简介

光电振荡器（OEO）是一种微波光子系统，利用光纤或谐振器等光学能量存储元件的高品质因数来产生高频、超低相位噪声的微波信号。自20世纪90年代由Yao和Maleki引入以来，光电振荡器在单频生成、复杂波形合成和集成实现等领域取得了重大进展。本文将概述新型OEO架构和技术的最新进展 [1]。

OEO 基础

基本的OEO由一个包含光学和电子元件的闭环光电反馈回路组成，如图1所示。
关键元件包括：

• 激光源

  
  

• 电光调制器

  
  

• 长光纤延迟线

  
  

• 光电探测器

  
  

• 电气放大器

  
  

• 窄带电子滤波器

  
  

光纤提供高Q值能量存储元件，实现超低相位噪声。窄带滤波器选择单一振荡模式。闭环增益必须超过1才能维持振荡。

 图1：单环OEO的基本结构振荡频率由以下公式确定：

f_osc = （k - φ0/2π） / τ

其中，k为整数，φ0为相位偏移，τ为总环路延迟。相邻模式之间的自由光谱范围（FSR）为：

FSR = 1 / τ

分析模型

分析OEO行为时，主要使用两种模型：

1.准线性模型：将OEO视为线性反馈系统，并求和所有再循环场。适用于稳定状态分析。

2.延迟差分模型：将OEO状态视为开环增益的函数。预测分岔现象。

最近，人们提出了一种微波-光子学迭代非线性增益（MING）模型，用于分析不同的OEO状态，包括具有复杂非线性效应或外部信号注入的状态。MING模型使用一种称为迭代映射的图形技术来描述包络动态。

 图2：用于求解MING模型中迭代方程的图形技术MING模型为OEO行为提供了通用规则：

• 如果固定点处的输入输出振幅映射（IOAM）的斜率大于0，则振幅将单调增加

  
  

• 当斜率大于-1时，OEO是稳定的

  
  

• 当斜率<-1时，oeo不稳定<>

  
  

奇偶时间对称OEO

传统OEO面临的一个关键挑战是需要使用窄带滤波器来实现单模操作。奇偶时间（PT）对称OEO通过两个耦合反馈回路克服了这一挑战：一个回路具有等幅增益，另一个回路具有等幅损耗。这样无需窄带滤波器即可实现单模振荡。

 图3：PT对称OEO示意图当增益/损耗系数等于环路之间的耦合系数时，PT对称OEO会出现一个转折点。超过这个点，增益环路就会发生单模振荡。这种方法解决了传统OEO中长期存在的模式选择问题。

傅里叶域锁模OEO

另一种新颖的OEO架构是傅里叶域锁模（FDML）OEO，它直接从腔体产生啁啾微波波形。这是通过结合一个与腔体往返时间同步的频率扫描滤波器实现的：

T_roundtrip = n * T_filter_drive

其中n为整数。这样，滤波器扫描范围内的所有腔模式都能以固定的相位关系同时存储和激活。

 图4： （a） 传统单频OEO与 （b） FDML OEO的对比FDML OEO输出是频率扫描/啁啾微波波形。啁啾参数可通过调整环路滤波器特性进行调节。这样就能生成各种复杂的波形，如线性啁啾、双啁啾和相位编码信号。

 图5：FDML OEO输出的（a）时间波形和（b）瞬时频率-时间图FDML OEO还可用于微波光子频率到时间的映射，从而测量时域中的微波频谱信息。这是通过将输入频率映射到输出脉冲对之间的时差来实现的。

光电子参量振荡器

光电参量振荡器（OEPO）是一种相位控制OEO，它克服了传统延迟控制OEO的局限性。它包含一个电混频器作为参量频率转换的非线性介质。

 图6：OEPO示意图OEPO的主要特点包括：

• 振荡频率不受腔体延迟的限制

  
  

• 稳定的多模振荡成为可能

  
  

• 锁相模式对

  
  

• 频率调谐不受腔体延迟影响

  
  

OEPO能够产生具有独特相位特性的单模和稳定多模信号。它具有在计算和射频相位稳定传输方面的潜在应用。

宽带随机OEO

传统的OEO由于闭环、延迟控制的特性，在生成真正随机的宽带信号方面存在局限性。宽带随机OEO通过利用光纤中的随机光散射作为反馈机制，同时保持开环物理腔，从而克服了这一局限性。

 图7：使用瑞利散射作为反馈的随机OEO示意图瑞利背向散射提供了随机分布的反馈路径，允许在不受腔延迟限制的宽频率范围内振荡。这使得生成带宽高达40 GHz的宽带随机微波信号成为可能。

 图8：（a）随机OEO输出的频谱图和（b）瞬时频率-时间图集成式OEO

虽然体积较大的OEO性能卓越，但体积大、功耗高限制了实际应用。最近的研究工作集中在开发体积小、功耗低的集成OEO上。

用于集成OEO的平台包括：

• 磷化铟

  
  

• 硅基光电子

  
  

• 氮化硅

  
  

• 铌酸锂

  
  

• 聚合物

  
  

图9所示为基于磷化铟的集成光电子光学器件，其中光学元件集成在磷化铟基板上，射频元件集成在印刷电路板上。总尺寸仅为5 cm x 6 cm。

 图9：基于磷化铟的集成光电子光学器件照片硅基光电子技术是另一个很有前景的平台，它与CMOS兼容。图10展示了通过光子芯片和电子芯片的混合集成形成的硅基OEO。

 图10：硅基集成OEO（a）原理图和（b）显微照片挑战与未来展望

虽然集成式OEO在尺寸和功率方面具有显著优势，但其相位噪声性能目前仍落后于整体式OEO。这主要是由于集成式设计中的Q值降低。潜在的解决方案包括：

• 采用超低损耗波导的异构集成

  
  

• 使用高Q值氮化硅环谐振器

  
  

• 硅上InP膜（IMOS）技术，结合InP和硅的优点

  
  

• 开发硅基激光器

  
  

目前的研究旨在实现性能可与整体系统媲美的全集成OEO。这将使OEO在卫星通信和5G网络等应用中得以广泛采用。

结论

新型OEO架构正在扩展这些多功能微波光子系统的功能。PT对称性、傅里叶域锁模和参量振荡等技术为信号生成和处理带来了新的功能。同时，集成化实施正在缩小OEO的尺寸，同时保留关键优势。随着研究的深入，OEO有望在下一代射频和微波系统中发挥越来越重要的作用。