Light| 光电参量振荡器

撰稿 | 郝腾飞

近日，来自中国科学院半导体研究所李明研究员团队和北京邮电大学射频光子学团队合作在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文，他们利用微波光子谐振腔内的参量频率转换过程，提出并验证了一种新型参量振荡器，即光电参量振荡器（Optoelectronic parametric oscillator，简称OEPO），可实现相位调控的稳态振荡。

得益于OEPO谐振腔内参量频率转换过程带来的相位调控作用，OEPO克服了如光参量振荡器（Optical parametric oscillator，简称OPO）等传统延时振荡器中振荡模式严格受环腔延时限制的问题，可实现传统延时振荡器中难以建立的稳态多模振荡；此外，OEPO还可以实现完全与环腔延时无关的单模振荡。未来，该新型参量振荡器有望在微波光子信号产生、计算和射频信号稳相传输等领域发挥重要作用。

振荡器广泛应用于现代社会的各个角落，包括应用在人们常用的手表、手机中，以及各种科学实验中。参量振荡器属于一种基于非线性参量过程的振荡器，其中，OPO由于可以基于光域的非线性参量过程显著拓展激光器的发光频率，而备受科研人员的关注。

但是，OPO中的振荡需要严格的起振条件，因为稳态振荡不仅要满足相位匹配条件，还要满足振荡的模式条件。OPO内的稳态振荡本质上是受环腔延时控制的振荡，因为信号在OPO腔内传输一周后必须要相干叠加才能起振。这种受延时限制的振荡会影响OPO的输出频率，其频率调谐的最小单位必须为环腔延时的倒数。

另一方面，OPO的一个显著优势就是其宽带的频率连续调谐特性。虽然可以采用一些方法通过影响相位匹配条件来实现OPO频率的宽带连续调谐，但这些方法同时也改变了振荡器的环腔延时，OPO内起振的信号仍然受环腔延时的限制。

除光参量振荡器外，参量振荡器还可以基于变容二极管等电子器件在电域实现。在实际应用中，电域的参量过程可用于对弱信号进行放大，在雷达、射频望远镜和卫星通信等系统中有重要的应用价值。电参量振荡器内的参量过程和光域的参量过程没有本质区别。

另一方面，光电振荡器（Optoelectronic oscillator，简称OEO）是基于光电混合环路的另一种典型的微波光子振荡器。OEO借助高品质因数的光电混合反馈回路，可产生具有极低相位噪声特性的微波信号。然而，与OPO和电参量振荡器类似，OEO中的稳态振荡也是严格受环腔延时控制的振荡。同时，传统OEO腔内没有参量频率转换过程的参与，振荡信号的相位在腔内的演化是线性的。

在本工作中，研究人员提出并演示了一种基于光电混合谐振腔内参量频率转换过程的新型OEPO。得益于OEPO内参量频率转换过程带来的非线性相位演化， OEPO内的稳态振荡可认为是相位调控的振荡，具有不同于传统OPO和OEO的振荡特性。

图1所示为本工作提出的OEPO与传统的OPO和OEO的对比图。如前所述，与其他的延时振荡器类似，OPO和OEO内的稳态振荡受环腔延时的控制，稳态振荡的频率由谐振腔的谐振峰决定。在OPO和OEO中，两个相邻模式间的频率间隔为谐振腔的自由光谱范围（Free spectral range，简称FSR），每个模式是离散存在的。当进行频率调谐时，调谐步进也是离散的。同时，当多模振荡时，传统的OPO和OEO中存在模式竞争和跳模效应，因此它们难以得到稳态的多模振荡。

图 1 本研究提出的OEPO和传统OPO及OEO的对比图

在本工作提出的OEPO中，两个相邻模式间的最小频率间隔仅为传统谐振腔的FSR的一半。与传统的OPO和OEO不同，OEPO中的模式是以模式对的形式出现的。如图2所示，当经过非线性参量介质时，每对模式的频率会在本振的作用下互相转换，每对模式的频率和等于本振信号的频率，且每对模式的相位和与本振锁定，因此OEPO中参量频率转换过程引入了新的相位调控功能。在这种相位调控的作用下，OEPO可以支持稳态的多模振荡，从而产生复杂的波形。特别的，当一对模式内的两个模式的频率相等时，OEPO会工作在简并振荡状态。在此状态下，振荡的频率为本振频率的一半，可以完全与谐振腔的延时无关。

图 2 OEPO和传统OPO中的能量转换过程

通过采用不同带宽的滤波器，可以选择OEPO中不同的模式起振，从而使OEPO工作在多模或单模状态。如图3所示为OEPO中多模和单模振荡的频谱及从噪声开始的起振过程。OEPO的环腔延时对应的FSR为1 MHz。可以看出，当OEPO工作在多模状态时，模式会成对出现，且两个相邻模式间的频率间隔为FSR的一半。从起振过程可以看出，每对模式会同时出现，并以相同的幅度开始振荡。当OEPO腔内仅存在简并振荡时，其输出为单模的信号。

图 3 OEPO多模和单模振荡的频谱及起振过程

图 4 OEPO单模和多模振荡的调谐

在单模振荡的条件下，OEPO的振荡频率仅由参量频率转换过程中的本振频率决定，因此在这种情况下，可通过改变本振频率，实现与谐振腔延时无关的频率调谐。图4 a和b图所示为OEPO单模振荡的频率调节示意图。实验中的频率调谐步进为100 Hz，远低于1-MHz的FSR。此外，OEPO腔内的相位调控功能锁定了每对模式的相位和，非简并状态下单个模式的初相和幅度仍然可以通过改变OEPO谐振腔的参数，如腔的增益和本振信号的频率等，实现调谐。因此，OEPO可产生不同类型的多模振荡。如图4c和d所示为当调节谐振腔的参数时，OEPO产生的两种多模振荡的频谱图。

得益于参量频率转换过程引入的相位调控功能，OEPO内振荡信号的相位演化是非线性的，因此OEPO可实现传统如OPO和OEO等延时振荡器中难以建立的稳态多模振荡和完全与环腔延时无关的单模振荡。得益于其稳态多模输出特性，OEPO有望应用在现代雷达和通信系统等需要复杂微波波形的场合。此外，通过增加OEPO的谐振腔长度，其模式间隔可以低至几个kHz，因此OEPO可支持大量的多模同时振荡。这种特性在基于振荡器的计算等应用场合具有显著的优势。此外，在简并振荡的条件下，OEPO内的参量频率转换过程同时也是相位共轭运算，可自动消除环路抖动等因素带来的相位误差，因此OEPO还可以应用于射频信号的稳相传输。