基于雙環(huán)混頻光電振蕩器的可調(diào)諧微波頻率梳產(chǎn)生?

麻艷娜 黃添添? 王文睿 宋開(kāi)臣

1)(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院,杭州 310027)

2)(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院,杭州 310027)

(2018年8月23日收到;2018年9月30日收到修改稿)

1 引 言

光載微波系統(tǒng)是一種將無(wú)線通信和光纖通信相結(jié)合的系統(tǒng),可以低成本地為移動(dòng)用戶提供更高容量、更大帶寬和更高機(jī)動(dòng)性的服務(wù).其中光生微波技術(shù)是光載微波系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1?4]之一.由于無(wú)線通信系統(tǒng)基本采用多頻率載波,采用單一光電系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)光生多頻率的微波載波無(wú)疑可以更高效、低成本地解決光載微波系統(tǒng)中的微波載波產(chǎn)生問(wèn)題,是光載微波系統(tǒng)較為理想的解決方案.

目前,國(guó)內(nèi)外均針對(duì)光生多載波技術(shù)展開(kāi)了研究,階躍恢復(fù)二極管[5?7]和光頻率梳[8?11]兩種方式均可產(chǎn)生光載微波頻率梳,但前者限制于電學(xué)帶寬且不易于調(diào)諧,后者需要通過(guò)外部調(diào)制光、鎖模激光器或增益開(kāi)關(guān)垂直腔表面激光器等復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光載微波頻率梳,而后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換.此外,通過(guò)半導(dǎo)體激光器的諧波頻率注入鎖定和光注入鎖定方式產(chǎn)生光載微波頻率梳也是常用的方法.Chan等[12]采用光電反饋和外部微波調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器諧波注入鎖定,得到頻率間隔328 MHz,帶寬3 GHz的微波頻率梳.Juan和Lin[13]通過(guò)外部光脈沖注入半導(dǎo)體激光器的方式實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生低噪聲、20 GHz帶寬的微波頻率梳信號(hào),其中一階單邊帶噪聲為?65 dBc/Hz@50 kHz.Li等[14]首先通過(guò)電流調(diào)制的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生頻率梳源,然后通過(guò)光注入方式提高微波頻率梳特性,產(chǎn)生60 GHz超寬帶可調(diào)諧微波頻率梳,其中一階單邊帶噪聲低于?93 dBc/Hz@10 kHz,各階單邊帶噪聲均低于?86 dBc/Hz@10 kHz.

本文提出了一種基于雙環(huán)混頻光電振蕩器(optoelectronic oscillator,OEO)的可調(diào)諧微波頻率梳產(chǎn)生方案.該方案在OEO的基礎(chǔ)上,采用兩個(gè)高階振蕩信號(hào)混頻取二者差頻,注入直調(diào)激光器形成光電諧振結(jié)構(gòu).系統(tǒng)利用直調(diào)激光器的開(kāi)關(guān)增益調(diào)制效應(yīng),產(chǎn)生光載微波頻率梳信號(hào)輸出.由于OEO系統(tǒng)產(chǎn)生的微波信號(hào)相位噪聲低[15,16],倍頻產(chǎn)生的光載微波頻率梳信號(hào)也具有很高的信噪比.更重要的是,通過(guò)調(diào)節(jié)高階倍頻微波濾波器的中心帶寬,可改變激光器調(diào)制頻率,最終實(shí)現(xiàn)微波頻率梳間隔的可調(diào)諧.實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了頻率間隔797.4 MHz的穩(wěn)定微波頻率梳信號(hào),信號(hào)相位噪聲均低于?100 dBc/Hz@10 kHz.

2 理論分析

基于雙環(huán)混頻OEO的可調(diào)諧微波頻率梳產(chǎn)生方案原理圖如圖1所示.實(shí)驗(yàn)中,OEO的光源來(lái)自于直調(diào)激光器DML.激光器經(jīng)過(guò)高功率微波信號(hào)調(diào)制后生成光生多載波信號(hào)源.該光信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)耦合器分束后,分為兩路分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、微波放大、濾波和再放大,選取不同頻率的倍頻微波信號(hào)f1和f2.兩路微波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器M和低通濾波器LPF后,取差頻?f.差頻信號(hào)?f經(jīng)過(guò)增益調(diào)節(jié)后重新注入直調(diào)激光器進(jìn)行反饋調(diào)制,形成光電諧振腔.通過(guò)增益調(diào)節(jié),工作于OEO系統(tǒng)中的直調(diào)激光器可產(chǎn)生低噪聲的光載頻率梳信號(hào).

圖1 光生微波頻率梳實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 . diagram of optical-borne microwave comb.

實(shí)驗(yàn)方案的核心在于激光器的開(kāi)關(guān)增益調(diào)制效應(yīng).相比于極化強(qiáng)度的衰減速率,半導(dǎo)體激光器的場(chǎng)衰減速率和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的衰減速率要小得多,因此其系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性可由場(chǎng)方程和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)方程表示為[17,18]

式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度,N為激光器載流子密度,ν為無(wú)外部擾動(dòng)情況下的激光器振蕩頻率,G(N)為增益函數(shù),γε為光子衰減速率,γN為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)衰減速率,J為抽運(yùn)電流.

若P(t)為激光器輸出光功率,ν0為激光器輸出光頻率,φ(t)為激光器光場(chǎng)相位,則激光器的輸出光脈沖的復(fù)振幅可以表述為

激光器的輸出頻率啁啾,即輸出光頻率與未被調(diào)制的光頻率的瞬時(shí)偏差為

當(dāng)直調(diào)激光器工作于延時(shí)光電反饋系統(tǒng)中時(shí),正弦調(diào)制信號(hào)與激光器直流偏置相疊加,實(shí)現(xiàn)增益開(kāi)關(guān),半導(dǎo)體激光器的注入電流表示為

式中Ibias為偏置電流;Im為調(diào)制電流幅值;fm為微波調(diào)制信號(hào)頻率.

因此反饋調(diào)制作用引起激光器的輸出光強(qiáng)度和光頻率改變,形成激光器的光電反饋混沌系統(tǒng),出現(xiàn)光生多載波.此時(shí)激光器產(chǎn)生的電場(chǎng)變?yōu)閇19]

式中E0為電場(chǎng)幅度;Te為光脈沖幅度在1/e處的脈沖寬度;α為等效調(diào)制系數(shù),與半導(dǎo)體激光器的線寬增強(qiáng)因子直接相關(guān),與直流光功率成正比,與調(diào)制微波調(diào)制信號(hào)頻率fm成反比.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用多級(jí)放大器結(jié)構(gòu),提高了環(huán)路增益,增加了激光器調(diào)制功率,使直調(diào)激光器始終被穩(wěn)定的大功率微波信號(hào)調(diào)制,引入明顯的啁啾效應(yīng).倍頻濾波器的使用也使光生倍頻載波信號(hào)的功率通過(guò)振蕩器得到增強(qiáng).

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

在OEO基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)采用了一個(gè)直調(diào)激光器DML、三個(gè)20 GHz帶寬高速光電探測(cè)器PD、多個(gè)微波放大器EA、一個(gè)帶通濾波器BPF(中心頻率4 GHz,帶寬30 MHz)、一個(gè)可調(diào)濾波器TBPF(中心頻率2—10 GHz可調(diào),帶寬50 MHz)、一個(gè)混頻器M和一個(gè)低通濾波器LPF(DC-2 GHz).另外,3個(gè)偏振控制器PC,兩個(gè)偏振分束器PBS和兩路單模光纖SMF構(gòu)成偏振雙環(huán)路結(jié)構(gòu),如圖2所示.

直調(diào)激光器DML經(jīng)過(guò)微波信號(hào)調(diào)制后的脈沖信號(hào)經(jīng)光電耦合器OC1分為兩路,一路先經(jīng)過(guò)偏振雙環(huán)路結(jié)構(gòu),然后由光耦合器OC2分為兩路分別通過(guò)PD1,EA1,BPF,EA2和PD2,EA3,TBPF,EA4進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、微波放大、濾波和再放大,選擇不同頻率的倍頻微波信號(hào).兩路微波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器M和低通濾波器LPF后,取差頻,經(jīng)過(guò)EA5進(jìn)行進(jìn)一步微波放大后反饋調(diào)制直調(diào)激光器,形成光電諧振腔.耦合器OC1的另一路經(jīng)過(guò)PD3和EA7實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和微波放大,輸出微波頻率梳信號(hào).其中,偏振控制器PC、偏振分束/合束器PBS和長(zhǎng)光纖SMF構(gòu)成的偏振雙環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效抑制起振時(shí)長(zhǎng)腔諧振引起的邊模,提高輸出信號(hào)信噪比[20,21].

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建圖Fig.2 .Setup of experimental system.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí),帶通濾波器BPF為中心頻率4 GHz的固定值濾波器,調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器TBPF的中心頻率至f1和f2的差頻信號(hào)fm滿足起振頻率條件:即直調(diào)激光器的調(diào)制信號(hào)fm是該OEO系統(tǒng)的基頻f0的倍頻信號(hào),BFP和TBPF兩路微波濾波器提取的微波信號(hào)f1和f2是激光器調(diào)制信號(hào)fm的倍頻信號(hào).由于直調(diào)激光器的非線性特性,在微波調(diào)制作用下,直調(diào)激光器的輸出可作為光生微波頻率梳的種源,經(jīng)過(guò)諧振腔反饋控制后,可提高載波的輸出特性,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的微波頻率梳信號(hào)輸出.

在偏振雙諧振腔結(jié)構(gòu)中,只有同時(shí)滿足雙諧振腔的頻率才能起振,因此可有效抑制邊模頻率.圖3即為可調(diào)濾波器濾波后的微波頻率f2輸出,從圖中可以看到經(jīng)過(guò)偏振雙環(huán)路調(diào)整后的微波輸出邊模抑制比提高為47 dB.

圖4為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)輸出的兩路微波信號(hào)譜,其中(a)和(b)顯示了通過(guò)帶通濾波器BPF的微波信號(hào)f1輸出,(c)和(d)顯示了通過(guò)可調(diào)濾波器TBPF的微波信號(hào)f2輸出.由相噪分析可知,由于OEO的低噪聲特性,倍頻微波濾波器選取的微波頻率也具有良好的相噪性能.

將信號(hào)f1和f2經(jīng)過(guò)混頻和低通濾波取差頻信號(hào),放大后重新反饋回到直調(diào)激光器進(jìn)行調(diào)制,增強(qiáng)激光器輸出的頻率梳性能.通過(guò)耦合器OC1、光電轉(zhuǎn)換器PD3和微波放大器EA7可輸出諧振腔內(nèi)光載波上的微波頻率梳信號(hào),如圖5可見(jiàn),頻率梳輸出信號(hào)間隔為797.4 MHz,一階相位噪聲達(dá)到?74.9 dBc/Hz@1 kHz,?101.7 dBc/Hz@10 kHz,?115.2 dBc/Hz@50 kHz.

圖3 偏振雙環(huán)路OEO調(diào)節(jié)結(jié)果 (a)調(diào)節(jié)前的f2電譜輸出;(b)調(diào)節(jié)后的f2電譜輸出Fig.3 . Adjusting results of polarized dual-loop OEO:(a)f2frequency-domain output before adjusting;(b)f2frequency-domain output after adjusting.

圖4 (a)f1微波信號(hào)輸出功率;(b)f1微波信號(hào)相位噪聲;(c)f2微波信號(hào)輸出功率;(d)f2微波信號(hào)相位噪聲Fig.4 .(a)Microwave signal f1power output;(b)microwave signal f1phase noise;(c)microwave signal f2 power output;(d)microwave signal f2phase noise.

圖5 間隔為797.4 MHz的微波頻率梳信號(hào) (a)功率輸出;(b)相位噪聲測(cè)量(8點(diǎn)平均)Fig.5 .Microwave frequency comb with 797.4 MHz interval:(a)Power output;(b)phase noise measurement(average-8 point).

調(diào)節(jié)可調(diào)微波濾波器的中心頻率,在滿足諧振頻率條件的情況下,可實(shí)現(xiàn)梳齒間隔可調(diào)諧的微波頻率梳,如圖5(a)和圖6所示.但由于選擇f1信號(hào)的是中心頻率4 GHz固定濾波器,且需要滿足兩路微波濾波器提取的微波信號(hào)f1和f2是光上調(diào)制信號(hào)fm的倍頻信號(hào),因此調(diào)節(jié)頻率點(diǎn)受限.若兩路微波濾波器均為可調(diào)濾波器,則理論上可實(shí)現(xiàn)任意間隔的頻率梳輸出.

圖6 間隔為998.6 MHz的微波頻率梳信號(hào)功率輸出Fig.6 .Power output of microwave frequency comb with 998.6 MHz interval.

4 結(jié) 論

基于直調(diào)激光器非線性動(dòng)態(tài)特性,生成了低相噪的微波頻率梳信號(hào).在實(shí)驗(yàn)方案中,微波信號(hào)調(diào)制的激光器作為頻率梳信號(hào)發(fā)生的種源,梳齒間隔即為調(diào)制頻率.為了提高微波頻率梳信號(hào)的性能參數(shù),采用了兩路高階倍頻濾波器濾出的3.9869 GHz和3.1895 GHz微波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻取差值進(jìn)行反饋調(diào)制,提高了高階倍頻信號(hào)的轉(zhuǎn)化效率.OEO的邊模抑制則通過(guò)偏振雙環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn).利用OEO的低相噪輸出特性,在頻率797.4 MHz,功率21 dBm調(diào)制信號(hào)反饋調(diào)制下,最終實(shí)驗(yàn)得到一階相位噪聲?74.9 dBc/Hz@1 kHz,?101.7 dBc/Hz@10 kHz,?115.2 dBc/Hz@50 kHz的微波頻率梳信號(hào).相比于半導(dǎo)體激光器的諧波頻率注入鎖定和光注入鎖定方式,所得到的相位噪聲指標(biāo)有很大提高,實(shí)現(xiàn)10 kHz偏頻處的相位噪聲優(yōu)于?100 dBc/Hz.由于頻率梳高階信號(hào)均由一階797.4 MHz通過(guò)光上倍頻得到,理論上也具有高信噪比.其中一階頻率到4階頻率的輸出功率相差10 dB以內(nèi),5階頻率和13階頻率的輸出功率相差10 dB以內(nèi),各階信號(hào)的邊模抑制比優(yōu)于40 dB.

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可調(diào)諧特性,可以將系統(tǒng)內(nèi)兩路微波帶通濾波器均換成可調(diào)濾波器,實(shí)現(xiàn)調(diào)制頻率的fm的任意可調(diào)諧.同時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)路增益和增加高速光電探測(cè)器的帶寬等手段,也可進(jìn)一步提高輸出頻率梳的功率均衡性和寬帶寬特性.