基于偏振自穩(wěn)定雙環(huán)的受激Brillouin散射光電振蕩器

摘要：基于偏振自穩(wěn)定雙環(huán)結(jié)構(gòu)提出一種受激Brillouin散射（SBS）光電振蕩器（OEO），利用SBS的窄帶寬增益譜實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換（PM-IM），并選擇OEO的振蕩模式，構(gòu)造偏振自穩(wěn)定雙環(huán)結(jié)構(gòu)，在每個(gè)回路中的輸入光被45°Faraday旋轉(zhuǎn)鏡反射后，將通過45°Faraday旋轉(zhuǎn)器和不同長度單模光纖返回其路徑，保證輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的偏振態(tài)始終相差180°，從而消除外界機(jī)械振動(dòng)和溫度干擾.由于環(huán)路結(jié)構(gòu)為反射式往返傳輸，因此所需光纖長度縮短1/2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該OEO通過改變泵浦光波長實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧，可產(chǎn)生1～16GHz的微波信號(hào)，10GHz處邊模抑制比（SMSR）達(dá)67.14dB，相位噪聲為-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

關(guān)鍵詞：受激Brillouin散射；光電振蕩器；偏振自穩(wěn)定；雙環(huán)

中圖分類號(hào)：O437文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5489（2024）05-1241-07

Stimulated Brillouin Scattering Optoelectronic Oscillator Based on Self-polarization-stabilization Dual-Loop

HAN Lu'，LIU Lu2

（1.Editorial De part ment of Journal，Jilin Provincial Institute of Education，Changchun 130022，China;2.School of Energy and Power Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China）

Abstract：We proposed a stimulated Brillouin scattering（SBS）optoelectronic oscillator（OEO）based on a self-polarization-stabilization dual-loop structure.By utilizing the narrow bandwidth gain spectrum of SBS to achieve the conversion from phase modulation to intensity modulation（PM-IM），and selecting the oscillation mode of the OEO.A polarization self-polarization-stabilization dual-loop structure was constructed.After the input light in each loop was reflected by a 45°Faraday rotator mirror.It would return to its path through a 45°Faraday rotator and different lengths of single-mode fiber，ensuring that the polarization state of the output signal and the input signal always differed by 180°，thereby eliminating external mechanical vibrations and temperature disturbances.Since the loop structure was reflective and bidirectional，the required fiber length was reduced by half.The experimental results show that the OEO can achieve frequency tuning by changing the pump wavelength，and can generate microwave signals of 1-16 GHz，with a side mode suppression ratio（SMSR）of 67.14 dB at 10 GHz，and a phase noise of-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

Keywords：stimulated Brillouin scattering;optoelectronicoscillator;self-polarization-stabilization;dual-loop

光電振蕩器（OEO）可產(chǎn)生高光譜純度和低相位噪聲的微波和毫米波信號(hào)[，在無線通信[5、光信號(hào)處理、雷達(dá)和現(xiàn)代儀器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.傳統(tǒng)的單回路OEO由一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器（IM）、長度為幾百米的單模光纖（SMF）、一個(gè)光電二極管（PD）和一個(gè)電帶通濾波器組成.光纖是儲(chǔ)能組件，較長光纖會(huì)產(chǎn)生更高的光譜純度信號(hào)。但較長光纖會(huì)引入更小的模式間距，導(dǎo)致需具有較窄帶寬的電帶通濾波器.由于電濾波器不易調(diào)諧，因此OEO的可調(diào)諧性也受到限制.當(dāng)電濾波器被光濾波器取代時(shí)，通過改變激光器的波長或光濾波器的中心頻率可實(shí)現(xiàn)OEO的頻率可調(diào)性.受激Brillouin散射（SBS）可提供窄帶放大，其帶寬低至幾十兆赫茲1.它可應(yīng)用于OEO中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益和濾波[1215].在文獻(xiàn)[12，14]中，一個(gè)激光器的光波被分為兩條路徑，分別作為信號(hào)光和泵浦光。文獻(xiàn)[12]通過改變SBS效應(yīng)的波長變化，將OEO的輸出頻率調(diào)諧在400MHz內(nèi).為克服頻率調(diào)諧范圍的限制，文獻(xiàn)[16]利用兩個(gè)激光器分別作為信號(hào)光和泵浦光，通過改變信號(hào)光的波長實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)諧.但為獲得高非線性而使用了較長光纖，導(dǎo)致OEO系統(tǒng)環(huán)路較長，自由光譜范圍（FSR）較小.SBS的增益譜無法濾除單一頻率導(dǎo)致OEO存在多模振蕩，信號(hào)的邊模抑制比較高且不穩(wěn)定.為提高基于SBS的OEO性能，構(gòu)建了雙光路和雙光探測器（PD）的雙環(huán)配置，由于需兩個(gè)PD，因此雙環(huán)配置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜.文獻(xiàn)[10]研究了一種基于波長復(fù)用技術(shù)的雙環(huán)OEO，該方案使用了一個(gè)PD，但仍需兩個(gè)不同波長的激光器和一個(gè)波分復(fù)用器.文獻(xiàn)[13]提出了一種基于受激Brillouin散射的雙環(huán)光電振蕩器，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生10GHz微波信號(hào)的邊模抑制比僅為35dB.為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，文獻(xiàn)[11]提出了另一種基于偏振復(fù)用技術(shù)的方案，并將這兩個(gè)環(huán)路直接組合在光域中，而沒有任何額外的有源器件.上述研究雖然采用了雙環(huán)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)性能，但雙環(huán)路的長光纖導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生偏振不穩(wěn)性，由于每根光纖的特性均易受溫度和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，因此不易保持這兩個(gè)環(huán)路中光信號(hào)的偏振狀態(tài)穩(wěn)定.全保偏結(jié)構(gòu)成本較高，且工藝復(fù)雜，為此保持雙環(huán)路中長光纖的偏振穩(wěn)定至關(guān)重要.

本文提出一種利用偏振自穩(wěn)定技術(shù)的雙環(huán)受激Brillouin光電振蕩器.該方案有2對Faraday旋轉(zhuǎn)器（FR）和Faraday旋轉(zhuǎn)器反射鏡（FRM）用于保持正交偏振態(tài)，消除偏振態(tài)不穩(wěn)定的影響.與傳統(tǒng)偏振復(fù)用的雙環(huán)相比，該系統(tǒng)不需保偏光纖、偏振控制器（PC）、偏振合束器（PBC）和多個(gè)PD，反射式雙環(huán)路結(jié)構(gòu)光纖較短.即使環(huán)路中單模光纖受機(jī)械振動(dòng)或溫度影響，光信號(hào)的偏振狀態(tài)也始終保持正交，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案具有比傳統(tǒng)單環(huán)和偏振復(fù)用方法更優(yōu)的相位噪聲，有效抑制了微波信號(hào)的邊模，改善了傳統(tǒng)受激Brillouin散射型光電振蕩器的性能.

1原理

基于偏振自穩(wěn)定雙環(huán)的受激Brillouin散射光電振蕩器示意圖如圖1所示.來自信號(hào)激光器頻率為f。的光波經(jīng)PC送入相位調(diào)制器中，經(jīng)反饋電信號(hào)調(diào)制的光波通過隔離器（ISO）進(jìn)入色散補(bǔ)償光纖（DCF）中.頻率為f的泵浦激光器通過摻鉺光放大器（EDFA）進(jìn)入環(huán)形器1，將調(diào)制光波信號(hào)以傳播相反的方向注入DCF以提供SBS增益.采用色散位移光纖（DSF）作為SBS介質(zhì)以確保相位轉(zhuǎn)強(qiáng)度調(diào)制是Brillouin放大而不是光纖色散所致.由圖1可見，調(diào)制光經(jīng)DCF后在A點(diǎn)被反向傳輸?shù)腟BS增益譜放大，打破了士1階邊帶幅值平衡，實(shí)現(xiàn)了相位轉(zhuǎn)強(qiáng)度調(diào)制.B點(diǎn)所示的不平衡相位調(diào)制器（PM）信號(hào)經(jīng)環(huán)形器2發(fā)送到EDFA2中被放大后進(jìn)入偏振分束器（PBS）偏振自穩(wěn)定雙環(huán)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度調(diào)制的光被分割成兩個(gè)正交偏振態(tài).在每個(gè)回路中，輸入光在經(jīng)45°FRM反射后，先將通過45°FR和不同長度的單模光纖返回其路徑，再將這些雙回路光信號(hào)組合到PBS中后被光電探測器（PD）捕獲.最后，生成的射頻信號(hào)通過電放大器（EA）放大，經(jīng)電功分器，一部分用于監(jiān)測，一部分返回PM形成閉環(huán).為消除各偏振回路中偏振態(tài)變化的干擾，兩條光信號(hào)耦合時(shí)需保持光信號(hào)的偏振態(tài)穩(wěn)定且相互正交.

利用偏振自穩(wěn)定技術(shù)可解決該問題，偏振自穩(wěn)定示意圖如圖2所示.由圖2可見，輸入光在每個(gè)回路中先通過45°FRM反射后，再利用45°FR和單模光纖調(diào)整偏振態(tài)返回其路徑.點(diǎn)A處輸入光信號(hào)

其中Ex 和Ey 分別表示x 軸和y 軸的偏振分量.

偏振旋轉(zhuǎn)Jones矩陣為

其中φ為偏振旋轉(zhuǎn)角度.反射鏡的Jones矩陣為

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的偏振相關(guān)損耗非常小，光纖傳輸?shù)腏ones矩陣可由一個(gè)Jones矩陣U 表示

其中A，02和4分別表示改變光纖中偏振態(tài)的參數(shù)，隨著外界環(huán)境因素的改變，導(dǎo)致光纖中偏振光的偏振態(tài)發(fā)生改變，3個(gè)參數(shù)也隨之變化，由于外界環(huán)境變化使偏振態(tài)的擾動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)大于光纖往返一圈的時(shí)間，等同于6，02和4這3個(gè)參數(shù)是保持不變的，因此光纖的反向傳輸Jones矩陣為正向傳輸Jones矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，假設(shè)從FR到FRM輸入端的傳輸Jones矩陣為U，則從FRM反射輸出的光到FR的傳輸Jones矩陣為UT.從A點(diǎn)出發(fā)回到A'點(diǎn)的傳輸Jones矩陣為

其中α為從A點(diǎn)到FRM的單程損耗.將U和R（φ）代入TAB可得

因此，輸出光的偏振狀態(tài)可表示為

由于在點(diǎn)A'的輸出信號(hào)的偏振狀態(tài)總是與點(diǎn)A輸入信號(hào)的偏振狀態(tài)相差180°，并且它與往返光纖雙折射的所有細(xì)節(jié)均無關(guān)，因此在基于SBS的OEO中引入這種偏振自穩(wěn)定雙環(huán)技術(shù)能保證這兩條路徑的兩個(gè)輸出信號(hào)的偏振態(tài)總是正交的，并且可在PBS中完美組合，而無需考慮在往返光纖中的影響.此外，由于在每條路徑上往返傳輸所需的光纖長度縮短了1/2，因此降低了光電振蕩器的結(jié)構(gòu)體積.

當(dāng)循環(huán)回路的增益大于損耗時(shí)，即可建立在 SBS增益帶寬中選擇振蕩的模式.由于游標(biāo)效應(yīng)， 因此只有在短環(huán)和長環(huán)頻率對應(yīng)的最小公倍數(shù)下，振蕩模式才能穩(wěn)定起振，并能有效抑制邊模[18-19].

基于受激 Brillouin散射的相位轉(zhuǎn)強(qiáng)度調(diào)制如圖3所示，其中fc 為光載波頻率，fm為反饋進(jìn)入調(diào)制器的射頻頻率，fp為泵浦光的頻率， fB≈10GHz為Stokes頻移量.當(dāng)光載波通過相位調(diào)制器后產(chǎn)生fc+fm和fc-fm兩個(gè)一階邊帶.由于兩條邊帶幅值相同，相差的相位為 π，因此無法直接通過光電探測器拍頻.利用受激Brillouin散射產(chǎn)生約為30MHz帶寬的帶通增益譜，調(diào)節(jié)泵浦光頻率，控制 Brillouin增益譜頻移量νB =2npVA/λp （np 為光纖在λp波長處的折射率，VA 為聲波在光纖中的傳播速度），使 Brillouin增益譜落在相位調(diào)制的+1邊帶上對其增益，+1邊帶幅值被增益后打破±1階邊帶幅值平衡的幅值，實(shí)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)強(qiáng)度調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) OEO 光域內(nèi)的濾波，構(gòu)成受激 Brillouin散射微波光子濾波器，代替了傳統(tǒng)電濾波器. OEO 的輸出頻率為

由圖3和式（6）可見，SBS產(chǎn)生的增益譜增益+1邊帶后得到頻率為v的振蕩信號(hào)，該微波信號(hào)閉環(huán)反饋驅(qū)動(dòng)PM，產(chǎn)生相位調(diào)制的光載波在相同位置產(chǎn)生強(qiáng)度更大的邊帶.通過這種正反饋?zhàn)饔?，最終得到穩(wěn)定振蕩的微波信號(hào).因此通過改變信號(hào)激光器或泵浦激光頻率可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧OEO的輸出頻率.同時(shí)通過偏振自穩(wěn)定雙回路OEO可將不平衡PM信號(hào)的游標(biāo)效應(yīng)和偏振狀態(tài)改變?yōu)镻BS，從而靈活分配長環(huán)路和短環(huán)路的功率，且兩個(gè)環(huán)路的整個(gè)功率保持恒定值而不衰減.這種穩(wěn)定性可較好地抑制邊模噪聲，其結(jié)構(gòu)簡單且成本更低.

2結(jié)果與討論

根據(jù)圖1配置進(jìn)行實(shí)驗(yàn).采用輸出功率為10dBm分布式反饋激光器（DFB，Emcore-1772型，線寬為380kHz）和輸出功率為8dBm的可調(diào)諧激光器（NKT，DK-3460型，線寬為0.9kHz）分別為信號(hào)激光器和泵浦激光器.DFB產(chǎn)生的光波通過偏振控制器使載波的偏振態(tài)與相位調(diào)制器的主軸對準(zhǔn)，并被反饋到相位調(diào)制器中的電信號(hào)調(diào)制.被調(diào)制的光經(jīng)隔離器確保光波不會(huì)回返.泵浦光被EDFA1放大后達(dá)到受激Brillouin散射閾值，在長度為600m的DSF上產(chǎn)生與泵浦光反向傳播的Stokes光和增益.調(diào)制光的+1階邊帶在A點(diǎn)被SBS增益譜放大后，通過環(huán)形器1到達(dá)B點(diǎn).此時(shí)的調(diào)制光為強(qiáng)度調(diào)制，通過環(huán)形器2進(jìn)入PBS偏振自穩(wěn)定雙環(huán)路.偏振分束器分為兩條路徑，光纖長度分別為100m和1km.光信號(hào)通過FR和FRM對偏振進(jìn)行自穩(wěn)定，反射光從環(huán)形器2出來經(jīng)1W的EDFA2以補(bǔ)償回路中的損耗.EDFA2輸出的光信號(hào)進(jìn)入功率比為90：20光纖耦合器（OC）中，90%的光進(jìn)入帶寬為18GHz的光電探測器（GD45220R-Ku-1型）進(jìn)行拍頻，經(jīng)放大器（TLLA1G18G-48-30型）放大增益最終反饋進(jìn)入PM構(gòu)成閉環(huán).用電頻譜分析儀（E4440A型）測量電功分器分路微波信號(hào)的頻譜和相位噪聲.20%的光進(jìn)入光譜儀（AQ6375型）觀測系統(tǒng)內(nèi)光譜的變化情況.

將傳統(tǒng)基于SBS的OEO與雙環(huán)結(jié)構(gòu)OEO的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行比較.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受激Brillouin光電振蕩器示意圖如圖4所示.在與圖1所示裝置相同環(huán)境下，利用外界振動(dòng)和移動(dòng)光纖導(dǎo)致偏振態(tài)變化，測量其光功率的穩(wěn)定性.

偏振態(tài)的不穩(wěn)定直接影響輸出光功率的抖動(dòng)強(qiáng)弱，易導(dǎo)致頻率偏移.分別對單環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)的OEO進(jìn)行對比測量，測量結(jié)果如圖5所示.由圖5可見，在傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)中，由于溫度和機(jī)械振動(dòng)的影響，所測光功率波動(dòng)較大，功率抖動(dòng)約為3.82dB，在雙環(huán)結(jié)構(gòu)中，光功率波動(dòng)約為0.08dB，因此雙環(huán)結(jié)構(gòu)在長單模光纖環(huán)路中實(shí)現(xiàn)了偏振自穩(wěn)定，有效消除了偏振擾動(dòng)。

通過改變泵浦激光器的頻率可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧.以0.008nm的調(diào)節(jié)步長調(diào)諧頻率，測量雙環(huán)OEO的輸出微波信號(hào)如圖6所示.在測量過程中，經(jīng)EA放大后，高功率微波信號(hào)可從1GHz調(diào)諧到16GHz.調(diào)諧頻率的范圍受調(diào)制器、電功分器、光電探測器和電放大器帶寬的限制，頻率上限受相位調(diào)制器和PD頻率響應(yīng)帶的限制.若相應(yīng)器件具有高帶寬，則可實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)諧范圍.

傳統(tǒng)單環(huán)和偏振自穩(wěn)定雙環(huán)結(jié)構(gòu)OEO產(chǎn)生10GHz的振蕩信號(hào)頻譜如圖7所示.在測試中采用相同的掃頻寬度（SPAN）和分辨率帶寬（RBW）進(jìn)行觀測.結(jié)構(gòu)中有約500m的高非線性光纖（HNLF）和約2km的SMF，在基于SBS光濾波器的帶寬中仍存在幾種振蕩模式在增益中相互競爭.圖7（A）為2km單環(huán)路OEO振蕩產(chǎn)生的微波信號(hào).由圖7（A）可見，邊模抑制比為24.29dB.由于光纖環(huán)路較長，因此自由光譜范圍較小，受激Brillouin增益譜的頻譜帶寬約為30MHz，并不能單一濾出頻率分量，導(dǎo)致多個(gè)頻率模式分量均被增益.圖7（B）為采用偏振自穩(wěn)定雙環(huán)OEO振蕩產(chǎn)生的微波信號(hào).由圖7（B）可見，邊模抑制比為67.14dB，比單環(huán)結(jié)構(gòu)提升了42.85dB.雙環(huán)結(jié)構(gòu)的光電振蕩器需同時(shí)滿足短環(huán)路與長環(huán)路模式間距的最小公倍數(shù)才能起振，既保證了短光纖自由光譜范圍的間隔，又保持了長光纖環(huán)路低相位噪聲的優(yōu)勢.

為研究所提偏振自穩(wěn)定雙環(huán)路 OEO 的邊摸抑制效果和整體性能特性，使用頻譜儀中的相位噪聲測試模塊對系統(tǒng)進(jìn)行測量.雙環(huán) OEO 和單環(huán) OEO 在10GHz頻率下的相位噪聲如圖8所示.在實(shí)驗(yàn)過程中，1kHz附近單環(huán)路 OEO（抑制前）優(yōu)于雙環(huán)路 OEO（抑制后）的相位噪聲.這是由于存在雙環(huán)路，光功率分散到兩個(gè)環(huán)路中，儲(chǔ)能時(shí)間變少所致.此外，相位噪聲受邊模的影響，使雙環(huán)結(jié)構(gòu)的相位噪聲邊模受到大幅度抑制，與圖 7 相符.在 10kHz處邊模抑制下，雙環(huán)結(jié)構(gòu)的相位噪聲為 -116.3dBc/Hz， 單環(huán)路的相位噪聲為 -105.6dBc/Hz.與單環(huán)結(jié)構(gòu)相比，雙環(huán)結(jié)構(gòu)中的相位噪聲得到優(yōu)化.

綜上，本文提出了一種基于偏振自穩(wěn)定雙環(huán)的受激 Brillouin散射光電振蕩器，該方案通過偏振自穩(wěn)定技術(shù)消除了外界環(huán)境對長光纖偏振干擾的問題，有效抑制了鏈路雜散的問題.通過 Brillouin選擇側(cè)帶放大以實(shí)現(xiàn)有效的相位轉(zhuǎn)強(qiáng)度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了 1～16GHz的寬帶調(diào)諧.振蕩產(chǎn)生的邊模抑制比約為67.14dB，在加入偏振自穩(wěn)定雙環(huán)后，OEO 的相位噪聲在10kHz偏移處降低了10.7dB，避免了頻率漂移或多模振蕩.因此，相比于傳統(tǒng)單環(huán) OEO， 基于偏振自穩(wěn)定雙環(huán)的 OEO 各項(xiàng)性能均有提升，該結(jié)構(gòu)為發(fā)展集成 OEO 提供了新思路，進(jìn)一步拓展了 OEO 潛在的應(yīng)用.

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