注入鎖定式光電振蕩器研究

潘超群, 郭培培, 何辰佳

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

振蕩器應(yīng)用廣泛,可以作為同步系統(tǒng)的參考信號源、數(shù)字系統(tǒng)的時鐘、變頻器的本振等[1-3]。現(xiàn)代通信與電子技術(shù)的發(fā)展,對微波振蕩器的頻譜純凈度、頻率穩(wěn)定度、相位噪聲均提出了越來越高的要求。

光電振蕩器(Optoelectronic Oscillator,OEO)作為一種光路與電路結(jié)合的新型微波信號源,能產(chǎn)生高品質(zhì)因素、高頻譜純凈度和低相位噪聲的光、電兩種信號輸出[4]。由于光電振蕩器在光生微波技術(shù)方面的優(yōu)點,研究人員不斷豐富光電振蕩器的結(jié)構(gòu)。將長環(huán)光電振蕩器輸出信號注入短環(huán)光電振蕩器中,得到了約80 d B的邊模抑制,相噪接近150 dBc/Hz@10 k Hz,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高[5]。天津大學(xué)采用光域分、合路的雙環(huán)光電振蕩器結(jié)構(gòu),實現(xiàn)12 GHz載頻處,相位噪聲109 dBc/Hz@10 k Hz,輸出信號邊模抑制比接近60 dBc[5-7]。浙江大學(xué)實現(xiàn)5 GHz載頻處,相噪為136 d Bc/Hz@10 k Hz,但其輸出信號的邊模抑制比較差,接近40 dBc[8]。

通過搭建光電振蕩器環(huán)路與測試平臺,研究注入鎖定光電振蕩器的頻譜特性。實驗結(jié)果表明,相比于自由振蕩光電振蕩器,注入鎖定光電振蕩器頻譜純凈度較高,邊模抑制顯著,可以達(dá)到90 dBc,且輸出信號最佳測試相位噪聲可以達(dá)到133.6 dBc/Hz@10 k Hz。

1 光電振蕩器主要性能

光電振蕩器是由激光器(laser)、電光調(diào)制器(E/O modulator)、光電探測器(PD)和濾波器(filter)組成的正反饋環(huán)路。

與正反饋的電振蕩器原理相似,光電振蕩器調(diào)制的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號,再進(jìn)行濾波、放大和調(diào)制。光電振蕩器的振蕩由噪聲開始,環(huán)路中各有源器件能產(chǎn)生含不同頻率的瞬態(tài)噪聲,這些噪聲經(jīng)過濾波器篩選出起振的頻率,再反饋控制電光調(diào)制器。典型的單環(huán)光電振蕩器的結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 光電振蕩器原理框圖

(1)振蕩模式

對于自由振蕩無注入信號的光電振蕩器,當(dāng)輸入某個固定頻率和幅相的信號,光電振蕩器頻響被等間隔分割為各個峰,如圖2所示。

各個頻率尖峰對應(yīng)的頻率為[4]

式中：f0為諧振頻率;G(U0)為諧振點的環(huán)路增益;τ為光纖對應(yīng)的長度。

圖2 光電振蕩器的振蕩模式

隨開環(huán)增益的增加,每個峰變高陡,這些峰是光電振蕩器可能的起振模式。當(dāng)開環(huán)增益大于1,噪聲在環(huán)路中通過時,其與尖峰頻率相同的頻率分量的幅度迅速增大,由此產(chǎn)生振蕩。

(2)頻率穩(wěn)定度和相位噪聲

長期穩(wěn)定度即信號的頻率在一小時內(nèi)的頻率變化量,與振蕩器的起振頻率相比,反映了振蕩器在一段時間內(nèi)的頻率漂移快慢。

在電子系統(tǒng)中,信號源的相位噪聲是非常重要的參數(shù),若信號源的相位噪聲差,會造成測量誤差甚至無法進(jìn)行測量。如雷達(dá)系統(tǒng)探測目標(biāo)時,若從天線發(fā)射的探測信號相噪差與環(huán)境的背景噪聲相比擬時,將無法有效探測到目標(biāo)。因此,光電振蕩器作為信號源時,有必要重點研究光電振蕩器的相位噪聲。

理想狀況下,振蕩器的輸出信號為[9]

式中：U為輸出信號幅度。但是在實際應(yīng)用過程中,由于器件的非線性及噪聲等因素帶來一些隨機的相位擾動,光電振蕩器不可能產(chǎn)生理想信號,實際光電振蕩器輸出信號可表示為

式中：ε(t)為幅度起伏;φ(t)為相位起伏。由上式,ε(t)不直接引起相位起伏,故重點為研究和測量φ(t)引起的相位起伏。信號的相位起伏可以在時域用阿侖方差,單邊帶功率譜密度L(f)表征。

相位噪聲單邊帶功率譜密度L(f)定義：在距載頻一定頻偏處,1 Hz帶寬內(nèi)信號功率與載頻處的信號功率的比值,即

式中：Ps(f)為相噪調(diào)制的一個邊帶在某頻率處的功率譜密度;Pc為載波功率。

2 注入鎖定式振蕩器

式中：B為鎖定帶寬。此時,輸出信號與注入信號頻率一致[10]。

圖3 注入鎖定的振蕩器模型

假設(shè)注入信號為ui(t)=Uicos[ωit+φi(t)],自由振蕩時的輸出信號為u0(t)=可以得到注入信號與鎖定信號相位變化為

若注入時振蕩器能鎖定,dφ(t)/d t必須為0,從而可以得到鎖定帶寬為

可見,B與Q成反比,與ω0和 Pi/Po成正比。其中,Pi與Po分別為注入信號功率與鎖定信號功率。若注入頻率與自由振蕩頻率差小于鎖定帶寬,那么注入后可以進(jìn)行單模振蕩。

3 注入鎖定式光電振蕩器實驗

光電振蕩器實驗測試圖4連接,在電耦合器B點注入PDRO產(chǎn)生的7.5 GHz外部信號,測試單環(huán)路注入鎖定光電振蕩器的輸出頻譜如圖4(b)所示。

在圖4(a)中,激光器加調(diào)制器產(chǎn)生相干光源,并將反饋的電信號調(diào)制到光波上。光耦合器對光信號進(jìn)行耦合。實驗室1 km的穩(wěn)相光纖對調(diào)制的光信號產(chǎn)生一定延時。光電探測器把已調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,再進(jìn)行放大和濾波。

圖4 光電振蕩器實驗測試圖

自由振蕩的單環(huán)光電振蕩器輸出信號的頻譜如圖5(a)所示,1 km光纖的單環(huán)光電振蕩器譜線間的間隔約為200 k Hz左右,與式(1)計算得到的1 km光纖對應(yīng)的模式頻率間隔200 k Hz,兩者一致。

圖5 不同形式的單環(huán)光電振蕩器輸出頻譜圖

(1)頻率穩(wěn)定度

在常溫下,測得單環(huán)光電振蕩器的穩(wěn)定度極差,在幾秒到幾十秒左右便無法輸出所需信號。而常溫下注入鎖定的雙環(huán)光電振蕩器輸出信號,1 h的頻率變化量為3 100 Hz,長期穩(wěn)定度為0.407 ppm@1 h,可見注入鎖定能顯著提高光電振蕩器頻率穩(wěn)定度。

(2)邊模抑制

對比圖5(a)、圖5(b),自由振蕩單環(huán)路光電振蕩器的邊模抑制比只有40 dB左右,邊模抑制較差,而注入鎖定式單環(huán)光電振蕩器輸出信號頻譜純凈度高,邊模抑制比達(dá)到了90 dBc左右。注入鎖定能極大改善光電振蕩器的邊模抑制。

(3)相位噪聲分析

進(jìn)一步分析不同環(huán)長組合、不同注入源對光電振蕩器相位噪聲的影響。注入源分別為信號源Agilent E8257D及單點頻的鎖相源PDRO,并控制光纖長度分別為1 km,5 km,6 km,采用Agilent E5052B測量單環(huán)注入式光電振蕩器輸出信號的相位噪聲,見表1所示。

表1 單環(huán)注入鎖定光電振蕩器相位噪聲

輸出注入鎖定信號的相噪優(yōu)于注入源相噪。對于同一注入源,光纖越長,輸出的鎖定信號相噪越好,當(dāng)光纖長度增加到一定值時,相噪的改善變緩。對于不同注入源,輸出鎖定信號的相位噪聲與注入源的相位噪聲有關(guān),PDRO的相噪優(yōu)于信號源Agilent E8257的相噪,注入源的相位噪聲越好,則輸出鎖定信號的相位噪聲越好。實驗中測得單環(huán)路注入鎖定光電振蕩器的輸出信號最佳測試相噪為133.6 dBc/Hz@10 k Hz。

4 結(jié)論

自由振蕩光電振蕩器難以實現(xiàn)單模穩(wěn)定輸出,且雜散嚴(yán)重,而文中的注入鎖定光電振蕩器結(jié)構(gòu),能使輸出鎖定信號與參考源同頻,改善邊模抑制,凈化頻譜。探討了注入源與光纖長度對輸出信號相位噪聲的影響,發(fā)現(xiàn)相同條件下,光纖越長,注入源的相位噪聲越好,則注入式光電振蕩器輸出信號的相位噪聲越好。