本文將重點介紹基于電光調制器的外調制倍頻技術及其發展現狀，探討下一步深入研究的方向。1基于電光調制器的微波信號高倍頻技術基于電光調制器的微波信號高倍頻技術按調制方式可分為強度調制法、相位調制法和偏振調制法等，按調制器的類型可分為馬赫-曾德爾調制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)倍頻法、雙平行MZM(DoubleParallelMZM，DPMZM)倍頻法、相位調制器(PhaseModulator，PM)倍頻法及偏振調制器(PolarizationModulator，PolM)倍頻法等，下面對這幾種方法做詳細介紹。

　　1.1MZM倍頻法

　　基于MZM的倍頻方案最早由英國威爾士大學的OReilly[18]于1992年提出，通過控制MZM的直流偏置電壓，使其工作在最小傳輸點(MinimumTransmissionPoint，MITP)。根據MZM的調制特性，光載波信號和偶數階邊帶信號被有效抑制，得到奇數階邊帶信號。

　　當調制系數較小時，只產生一階邊帶信號，通過光電檢測器(Photodetector，PD)拍頻可以得到二倍頻微波信號，在沒有引入光濾波器的前提下，得到有效的36GHz二倍頻微波信號。雖然通過控制MZM的直流偏置電壓可以實現二倍頻信號的產生，但倍頻次數較小，不能滿足實際需求。

　　為了增大倍頻次數，加拿大渥太華大學的Qi[19]于2005年通過控制MZM的直流偏置電壓為最大傳輸點(MaximumTransmissionPoint，MATP)來抑制奇數階邊帶信號，并利用布拉格光柵(FiberBraggGrating，FBG)作為帶阻濾波器濾除光載波信號，保留二階邊帶信號，通過PD拍頻得到了高純度四倍頻微波信號。

　　實驗結果表明載波信號和一階邊帶信號被有效抑制，成功獲得49GHz的高純度四倍頻微波信號。加拿大康考迪亞大學的Mohamed[20]于2008年提出級聯兩個MZM的六倍頻微波信號產生的仿真方案。為了突破FBG的頻率限制，增大微波信號的頻率調節范圍。清華大學的Zhang[21]于2007年提出在無光濾波的條件下基于級聯兩個MZM的方案實現四倍頻微波信號的產生，控制兩級MZM的直流偏置電壓都為MITP，調節兩級MZM的射頻驅動信號的相位差為π/2，調整MZM的調制系數為合適值，最終獲得二階邊帶信號，通過PD拍頻可得到四倍頻微波信號。

　　實驗產生的二階邊帶信號在光譜儀(OpticalSpectrumAnalyzer，OSA)上顯示光邊帶抑制比(OpticalSidebandSuppressionRatio，OSSR)達到15dB，28GHz的四倍頻微波信號在頻譜儀(ElectricalSpectrumAnalyzer，ESA)上顯示射頻雜散抑制比(RadioFrequencySpuriousSuppressionRatio，RFSSR)達到20dB。渥太華大學的Li[22]于2010年提出在無光濾波的條件下，可改變級聯兩個MZM的直流偏置點為合適值來實現六倍頻和八倍頻微波信號的產生。西安電子科技大學的Chen[23]也進行了相關方面的研究。

　　1.2DPMZM倍頻法

　　DPMZM由兩個平行的子MZM嵌入到主MZM的兩臂上集成得到，因此相比于MZM倍頻法，DPMZM倍頻法可得到更高的倍頻次數[24-26]。臺灣交通大學的Lin[24]于2008年提出基于單一DPMZM實現四倍頻微波信號產生的方案，控制DPMZM上的兩個子MZM的直流偏置電壓為MATP來抑制奇數階邊帶信號，保留偶數階邊帶信號，調節兩個子MZM上的射頻驅動信號相位相差π/2和主MZM的直流偏置電壓為MITP來抑制載波和四階邊帶信號，最終獲得二階邊帶信號，經PD拍頻后可產生四倍頻微波信號。

　　實驗結果表明，產生的二階邊帶信號在OSA上顯示OSSR達到38.6dB，同時在ESA上可觀察到40GHz的四倍頻微波信號。調節DPMZM上的直流偏置電壓、射頻驅動信號的相位差和調制系數為合適值可有效增大倍頻次數。北京大學的Shi[25]于2011年仿真實現了基于單一DPMZM的六倍頻微波信號的產生。南京大學的Zhang[26]于2012年提出基于單一DPMZM的方法產生八倍頻微波信號的方案。將四波混頻效應結合到DPMZM倍頻技術中可進一步增大倍頻次數。

　　合肥電子工程學院的耿紅建等[27]于2014提出了基于DPMZM和四波混頻效應的方案，仿真產生了240GHz的二十四倍頻微波信號。

　　2幾種方法的關鍵技術分析對比

　　基于電光調制器的信號倍頻技術都采用不同的方法將經電光調制器調制后產生的邊帶信號進行處理，保留所需的邊帶信號，拍頻后得到高倍頻微波信號，每種方法各有優勢。下面從采用調制器的類型、系統的結構和產生信號的性能等幾個方面進行具體比較。MZM倍頻法提出時間最早，發展相對成熟[18-23]。

　　同時，該法采用強度調制方式將微波信號調制到光載波上，調節直流偏置點為合適值即可改變倍頻次數，結構簡單、控制方便[19-22]。但是MZM需要外部直流電壓來控制，因此易受到直流偏置點漂移的影響，穩定性較差[30，34]。DPMZM倍頻法也采用強度調制的方式，但它將三個MZM集成到一個器件上，有效提高了倍頻次數[24-29]。

　　然而，該法須控制多個直流偏置點，實驗調控相對復雜，同時直流偏置點漂移問題仍然存在[30，34]。PM倍頻法采用相位調制的方式，有效避免了直流偏置點漂移的問題，穩定性較好[30-33]，但倍頻時不可避免地使用移相器，限制了頻率接收范圍，產生的倍頻微波信號的范圍受限。PolM倍頻法采用偏振調制的方式，同樣也不受直流偏置點漂移的影響[34-36]，但方案中需要起偏器、偏振控制等偏振器件一起使用，增加了系統設計的復雜性。同一類型的調制器采用不同的結構，產生信號的性能也有優劣。

　　基于電光調制器的信號倍頻技術其中一個關鍵點是濾除載波信號，利用FBG作為光濾波器是最成熟簡便的方法[22，24-25，30，34-35]。基于DPMZM的八倍頻信號產生方案中使用了FBG來濾除載波，相比于使用其他濾波結構，噪聲信號強度被限制在-65dBm以下，OSSR接近40dB，RFSSR也達到30dB，產生的倍頻微波信號性能較好。然而由于FBG中心波長和帶寬固定，所以頻率可調諧性弱[25，29，32]。

　　基于PolM的倍頻方案中流行使用SBS結構和薩格納克結構來代替FBG，頻率調節范圍顯著增大，但是由于兩種結構都需要PC、環形器等多種器件一起使用，實驗結構復雜，調節控制較難[36-37]。采用無濾波結構調節射頻驅動信號的功率即通過調節調制系數為合適值來獲取所需的邊帶信號，可突破FBG的頻率限制[21-23，25，28，33，37]，產生的信號頻率范圍寬，但該結構對射頻驅動信號源、調制器等器件的性能要求更高，目前由于器件性能不夠且成本高，實驗實施難度大。

　　因此當前多數無濾波器倍頻方案主要由仿真實現。級聯電光調制器結構和四波混頻結構都可獲得高倍頻微波信號。單一MZM結構最高可實現四倍頻信號的產生[19]，而級聯兩個MZM的結構可獲得八倍頻微波信號[22]，在PolM的倍頻方案中使用四波混頻結構，可獲得十二倍頻微波信號[36]。這兩種結構雖然能極大提高倍頻次數，但是由于會附帶產生其他階倍頻、和頻和差頻等多種噪聲信號，產生的微波信號性能較差。因此，在產生倍頻微波信號時，可根據實際需求和條件來選擇不同的調制器和結構方案來實現。

　　3結束語

　　微波信號光子倍頻技術是近年來人們感興趣的熱點課題，科研人員已提出基于光學技術的很多方法來獲得高頻微波信號，其關鍵就是要得到所需的兩列相干光信號進行差拍。由于外調制方式具有簡單、穩定、頻率調諧范圍大和頻譜純度高等優點，因此被認為是有效的解決方法之一。

　　本文對基于MZM、DPMZM、PM和PolM等多種電光調制器，在平行、級聯、四波混頻、受激布里淵散射和薩格納克環等不同結構中，產生高倍頻高頻譜純度微波信號的方法進行了深入探討。分別比較了基于相同系統結構下不同的電光調制器倍頻方法和基于相同電光調制器下不同的系統結構倍頻方法的優缺點以及產生微波信號性能的優劣。如何繼續充分發揮微波光子倍頻技術的優勢，在仿真的基礎上實現基于多個級聯電光調制器的方法來產生高頻微波信號，開發新的頻率可調諧、相噪性能更好的結構方案是下一步的研究與發展重點。

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