摘 要  在对光电振荡器(OEO)的工作原理和特性进行阐述和分析的基础上，总结回顾了边模抑制、降低相位噪声、     提高频率稳定性等改善光电振荡器性能的各种技术手段和方案，评述了基于光电振荡器的光脉冲产生、时    
钟提取等应用，讨论了制约光电振荡器实用化的因素，提出了可能的发展方向和改进措施 1 引言       高质量的微波信号在民用通信、电子测量、电子 对抗、雷达等方面都有广泛的应用。在传统的微波信 号产生方法中，介质振荡器在低噪声、高谱纯度或可 调谐的条件下，表现往往不尽如人意。石英虽然可以 获得品质因素(Q 值)很高的稳定晶振，却不能直接得 到高频信号。与之相比，光电振荡器(OEO)作为一种 新型的微波信号发生器能产生频率从几个到上百吉 赫兹，Q 值高达 10¹⁰，低相位噪声(工作频率为 10 GHz 时，低于-140 dBc/Hz@10 kHz)的高品质信号并具有 可调谐性和光、电两种输出，是一种非常理想的信号 发生装置^[1，2]。 2 光电振荡器的工作原理及特性       光电振荡器一般是由光源、强度调制器、滤波器、 光电探测器(PD)构成的一个正反馈环路。它利用调制 器以及光纤低损耗的特性将连续光变为稳定的、频谱 干净的射频/微波信号，其结构如图 1 所示。激光器发 出的连续光经电光调制器后通过光纤传输进入光电 探测器，光电探测器把光转变为电信号后进入选频、 放大和反馈调制器件。在此过程中有源器件会产生不 同频率的噪声扰动，这些扰动在输出端被滤波器滤出 希望起振的频率，并用来反馈控制电光调制器。环路 中的放大器提供了增益，信号经过多次循环后，就能 建立起稳定的振荡，其振荡频率主要由滤波器的通带
特性决定。经过理论分析和实验，环路中能量的衰减时间(介质的储能能力)决定了振荡器的 Q 值。这里
 
Q=2πft _d，其中 f 为振荡频率，t_d 为能量衰减时间。因此只要环路中的光纤具有足够的长度，光电振荡器就可
 
以产生比传统振荡器更高品质的信号输出^[2]。此外，研究还指出光电振荡器的相位噪声随其频偏量 f′ 呈二次方下降，而对于固定的 f′ ，相位噪声随环路延时呈二次方下降，并且与振荡器的工作频率无关。尽管相位噪声不会随环路延时的增加而无限减小[信噪比**终受制于激光器的相对强度噪声(RIN)]^[2]，但是使用长光纤的仍是一个必然的趋势。
 
光电振荡器的性能虽然突出，但是它的系统构成也决定了它的一些不足。shou先，为了得到高 Q 值的信号输出，一般需要在腔内使用长光纤，而此时腔长长度还决定了起振模式之间的间隔，腔越长，模式间隔就越小。理论上可以用一个足够窄的滤波器滤除不需要的模式，但在器件的获得上有相当的困难；其次，在信号的相位噪声方面，光源的相对强度噪声、光电探测器以及电放大器都会对**终所产生微波信号的相位噪声造成影响。滤波器、放大器带宽过大也会使通带范围内的信噪比降低，影响起振频率的品质；**后，由于环路主要由光纤构成，其腔长容易受到环境温度、应力等的影响发生变化，造成起振基频的变化使输出频率发生漂移或跳频；另外，长光纤占有比较大的体积，对整个光电振荡器系统的小型化、集成化造成了障碍。解决以上这些问题是光电振荡器**终实用化的一些关键工作。
 
 
3 光电振荡器的性能研究进展
 
3.1 单模起振与边模抑制
 
根据光电振荡器的工作原理，起振模式的间隔 Df
 
由环路对信号的延时决定，可表示为 Df=1/t ，这里 t 
为延时量^[3]。当环路中使用光纤长度达到 1 km 时，则模式间隔约为 200 kHz。目前的商用电滤波器难以提供足够窄的带宽实现单一模式的选择。为了解决这一困难，研究者分别提出了高 Q 光子滤波器代替长光纤储能和采用多环路结构抑制边模的光电振荡器方案。
 
采用高 Q 值的滤波器实现单一模式起振的想法是很容易理解的。在众多光子微波滤波器中，回音廊模 式 谐 振 器 [whispering -gallery mode (WGM) resonators] 是一个典型代表并被成功地用于光电振荡器的选频滤波^[4，5]。它由电介质材料加工成亚毫米结构的盘(圆柱)型谐振腔，通过波导输入，输出光信号。光信号在谐振腔中反复振荡，完成选频输出。以微盘结构为例，其剖视图如图 2 所示^[6]。这种 WGM 谐振器的选频特性与法布里-珀罗(F-P)滤波器类似，不像长光纤腔那样具有很多小间隔边模，可通过控制电压、应力或温度变化实现调谐功能，其 Q 值在 10 GHz
 
的工作频率下可达到 10⁶，效果等效于数千米的光纤环路，具有很好的选模特性，为光电振荡器小型化奠定了良好的基础^[5，7]。但是这种 WGM 谐振腔也并非：shou先，这种滤波器具有洛伦兹线性的滤波窗口，为了满足对边模抑制要求比较高的场合的需要，有时必须多个级联使用；其次，在同时要求高 Q 值和大范围可调谐方面还不理想；**后，这种结构的滤波器工作稳定性易受环境温度、应力的影响，因此需要一些辅助的外围温控；另外，它的耦合损耗也是一个不容忽视的影响。#p#分页标题#e#

 
为延时量^[3]。当环路中使用光纤长度达到 1 km 时，则模式间隔约为 200 kHz。目前的商用电滤波器难以提供足够窄的带宽实现单一模式的选择。为了解决这一困难，研究者分别提出了高 Q 光子滤波器代替长光纤储能和采用多环路结构抑制边模的光电振荡器方案。
 
采用高 Q 值的滤波器实现单一模式起振的想法是很容易理解的。在众多光子微波滤波器中，回音廊模 式 谐 振 器 [whispering -gallery mode (WGM) resonators] 是一个典型代表并被成功地用于光电振荡器的选频滤波^[4，5]。它由电介质材料加工成亚毫米结构的盘(圆柱)型谐振腔，通过波导输入，输出光信号。光信号在谐振腔中反复振荡，完成选频输出。以微盘结构为例，其剖视图如图 2 所示^[6]。这种 WGM 谐振器的选频特性与法布里-珀罗(F-P)滤波器类似，不像长光纤腔那样具有很多小间隔边模，可通过控制电压、应力或温度变化实现调谐功能，其 Q 值在 10 GHz
 
的工作频率下可达到 10⁶，效果等效于数千米的光纤环路，具有很好的选模特性，为光电振荡器小型化奠定了良好的基础^[5，7]。但是这种 WGM 谐振腔也并非：shou先，这种滤波器具有洛伦兹线性的滤波窗口，为了满足对边模抑制要求比较高的场合的需要，有时必须多个级联使用；其次，在同时要求高 Q 值和大范围可调谐方面还不理想；**后，这种结构的滤波器工作稳定性易受环境温度、应力的影响，因此需要一些辅助的外围温控；另外，它的耦合损耗也是一个不容忽视的影响。明显优势。
 明显优势。
 境变化对系统的影响，也是一种提高输出信号稳定的
 
方法。在 X.Steve Yao 等^[3]的实验中，这种实验系统被放置于一个填充泡沫的盒子里以隔jue振动带来的影响。而 D.Eliyahu 等^[13]所做的实验经过温度控制的光电振荡器系统频率稳定性从-8.3×10^-6/℃ 提高到-0.1
 
×10^-6/℃，短期稳定性达到 0.02 ×10^-6，由腔长变化引起的跳频等现象被消除。
 
另一个提高频率稳定性的方法是在系统中使用高 Q 值的滤波器，严格选定一个模式起振，强烈抑制边模，则光电振荡器的输出频率稳定性可以得到极大的提高。D.Strekalov 等^[4]对高 Q 值滤波器的稳频作用进行了详细的分析，并演示了高 Q 值介质滤波器和利用铷原子蒸气室中的电磁诱导透明效应，锁定起振频率的实验。F.Quinlan 等^[17]对利用高精细度的 F -P 滤波器用作高 Q 值滤波器的情况也进行了讨论。
 
锁相环是一种用以提高系统频率稳定性的常用方案，它同样有利于实现光电振荡器的频率稳定输出。重点介绍的是在多环路结构中通过载波抑制技术实现的锁相方案，该方案整体上同时实现了对光电振荡器输出信号的边模抑制、降低相位噪声和频率稳定，其锁相部分原理如图 4 所示^[3]。振荡器的一路光输出经由长光纤传输延时后作为参考信号被光电探测器转换为电信号，然后与一路振荡器输出的电信号耦合。仔细调节电信号的强度和相位使得两路耦合输出的一路为载波抑制输出 (耦合时两信号相位差 π)，一路为载波增强(耦合时两信号同相)。载波抑制输出端的载波可受到约 40 dB 的抑制，载噪比增大，该过程可以使频率(相位)的抖动转化为幅度的变化，而该信号进入放大器放大时，放大器不会饱和。被放大的信号再与一路振荡器的电输出信号(本振)进行混频，其

中频输出作用于压控移相器以调节载波增强一路的相位，然后进行反馈调制。在这样一个结构中，满足**佳载波抑制条件时，振荡环路中可以实现**大增益，因此，该方案可以保证振荡器的输出能跟踪腔长的变化，保持数小时的稳定运转。同时由于频率抖动的消除，相位噪声性能也得到了提高，而多环路对边模的抑制特性也得到了发挥，实验结果显示，在离载波 10 Hz 处的相位噪声得到了约 20 dB 的抑制。
 
通过注入锁定一个低频信号的高次谐波，也可以视为得到稳定高频输出的一类方法。利用一个低频稳定信号的调制非线性或其他光纤中的非线性效应产生高次谐波后注入光电振荡器，在光电振荡器中选用合适的滤波器锁定一个高频谐波信号进行反馈增强，就可以产生一个高品质的高频信号输出，并具有很好
 
的频率稳定性，Hidemi Tsuchida 等^[18] 研究演示了这类实验方案。
 
4 光电振荡器的应用
 
光电振荡器的基本功能是产生高品质的光、电微波信号，但是经过发展，也衍生出了一些新的应用方式。在这些应用中，光电振荡器的电输出部分基本保持微波信号输出，但是光输出部分出现了一些变化。
 
4.1 光脉冲输出
 
在 1997 年和 2000 年，X. Steve Yao 等^{[19，20]#p#分页标题#e#}先后分析演示了由 SOA 提供增益的光学谐振腔与光电振荡器环路混合的结构(COEO)用以产生电微波信号与光脉冲。这个方案类似于再生锁模激光器，主要区别在于 COEO 的光电环路部分需要起振，而**终输出模式受到两个环路的选模特性约束。在 2007 年，Ertan
 
Salik^[21]演示了基于掺铒光纤放大(EDFA)提供光路增益的 COEO 结构，得到了具有-150 dBc/Hz(在频偏 10~ 100 kHz 处) 超低相位噪声的 9.4 GHz 微波信号输出和只有 2 fs 抖动的光脉冲输出。这种结构的光脉冲输出机理是基于光纤锁模激光器，因此为了得到高性能
 
的输出，对光学腔的腔长稳定、色散控制和偏振保持设计有很高的要求。
 
另一类可行的方案是通过改变光电振荡器环路中的光电调制特性产生光脉冲。在 2003 年，Jacob Lasri 等^[22]利用电吸收调制器(EAM)替代传统方案中的马赫-曾德尔强度调制器(MZM)，通过对 EAM 的偏压控制，形成较窄的调制传输窗口得到了 10 GHz 的
 
电微波信号和光脉冲输出。若在光源部分采用多波长光源，这种结构也可以方便地产生多波长光脉冲^[23]。这种方案的结构比较简单，但是 EAM 一般具有较大的插入损耗，所得到的脉冲宽度也较宽。此外，使用工作在增益开关条件下或采用大信号直调的半导体激光器作为光电振荡器的光源，可以不需要额外的调制器得到电微波信号和光脉冲输出，文献[24，25]分别给出了这类的实验报道。
 
5 总结与展望
 
可以看出，光电振荡器作为一种高品质的光、电
 
微波信号发生器具有极大的性和广泛的适用前景，各种各具特色的应用手段也为光电振荡器的多功能化打下了良好的基础。但是不可否认的是目前的光电振荡器还主要处于实验室研究阶段，要想使它在G民经济建设和G防科技发展中得到实际应用还有一段过程。其主要制约因素集中在如何把光电振荡器系统做成一个小型化、集成化、便于频率控制的紧凑体系，这些要求的实现都取决于新的光子微波器件和相应有源器件的开发和制作工艺的进一步完善。尽管没有直接针对光电振荡器，我们仍然在近期的文献报道中发现了一些契机，例如光电探测方面的 UTC-PD (Uni-Traveling-Carrier Photodiode)可以接收很强的光功率并有大功率的电信号输出可以减少或避免光
振荡器中电放大器的使用^[33]；集成半导体激光器与调制器工艺的发展对光电振荡器光源与反馈调制提供了小型化的可能；半导体结构的微环高 Q 值光子滤波器^[34]有利于实现光电振荡器的系统集成及可调谐性。相信随着这些技术的逐步成熟，光电振荡器必将得到实际应用，发挥出应有的贡献。