TWI554819B - 光電式微波產生裝置及方法 - Google Patents

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TWI554819B
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黃勝廣
洪裕涵
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國立成功大學
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G—PHYSICS
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Description

光電式微波產生裝置及方法
本發明是關於一種光電式微波產生裝置及其方法，特別是一種利用雷射的週期一非線性動態以進行微波產生的裝置及其方法。
近年來，因為對於大量資料以及高畫質影像的傳送需求持續增加，使得通信容量的大幅提升愈形急迫。在目前以微波為載具的無線通訊系統中，其工作頻率大多分佈在6GHz以下。這樣的工作頻率限制了無線通訊頻寬的成長，使得無線通訊系統逐漸無法負荷日益增加的通信量。若能把工作頻率提高，無線通訊頻寬便能提升，無線通訊系統能提供的通訊量便能大幅增加。
為此，國際電信設備與營運商一方面將採用高工作頻率的微波訊號(例如，Samsung採用28GHz，Nokia採用70GHz)，作為下一世代無線通訊的無線載波，以提供較現行無線通訊多達100倍、甚至1000倍的頻寬，另一方面將採用一種結合無線通訊與光纖通訊兩者優點的下一世代無線通訊接取網路架構，不但提供大量通訊頻寬，也大幅延伸通訊觸角。相較現行架構，下一世代無線通訊接取網路架構中的無線基地台，將把80%以上的訊號處理功能，轉移集中至中央處理機房(或基頻處理機房)進行，這其中的關鍵功能包含(1)如何產生高 工作頻率的微波訊號、(2)如何將該微波訊號載入光波，以便經光纖傳送至無線基地台。相較於利用電子式微波產生裝置需要兩個不同步驟來完成上述的微波訊號產生與載入光波，光電式微波產生裝置只需要一個幾近全光學方式的步驟，即可在光波上直接產生高工作頻率的微波訊號，不但可以減少所需的昂貴電子元件與設備，還可以避免因為電子元件的頻寬限制，而導致無法產生高工作頻率的微波訊號。
目前常見用以產生高工作頻率微波訊號的光電式微波產生裝置與方法有下列三種：
(1)光外差法(optical heterodyning)
此法乃使用兩個頻率不相同的雷射，將輸出的兩道連續光波進行光學干涉即可，不需要任何的電子元件，乃一種全光學的方法。其所產生的微波訊號頻率不但可大範圍連續調整，還可高達到1到10THz的數量級。然而，由於兩個雷射間的光相位沒有任何關聯，導致光學干涉後所產生的微波訊號，不但頻率會小幅度地快速飄移(frequency jitter)，線寬也會變得很寬大，兩者都不利於實際的應用。所以，此光外差法必須搭配所謂的光鎖相迴路(optical phase-locked loop)技術，以解決前述的問題。但光鎖相迴路本身是一個非常複雜的電子電路系統設計，也需使用許多高工作頻率的電子元件，反而抵消了原本的優勢。
(2)光電振盪器(optoelectronic oscillator)
此法乃使用一個由光調制器、光纖延遲線、光檢測器、微波功率放大器、超窄帶通濾波器等所組成的光電迴路，並將一道雷射光送入其中，以產生高工作頻率的微波訊號，頻率雖可達75GHz，但連續可調整範圍很小。此法的優點在於所產生的高工作頻率微波訊號非常穩定且線寬很窄，而且無需電子微波訊 號產生器；然此法的缺點在於需要許多其他高工作頻率的電子與光電元件，而且其所產生的微波訊號頻率可調範圍極有限，因此系統無法因應需求變化而彈性調整。
(3)鎖模半導體雷射(mode-locked semiconductor laser)
此法乃利用鎖模半導體雷射的多縱模輸出，將這些縱模進行光學干涉即可，雖然整個系統架構相對簡單，但需要使用昂貴且複雜的鎖模半導體雷射，其所產生的微波訊號頻率只達50GHz，且無法進行調整。此法的優點在於所產生的高工作頻率微波訊號穩定且線寬窄，然缺點在於所產生的微波訊號頻率無法調整，因此系統無法因應需求變化而彈性調整。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的在提供一種利用半導體雷射的週期一非線性動態以產生微波訊號的裝置與方法。本發明之微波產生裝置，只需使用一典型、市面上可購得的半導體雷射作為主要元件，無需任何特殊或高速的半導體雷射，同時搭配一類光頻梳訊號產生模組，無需複雜的電子電路系統設計，亦無需使用高工作頻率的電子或光電元件，即可利用半導體雷射的週期一非線性動態以產生微波訊號。本發明之微波產生方法，乃將該類光頻梳訊號產生模組所產生的類光頻梳訊號注入至該半導體雷射，在適當的注入光頻率與功率下，可誘發出該半導體雷射的週期一非線性動態，致使該半導體雷射的輸出光波上產生一微波訊號。這個裝置與方法所產生的微波訊號，其頻率非常穩定且可大範圍連續調整，所以可因應不同無線通訊網路或是其他應用所需的不同微波頻率規格而彈性調整；再者，其線寬非常窄小、相位雜訊非 常低，因此有利於下一世代無線通訊採用高階調制格式來傳遞資料，以達通訊頻寬更進一步提升的需求。處於週期一非線性動態的該半導體雷射，其輸出光波可達幾近100%的光學調制深度，所以這個裝置所產生的微波訊號之功率非常高，有利於提升通訊網路的訊號檢測靈敏度、光纖傳輸距離及網路傳輸效能；此外，其輸出光譜呈現出具有一個調制邊帶功率遠高於另一個調制邊帶功率的單邊帶調制(single-sideband modulation)特徵，因此可以避免因光纖色散效應導致微波能量隨不同光纖傳送距離而產生劇烈變化與消逝(microwave power fading)。
基於上述目的，本發明係提供一種光電式微波產生裝置，包含：類光頻梳訊號產生模組，產生類光頻梳訊號；以及光電式微波產生模組，輸入該類光頻梳訊號，光電式微波產生模組包含微波產生雷射，其中類光頻梳訊號之功率及載波頻率係被調整至使得微波產生雷射工作於週期一非線性動態下，且類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住週期一非線性動態之一振盪邊帶，使得微波產生雷射輸出載有一線寬窄小且頻率穩定之微波訊號之第一光訊號。
較佳地，類光頻梳訊號產生模組包含：光注入雷射，產生連續波雷射光；光偏振控制器，接收連續波雷射光並調整偏振後輸出；微波參考訊號產生器，產生微波參考訊號；微波訊號放大器，連接微波參考訊號產生器，微波訊號放大器接收微波參考訊號並利用非線性關係，以產生微波諧和訊號，其中微波諧和訊號係為多階之梳形訊號；以及外部調制器，接收微波諧和訊號及光偏振控制器調整後之連續波雷射光，外部調制器將微波諧和訊號調制於連續波雷射光，以產生類光頻梳訊號，其中類光頻梳訊號為具有多階且相位相干性高之諧波。
較佳地，光電式微波產生模組更包含：光功率調整器，輸入類光頻梳訊號並調整類光頻梳訊號之功率；以及光偏振控制器，連接於光功率調整器，光偏振控制器接收光功率調整器輸出之類光頻梳訊號，再調整偏振後輸出至微波產生雷射。
較佳地，光功率調整器更包含主動光學元件或被動光學元件，主動光學元件係為光功率放大器，被動光學元件係為光功率衰減器。
較佳地，光電式微波產生模組更包含光路徑控制器設置於微波產生雷射之輸入端前，光路徑控制器單向引導類光頻梳訊號進入微波產生雷射，以及由微波產生雷射將第一光訊號單向引導至輸出。
較佳地，光路徑控制器係光循環器，且微波產生雷射係半導體雷射。
基於上述目的，本發明再提供一種光電式微波產生方法，包含下列步驟：利用類光頻梳訊號產生模組產生類光頻梳訊號；以及輸入類光頻梳訊號至具有微波產生雷射之光電式微波產生模組，其中類光頻梳訊號之功率及載波頻率係被調整至使得微波產生雷射工作於週期一非線性動態下，且類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住週期一非線性動態之一振盪邊帶，使得微波產生雷射輸出載有一線寬窄小且頻率穩定之微波訊號之第一光訊號。
較佳地，於利用類光頻梳訊號產生模組產生類光頻梳訊號中，包含下列步驟：利用光注入雷射以產生連續波雷射光；利用光偏振控制器以調整連續波雷射光之偏振後輸出；利用微波參考訊號產生器以產生微波參考訊號；將微波參考訊號輸入至微波訊號放大器，並利用微波訊號放大器之非線性關係，產生微波諧和訊號，其中微波諧和訊號係為多階之梳形訊號；以及輸入微 波諧和訊號及光偏振控制器調整後之連續波雷射光至外部調制器，使得外部調制器將微波諧和訊號調制於連續波雷射光，以產生類光頻梳訊號，其中類光頻梳訊號為具有多階且相位相干性高之諧波。
較佳地，於輸入類光頻梳訊號至光電式微波產生模組中，包含下列步驟：輸入類光頻梳訊號至光功率調整器以調整類光頻梳訊號之功率；以及輸入光功率調整器所輸出之類光頻梳訊號至光偏振控制器，以使得光偏振控制器調整類光頻梳訊號之偏振後輸出至微波產生雷射。
較佳地，於輸入類光頻梳訊號至光電式微波產生模組中，包含利用光路徑控制器單向引導類光頻梳訊號進入微波產生雷射，以及由微波產生雷射將第一光訊號單向引導至輸出。
因此，依據本發明之微波功率放大裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)本發明所產生的微波訊號，具有頻率穩定度高、頻率可大範圍連續調整的特性，所以可因應不同無線通訊網路或是其他應用所需的不同微波頻率規格而彈性調整。
(2)本發明所產生的微波訊號，具有窄線寬、低相位雜訊的特性，因此有利於無線通訊採用高階調制格式來傳遞資料以提升通訊頻寬，或是有利於採用微波相位或頻率以達所需功能的其他科技應用。
(3)本發明所產生的載有微波訊號之輸出光波，具有幾近100%光學調制深度的特性，因此在一固定光功率下，該輸出光波所承載的微波訊號之功率可達最大值，有利於提升通訊網路的訊號檢測靈敏度、光纖傳輸距離及網路傳輸效能，或是有利於需要大微波功率的其他科技應用。
(4)本發明所產生的載有微波訊號之輸出光波，具有一個調制邊帶功率遠高於另一個調制邊帶功率的單邊帶調制特徵，因此可以避免該輸出光波在光纖中傳輸時，因光纖色散效應導致微波能量隨不同光纖傳送距離而產生劇烈變化與消逝。
(5)本發明之微波產生裝置，只需使用一典型、市面上可購得的半導體雷射作為主要元件，無需任何特殊或高速的半導體雷射，同時搭配低工作頻率的電子式微波產生器、微波訊號放大器、外部調制器等元件組合而成的類光頻梳訊號產生模組，即可利用半導體雷射的週期一非線性動態以產生微波訊號，因此電子電路系統設計的複雜度低，無需使用高工作頻率的電子或光電元件，受電子或光電元件的頻寬限制影響小。
1‧‧‧光電式微波產生裝置
10‧‧‧類光頻梳訊號產生模組
101‧‧‧光注入雷射
102‧‧‧光偏振控制器
103‧‧‧微波參考訊號產生器
104‧‧‧微波訊號放大器
105‧‧‧外部調制器
20‧‧‧光電式微波產生模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧微波產生雷射
204‧‧‧光路徑控制器
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀
S10-S25‧‧‧步驟
第1圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之功能方塊圖。
第2圖係為根據本發明之光電式微波產生方法之第一實施例之第一流程圖。
第3圖係為根據本發明之光電式微波產生方法之第一實施例之第二流程圖。
第4圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光譜圖。
第5圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之類光頻梳訊號之光譜圖。
第6圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之光譜圖。
第7圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波頻譜圖。
第8圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後之相位雜訊圖。
第9圖係為微波參考訊號之頻率為4GHz時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊變異數與低頻諧和階數(N)之關係圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後，其相位雜訊變異數與低頻諧和階數(N)之關係圖。
第10圖係為微波參考訊號之頻率為4GHz時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波功率與邊帶/載波功率比值，其與低頻諧和階數(N)之關係圖。
第11圖係為類光頻梳訊號之低頻諧和階數(N)為10時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊變異數與微波參考訊號頻率之關係圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後，其相位雜訊變異數與微波參考訊號頻率之關係圖。
第12圖係為類光頻梳訊號之低頻諧和階數(N)為10時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之微波功率與邊帶/載波功率比值，其與微波參考訊號頻率之關係圖。
請參閱第1圖，第1圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之功能方塊圖。如第1圖所示，本發明之光電式微波產生裝置1包含類光頻梳訊號產生模組10及光電式微波產生模組20。其中，類光頻梳訊號產生模組10產生類光頻梳訊號(comb-like optical signal)，而光電式微波產生模組20輸入由類光頻梳訊號產生模組10所產生之類光頻梳訊號。其中，光電式微波產生模組20至少具有微波產生雷射203，且輸入光電式微波產生模組20之類光頻梳訊號之功率及載波頻率被調整至使得微波產生雷射203工作於週期一非線性動態(period-one nonlinear dynamics)下，以及此類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住週期一非線性動態之振盪邊帶，使得微波產生雷射203輸出載有一線寬窄小且頻率穩定之微波訊號之第一光訊號。
其中，請一併參閱第1圖及第4圖至第7圖，第4圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光譜圖，第5圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之類光頻梳訊號之光譜圖，第6圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之光譜圖，第7圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波頻譜圖。為使方便起見，以下之說明中，將採用ξ i 來表示注入光波相對於微波產生雷射203的強度(injection strength)，以及f i 來表示注入光波相對於微波產生雷射203的差頻(detuning frequency)。其中，微波產生雷射203可例如為半導體雷射。
當微波產生雷射203工作於週期一非線性動態下，其除了呈現與注入光波頻率相同的光訊號成份外，更會於注入光波頻率之二側頻率處，各出 現一個光訊號成份(中文稱之為振盪邊帶，英文稱之為oscillation sideband)，相鄰的兩光訊號成份之頻率間距皆相等，此頻率間距稱之為振盪頻率f 0 (oscillation frequency)；此外，由於雷射共振頻率紅移效應，低頻之振盪邊帶的光強度一般會遠大於高頻之振盪邊帶的光強度，並與注入光波頻率上的光訊號強度相近。由於振盪頻率f 0 的數值落於電磁頻譜中的微波頻段(0.3GHz到300GHz)內，因此將工作於週期一非線性動態下的微波產生雷射203之輸出光送入光檢測器後，即可產生一頻率等於振盪頻率f 0 的微波訊號；在微波產生雷射203一固定光輸出功率下，其所產生的微波訊號之功率大小，取決於低頻振盪邊帶及注入光波頻率成份之間的光強度差值，可用邊帶/載波比值(sideband-to-carrier ratio,SCR)作為量化指標。本發明之光電式微波產生裝置及方法乃利用這些光學特性以產生微波訊號。舉例而言，如第4圖所示，在ξ i =1.06與f i =30GHz的注入條件下，週期一非線性動態之光譜圖除了在光波差頻(offset frequency)為30GHz處具有一光訊號成份外，更於光波差頻為-10GHz及70GHz各具有一額外光訊號成份；於此情況中，週期一非線性動態之振盪頻率f 0 =40GHz，亦即可產生一40GHz的微波訊號。由於振盪頻率(即f 0 值)以及邊帶/載波比值(即SCR值)可經由改變注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 的方式分別加以調整，因此本發明之光電式微波產生裝置及方法，可依據實際應用的需求，選擇不同的注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 組合，以產生不同特徵(即f 0 與SCR)的週期一非線性動態，進而產生不同頻率或不同功率的微波訊號。
其中，如第5圖所示，於本發明之實施例中，類光頻梳訊號產生模組10所產生之類光頻梳訊號可例如為多階之光波諧和訊號(multiple-harmonic optical signal)，其中每一階之諧波之間具有高度相位相干性。此外，此多階且具 有高度相位相干性之諧波之強度可從一中心階位向兩側遞減，而呈現中間凸出的類光頻梳訊號。另外，此多階且具有高度相位相干性之諧波之階位間頻率小於微波產生雷射203之週期一非線性動態之振盪頻率f 0 。
舉例而言，類光頻梳訊號產生模組10可包含光注入雷射101、微波參考訊號產生器103、微波訊號放大器104及外部調制器105，以及可更包含光偏振控制器102。其中，光注入雷射101產生一連續波雷射光，且此光注入雷射101可例如為可調式雷射以因應實際需求而產生預定頻率及光強度之連續波雷射光。此外，光注入雷射101亦可例如更連接於光功率調整元件或內建有光功率調整元件(未繪示)，使得當光注入雷射101產生一連續波雷射光後，可例如藉由此光功率調整元件調整連續波雷射光之光強度後輸出。而光偏振控制器102接收此連續波雷射光並調整偏振後輸出。
此外，微波參考訊號產生器103產生具有一頻率為f m 之微波參考訊號，其中微波產生雷射203之週期一非線性動態之振盪頻率f 0 可例如為此微波參考訊號之頻率f m 的整數倍。例如，當振盪邊帶假設為40GHz時，則此微波參考訊號頻率可設定為4GHz，但本發明並不侷限於此，此頻率亦可設定為1、2、5、8、10GHz或其他可用於本發明之光電式微波產生裝置1中之頻率。而微波訊號放大器104連接微波參考訊號產生器103，其中微波訊號放大器104接收微波參考訊號，並利用非線性關係以產生微波諧和訊號(multiple-harmonic microwave signal)。其中，此微波諧和訊號可例如以微波參考訊號之頻率為基礎頻率(fundamental frequency)之多階之梳形訊號。舉例而言，當微波參考訊號產生器103產生微波參考訊號後，可使得此微波參考訊號進入操作在飽和區之微波訊號放 大器104，並利用微波訊號放大器104之非線性關係以產生梳形波(而非連續波)之多階之梳形訊號。
另外，於產生連續波雷射光及微波諧和訊號後，外部調制器105接收此連續波雷射光(或經光偏振控制器102調整偏振後輸出之連續波雷射光)以及微波諧和訊號，且外部調制器105將此微波諧和訊號調制於連續波雷射光，以產生前述之類光頻梳訊號，如第5圖所示。其中，在相距光載波頻率為微波參考訊號產生器103所產生之微波參考訊號之頻率之整數倍的兩側，將出現許多光諧波，此稱為一類光頻梳訊號。其中，外部調制器105可例如為相位調制器(phase modulator)。
除此之外，光電式微波產生模組20除了包含有微波產生雷射203以外，更可包含光功率調整器201及光偏振控制器202。其中，類光頻梳訊號產生模組10所產生之類光頻梳訊號係注入光功率調整器201，而光功率調整器201調整類光頻梳訊號之功率，進而改變注入光波強度ξ i 。此外，調整光注入雷射101產生之連續波雷射光的頻率，或調整微波產生雷射203產生之輸出光的頻率，皆可改變注入光波差頻f i 。不論是改變注入光波強度ξ i 或注入光波差頻f i ，均可改變週期一非線性動態之光譜上各頻率成分的頻率間距(即可改變各振盪邊帶之所在頻率，亦即可改變振盪頻率f 0 )以及光強度大小，使得微波產生雷射203產生具有不同特徵之週期一非線性動態。其中，光功率調整器201可例如包含主動光學元件及/或被動光學元件，來調整注入之類光頻梳訊號之光強度。其中，主動光學元件可例如為光功率放大器，而被動光學元件可例如為光功率衰減器。而若類光頻梳訊號本身之整體功率夠大時，則光功率調整器201即僅需一光功率衰減器即可達成調整光強度之目的。
另外，光偏振控制器202連接於光功率調整器201，並接收光功率調整器201所輸出之類光頻梳訊號，在調整偏振後輸出至微波產生雷射203，藉以使得注入於微波產生雷射203之類光頻梳訊號之光波偏振可與微波產生雷射203之光波偏振一致，以能更為有效地使得微波產生雷射203工作於週期一非線性動態下。
此外，光電式微波產生模組20亦可包含光路徑控制器204，其中光路徑控制器204設置於微波產生雷射203之輸入端前，且單向引導類光頻梳訊號進入微波產生雷射203以及由微波產生雷射203將第一光訊號單向引導之輸出。藉此，除了可有效導引注入之類光頻梳訊號之光波以外，亦可阻絕不必要之反饋光。其中，光路徑控制器204可例如為光循環器。而從光電式微波產生模組20所輸出之第一光訊號可利用光耦合器而一分為二，其中之一可輸入至光學頻譜分析儀301，另一則可透過光檢測器302而輸入至微波頻譜分析儀303，藉以利用光學頻譜分析儀301分析第一光訊號之光學頻譜以及利用微波頻譜分析儀303分析第一光訊號之微波頻譜。由分析可知，本發明之光電式微波產生裝置1所輸出之第一光訊號，在微波頻譜上呈現的微波訊號之線寬可小於1Hz，且於一特定時間內，在微波頻譜上呈現的微波訊號之頻率維持相同。例如，第一光訊號在微波頻譜上呈現的微波訊號之頻率可於至少30分鐘內維持相同。
舉例而言，如第6圖所示，在與第4圖相同之ξ i =1.06與f i =30GHz操作條件下，且在微波參考訊號之頻率f m =4GHz選擇下，將類光頻梳訊號注入至微波產生雷射203後，因類光頻梳訊號之光載波而使得微波產生雷射203工作於週期一非線性動態下。同時，由於類光頻梳訊號中第十階低頻諧波相同或接近於週期一非線性動態之低頻振盪邊帶的頻率，因此可使得類光頻梳訊號中之 第十階低頻諧波穩定相位鎖住週期一非線性動態之低頻振盪邊帶，而使得本發明之光電式微波產生裝置1可輸出載有一線寬小於1Hz且頻率穩定於40GHz之微波訊號之第一光訊號。如第7圖所示，此第一光訊號在微波頻譜上呈現的微波訊號之線寬小於1Hz、頻率穩定於40GHz；第7圖的橫軸座標(即微波差頻)，是以40GHz為參考原點(即微波差頻為0Hz處)來呈現。
為了說明本發明之光電式微波產生裝置1所輸出之微波訊號確實具有穩定性，發明人提供微波訊號之相位雜訊圖以茲參考。請參閱第8圖，第8圖係為根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後之相位雜訊圖。如第8圖所示，發明人提供根據本發明之光電式微波產生裝置1之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊圖，以及將來自微波訊號產生器103的微波參考訊號進行相位雜訊分析。由於本發明之光電式微波產生裝置1之第一實施例採用類光頻梳訊號中第十階低頻諧波來穩定相位鎖住週期一非線性動態之低頻振盪邊帶，使得微波參考頻率與光電式微波產生裝置1所輸出之微波訊號頻率相差十倍，理論上用來分析比較的微波參考訊號之相位雜訊應增加20[log10(N)]dB(N為諧和階數)。因此，若將第8圖中之微波參考訊號之相位雜訊按照20[log10(N)]dB增加，且N以10帶入，則其結果亦如第8圖所示。
此外，如同前面所述，週期一非線性動態的振盪頻率(即f 0 值)以及邊帶/載波比值(即SCR值)，可經由改變注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 的方式分別加以調整，以產生不同頻率或不同功率的微波訊號。因此，經由注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 的適當調整，可產生具有不同振盪頻率f 0 、但相同邊帶/載波比值的週期一非線性動態，進而產生具有不同頻率、相同功率之微波訊 號。利用此一特性，在同一頻率(即f m 值)的微波參考訊號下，藉由類光頻梳訊號中不同階數的低頻諧波相位鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶，可產生具有不同頻率、相同功率、線寬窄小之微波訊號；亦或者，在不同頻率的微波參考訊號下，藉由相同階數的低頻諧波鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶，亦可產生不同頻率、相同功率、線寬窄小的微波訊號。以下，將分別進一步說明此一特性。
舉例而言，若注入光訊號為頻率f m =4GHz之微波參考訊號所產生之類光頻梳訊號，在注入光波強度ξ i =0.95與注入光波差頻f i =3GHz的注入條件下，週期一非線性動態的振盪頻率f 0 =20GHz，可利用此類光頻梳訊號之第5階低頻諧波，以相位鎖住此週期一非線性動態之低頻振盪邊帶，即可產生頻率為20GHz、線寬小於1Hz的微波訊號。同理，調整注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 以分別產生振盪頻率f 0 =24、28、32、36、40GHz之不同的週期一非線性動態，可利用此類光頻梳訊號之第6階到第10階的低頻諧波，分別相位鎖住這些不同的週期一非線性動態之低頻振盪邊帶，即可分別產生頻率為24、28、32、36、40GHz的微波訊號，而且其線寬皆小於1Hz。
為分析上述舉例的數個微波訊號之品質，本發明將這些微波訊號與微波參考訊號的相位雜訊分別進行積分(積分範圍為100Hz到1MHz)，並將所得到之值稱為相位雜訊變異數(phase noise variance)。請參閱第9圖，第9圖係為微波參考訊號之頻率為4GHz時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊變異數與低頻諧和階數(N)之關係圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後，其相位雜訊變異數與低頻諧和階數(N)之關係圖，其中上方橫軸為對應的週期一非線性動態之振盪頻率f 0 (即其產生 的微波訊號之頻率)。如第9圖所示，與經20[log10(N)]dB調整後的微波參考訊號相比較，本發明之光電式微波產生裝置1所產生之不同頻率的微波訊號，皆具有一致性的高穩定度與低相位雜訊。此外，請參閱第10圖，第10圖係為微波參考訊號之頻率為4GHz時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波功率與邊帶/載波功率比值，其與低頻諧和階數(N)之關係圖，其中上方橫軸為對應的週期一非線性動態之振盪頻率f 0 (即其產生的微波訊號之頻率)。如第10圖所示，為使上述舉例的數個微波訊號之功率相同，可經由選擇適當的注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i ，不但分別產生振盪頻率f 0 =24、28、32、36、40GHz之不同的週期一非線性動態，亦可使其邊帶/載波比值(即SCR值)皆相同，進而分別產生具有不同頻率、相同功率之微波訊號。因此，這個舉例說明，在同一頻率的微波參考訊號下，利用類光頻梳訊號中不同階數的低頻諧波，以相位鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶，即可調整光電式微波產生裝置1所輸出之微波訊號之頻率，並且其功率可保持相同、線寬可保持小於1Hz、相位雜訊可保持低弱、頻率可保持高穩定度。
此外，再舉例而言，若固定採用類光頻梳訊號之第10階低頻諧波，在注入光波強度ξ i =0.78與注入光波差頻f i =4GHz的注入條件下，週期一非線性動態的振盪頻率f 0 =20GHz，可利用頻率f m =2GHz之微波參考訊號所產生之類光頻梳訊號，以相位鎖住此週期一非線性動態之低頻振盪邊帶，即可產生頻率為20GHz、線寬小於1Hz的微波訊號。同理，調整注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i 以分別產生振盪頻率f 0 =25、30、35、40GHz之不同的週期一非線性動態，可利用頻率f m =2.5、3、3.5、4GHz之微波參考訊號所產生之類光頻梳訊號的第10階低頻諧波，分別相位鎖住這些不同的週期一非線性動態之低頻 振盪邊帶，即可分別產生頻率為25、30、35、40GHz的微波訊號，而且其線寬皆小於1Hz。
為分析上述舉例的數個微波訊號之品質，本發明將這些微波訊號與微波參考訊號的相位雜訊分別進行積分(積分範圍為100Hz到1MHz)，並將所得到之值稱為相位雜訊變異數(phase noise variance)。請參閱第11圖，第11圖係為低頻諧和階數(N)為10時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號之相位雜訊變異數與微波參考頻率之關係圖，以及微波參考訊號經20[log10(N)]dB調整前後，其相位雜訊變異數與微波參考頻率之關係圖，其中上方橫軸為對應的週期一非線性動態之振盪頻率f 0 (即其產生的微波訊號之頻率)。如第11圖所示，與經20[log10(N)]dB調整後的微波參考訊號相比較，本發明之光電式微波產生裝置1所產生之不同頻率的微波訊號，皆具有一致性的高穩定度與低相位雜訊。此外，請參閱第12圖，第12圖係為低頻諧和階數(N)為10時，根據本發明之光電式微波產生裝置之第一實施例之微波功率與邊帶/載波功率比值，其與微波參考頻率之關係圖，其中上方橫軸為對應的週期一非線性動態之振盪頻率f 0 (即其產生的微波訊號之頻率)。如第12圖所示，為使上述舉例的數個微波訊號之功率相同，可經由選擇適當的注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i ，不但分別產生振盪頻率f 0 =25、30、35、40GHz之不同的週期一非線性動態，亦可使其邊帶/載波比值(即SCR值)皆相同，進而分別產生具有不同頻率、相同功率之微波訊號。因此，這個舉例說明，在採用同一階數之低頻諧波的條件下，利用不同頻率之微波參考訊號所產生之類光頻梳訊號，以相位鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶，即可調整光電式微波產生裝 置1所輸出之微波訊號之頻率，並且其功率可保持相同、線寬可保持小於1Hz、相位雜訊可保持低弱、頻率可保持高穩定度。
也就是說，本發明可藉由調整注入條件(即注入光波強度ξ i 與注入光波差頻f i )，以產生不同振盪頻率f 0 值、但相同SCR值的週期一非線性動態。同時，可在同一頻率的微波參考訊號下，藉由類光頻梳訊號中不同階數的低頻諧波，以相位鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶；亦可在不同頻率的微波參考訊號下，藉由類光頻梳訊號中同一階數的低頻諧波，以相位鎖住不同振盪頻率f 0 之週期一非線性動態的低頻振盪邊帶。因此，無論採用哪一種上述的相位鎖住方式，本發明之光電式微波產生裝置1皆可產生具有功率相同、線寬窄小、相位雜訊低、頻率穩定度高之頻率可調整的微波訊號。
另外，以上之敘述雖應亦已說明本發明之光電式微波產生方法，然為了更明確之說明，更於以下額外敘述。惟，本發明之光電式微波產生方法之細節亦可參照上述之說明。
請一併參閱第1圖至第5圖，其中第2圖係為根據本發明之光電式微波產生方法之第一實施例之第一流程圖，第3圖係為根據本發明之光電式微波產生方法之第一實施例之第二流程圖。如第1圖至第5圖所示，本發明之光電式微波產生方法首先係利用類光頻梳訊號產生模組10產生類光頻梳訊號(步驟S10)，接著再將類光頻梳訊號產生模組10所產生之類光頻梳訊號輸入至具有微波產生雷射203之光電式微波產生模組20，其中類光頻梳訊號之功率及載波頻率係被調整至使得微波產生雷射工作於週期一非線性動態下，且類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住週期一非線性動態之振盪邊帶，使得微波產生雷射203輸出 載有一線寬窄小(例如小於1Hz)且頻率穩定(例如於特定時間(例如30分鐘)內均實質固定於一特定頻率)之微波訊號之第一光訊號(步驟S24)。
其中，步驟S10可更包含：利用光注入雷射101以產生一連續波雷射光(步驟S11)；先利用微波參考訊號產生器103以產生微波參考訊號(步驟S13)，再將微波參考訊號產生器103所產生之微波參考訊號輸入至微波訊號放大器104，並利用微波訊號放大器104之非線性關係以產生微波諧和訊號(步驟S14)，其中微波諧和訊號係為多階之梳形訊號；以及輸入微波訊號放大器104所輸出之微波諧和訊號及光注入雷射101所產生之連續波雷射光至外部調制器105，使得外部調制器105將微波諧和訊號調制於連續波雷射光以產生類光頻梳訊號(步驟S15)，其中類光頻梳訊號具有多階且相位相干性高之諧波，並且此諧波之階位間頻率小於週期一非線性動態之振盪邊帶。此外，類光頻梳訊號之諧波之強度可從一中心階位向兩側遞減。其中，本發明之光電式微波產生方法於步驟S11及步驟S15之間，更可將光注入雷射101所產生之連續波雷射光輸入至光偏振控制器102，以利用光偏振控制器102調整連續波雷射光之偏振後輸出至外部調制器105(步驟S12)。
此外，本發明之光電式微波產生方法於步驟S10及步驟S24之間，更可先將類光頻梳訊號產生模組10所產生之類光頻梳訊號輸入至光功率調整器201以調整類光頻梳訊號之功率(步驟S21)，再將光功率調整器201輸出之類光頻梳訊號輸入至光偏振控制器202，以使得光偏振控制器202調整類光頻梳訊號之偏振後輸出至微波產生雷射203(步驟S22)。
另外，本發明之光電式微波產生方法於步驟S10及步驟S24之間，亦更可利用光路徑控制器204單向引導類光頻梳訊號進入微波產生雷射203(步驟 S23)；以及於步驟S24之後，再利用同一光路徑控制器204將第一光訊號由微波產生雷射203單向引導至輸出(步驟S25)。
根據上述，本發明之光電式微波產生裝置及方法係使用例如半導體雷射為微波產生雷射203。在不受任何外來干擾下，半導體雷射的輸出呈現出非常典型單一頻率的連續光波。若將光注入雷射101所產生的連續波雷射光，在適當的注入光波強度與注入光波差頻條件下，注入至例如為半導體雷射之微波產生雷射203，將誘發出微波產生雷射203的週期一非線性動態，因而呈現出截然不同的物理行為及性質。本發明之光電式微波產生裝置及方法，可產生具有線寬窄小(例如小於1Hz)、相位雜訊低、頻率穩定度高(例如於特定時間內均實質固定於一特定頻率)之頻率可調整的微波訊號。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧光電式微波產生裝置
10‧‧‧類光頻梳訊號產生模組
101‧‧‧光注入雷射
102‧‧‧光偏振控制器
103‧‧‧微波參考訊號產生器
104‧‧‧微波訊號放大器
105‧‧‧外部調制器
20‧‧‧光電式微波產生模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧微波產生雷射
204‧‧‧光路徑控制器
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀

Claims (10)

  1. 一種光電式微波產生裝置，包含：一類光頻梳訊號產生模組，產生一類光頻梳訊號；以及一光電式微波產生模組，輸入該類光頻梳訊號，該光電式微波產生模組包含一微波產生雷射，其中該類光頻梳訊號之一功率及一載波頻率係被調整至使得該微波產生雷射工作於一週期一非線性動態下，且該類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住該週期一非線性動態之一振盪邊帶，使得該微波產生雷射輸出載有一線寬窄小且頻率穩定之微波訊號之一第一光訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波產生裝置，其中該類光頻梳訊號產生模組包含：一光注入雷射，產生一連續波雷射光；一光偏振控制器，接收該連續波雷射光並調整偏振後輸出；一微波參考訊號產生器，產生一微波參考訊號；一微波訊號放大器，連接該微波參考訊號產生器，該微波訊號放大器接收該微波參考訊號並利用一非線性關係，以產生一微波諧和訊號，其中該微波諧和訊號係為一多階之梳形訊號；以及一外部調制器，接收該微波諧和訊號及該光偏振控制器調整後之該連續波雷射光，該外部調制器將該微波諧和訊號調制於該連續波雷射光，以產生該類光頻梳訊號，其中該類光頻梳訊號為具有一多階且相位相干性高之諧波。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波產生裝置，其中該光電式微波產生模組更包含：一光功率調整器，輸入該類光頻梳訊號並調整該類光頻梳訊號之該功率；以及一光偏振控制器，連接於該光功率調整器，該光偏振控制器接收該光功率調整器輸出之該類光頻梳訊號，再調整偏振後輸出至該微波產生雷射。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光電式微波產生裝置，其中該光功率調整器更包含一主動光學元件或是一被動光學元件，該主動光學元件係為一光功率放大器，該被動光學元件係為一光功率衰減器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波產生裝置，其中該光電式微波產生模組更包含一光路徑控制器設置於該微波產生雷射之一輸入端前，該光路徑控制器單向引導該類光頻梳訊號進入該微波產生雷射，以及由該微波產生雷射將該第一光訊號單向引導至輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光電式微波產生裝置，其中該光路徑控制器係一光循環器，且該微波產生雷射係一半導體雷射。
  7. 一種光電式微波產生方法，包含下列步驟：利用一類光頻梳訊號產生模組產生一類光頻梳訊號；以及輸入該類光頻梳訊號至具有一微波產生雷射之一光電式微波產生模組，其中該類光頻梳訊號之一功率及一載波頻率係被調整至使得該微波產生雷射工作於一週期一非線性動態下， 且該類光頻梳訊號之其中一階諧波相位鎖住該週期一非線性動態之一振盪邊帶，使得該微波產生雷射輸出載有一線寬窄小且頻率穩定之微波訊號之一第一光訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波產生方法，其中於利用該類光頻梳訊號產生模組產生該類光頻梳訊號中，包含下列步驟：利用一光注入雷射以產生一連續波雷射光；利用一光偏振控制器以調整該連續波雷射光之偏振後輸出；利用一微波參考訊號產生器以產生一微波參考訊號；將該微波參考訊號輸入至一微波訊號放大器，並利用該微波訊號放大器之一非線性關係，產生一微波諧和訊號，其中該微波諧和訊號係為一多階之梳形訊號；以及輸入該微波諧和訊號及該光偏振控制器調整後之該連續波雷射光至一外部調制器，使得該外部調制器將該微波諧和訊號調制於該連續波雷射光，以產生該類光頻梳訊號，其中該類光頻梳訊號為具有一多階且相位相干性高之諧波。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光電式微波產生方法，其中於輸入該類光頻梳訊號至該光電式微波產生模組中，包含下列步驟：輸入該類光頻梳訊號至一光功率調整器以調整該類光頻梳訊號之該功率；以及 輸入該光功率調整器輸出之該類光頻梳訊號至一光偏振控制器，以使得該光偏振控制器調整該類光頻梳訊號之偏振後輸出至該微波產生雷射。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波產生方法，其中於輸入該類光頻梳訊號至該光電式微波產生模組中，包含利用一光路徑控制器單向引導該類光頻梳訊號進入該微波產生雷射，以及由該微波產生雷射將該第一光訊號單向引導至輸出。
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