华中科技大学毕晓君教授团队光电振荡器研究获新进展

近日，国际知名期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers（TCAS-I）在线刊发了我校集成电路学院毕晓君教授团队关于光电振荡器的最新研究成果“A Continuously-Tunable Optoelectronic Oscillator with Full Locking Range Utilizing Three Frequency Tuning Mechanisms”。毕晓君为论文唯一通讯作者，硕士生翁靖宇为论文第一作者，我校集成电路学院为论文第一完成单位。相关研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。

随着现代电子技术的发展，振荡器广泛应用于无线通信、航电控制、微波雷达等系统中。传统的电子振荡器随着工作频率的提高相位噪声不断恶化，而光电振荡器（OEO）可突破电子器件对产生信号质量的瓶颈约束，具有实现高频超低相位噪声的潜力，在产生高频谱纯度的微波信号有很好的应用前景。近年来，关于OEO的研究取得了巨大进展，但仍然存在着仿真方法复杂、稳定性差、集成度低等一系列问题。基于此，毕晓君团队在OEO的稳定链路架构和设计上提出了三种互补的频率调谐机制，有效解决了OEO跳模引起的失锁问题。

团队提出的具有三种频率调谐机制的OEO结构如下图所示。为了获得宽带调谐范围，OEO通过由激光器、相位调制器（PM）和相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）实现的MPF进行粗调谐；为了实现锁定，插入压控移相器实现精细连续微调；第三个频率调谐机制由正交混频器和直接数字合成器（DDS）来实现，用于提供额外的频移补足前两种调谐方式无法覆盖的频段，以增加锁相环的锁定范围。


具有三种频率调谐机制的OEO结构图


效果图分别为基于MPF和PLL的OEO锁定范围，以及加入校准环路后的锁定范围


受限于链路中器件的工作频率，整个系统在3-6 GHz的频率范围内进行实验验证。通过在环路中插入500m光纤，测得的单边带相位噪声在10kHz偏置处为-110 dBc/Hz。Allan偏差在1000s平均时间内从自由振荡情况下的1.7 ×10-8提高到锁定下的1.6 ×10-11，并实现了在整个工作频段内的频率锁定，相对锁定范围比传统OEO增加了11倍以上。


图为团队提出的OEO系统具体结构示意图，以及OEO实物测试图


图为锁定OEO、自由运行OEO和参考信号的重叠Allan方差实验测试结果


图为用500m单模光纤测量输出信号单边相位噪声测试结果

毕晓君主要从事高速光通信集成电路、毫米波集成电路、超高速封装设计方面的研究工作，入选国家级青年人才计划、承担国家重点研发计划课题2项、国家自然科学基金项目3项、业界龙头企业合作研究项目多项；突破多项硅基光通信集成电路、毫米波集成电路的性能瓶颈，包括：率先实现硅基130GBaud+硅基驱动放大器、跨阻放大器芯片、100G EPIC收发机芯片、4×25 GBaud高灵敏度跨阻放大器芯片、75-110 GHz高灵敏度成像接收机芯片等。以第一/通讯作者在国际一流期刊发表SCI论文20多篇，包括IEEE Trans论文20篇；获授权发明专利20多项，美国专利1项。任国家自然科学基金面上项目通讯评审，IEEE JSSC、T-CAS I、T-MTT等电路领域权威期刊审稿人，以及IEEE ICTA会议TPC及分会主席等。