微波光子振蕩器性能初探

張迪 黃勇 薛軍帥 董璐

（1、西安電子工程研究所，陜西 西安 710100 2、華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，電磁頻譜己然成為繼“海、陸、空、天、網(wǎng)”之后的第六維作戰(zhàn)空間，電磁頻譜資源分配與利用的相關(guān)研究逐漸深入到各領(lǐng)域，電磁環(huán)境也變得愈加復(fù)雜。高性能的微波本振信號是微波領(lǐng)域眾多應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)等發(fā)展的基礎(chǔ)，對于現(xiàn)代雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域起著關(guān)鍵性作用。光電振蕩器作為新時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，可以產(chǎn)生寬頻域（幾個(gè)到上百GHz 的信號）、低相噪的可調(diào)頻信號，是一種非常理想的信號發(fā)生裝置[1]，極具發(fā)展?jié)摿Α；A(chǔ)光電振蕩器作為OEO 發(fā)展的基礎(chǔ)，可以更加清晰的驗(yàn)證環(huán)路輸出特性，為深入了解OEO 奠定基礎(chǔ)。本文搭建了一套OEO 系統(tǒng)，驗(yàn)證基礎(chǔ)OEO 長光纖對環(huán)路輸出信號的影響。

1 OEO 結(jié)構(gòu)與振蕩條件

OEO 主要由光路電路兩部分組成，如圖1 所示。由激光器（LD）發(fā)出的激光，在電光調(diào)制器（MZM，選擇其它調(diào)制器原理與其類似[2]）內(nèi)將微波信號調(diào)制，經(jīng)過單模光纖（SMF）延時(shí)儲能后，再由光電探測器（PD）拍頻得到微波信號。最后將由濾波器、放大器選擇出所需信號。將得到的微波信號一路輸入進(jìn)MZM 內(nèi)作為循環(huán)的輸入信號，另一路作為環(huán)路的輸出信號。

圖1 光電振蕩器理論模型

1.1 起振條件

根據(jù)對環(huán)路的分析可以得到：在進(jìn)行第n 次循環(huán)時(shí)，設(shè)定輸入進(jìn)MZM的信號為Vn（t），環(huán)路的輸出信號為Vn+1（t），同時(shí)該輸出信號將作為第n+1 次循環(huán)的輸入信號。則環(huán)路的開環(huán)小信號增益可以用式（1）表示[3-4]：

將此功率信號經(jīng)過長光纖延時(shí)t0，再經(jīng)由PD 拍頻、濾波器選頻、放大器放大后可以得到Vn+1（t），如公式（4）所示：

理論上滿足此式即可起振，即只要保證光電流足夠大，則環(huán)路中可以不添加電放大器，如此可以降低相噪，減少有源器件對于溫度變化所引起的頻率抖動(dòng)等問題。但由于環(huán)路中有較多的連接器，并由于各器件插損等，會使得增益不足以起振，如不使用大功率激光器（如泵浦激光器），則需要放大器補(bǔ)足這些損耗。

1.2 輸出功率模式

由公式（1），（2）可知，環(huán)路的增益會受到放大器倍數(shù)（G），PD 的響應(yīng)度（ρ），MZM的影響，而這些參數(shù)都與頻率相關(guān)，為方便計(jì)算，故將其統(tǒng)一寫為：

式中，當(dāng)G（V0）>0 時(shí)，φ0=0；當(dāng)G（V0<0）時(shí)，φ0=π。由此也可以很清楚的看出來，其幅度是具有周期性的，其周期為：

通過matlab 仿真軟件可以得到功率示意圖如圖2所示。

圖2 各長度光纖仿真：span=20MHz

由理論輸出模型可知：

a.7m 光纖模式間距為30MHz；25m 光纖模式間距為8MHz；205m 光纖模式間距為1MHz。

b.對于不同頻率，由公式（7）、（12）可知，其功率與F（ω）存在關(guān)系，即在不同頻率下，其功率也會隨著F（ω）的變化而變化；

c.其模式間隔與長光纖的長度存在如下關(guān)系：

其中Mn為模式間隔（單位Hz）；c 為光速；L 為光纖長度（單位m）；n 為光纖折射率（單模光纖為1.45）。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，本文選用如圖3 器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 OEO 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

其中，LD 選用1550nm，線寬100kHz，光功率100mW 的DFB 激光器；MZM 工作在1530-1625nm 波段，插損3.5dBm，半波電壓@50kHz：5V；PD 工作在1000-1650nm 波段，阻抗50 歐；一級放大器以及二級放大器放大倍數(shù)均為17dB；濾波器通帶頻率為29G～32GHz；實(shí)驗(yàn)中，需為LD 驅(qū)動(dòng)供應(yīng)220V 電壓，放大器、PD 加載5V 電壓；MZM直流偏置電壓選用5V。

2.1 OEO 特性測試

本實(shí)驗(yàn)中將在添加7m、25m、205m 光纖的情況下，測試OEO 的毫米波頻譜生成情況，如圖4 所示。

圖4 各長度光纖測試

對比圖2 仿真圖與圖4 實(shí)驗(yàn)圖可以看到，本文所做實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真圖類似，其模式間距均符合仿真圖。由于濾波器性能有限，在不同頻率處損耗存在較大不同，信號輸出幅度會存在一定程度的不同。

2.2 相位噪聲

OEO 中相位噪聲的來源主要為光電探測器、放大器等有源器件的閃爍噪聲、散粒噪聲以及激光器的相對強(qiáng)度噪聲。而在OEO 中，降低相噪的方法有如下幾種：

2.2.1 增加Q 值：由于Q 值與相噪有關(guān)，而增加Q 值得方法在OEO 中主要為增長光纖（Q=2πfτ）[5]，但在增長光纖的同時(shí)會使模式間距變小（如圖5 所示）。

圖5 2km 光纖多模式振蕩圖

2.2.2 使用低噪聲器件：環(huán)路噪聲主要來自于放大器、激光器等器件，故使用噪聲低于-150dBc/Hz@10kHz的器件可以有效降低相噪，但同時(shí)造價(jià)、工藝等要求會變高，需均衡考量。

在本文中所使用的器件相噪較高，故無法達(dá)到要求（在31GHz 處相噪為-110dBC/Hz@10kHz），結(jié)果如圖6所示。

由圖6 可知OEO 的相位噪聲隨著光纖的長度增加而逐漸變得更低， 在 200m 光纖處可達(dá)-98dBc/Hz@10kHz。但由于濾波器通帶過寬，如再在環(huán)路中添加更長的光纖，會導(dǎo)致模式間距過窄，會有多模式起振，影響相噪測試。理論上在用16km 光纖時(shí)相噪可達(dá)-160dBc/Hz@10kHz。對比微波振蕩器[6]，其相噪在10kHz 處可達(dá)94.55dBc/Hz@10kHz，基礎(chǔ)OEO 的性能已經(jīng)高于微波振蕩器。

圖6

2.3 結(jié)果分析

基于上述實(shí)驗(yàn)與仿真可以得到如下結(jié)論：

2.3.1 相位噪聲會隨光纖變長而改善；在圖6 中，可以清楚的看到相噪有躍升（7m 光纖躍升約在9kHz 處，25m 光纖躍升約在0.9kHz 處），其主要原因在于該基礎(chǔ)OEO 系統(tǒng)并沒有鎖模器件，完全由環(huán)路進(jìn)行自鎖模，而光纖長度會對環(huán)路起到?jīng)Q定性作用，當(dāng)光纖過短時(shí)，信號不穩(wěn)定，在測量時(shí)會出現(xiàn)峰值頻率的跳動(dòng)，導(dǎo)致相噪不連續(xù)，出現(xiàn)躍動(dòng)。但隨著光纖的逐步增長，峰值頻率的跳動(dòng)逐步減弱，躍動(dòng)同時(shí)會逐漸消失。

2.3.2 由OEO 原理可知，OEO 振蕩會呈現(xiàn)頻率梳式振蕩。但在本文中，由于濾波器性能有限以及溫度對有源器件的影響，會導(dǎo)致部分模式增益小于零而無法起振（本實(shí)驗(yàn)環(huán)路增益最大值處為1.8dBm），如圖4 所示。在添加205m 光纖時(shí)，其模式振蕩最多在28MHz 內(nèi)（圖4（c），為方便顯示，設(shè)定span9MHz），由于其模式僅1MHz，故可以清楚地看到多模式振蕩。在添加7 米光纖時(shí)，其模式間隔已經(jīng)達(dá)到30MHz，故僅有一個(gè)模式起振；在添加25m 光纖時(shí)，可以看到在峰值邊存在兩個(gè)模式起振，間隔為8MHz，但由于遠(yuǎn)離峰值，其環(huán)路增益不足，故其峰值較小。

3 結(jié)論

本文介紹了基礎(chǔ)OEO 的振蕩模式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)31.4GHz 的單模式信號，通過實(shí)驗(yàn)證明了OEO 的模式與光纖長度有直接關(guān)系；證明隨光纖長度增長相噪逐步降低；闡述了長光纖對輸出穩(wěn)定性的影響。但由于實(shí)驗(yàn)器材，操作環(huán)境（無法保證器件恒溫、即無法排除溫度對器件穩(wěn)定性的影響）等條件限制，目前無法做到更低的相噪。未來將會在基礎(chǔ)OEO 的基礎(chǔ)上優(yōu)化已有器件并添加如雙光纖環(huán)路等以達(dá)到更強(qiáng)的頻率穩(wěn)定性及更低的相噪。