郝騰飛，石暖暖，李 偉，祝寧華，李 明

1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083

2. 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049

3. 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心，北京100190

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的功能逐漸從單一的測距向同時(shí)具備測距、目標(biāo)識(shí)別、跟蹤等多種功能的方向演化[1]. 寬帶可調(diào)的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)可作為雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)源實(shí)現(xiàn)上述功能. 傳統(tǒng)的線性調(diào)頻微波信號(hào)的產(chǎn)生方法主要基于純電子學(xué)的手段，包括基于壓控振蕩器、直接數(shù)字合成和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等. 然而，受限于電子學(xué)的技術(shù)瓶頸，不同頻段使用的電子元器件截然不同，因此基于純電子學(xué)手段產(chǎn)生高穩(wěn)定性的寬帶高頻線性調(diào)頻信號(hào)仍然面臨著很大的挑戰(zhàn).

得益于光子技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，如大帶寬、低損耗、快速可重構(gòu)和抗電磁干擾等[2]，微波光子學(xué)技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子學(xué)手段的技術(shù)瓶頸，在近幾十年來得到了廣泛的研究. 一些微波光子技術(shù)，比如時(shí)域脈沖整形[3]、空間或頻率到時(shí)間的映射[4]、外加相位或偏振調(diào)制[5-6]以及半導(dǎo)體激光器單周期振蕩效應(yīng)[7-8]等，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)幾十GHz 的線性調(diào)頻微波信號(hào). 近年來，研究人員也提出了一些微波光子學(xué)的方法以產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)[9-11]. 例如：基于偏振復(fù)用的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器可在兩個(gè)偏振態(tài)的方向上產(chǎn)生雙波段線性調(diào)頻微波信號(hào)[9]，但受偏振態(tài)方向的限制，該方法只能產(chǎn)生兩個(gè)波段的線性調(diào)頻微波信號(hào). 多個(gè)波段的線性調(diào)頻微波信號(hào)可以利用鎖模激光器及一系列的窄帶濾波器產(chǎn)生[10]. 雖然信號(hào)的中心頻率可調(diào)諧，但是其時(shí)間周期和帶寬受限于基帶微波信號(hào). 文獻(xiàn)[11]采用具有不同自由光譜范圍的一對(duì)光頻梳，可產(chǎn)生中心頻率、時(shí)間周期和帶寬均可調(diào)諧的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào). 與上述兩種方法類似，此方法仍需采用一個(gè)高頻的基帶線性調(diào)頻微波信號(hào)源來產(chǎn)生所需的基帶線性調(diào)頻微波信號(hào).

光電振蕩器（optoelectronic oscillator, OEO）是一個(gè)典型的微波光子諧振系統(tǒng)，憑借超高的環(huán)路品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生了具有極低相位噪聲的微波信號(hào)[12-17]. 不過傳統(tǒng)的OEO 只能產(chǎn)生單頻的微波信號(hào)，而不能產(chǎn)生連續(xù)的線性調(diào)頻微波信號(hào). 當(dāng)傳統(tǒng)的OEO 進(jìn)行頻率調(diào)諧時(shí)，需要不斷地從噪聲中建立新的模式，以致無法產(chǎn)生連續(xù)的高質(zhì)量線性調(diào)頻微波信號(hào). 文獻(xiàn)[18-20]提出了基于傅里葉域鎖模光電振蕩器（Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator,FDML OEO）產(chǎn)生線性調(diào)頻微波信號(hào)的新技術(shù). 該方法在OEO 中插入一個(gè)掃頻的濾波器，并將濾波器的掃頻周期和OEO 的環(huán)腔延時(shí)同步以實(shí)現(xiàn)頻域鎖模狀態(tài)，從而使OEO 中掃頻范圍內(nèi)的所有模式同時(shí)在環(huán)腔內(nèi)振蕩，突破了傳統(tǒng)OEO 中模式建立時(shí)間的限制. 除此之外，文獻(xiàn)[18-20]還基于FDML OEO 成功地產(chǎn)生了單線性調(diào)頻以及雙啁啾的微波信號(hào).

本文提出并驗(yàn)證了一種基于FDML OEO 的多波段線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生方案. 該方案的核心是在OEO 腔內(nèi)采用一個(gè)快速掃頻多通帶微波光子濾波器，將掃頻多通帶微波光子濾波器的掃頻周期和FDML OEO 的環(huán)腔延時(shí)同步以實(shí)現(xiàn)傅里葉域鎖模，從而使FDML OEO 在腔內(nèi)自激振蕩產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號(hào). 該方案不需要高頻的基帶線性調(diào)頻微波信號(hào)源便可產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)，且這些信號(hào)的帶寬和中心頻率均寬帶可調(diào). 這種新型多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)源在先進(jìn)多波段雷達(dá)、電子戰(zhàn)、多業(yè)務(wù)泛在接入無線通信等系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景.

1 基本原理

多波段線性調(diào)頻FDML OEO 的結(jié)構(gòu)框圖如圖1(a)所示. 該FDML OEO 包括一個(gè)掃頻多波長激光器、一個(gè)相位調(diào)制器、一個(gè)光陷波濾波器、一個(gè)摻鉺光纖放大器、一卷光纖、一個(gè)光電探測器、一個(gè)高通濾波器、一個(gè)功分器和一個(gè)低噪聲放大器，其中核心單元是基于相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制（phase-modulation to intensity-modulation, PM-IM）轉(zhuǎn)換[21-22]的快速掃頻多通帶微波光子濾波器，由掃頻多波長激光器、相位調(diào)制器和光陷波濾波器等構(gòu)成. 圖1(b)所示為快速掃頻多通帶微波光子濾波器的工作過程：從多波長激光器發(fā)出的光載波在相位調(diào)制器上由微波信號(hào)調(diào)制，在小信號(hào)近似的條件下產(chǎn)生光載波和等幅反相的上下兩個(gè)邊帶. 由于上下兩個(gè)邊帶的等幅反相特性，相位調(diào)制器輸出的調(diào)制光信號(hào)直接進(jìn)入光電探測器，此時(shí)只能產(chǎn)生一個(gè)直流電壓而得不到對(duì)應(yīng)的微波信號(hào)；若引入一個(gè)光陷波濾波器濾除其中一個(gè)邊帶，則相位調(diào)制等幅反相的平衡關(guān)系遭到破壞，此時(shí)在光電探測器處可以得到對(duì)應(yīng)的微波調(diào)制信號(hào). 如圖1(b)所示，假設(shè)相位調(diào)制的–1 階邊帶被光陷波濾波器濾除，那么多通帶微波光子濾波器的中心頻率可表示為

式中，fsk為多波長激光器的發(fā)光頻率，k為整數(shù)，fnotch為光陷波濾波器的陷波位置.從式（1）中可以看出，這個(gè)多通帶微波光子濾波器的通頻帶的中心頻率等于多波長激光器和光陷波濾波器在陷波位置的頻率差. 因此，多通帶微波光子濾波器的掃頻可以通過多波長激光器的掃頻實(shí)現(xiàn). 掃頻多波長激光器的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，比如可以采用一個(gè)激光器外加一個(gè)電光調(diào)制器構(gòu)成掃頻多波長激光器，如圖1(a)所示. 多波長通過電光調(diào)制實(shí)現(xiàn)，而掃頻則通過激光器受三角波電流驅(qū)動(dòng)的頻率調(diào)諧實(shí)現(xiàn). 與文獻(xiàn)[18]類似，可將該掃頻多通帶微波光子濾波器輸入和輸出信號(hào)的頻率視為被同一個(gè)本振信號(hào)進(jìn)行上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換. 該濾波器的輸出信號(hào)可表示為

式中，Tround-trip為OEO 的環(huán)腔延時(shí)，Tfilterdrive為多通帶微波光子濾波器的掃頻周期，n為正整數(shù). 在傅里葉域鎖模條件下，當(dāng)OEO 整個(gè)掃頻范圍內(nèi)的每個(gè)模式在環(huán)腔中傳輸一周再次回到濾波器時(shí)，濾波器的通頻帶恰好又調(diào)諧到了同樣的頻率位置. 因此，掃頻范圍內(nèi)的所有模式可同時(shí)在FDML OEO 中起振，突破了傳統(tǒng)OEO 中模式建立時(shí)間的限制.

除了上述掃頻多通帶微波光子濾波器外，此FDML OEO 采用了一個(gè)高通濾波器來濾除多波長激光器不同波長的拍頻成分. 在環(huán)路中，還采用了一個(gè)摻鉺光纖放大器和一個(gè)低噪聲放大器來保證足夠的增益. 在不考慮諧波和交調(diào)成分的條件下，此FDML OEO 的穩(wěn)態(tài)輸出滿足

圖1 基于傅里葉域鎖模光電振蕩器的多波段線性調(diào)頻微波波形產(chǎn)生方案Figure 1 Multi-band linearly frequency modulated microwave waveform generation method based on FDML OEO

2 實(shí)驗(yàn)

本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的多波段線性調(diào)頻傅里葉域鎖模光電振蕩器的可行性，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示. 在實(shí)驗(yàn)中，掃頻多波長激光器由一只半導(dǎo)體分布反饋激光器和一個(gè)馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器組成. 半導(dǎo)體分布反饋激光器由一個(gè)周期為22.22 μs 的三角波電流驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)掃頻. 將一個(gè)單頻的射頻信號(hào)加載到馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器上，以實(shí)現(xiàn)多波長操作. 在實(shí)驗(yàn)中，半導(dǎo)體分布反饋激光器的輸出功率約為18 dBm，其中心波長約為1 550.590 nm. 在三角波電流的驅(qū)動(dòng)下，其最大波長變化范圍為1 550.582～1 550.598 nm，對(duì)應(yīng)2 GHz 的掃頻帶寬. 所形成的掃頻多波長激光器的波長有3 組，其中1 組與半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長一致，另外2 組的波長分別比半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長低或高?f/125（單位為nm），?f為兩個(gè)相鄰波段間的頻率間隔. 比如，當(dāng)?f= 3.0 GHz 時(shí)，另外兩組的波長分別比半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長低和高0.024 nm. 實(shí)驗(yàn)所用的相位調(diào)制器的3 dB 帶寬為30 GHz，半波電壓為4 V，光陷波濾波器采用一個(gè)相移光纖布拉格光柵，用來濾除相位調(diào)制的一個(gè)邊帶，摻鉺光纖放大器的增益可調(diào)，噪聲系數(shù)為3.3 dB，低噪聲放大器的增益為29 dB，噪聲系數(shù)為6 dB，光纖的長度為4.5 km，光電探測器的帶寬為15 GHz. 實(shí)驗(yàn)中的功分器為Marki Microwave 公司的PD40 型功分器，其頻率范圍覆蓋DC-40 GHz，附加損耗低至0.75 dB，幅度一致性約為0.25 dB. 根據(jù)第1 節(jié)的分析可知，通過多波長激光器的掃頻可實(shí)現(xiàn)具有同樣掃頻特性的多通帶微波光子濾波器. 掃頻多通帶微波光子濾波器的掃頻周期等于信號(hào)在OEO 環(huán)路內(nèi)傳輸一周的延時(shí)，因此實(shí)現(xiàn)了傅里葉域鎖模. 當(dāng)FDML OEO 環(huán)路的增益大于損耗時(shí)，環(huán)腔內(nèi)便會(huì)以自激振蕩的方式產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號(hào).

傅里葉域鎖模光電振蕩器產(chǎn)生了具有不同中心頻率和帶寬的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)，其瞬時(shí)頻率變化如圖2 所示. 這些瞬時(shí)頻率變化是通過對(duì)示波器測得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換得到的. 從圖2 中可以看出，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)包括3 個(gè)波段，分別對(duì)應(yīng)多波長激光器的3 組掃頻波長. 相鄰兩個(gè)波段的中心頻率之差為3.0 GHz，等于加載到電光調(diào)制器上的射頻信號(hào)的頻率. 如圖2 所示，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的中心頻率和帶寬均可調(diào)，分別是通過調(diào)諧激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的直流偏置和頻率實(shí)現(xiàn)的. 可以看出，受限于光電探測器的帶寬，第3 個(gè)波段的微波信號(hào)的功率相對(duì)較低. 與圖2 的不同中心頻率和帶寬的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)對(duì)應(yīng)的光譜圖如圖3 所示. 從圖3 中可以看出，光陷波濾波器作用在相位調(diào)制的上邊帶上. 當(dāng)增加所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的頻率時(shí)，掃頻多波長激光器產(chǎn)生的光載波會(huì)遠(yuǎn)離光陷波濾波器的陷波位置. 此外，從圖3 中也可以看到一些高次諧波的存在，主要是由相位調(diào)制器的非線性響應(yīng)導(dǎo)致的. 當(dāng)增大所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的帶寬時(shí)，在光譜儀上觀測到的光譜也隨之加寬，這與第1 節(jié)的理論分析是相符合的.

圖2 產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波波形的瞬時(shí)頻率圖Figure 2 Instantaneous frequency-time diagram of generated multi-band linearly frequency modulated microwave waveforms

簡單地調(diào)節(jié)加載到馬赫-曾德爾電光調(diào)制器上的射頻信號(hào)，則不同波段間的頻率間隔可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧. 當(dāng)加載到馬赫-曾德爾器上的射頻信號(hào)的頻率為4 GHz 時(shí)，產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的瞬時(shí)頻率如圖4 所示，此時(shí)兩個(gè)相鄰波段間的頻率間隔也調(diào)節(jié)到了4 GHz. 在這種情況下，產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的3 個(gè)波段分別位于X、Ku、K 波段范圍內(nèi). 從圖4中可以看出，在這種情況下所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的中心頻率和帶寬也可以調(diào)節(jié).從理論上來說，所產(chǎn)生的線性調(diào)頻微波信號(hào)的最大頻率范圍由傅里葉域鎖模光電振蕩器內(nèi)所采用的調(diào)制器、光電探測器等光電子器件的帶寬共同決定. 目前已報(bào)道的光電子器件的帶寬可達(dá)100 GHz 以上，因此傅里葉域鎖模光電振蕩器理論上可產(chǎn)生頻率范圍高達(dá)100 GHz 的微波信號(hào). 在實(shí)驗(yàn)中，受限于本文采用的光電探測器的帶寬，所產(chǎn)生的線性調(diào)頻微波信號(hào)的最大頻率約為20 GHz.

圖3 光譜圖Figure 3 Optical spectra

圖4 產(chǎn)生的3 個(gè)波段分別位于X、Ku 和K 波段的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)Figure 4 Generated multi-band chirped microwave signals when the three bands are locating at X-band, Ku band and K band, respectively

3 結(jié)語

本文提出并驗(yàn)證了一種基于FDML OEO 的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)產(chǎn)生方案. 該方案的核心是在FDML OEO 的腔內(nèi)加入一個(gè)快速掃頻的多通帶微波光子濾波器，并將濾波器的掃頻周期和OEO 的環(huán)腔延時(shí)同步以實(shí)現(xiàn)傅里葉域鎖模. 該方案可以在不依賴高速的基帶線性調(diào)頻微波源的情況下從FDML OEO 的腔內(nèi)直接自激振蕩產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號(hào). 此外，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)的帶寬和中心頻率均可調(diào)諧. 這種新型多波段線性調(diào)頻微波信號(hào)源在先進(jìn)多波段雷達(dá)、電子戰(zhàn)、多業(yè)務(wù)泛在接入無線通信等系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景.