面向高分辨率传感的光电振荡器：原理、集成与未来发展方向的批判性综述

《Optik》：Optoelectronic oscillators for high-resolution sensing: A critical review of principles, integration, and future directions

　　

摘要

光电子振荡器（OEOs）利用光学延迟线的低损耗特性和高品质因数（high-Q）谐振器来生成稳定的微波信号，为高分辨率传感提供了一种潜在途径。基于OEO的传感技术可将光学路径扰动（如应变、温度、折射率变化或分子结合）转化为微波振荡频率的偏移。本研究系统总结了基于OEO的传感技术，重点关注OEO设计相较于传统传感方法可能具备优势的应用需求与场景。文中讨论了生化检测、结构健康监测、电场和磁场传感等主要应用领域，从传感性能、频率稳定性、集成度、多路复用及实际限制等方面进行了分析。论文还探讨了包括硅、氮化硅、铌酸锂以及异质集成在内的光子集成平台，以及基于高品质因数谐振器、非线性光子学、机器学习和量子光子集成等新兴技术。特别强调了温度敏感性、耦合损耗、功耗、封装、制造公差和射频读出复杂性等可能阻碍实际部署的问题。通过定量基准测试和应用导向的对比，确定了OEO传感最适宜的场景以及传统技术可能仍占优的领域。最后，阐述了特定的研究目标，包括低功耗与紧凑集成、环境稳定化、可扩展封装、自适应控制以及在真实运行环境下的验证。

引言

OEO作为一种有前景的光子-微波混合技术，利用光学储能克服了传统电子振荡器的根本局限[1]，[2]。姚（Yao）和马莱基（Maleki）首次提出的长光纤延迟线或高品质因数光学谐振器技术，使OEO能够在10 kHz偏移处实现低至?163 dBc/Hz的相位噪声性能——这是纯电子手段难以达到的水平[3]，[4]。这一能力已从最初的优质微波源功能扩展为频率编码的传感框架[5]，其中环境扰动通过改变光路长度直接影响微波振荡频率[6]，[7]。近期的典型案例包括：在千米范围内实现厘米级空间精度的分布式声波传感[8]，[9]，以及利用回音壁模式谐振器实现单生物分子检测[10]，[11]。OEO架构如图1所示，实现了跨多种模态的高灵敏度转导，已演示了毫米级尺寸和通过克尔孤子微梳实现的一百多个传感信道。

图1概述了OEO多样化的应用格局。OEO最初作为超低相位噪声微波源开发，现已演变为支持集成传感、生物医学诊断、航空航天监测、安全通信和联合雷达-通信系统的多功能光子平台。其光学处理与微波频率稳定性的独特组合，使其能够在众多新兴应用中实现高分辨率传感和信号生成能力。尽管已有大量证据支持光电子振荡器（OEO）在地震传感、生化健康监测和结构健康监测方面的应用[12]，[13]，[14]，但当前研究体系中存在一个显著缺陷：近期出版物主要集中在详述OEO的功能特性，而非评估其设计相较于成熟技术是否具有独特且可测量的优势。本研究引入了一个分析框架，旨在确定OEO表现出显著性能提升的具体用例。同时，我们深入考察了阻碍这些系统从实验室原型向实际部署转化的关键技术挑战，包括光子集成损耗、温度交叉敏感性和元件非线性[15]，[16]，[17]。

OEO出现于20世纪90年代中期，旨在解决电子振荡器相位噪声带来的微波频率限制。利用较长的光纤延迟，姚和马莱基证明混合电光环路可以实现102的有效Q值，超越了当时最先进的蓝宝石谐振器五个数量级[1]，[2]。最初为雷达、通信和原子钟稳定应用而设计的这一概念，随后通过利用振荡频率对光学环路延迟变化的极高灵敏度扩展至传感领域。光路长度的变化会产生相应的微波振荡频率偏移。光电子振荡器（OEOs）将光波长偏移转化为微波频率偏差，通过高速数字信号处理实现飞秒级分辨率和微秒级响应时间[4]，[5]。这与传统的光纤布拉格光栅（FBG）解调形成对比，后者分辨率仅限于皮米级，且需要以毫秒级响应时间进行光学光谱分析。

以往独立技术的发展汇聚推动了这一范式转变。氮化硅系统可以集成到OEO中，实现毫米级尺寸，其品质因数超过10?；同时，单芯片光子引擎表现出24 GHz的可调谐范围和?114 dBc/Hz的相位噪声[18]，[19]，[20]。此外，在频率扫描型OEO中，线宽控制通过时变宇称-时间对称性实现，而半监督机器学习结合实时环境校准可实现噪声降低十倍。因此，这些进展拓展了OEO解决本综述提出的两个核心问题的潜力：具体来说，在哪些场景下OEO传感可以相较于其他方法提供优势？实现现场可部署实施方案的核心技术障碍是什么？[21]，[22]，[23]，[24]

本研究考察了光电子振荡器（OEOs）向高分辨率传感平台演化的历程，围绕四个相互关联的目标展开。首先，我们提出了一个旨在满足各种应用多样化需求的框架。通过已报道的实验结果评估OEO相较于物理、生化和分布式传感技术的潜在优势。此外，我们讨论了制造公差、耦合损耗和温度控制等关键因素，这些都是实现功能性器件实际化的必要条件。我们的平台评估涵盖了氮化硅（Si?N?）和碳化硅（SiC）等材料。目标是将可编程微波光子学、孤子微梳、高品质因数谐振器和机器学习优化集成在一起，以实现智能可重构性。实施方案优先考虑物联网兼容、现场可部署的传感器，以应对挑战并实施定制化缓解策略。重点不在于用于通信的微波合成，而是传感功能和系统集成。

本研究对基本原理、预期进展和实际应用进行了全面考察。第2节深入探讨了品质因数和相位噪声动力学背后的物理学原理，这两者对传感器效能至关重要，同时还介绍了光电子振荡器（OEOs）的基础原则。第3.3节详细讨论了通过高品质因数谐振器实现OEO微型化的概念，这些谐振器可设计为单环路或多环路配置。第4部分聚焦于涵盖光电探测器、谐振器和调制器的基本概念。最后，第5节提供了针对关键传感器模态的应用特定性能评估，辅以OEO已报道性能的定量数据。第6节探讨了最新的技术进展，特别是预计在2024-2025年实现的集成光子学发展，以及智能信号处理的进步。第7节展示了与成熟传感方法的基准测试结果。第8节讨论了降低交叉敏感性的策略，同时识别了固有局限性。最后，第9节概述了未来OEO传感器系统及其创新应用的主要研究目标。

尽管已有对OEO技术的一系列评估和观点[2]，[32]，[34]，本研究提供了四个独特贡献。首先，提供了一种系统方法来确定何时以及为何基于OEO的传感可能相较于传统传感方法提供可测量的益处。其次，基于标准性能指标，提供了OEO传感与竞争技术的定量评估。第三，批判性地考察了阻碍从实验室演示向现场可部署系统转化的实际限制，包括耦合损耗、热敏感性、制造公差和封装。第四，关注新兴领域中的特定研究不足，包括光子集成、机器学习、宇称-时间对称架构和光子储层计算。这一综合视角为OEO传感的优势、局限和未来潜力提供了平衡的评估。

节选

OEO基础

本节将讨论OEO的主要性能指标、控制方程和运行原理。在高微波频率下，OEO比传统电子振荡器提供更好的频谱纯度。这是由于光学延迟线或高品质因数谐振器的低损耗特性[25]，[26]。

基本OEO架构

OEO已从传统的光纤延迟配置演变为多环路和谐振器辅助架构，以实现更好的相位噪声、稳定性和集成度[2]，[3]。单环路OEO通常由激光器、电光调制器（EOM）、光电探测器、射频放大器、带通滤波器和光学延迟线组成。延迟线根据f?=1/τ确定振荡频率，其中τ为环路延迟。尽管单环路OEO提供了简单且相对低成本的实现方案，但它们用于高分辨率传感应用的长光纤OEO

OEO为物理、化学和生物因素的高分辨率传感提供了一种频域方法。本部分回顾了重要的基于OEO的传感应用，包括生化传感、结构传感、声学传感、电场和磁场传感，并讨论了其性能、优势和实际限制。还回顾了向集成化和智能化OEO传感系统发展的近期改进。

OEO传感技术的近期进展

OEO技术的发展路径发生了显著变化。现在的重点是从改进单光纤系统转向在光子电路中协同工作。这种转变是满足实际传感应用基本需求的必要条件，如耐用性、现场适应性、能效以及最终的成本效益。这不仅仅是小型化的问题。因此，"近期进展"现在与智能控制范式的改进、新的发展相关。

与其他传感技术的比较分析

表6提供了微波光子学/光纤光学传感技术与基于OEO的传感技术在灵敏度、相位噪声、频率稳定性、带宽、多路复用、集成度和关键系统级权衡方面的定量和批判性比较。该比较突出了OEO传感相较于传统方法可提供优势的应用特定条件。

挑战与限制：普遍部署的障碍

理论上，基于光-电-光（OEO）技术的传感方法显示出巨大潜力。然而，在能够有效部署于实际商业应用之前，仍有许多技术挑战需要克服。光电子振荡器（OEOs）以其精确性著称，这源于其较长的光学延迟、高品质共振和对相移的敏感性。然而，这些同样的特性也使它们易于受到……

新兴应用与未来研究方向

OEO传感的 future 进展将由阻碍实际部署的系统级问题决定。主要研究课题包括：减小尺寸和功耗、改善热和环境稳定性、可靠的异质集成以及紧凑的射频读出和校准系统。集成机器学习、非线性光子处理以及先进集成平台的新技术为自适应和智能应用提供了前景……

结论

OEO已从专门的微波发生器转变为灵活的高分辨率传感平台。其主要优势在于能够将微小扰动转化为可测量的频率偏移，这在适当的传感条件下可能提供高灵敏度。本研究分析了超越展示案例汇编的领域，提供了一种框架来识别OEO设计可能提供技术优势的场合。我们追踪了……

未引用参考文献

[46],[58],[59],[65],[67],[70],[71],[77],[79],[80],[82],[84],[85],[86],[87],[88],[89],[90],[91],[94],[104]

CRediT作者贡献声明

Prashant Kumar：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、方法论、调查研究、正式分析、数据整理。Paritosh Shukla：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、正式分析、概念设计。Sanjeev Kumar Raghuwanshi：监督指导、正式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由印度政府国防研究与开发组织（DRDO）在幕外研究资助计划下通过项目"基于微波光子技术的频率稳定和高Q值光电子振荡器的设计与开发"（资助编号：ERIP/ER/202206004/M/01/1805；批准代码：DGTM/ERIP/GIA/22-23/115/008，日期：2022年8月8日）提供资助。此外，科学和工程研究委员会（SERB-DST）也提供了支持。

Prashant Kumar | Paritosh Shukla | Sanjeev Kumar Raghuwanshi

印度理工学院（印度矿山学院）电子工程系，贾坎德邦丹巴德，邮编826004，印度