光学与电子学的桥梁（一）： 飞秒激光器与光学射频源

通过光学方法产生射频是微波光子学一个重要的研究方向。锁模超快激光器的脉冲重复频率 ( frep ) 严格由激光器的光学腔长决定：

frep = c/(2L)，L为光学腔长。

例如1m腔长的锁模激光器，其重复频率为150MHz。这个严格的数学等式为光学和微波电子学之间搭起桥梁，使得超快激光器通过光电转换可产生微波信号。而高重频（GHz）、高稳定性、低噪声的超快锁模激光器，为高品质射频信号产生提供新的途径，同时带来显著优势：

●  采用低位相噪声的超快锁模振荡器，可产生低噪声、低抖动的微波信号；

●  光信号可在光纤中以极低损耗传输可达数百米，可将微波信号灵活地传送至远端。

图1 低噪声光学射频发生器示意

在图1所示的光学射频源中，激光在本地分束后可由光学—射频转换器（Optical to RF converter）产生本振信号，而另一束（或多束）可由光纤低损耗地传输至远端，再转换成微波信号，实现了与本振严格同频的RF信号长距离传输。远端RF可作为探测信号，其回波在发射端与本振混合实现遥感遥测。

光学射频源可作为传统的RF合成器中的标准组件，利用光纤传输取代低效而昂贵的射频波导，且具备低位相噪声、超低时间抖动的特性。高稳定超快锁模激光器在自由运转时即具备优秀的噪声特性，进一步地，还可与参考频率基准进行锁定运转。

光学射频源所产生的微波频率为激光脉冲重复频率(frep)的谐波。激光脉冲的上升/下降沿非常快（< ps），其带宽已达THz范围，覆盖丰富的谐波级次，且较低级次的振幅分布较为均一。所产生微波频率的上限取决于光学-微波转换器（光电管）的带宽。商品化的器件可以较为容易的产生高达100GHz的信号。

由于激光脉冲严格以frep重复，产生的微波信号具备非常“干净”的分立结构，在10GHz中心频率偏移10kHz处，位相噪声可小于-130dBc/Hz，时域抖动可小于1fs（图2）。

图2 光学射频源频谱（激光器重频1GHz）

微波信号的噪声与稳定性直接继承至超快激光器，尤其是激光器的重复频率稳定性。

图3 Menhir-1550激光器相位噪声及脉冲时间抖动谱

本示例中所采用的Menhir-1550飞秒激光器在自由运转下的相位噪声及脉冲抖动谱入图3所示。即使在自由运转的状态，Menhir-1550也可提供优于稳频石英晶振的噪声性能，在10kHz - 10MHz谱段的时间抖动<1fs。

同时Menhir-1550采用先进的工业级设计，经过严苛的温度循环、震动测试、冲击测试，确保在恶劣环境中仍可保持高稳定低噪声输出。

光学射频源常用的Menhir-1550-1GHz（可提供250MHz ~ 2.5GHz ± 10kHz指定频率）可确保丰富的1G ~ 100GHz射频输出。同时Menhir-1550还支持与其他激光器、其他微波信号锁定。

参考文献：

1. M. Bahmanian, J. C. Scheytt, A 2-20-GHz Ultralow Phase Noise Signal Source Using a Microwave Oscillator Locked to a Mode-Locked Laser, Microwave, IEEE Trans. Microw. Theory Techn., (2020)

2. M.  Kalubovilage,  M.  Endo,  T.  R.  Schibli,  Ultra-low phase  noise  microwave  generation  with a  free-running monolithic femtosecond laser, Opt. Express 28, 25400 (2020)