光电振荡器：近期发展及新兴趋势

Optoelectronic Oscillators: Recent and Emerging Trends

Afshin S. Daryoush,¹ Ajay Poddar,² Tianchi Sun¹ and Ulrich L. Rohde²

Drexel University,¹ Philadelphia, Pa.

Synergy Microwave Corp., ² Patterson, N.J. 

高稳定性的振荡器是许多重要应用中的关键器件，在这些应用中，使用合成处理提高检测性能。光电振荡器（OEO）在微波和毫米波频段展现出的低相位噪声使其在合成孔径雷达、空间通信、导航和气象应用方面十分具有吸引力，这一特点对于使用10GHz以上频率的通信运营商也具有吸引力，因为运营商们需要高速的数据传输率。传统的OEO有很大的问题，如大量的分布密集的振荡模式、大的尺寸及热迁移，这都是人们不期望存在的。据报道，X波段和K波段的OEO合成器采用了一种最新技术，合并使用新颖的自注入锁定技术和双自相位锁定。这项技术减小了近距离和远距离条件下载波的相位噪声，同时抑制了标准OEO中观察到的旁瓣。例如，工作于X波段（8-12GHz）和K波段（16-24GHz）的频率合成器，在载波10KHz偏移处一般分别具有优于-138和-128dBc/Hz的相位噪声表现。为5G应用开发的一种完全集成的强制可调的低相位噪声OEO，具有小的尺寸和功率补偿，并且对环境具有低敏感度以及低成本的特点。

电子振荡器在低频段可以产生低相位噪声信号，但在高频段会有相位噪声简并的问题，这主要是由于使用了低Q值的谐振器。传统的高频信号产生方法是使用频率倍增技术，但这样也存在由于AM-PM噪声转换和次谐波生成引起的高相位噪声问题。许多不同类型的谐振器都可用于电子振荡器的电路中，如利用表面声波谐振器实现的印制耦合传输线谐振器、介质谐振器、陶瓷同轴谐振器、钇铁石榴石（YIG）谐振器和蓝宝石腔（SLC）谐振器。它们各自具有不同的特点及不足。通常工作在500MHz到20GHz频率范围，然而，随着频率的增加它们的Q值会减小，并受限于f*Q<10¹⁴。SLC做成的振荡器可以提供低相位噪声信号，但其调节能力十分受限，还需要精确的低温冷却系统，这将使得器件成本变高。

新型技术聚焦于微波和毫米波应用中的超材料谐振器振荡器。许多想要提高超材料谐振器振荡器相位噪声性能和调节范围的工作激发了对用于高频信号产生和信号处理的莫比乌斯拓扑结构的研究。图1给出了经典的印制莫比乌斯超材料带线（MMS）谐振器的设计，以及它的等效集总LC电路模型。图2是用于测量基于MMS的X波段振荡器相位噪声的系统。测量得到的10.24GHz载波在10KHz偏移处的相位噪声为-139dBc/Hz（如图3），并通过变容二极管实现了大约百分之五的调节范围。

图1 典型的超材料莫比乌斯带线谐振器：版图（a）和集总电路模型（b）。

图2 为用MMS激励的振荡器实现的10.24GHz合成器搭建的相位噪声测量平台。

图3 测量得到的10.24GHz合成器的相位噪声。

一种新型的基于图1-3的产生低相位噪声合成信号源的方法可以用来调节相位噪声，但不适合宽带应用。OEO提供了一个具有前景的解决方案。它具有高Q值，这是由于使用低损耗光纤造成了长时间存储延迟；并在高频应用方面具有潜力，这主要得益于其固有的宽带电光和光电传感器和对电磁干扰的高免疫力。

 目前的OEO技术

一个典型的OEO是混合的电子和微波光子的系统。它使用增强正反馈回路来促进低相位噪声、高频信号的产生。1996年，Yao和Maleki首次提出用光纤延迟线产生微波信号。他们的方法基于将脉冲激光的连续光能量转化成RF和微波信号，这就需要利用光纤延迟线或高Q值光学谐振器。后者可以使用有源或无源腔体实现。延迟线振荡器当中的低相位噪声由高Q值反馈回路保证，高Q值反馈回路是由长的低损耗光纤实现的。振荡频率由窄带微波滤波器决定。

OEO基于光纤回路中的延迟得以实现，光纤回路有许多分布密集的振荡模式，且这些模式可以通过窄带的微波滤波器。为了保证单模振荡，就需要超窄带高Q值微波滤波器，但这样的滤波器是无法实现的。光学滤波器可以组合使用，但用光学谐振器实现这样的滤波器也很难，并具有反复无常的模式不稳定性。最近，Zhang和Yao提出一种方法，无需超窄带光学滤波器，利用宇称-时间（PT）对称和两个相同的匹配反馈回路即可实现单模操作，这两个匹配反馈回路中，一个具有一定增益，另一个具有相同数值的损耗。如图4所示，PT对称OEO利用偏振实现可调的光学功分和对偏振敏感的平衡光电探测器。然而，即使是微小的振动也能刺激调控在光学回路中传播的光波的相位和偏振状态。

图4 PT对称OEO的框图。

Zhang等人提出的方法测量得到的相位噪声如图5所示，并对比了PT对称OEO的性能和目前现有可利用的以电子控制产生微波信号源技术的性能。PT对称OEO在三种不同的回路长度（20.31米、433.1米、9.166千米）中运行。9.76GHz载波10kHz偏移的相位噪声分别为-93、-104、-143dBc/Hz。一个有趣的现象是，PT对称OEO拓扑改善了载波10kHz偏移的相位噪声的性能，但和商业可用信号源相比，近载波性能有显著的变差。明显的边模的存在是由与9.166千米延迟线有关的谐振条件引起的。这些边模使振荡器的定时抖动减弱，甚至减少至近载波水平。

图5 PT对称OEO的相位噪声与商用的信号源的相位噪声在9.76GHz的对比。

一种可以改善PT对称OEO近载波相位噪声性能不佳的方法是使用偏振不敏感光学功分器及电反馈回路，以探测相位和偏振变化并进行实时动态补偿。这样可以部分改善近载波相位噪声的性能，然而，大于10kHz的偏移性能会有所下降，宽带稳定性能也会变差。

目前和未来一代通信系统需要高频率的信号源，并具有可调特性以满足宽带宽和高数据传输速率的标准。本文的工作就是基于自注入锁定和双自相位锁定（SILDPLL）技术的。

 自注入锁定和双自相位锁定OEO合成器

减小振荡器相位噪声可以通过注入锁定（IL）和相位锁定回路（PLL）来实现。IL非常易于实现，因此近载波相位噪声的减弱即是由于频率失谐和锁定范围受限造成的。另一方面，一个高增益回路滤波器可以使得PLL显著去除近载波相位噪声，但远距离偏移还是具有很高的噪声。Sturzebecher等人提出受外力控制的振荡器在近载波和远距离偏移频率都具有更好的相位噪声特性，同时相比IL技术和PLL技术同时使用的情况，其具有更宽的锁定范围。然而在传统的自注入相位锁定回路（ILPLL）拓扑结构中需要外部参考源，这就限制了最终的相位噪声表现。

为了忽略对极稳定外部参考源的需求带来的限制，自注入锁定（SIL）和自相位锁定回路（SPLL）被提出。SIL和SPLL本质上是反馈控制回路，在这种回路中部分输出信号被延迟用作参考源，这样就避免了对外部参考信号的需求。相比于单独使用SIL或SPLL，自注入锁定相位锁定回路（SILPLL）的回路增益可以被大大提高，提供了更大的相位噪声衰减。对于长光纤延迟来说，在受迫振荡器中，Δf=200kHz-km/L处大量且密集分布的边模是被期望的，其中L是光纤长度，以km为单位（如图5所示）。因此，需要引入多反馈路径来消除这些由SILPLL、SILDPLL（两个路径）、SILTPLL（三个路径）带来的边模，这也取决于对边模抑制和相关定时抖动的需求。

图6给出了SILDPLL OEO合成器的框图。它利用了SIL和双边带PLL技术以减小近载波和远距离相位噪声。低相对噪声强度（RIN）的光纤激光（TWL-C-HP-M）被用来提供波长可调的激光源。激光源发出的光通过光纤被传输到延迟线，并被光电探测器（DSC50S）接收，最后通过一个窄带滤波器。这个窄带滤波器是OEO的核心，被用来选择振荡频率。在本工作中，可调YIG滤波器被用于宽带工作和频率合成器的粗调。更进一步的完善由窄带光学横向滤波器完成，该滤波器由啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）实现，以提供窄带微波信号的滤波功能。该光学横向滤波器是波长相关的并能提供随光纤激光波长变化的可变频率。

图6 SILDPLL合成器的框图。

除了YIG和光学横向滤波器的光学频率选择，SIL、SPLL和它们的结合体SILPLL均被用于减小合成器的近载波和远距离相位噪声。图6展示了SIL和DSPLL。被Mach-Zehnder调制器（MZM）调制过的信号有两条路径。一条是OEO的主回路，另一条被分成了两个，产生3km和8km双相位锁定信号。然后，合成的相位锁定信号被输入到客户设计的混频器和低通滤波放大器（LPFA）电路板中（如图7）。一个双平衡混频器在这块电路板中与LPFA集成，LPFA由运算放大器实现，被用作相位探测器和PLL的低通部分。OEO主回路的相位误差和PLL的双延迟线被做了对比，然后相位误差信号被反馈回MZM的偏置端口。SIL信号借用了PLL路径并分享了与其相同的用于SPLL路径的3km光纤。3km和8km的双延迟线提供了明显的边模抑制。3km SIL信号由一个PLL信号激发，并被直接注入到功率合成器中。注入功率电平可以表达如下：

其中，P_i是注入信号功率，P_o是OEO功率电平。

图7 X波段和K波段SILDIL OEO合成器的俯视图（a）和侧视图（b）。

这种方法的创新之处体现在其高频的设计、加工和测试，以及分辨率中，最终可利用SILDPLL OEO实现X波段和K波段19英寸机架式频率合成器。高分辨率调谐得益于作为窄带滤波的色散器件—光学横向滤波器的良好的调谐功能，该光学横向滤波器利用啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）实现。二次谐波的产生通过使双驱动MZM的偏置达到V_π，以生成半整流光学脉冲。这种合成器的性能通过测量在4kHz最大频率偏移情况下，其近载波相位噪声和约60分钟的长期频率稳定性来衡量。

SILDPLL OEO合成器设计

由图6框图和图7硬件展示的频率合成器同时利用SIL和双边带PLL技术。具有多信号路径，提供了更强的信号稳定性和所需调制的应用场景。信号由合成器在客户设计的双平衡混频器和集成LPFA的帮助下，由合成器进行合成。合成器的设计还需要结合运算放大器电路，该电路作为相位探测器和PLL的低通部分。高分辨率和波长敏感的可调性得益于光纤激光的波长可控，这里光纤激光作为极窄带光学横向滤波器的光源。光学滤波器利用CFBG作为色散器件实现窄带滤波。级联中使用的电流控制的YIG滤波器和CFBG在X波段和K波段的宽频率范围内提供了频率粗调功能。例如在X波段，YIG滤波器的调节响应为25MHz/mA。由于向YIG滤波器提供的电流的分辨率为1mA，因此YIG滤波器有效的频率调节分辨率为25MHz。这一光和电技术合成的结果是相对宽带的频率调节范围，并在近载波和远距离载波均具有出色的相位噪声。更高的频率调节分辨率和窄带滤波可由色散的CFBG横向滤波器实现，这和基于光纤的滤波器正好相反。

图8给出了为合成器搭建的相位噪声测量系统。是德科技的E3631A经校正可提供恒定电流模式以调节YIG滤波器，罗德与施瓦茨FSWP被用于相位噪声测量。在X波段，载波频率为8到12GHz时，1kHz和10kHz偏移的单边带（SSL）相位噪声分别为-110dBc/Hz和-137dBc/Hz。在时域中，这将转化成在边模标记的35和200kHz处测得的4.395fs的响应。在K波段，载波频率为16到24GHz时， 1kHz和10kHz偏移的单边带（SSL）相位噪声分别为-103dBc/Hz和-128dBc/Hz。这一响应在时域中表现为在边模标记的35和200kHz处测得的6.961fs的响应。为了说明问题，所有系统均安装在19英寸的架子上，这一尺寸并不固定，对于特定的应用场景还可再减小。图9给出X波段和K波段在不同光纤长度下的相位噪声。

图8 相位噪声测试系统。

图9 X波段（a）和K波段（b）OEO在SIL=3km和DSPLL=3和8km情况下测量得到的相位噪声。

根据尺寸和功率消耗来看，YIG滤波器在这些光电激励的频率合成器中是主要元件。频率合成器中主要的电流消耗即来自YIG滤波器，在+10V_DC条件下需要150mA电流，消耗大约1.5W功率。具有两个通道的放大器，在+10V_DC条件下需要80到160mA电流，最多消耗大约1.6W功率。混频器和LPFA利用频率转化和滤波从高频光学信号中提取RF或微波信号，在-5V_DC条件下，需要大约110mA（60+5+45mA）。与此形成鲜明对比的是，光学探测器只需要很少的电流和功率，它的三个单元在+5V_DC条件下，每个仅需大约10mA（总共30mA）电流，消耗大约0.15W功率。宽带双通道放大器每个通道在+10V条件下大致需要80mA电流，或总共160mA电流，消耗1.6W功率。

单块集成电路OEO

最近，Tang等人提出一种集成的OEO（如图10），光和电部分均被集成在5*6平方厘米的印制电路板上。在7.30GHz载波频率1MHz偏移情况下，测量得到的相位噪声为-91dBc/Hz，注入电流为44mA。前面提到过的集成方法并不适用，因为其调节受限，并且相位噪声表现不佳，这是由于直接调制激光的高RIN引起的。

图10 IOEO框图（a）、装配（b）以及光学器件（c）。

在本工作中，利用单块集成制造技术实现的集成拓扑结构和硅光子兼容，用于减少尺寸和成本，同时还可提高对温度的敏感度。一个片级多模激光器可以在RF产生拍音但是存在不良的相位噪声表现。图11中的概念展示了一个可替换的激光结构，由四个部分组成，分布的布拉格反射器（DBR）、增益、相位调节以及电吸收调制器。DBR被用作一个滤波器，进行激光的输出频率选择。相位调节部分是DBR激光中的相位调制器，用于频率调节。不同的DC偏置电压在每个多模激光中可以激励不同的输出频率。输出的Y连接点向一个高速光电探测器提供了输入信号，用于有效探测极稳定RF拍音。增益是由InGaAsP-InAsP多量子结构提供的，工作波长大约为1550nm，预估的阈值电流约为30mA。目前的工作进度正处于在单块集成器件上实现这些设计。

图11 利用DBR多模激光器对产生RF拍音的激光系统的框图。

结论

本文所描述的在一个19英寸机架式外壳中的SILDPIL OEO合成器是基于一项专利授权的技术，其尺寸在特定的应用和需求中还可减小。目前工作的进展是发展单块集成解决方案，以解决混合光电系统中出现的问题，混合光电系统包含集成微波和片上光学电路。包含SOI、InP和Si₃N₄在内的光学集成材料平台的近期发展向适用于5G应用的片上OEO打开了新的大门。

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