1.2.2 光學外差法

光學外差法（光外差法）一般是指利用兩個激光器輸出兩個不同波長的光波，然后利用光電探測器（Photo Detector，PD）對兩個不同波長的光波拍頻產生新頻率信號而獲得毫米波信號。例如，在1545nm波長附近間隔為0.16nm波長差，就對應20GHz頻率間隔；對應16nm波長差，即為2THz（2024GHz）頻率間隔。根據光學外差法的工作原理，只要兩列光波混頻，用光學外差法就可以產生毫米波甚至太赫茲波等高頻電磁波信號，該方法的系統結構非常簡單。然而，實際應用中能通過光學外差法產生的電磁波頻率是受限制的，主要受限于 PD 的響應頻率帶寬。同時，因為兩個光波來自兩個獨立的激光器，光波相位不相關，毫米波受相位噪聲影響非常大。隨著該項技術的不斷發展，為增加兩個光波之間的相位相干性，許多科研團隊在光學外差法基礎上加入光注入鎖定（Optical Injection Locking，OIL）、光學鎖相環（Optical Phase Locked Loop，OPLL）或者光電振蕩器（Optoelectronic Oscillator，OEO）技術。

1997年，Zhencan F.等人提出基于OPLL技術采用兩個外腔半導體激光器生成毫米波方案，生成毫米波載波抑制比大于30dB，毫米波在500MHz的頻率范圍內的相位偏移量小于 0.11°，半波帶寬為 1MHz。該方案需要額外提供微波參考信號源，結構相對復雜。2006年，Howard R.Rideout等人提出一種利用OPLL 技術生成低相位噪聲、高穩定性和頻率可調諧的毫米波生成方案。該方案獲得一個 11.2GHz 的毫米波信號，頻率偏移為 100Hz 處的相位噪聲為-64.7dBc/Hz。該系統結構較復雜，需要多個電濾波器和射頻（Radio Frequency，RF）信號參考源。2011年，Y.F.Wu等人提出一種基于外腔注入鎖相的雙模法布里佩羅（F-P）激光器生成毫米波方案。該方案的仿真實驗中利用兩個連續波激光器，通過注入鎖定方式形成外腔 F-P 激光器，然后利用 PD 拍頻獲得了170GHz的毫米波，實驗系統如圖1.7所示。Y.S Juan等人提出利用雙光束注入分布式反饋激光器（Distributed FeedBack Laser，DFB）作為雙波長激光器來生成可調諧毫米波信號的方案，方案原理如圖 1.8 所示。該方案利用一個 1.4μm的單模 DFB 激光器作為被動激光器（Slave Laser，SL），兩個可調諧激光器（Tunable Laser，TL）TL₁和TL₂作為光注入主動激光器，兩個主動激光器輸出的兩路光波耦合后注入SL中，注入SL中的TL₁和TL₂光波根據不同的注入強度具有不同的調諧頻率。從而實現TL₁和TL₂的輸出光通過同時注入SL 后經過PD拍頻能獲得一個頻率等于TL₁和TL₂光波間隔的毫米波。并且，通過改變TL₁與TL₂頻率之間的間隔，可以生成一個頻率持續可調諧的毫米波。外腔光注入半導體激光器通過改變兩個光注入激光器的輸出光波間的頻率間隔獲得可調諧的毫米波信號。然而，這類方法雖然可以生成頻率可調諧的毫米波信號，但是頻率調諧范圍因為外腔激光器第一周期（Period-One，P1）的振蕩空間有限而非常有限，最大只能到幾十GHz。

圖1.7 基于兩個激光器注入鎖定技術生成毫米波系統

圖1.8 基于雙波長激光器生成可調諧毫米波信號的方案原理

2013年，莊俊平等人提出并驗證了基于光注入鎖相環技術生成毫米波的技術方案，系統如圖 1.9 所示。光注入鎖相環首先使激光產生可調諧毫米波信號強度振蕩。然后，用一個光學反饋環路來穩定毫米波頻率的波動，同時引入第二反饋回路抑制由第一反饋回路引起的側峰，從而實現寬調諧范圍的毫米波信號，且不需要毫米波濾波器。實驗獲得了一個45.424GHz的毫米波信號，且線寬小于50kHz。

圖1.9 基于光注入鎖相環技術生成毫米波系統

光學外差法生成毫米波技術比較容易生成高頻毫米波，但是這種方法因為要解決兩個光波同步的問題，需要通過增加光注入鎖相環技術或者光學鎖相環技術來實現，系統需要增加各種濾波器和射頻參考信號，增加了系統結構的復雜度，實現成本也大幅提高。