郝腾飞，石暖暖，李 伟，祝宁华，李 明

1. 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京100083

2. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京100049

3. 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京100190

随着现代雷达技术的不断发展，雷达系统的功能逐渐从单一的测距向同时具备测距、目标识别、跟踪等多种功能的方向演化[1]. 宽带可调的多波段线性调频微波信号可作为雷达系统的信号源实现上述功能. 传统的线性调频微波信号的产生方法主要基于纯电子学的手段，包括基于压控振荡器、直接数字合成和数模转换器等. 然而，受限于电子学的技术瓶颈，不同频段使用的电子元器件截然不同，因此基于纯电子学手段产生高稳定性的宽带高频线性调频信号仍然面临着很大的挑战.

得益于光子技术的技术优势，如大带宽、低损耗、快速可重构和抗电磁干扰等[2]，微波光子学技术突破了传统电子学手段的技术瓶颈，在近几十年来得到了广泛的研究. 一些微波光子技术，比如时域脉冲整形[3]、空间或频率到时间的映射[4]、外加相位或偏振调制[5-6]以及半导体激光器单周期振荡效应[7-8]等，能够产生频率高达几十GHz 的线性调频微波信号. 近年来，研究人员也提出了一些微波光子学的方法以产生多波段线性调频微波信号[9-11]. 例如：基于偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器可在两个偏振态的方向上产生双波段线性调频微波信号[9]，但受偏振态方向的限制，该方法只能产生两个波段的线性调频微波信号. 多个波段的线性调频微波信号可以利用锁模激光器及一系列的窄带滤波器产生[10]. 虽然信号的中心频率可调谐，但是其时间周期和带宽受限于基带微波信号. 文献[11]采用具有不同自由光谱范围的一对光频梳，可产生中心频率、时间周期和带宽均可调谐的多波段线性调频微波信号. 与上述两种方法类似，此方法仍需采用一个高频的基带线性调频微波信号源来产生所需的基带线性调频微波信号.

光电振荡器（optoelectronic oscillator, OEO）是一个典型的微波光子谐振系统，凭借超高的环路品质因数产生了具有极低相位噪声的微波信号[12-17]. 不过传统的OEO 只能产生单频的微波信号，而不能产生连续的线性调频微波信号. 当传统的OEO 进行频率调谐时，需要不断地从噪声中建立新的模式，以致无法产生连续的高质量线性调频微波信号. 文献[18-20]提出了基于傅里叶域锁模光电振荡器（Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator,FDML OEO）产生线性调频微波信号的新技术. 该方法在OEO 中插入一个扫频的滤波器，并将滤波器的扫频周期和OEO 的环腔延时同步以实现频域锁模状态，从而使OEO 中扫频范围内的所有模式同时在环腔内振荡，突破了传统OEO 中模式建立时间的限制. 除此之外，文献[18-20]还基于FDML OEO 成功地产生了单线性调频以及双啁啾的微波信号.

本文提出并验证了一种基于FDML OEO 的多波段线性调频信号产生方案. 该方案的核心是在OEO 腔内采用一个快速扫频多通带微波光子滤波器，将扫频多通带微波光子滤波器的扫频周期和FDML OEO 的环腔延时同步以实现傅里叶域锁模，从而使FDML OEO 在腔内自激振荡产生多波段线性调频微波信号. 该方案不需要高频的基带线性调频微波信号源便可产生多波段线性调频微波信号，且这些信号的带宽和中心频率均宽带可调. 这种新型多波段线性调频微波信号源在先进多波段雷达、电子战、多业务泛在接入无线通信等系统中有良好的应用前景.

1 基本原理

多波段线性调频FDML OEO 的结构框图如图1(a)所示. 该FDML OEO 包括一个扫频多波长激光器、一个相位调制器、一个光陷波滤波器、一个掺铒光纤放大器、一卷光纤、一个光电探测器、一个高通滤波器、一个功分器和一个低噪声放大器，其中核心单元是基于相位调制到强度调制（phase-modulation to intensity-modulation, PM-IM）转换[21-22]的快速扫频多通带微波光子滤波器，由扫频多波长激光器、相位调制器和光陷波滤波器等构成. 图1(b)所示为快速扫频多通带微波光子滤波器的工作过程：从多波长激光器发出的光载波在相位调制器上由微波信号调制，在小信号近似的条件下产生光载波和等幅反相的上下两个边带. 由于上下两个边带的等幅反相特性，相位调制器输出的调制光信号直接进入光电探测器，此时只能产生一个直流电压而得不到对应的微波信号；若引入一个光陷波滤波器滤除其中一个边带，则相位调制等幅反相的平衡关系遭到破坏，此时在光电探测器处可以得到对应的微波调制信号. 如图1(b)所示，假设相位调制的–1 阶边带被光陷波滤波器滤除，那么多通带微波光子滤波器的中心频率可表示为

式中，fsk为多波长激光器的发光频率，k为整数，fnotch为光陷波滤波器的陷波位置.从式（1）中可以看出，这个多通带微波光子滤波器的通频带的中心频率等于多波长激光器和光陷波滤波器在陷波位置的频率差. 因此，多通带微波光子滤波器的扫频可以通过多波长激光器的扫频实现. 扫频多波长激光器的实现方法有很多种，比如可以采用一个激光器外加一个电光调制器构成扫频多波长激光器，如图1(a)所示. 多波长通过电光调制实现，而扫频则通过激光器受三角波电流驱动的频率调谐实现. 与文献[18]类似，可将该扫频多通带微波光子滤波器输入和输出信号的频率视为被同一个本振信号进行上转换和下转换. 该滤波器的输出信号可表示为

式中，Tround-trip为OEO 的环腔延时，Tfilterdrive为多通带微波光子滤波器的扫频周期，n为正整数. 在傅里叶域锁模条件下，当OEO 整个扫频范围内的每个模式在环腔中传输一周再次回到滤波器时，滤波器的通频带恰好又调谐到了同样的频率位置. 因此，扫频范围内的所有模式可同时在FDML OEO 中起振，突破了传统OEO 中模式建立时间的限制.

除了上述扫频多通带微波光子滤波器外，此FDML OEO 采用了一个高通滤波器来滤除多波长激光器不同波长的拍频成分. 在环路中，还采用了一个掺铒光纤放大器和一个低噪声放大器来保证足够的增益. 在不考虑谐波和交调成分的条件下，此FDML OEO 的稳态输出满足

图1 基于傅里叶域锁模光电振荡器的多波段线性调频微波波形产生方案Figure 1 Multi-band linearly frequency modulated microwave waveform generation method based on FDML OEO

2 实验

本文通过实验验证了所提出的多波段线性调频傅里叶域锁模光电振荡器的可行性，其结构如图1(a)所示. 在实验中，扫频多波长激光器由一只半导体分布反馈激光器和一个马赫-曾德尔强度调制器组成. 半导体分布反馈激光器由一个周期为22.22 µs 的三角波电流驱动，以实现扫频. 将一个单频的射频信号加载到马赫-曾德尔强度调制器上，以实现多波长操作. 在实验中，半导体分布反馈激光器的输出功率约为18 dBm，其中心波长约为1 550.590 nm. 在三角波电流的驱动下，其最大波长变化范围为1 550.582～1 550.598 nm，对应2 GHz 的扫频带宽. 所形成的扫频多波长激光器的波长有3 组，其中1 组与半导体分布反馈激光器的扫频波长一致，另外2 组的波长分别比半导体分布反馈激光器的扫频波长低或高∆f/125（单位为nm），∆f为两个相邻波段间的频率间隔. 比如，当∆f= 3.0 GHz 时，另外两组的波长分别比半导体分布反馈激光器的扫频波长低和高0.024 nm. 实验所用的相位调制器的3 dB 带宽为30 GHz，半波电压为4 V，光陷波滤波器采用一个相移光纤布拉格光栅，用来滤除相位调制的一个边带，掺铒光纤放大器的增益可调，噪声系数为3.3 dB，低噪声放大器的增益为29 dB，噪声系数为6 dB，光纤的长度为4.5 km，光电探测器的带宽为15 GHz. 实验中的功分器为Marki Microwave 公司的PD40 型功分器，其频率范围覆盖DC-40 GHz，附加损耗低至0.75 dB，幅度一致性约为0.25 dB. 根据第1 节的分析可知，通过多波长激光器的扫频可实现具有同样扫频特性的多通带微波光子滤波器. 扫频多通带微波光子滤波器的扫频周期等于信号在OEO 环路内传输一周的延时，因此实现了傅里叶域锁模. 当FDML OEO 环路的增益大于损耗时，环腔内便会以自激振荡的方式产生多波段线性调频微波信号.

傅里叶域锁模光电振荡器产生了具有不同中心频率和带宽的多波段线性调频微波信号，其瞬时频率变化如图2 所示. 这些瞬时频率变化是通过对示波器测得的时域信号进行短时傅里叶变换得到的. 从图2 中可以看出，所产生的多波段线性调频微波信号包括3 个波段，分别对应多波长激光器的3 组扫频波长. 相邻两个波段的中心频率之差为3.0 GHz，等于加载到电光调制器上的射频信号的频率. 如图2 所示，所产生的多波段线性调频微波信号的中心频率和带宽均可调，分别是通过调谐激光器驱动信号的直流偏置和频率实现的. 可以看出，受限于光电探测器的带宽，第3 个波段的微波信号的功率相对较低. 与图2 的不同中心频率和带宽的多波段线性调频微波信号对应的光谱图如图3 所示. 从图3 中可以看出，光陷波滤波器作用在相位调制的上边带上. 当增加所产生的多波段线性调频微波信号的频率时，扫频多波长激光器产生的光载波会远离光陷波滤波器的陷波位置. 此外，从图3 中也可以看到一些高次谐波的存在，主要是由相位调制器的非线性响应导致的. 当增大所产生的多波段线性调频微波信号的带宽时，在光谱仪上观测到的光谱也随之加宽，这与第1 节的理论分析是相符合的.

图2 产生的多波段线性调频微波波形的瞬时频率图Figure 2 Instantaneous frequency-time diagram of generated multi-band linearly frequency modulated microwave waveforms

简单地调节加载到马赫-曾德尔电光调制器上的射频信号，则不同波段间的频率间隔可实现调谐. 当加载到马赫-曾德尔器上的射频信号的频率为4 GHz 时，产生的多波段线性调频微波信号的瞬时频率如图4 所示，此时两个相邻波段间的频率间隔也调节到了4 GHz. 在这种情况下，产生的多波段线性调频微波信号的3 个波段分别位于X、Ku、K 波段范围内. 从图4中可以看出，在这种情况下所产生的多波段线性调频微波信号的中心频率和带宽也可以调节.从理论上来说，所产生的线性调频微波信号的最大频率范围由傅里叶域锁模光电振荡器内所采用的调制器、光电探测器等光电子器件的带宽共同决定. 目前已报道的光电子器件的带宽可达100 GHz 以上，因此傅里叶域锁模光电振荡器理论上可产生频率范围高达100 GHz 的微波信号. 在实验中，受限于本文采用的光电探测器的带宽，所产生的线性调频微波信号的最大频率约为20 GHz.

图3 光谱图Figure 3 Optical spectra

图4 产生的3 个波段分别位于X、Ku 和K 波段的多波段线性调频微波信号Figure 4 Generated multi-band chirped microwave signals when the three bands are locating at X-band, Ku band and K band, respectively

3 结语

本文提出并验证了一种基于FDML OEO 的多波段线性调频微波信号产生方案. 该方案的核心是在FDML OEO 的腔内加入一个快速扫频的多通带微波光子滤波器，并将滤波器的扫频周期和OEO 的环腔延时同步以实现傅里叶域锁模. 该方案可以在不依赖高速的基带线性调频微波源的情况下从FDML OEO 的腔内直接自激振荡产生多波段线性调频微波信号. 此外，所产生的多波段线性调频微波信号的带宽和中心频率均可调谐. 这种新型多波段线性调频微波信号源在先进多波段雷达、电子战、多业务泛在接入无线通信等系统中有良好的应用前景.