1.2.5 光學(xué)頻率梳法

光學(xué)頻率梳簡稱光頻梳（Optical Frequency Comb，OFC），誕生于20世紀(jì)90年代，是高精度光學(xué)頻率測量中的一個(gè)革命性技術(shù)突破。該技術(shù)被廣泛關(guān)注始于2005年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予約翰·霍爾和西奧多兩位科學(xué)家，以此表彰他們在高精度測試及光頻梳應(yīng)用研究工作中的貢獻(xiàn)。OFC因具備光譜頻率間隔相等、光譜穩(wěn)定性高、光譜的功率相等和光譜帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，如高精度測量、任意波形生成、超短脈沖波生成、光學(xué)相干斷層掃描、高精度測距、超穩(wěn)定的低相位噪聲毫米波產(chǎn)生和光學(xué)原子鐘等領(lǐng)域。近幾年，基于OFC的光生毫米波技術(shù)逐漸成為光生毫米波技術(shù)的一個(gè)新研究方向。

基于光頻梳生成毫米波的工作原理在第2章會做詳細(xì)介紹。基于OFC生成毫米波技術(shù)實(shí)質(zhì)是將OFC作為一個(gè)波長連續(xù)的分頻器，將激光器輸出的連續(xù)波之間的高穩(wěn)定性通過光電轉(zhuǎn)換傳遞給生成的高頻毫米波信號。因此，與其他類型的毫米波生成技術(shù)相比，這種方法可以實(shí)現(xiàn)生成的毫米波具有更低的相位噪聲和短期不穩(wěn)定，并且可獲得非常低的噪聲層。因此，該技術(shù)已成為當(dāng)前毫米波生成技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。近10年，基于OFC的光生毫米波技術(shù)有大量的研究成果報(bào)道。

光頻梳可根據(jù)三種典型生成方法進(jìn)行分類，主要分為三大類型：鎖模激光器光頻梳（MLL-OFC）、電光調(diào)制器光頻梳（EOM-OFC）和高非線性光纖光頻梳（HNLF-OFC）。基于光頻梳生成毫米波技術(shù)則可根據(jù)不同類型的光頻梳技術(shù)進(jìn)行分類，本節(jié)將對不同類型的毫米波生成技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理分析。

1.2.5.1 基于鎖模激光器光頻梳生成毫米波技術(shù)的研究現(xiàn)狀

基于 MLL-OFC 生成毫米波技術(shù)是隨著飛秒激光器的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展的，其工作原理主要是依據(jù)飛秒激光器輸出帶寬和頻率間隔相等的多波長脈沖光譜，從而產(chǎn)生對應(yīng)的光頻梳，經(jīng)過光電檢測生成毫米波信號。MLL-OFC 光譜線的頻率間隔即為飛秒激光器的重復(fù)頻率，這是由激光器的振蕩腔長度決定的。截至目前，根據(jù) MLL 的工作原理主要可以分為三種類型激光器，分別為半導(dǎo)體固態(tài)鎖模激光器（例如Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器、Yb：KYW鎖模飛秒激光器）、摻鉺光纖鎖模激光器和量子點(diǎn)鎖模激光器。早期基于MLL-OFC生成毫米波技術(shù)普遍采用Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器。

2011年，T.M.Fortier等人提出并驗(yàn)證了基于鎖模激光器光頻梳生成毫米波方案。該方法利用一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)波長（Continue-Wave Laser，CW）激光器對1GHz的Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器的輸出光波進(jìn)行鎖相，經(jīng)過兩個(gè)激光腔形成的OFC通過PD拍頻獲得一個(gè)10GHz微波信號。該微波信號在頻率偏移為1Hz處的相位噪聲為-104dBc/Hz，噪聲層約為-157dBc/Hz，因此該方法可以生成超低相噪的毫米波。基于摻鉺光纖鎖模激光器的光頻梳也可以生成同類性能的毫米波，同時(shí)，因?yàn)橹行牟ㄩL為 1550nm 的摻鉺光纖具有非常寬的脈沖光譜，具有更低的成本和更低的功率要求，所以基于摻鉺光纖鎖模激光器的光頻梳成為一種熱門的毫米波生成技術(shù)。2010 年，文獻(xiàn)[76]提出一種基于摻鉺光纖鎖模激光器光頻梳的毫米波生成方案。該方案能生成一個(gè) 11.55GHz 的載波信號，該信號在頻率偏移為1Hz處的相位噪聲為-120dBc/Hz，噪聲層趨于-130dBc/Hz，該方案能生成超低相噪的毫米波信號。2011年，D.Hillerkuss等人提出基于半導(dǎo)體鎖模激光器的太赫茲波生成方案。該方案生成了10.8Tbit/s和26Tbit/s的光頻分復(fù)用通信信號，適用于多波長復(fù)用通信系統(tǒng)。2013年，S.A.Meyer等人提出一種基于頻率穩(wěn)定的Yb：KYW鎖模飛秒激光器的光頻梳生成毫米波方案，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可生成超低相噪的10GHz 微波信號，系統(tǒng)如圖1.17 所示。該微波信號在頻率偏移為 1Hz 處的相位噪聲為-99dBc/Hz，室溫下生成的相位噪聲低于最好的低溫微波振蕩器生成的微波信號的相位噪聲。

文獻(xiàn)[79]報(bào)道了一種基于摻鉺光纖鎖模激光器的光頻梳生成10GHz微波信號系統(tǒng)，該微波信號在頻率偏移為1Hz處的相位噪聲最小為-100dBc/Hz，當(dāng)頻率偏移大于10kHz時(shí)，相位噪聲最小為-145dBc/Hz，該信號的相位噪聲受到光頻參考信號的限制。然而，由于摻鉺光纖鎖模激光器輸出光脈沖具有較大的脈寬、較低的光功率和較大的激光腔內(nèi)損耗，與固態(tài)鎖模激光器相比，摻鉺光纖鎖模激光器具有更大的時(shí)間抖動噪聲。因此，文獻(xiàn)[81]分別對基于摻鉺光纖鎖模激光器毫米波生成系統(tǒng)和基于Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器毫米波生成系統(tǒng)生成9.2GHz 微波信號的相位噪聲進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)在頻率偏移同為 1Hz 處的相位噪聲分別為-90dBc/Hz和-120dBc/Hz。固態(tài)Yb：KYW鎖模飛秒激光器和其他鎖模激光器進(jìn)行比較，除了同樣具備較大的平均輸出光功率、較大的重復(fù)頻率和較低的腔內(nèi)損耗，還有較高的光輸出效率，一般光輸出效率大于60%。2015年，T.M.Fortier等人提出一種基于Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器光頻梳的可調(diào)諧毫米波生成方案，該方案實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1.18所示。該方案在實(shí)驗(yàn)中利用兩個(gè)重復(fù)頻率都為1GHz的Ti：藍(lán)寶石鎖模激光器作為光頻參考信號獲得可調(diào)諧毫米波，頻率范圍為 20～100GHz。生成的 100GHz 毫米波信號在頻率偏移為 1Hz處的相位噪聲為-80dBc/Hz，頻率偏移大于 10MHz 后，相位噪聲趨于噪聲層-145dBc/Hz，且頻率穩(wěn)定度接近1×10-15。F.Quinlan等人提出基于摻鉺光纖鎖模激光器光頻梳的毫米波生成方法。該方法使用重復(fù)頻率為200MHz的摻鉺光纖鎖模激光器獲得 10GHz 的微波信號，該信號在頻率偏移為 1Hz 處的相位噪聲小于-100dBc/Hz，相位噪聲雖小，但是因?yàn)橛蓄~外的參考光波，所以相位噪聲大小主要受參考光波信號限制。

近幾年，隨著量子點(diǎn)鎖模激光器（Quantum Dot Mode-Locked Laser，QDMLL）技術(shù)的不斷發(fā)展，由于量子點(diǎn)鎖模激光器輸出光譜具有超寬帶寬、超細(xì)線寬、高信噪比和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，也逐漸成為毫米波甚至太赫茲波生成的一項(xiàng)熱點(diǎn)技術(shù)。利用光注入量子點(diǎn)激光器生成毫米波和太赫茲波有一些研究報(bào)道。2010 年，文獻(xiàn)[85]提出用一種光注入中心波長為 1550nm 法布里佩羅量子點(diǎn)激光器生成可調(diào)諧的微波信號。2013年，A.Hurtado等人提出并驗(yàn)證了一種基于光注入 1310nm 量子點(diǎn)分布式反饋激光器生成可調(diào)諧毫米波的方案，該方案可以生成 1～40GHz 的毫米波信號。研究也關(guān)注了雙波長量子點(diǎn)激光器的發(fā)展，頻率間隔變化范圍為1.3～8THz的雙模量子點(diǎn)激光器已被報(bào)道。一種光注入雙模量子點(diǎn)分布式反饋激光器也有報(bào)道。2005年，J.Renaudier等人提出基于F-P腔單片集成量子點(diǎn)激光器生成45GHz毫米波的方法，該量子點(diǎn)激光器輸出的中心波長為1550nm，生成的45GHz信號的線寬為100kHz。2013年，Antonio Hurtado等人提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于一個(gè)1310nm的量子點(diǎn)分布式反饋激光器生成可調(diào)諧毫米波和太赫茲波信號的方案，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1.19 所示。該方案基于雙模激光器和單束光注入量子點(diǎn)分布式反饋激光器產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，獲得頻率間隔為117～954GHz的光頻梳。

基于MLL-OFC的毫米波系統(tǒng)比較容易生成毫米波，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，然而，因?yàn)殒i模激光器的重復(fù)頻率由激光器振蕩腔長決定，激光器振蕩腔長一般是固定的，導(dǎo)致頻率間隔固定。同時(shí)，因?yàn)殒i模激光器的自由光譜分布比較固定，因此生成的毫米波頻率缺乏可調(diào)性。因?yàn)殒i模激光器的自身特性，所以該方法生成的毫米波受環(huán)境影響較大，相位噪聲比較難控制。

1.2.5.2 基于電光調(diào)制器光頻梳生成毫米波技術(shù)的研究現(xiàn)狀

與基于MLL-OFC的毫米波生成技術(shù)相比，基于EOM-OFC生成毫米波的核心技術(shù)是EOM。目前，由于EOM的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)比較成熟，器件受環(huán)境和溫度影響較小，且 EOM-OFC 的自由光譜范圍（FSR）和中心波長具有可調(diào)諧性，導(dǎo)致基于EOM-OFC的毫米波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上更簡單，成本更低，性能更好。因此，基于EOM-OFC的毫米波生成技術(shù)在目前的研究和應(yīng)用中都是非常熱門的低相位噪聲毫米波生成技術(shù)。早期，多數(shù)基于級聯(lián)MZM的光頻梳生成正交頻分復(fù)用（OFDM）/相干光波分復(fù)用（CoWDM）信號的報(bào)道，都指出基于EOM-OFC 具有較平坦的光譜分量，較高的光轉(zhuǎn)換效率，然而也存在一定的插入損耗問題。2009年，日本T.Sakamot等人提出并實(shí)現(xiàn)了基于EOM-OFC生成毫米波方案，系統(tǒng)原理如圖1.20所示。他們利用級聯(lián)IM和PM結(jié)構(gòu)對一個(gè)DFB激光器輸入光波進(jìn)行光副載波調(diào)制，生成頻率間隔為25GHz的EOM-OFC，然后通過一個(gè)F-P濾波器濾出兩個(gè)一階邊帶，最后利用PD拍頻生成50GHz毫米波。2015年，Weilin Xie等人提出并驗(yàn)證了基于EOM-OFC的低相位噪聲毫米波生成方法，利用PM和IM生成頻率間隔相等的OFC，再利用光濾波器過濾出對應(yīng)的光波，然后通過 PD 拍頻生成毫米波甚至亞太赫茲波信號。毫米波在頻率偏移為 1Hz 處的相位噪聲為-42dBc/Hz，時(shí)域的脈寬為 30ms。2015 年，Eamonn P.Martin等人設(shè)計(jì)了一種基于EOM-OFC的毫米波生成方案。該方案采用一個(gè)增益可調(diào)的分布式反饋激光器結(jié)合馬赫·曾德爾調(diào)制器生成光頻梳，因該EOM-OFC具有靈活的FSR，F(xiàn)SR具有20GHz的可調(diào)諧范圍，因此，基于該光頻梳生成的毫米波不僅可調(diào)而且還有非常高的信噪比。2016年，A.Ishizawa等人提出基于EOM-OFC生成超低相位噪聲毫米波信號的技術(shù)方案。該方法利用EOM-OFC結(jié)合一個(gè)反饋線路對光路信號鎖相，從而獲得低相位噪聲的毫米波。通過信號發(fā)生器和反饋線路可以控制光譜間隔，從而可以生成 6～72GHz的毫米波信號，毫米波具有可調(diào)諧性。然而，該方案對激光器的性能要求很苛刻，實(shí)驗(yàn)中他們采用了一個(gè)線寬為1Hz的LD光源和一個(gè)線寬為100kHz的鎖模激光器，并且采用了兩個(gè)RF信號生成器，其中一個(gè)是RF鎖相環(huán)集成板，因此該方案結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)成本高。

PD 能將 OFC 的光脈沖轉(zhuǎn)化為毫米波或者太赫茲波信號，因此，PD 是光子微波產(chǎn)生方案中的關(guān)鍵元件。特別是在偏移頻率遠(yuǎn)離載波時(shí)，光電探測噪聲施加的一個(gè)基本的限制微波信號的相位噪聲可以高于內(nèi)在的光學(xué)振蕩器的噪聲。這種情況可以增加PD的頻率響應(yīng)極限。

與前面討論的光生毫米波信號技術(shù)相比，基于光頻梳生成毫米波的相位噪聲較低，生成的毫米波穩(wěn)定性更強(qiáng)。近些年，量子點(diǎn)鎖模激光器日趨成熟，由于量子點(diǎn)鎖模激光器具有超低閾值電流、高溫度穩(wěn)定性、超寬調(diào)制帶寬和極高的微分增益等優(yōu)良特性而成為生成毫米波技術(shù)的一個(gè)研究新熱點(diǎn)。因此，利用量子點(diǎn)鎖模激光器和光頻梳技術(shù)的光生毫米波技術(shù)作為本書的主要工作之一，將在后面的章節(jié)對該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析介紹。

1.2.5.3 基于高非線性光纖光頻梳生成毫米波技術(shù)的研究現(xiàn)狀

HNLF-OFC是利用高非線性光纖中的非線性效應(yīng)生成光頻梳的，例如利用四波混頻、自相位調(diào)制或者拉曼效應(yīng)生成寬帶光頻梳。用這種方法產(chǎn)生的光頻梳頻帶很寬，光譜線數(shù)目較多。然而，這種技術(shù)需要高功率光放大器和光學(xué)濾波器等光學(xué)儀器，光譜線的功率平坦度不好控制，并且系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。相比基于MLL-OFC生成技術(shù)，HNLF-OFC生成系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)小巧、集成度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。2012年，Evgeny Myslivets等人利用兩個(gè)CW激光器同時(shí)激發(fā)HNLF，生成帶寬為150nm的OFC，原理如圖1.21所示。該方案中 CW 激光器功率需大于 500mW，且要滿足嚴(yán)格的相位匹配，生成的光頻梳的光信噪比（Optical Signal Noise Rate，OSNR）不到 30dB。2013年，V.Ataie等人利用單CW光源激發(fā)HNLF生成OFC。OFC帶寬為120nm且包含1500根光譜線，輸出光功率為22dBm，平均OSNR約為40dB。與前面的方案相似，這種方案也需要超過50W的泵浦光功率輸入至HNLF，且也需要嚴(yán)格的相位匹配。通過分析可知，基于HNLF-OFC的毫米波生成系統(tǒng)需要較大的泵浦光功率，且對系統(tǒng)的相位匹配條件要求苛刻，相較前述兩種光頻梳方法實(shí)現(xiàn)難度更大。

通過分析，上述五種類型的光生毫米波技術(shù)各有優(yōu)勢和不足，如何充分發(fā)揮優(yōu)勢，降低成本，用最簡單的手段生成高質(zhì)量的毫米波是目前研究的關(guān)鍵問題。通過比較分析，本書發(fā)現(xiàn)雙波長激光器直接調(diào)制法容易獲得高頻毫米波，但不容易獲得可調(diào)諧的毫米波；光學(xué)外差法容易生成毫米波，但要生成低相位噪聲的毫米波需要光注入鎖定或者光學(xué)鎖相環(huán)等結(jié)構(gòu)；外調(diào)制器法易生成高倍頻毫米波信號，但是如果要生成可調(diào)諧毫米波就必須有一個(gè)可調(diào)諧的光濾波器，對濾波器性能要求苛刻；四波混頻法基于光學(xué)器件的非線性效應(yīng)很容易獲得高頻毫米波，但需要大功率泵浦光源，且兩路光波要相位匹配；光學(xué)頻率梳法最容易獲得穩(wěn)定性高且相位噪聲小的高頻毫米波乃至太赫茲波，是目前最具研究價(jià)值的一種低相噪毫米波技術(shù)。伴隨EOM制造工藝的發(fā)展，基于 EOM-OFC 的毫米波生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和成本也在逐年遞減。同時(shí)，QDMLL成為生成低相位噪聲毫米波技術(shù)的一個(gè)研究新熱點(diǎn)。綜上所述，基于EOM-OFC和基于QDML-OFC的毫米波生成技術(shù)是本書的主要研究內(nèi)容，將在后面的章節(jié)對該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析介紹。

毫米波產(chǎn)生技術(shù)的研究重點(diǎn)正向著低成本、高性能、遠(yuǎn)距離、高頻率的方向發(fā)展，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降低成本而獲得高性能的高頻毫米波信號是未來無線接入技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是研究毫米波產(chǎn)生技術(shù)的主要目標(biāo)。目前，光生毫米波技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題之一是如何利用簡單的光學(xué)方法低成本地產(chǎn)生高性能的毫米波。相位噪聲是反映無線通信載波頻率穩(wěn)定性和譜寬的重要參數(shù)，相位噪聲越大，傳輸?shù)恼`碼率就越高，因此在光生毫米波技術(shù)研究中，我們重點(diǎn)研究低相位噪聲光生毫米波技術(shù)。

基于上述分析，本書的研究主要集中在基于光頻梳的低相位噪聲光生毫米波方面。在開展相應(yīng)理論的基礎(chǔ)上，提出了幾個(gè)具備突出創(chuàng)新點(diǎn)的光生毫米波方案，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得了較理想的研究成果。