【光电子】宽带随机光电振荡器

光电振荡器（OEO）是一种微波信号源，它能够将光的能量转换到微波信号上，在光电混合的环腔中实现微波信号的振荡。由于在光电混合腔中使用了低损耗的光纤延迟线作为储能介质，光电振荡器产生的微波信号相较传统电学微波源具有更低的相位噪声。得益于光电子器件的大带宽特性，OEO可在大带宽范围内工作，可产生高频信号，并且结构简单，能够实现信号产生、接收、处理等多种功能。

       近年来针对光电振荡器的研究有了许多的进展，包括耦合OEO、多环路OEO、注入锁定OEO、傅里叶域锁模OEO、宇称时间对称OEO等等。从本质上讲，传统的OEO基于闭合的光电腔，其频率振荡范围非常有限，其中心是一组离散的腔模，振荡频率由固定的腔长来确定。传统光电振荡器的器件一旦确定后，其环路构成了闭合的谐振腔，环腔长度决定了环腔中能够从噪声起振的信号的频率。当腔内信号实现稳态振荡时，光电振荡器输出频率确定的微波信号。中国科学院半导体研究所李明研究员的团队构造了开放环腔的结构，利用随机分布反馈机制实现信号的反馈，产生超宽带的随机信号。该方案极大地拓展了光电振荡器在信号产生方面的能力，可在多种场景有所应用。

       由于在制造过程中生产工艺水平的限制，光纤中存在着大量且位置随机的折射率不均衡，存在折射率差异的位置会造成瑞利散射，其中后向瑞利散射光会被光纤重新捕获并与入射光信号方向相反继续传输。研究人员根据光纤中存在的这一散射现象，将OEO环腔的光纤一端开放，光信号经过光环形器进入光纤传输，光纤中的后向瑞利散射光会从光环行器返回到环腔结构中，从而完成信号的反馈。这些大量且位置随机分布的瑞利散射可认为其位置近似连续改变，不同位置的后向散射光经历了不同的延时。因此这些瑞利散射点可视作在光纤中嵌入的多个反射截面，与环路中其他器件共同构成了大量不同长度的环腔，当信号增益足够大时，不同频率都能找到相对应的谐振腔从而在开放的环腔中起振。同时，瑞利散射强度随时间随机改变，不同位置的散射强度也不相同，因此振荡信号的幅度是随机变化的，不同频率的功率变化也不相同。得益于前述特性，该光电振荡器能够产生宽带的随机信号，这与只能产生单频信号的传统光电振荡器有着极大的不同。研究人员在实验中产生了高达40 GHz的超宽带随机信号，并且信号的带宽和中心频率可调谐，仅需改变环腔中使用的滤波器带宽和中心频率即可实现调谐。

该宽带随机OEO利用了瑞利散射这一物理随机现象，产生的宽带随机信号具有良好的随机性，自相关结果接近δ函数且旁瓣微弱，其重构相空间分布与白噪声类似，这与非周期、伪随机的混沌信号截然不同。宽带随机光电振荡器可产生宽带随机信号的能力使得它能够广泛地应用于多种场景，例如噪声雷达、随机数产生、保密通信等领域。

      这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中国科学院大学博士研究生葛增亭，通讯作者是李明研究员。

      原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Broadband random optoelectronic oscillator Zengting Ge, Tengfei Hao, José Capmany, Wei Li, Ninghua Zhu, Ming Li  Nat. Commun., 2020, 11, 5724, DOI: 10.1038/s41467-020-19596-x