光生太赫茲波振蕩器的原理及實(shí)現(xiàn)

光生太赫茲波振蕩器的原理及實(shí)現(xiàn)楊鵬毅【摘要】太赫茲波由于具有分辨率高、穿透力能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),正逐步成為軍事和民用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).首先介紹了光電振蕩器的基本原理，給出了光電振蕩器輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.在此基礎(chǔ)上，提出了光生太赫茲波振蕩器的設(shè)計(jì)方案，該方案基于主動(dòng)鎖模光纖激光器、三光纖環(huán)和鎖相穩(wěn)頻技術(shù)設(shè)計(jì).分析了光生太赫茲波的設(shè)計(jì)難點(diǎn),以及影響相位噪聲和輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定性的因素，并給出了解決問題的具體措施.【期刊名稱】《傳感器世界》【年(卷)，期】2017(023)004【總頁數(shù)】5頁(P38-42)【關(guān)鍵詞】太赫茲;振蕩器;相位噪聲;鎖相穩(wěn)頻【作者】楊鵬毅【作者單位】中國電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥230041【正文語種】中文【中圖分類】TN753.2—、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:單兵指揮通信和軍用衛(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。目前國際上研究太赫茲的主要機(jī)構(gòu)有：日本NTT公司、德國IAF研究所、美國Sandia實(shí)驗(yàn)室、美國JPL實(shí)驗(yàn)室等。國夕卜典型的太赫茲系統(tǒng)主要有日本NTT的0.12THz和0.3THz通信系統(tǒng)、德國IAF的0.22THz和0.24THz通信系統(tǒng)和美國Bell實(shí)驗(yàn)室的0.625THz通信系統(tǒng)。國內(nèi)從事太赫茲研究的機(jī)構(gòu)有：中國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)、中國兵器工業(yè)209所、中國電科38所。其中代表性成果有中國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一光電振蕩器的振蕩閾值電壓；n一調(diào)制器的消光比；VB一電光調(diào)制器的偏置電壓；Vn—調(diào)制器的半波電壓。由式（1）可知，輸出信號(hào)包含很多3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)的光纖長度，對(duì)應(yīng)的光纖延遲時(shí)間分別為t1、t2、t3,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t約為5卜，振蕩頻率間隔Af=1/T，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一電子電荷；Iph一光電探測(cè)器的電流；R一探測(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)（〈5.6mW），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)(10mW)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為光纖長度。光纖的折射率和長度均與溫度有關(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一光纖長度；N一光纖折射率。由式(4)可知，輸出信號(hào)頻率的變化與光纖長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度的變化非常小(大約在0.lppm/l量級(jí))。而當(dāng)環(huán)境溫度在-60OC~85°C變化時(shí)，單模光纖的折射率n與溫度的變化可表示為△n/AT=1.2x10-5/°C，近似為線性變化（約為10ppm/C量級(jí)）。由以上分析可知，光纖長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)夕卜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。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】鄭新，劉超.太赫茲技術(shù)的發(fā)展及在雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用(H)[J].微波學(xué)報(bào),2011,27(1):1-5ZhengXin,LiuChao.RecentDevelopmentofTHzTechnologyandItsApplicationinRadarandCommunicationSystem(H)[J].JouranlofMicrowaves,2011,27(1):1-5劉盛綱.太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué),2006,8(1):7-12LIUSheng-gang,NewDevelopmentofTerahertzScienceandTechnology[J].ChinaBasicScience,2006,8(1):7-12張健，鄧賢進(jìn)等.太赫茲高速無線通信：體制、技術(shù)與驗(yàn)證系統(tǒng)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),2014,12(1):1-13.ZHANGJian,DENGXian-jin,etal.Terahertzhighspeedwirelesscommunications:systems,techniques