基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术进展（特邀）

王彬; 张扬腾; 朱薪霖; 朱睿; 洪旭; 张伟锋

doi:10.3788/gzxb20265503.0355102

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基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术进展（特邀）

“微波光子学”专题 | 更新时间：2026-04-21

- 基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术进展（特邀）
- Advances in Broadband Arbitrary Waveform Optical Synthesis Based on Mode-locked Optoelectronic Oscillators （Invited）
- 光子学报 2026年55卷第3期页码：32-53
- 作者机构：
  
  1.北京理工大学信息与电子学院，北京 100081
  2.北京理工大学重庆创新中心，重庆 401120
- 作者简介：
  
  王彬，bin_wang@bit.edu.cn
  张伟锋，weifeng.zhang@bit.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(U22A2018;62571040)
- DOI：10.3788/gzxb20265503.0355102
  中图分类号： TN29;TN25
- CSTR：32255.14.gzxb20265503.0355102
- 收稿：2025-12-16，
  
  修回：2026-01-26，
  
  录用：2026-01-27，
  
  纸质出版：2026-03-25
- 稿件说明：
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王彬，张扬腾，朱薪霖，等. 基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术进展（特邀）［J］.光子学报，2026，55（3）：0355102

WANG Bin， ZHANG Yangteng， ZHU Xinlin， et al. Advances in Broadband Arbitrary Waveform Optical Synthesis Based on Mode-locked Optoelectronic Oscillators （Invited）［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355102
王彬，张扬腾，朱薪霖，等. 基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术进展（特邀）［J］.光子学报，2026，55（3）：0355102 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355102. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355102.

WANG Bin， ZHANG Yangteng， ZHU Xinlin， et al. Advances in Broadband Arbitrary Waveform Optical Synthesis Based on Mode-locked Optoelectronic Oscillators （Invited）［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355102 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355102. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355102.

摘要

宽带任意波形作为现代电子系统的核心信息载体，其波形质量直接决定了系统在探测精度、抗干扰能力、频谱效率、数据传输速率等方面的关键性能指标。然而，传统电子学生成方法受限于“电子瓶颈”，在信号带宽、调谐灵活性等方面面临严峻挑战。微波光子信号产生技术以其大带宽、低相噪和灵活的信号重构能力，为突破上述局限提供了新的技术路径。在微波信号光学合成架构中，光电振荡器作为产生高纯度微波信号的核心方案之一，受到广泛关注。在此基础上发展出的锁模光电振荡器，进一步拓展了生成信号的带宽与调制格式，为宽带任意波形的光学合成奠定了关键技术基础。本文系统性地介绍了基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术。首先，深入阐述了傅里叶域锁模、宽带注入锁定与主动锁模三类典型锁模光电振荡器的工作原理。在此基础上，全面梳理并对比了本课题组及相关团队在该领域的代表性成果，进而探讨了该技术在高分辨率雷达、通感一体化、激光雷达成像等领域的应用潜力，最后对该技术存在的关键挑战与潜在研究方向进行了总结与展望。

Abstract

The ability to generate dynamically reconfigurable broadband arbitrary waveforms is of paramount importance for advanced radar imaging， next-generation wireless communications， integrated sensing and communication， and electronic warfare systems. These applications demand waveforms with large time-bandwidth products， complex modulation， and low phase noise to ensure high resolution， superior data throughput， and robust anti-jamming resilience. However， traditional electronic approaches are fundamentally constrained by the electronic bottleneck， which severely restricts instantaneous bandwidth， tuning agility and power efficiency， particularly at high frequencies. In this context， microwave photonics has emerged as a transformative paradigm by leveraging the intrinsic advantages of photonic technologies， including ultra-wide bandwidth， low transmission loss， and immunity to electromagnetic interference. In this field， opto-electronic oscillators are well known for generating microwave signals with ultra-high spectral purity， which is enabled by high-quality-factor resonators formed using long optical fiber delay lines. However， the inherently single-frequency nature of conventional opto-electronic oscillators renders them ill-suited for complex and wideband waveform synthesis.

The incorporation of mode-locking mechanism into opto-electronic oscillator architectures has given rise to mode-locked opto-electronic oscillators， representing a major breakthrough that enables the coherent synthesis of broadband waveforms while maintaining low phase noise. This review systematically presents three representative mode-locked opto-electronic oscillator architectures： the Fourier-domain mode-locked opto-electronic oscillator， the wideband injection-locked opto-electronic oscillator， and the active mode-locked opto-electronic oscillator. The Fourier-domain mode-locked opto-electronic oscillator employs a high-speed tunable filter that is periodically scanned in synchronization with the cavity round-trip time， thereby creating a dynamic spectral storage mechanism that enables the sequential amplification of distinct frequency components. Initially demonstrated for the generation of wideband linear frequency-modulated waveforms， the Fourier-domain mode-locked opto-electronic oscillator has since evolved to produce dual-chirp signals， phase-coded linear frequency-modulated waveforms， and fully programmable arbitrary waveforms through precise control of the filter scanning trajectory. In contrast to the Fourier-domain mode-locked opto-electronic oscillator， the wideband injection-locked opto-electronic oscillator introduces an external broadband seed signal， typically generated by an arbitrary waveform generator， into a free-running opto-electronic oscillator cavity. The high-quality-factor resonator functions as a spectral purifier， substantially reducing phase noise and enhancing the signal-to-noise ratio while faithfully replicating the modulation profile of the injected seed signal. Alternately， the active mode-locked opto-electronic oscillator employs periodic gain modulation at a frequency matched to the cavity free spectral range or its harmonics， thereby actively phase-locking multiple longitudinal modes to form a coherent microwave frequency comb that manifests as a pulse train in the time domain. The active mode-locked opto-electronic oscillator facilitates precise repetition-rate control and has evolved to support tunable dual-band operation， multidimensional pulse coding （time， phase， and amplitude）， and fully programmable architectures for seamless switching between diverse waveform formats.

This review provides a comprehensive analysis of the operating principles and system architectures for each approach， alongside a comparative evaluation of critical metrics such as bandwidth， phase noise， and time-bandwidth product. The wideband arbitrary waveforms generated by mode-locked opto-electronic oscillators hold great potentials for various applications. In high-resolution radar and imaging， these waveforms provide the bandwidth necessary to achieve millimeter-scale spatial resolution while ensuring robust resilience against electronic interference. In integrated sensing and communication systems， the wideband microwave signals leverage a unified hardware platform to support high-throughput communications alongside high-resolution sensing， effectively eliminating the trade-offs between data rate and detection accuracy. Furthermore， in advanced LiDAR systems， such waveforms support high-fidelity 4D imaging， capturing 3D structural details and instantaneous Doppler velocity with millimeter-level accuracy.

Future research is expected to advance along several key frontiers multi-material hybrid integration using materials such as InP， Si

， and LiNbO

to realize compact， stable， chip-scale devices； extension of high-frequency and ultra-wideband operation into the millimeter-wave and terahertz regimes； and the realization of software-defined， intelligent reconfiguration enabled by artificial intelligence for cognitive waveform adaptation. In summary， mode-locked opto-electronic oscillators constitute a versatile and powerful photonic platform that effectively overcomes the electronic bottleneck. They est

ablish a robust foundation for the generation of wideband software-defined microwave waveforms， which are essential for advancing next-generation radar， communication， and sensing systems.

关键词

Keywords

references

LONG T ， LIANG Z ， LIU Q . Advanced technology of high-resolution radar： target detection， tracking， imaging， and recognition ［J］. Science China Information Sciences ， 2019 ， 62 （ 4 ）： 40301 .

BELLALTA B ， BONONI L ， BRUNO R ， et al . Next generation IEEE 802.11 wireless local area networks： current status， future directions and open challenges ［J］. Computer Communications ， 2016 ， 75 ： 1 - 25 .

SPEZIO A E . Electronic warfare systems ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2002 ， 50 （ 3 ）： 633 - 644 .

KODHELI O ， LAGUNAS E ， MATURO N ， et al . Satellite communications in the new space era： a survey and future challenges ［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials ， 2020 ， 23 （ 1 ）： 70 - 109 .

O'SULLIVAN C K ， GUILBAULT G G . Commercial quartz crystal microbalances-theory and applications ［J］. Biosensors and bioelectronics ， 1999 ， 14 （ 8-9 ）： 663 - 670 .

PLOURDE J K ， REN C L . Application of dielectric resonators in microwave components ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 1981 ， 29 （ 8 ）： 754 - 770 .

XIE Z ， ZHENG X ， LI S ， et al . An injection-locked OEO based frequency doubler independent of electrical doubler phase noise deteriorating rule ［J］. Optics Communications ， 2018 ， 416 ： 202 - 206 .

YAO J . Microwave photonics ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2009 ， 27 （ 3 ）： 314 - 335 .

CAPMANY J ， MORA J ， GASULLA I ， et al . Microwave photonic signal processing ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2012 ， 31 （ 4 ）： 571 - 586 .

MARPAUNG D ， ROELOFFZEN C ， HEIDEMAN R ， et al . Integrated microwave photonics ［J］. Laser & Photonics Reviews ， 2013 ， 7 （ 4 ）： 506 - 538 .

PÉREZ D ， GASULLA I ， CAPMANY J . Toward programmable microwave photonics processors ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2017 ， 36 （ 2 ）： 519 - 532 .

COLDREN L A . Photonic integrated circuits for microwave photonics ［C］. 2010 IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics . IEEE ， 2010 ： 1 - 4 .

SERAFINO G ， SCOTTI F ， LEMBO L ， et al . Toward a new generation of radar systems based on microwave photonic technologies ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2019 ， 37 （ 2 ）： 643 - 650 .

MORTON P A ， MORTON M J . High-power， ultra-low noise hybrid lasers for microwave photonics and optical sensing ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2018 ， 36 （ 21 ）： 5048 - 5057 .

WU J ， PENG J ， LIU B ， et al . Passive silicon photonic devices for microwave photonic signal processing ［J］. Optics Communications ， 2016 ， 373 ： 44 - 52 .

PANDA S S S ， PANIGRAHI T ， PARNE S R ， et al . Recent advances and future directions of microwave photonic radars： a review ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2021 ， 21 （ 19 ）： 21144 - 21158 .

MCKINNEY J D ， SEO D ， LEAIRD D E ， et al . Photonically assisted generation of arbitrary millimeter-wave and microwave electromagnetic waveforms via direct space-to-time optical pulse shaping ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2003 ， 21 （ 12 ）： 3020 .

ZEITOUNY A ， STEPANOV S ， LEVINSON O ， et al . Optical generation of linearly chirped microwave pulses using fiber Bragg gratings ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2005 ， 17 （ 3 ）： 660 - 662 .

CHI H ， ZENG F ， YAO J . Photonic generation of microwave signals based on pulse shaping ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2007 ， 19 （ 9 ）： 668 - 670 .

WANG C ， YAO J . Large time-bandwidth product microwave arbitrary waveform generation using a spatially discrete chirped fiber Bragg grating ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2010 ， 28 （ 11 ）： 1652 - 1660 .

GAO H ， LEI C ， CHEN M ， et al . A simple photonic generation of linearly chirped microwave pulse with large time-bandwidth product and high compression ratio ［J］. Optics Express ， 2013 ， 21 （ 20 ）： 23107 - 23115 .

MALEKI L . The optoelectronic oscillator ［J］. Nature Photonics ， 2011 ， 5 （ 12 ）： 728 - 730 .

HAO T ， LIU Y ， TANG J ， et al . Recent advances in optoelectronic oscillators ［J］. Advanced Photonics ， 2020 ， 2 （ 4 ）： 044001 .

LI M ， HAO T ， LI W ， et al . Tutorial on optoelectronic oscillators ［J］. APL Photonics ， 2021 ， 6 （ 6 ）： 061101 .

CHEMBO Y K ， BRUNNER D ， JACQUOT M ， et al . Optoelectronic oscillators with time-delayed feedback ［J］. Reviews of Modern Physics ， 2019 ， 91 （ 3 ）： 035006 .

YANG J . An optical domain combined dual-loop optoelectronic oscillator ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2007 ， 19 （ 11 ）： 807 - 809 .

YAO X S ， DAVIS L ， MALEKI L . Coupled optoelectronic oscillators for generating both RF signal and optical pulses ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2002 ， 18 （ 1 ）： 73 - 78 .

HASANUZZAMAN G K M ， IEZEKIEL S ， KANNO A . W-band optoelectronic oscillator ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2020 ， 32 （ 13 ）： 771 - 774 .

LIU Y ， HAO T ， LI W ， et al . Observation of parity-time symmetry in microwave photonics ［J］. Light： Science & Applications ， 2018 ， 7 （ 1 ）： 38 .

ZHANG J ， LI L ， WANG G ， et al . Parity-time symmetry in wavelength space within a single spatial resonator ［J］. Nature Communications ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 3217 .

HAO T ， CEN Q ， DAI Y ， et al . Breaking the limitation of mode building time in an optoelectronic oscillator ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 1839 .

LIU M ， LIU S ， ZHU N ， et al . Low phase noise wideband LFM signal generation by injection-locking an optoelectronic oscillator ［C］. Optoelectronics and Communications Conference， Optica Publishing Group ， 2021 ： JS3D. 5 .

YANG B ， ZHAO H ， CAO Z ， et al . Active mode-locking optoelectronic oscillator ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 22 ）： 33220 - 33227 .

HAO T ， TANG J ， LI W ， et al . Tunable Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator using stimulated Brillouin scattering ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2018 ， 30 （ 21 ）： 1842 - 1845 .

ZHU R ， XU M ， LIU Q ， et al . Photonic generation of flexible ultra-wide linearly-chirped microwave waveforms ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 26 ）： 43731 - 43744 .

HAO T ， TANG J ， SHI N ， et al . Dual-chirp Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator ［J］. Optics Letters ， 2019 ， 44 （ 8 ）： 1912 - 1915 .

LIU R ， WANG A ， DU P ， et al . Simultaneous generation of ultra-wideband LFM and phase-coded LFM microwave waveforms based on an improved frequency-sweeping OEO ［J］. Optics Communications ， 2020 ， 459 ： 124938 .

CHEN Y ， ZUO P ， SHI T . Optoelectronic oscillator for arbitrary microwave waveform generation ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2021 ， 39 （ 19 ）： 6033 - 6044 .

HONG X ， CHENG Y ， WANG B ， et al . On-chip photonic generation of tunable wideband phase-coded linearly-chirped microwave waveforms ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2023 ， 41 （ 19 ）： 6199 - 6207 .

HONG X ， YU Z ， YU W ， WANG B ， et al . Independently tunable dual-band linearly-chirped microwave waveforms generation on a silicon photonic chip ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2024 ， 42 （ 16 ）， 5476 - 5484 .

LIU M ， LIU S ， YANG L ， et al . Improving the quality of arbitrary periodic waveform via injection-locking of an optoelectronic oscillator ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2024 ， 72 （ 11 ）： 6678 - 6685 .

ZHANG W ， LIU Y ， WANG B . Low-phase-noise ultra-wide arbitrary waveforms generation using a wideband injection-locked optoelectronic oscillator ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2024 ， 42 （ 21 ）： 7693 - 7702 .

ZENG Z ， ZHANG L ， ZHANG Y ， et al . Microwave pulse generation via employing an electric signal modulator to achieve time-domain mode locking in an optoelectronic oscillator ［J］. Optics Letters ， 2021 ， 46 （ 9 ）： 2107 - 2110 .

WU Y ， ZENG Z ， ZHANG L ， et al . Modeling an actively mode-locked optoelectronic oscillator based on electric amplitude modulation ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 15 ）： 23835 - 23846 .

WO J ， ZHANG J ， WANG Y . Actively mode-locked optoelectronic oscillator for microwave pulse generation ［J］. Optics & Laser Technology ， 2022 ， 146 ： 107563 .

LIN C ， WANG Y ， WANG A ， et al . Active mode lock optoelectronic oscillator based on the simulated Brillouin scattering effect ［J］. Applied Optics ， 2022 ， 61 （ 24 ）： 7071 - 7077 .

YANG B ， YU J ， CHI H ， et al . Polarization multiplexed active mode-locking optoelectronic oscillator for frequency tunable dual-band microwave pulse signals generation ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 15 ）： 27132 - 27139 .

LIU P ， SHI S ， LU M ， et al . Tunable microwave frequency comb generation using a Si 3 N 4 -MDR based actively mode-locked OEO ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 14 ）： 25380 - 25389 .

WANG B ， LIU Y ， JIANG Y ， et al . Frequency-tunable microwave pulse generation using a dual-drive active mode-locked optoelectronic oscillator ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2024 ， 42 （ 23 ）： 8221 - 8228 .

XU Z ， ZENG Z ， ZHANG L ， et al . Coherent microwave pulse train generation with encoded position and phase in actively mode-locked optoelectronic oscillator ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2025 ， 73 （ 12 ）： 8221 - 8228 .

WANG B ， TONG J ， YAN R ， et al . Programmable mode-locked optoelectronic oscillator for wideband arbitrary microwave waveforms generation ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2025 ， 73 （ 11 ）： 9381 - 9391 .

LI B ， WU R H ， WANG Z Y ， et al . Rational number harmonic mode-locked dual-loop optoelectronic oscillator with low supermode noise and low intermodulation distortions ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 17 ）： 30303 - 30311 .

ZHANG Y ， LI J ， MENG C ， et al . Actively mode-locked modulator-free optoelectronic oscillator for multi-functional microwave pulse generation ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2024 ， 42 （ 19 ）： 6760 - 6766 .

ZENG Z ， LIU Y ， XU Z ， et al . Position-definable coherent microwave pulse train generation in an actively mode-locked optoelectronic oscillator ［J］. Optics Letters ， 2025 ， 50 （ 3 ）： 718 - 721 .

DU C ， LIU S ， YANG L ， et al . Low-spurious multiformat microwave signal generation based on an actively mode-locked dual-loop optoelectronic oscillator ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2025 ， 73 （ 11 ）： 9361 - 9368 .

MA C ， WANG X ， DING Z ， et al . High-resolution microwave photonic sparse imaging radar ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2025 ， 73 （ 8 ）： 5316 - 5326 .

DONG B ， JIA J ， LI G ， et al . Demonstration of photonics-based flexible integration of sensing and communication with adaptive waveforms for a W-band fiber-wireless integrated network ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 22 ）： 40936 - 40950 .

TIAN J ， TONG J ， et al . High-precision 4D parallel LiDAR based on dual electro-optic combs and injection-locked OEO ［C］// 2025 International Topical Meeting on Microwave Photonics （MWP） .

TANG J ， HAO T ， LI W ， et al . Integrated optoelectronic oscillator ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 9 ）： 12257 - 12265 .

ZHANG G ， HAO T ， CEN Q ， et al . Hybrid-integrated wideband tunable optoelectronic oscillator ［J］. Optics Express ， 2023 ， 31 （ 10 ）： 16929 - 16938 .

LI M ， GUO L ， SUN D ， et al . Integrated coupled optoelectronic oscillator for ultra-low-noise and ultra-wideband tunable microwave generation ［J］. Photonics Research ， 2025 ， 13 （ 9 ）： 2618 - 2629 .

GE Z ， HAO T ， CAPMANY J ， et al . Broadband random optoelectronic oscillator ［J］. Nature Communications ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 5724 .

HAO T ， CEN Q ， GUAN S ， et al . Optoelectronic parametric oscillator ［J］. Light： Science & Applications ， 2020 ， 9 （ 1 ）： 102 .

LI M ， HAO T ， LI G ， et al . Time-variant parity-time symmetry in frequency-scanning systems ［J］. Nature Communications ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 8710 .

HAO T ， DING H ， LI W ， et al . Dissipative microwave photonic solitons in spontaneous frequency-hopping optoelectronic oscillators ［J］. Photonics research ， 2022 ， 10 （ 5 ）： 1280 - 1289 .

CEN Q ， DING H ， HAO T ， et al . Large-scale coherent Ising machine based on optoelectronic parametric oscillator ［J］. Light： Science & Applications ， 2022 ， 11 （ 1 ）： 333 .

HU Z ， REN Y ， MENG Y ， et al . Programmable optoelectronic Ising machine for optimization of real-world problems ［J］. Light： Science & Applications ， 2026 ， 15 （ 1 ）： 6 .

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