1.2.5 光学频率梳法

光学频率梳简称光频梳（Optical Frequency Comb，OFC），诞生于20世纪90年代，是高精度光学频率测量中的一个革命性技术突破。该技术被广泛关注始于2005年，诺贝尔物理学奖被授予约翰·霍尔和西奥多两位科学家，以此表彰他们在高精度测试及光频梳应用研究工作中的贡献。OFC因具备光谱频率间隔相等、光谱稳定性高、光谱的功率相等和光谱带宽宽等优点而被广泛应用于光通信系统，如高精度测量、任意波形生成、超短脉冲波生成、光学相干断层扫描、高精度测距、超稳定的低相位噪声毫米波产生和光学原子钟等领域。近几年，基于OFC的光生毫米波技术逐渐成为光生毫米波技术的一个新研究方向。

基于光频梳生成毫米波的工作原理在第2章会做详细介绍。基于OFC生成毫米波技术实质是将OFC作为一个波长连续的分频器，将激光器输出的连续波之间的高稳定性通过光电转换传递给生成的高频毫米波信号。因此，与其他类型的毫米波生成技术相比，这种方法可以实现生成的毫米波具有更低的相位噪声和短期不稳定，并且可获得非常低的噪声层。因此，该技术已成为当前毫米波生成技术研究的一个热点。近10年，基于OFC的光生毫米波技术有大量的研究成果报道。

光频梳可根据三种典型生成方法进行分类，主要分为三大类型：锁模激光器光频梳（MLL-OFC）、电光调制器光频梳（EOM-OFC）和高非线性光纤光频梳（HNLF-OFC）。基于光频梳生成毫米波技术则可根据不同类型的光频梳技术进行分类，本节将对不同类型的毫米波生成技术研究现状进行梳理分析。

1.2.5.1 基于锁模激光器光频梳生成毫米波技术的研究现状

基于 MLL-OFC 生成毫米波技术是随着飞秒激光器的出现和发展而发展的，其工作原理主要是依据飞秒激光器输出带宽和频率间隔相等的多波长脉冲光谱，从而产生对应的光频梳，经过光电检测生成毫米波信号。MLL-OFC 光谱线的频率间隔即为飞秒激光器的重复频率，这是由激光器的振荡腔长度决定的。截至目前，根据 MLL 的工作原理主要可以分为三种类型激光器，分别为半导体固态锁模激光器（例如Ti：蓝宝石锁模激光器、Yb：KYW锁模飞秒激光器）、掺铒光纤锁模激光器和量子点锁模激光器。早期基于MLL-OFC生成毫米波技术普遍采用Ti：蓝宝石锁模激光器。

2011年，T.M.Fortier等人提出并验证了基于锁模激光器光频梳生成毫米波方案。该方法利用一个稳定的连续波长（Continue-Wave Laser，CW）激光器对1GHz的Ti：蓝宝石锁模激光器的输出光波进行锁相，经过两个激光腔形成的OFC通过PD拍频获得一个10GHz微波信号。该微波信号在频率偏移为1Hz处的相位噪声为-104dBc/Hz，噪声层约为-157dBc/Hz，因此该方法可以生成超低相噪的毫米波。基于掺铒光纤锁模激光器的光频梳也可以生成同类性能的毫米波，同时，因为中心波长为 1550nm 的掺铒光纤具有非常宽的脉冲光谱，具有更低的成本和更低的功率要求，所以基于掺铒光纤锁模激光器的光频梳成为一种热门的毫米波生成技术。2010 年，文献[76]提出一种基于掺铒光纤锁模激光器光频梳的毫米波生成方案。该方案能生成一个 11.55GHz 的载波信号，该信号在频率偏移为1Hz处的相位噪声为-120dBc/Hz，噪声层趋于-130dBc/Hz，该方案能生成超低相噪的毫米波信号。2011年，D.Hillerkuss等人提出基于半导体锁模激光器的太赫兹波生成方案。该方案生成了10.8Tbit/s和26Tbit/s的光频分复用通信信号，适用于多波长复用通信系统。2013年，S.A.Meyer等人提出一种基于频率稳定的Yb：KYW锁模飞秒激光器的光频梳生成毫米波方案，并实验验证可生成超低相噪的10GHz 微波信号，系统如图1.17 所示。该微波信号在频率偏移为 1Hz 处的相位噪声为-99dBc/Hz，室温下生成的相位噪声低于最好的低温微波振荡器生成的微波信号的相位噪声。

文献[79]报道了一种基于掺铒光纤锁模激光器的光频梳生成10GHz微波信号系统，该微波信号在频率偏移为1Hz处的相位噪声最小为-100dBc/Hz，当频率偏移大于10kHz时，相位噪声最小为-145dBc/Hz，该信号的相位噪声受到光频参考信号的限制。然而，由于掺铒光纤锁模激光器输出光脉冲具有较大的脉宽、较低的光功率和较大的激光腔内损耗，与固态锁模激光器相比，掺铒光纤锁模激光器具有更大的时间抖动噪声。因此，文献[81]分别对基于掺铒光纤锁模激光器毫米波生成系统和基于Ti：蓝宝石锁模激光器毫米波生成系统生成9.2GHz 微波信号的相位噪声进行比较，发现两个系统在频率偏移同为 1Hz 处的相位噪声分别为-90dBc/Hz和-120dBc/Hz。固态Yb：KYW锁模飞秒激光器和其他锁模激光器进行比较，除了同样具备较大的平均输出光功率、较大的重复频率和较低的腔内损耗，还有较高的光输出效率，一般光输出效率大于60%。2015年，T.M.Fortier等人提出一种基于Ti：蓝宝石锁模激光器光频梳的可调谐毫米波生成方案，该方案实验结构如图1.18所示。该方案在实验中利用两个重复频率都为1GHz的Ti：蓝宝石锁模激光器作为光频参考信号获得可调谐毫米波，频率范围为 20～100GHz。生成的 100GHz 毫米波信号在频率偏移为 1Hz处的相位噪声为-80dBc/Hz，频率偏移大于 10MHz 后，相位噪声趋于噪声层-145dBc/Hz，且频率稳定度接近1×10-15。F.Quinlan等人提出基于掺铒光纤锁模激光器光频梳的毫米波生成方法。该方法使用重复频率为200MHz的掺铒光纤锁模激光器获得 10GHz 的微波信号，该信号在频率偏移为 1Hz 处的相位噪声小于-100dBc/Hz，相位噪声虽小，但是因为有额外的参考光波，所以相位噪声大小主要受参考光波信号限制。

近几年，随着量子点锁模激光器（Quantum Dot Mode-Locked Laser，QDMLL）技术的不断发展，由于量子点锁模激光器输出光谱具有超宽带宽、超细线宽、高信噪比和高稳定性等优势，也逐渐成为毫米波甚至太赫兹波生成的一项热点技术。利用光注入量子点激光器生成毫米波和太赫兹波有一些研究报道。2010 年，文献[85]提出用一种光注入中心波长为 1550nm 法布里佩罗量子点激光器生成可调谐的微波信号。2013年，A.Hurtado等人提出并验证了一种基于光注入 1310nm 量子点分布式反馈激光器生成可调谐毫米波的方案，该方案可以生成 1～40GHz 的毫米波信号。研究也关注了双波长量子点激光器的发展，频率间隔变化范围为1.3～8THz的双模量子点激光器已被报道。一种光注入双模量子点分布式反馈激光器也有报道。2005年，J.Renaudier等人提出基于F-P腔单片集成量子点激光器生成45GHz毫米波的方法，该量子点激光器输出的中心波长为1550nm，生成的45GHz信号的线宽为100kHz。2013年，Antonio Hurtado等人提出并实验验证了基于一个1310nm的量子点分布式反馈激光器生成可调谐毫米波和太赫兹波信号的方案，实验系统如图 1.19 所示。该方案基于双模激光器和单束光注入量子点分布式反馈激光器产生四波混频效应，获得频率间隔为117～954GHz的光频梳。

基于MLL-OFC的毫米波系统比较容易生成毫米波，系统结构相对简单，然而，因为锁模激光器的重复频率由激光器振荡腔长决定，激光器振荡腔长一般是固定的，导致频率间隔固定。同时，因为锁模激光器的自由光谱分布比较固定，因此生成的毫米波频率缺乏可调性。因为锁模激光器的自身特性，所以该方法生成的毫米波受环境影响较大，相位噪声比较难控制。

1.2.5.2 基于电光调制器光频梳生成毫米波技术的研究现状

与基于MLL-OFC的毫米波生成技术相比，基于EOM-OFC生成毫米波的核心技术是EOM。目前，由于EOM的设计与制备技术比较成熟，器件受环境和温度影响较小，且 EOM-OFC 的自由光谱范围（FSR）和中心波长具有可调谐性，导致基于EOM-OFC的毫米波系统结构上更简单，成本更低，性能更好。因此，基于EOM-OFC的毫米波生成技术在目前的研究和应用中都是非常热门的低相位噪声毫米波生成技术。早期，多数基于级联MZM的光频梳生成正交频分复用（OFDM）/相干光波分复用（CoWDM）信号的报道，都指出基于EOM-OFC 具有较平坦的光谱分量，较高的光转换效率，然而也存在一定的插入损耗问题。2009年，日本T.Sakamot等人提出并实现了基于EOM-OFC生成毫米波方案，系统原理如图1.20所示。他们利用级联IM和PM结构对一个DFB激光器输入光波进行光副载波调制，生成频率间隔为25GHz的EOM-OFC，然后通过一个F-P滤波器滤出两个一阶边带，最后利用PD拍频生成50GHz毫米波。2015年，Weilin Xie等人提出并验证了基于EOM-OFC的低相位噪声毫米波生成方法，利用PM和IM生成频率间隔相等的OFC，再利用光滤波器过滤出对应的光波，然后通过 PD 拍频生成毫米波甚至亚太赫兹波信号。毫米波在频率偏移为 1Hz 处的相位噪声为-42dBc/Hz，时域的脉宽为 30ms。2015 年，Eamonn P.Martin等人设计了一种基于EOM-OFC的毫米波生成方案。该方案采用一个增益可调的分布式反馈激光器结合马赫·曾德尔调制器生成光频梳，因该EOM-OFC具有灵活的FSR，FSR具有20GHz的可调谐范围，因此，基于该光频梳生成的毫米波不仅可调而且还有非常高的信噪比。2016年，A.Ishizawa等人提出基于EOM-OFC生成超低相位噪声毫米波信号的技术方案。该方法利用EOM-OFC结合一个反馈线路对光路信号锁相，从而获得低相位噪声的毫米波。通过信号发生器和反馈线路可以控制光谱间隔，从而可以生成 6～72GHz的毫米波信号，毫米波具有可调谐性。然而，该方案对激光器的性能要求很苛刻，实验中他们采用了一个线宽为1Hz的LD光源和一个线宽为100kHz的锁模激光器，并且采用了两个RF信号生成器，其中一个是RF锁相环集成板，因此该方案结构比较复杂，系统成本高。

PD 能将 OFC 的光脉冲转化为毫米波或者太赫兹波信号，因此，PD 是光子微波产生方案中的关键元件。特别是在偏移频率远离载波时，光电探测噪声施加的一个基本的限制微波信号的相位噪声可以高于内在的光学振荡器的噪声。这种情况可以增加PD的频率响应极限。

与前面讨论的光生毫米波信号技术相比，基于光频梳生成毫米波的相位噪声较低，生成的毫米波稳定性更强。近些年，量子点锁模激光器日趋成熟，由于量子点锁模激光器具有超低阈值电流、高温度稳定性、超宽调制带宽和极高的微分增益等优良特性而成为生成毫米波技术的一个研究新热点。因此，利用量子点锁模激光器和光频梳技术的光生毫米波技术作为本书的主要工作之一，将在后面的章节对该技术进行重点分析介绍。

1.2.5.3 基于高非线性光纤光频梳生成毫米波技术的研究现状

HNLF-OFC是利用高非线性光纤中的非线性效应生成光频梳的，例如利用四波混频、自相位调制或者拉曼效应生成宽带光频梳。用这种方法产生的光频梳频带很宽，光谱线数目较多。然而，这种技术需要高功率光放大器和光学滤波器等光学仪器，光谱线的功率平坦度不好控制，并且系统对实验条件要求苛刻，系统稳定性差。相比基于MLL-OFC生成技术，HNLF-OFC生成系统具有结构小巧、集成度高和稳定性强等特点。2012年，Evgeny Myslivets等人利用两个CW激光器同时激发HNLF，生成带宽为150nm的OFC，原理如图1.21所示。该方案中 CW 激光器功率需大于 500mW，且要满足严格的相位匹配，生成的光频梳的光信噪比（Optical Signal Noise Rate，OSNR）不到 30dB。2013年，V.Ataie等人利用单CW光源激发HNLF生成OFC。OFC带宽为120nm且包含1500根光谱线，输出光功率为22dBm，平均OSNR约为40dB。与前面的方案相似，这种方案也需要超过50W的泵浦光功率输入至HNLF，且也需要严格的相位匹配。通过分析可知，基于HNLF-OFC的毫米波生成系统需要较大的泵浦光功率，且对系统的相位匹配条件要求苛刻，相较前述两种光频梳方法实现难度更大。

通过分析，上述五种类型的光生毫米波技术各有优势和不足，如何充分发挥优势，降低成本，用最简单的手段生成高质量的毫米波是目前研究的关键问题。通过比较分析，本书发现双波长激光器直接调制法容易获得高频毫米波，但不容易获得可调谐的毫米波；光学外差法容易生成毫米波，但要生成低相位噪声的毫米波需要光注入锁定或者光学锁相环等结构；外调制器法易生成高倍频毫米波信号，但是如果要生成可调谐毫米波就必须有一个可调谐的光滤波器，对滤波器性能要求苛刻；四波混频法基于光学器件的非线性效应很容易获得高频毫米波，但需要大功率泵浦光源，且两路光波要相位匹配；光学频率梳法最容易获得稳定性高且相位噪声小的高频毫米波乃至太赫兹波，是目前最具研究价值的一种低相噪毫米波技术。伴随EOM制造工艺的发展，基于 EOM-OFC 的毫米波生成技术实现难度和成本也在逐年递减。同时，QDMLL成为生成低相位噪声毫米波技术的一个研究新热点。综上所述，基于EOM-OFC和基于QDML-OFC的毫米波生成技术是本书的主要研究内容，将在后面的章节对该技术进行重点分析介绍。

毫米波产生技术的研究重点正向着低成本、高性能、远距离、高频率的方向发展，简化系统结构并降低成本而获得高性能的高频毫米波信号是未来无线接入技术发展的必然趋势，也是研究毫米波产生技术的主要目标。目前，光生毫米波技术要解决的关键问题之一是如何利用简单的光学方法低成本地产生高性能的毫米波。相位噪声是反映无线通信载波频率稳定性和谱宽的重要参数，相位噪声越大，传输的误码率就越高，因此在光生毫米波技术研究中，我们重点研究低相位噪声光生毫米波技术。

基于上述分析，本书的研究主要集中在基于光频梳的低相位噪声光生毫米波方面。在开展相应理论的基础上，提出了几个具备突出创新点的光生毫米波方案，结合实验验证获得了较理想的研究成果。