基于包含FDML机制的孤子光电振荡器的多格式跳频射频信号生成

《Optics & Laser Technology》：Multi-format frequency-hopping RF signals generation based on the soliton optoelectronic oscillator incorporating FDML mechanism

可重构孤子OEO通过复合傅里叶域模式锁定机制实现多格式跳频射频信号生成，兼具低相位噪声和高灵活性的优势，应用于雷达、电子战及卫星通信系统。

　　
本文聚焦于一种新型可重构光学相锁振荡器（OEO）在多格式调频射频信号生成中的应用研究。该技术通过创新性地结合傅里叶域模式锁定（FDML）机制与受激布里渊散射（SBS）效应，突破了传统OEO单一信号格式的限制，实现了从单频跳频到宽带跳频的灵活模式切换，为复杂电磁环境下的通信系统与雷达技术提供了新的解决方案。

在技术背景方面，作者团队深入分析了当前射频信号生成技术的瓶颈。传统电子方法如直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）虽然在频率控制精度上具有优势，但存在跳频带宽受限（通常不足1GHz）、跳频速率低（千赫兹级）等显著缺陷。光学技术则展现出独特的优势，包括超宽频带（可达太赫兹级）、低相位噪声（优于-130dBc/Hz）以及良好的电磁兼容性。特别是基于孤子效应的OEO系统，因其固有的低噪声特性（根源在于非线性孤子态的色散-增益平衡机制），在军事通信、电子对抗等领域展现出特殊价值。

本研究提出的核心创新在于构建了双滤波机制驱动的可重构OEO架构。通过在传统OEO环路中集成相位偏移光纤布拉格光栅（PS-FBG）腔体与受激布里渊散射效应，实现了两种互补的频率选择机制：PS-FBG腔体通过精确的波长调谐（通常可覆盖50-100nm范围）提供稳定的单频选择，而SBS效应基于非线性增益的波长选择性损耗，可生成超宽频带的扫频信号。这种复合架构的突破性在于，无需物理调整环路元件（如更换滤波器或光纤长度），仅需通过调节PS-FBG的相位偏移量（0-180度可调）和SBS增益阈值（通常覆盖0.1-10dB范围），即可在毫秒级时间内切换不同信号模式。

实验验证部分展示了该技术多维度应用潜力。在单频跳频模式下，系统可实现5.3MHz步进、200MHz带宽的快速跳频（切换时间<50ns），相位噪声达到-144dBc/Hz@10kHz，优于传统COEO系统约10dB。当引入FDML机制时，系统通过动态调整光纤非线性系数（由掺铒光纤长度和泵浦功率共同决定）与模式锁定频率（由PS-FBG中心波长决定），成功实现了复合跳频模式（如3/5/7/9步进序列）和宽带连续跳频信号的生成。特别值得关注的是，当系统环路增益超过临界阈值时，OEO会自然退化为常规OEO模式，此时可同步生成两路相位正交的连续波信号（频率间隔可达数十GHz），为双路信号系统提供了全新解决方案。

在工程实现层面，作者团队构建了包含三组可调谐激光源（TLS1、TLS2、TLS3）、双光 circulator（OC1、OC2）以及精密相位调制器（PM）的系统架构。实验数据显示，通过调节PS-FBG的布拉格波长（中心波长1550nm±20nm可调）与相位偏移量（0-90度连续可调），可实现频率分辨率从10MHz到500kHz的精准控制。而SBS效应的介入使系统获得了高达20dB的增益余量，在1km长掺铒光纤中可支持超过50GHz的线性扫频能力。

该技术的应用前景具有显著的现实意义。在军事通信领域，可重构特性使得信号可在跳频模式（ FHSS）与直接序列扩频（DSSS）之间动态切换，有效对抗电子干扰与信号截获。实验数据显示，系统在10-100GHz频段内可实现>90%的信号功率利用率，这对卫星通信（如ISL链路）尤为重要。在电子对抗系统中，宽带跳频能力（>500MHz瞬时带宽）配合可编程相位偏移（0-180度），可生成具有复杂调制图案的对抗信号，实测抗干扰能力较传统系统提升3个数量级。

研究还突破了传统OEO在波形生成上的局限性。通过优化非线性光纤的色散曲线（如采用掺铒-氟化铪双掺杂光纤），系统在宽带跳频模式下仍能保持优于-120dBc/Hz的相位噪声。这种在超宽频带内维持低噪声的特性，为高精度雷达信号生成提供了可能。实验表明，在500MHz带宽范围内，相位噪声波动幅度小于5%，显著优于基于电调谐滤波器的系统。

在工程应用方面，作者提出了独特的双闭环反馈机制。主闭环通过SBS效应实现快速扫频（响应时间<10ns），而辅闭环则利用PS-FBG进行相位精确锁定（精度达±0.1度）。这种双闭环架构使系统既能保持孤子态的优异相位特性，又能实现高速频率切换。实测数据显示，系统在双模式切换时（如单频跳频到宽带跳频），相位连续性保持时间超过200μs，远超传统电调系统（通常<1μs）。

值得关注的是，该技术通过结构创新实现了功能扩展。传统OEO需要更换不同滤波器或增加辅助电路来实现多模式信号生成，而本文方案通过在单一路径中集成两种互补机制，使得同一硬件平台可承载四种主要工作模式：1）单频跳频（SFH） 2）复合跳频（CFH） 3）宽带连续跳频（BCH） 4）双连续波合成（DCS）。这种模式转换无需物理连接改变，仅通过软件配置参数即可实现，系统可重构性达到传统方案的10倍以上。

实验测试部分揭示了该技术的关键性能参数。在单频跳频模式中，系统成功实现了5.3MHz步进、每秒20万次跳频的信号生成，占空比可调范围从10%到90%。当切换至宽带跳频模式时，信号带宽扩展至500MHz，瞬时频率分辨率达到1kHz。特别值得注意的是，在双连续波模式下，两路信号的相位误差可控制在±0.5度以内，频率间隔误差<1kHz，这对需要严格正交的双路信号系统（如卫星链路）尤为重要。

该研究的理论突破体现在对孤子态动态平衡机制的深入理解。作者通过建立非线性动力学模型（但未显式给出方程），揭示了双滤波机制对孤子态的协同调控作用：PS-FBG通过相位调制控制孤子频谱分布，而SBS效应则通过波长选择性损耗影响孤子传输距离。这种协同作用使得孤子态能够同时满足快速跳频（需要低相干维持时间）和低噪声（需要稳定色散-增益平衡）的苛刻要求。

在工程实现层面，系统关键器件的参数选择具有创新性。采用10km长铒光纤（非线性系数γ=8W?1km?1）结合2.5GHz带宽的PS-FBG（相位偏移范围90度），系统在10-100GHz频段内实现了>85%的信号功率利用率。特别设计的双光隔离器（ISO1、ISO2）将反向耦合损耗降低至0.5dB以下，这对维持环路功率稳定性至关重要。

性能对比实验显示，本系统在关键指标上全面超越传统方法。例如在跳频速率方面，传统COEO系统需要通过增加腔体反射镜数量来提升速率，而本文方案通过优化SBS增益饱和效应，使跳频速率提升至100kHz/s（传统系统<10kHz/s）。在信号带宽方面，采用10km铒光纤的系统可实现20GHz带宽（传统OEO<5GHz），且相位噪声波动范围<3dB。

应用场景验证部分充分展示了技术的实战价值。在军事通信测试中，系统成功生成具有动态跳频序列（每秒50万次）的加密信号，经第三方检测机构验证，其抗干扰能力达到北约STANAG 4707标准中的Level 5（等效抗干扰功率比>40dB）。在卫星通信测试中，采用该技术生成的500MHz带宽跳频信号，在50km光纤传输后仍保持<0.1dB的功率波动，为星间链路（ISL）提供了可靠解决方案。

技术扩展性方面，作者团队提出了进一步的优化方向。通过引入可调谐波长隔离器（TWRI），可将工作频段扩展至中红外波段（1.5-2.5μm），为未来太赫兹通信系统奠定基础。实验数据显示，在1550nm附近采用1cm长氟化铪光纤（色散零点波长1520nm），可实现2THz的瞬时带宽切换，相位噪声性能下降不超过15%。

该研究对OEO技术发展具有里程碑意义。首次在单腔体中实现四种主要工作模式的动态切换，解决了传统OEO多模式切换需要复杂硬件配置的难题。根据作者提供的测试数据，系统在切换不同模式时（如SFH到BCH），相位噪声性能仅下降约8dB，这在同类系统中处于领先水平。此外，提出的双平衡机制（非线性增益饱和与线性滤波平衡、腔体损耗与增益平衡）为优化OEO性能提供了新的理论框架。

未来技术发展方向值得关注。作者在讨论部分指出，通过引入马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，可将信号模式扩展至四相调制格式（QPSK）。实验模拟表明，在1km长铒光纤中，四相调制信号的相位噪声可控制在-130dBc/Hz@10kHz水平。此外，结合表面等离子体激元共振（SPR）器件，有望将频率分辨率提升至kHz级，为高精度导航雷达信号生成提供新思路。

从技术经济性角度分析，该方案具有显著优势。传统多模式OEO系统需要至少三个独立腔体，硬件复杂度指数级增长，而本文方案通过光路共享和参数调节实现功能扩展，硬件成本降低约60%。据测算，在军事电子对抗系统中，采用该技术的装备可减少40%的电力消耗，提升30%的运算效率。

在标准化建设方面，作者提出了新的性能评估体系。针对多格式跳频信号的测试，提出了包含时频域参数（跳频速率、步进精度、带宽利用率）、相位噪声（线性/非线性区域）、抗干扰能力（多径衰落、干扰抑制）等维度的综合评价模型。实验数据显示，该模型可准确预测系统在复杂电磁环境中的表现，预测误差小于5%。

技术验证部分还涉及关键器件的国产化替代。例如，采用武汉光谷生产的PS-FBG（中心波长1550nm，带宽50nm，插入损耗<0.5dB），在相同实验条件下性能与进口器件（如New Focus 4551系列）相当，但成本降低约70%。这为我国在高端光通信器件领域实现自主可控提供了示范样本。

最后，作者团队通过建立跨学科协作机制，成功将光电子技术与软件定义无线电（SDR）技术深度融合。开发的智能控制算法（基于深度强化学习）可实现环路参数的自主优化，在动态电磁环境中，系统可在5ms内完成模式切换，相位噪声波动范围<3dB，为未来自适应通信系统奠定了基础。

综上所述，本研究在光学信号生成领域实现了多项突破：首次在单OEO环路中实现多格式跳频信号的动态切换；建立了双平衡机制调控模型；提出了基于光纤色散工程的新型增益饱和效应；开发了具有自主知识产权的控制算法。这些创新不仅扩展了OEO的技术边界，更为5G/6G通信、智能雷达、卫星导航等关键领域提供了新的技术范式。据作者透露，相关技术已进入工程化阶段，预计在2025年前后可应用于新一代军用通信系统和星载雷达设备。