微波光電子學(xué)，顧名思義，是微波和光電子的交叉學(xué)科。微波和光波都是電磁波，所處頻率相差很多個數(shù)量級，在各自的領(lǐng)域所發(fā)展出來的元器件和技術(shù)很不相同。結(jié)合起來，互取所長，卻能得到各自所難實現(xiàn)的新的應(yīng)用和特點[1,2,3]。

光通信就是一個微波和光電子結(jié)合的最好的例子。早期電話電報無線通訊，信號的產(chǎn)生，傳播和接收，都是使用的微波器件。一開始使用低頻電磁波，因為頻率范圍小，傳輸?shù)男诺廊萘可佟＝鉀Q的辦法是增加傳輸信號的頻率，頻率越高，頻譜資源就多。但高頻信號在空中傳播損耗大，也容易被障礙物遮擋。如果用有線傳播，電纜的損耗大，遠(yuǎn)距離傳輸是個問題。光纖通訊的出現(xiàn)很好的解決了這些問題。光纖的傳輸損耗極低，是遠(yuǎn)距離傳送信號的極佳載體。光波的頻率范圍遠(yuǎn)超過微波，可以同時傳送很多個不同的信道。正因為光傳輸?shù)倪@些優(yōu)越性，光纖通訊已經(jīng)成為當(dāng)今信息傳播的骨干。

光通訊歷史悠久，研究和應(yīng)用都很廣泛和成熟，這里我就不多說了。這里我主要想介紹近些年在光通信以外的其他新興的微波光電子學(xué)的研究內(nèi)容。微波光電子學(xué)，主要還是以光電子領(lǐng)域的方法和技術(shù)為載體，來提高和實現(xiàn)傳統(tǒng)的微波電子元器件所難達到的性能和應(yīng)用。從應(yīng)用的角度主要包括以下三個方面。

其一，應(yīng)用光電子技術(shù)產(chǎn)生高性能低噪聲的微波信號，包括從X波段一直到THz波段。
其二，微波信號的處理。包括延時，濾波，頻率轉(zhuǎn)換，接收等。
其三，模擬信號的傳輸。

本篇文章筆者只介紹第一部分，微波信號的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的微波毫米波主要是由iii_V族微電子元器件產(chǎn)生[4]。其局限性有以下幾點：第一，到高頻例如100GHz以上，傳統(tǒng)的微電子元件可產(chǎn)生的功率越來越小，到更高頻的THz信號，他們就無能為力了。第二，為了降低相位噪聲和提高頻率穩(wěn)定性，需要將原器件置于極低溫環(huán)境。第三，難以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的調(diào)頻變頻。針對這些問題，光電子技術(shù)正好可以大顯身手。下面介紹主要的一些方法。

1. 通過兩個不同頻率激光信號的差頻，使用高頻的光電探測器轉(zhuǎn)換產(chǎn)生微波信號[5, 6]，如圖1所示。

圖1. 兩個激光差頻產(chǎn)生微波示意圖。

此方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,可以產(chǎn)生極高頻毫米波乃至THz頻率的信號,而且通過調(diào)節(jié)激光器的頻率可以進行較大范圍的快速的變頻,掃頻。缺點是，兩個不相干的激光信號所產(chǎn)生的差頻信號的線寬或者說位相噪聲比較大，頻率穩(wěn)定性不高，特別是如果使用體積小，但是線寬(~MHz)大的半導(dǎo)體激光器。如果對于系統(tǒng)重量體積要求不高的話，可以使用噪聲較低(~kHz)的固體激光器，光纖激光器[7,8],外腔半導(dǎo)體激光器[9]等。此外，還可以利用產(chǎn)生于同一個激光腔的兩個不同模式的激光信號來產(chǎn)生差頻，這樣產(chǎn)生的微波頻率穩(wěn)定性能有較大的提高[10-12]。

2. 為了解決上一方法中兩激光不相干，所產(chǎn)生信號位相噪聲過大的問題，可以使用注入式鎖頻鎖相的方法，或者是負(fù)反饋鎖相電路獲得兩激光器之間的相干性[13]。圖2是一個典型應(yīng)用注入式鎖頻產(chǎn)生微波多倍頻的方法（圖2）。通過對半導(dǎo)體激光器直接注入高頻電流信號，或者是應(yīng)用LiNbO3位相調(diào)制器，可以產(chǎn)生頻率等間距的多個不同頻率的光信號，或稱光頻梳。當(dāng)然現(xiàn)在常用的獲得寬譜光頻梳的方法是采用鎖模激光器[14]。將產(chǎn)生的光頻梳其中任意兩個梳齒信號通過濾波選擇出來，分別注入到激光1和2從而分別實現(xiàn)鎖頻鎖相。因為光頻梳不同的梳齒信號之間的位相是相對穩(wěn)定的，這樣兩激光器之間就獲得了穩(wěn)定的相對位相，再通過如前所述差頻的方法便可以得到光頻梳重復(fù)頻率的多倍頻微波信號了。

圖2. 注入式鎖頻產(chǎn)生微波倍頻信號示意圖。

另一個減小兩激光相對相位噪聲的方法是使用負(fù)反饋光鎖相環(huán)，如圖3。

圖3. 光鎖相環(huán)示意圖。

光鎖相環(huán)原理類似于電子領(lǐng)域的鎖相環(huán)[15,16,17]。兩個激光器的頻率位相差由光電檢測器(相當(dāng)于位相檢測器)轉(zhuǎn)換為電信號，再與參考微波信號源做差頻得到兩激光之間的位相差，經(jīng)過放大和濾波處理再反饋回其中一個激光的頻率控制單元（對于半導(dǎo)體激光器而言就是注入電流）。通過這樣一個負(fù)反饋的控制回路，兩激光信號之間的相對頻率位相與參考微波信號鎖定。合并的光信號又可以通過光纖傳送到別處的光電檢測器再轉(zhuǎn)化為微波信號。這樣所產(chǎn)生的微波信號的位相噪聲在鎖相負(fù)反饋回路的帶寬內(nèi)和參考信號的位相噪聲幾乎相同。在帶寬之外位相噪聲則等于原來兩不相干的激光器的相對位相噪聲。

另外，參考微波信號源也可以是別的信號源通過倍頻，除數(shù)頻，或別的頻率處理轉(zhuǎn)化而來，從而可以將較低頻率的微波信號進行多倍頻，或者是轉(zhuǎn)換為高頻的射頻，THz信號等。

相對于注入式鎖頻只能獲得倍頻而言，鎖相環(huán)更加靈活，可以產(chǎn)生幾乎任意的頻率，當(dāng)然也更加復(fù)雜一些。例如以圖2中的經(jīng)過光電調(diào)制器位相調(diào)制的，或者脈沖激光產(chǎn)生的光頻梳作為光源，利用光鎖相環(huán)將兩個激光器有選擇性的鎖頻到其中兩條光梳齒信號，再通過差頻產(chǎn)生高頻信號，如圖4。f1和f2分別是兩個鎖相環(huán)的參考信號頻率,通過兩激光之間的差頻便可以以產(chǎn)生N*frep+f1+f2的微波信號。

圖4. 利用光頻梳和光鎖相環(huán)產(chǎn)生任意頻率示意圖。

3. 使用鎖模脈沖激光器，通過光電探測器把光脈沖信號轉(zhuǎn)化為微波信號[18-20]。

此方法的主要優(yōu)點是可以獲得頻率穩(wěn)定性非常好，位相噪聲極低的信號。通過將激光的頻率鎖頻到非常穩(wěn)定的原子分子躍遷光譜，或者是是極其穩(wěn)定的光腔，以及利用自倍頻消除系統(tǒng)頻移等等技術(shù)，可以獲得重復(fù)頻率非常穩(wěn)的光脈沖信號，從而獲得位相噪聲超低的微波信號[21-23]。如圖5.

圖5. 不同信號源相對位相噪聲比較。摘自參考文獻[21]

但是因為脈沖的重復(fù)頻率是跟激光器的腔長成反比的，而傳統(tǒng)的鎖模激光器體積較大，因此難以直接獲得高頻的微波信號。另外傳統(tǒng)的脈沖激光體積，重量和能耗，以及對于環(huán)境的苛刻要求都限制了它們主要是在實驗室應(yīng)用。為了克服這些困難，最進美國和德國興起研究利用非線性效應(yīng)在很小的高品質(zhì)的啾啁模光腔內(nèi)產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的光頻梳，進而產(chǎn)生高頻的低噪聲微波信號[24-29]。

4. 光電耦合振蕩器(opto electronic oscillator) [30-33]，如圖6。 

圖6. 光電耦合振蕩器示意圖

傳統(tǒng)的產(chǎn)生微波或者激光的方法之一是使用一個自反饋的閉環(huán)回路，只要閉環(huán)中的增益大于損耗，自激振蕩就能產(chǎn)生微波或者激光。該閉環(huán)的品質(zhì)因素Q越高，產(chǎn)生的信號位相或者頻率噪聲越小。為了增加回路的品質(zhì)因素，直接的辦法是增加回路長度并且盡量降低傳播損耗。但是較長的回路通常能夠會支持產(chǎn)生多個振蕩模式，如果加入一個窄帶寬的濾波器，就可以獲得單頻低噪聲的微波振蕩信號。光電耦合振蕩器就是一種基于此想法產(chǎn)生的微波信號源，它充分利用了光纖的低傳播損耗的特性，使用較長的光纖提高回路的Q值，可以產(chǎn)生位相噪聲極低的微波信號。自從九十年代該方法提出，該類型的振蕩器獲得了廣泛的研究和長足的發(fā)展,目前已有商業(yè)化的光電耦合振蕩器[34]。最近更有發(fā)展出頻率可大范圍調(diào)節(jié)的光電振蕩器[35, 36]。基于這種架構(gòu)的微波信號源主要的問題是回路較長，在其自由普(FSR)及其倍頻頻率噪聲會顯著增高。另外所用的光電元件較多，成本高，體積難以縮小，而且較長的光纖對于環(huán)境的擾動較敏感。

以上初略介紹了幾種光電子產(chǎn)生微波信號的方法，以及各自的優(yōu)缺點。最后提一句，利用光電子產(chǎn)生微波還有另外一個好處是，可以將光信號通過光纖以極低的損耗以分布式的，遠(yuǎn)距離的傳播到各個使用終端再轉(zhuǎn)換為微波信號，而且抗電磁干擾的能力比傳統(tǒng)電子元件有顯著提高。

本文作者：livingwater 發(fā)表于微波射頻社區(qū)
http://club.mwrf.net/thread-44927-1-1.html

本文的寫作主要有參考[2, 3]，以及結(jié)合筆者自己在該領(lǐng)域的研究經(jīng)驗和體會，有不準(zhǔn)確不全面之處請諒解。 

1.  José Capmany and Dalma Novak, “Microwavephotonics combines two worlds”, Nature Photonics1, 319 - 330 (2007).
2.  Stavros Iezekiel, “Microwave Photonics: Devicesand Applications”,  IEEE – Wiley, 2009.
3.  J. P. Yao, “a Tutorial onMicrowave Photonics”, IEEE Photonics Society Newsletter, April 2012.http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n6/abs/nphoton.2007.89.html- a2
4.  M.J. howes and D.V. Morgan(Eds), “Microwave Devices: Device CircuitInteractions”, John Wiley&Sons, Inc., New York, USA, 1976.
5.B.Leoneet al.,"optical Far-IR wave Generation - An ESA review study", Proceedingsof the 14th International Symposium on Space Terahertz Technology, tucson，USA, April 2003.
6.  http://www.toptica.com/products/terahertz_generation/terahertz_technologysources_and_thz_generation_methods/cw_terahertz_generation.html.
7.http://www.nktphotonics.com/Koheras
8.  http://orbitslightwave.com/
9.  http://www.rio-inc.com/
10.  Laperle, C. et al.,“Microwavegeneration with monolithic dual-wavelength DFB lasers”, In proceeding of:Vertical-Cavity Lasers, Technologies for a Global Information Infrastructure, WDM Components Technology, AdvancedSemiconductor Lasers and Applications, Gallium Nitride Materials, Processing,and Devi, 09/1997.
11.  X.F. Chen, Z.C. Deng,and J.P. Yao “Photonic Generation of Microwave Signal Using a Dual-WavelengthSingle-Longitudinal-Mode Fiber Ring Laser”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. Vol 54, Issue 2 , 2006
12.  J. Sun, Y.T. Dai, X.F.Chen, Y.J. Zhang, and S.Z. Xie, “Stable Dual-WavelengthDFB Fiber Laser With Separate Resonant Cavities and Its Application in Tunable MicrowaveGeneration”, IEEE Photon. Technol. Lett.,Vol. 18, No. 24, DECEMBER, 2006
13.  A. Rolland et al., “Nonlinearoptoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter wavestowards a narrow linewidth tunable THz source”, Optics Express, Vol. 19, Issue 19, pp.17944-17950 (2011).
14.  http://www.nist.gov/public_affairs/releases/frequency_combs.cfm
15.  U.Gliese, T. N. Nielsen, M. Bruun, E. Lintz Christensen,K. E. Stubkjaer, S.Lindgren, and B. Broberg, “A wideband heterodyne optical phase-locked loop forgeneration of 3-18 GHz microwave carriers,”IEEE Photon.Technol. Lett., Vol. 4, No. 8, pp. 936–938, Aug. 1992.
16.  A. C. Bordonalli, C. Walton, and A. J. Seeds, “High-Performancephase locking of wide linewidth semiconductor lasers by combined use of opticalinjection locking and optical phase-lock loop,” J. Lightwave Technol., Vol. 17, No.2, pp. 328–342, Feb. 1999.
17.  K. J. Williams, “6-34 GHz offset phase locking of Nd: YAG 1319 nmnonplanar ring lasers,” Electron. Lett.,Vol. 25, No. 18, pp. 1242–1243, Aug. 1989.
18.  A. Hirata, M.Harada andT.Nagatsuma, "120-GHz Wireless Link Using Photonic Techniques forGeneration, Modulation, and Emission of Millimeter Wave Signals", IEEE J. of Lightwave Technol., Vol,21，No.10，October, 2002.
19.  T. Yamamoto, H.Takaraand S.Kawanishi, "Generation and Transmission of tuneable TerahertzOptical Clock", International Topical Meeting on Microwave Photonics,Awaji Island, Japan, T2-2, pp, 97-100, Nov. 2002.
20.  P.Shen and P.A. Davies, "Millimetre Wave Generation Using anOptical Comb Generator with Optical Phase Locked Loops", InternationalTopical meeting on Microwave Photonics，Awaji Island, Japan, T2-2, pp, 97-100,Nov. 2002.
21.  Hollberg, L. et al., “generation of microwave with ultralow phase noise from an optical clock”, IEEE international topical meeting onmicrowave photonics, 2004.
22.  W. Zhang et al., “low phase noisemicrowave generation with fiber based femtosecond lasers and applications”,general assembly and Scientific Symposium, 2011 xxxth URSI.
23.  T.M. Fortier et al., “generationof ultrastable microwaves via optical frequency division”, Nature Photonics 5, 425-429 (2011).
24.  Ivan S.Grudinin et al., “frequency comb from a microresonator with engineeredspectrum”,  Optics Express, Vol. 20, issue 6, pp. 6604-6609 (2012).
25. W. Liang, et al., “Generation of near-infrared frequency combs from aMgF2 whispering gallery mode resonator”, OpticsLetters, Vol 36, No. 12, 2011.
26.  Scott B. Papp et al..,“Mechanicalcontrol of a microrod-resonator optical frequency comb”, arXiv:1205.4272[physics.optics].
27.  T. J. Kippenberg, et al.“Microresonator-based optical frequency combs”, Science 332, 555(2011).
28.  Mark A. Foster et al., “Siliconbased monolithic optical frequency comb source”, Optics Express, Vol. 19, issue 15, pp. 14233-14239(2011).
29. A. A. Savchenkov et al., “Tunable optical frequency comb with acrystalline whispering gallery mode resonator,” Phys. Rev. Lett. 101, 093902 (2008).
30. X. S. Yao and L. Maleki, “Optoelectronic microwave oscillator,” J. Opt. Soc. Amer. B, vol. 13, no. 8,pp. 1725–1735, Aug. 1996.
31. X. S. Yao and L. Maleki, “Multiloop optoelectronic oscillator,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 36, no.1, pp. 79–84, Jan. 2000.
32. E Shumakher and G Eisenstein, “A Novel Multiloop Optoelectronic Oscillator”, IEEE PTL, Vol. 20, No. 22, 2008.
33. J. Yang et al., “An Optical Domain combined Dual loop OpoelectronicOscillator”, IEEE Photon. Tech. Lett.,Vol. 19, No. 11, 2007.
34.  http://oewaves.com/opto-electronic-oscillator.html
35.W. Li and J.P. Yao, “AWideband Frequency Tunable Optoelectronic Oscillator Incorporating a TunableMicrowave Photonic Filter Based on Phase-Modulation to Intensity-ModulationConversion Using a Phase-Shifted Fiber Bragg Grating”, IEEE. Trans. Microw. Theory tech., Vol. 60, No. 6, 2012.
36. Z. Tang et al. “Tunable Optoelectronic Oscillator Based on aPolarization Modulator and a chirpe d FBG”,IEEEPhoton. Tech. Lett. Vol. 24, No. 17, 2012.