基于啁啾相移FBG的頻率可調諧光電振蕩器

韓曉曉,徐恩明,王 斐,陳 誠

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210046)

基于啁啾相移FBG的頻率可調諧光電振蕩器

韓曉曉,徐恩明,王 斐,陳 誠

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210046)

為了擴大OEO(光電振蕩器)的頻率可調諧范圍,利用Matlab軟件仿真設計了一種基于Chirped PS-FBG(啁啾相移光纖光柵)的頻率可調諧OEO。對PS-FBG(相移光纖光柵)的反射譜和基于PS-FBG的頻率可調諧范圍進行了理論和仿真研究,分析了Chirped PS-FBG的反射譜和基于Chirped PS-FBG的頻率可調諧范圍。仿真結果表明,通過對可調諧激光源的波長調節可實現頻率可調,與PS-FBG相比,Chirped PS-FBG擴大了反射譜帶寬及OEO的頻率可調諧范圍。

光纖光柵;可調諧;啁啾相移;振蕩器

0 引 言

OEO(光電振蕩器)產生的微波信號具有低噪聲、寬帶寬和可調諧的特性,已廣泛應用于無線通信、雷達、光信號處理以及現代測量等領域[1]。為了實現OEO單模輸出與頻率可調諧,迄今已提出了多種結構的OEO[2-4]。文獻[2]提出了一種雙環路結構OEO,振蕩器起振的振蕩模式間隔由短光纖環路決定,相位噪聲則由長光纖環路決定。但該方案只是在相位噪聲性能和邊模抑制比之間做了一個權衡,并不能獲得有效的單模輸出。文獻[3]通過調節LCFBG(線性啁啾光纖光柵)的色散系數實現頻率可調諧,然而實際應用中很難實現大范圍的色散系數調節。為了克服這一難題,文獻[4]利用PS-FBG (相移光纖光柵)實現頻率可調諧。但PS-FBG的反射譜范圍較小,導致基于PS-FBG的OEO的頻率可調諧范圍較小。

本文提出了相位調制器與Chirped PS-FBG(啁啾相移光纖光柵)相結合的新型頻率可調諧OEO。 Chirped PS-FBG結合了啁啾光纖光柵和PS-FBG的特點,其反射譜不僅具有PS-FBG窄陷波的特點,還具有啁啾光纖光柵寬帶寬的優點,最后通過仿真成功實現了振蕩器的頻率大范圍可調諧。

1 理論模型

圖1所示為本文所提OEO結構圖。TLS(可調激光源)發出的光波入射到PM(相位調制器),PM輸出的信號經OC(光環行器)入射到Chirped PS-FBG,被其反射后的光波經PD(光電探測器)探測轉換成微波信號,微波信號經PA(微波放大器)放大后一部分反饋到PM進行相位調制,另一部分進入ESA(電頻譜分析儀),得到微波信號的頻譜圖。

圖1 OEO結構圖

圖1中PM和Chirped PS-FBG組成了等價的頻率可調諧MPF(微波光子濾波器),其結構圖如圖2所示。

圖2 MPF結構圖

假設VNA(網絡分析儀)中的微波信號為νecos(ωet),其中νe為加載于PM上的調制信號的振幅,ωe為調制信號的角頻率。對PM中的光波信號進行調制,在小信號條件下,PM輸出端的電場強度可表示為

式中,E0為輸入光電場單位振幅;ω0為光波角頻率;νπ為PM上的半波電壓;J0(β)和J1(β)分別為0階和一階貝塞爾函數;β=πνe/νπ為相位調制系數,當調制系數很小時,高階邊帶可以忽略不計。由式(1)可以看出,PM輸出的信號只包含光載波和位于載波兩邊的一階邊帶,若PD直接探測相位調制信號,則除直流信號再無其他微波信號。這是由于相位調制后的兩個一階邊帶與載波進行拍頻所產生的信號中,總存在一對頻率和振幅相等、相位相反的信號,且最終相互抵消。Chirped PS-FBG反射譜存在一個很窄的陷波,若光載波處在反射譜的通帶處,當其中某一個調制邊帶落在陷波位置時,那么此時只剩下另外一個邊帶,上下兩邊帶幅度平衡被打破,實現了相位信號到強度信號的轉換,經PD探測后將產生一個單通帶頻率響應,如圖3所示。單通帶MPF的中心頻率由Chirped PS-FBG的陷波所在處的波長與激光源的波長差所決定,因而通過調節激光源的波長,可實現OEO的頻率可調。

圖3 MPF的濾波原理圖

由傳輸矩陣法可知,啁啾光纖光柵的傳輸函數可以表示為

根據耦合模理論[5],可得第i段光纖光柵的傳輸矩陣Fi為

若在啁啾光纖光柵中引入φ相移量時,Chirped PS-FBG的傳輸函數可表示為則光波通過整個Chirped PS-FBG的傳輸函數可表示為

式中,RM為前向場的復振幅;SM為后向場復振幅; R0=R(L/2)=1、S0=S(L/2)=0為復振幅初始值。啁啾光纖光柵反射系數ρ(ω)=SM/RM,則光柵反射率r(ω)=|ρ(ω)|2,其中,ω為入射到啁啾光纖光柵的光波角頻率。

經Chirped PS-FBG反射后,相位調制信號實現了相位調制/強度調制的轉換,PD輸入信號的電場強度可表示為

式中,τ′=L′n0/c表示光波經PM到PD之間的時延,L′為PM到PD的纖長,n0為光纖折射率,c為真空中的光速。則PD輸出信號為

令啁啾系數為0 nm/cm,光柵長為22 cm,光纖有效折射率為1.446 7,折射率調制深度為1.28× 10―4,布拉格波長為1 550.14 nm,光柵中點處引入π相移量,PS-FBG的反射譜如圖4所示。從圖中可看出,當陷波位于反射譜中點1 550.14 nm時,光柵反射率為0,整個光柵反射譜的帶寬約為0.5 nm。

式中,s為PD響應系數。當β很小時,有J0(β)≈1,J1(β)≈β/2,則頻率響應函數可表示為

式中,[1―r(ω0―ωe)]2表示Chirped PS-FBG帶來的頻率響應,若環中增益大于損耗,當環路閉合時,OEO開始起振。環中的信號不斷循環相加,總信號可表示為

式中,Geff(ωe)=s G(1―r)πνe/(2νπ)表示開環增益;G為功率放大器的放大倍數;m為光波在閉環中的循環次數。

OEO開始振蕩后,開環增益近似等于1,則式(8)可簡化為

最終,微波信號的功率可以表示為

當相位時延ωeτ′為2π整數倍并且r(ω0―ωe)=0時,增益達到最大值,OEO即開始振蕩,通過調節光源波長可實現OEO的頻率可調諧。

2 參數分析及特性研究

圖4 PS-FBG的反射譜

取不同的光波長對振蕩器的可調諧性進行仿真,結果如圖5所示。從圖中可看出,信號頻率可調范圍為5～55 GHz。

圖5 基于PS-FBG的OEO頻譜圖

15 GHz處振蕩信號的邊模抑制比如圖6所示,信號邊模抑制比超過了30 d B。

圖6 基于PS-FBG的微波信號邊模抑制比

令啁啾系數為0.056 6 nm/cm,其他參數不變。此時,光柵變成Chirped PS-FBG,其反射譜如圖7所示。從圖中可看出,整個光柵反射譜帶寬擴大到了1.5 nm。

基于Chirped PS-FBG的OEO的頻譜圖如圖8所示,信號頻率可調諧范圍擴大到5～155 GHz。

15 GHz處振蕩信號的邊模抑制比如圖9所示,信號邊模抑制比達到40 dB。

以上仿真結果表明,與基于PS-FBG的OEO

相比,基于Chirped PS-FBG的OEO實現了更好的單模輸出并擴大了頻率可調諧范圍。

圖7 Chirped PS-FBG的反射譜

圖8 基于Chirped PS-FBG的OEO頻譜圖

圖9 基于Chirped PS-FBG的微波信號的邊模抑制比

3 結束語

本文仿真驗證了基于PS-FBG和Chirped PSFBG的OEO的單模輸出及頻率可調諧性。通過對比可知,Chirped PS-FBG在PS-FBG窄陷波的基礎上具有寬帶寬的優點,且擴大了OEO的頻率可調諧范圍,更好地實現了單模輸出,提高了系統性能。本文的研究對今后頻率可調諧OEO的應用有一定的理論指導意義。

[1]Zhang Jiejun,Gao Liang,Yao Jianping.Tunable optoelectronic oscillator incorporating a single passband microwave photonic filter[J].IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(4):326―329.

[2]Yao X S,Lute Maleki.Multi-loop microwave oscillator[J].IEEE Journal of Quant Electron,2000,36 (1):79―84.

[3]Li Wang,Yao J.An optically tunable optoelectronic oscillator[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(18):2640―2645.

[4]Li Wangzhe,Yao Jianping.A wideband frequency tunable optoelectronic oscillator incorporating a tunable microwave photonic filter based on phase modulation to intensity modulation conversion using a phase-shifted fiber bragg grating[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2012,60(6):1735―1742.

[5]Erdogan T.Fiber grating spectra[J].Journal of Lightwave Technology,1997,15(8):1277―1294.

A Frequency Tunable Optoelectronic Oscillator Based on A Chirped Phase-Shifted FBG

HAN Xiao-xiao,XU En-ming,WANG Fei,CHEN Cheng
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts&Telecommunications,Nanjing 210046,China)

To widen the frequency tunable range of the Optoelectronic Oscillator(OEO),a frequency tunable OEO based on a chirped Phase-Shifted(PS)is simulated and designed by the Matlab software.Firstly,the characteristics of the reflective spectrum of a common PS-FBG and the frequency tunable range of the OEO based on the common PS-FBG are theoretically and studied via simulation.Then,a method of transfer matrix is employed to analyze the reflective spectrum of the chirped PS-FBG and the tunable range of the OEO based on the chirped PS-FBG.The simulation results show that the tunability of frequency is achieved by tuning the wavelength of a tunable laser source.Compared with the common PS-FBG,the bandwidth of the chirped PS-FBG is increased so that the frequency tunable range of the optoelectronic oscillator is widened.

fiber Bragg grating;tunable;chirped phase-shifted;oscillator

TN713

A

1005-8788(2016)06-0046-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.013

2016-06-22

國家自然科學基金資助項目(61302026,61275067,61575034);教育部博士點基金資助項目(20123223120005)

韓曉曉(1990―),男,江蘇宿遷人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信與光波技術。