多波段線性調(diào)頻傅里葉域鎖模光電振蕩器

郝騰飛，石暖暖，李 偉，祝寧華，李 明

1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室，北京100083

2. 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049

3. 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心，北京100190

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的功能逐漸從單一的測距向同時具備測距、目標(biāo)識別、跟蹤等多種功能的方向演化[1]. 寬帶可調(diào)的多波段線性調(diào)頻微波信號可作為雷達(dá)系統(tǒng)的信號源實現(xiàn)上述功能. 傳統(tǒng)的線性調(diào)頻微波信號的產(chǎn)生方法主要基于純電子學(xué)的手段，包括基于壓控振蕩器、直接數(shù)字合成和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等. 然而，受限于電子學(xué)的技術(shù)瓶頸，不同頻段使用的電子元器件截然不同，因此基于純電子學(xué)手段產(chǎn)生高穩(wěn)定性的寬帶高頻線性調(diào)頻信號仍然面臨著很大的挑戰(zhàn).

得益于光子技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，如大帶寬、低損耗、快速可重構(gòu)和抗電磁干擾等[2]，微波光子學(xué)技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子學(xué)手段的技術(shù)瓶頸，在近幾十年來得到了廣泛的研究. 一些微波光子技術(shù)，比如時域脈沖整形[3]、空間或頻率到時間的映射[4]、外加相位或偏振調(diào)制[5-6]以及半導(dǎo)體激光器單周期振蕩效應(yīng)[7-8]等，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)幾十GHz 的線性調(diào)頻微波信號. 近年來，研究人員也提出了一些微波光子學(xué)的方法以產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號[9-11]. 例如：基于偏振復(fù)用的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器可在兩個偏振態(tài)的方向上產(chǎn)生雙波段線性調(diào)頻微波信號[9]，但受偏振態(tài)方向的限制，該方法只能產(chǎn)生兩個波段的線性調(diào)頻微波信號. 多個波段的線性調(diào)頻微波信號可以利用鎖模激光器及一系列的窄帶濾波器產(chǎn)生[10]. 雖然信號的中心頻率可調(diào)諧，但是其時間周期和帶寬受限于基帶微波信號. 文獻(xiàn)[11]采用具有不同自由光譜范圍的一對光頻梳，可產(chǎn)生中心頻率、時間周期和帶寬均可調(diào)諧的多波段線性調(diào)頻微波信號. 與上述兩種方法類似，此方法仍需采用一個高頻的基帶線性調(diào)頻微波信號源來產(chǎn)生所需的基帶線性調(diào)頻微波信號.

光電振蕩器（optoelectronic oscillator, OEO）是一個典型的微波光子諧振系統(tǒng)，憑借超高的環(huán)路品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生了具有極低相位噪聲的微波信號[12-17]. 不過傳統(tǒng)的OEO 只能產(chǎn)生單頻的微波信號，而不能產(chǎn)生連續(xù)的線性調(diào)頻微波信號. 當(dāng)傳統(tǒng)的OEO 進(jìn)行頻率調(diào)諧時，需要不斷地從噪聲中建立新的模式，以致無法產(chǎn)生連續(xù)的高質(zhì)量線性調(diào)頻微波信號. 文獻(xiàn)[18-20]提出了基于傅里葉域鎖模光電振蕩器（Fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator,FDML OEO）產(chǎn)生線性調(diào)頻微波信號的新技術(shù). 該方法在OEO 中插入一個掃頻的濾波器，并將濾波器的掃頻周期和OEO 的環(huán)腔延時同步以實現(xiàn)頻域鎖模狀態(tài)，從而使OEO 中掃頻范圍內(nèi)的所有模式同時在環(huán)腔內(nèi)振蕩，突破了傳統(tǒng)OEO 中模式建立時間的限制. 除此之外，文獻(xiàn)[18-20]還基于FDML OEO 成功地產(chǎn)生了單線性調(diào)頻以及雙啁啾的微波信號.

本文提出并驗證了一種基于FDML OEO 的多波段線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方案. 該方案的核心是在OEO 腔內(nèi)采用一個快速掃頻多通帶微波光子濾波器，將掃頻多通帶微波光子濾波器的掃頻周期和FDML OEO 的環(huán)腔延時同步以實現(xiàn)傅里葉域鎖模，從而使FDML OEO 在腔內(nèi)自激振蕩產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號. 該方案不需要高頻的基帶線性調(diào)頻微波信號源便可產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號，且這些信號的帶寬和中心頻率均寬帶可調(diào). 這種新型多波段線性調(diào)頻微波信號源在先進(jìn)多波段雷達(dá)、電子戰(zhàn)、多業(yè)務(wù)泛在接入無線通信等系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景.

1 基本原理

多波段線性調(diào)頻FDML OEO 的結(jié)構(gòu)框圖如圖1(a)所示. 該FDML OEO 包括一個掃頻多波長激光器、一個相位調(diào)制器、一個光陷波濾波器、一個摻鉺光纖放大器、一卷光纖、一個光電探測器、一個高通濾波器、一個功分器和一個低噪聲放大器，其中核心單元是基于相位調(diào)制到強度調(diào)制（phase-modulation to intensity-modulation, PM-IM）轉(zhuǎn)換[21-22]的快速掃頻多通帶微波光子濾波器，由掃頻多波長激光器、相位調(diào)制器和光陷波濾波器等構(gòu)成. 圖1(b)所示為快速掃頻多通帶微波光子濾波器的工作過程：從多波長激光器發(fā)出的光載波在相位調(diào)制器上由微波信號調(diào)制，在小信號近似的條件下產(chǎn)生光載波和等幅反相的上下兩個邊帶. 由于上下兩個邊帶的等幅反相特性，相位調(diào)制器輸出的調(diào)制光信號直接進(jìn)入光電探測器，此時只能產(chǎn)生一個直流電壓而得不到對應(yīng)的微波信號；若引入一個光陷波濾波器濾除其中一個邊帶，則相位調(diào)制等幅反相的平衡關(guān)系遭到破壞，此時在光電探測器處可以得到對應(yīng)的微波調(diào)制信號. 如圖1(b)所示，假設(shè)相位調(diào)制的–1 階邊帶被光陷波濾波器濾除，那么多通帶微波光子濾波器的中心頻率可表示為

式中，fsk為多波長激光器的發(fā)光頻率，k為整數(shù)，fnotch為光陷波濾波器的陷波位置.從式（1）中可以看出，這個多通帶微波光子濾波器的通頻帶的中心頻率等于多波長激光器和光陷波濾波器在陷波位置的頻率差. 因此，多通帶微波光子濾波器的掃頻可以通過多波長激光器的掃頻實現(xiàn). 掃頻多波長激光器的實現(xiàn)方法有很多種，比如可以采用一個激光器外加一個電光調(diào)制器構(gòu)成掃頻多波長激光器，如圖1(a)所示. 多波長通過電光調(diào)制實現(xiàn)，而掃頻則通過激光器受三角波電流驅(qū)動的頻率調(diào)諧實現(xiàn). 與文獻(xiàn)[18]類似，可將該掃頻多通帶微波光子濾波器輸入和輸出信號的頻率視為被同一個本振信號進(jìn)行上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換. 該濾波器的輸出信號可表示為

式中，Tround-trip為OEO 的環(huán)腔延時，Tfilterdrive為多通帶微波光子濾波器的掃頻周期，n為正整數(shù). 在傅里葉域鎖模條件下，當(dāng)OEO 整個掃頻范圍內(nèi)的每個模式在環(huán)腔中傳輸一周再次回到濾波器時，濾波器的通頻帶恰好又調(diào)諧到了同樣的頻率位置. 因此，掃頻范圍內(nèi)的所有模式可同時在FDML OEO 中起振，突破了傳統(tǒng)OEO 中模式建立時間的限制.

除了上述掃頻多通帶微波光子濾波器外，此FDML OEO 采用了一個高通濾波器來濾除多波長激光器不同波長的拍頻成分. 在環(huán)路中，還采用了一個摻鉺光纖放大器和一個低噪聲放大器來保證足夠的增益. 在不考慮諧波和交調(diào)成分的條件下，此FDML OEO 的穩(wěn)態(tài)輸出滿足

圖1 基于傅里葉域鎖模光電振蕩器的多波段線性調(diào)頻微波波形產(chǎn)生方案Figure 1 Multi-band linearly frequency modulated microwave waveform generation method based on FDML OEO

2 實驗

本文通過實驗驗證了所提出的多波段線性調(diào)頻傅里葉域鎖模光電振蕩器的可行性，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示. 在實驗中，掃頻多波長激光器由一只半導(dǎo)體分布反饋激光器和一個馬赫-曾德爾強度調(diào)制器組成. 半導(dǎo)體分布反饋激光器由一個周期為22.22 μs 的三角波電流驅(qū)動，以實現(xiàn)掃頻. 將一個單頻的射頻信號加載到馬赫-曾德爾強度調(diào)制器上，以實現(xiàn)多波長操作. 在實驗中，半導(dǎo)體分布反饋激光器的輸出功率約為18 dBm，其中心波長約為1 550.590 nm. 在三角波電流的驅(qū)動下，其最大波長變化范圍為1 550.582～1 550.598 nm，對應(yīng)2 GHz 的掃頻帶寬. 所形成的掃頻多波長激光器的波長有3 組，其中1 組與半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長一致，另外2 組的波長分別比半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長低或高?f/125（單位為nm），?f為兩個相鄰波段間的頻率間隔. 比如，當(dāng)?f= 3.0 GHz 時，另外兩組的波長分別比半導(dǎo)體分布反饋激光器的掃頻波長低和高0.024 nm. 實驗所用的相位調(diào)制器的3 dB 帶寬為30 GHz，半波電壓為4 V，光陷波濾波器采用一個相移光纖布拉格光柵，用來濾除相位調(diào)制的一個邊帶，摻鉺光纖放大器的增益可調(diào)，噪聲系數(shù)為3.3 dB，低噪聲放大器的增益為29 dB，噪聲系數(shù)為6 dB，光纖的長度為4.5 km，光電探測器的帶寬為15 GHz. 實驗中的功分器為Marki Microwave 公司的PD40 型功分器，其頻率范圍覆蓋DC-40 GHz，附加損耗低至0.75 dB，幅度一致性約為0.25 dB. 根據(jù)第1 節(jié)的分析可知，通過多波長激光器的掃頻可實現(xiàn)具有同樣掃頻特性的多通帶微波光子濾波器. 掃頻多通帶微波光子濾波器的掃頻周期等于信號在OEO 環(huán)路內(nèi)傳輸一周的延時，因此實現(xiàn)了傅里葉域鎖模. 當(dāng)FDML OEO 環(huán)路的增益大于損耗時，環(huán)腔內(nèi)便會以自激振蕩的方式產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號.

傅里葉域鎖模光電振蕩器產(chǎn)生了具有不同中心頻率和帶寬的多波段線性調(diào)頻微波信號，其瞬時頻率變化如圖2 所示. 這些瞬時頻率變化是通過對示波器測得的時域信號進(jìn)行短時傅里葉變換得到的. 從圖2 中可以看出，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號包括3 個波段，分別對應(yīng)多波長激光器的3 組掃頻波長. 相鄰兩個波段的中心頻率之差為3.0 GHz，等于加載到電光調(diào)制器上的射頻信號的頻率. 如圖2 所示，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的中心頻率和帶寬均可調(diào)，分別是通過調(diào)諧激光器驅(qū)動信號的直流偏置和頻率實現(xiàn)的. 可以看出，受限于光電探測器的帶寬，第3 個波段的微波信號的功率相對較低. 與圖2 的不同中心頻率和帶寬的多波段線性調(diào)頻微波信號對應(yīng)的光譜圖如圖3 所示. 從圖3 中可以看出，光陷波濾波器作用在相位調(diào)制的上邊帶上. 當(dāng)增加所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的頻率時，掃頻多波長激光器產(chǎn)生的光載波會遠(yuǎn)離光陷波濾波器的陷波位置. 此外，從圖3 中也可以看到一些高次諧波的存在，主要是由相位調(diào)制器的非線性響應(yīng)導(dǎo)致的. 當(dāng)增大所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的帶寬時，在光譜儀上觀測到的光譜也隨之加寬，這與第1 節(jié)的理論分析是相符合的.

圖2 產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波波形的瞬時頻率圖Figure 2 Instantaneous frequency-time diagram of generated multi-band linearly frequency modulated microwave waveforms

簡單地調(diào)節(jié)加載到馬赫-曾德爾電光調(diào)制器上的射頻信號，則不同波段間的頻率間隔可實現(xiàn)調(diào)諧. 當(dāng)加載到馬赫-曾德爾器上的射頻信號的頻率為4 GHz 時，產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的瞬時頻率如圖4 所示，此時兩個相鄰波段間的頻率間隔也調(diào)節(jié)到了4 GHz. 在這種情況下，產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的3 個波段分別位于X、Ku、K 波段范圍內(nèi). 從圖4中可以看出，在這種情況下所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的中心頻率和帶寬也可以調(diào)節(jié).從理論上來說，所產(chǎn)生的線性調(diào)頻微波信號的最大頻率范圍由傅里葉域鎖模光電振蕩器內(nèi)所采用的調(diào)制器、光電探測器等光電子器件的帶寬共同決定. 目前已報道的光電子器件的帶寬可達(dá)100 GHz 以上，因此傅里葉域鎖模光電振蕩器理論上可產(chǎn)生頻率范圍高達(dá)100 GHz 的微波信號. 在實驗中，受限于本文采用的光電探測器的帶寬，所產(chǎn)生的線性調(diào)頻微波信號的最大頻率約為20 GHz.

圖3 光譜圖Figure 3 Optical spectra

圖4 產(chǎn)生的3 個波段分別位于X、Ku 和K 波段的多波段線性調(diào)頻微波信號Figure 4 Generated multi-band chirped microwave signals when the three bands are locating at X-band, Ku band and K band, respectively

3 結(jié)語

本文提出并驗證了一種基于FDML OEO 的多波段線性調(diào)頻微波信號產(chǎn)生方案. 該方案的核心是在FDML OEO 的腔內(nèi)加入一個快速掃頻的多通帶微波光子濾波器，并將濾波器的掃頻周期和OEO 的環(huán)腔延時同步以實現(xiàn)傅里葉域鎖模. 該方案可以在不依賴高速的基帶線性調(diào)頻微波源的情況下從FDML OEO 的腔內(nèi)直接自激振蕩產(chǎn)生多波段線性調(diào)頻微波信號. 此外，所產(chǎn)生的多波段線性調(diào)頻微波信號的帶寬和中心頻率均可調(diào)諧. 這種新型多波段線性調(diào)頻微波信號源在先進(jìn)多波段雷達(dá)、電子戰(zhàn)、多業(yè)務(wù)泛在接入無線通信等系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景.