一种基于可重构全光架构的微波波形生成方法，通过光电振荡器降低相位噪声

《Optik》：A reconfigurable all-photonic framework for phase noise reduced microwave waveform generation using optoelectronic oscillators

　　摘要：本文提出了一种经过色散设计的、具备多频率生成能力的光子光电振荡器，该振荡器结合了光学外差技术、基于双驱动马赫-曾德尔调制器的光学频率倍增技术，以及用于群延迟补偿和选择性边带滤波的二次光纤布拉格光栅。通过实验验证了该振荡器的有效性。通过两束窄线宽连续波激光的外差作用产生一个可调的拍频信号（16 GHz），该信号用于驱动处于正交偏置传输点的双驱动马赫-曾德尔调制器，从而产生偶数阶和奇数阶的光学边带。定制的二次光纤布拉格光栅用于抑制载频并校正频率相关的群延迟，使得选定的边带在光电检测时能够发生相长干涉。经过滤波后的光信号通过1公里长的单模光纤延迟线后进行光电检测，从而产生高纯度的16 GHz射频信号。实验测得的性能包括较高的边模抑制比、10 kHz偏移量下1公里延迟时的低单边带相位噪声、相位噪声与光学延迟及带通滤波器带宽之间的良好线性关系，以及在不同光纤长度下仍保持稳定的相位噪声特性。60分钟的稳定性测试显示其功率和频率几乎无变化。该架构具有可调性，可扩展到更高谐波频率，非常适合需要在毫米波通信、雷达以及下一代光子射频前端中使用的低相位噪声微波信号生成。

引言：随着无线通信技术向第五代（5G）和第六代（6G）网络的发展，对于高纯度、可调且稳定的微波和毫米波信号源的需求日益增加。这些网络预计将支持诸如智能交通、实时全息技术、超可靠低延迟通信、海量机器类型通信以及集成感知与通信等众多新兴应用，而这些应用都需要在毫米波甚至太赫兹频段内工作的、具有高光谱纯度、低相位噪声特性的多频段射频振荡器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[27]、[28]。传统的电子振荡器由于在相位噪声、带宽以及热稳定性方面的限制，尤其是在需要工作在更高频率时，往往难以满足这些严格的要求[6]。在此背景下，光电振荡器作为一种有前景的解决方案应运而生，它结合了光子组件所具有的宽带宽和低损耗特性以及电子反馈回路的可再生能力。一个基本的光电振荡器由连续波激光器、诸如马赫-曾德尔调制器之类的电光调制器、光学延迟元件、高速光电探测器以及射频反馈路径组成。通常采用单模光纤实现的较长光学延迟线使得光电振荡器能够获得较高的品质因数，从而使其相位噪声性能优于传统的电子振荡器[7]、[8]、[9]。尽管具有这些优势，传统的光电振荡器通常仅能实现单频率操作，并且存在环境不稳定性问题，如温度引起的相位漂移、光纤中的色散效应以及环路内的模式竞争现象。此外，对于现代应用而言，单一频率的微波输出往往不够用。因此，能够支持从多频段雷达系统到频率灵活的收发器以及光子模拟信号处理等多种应用的多频率且频率可调的光电振荡器受到了关注[10]、[11]、[12]。为实现这类系统，人们研究了多种技术，如可调激光器、光学注入锁定以及经过色散调制的光纤布拉格光栅[26]。其中，最有效的实现可调射频信号生成的方法之一是光学外差技术，即通过将两束略微失谐的连续波激光进行光学混合，在光电探测器输出端产生拍频射频信号。这种外差产生的射频信号是一种纯净且可调的驱动频率，可进一步用于频率倍增或调制操作[13]、[14]、[15]。当利用这样的拍频信号来驱动双驱动马赫-曾德尔调制器时，尤其是在载频被抑制且处于全偏置调制条件下，便可以在光学域实现频率倍增。通过精心选择调制指数和偏置点，双驱动马赫-曾德尔调制器的输出信号中会包含较强的偶数阶边带（2、4、6阶），同时抑制光学载频和奇数谐波[16]、[17]、[18]。这些高阶光学边带[19]、[20]、[21]随后可以被选中并通过光电检测转换为更高频率的射频信号，从而无需使用庞大的射频频率合成器即可实现紧凑、宽带且多频率的微波信号生成。在本研究中，作者提出了一种新型的多频率光子光电振荡器架构，该架构整合了光学外差技术、通过双驱动马赫-曾德尔调制器实现的频率倍增技术，以及基于经过色散设计的二次光纤布拉格光栅的滤波技术。通过两束窄线宽连续波激光产生外差射频信号，该信号用于驱动马赫-曾德尔调制器，从而产生具有抑制载频特性的丰富谐波光谱。然后利用二次光纤布拉格光栅筛选出特定的边带，这些边带在经过光纤延迟线处理后再次转换回电信号形式。最终得到的射频信号经过放大和滤波处理后反馈回去，从而完成光电振荡器的工作循环。该系统使用OptiSystem软件进行了建模和仿真，其性能则从频率可调性、光谱纯度、相位噪声降低程度以及边带抑制效果等方面进行了实验评估。虽然由于光学外差机制的存在，所提出的架构本身就具有频率可调性，但目前的实验研究主要聚焦于由现有射频滤波组件所决定的16 GHz工作频率点。因此，本研究重点在于展示二次光纤布拉格光栅在辅助降低相位噪声方面的有效性，并通过分析和仿真研究探讨其频率扩展潜力。

工作原理：所提出的架构结合了光学外差技术、利用双驱动马赫-曾德尔调制器实现频率倍增技术，以及通过二次光纤布拉格光栅实现经过色散设计的滤波技术，从而构建出一个能够生成稳定且光谱纯度高的微波信号的多频率光子光电振荡器，如图1所示。该系统旨在实现可在多个谐波频率下进行可扩展的射频信号生成，并具备更好的性能。

实验装置：为了评估所提出的多频率光子光电振荡器的实际性能，进行了全面的时间域实验，整个系统的光学和电气组件都按照精确的配置进行搭建，如图5所示。实验的目的是评估该振荡器在保持低相位噪声、最小抖动以及高稳定性的同时，能否在多个谐波频率下生成稳定且光谱纯度高的微波信号。

传统均匀光纤布拉格光栅与所提出的二次光纤布拉格光栅的群延迟特性对比：图6展示了传统均匀光纤布拉格光栅与所提出的二次光纤布拉格光栅的群延迟特性。传统均匀光纤布拉格光栅在其工作波长范围内具有大致恒定的群延迟，因此其色散补偿能力有限。而二次光纤布拉格光栅则具有随波长变化的群延迟特性，这使得反射的光学边带能够进行差异化的时间调整。这种经过设计的延迟特性有助于提高各边带之间的相位同步性。

结论：在本研究中，提出了一种具有新型多频率生成能力的光子光电振荡器架构，对该架构进行了设计并进行了仿真研究，旨在生成适合用于5G及未来更先进无线通信系统的稳定且光谱纯度高的微波信号。该系统利用两束连续波激光之间的光学外差作用产生一个可调的拍频射频源，然后该射频源再经过在工作在特定频率下的双驱动马赫-曾德尔调制器处理。

作者贡献说明：尼米什·库马尔·斯里瓦斯塔瓦：负责撰写原始草稿、方法论部分、正式分析、概念设计。桑吉夫·库马尔·拉古万希：负责撰写审阅与编辑内容、实验验证部分、软件相关工作、资源整理以及数据整理工作。

资金声明：本研究未获得任何资助机构的资金支持。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了印度国防研究与发展组织在“借助微波光子技术设计和开发频率稳定且高品质因数的光电振荡器”项目下提供的研究资助，资助编号为ERIP/ER/202206004/M/01/1805，资助批准代码为DGTM/ERIP/GIA/22 - 23/115/008，批准日期为2022年8月8日。此外，本研究还获得了其他部分的资金支持。

尼米什·库马尔·斯里瓦斯塔瓦 | 桑吉夫·库马尔·拉古万希
印度北方邦普拉亚加拉杰，阿拉哈巴德大学电子与通信系（J.K.应用物理与技术学院），邮编211002