1.2.2 光学外差法

光学外差法（光外差法）一般是指利用两个激光器输出两个不同波长的光波，然后利用光电探测器（Photo Detector，PD）对两个不同波长的光波拍频产生新频率信号而获得毫米波信号。例如，在1545nm波长附近间隔为0.16nm波长差，就对应20GHz频率间隔；对应16nm波长差，即为2THz（2024GHz）频率间隔。根据光学外差法的工作原理，只要两列光波混频，用光学外差法就可以产生毫米波甚至太赫兹波等高频电磁波信号，该方法的系统结构非常简单。然而，实际应用中能通过光学外差法产生的电磁波频率是受限制的，主要受限于 PD 的响应频率带宽。同时，因为两个光波来自两个独立的激光器，光波相位不相关，毫米波受相位噪声影响非常大。随着该项技术的不断发展，为增加两个光波之间的相位相干性，许多科研团队在光学外差法基础上加入光注入锁定（Optical Injection Locking，OIL）、光学锁相环（Optical Phase Locked Loop，OPLL）或者光电振荡器（Optoelectronic Oscillator，OEO）技术。

1997年，Zhencan F.等人提出基于OPLL技术采用两个外腔半导体激光器生成毫米波方案，生成毫米波载波抑制比大于30dB，毫米波在500MHz的频率范围内的相位偏移量小于 0.11°，半波带宽为 1MHz。该方案需要额外提供微波参考信号源，结构相对复杂。2006年，Howard R.Rideout等人提出一种利用OPLL 技术生成低相位噪声、高稳定性和频率可调谐的毫米波生成方案。该方案获得一个 11.2GHz 的毫米波信号，频率偏移为 100Hz 处的相位噪声为-64.7dBc/Hz。该系统结构较复杂，需要多个电滤波器和射频（Radio Frequency，RF）信号参考源。2011年，Y.F.Wu等人提出一种基于外腔注入锁相的双模法布里佩罗（F-P）激光器生成毫米波方案。该方案的仿真实验中利用两个连续波激光器，通过注入锁定方式形成外腔 F-P 激光器，然后利用 PD 拍频获得了170GHz的毫米波，实验系统如图1.7所示。Y.S Juan等人提出利用双光束注入分布式反馈激光器（Distributed FeedBack Laser，DFB）作为双波长激光器来生成可调谐毫米波信号的方案，方案原理如图 1.8 所示。该方案利用一个 1.4μm的单模 DFB 激光器作为被动激光器（Slave Laser，SL），两个可调谐激光器（Tunable Laser，TL）TL₁和TL₂作为光注入主动激光器，两个主动激光器输出的两路光波耦合后注入SL中，注入SL中的TL₁和TL₂光波根据不同的注入强度具有不同的调谐频率。从而实现TL₁和TL₂的输出光通过同时注入SL 后经过PD拍频能获得一个频率等于TL₁和TL₂光波间隔的毫米波。并且，通过改变TL₁与TL₂频率之间的间隔，可以生成一个频率持续可调谐的毫米波。外腔光注入半导体激光器通过改变两个光注入激光器的输出光波间的频率间隔获得可调谐的毫米波信号。然而，这类方法虽然可以生成频率可调谐的毫米波信号，但是频率调谐范围因为外腔激光器第一周期（Period-One，P1）的振荡空间有限而非常有限，最大只能到几十GHz。

图1.7 基于两个激光器注入锁定技术生成毫米波系统

图1.8 基于双波长激光器生成可调谐毫米波信号的方案原理

2013年，庄俊平等人提出并验证了基于光注入锁相环技术生成毫米波的技术方案，系统如图 1.9 所示。光注入锁相环首先使激光产生可调谐毫米波信号强度振荡。然后，用一个光学反馈环路来稳定毫米波频率的波动，同时引入第二反馈回路抑制由第一反馈回路引起的侧峰，从而实现宽调谐范围的毫米波信号，且不需要毫米波滤波器。实验获得了一个45.424GHz的毫米波信号，且线宽小于50kHz。

图1.9 基于光注入锁相环技术生成毫米波系统

光学外差法生成毫米波技术比较容易生成高频毫米波，但是这种方法因为要解决两个光波同步的问题，需要通过增加光注入锁相环技术或者光学锁相环技术来实现，系统需要增加各种滤波器和射频参考信号，增加了系统结构的复杂度，实现成本也大幅提高。