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用戶提供更高容量、更大帶寬和更高機(jī)動性的服務(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)同時實現(xiàn)光生多頻率的微波載波無疑可以更高效、低成本地解決光載微波系統(tǒng)中的微波載波產(chǎn)生問題,是光載微波系統(tǒng)較為理想的解決方案.

目前,國內(nèi)外均針對光生多載波技術(shù)展開了研究,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,后者需要通過外部調(diào)制光、鎖模激光器或增益開關(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)過光電轉(zhuǎn)換.此外,通過半導(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]通過外部光脈沖注入半導(dǎo)體激光器的方式實驗產(chǎn)生低噪聲、20 GHz帶寬的微波頻率梳信號,其中一階單邊帶噪聲為?65 dBc/Hz@50 kHz.Li等[14]首先通過電流調(diào)制的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生頻率梳源,然后通過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,采用兩個高階振蕩信號混頻取二者差頻,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)激光器的開關(guān)增益調(diào)制效應(yīng),產(chǎn)生光載微波頻率梳信號輸出.由于OEO系統(tǒng)產(chǎn)生的微波信號相位噪聲低[15,16],倍頻產(chǎn)生的光載微波頻率梳信號也具有很高的信噪比.更重要的是,通過調(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,最終實現(xiàn)微波頻率梳間隔的可調(diào)諧.實驗產(chǎn)生了頻率間隔797.4 MHz的穩(wěn)定微波頻率梳信號,信號相位噪聲均低于?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.實驗中,OEO的光源來自于直調(diào)激光器DML.激光器經(jīng)過高功率微波信號調(diào)制后生成光生多載波信號源.該光信號經(jīng)過兩個耦合器分束后,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f1和f2.兩路微波信號經(jīng)過混頻器M和低通濾波器LPF后,取差頻?f.差頻信號?f經(jīng)過增益調(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.

圖1 光生微波頻率梳實驗原理圖Fig.1 . diagram of optical-borne microwave comb.

實驗方案的核心在于激光器的開關(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)的動力學(xué)特性可由場方程和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)方程表示為[17,18]

式中E為電場強(qiáng)度,N為激光器載流子密度,ν為無外部擾動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)制的光頻率的瞬時偏差為

當(dāng)直調(diào)激光器工作于延時光電反饋系統(tǒng)中時,正弦調(diào)制信號與激光器直流偏置相疊加,實現(xiàn)增益開關(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.此時激光器產(chǎn)生的電場變?yōu)閇19]

式中E0為電場幅度;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)制信號頻率fm成反比.

實驗系統(tǒng)采用多級放大器結(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的功率通過振蕩器得到增強(qiáng).

3 實驗系統(tǒng)及測量結(jié)果

在OEO基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實驗采用了一個直調(diào)激光器DML、三個20 GHz帶寬高速光電探測器PD、多個微波放大器EA、一個帶通濾波器BPF(中心頻率4 GHz,帶寬30 MHz)、一個可調(diào)濾波器TBPF(中心頻率2—10 GHz可調(diào),帶寬50 MHz)、一個混頻器M和一個低通濾波器LPF(DC-2 GHz).另外,3個偏振控制器PC,兩個偏振分束器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)過微波信號調(diào)制后的脈沖信號經(jīng)光電耦合器OC1分為兩路,一路先經(jīng)過偏振雙環(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.兩路微波信號經(jīng)過混頻器M和低通濾波器LPF后,取差頻,經(jīng)過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PD3和EA7實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和微波放大,輸出微波頻率梳信號.其中,偏振控制器PC、偏振分束/合束器PBS和長光纖SMF構(gòu)成的偏振雙環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效抑制起振時長腔諧振引起的邊模,提高輸出信號信噪比[20,21].

圖2 實驗系統(tǒng)搭建圖Fig.2 .Setup of experimental system.

實驗系統(tǒng)工作時,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fm滿足起振頻率條件:即直調(diào)激光器的調(diào)制信號fm是該OEO系統(tǒng)的基頻f0的倍頻信號,BFP和TBPF兩路微波濾波器提取的微波信號f1和f2是激光器調(diào)制信號fm的倍頻信號.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)過諧振腔反饋控制后,可提高載波的輸出特性,實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的微波頻率梳信號輸出.

在偏振雙諧振腔結(jié)構(gòu)中,只有同時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為實驗系統(tǒng)工作時輸出的兩路微波信號譜,其中(a)和(b)顯示了通過帶通濾波器BPF的微波信號f1輸出,(c)和(d)顯示了通過可調(diào)濾波器TBPF的微波信號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f1和f2經(jīng)過混頻和低通濾波取差頻信號,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,如圖5可見,頻率梳輸出信號間隔為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微波信號輸出功率;(b)f1微波信號相位噪聲;(c)f2微波信號輸出功率;(d)f2微波信號相位噪聲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 (a)功率輸出;(b)相位噪聲測量(8點平均)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f1和f2是光上調(diào)制信號fm的倍頻信號,因此調(diào)節(jié)頻率點受限.若兩路微波濾波器均為可調(diào)濾波器,則理論上可實現(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)激光器非線性動態(tài)特性,生成了低相噪的微波頻率梳信號.在實驗方案中,微波信號調(diào)制的激光器作為頻率梳信號發(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微波信號經(jīng)過混頻取差值進(jìn)行反饋調(diào)制,提高了高階倍頻信號的轉(zhuǎn)化效率.OEO的邊模抑制則通過偏振雙環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn).利用OEO的低相噪輸出特性,在頻率797.4 MHz,功率21 dBm調(diào)制信號反饋調(diào)制下,最終實驗得到一階相位噪聲?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.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均由一階797.4 MHz通過光上倍頻得到,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,實現(xiàn)調(diào)制頻率的fm的任意可調(diào)諧.同時,通過調(diào)節(jié)環(huán)路增益和增加高速光電探測器的帶寬等手段,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.