光生太赫茲波振蕩器的原理及實(shí)現(xiàn)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥 230041

關(guān)鍵字：太赫茲；振蕩器；相位噪聲；鎖相穩(wěn)頻

一、引言

太赫茲波(THz)是指頻率在0.1THz～10THz范圍的電磁波，其介于毫米波與紅外之間，稱為亞毫米波或者遠(yuǎn)紅外光，處于從電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)[1-2]。太赫茲波不僅可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也能應(yīng)用于民用領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：?jiǎn)伪笓]通信和軍用衛(wèi)星通信、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、軍事裝備質(zhì)量檢查、軍事反恐“穿墻術(shù)”(利用太赫茲的強(qiáng)穿透性，實(shí)現(xiàn)隔墻成像)、軍事偵查、反隱形作戰(zhàn)等。在民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：空間通信、地面高速通信與組網(wǎng)、新一代安檢等。

目前國(guó)際上研究太赫茲的主要機(jī)構(gòu)有：日本NTT公司、德國(guó)IAF研究所、美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)外典型的太赫茲系統(tǒng)主要有日本NTT的0.12 THz和0.3 THz通信系統(tǒng)、德國(guó)IAF的0.22 THz 和0.24 THz 通信系統(tǒng)和美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的0.625 THz 通信系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)從事太赫茲研究的機(jī)構(gòu)有：中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、電子科技大學(xué)、深圳大學(xué)、首都師范大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)兵器工業(yè)209 所、中國(guó)電科38所。其中代表性成果有中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所的0.14THz高分辨率逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)系統(tǒng)和0.34THz通信系統(tǒng)、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的4.13THz通信系統(tǒng)、中國(guó)兵器工業(yè)209所研制的0.89THz激光器用于探測(cè)隱身目標(biāo)等。

太赫茲波的產(chǎn)生一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，常用產(chǎn)生太赫茲波的方法包括：微波倍頻法和光學(xué)變頻法[3-4]。利用微波器件實(shí)現(xiàn)倍頻產(chǎn)生太赫茲波的顯著缺點(diǎn)是相位噪聲差，用光學(xué)變頻法產(chǎn)生太赫茲波雖然克服了微波變頻相位噪聲差的不足，但使用光學(xué)變頻的方法存在頻率穩(wěn)定性差、相位噪聲受限于外部參考源等不足。

本文介紹了一種采用光生太赫茲波的新方法,在光域內(nèi)通過激光器、電光調(diào)制器、探測(cè)器及長(zhǎng)光纖構(gòu)成自激反饋環(huán)路，利用調(diào)制器以及光纖的低損耗特性，將連續(xù)低噪聲光信號(hào)變?yōu)樘掌澆ㄐ盘?hào)輸出，采用鎖相穩(wěn)頻負(fù)反饋技術(shù)使光域內(nèi)產(chǎn)生的太赫茲波信號(hào)具有更好的頻率穩(wěn)定性，本文的研究旨在為太赫茲波信號(hào)的產(chǎn)生提供一種新的設(shè)計(jì)方法。

二、光電振蕩器的原理介紹及分析

光生太赫茲波的基本原理類似于光電振蕩器，光電振蕩器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)基于光電混合結(jié)構(gòu)的正反饋系統(tǒng)，該光電混合結(jié)構(gòu)由低噪聲的激光器、電光調(diào)制器、光纖、光電探測(cè)器、帶通濾波器和放大器等構(gòu)成。光纖產(chǎn)生時(shí)間延遲，以獲得產(chǎn)生低噪聲高質(zhì)量信號(hào)所需的品質(zhì)因數(shù)Q，利用調(diào)制器以及光纖的低損耗特性，將連續(xù)光變?yōu)轭l譜純凈的穩(wěn)定的微波信號(hào)輸出。光電振蕩器的基本原理如圖1所示。

在圖1中，低噪聲激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制后通過長(zhǎng)光纖傳輸進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，之后通過濾波器進(jìn)行選頻、濾波，再通過放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)反饋給電光調(diào)制器，從而形成正反饋回路，形成自激振蕩。振蕩環(huán)路中的放大器提供了信號(hào)增益，信號(hào)經(jīng)過多次循環(huán)放大后,就能建立起穩(wěn)定的振蕩，其振蕩頻率由激光器、光纖長(zhǎng)度及濾波器的通帶特性決定。

光電振蕩器輸出的信號(hào)Vout(t)可表示為：

式中，Vph—光電振蕩器的振蕩閾值電壓；

η—調(diào)制器的消光比；

VB—電光調(diào)制器的偏置電壓；

Vπ—調(diào)制器的半波電壓。

由式（1）可知，輸出信號(hào)包含很多ω的諧波分量，輸出信號(hào)示意圖如圖2所示。

在圖2中不同頻率信號(hào)之間的間隔為c/nL（c為光速、n為光纖的折射率、L為光纖長(zhǎng)度），對(duì)于單光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的光電振蕩器存在唯一一種模式輸出，且信號(hào)頻率間隔由c/nL決定。理論上可以用帶寬足夠窄的濾波器選擇需要的頻率信號(hào)，但實(shí)際上濾波器的帶寬不可能做到很小，濾波器的帶寬往往是模間距c/nL的很多倍，導(dǎo)致無法選擇單一頻率的輸出信號(hào)。

三、光生太赫茲波的方案設(shè)計(jì)及分析

光電振蕩器不僅能產(chǎn)生低相噪的微波信號(hào)，也能產(chǎn)生太赫茲信號(hào)，在前期設(shè)計(jì)研制X波段光電振蕩器的基礎(chǔ)上，完成了光生太赫茲波振蕩器的方案設(shè)計(jì)。光生太赫茲波振蕩器的設(shè)計(jì)包括了主動(dòng)鎖模激光器設(shè)計(jì)、三光纖環(huán)設(shè)計(jì)和鎖相穩(wěn)頻設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的光生太赫茲波振蕩器的總體方案如圖3所示。

圖3所示的光生太赫茲波振蕩器主要由主動(dòng)鎖模激光器、三光纖環(huán)設(shè)計(jì)和鎖相穩(wěn)頻及濾波器、放大器、功分器等組成。

主動(dòng)鎖模激光器的功能是一方面提供脈沖光信號(hào)，另一方面與三光纖環(huán)、鎖相穩(wěn)頻模塊等一起形成正反饋，為電光調(diào)制器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；三光纖環(huán)設(shè)計(jì)的意義在于抑制邊模信號(hào)，由圖2所示可知，不同長(zhǎng)度的光纖決定了輸出信號(hào)不同的模間距離，在三光纖環(huán)結(jié)構(gòu)中，只有模式相同的信號(hào)才能形成自激振蕩。在圖3中L1、L2、L3是3個(gè)光纖環(huán)的光纖長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的光纖延遲時(shí)間分別為τ1、τ2、τ3，光生太赫茲振蕩器產(chǎn)生信號(hào)的頻率f0可表示為：

式中m、n、l為正整數(shù)。

由式（2）可知，由于光纖環(huán)長(zhǎng)度不同，引起的振蕩模式不同，每個(gè)模式的頻率間隔分別為延遲時(shí)間的倒數(shù)。在三光纖環(huán)結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生信號(hào)的振蕩頻率由3個(gè)光纖環(huán)共同決定，因此，振蕩頻率為3個(gè)光纖環(huán)頻率間隔的整數(shù)倍。當(dāng)不同光纖環(huán)的振蕩頻率正好相等時(shí)，振蕩頻率就是輸出信號(hào)的頻率。根據(jù)光纖的傳輸特性，1km光纖延遲時(shí)間τ約為5μs，振蕩頻率間隔Δf=1/τ，即1km光纖產(chǎn)生的頻率間隔約為200kHz。在圖3所示的三光纖環(huán)結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)L1、L2、L3的長(zhǎng)度分別為4.4km、3km、1.2km，L1、L2、L3對(duì)應(yīng)頻率間隔分別約為 45kHz、66kHz、166kHz。只有同時(shí)滿足 45kHz、66kHz、166kHz整數(shù)倍的信號(hào)才能發(fā)生振蕩并最終通過濾波器選頻后輸出需要的頻率信號(hào)。鎖相穩(wěn)頻模塊的功能是跟蹤相位并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

四、設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決措施

光生太赫茲波振蕩器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要包括：低相位噪聲的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和頻率穩(wěn)定性的控制實(shí)現(xiàn)。

1、光生太赫茲波振蕩器相位噪聲簡(jiǎn)介

光生太赫茲波振蕩器相位噪聲密度可表示為：

式中，kB— 玻耳茲曼常數(shù)；

T— 環(huán)境溫度；

NF—放大器的噪聲系數(shù)；

e—電子電荷；

Iph—光電探測(cè)器的電流；

R—探測(cè)器的負(fù)載阻抗；

NRIN—激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。

在式（3）中，4kBTNF是熱噪聲，2eIphR是閃爍噪聲，是激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲。由圖3可知，激光器產(chǎn)生的光信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。同樣激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲通過探測(cè)器轉(zhuǎn)換為光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲。

2、降低光生太赫茲波振蕩器相位噪聲的研究

由式（3）分析可知，降低光生太赫茲波相位噪聲可通過選擇相對(duì)強(qiáng)度噪聲小的激光器實(shí)現(xiàn)，還可通過探測(cè)器降低相位噪聲。探測(cè)器輸入光功率與探測(cè)器輸出射頻信號(hào)功率之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)輸入光功率很小時(shí)(〈5.6 mW)，圖4所示曲線滿足平方定律。即當(dāng)輸入光功率增大為原來的2倍時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出射頻信號(hào)功率增加為原來的4倍。探測(cè)器未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，隨著輸入光功率的增大，對(duì)應(yīng)輸出射頻信號(hào)功率曲線的斜率越來越小，且當(dāng)輸入光功率為(8～9) mW時(shí)，功率曲線的斜率趨近于0，此時(shí)探測(cè)器達(dá)到飽和狀態(tài)。超過飽和狀態(tài)時(shí)，隨著輸入光功率的增加，輸出射頻信號(hào)功率并未增加反而不斷降低。

激光器的光功率與光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲關(guān)系測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)光電探測(cè)器處于飽和狀態(tài)(10 mW)時(shí)，得到了光生太赫茲波振蕩器相位噪聲的最小值。當(dāng)輸入光功率高于或低于探測(cè)器的飽和功率時(shí)，光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲會(huì)明顯增大。例如，當(dāng)偏離10mW功率±3mW（7mW或13mW）時(shí)，對(duì)應(yīng)的相位噪聲增大了約20dB。

通過上述研究可知，在選定激光器的前提下，通過探測(cè)器工作在飽和或臨界飽和狀態(tài)可有效降低光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲。

3、光生太赫茲振蕩器頻率穩(wěn)定性的研究

由前面幾節(jié)的分析可知，光生太赫茲波振蕩器輸出信號(hào)的頻率間隔為c/nL，c為光速、n為光纖的折射率、L為光纖長(zhǎng)度。光纖的折射率和長(zhǎng)度均與溫度有關(guān)，由于環(huán)境溫度的變化，光纖的折射率和機(jī)械長(zhǎng)度都會(huì)發(fā)生變化。

光生太赫茲波振蕩器輸出信號(hào)頻率隨溫度的漂移特性可表示為

式中，L—光纖長(zhǎng)度；

N—光纖折射率。

由式（4）可知，輸出信號(hào)頻率的變化與光纖長(zhǎng)度的變化和折射率的變化有關(guān)。在實(shí)際中，溫度的變化引起光纖長(zhǎng)度的變化非常小(大約在0.l ppm/℃量級(jí))。而當(dāng)環(huán)境溫度在-60℃～85℃變化時(shí)，單模光纖的折射率n與溫度的變化可表示為Δn/ΔT=1.2×10-5/℃，近似為線性變化(約為10 ppm/℃量級(jí) )。

由以上分析可知，光纖長(zhǎng)度隨溫度變化比折射率隨溫度變化大約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，式（4）中第一項(xiàng)相對(duì)于第二項(xiàng)可以忽略，溫度對(duì)光纖折射率的影響成為頻率漂移的主要因素。在這種情況下，光生太赫茲波振蕩器輸出信號(hào)頻率變化與溫度變化的關(guān)系為可表示為

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率輸出的的有效途徑之一是采取恒溫控制，其次是使用鎖相穩(wěn)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，光生太赫茲波振蕩器鎖相穩(wěn)頻原理如圖6所示。

在圖6中，V是功分器輸出的信號(hào)，經(jīng)N分頻器后得到約100MHz的頻率信號(hào)，該信號(hào)與100MHz固定參考頻率一起送給鑒相器，鑒相器將相位差信號(hào)變成電壓誤差信號(hào)，電壓誤差信號(hào)經(jīng)有源濾波器和放大器濾波、放大后產(chǎn)生0～12V的控制電壓VT。當(dāng)外界因素的變化使得輸出頻率變大時(shí)，VT變小，控制圖3中的頻率控制器實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，反之亦然，通過這樣的負(fù)反饋控制實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定。

五、結(jié)論與展望

本文介紹了光電振蕩器的基本原理及輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過研究表明輸出信號(hào)存在多個(gè)頻率成分，且不同頻率的間隔與光纖長(zhǎng)度和折射率有關(guān)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)鎖模激光器、三光纖環(huán)和鎖相穩(wěn)頻結(jié)構(gòu)的光生太赫茲波振蕩器原理，詳細(xì)介紹了光生太赫茲波振蕩器的設(shè)計(jì)原理并分析了影響頻率穩(wěn)定性和相位噪聲的因素，給出了實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定和降低相位噪聲的方法。

通過研究發(fā)現(xiàn)，影響光生太赫茲波振蕩器輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定的主要因素是溫度的變化，采取恒溫控制是解決頻率漂移的有效途徑，此外通過采用鎖相穩(wěn)頻技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻的目的。通過研究還發(fā)現(xiàn)光生太赫茲波振蕩器的相位噪聲主要由激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲決定，通過讓探測(cè)器工作在飽和或臨界飽和的狀態(tài)可有效降低輸出信號(hào)的相位噪聲。

太赫茲波不僅可以應(yīng)用于軍用領(lǐng)域還可以廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，采用光學(xué)的方法產(chǎn)生太赫茲波是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文介紹的光生太赫茲波原理為后續(xù)工程化樣機(jī)的設(shè)計(jì)完善提供了理論依據(jù)，本文有關(guān)頻率穩(wěn)定性和相位噪聲的研究成果對(duì)同類產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。