由于電光調(diào)制器產(chǎn)生微波信號(hào)的倍頻方法結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)諧性好、穩(wěn)定性較高，為產(chǎn)生毫米波頻段乃至太赫茲頻段信號(hào)提供了一種有效的解決方法。為此下面文章重點(diǎn)介紹了基于電光調(diào)制器的幾種典型倍頻方案與關(guān)鍵技術(shù)及其最新研究進(jìn)展，綜合比較了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并指明了下一步研究與發(fā)展的方向。

　　關(guān)鍵詞：光電子學(xué),倍頻技術(shù),電光調(diào)制器,馬赫-曾德爾調(diào)制器,雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器,相位調(diào)制器,偏振調(diào)制器

　　高頻微波信號(hào)可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、無線通信、光譜傳感以及先進(jìn)的測試儀器[1-3]。用電學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)高頻微波信號(hào)的產(chǎn)生需要多級(jí)倍頻結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)高頻微波信號(hào)的性能也受到諧波分量的影響[2-5]。相比之下，基于光學(xué)方法的微波倍頻技術(shù)提供了更大的倍頻次數(shù)、更寬的頻率調(diào)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(huán)法[1-7]、光注入鎖定法[8-17]和外調(diào)制法[18-39]。其中，光注入鎖定法是利用從激光器對經(jīng)主激光器調(diào)制后產(chǎn)生的光邊帶信號(hào)進(jìn)行鎖定，拍頻后產(chǎn)生所需的微波信號(hào)[2-5]。光鎖相環(huán)法則將主從激光器拍頻產(chǎn)生的微波信號(hào)與本振信號(hào)的相位差反饋回從激光器中，從而實(shí)現(xiàn)相位的鎖定[10-12]。可以看到，光注入鎖定法與光鎖相環(huán)法均需要兩個(gè)激光器，不僅成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且均存在信號(hào)接收范圍窄、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)[4-6，11-14]。

　　而外調(diào)制法只需要利用單個(gè)光源，通過電光調(diào)制器可快速地將微波信號(hào)調(diào)制到相干光載波上，經(jīng)光域處理后在光電探測器上可產(chǎn)生高純度微波倍頻信號(hào)[18-25]。由于外調(diào)制法結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、頻率調(diào)諧范圍大同時(shí)產(chǎn)生的倍頻微波信號(hào)純度高[1，5，8]，近年來成為研究熱點(diǎn)，特別是電光調(diào)制器的廣泛應(yīng)用，使得基于電光調(diào)制器的外調(diào)制倍頻方法受到廣泛關(guān)注[30-33]。

　　本文將重點(diǎn)介紹基于電光調(diào)制器的外調(diào)制倍頻技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀，探討下一步深入研究的方向。1基于電光調(diào)制器的微波信號(hào)高倍頻技術(shù)基于電光調(diào)制器的微波信號(hào)高倍頻技術(shù)按調(diào)制方式可分為強(qiáng)度調(diào)制法、相位調(diào)制法和偏振調(diào)制法等，按調(diào)制器的類型可分為馬赫-曾德爾調(diào)制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)倍頻法、雙平行MZM(DoubleParallelMZM，DPMZM)倍頻法、相位調(diào)制器(PhaseModulator，PM)倍頻法及偏振調(diào)制器(PolarizationModulator，PolM)倍頻法等，下面對這幾種方法做詳細(xì)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(xué)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(diǎn)(MinimumTransmissionPoint，MITP)。根據(jù)MZM的調(diào)制特性，光載波信號(hào)和偶數(shù)階邊帶信號(hào)被有效抑制，得到奇數(shù)階邊帶信號(hào)。

　　當(dāng)調(diào)制系數(shù)較小時(shí)，只產(chǎn)生一階邊帶信號(hào)，通過光電檢測器(Photodetector，PD)拍頻可以得到二倍頻微波信號(hào)，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(hào)。雖然通過控制MZM的直流偏置電壓可以實(shí)現(xiàn)二倍頻信號(hào)的產(chǎn)生，但倍頻次數(shù)較小，不能滿足實(shí)際需求。

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

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明載波信號(hào)和一階邊帶信號(hào)被有效抑制，成功獲得49GHz的高純度四倍頻微波信號(hào)。加拿大康考迪亞大學(xué)的Mohamed[20]于2008年提出級(jí)聯(lián)兩個(gè)MZM的六倍頻微波信號(hào)產(chǎn)生的仿真方案。為了突破FBG的頻率限制，增大微波信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍。清華大學(xué)的Zhang[21]于2007年提出在無光濾波的條件下基于級(jí)聯(lián)兩個(gè)MZM的方案實(shí)現(xiàn)四倍頻微波信號(hào)的產(chǎn)生，控制兩級(jí)MZM的直流偏置電壓都為MITP，調(diào)節(jié)兩級(jí)MZM的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差為π/2，調(diào)整MZM的調(diào)制系數(shù)為合適值，最終獲得二階邊帶信號(hào)，通過PD拍頻可得到四倍頻微波信號(hào)。

　　實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的二階邊帶信號(hào)在光譜儀(OpticalSpectrumAnalyzer，OSA)上顯示光邊帶抑制比(OpticalSidebandSuppressionRatio，OSSR)達(dá)到15dB，28GHz的四倍頻微波信號(hào)在頻譜儀(ElectricalSpectrumAnalyzer，ESA)上顯示射頻雜散抑制比(RadioFrequencySpuriousSuppressionRatio，RFSSR)達(dá)到20dB。渥太華大學(xué)的Li[22]于2010年提出在無光濾波的條件下，可改變級(jí)聯(lián)兩個(gè)MZM的直流偏置點(diǎn)為合適值來實(shí)現(xiàn)六倍頻和八倍頻微波信號(hào)的產(chǎn)生。西安電子科技大學(xué)的Chen[23]也進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。

　　1.2DPMZM倍頻法

　　DPMZM由兩個(gè)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(shù)[24-26]。臺(tái)灣交通大學(xué)的Lin[24]于2008年提出基于單一DPMZM實(shí)現(xiàn)四倍頻微波信號(hào)產(chǎn)生的方案，控制DPMZM上的兩個(gè)子MZM的直流偏置電壓為MATP來抑制奇數(shù)階邊帶信號(hào)，保留偶數(shù)階邊帶信號(hào)，調(diào)節(jié)兩個(gè)子MZM上的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)，最終獲得二階邊帶信號(hào)，經(jīng)PD拍頻后可產(chǎn)生四倍頻微波信號(hào)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)生的二階邊帶信號(hào)在OSA上顯示OSSR達(dá)到38.6dB，同時(shí)在ESA上可觀察到40GHz的四倍頻微波信號(hào)。調(diào)節(jié)DPMZM上的直流偏置電壓、射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差和調(diào)制系數(shù)為合適值可有效增大倍頻次數(shù)。北京大學(xué)的Shi[25]于2011年仿真實(shí)現(xiàn)了基于單一DPMZM的六倍頻微波信號(hào)的產(chǎn)生。南京大學(xué)的Zhang[26]于2012年提出基于單一DPMZM的方法產(chǎn)生八倍頻微波信號(hào)的方案。將四波混頻效應(yīng)結(jié)合到DPMZM倍頻技術(shù)中可進(jìn)一步增大倍頻次數(shù)。

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

　　2幾種方法的關(guān)鍵技術(shù)分析對比

　　基于電光調(diào)制器的信號(hào)倍頻技術(shù)都采用不同的方法將經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生的邊帶信號(hào)進(jìn)行處理，保留所需的邊帶信號(hào)，拍頻后得到高倍頻微波信號(hào)，每種方法各有優(yōu)勢。下面從采用調(diào)制器的類型、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生信號(hào)的性能等幾個(gè)方面進(jìn)行具體比較。MZM倍頻法提出時(shí)間最早，發(fā)展相對成熟[18-23]。

　　同時(shí)，該法采用強(qiáng)度調(diào)制方式將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，調(diào)節(jié)直流偏置點(diǎn)為合適值即可改變倍頻次數(shù)，結(jié)構(gòu)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(diǎn)漂移的影響，穩(wěn)定性較差[30，34]。DPMZM倍頻法也采用強(qiáng)度調(diào)制的方式，但它將三個(gè)MZM集成到一個(gè)器件上，有效提高了倍頻次數(shù)[24-29]。

　　然而，該法須控制多個(gè)直流偏置點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)調(diào)控相對復(fù)雜，同時(shí)直流偏置點(diǎn)漂移問題仍然存在[30，34]。PM倍頻法采用相位調(diào)制的方式，有效避免了直流偏置點(diǎn)漂移的問題，穩(wěn)定性較好[30-33]，但倍頻時(shí)不可避免地使用移相器，限制了頻率接收范圍，產(chǎn)生的倍頻微波信號(hào)的范圍受限。PolM倍頻法采用偏振調(diào)制的方式，同樣也不受直流偏置點(diǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同一類型的調(diào)制器采用不同的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生信號(hào)的性能也有優(yōu)劣。

　　基于電光調(diào)制器的信號(hào)倍頻技術(shù)其中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是濾除載波信號(hào)，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(hào)產(chǎn)生方案中使用了FBG來濾除載波，相比于使用其他濾波結(jié)構(gòu)，噪聲信號(hào)強(qiáng)度被限制在-65dBm以下，OSSR接近40dB，RFSSR也達(dá)到30dB，產(chǎn)生的倍頻微波信號(hào)性能較好。然而由于FBG中心波長和帶寬固定，所以頻率可調(diào)諧性弱[25，29，32]。

　　基于PolM的倍頻方案中流行使用SBS結(jié)構(gòu)和薩格納克結(jié)構(gòu)來代替FBG，頻率調(diào)節(jié)范圍顯著增大，但是由于兩種結(jié)構(gòu)都需要PC、環(huán)形器等多種器件一起使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)控制較難[36-37]。采用無濾波結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率即通過調(diào)節(jié)調(diào)制系數(shù)為合適值來獲取所需的邊帶信號(hào)，可突破FBG的頻率限制[21-23，25，28，33，37]，產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍寬，但該結(jié)構(gòu)對射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)源、調(diào)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(shí)驗(yàn)實(shí)施難度大。

　　因此當(dāng)前多數(shù)無濾波器倍頻方案主要由仿真實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和四波混頻結(jié)構(gòu)都可獲得高倍頻微波信號(hào)。單一MZM結(jié)構(gòu)最高可實(shí)現(xiàn)四倍頻信號(hào)的產(chǎn)生[19]，而級(jí)聯(lián)兩個(gè)MZM的結(jié)構(gòu)可獲得八倍頻微波信號(hào)[22]，在PolM的倍頻方案中使用四波混頻結(jié)構(gòu)，可獲得十二倍頻微波信號(hào)[36]。這兩種結(jié)構(gòu)雖然能極大提高倍頻次數(shù)，但是由于會(huì)附帶產(chǎn)生其他階倍頻、和頻和差頻等多種噪聲信號(hào)，產(chǎn)生的微波信號(hào)性能較差。因此，在產(chǎn)生倍頻微波信號(hào)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求和條件來選擇不同的調(diào)制器和結(jié)構(gòu)方案來實(shí)現(xiàn)。

　　3結(jié)束語

　　微波信號(hào)光子倍頻技術(shù)是近年來人們感興趣的熱點(diǎn)課題，科研人員已提出基于光學(xué)技術(shù)的很多方法來獲得高頻微波信號(hào)，其關(guān)鍵就是要得到所需的兩列相干光信號(hào)進(jìn)行差拍。由于外調(diào)制方式具有簡單、穩(wěn)定、頻率調(diào)諧范圍大和頻譜純度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)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(diào)制器，在平行、級(jí)聯(lián)、四波混頻、受激布里淵散射和薩格納克環(huán)等不同結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生高倍頻高頻譜純度微波信號(hào)的方法進(jìn)行了深入探討。分別比較了基于相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下不同的電光調(diào)制器倍頻方法和基于相同電光調(diào)制器下不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)倍頻方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及產(chǎn)生微波信號(hào)性能的優(yōu)劣。如何繼續(xù)充分發(fā)揮微波光子倍頻技術(shù)的優(yōu)勢，在仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器的方法來產(chǎn)生高頻微波信號(hào)，開發(fā)新的頻率可調(diào)諧、相噪性能更好的結(jié)構(gòu)方案是下一步的研究與發(fā)展重點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Ng�餺maA.Radio-over-fibretechnologyforbroadbandwirelesscommunicationsystems[D].TheNetherlands：TechnischeUniversiteitEindhoven，2005.

　　[2]BordonalliAC，SeedsAJ，WaltonC.High-performancephaselockingofwidelinewidthsemiconductorlasersbycombineduseofopticalinjectionlockingandopticalphase-lockloop[J].J.ofLightwaveTechnol.，1999，17(2)：328-342.

　　[3]SteedRJ，PonnampalamL，F(xiàn)iceMJ，etal.Hybridintegratedopticalphase-lockloopsforphotonicterahertzsources[J].IEEEJ.ofSel.TopicsinQuantumElectron.，2011，17(1)：210-217.

　　[4]LamponiM，ChtiouiM，LelargeF，etal.TunableInPphotonicintegratedcircuitformillimeterwavegeneration[C]//Inter.Conf.onIndiumPhosphide&RelatedMaterials，2013：1-2.

　　[5]GriebelM，QuraishiQ，BratschitschRH，etal.Generationofphase-lockedandtunablecontinuous-waveradiationintheterahertzregime[J].Opt.Lett.，2005，30(23)：3231.

　　[6]RenaudCC，BalakierK，F(xiàn)iceMJ，etal.Photonicintegrationformillimetre-waveandTHzsystems[C]//Inter.TopicalMeetingonMicrowavePhoton.，2014：36-39.

　　[7]ZhuangJP，LiSS，LiXZ，etal.Photonicmicrowavegenerationutilizingdynamicsoflaserdiodes[C]//IEEEInter.Conf.onAdv.Infocomm.Technol.，2014：66-69.

　　[8]WenYJ，LiuHF，NovakD，etal.Millimeter-wavesignalgenerationfromamonolithicsemiconductorlaserviasubharmonicopticalinjection[J].IEEEPhoton.Technol.Lett.，2000，12(8)：1058-1060.

　　相關(guān)期刊推薦：《信號(hào)處理》是國內(nèi)唯一有關(guān)信號(hào)處理專業(yè)后級(jí)學(xué)術(shù)期刊。本刊是反映信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)及具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的最新研究成果和技術(shù)發(fā)展的刊物。