光電振蕩器（optoelectronicoscillator，OEO）和飛秒激光器都是產生超寬帶可調諧、低相位噪聲的微波振蕩的途徑。本文簡單介紹北郵射頻光子學實驗室在這兩個技術手段的思考。

高質量的微波振蕩是現在電子系統的核心部件之一，在測控、雷達、電子對抗、通信、儀器儀表、導航、以及近代物理實驗等眾多領域，均有非常廣泛的應用；頻率合成器為上述電子系統提供必不可少的本振組、參考頻率源、以及時鐘等。

應用于未來軍用信息電子系統的頻率合成器將是多個核心指標的聯合優化，“短一不可”： 為了提高雷達的低空或遠距離探測能力，必須降低頻率源的相位噪聲和改進其頻譜純度，以優化雷達的改善因子；為了提高通信速率、增大電子偵查或干擾的能力，必須提高頻率源的輸出頻率范圍，以增大發射機和接收機的帶寬、提供更多的頻道選擇或監控；為了提高雷達的生存能力、降低通信被對方干擾的幾率，必須實現更快的頻率轉換速度，以實現頻道的捷變。

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傳統的電子技術

傳統的頻率合成器，根據被發明的時間順序可分為三代。第一代是直接模擬頻率合成技術，利用一個或多個不同的晶體振蕩器作為基準信號源，經過倍頻、分頻、混頻、濾波等途徑直接產生目標振蕩。雖然基準信號（例如石英振蕩器）具有高的頻譜純度、在頻偏10 kHz時可達到-150 dBc/Hz，但輸出頻率僅為幾十MHz，輸出信號的相位噪聲性能隨其頻率增加而迅速降低；另外多次頻率變換引入的雜散也較難抑制，導致頻譜純度較差。直接模擬合成方法頻率轉換時間快，但體積大、功耗大。第二代即鎖相頻率合成技術，它通過諧波發生器將基準信號轉換為大量諧波，然后利用鎖相環將壓控振蕩器（VCO）的頻率鎖定在某一諧波上。鎖相環相當于一個極窄帶的跟蹤濾波器，可以很好的選擇所需諧波、抑制雜散分量。然而，由于輸出實際上來自于VCO、而非基準源，有限的鎖相環帶寬導致其相位噪聲受限于VCO；高頻寬帶VCO的相位噪聲、頻率穩定性都很差（X波段典型值約-70 dBc/Hz @ 10 kHz頻偏），而超低相噪VCO（例如介質諧振腔振蕩器，DRO，商用器件X波段典型值約-110 dBc/Hz @ 10 kHz頻偏；實驗室最高水平可低于-160 dBc/Hz）的可調諧范圍非常有限（MHz以下），而且通常體積大、環境敏感。鎖相環的存在同時也制約了頻率轉換的速度。第三代是直接數字頻率合成（DDS）技術，采用了數字采樣存儲技術，具有精確的相位、頻率分辨力，快速的轉換時間等突出優點，但其帶寬仍較窄（當前最大瞬時帶寬~ GHz），并且由于數模轉換（DAC）電路的非線性效應，信號非線性雜波較多。數字產生方法仍需多次倍頻實現目標高載頻，波形的相位噪聲和雜波性能將進一步惡化。

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典型光生微波技術

當前已有多種基于光子技術的頻率合成器，以下面三類最具代表性、研究時間長且廣泛：（左）雙波長連續光（CW）激光器及拍頻產生技術、（中）光電振蕩器（OEO）技術、和（右）光倍頻技術。

**雙波長連續光（CW）激光器及拍頻產生技術：**兩個激光器通過混頻輸出微波，其頻率等于兩個光之間的頻率差；控制其中一個激光器的振蕩頻率即可控制輸出微波的頻率；因而該技術類似于電VCO。光的高載頻（101? Hz）特性使其頻率調諧范圍很容易接近THz（1012 Hz），因而該技術可以實現巨大的調諧帶寬。法國Thales防務公司在2013年展示的結果表明，起振在同一個激光腔內的兩個獨立偏振縱模的拍頻可以實現0~13 GHz的調諧范圍和1 GHz/us的調諧速度，優于當前的電VCO。但其相噪較差，約-60 dBc/Hz @ 10-kHz頻偏（較電VCO差）。光由于其載頻高于微波四到五個數量級，其振蕩噪聲也要遠高于微波振蕩；因而簡單的通過變頻（而非分頻）實現光生微波，其相位噪聲無法得到壓縮。相噪特性差是光混頻產生微波所面臨的主要挑戰。

光電振蕩器（OEO）技術： 高性能振蕩器需要高儲能腔，傳統的介質（微波儲能）和石英（聲波儲能）腔的頻率范圍最高適用于MHz和~GHz；對于更高的載頻，光儲能（例如光纖的長距離、低損耗傳輸）的優勢就表現出來。OEO即是一種利用了光儲能器件的電VCO，于1994年美國空氣動力實驗室的X. S. Yao等人提出并一直廣受關注；其優勢在于光儲能器件Q值高、產生微波相噪低。根據美國OEwave公司的報道，高質量10-GHz OEO在10-kHz頻偏處的相噪可低至-160 dBc/Hz，遠優于傳統高頻振蕩器。OEO的另一個優勢是頻率調諧范圍大（可達幾十GHz；受限于光/電轉換器件的帶寬），且相噪不隨載波增高而惡化。然而，其快速可調諧性尚無法實現：OEO振蕩頻率由其腔內選模濾波器決定，當前高頻可調諧電濾波器（例如YIG等）帶寬較寬（幾十MHz）、容易導致多模振蕩或較高雜散，調諧速度也很慢（幾十ms）；組合濾波（例如引入額外的寬帶可調諧微波光子濾波）可以抑制雜散，但更加降低了調諧速度和穩定性。OEO是高階諧波振蕩，由濾波器調諧帶動的輸出頻率調諧往往伴隨著振蕩淬滅等現象，因而調諧速度具有理論上限；另外，類似于傳統的鎖相頻率合成技術，OEO需要鎖相環來提高頻率穩定性，但同時限制了其調諧速度。因而，穩定且快速的頻率調諧，是OEO所面臨的主要挑戰。

光倍頻技術： 該技術類似于傳統的數字波形產生，利用數字電路實現基帶波形、然后利用光學手段對其進行倍頻（例如，在電光調制過程實現）和混頻（例如，利用相干拍頻實現）。該技術與傳統數字波形產生面臨相同挑戰、具有有限的“調諧帶寬÷噪聲”：為降低數字電路的難度而降低基帶波形帶寬，就需要多次倍頻、導致噪聲惡化；但倍頻次數降低又增加數字電路帶寬，其噪聲受電子瓶頸的限制仍然增大。

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基于飛秒激光器的微波頻率合成

除了上述三種典型的光生微波技術，基于飛秒激光器、尤其是超短脈沖光纖激光器的高純度微波生成方案，近年來也開始引起世界級研究單位的重點關注。該研究當前尚不如上述三種技術廣泛，這里做更加詳細的介紹。

飛秒激光器的輸出，在時域上表現為重復頻率在百MHz量級、脈沖持續時間從幾十飛秒到幾百飛秒的高穩定、高相干性窄脈沖序列，若經過平方檢波的理想光電探測器，其輸出將包含從激光器基頻開始、一直到THz以上的各階諧波。在頻域上，激光器的輸出則表現為以基頻為間隔的光學頻率梳，覆蓋了THz以上的光波頻段，任意兩個梳齒的混頻可以覆蓋未來絕大多數應用場景對微波/毫米波信號源的頻段需求。而且，所有諧波振蕩均穩定存在，對其中任意頻率的“挑選”并不涉及類似OEO那樣從噪聲重新起振的過程，因而頻率捷變的速率在理論上可以很高。

在相位噪聲性能上，飛秒激光器所生成的微波振蕩也毫不遜色于已被廣泛認可的OEO，在理論上甚至優于后者。下圖表示了傳統電子或光子倍頻技術、微波振蕩直接產生技術（包括OEO、DRO等）、以及基于飛秒激光器的“分頻產生”技術在相位噪聲性能方面的對比。從倍頻產生到直接產生、再到分頻產生，微波振蕩將具有越來越低的理論相位噪聲極限。

眾所周知，倍頻將導致相位噪聲的惡化。OEO或者DRO技術直接在目標微波頻率（GHz到幾十GHz）處產生振蕩，避免始于低參考頻率（一般為幾十MHz）的高次倍頻，因而相位噪聲較倍頻技術大大壓縮。基于飛秒激光器的頻率合成延續了這一思路：依賴光巨大的帶寬資源，飛秒激光器包含了THz到幾百THz的參考振蕩，而目標微波頻率是上述振蕩的某個分頻；在分頻過程中，超高頻率振蕩的相位噪聲反而被壓縮，因而飛秒分頻技術較OEO等直接振蕩方案具有更低的相位噪聲理論極限。該思路于2011年首次由美國國家標準局（NIST）提出（見下左圖），直接將500 THz的光頻振蕩通過飛秒激光器分頻到10 GHz，分頻比例達到5×10?之高；實現的微波相噪在1 Hz頻偏處可達到-104 dBc/Hz，在10 kHz頻偏處已經接近光散粒噪聲極限，同時又具備極高的頻率穩定性（相對頻率誤差1秒平均值小于8×10?1?）。

德國電子加速研究中心/美國MIT大學Franz X. K?rtner教授研究組（以低抖動飛秒激光器和阿秒量級長距離同步等研究聞名）及其后續工作、以及美國OEWave公司（OEO技術的起源地之一）等延續了這一思路，但將被分頻率從光頻降低至幾十THz以下，即飛秒激光器既是分頻器、又包含了超高頻率的參考振蕩；省略參考光頻率、實現裝置得到極大簡化，但性能降低卻不多：產生的10 GHz微波振蕩在10 kHz頻偏處的相位噪聲為-142 dBc/Hz。2014年意大利的光子網絡國家實驗室、國家雷達和防務國家實驗室在Nature主刊首次報道的微波光子相參雷達，也從飛秒激光器內豐富的光頻資源中提取跨波段的微波本振（見下右圖）。