基于光電振蕩器的參量感知技術(shù)①

邱紀琛，祝艷宏，金曉峰，肖 康

(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310007)

0 引言

光電振蕩器(Optoelectronic oscillator,OEO)是一種由光載射頻鏈路和電學(xué)正反饋回路組成的混合系統(tǒng)，憑借其低相噪，高Q值的優(yōu)勢，正成為在毫米波段中綜合性能最好的振蕩器之一。尤其是在射頻測量、電子對抗、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域[1-22]，光電振蕩器和傳統(tǒng)石英晶體振蕩器相比，能大幅提升電子系統(tǒng)的時鐘信號質(zhì)量，在射頻信號的接收、參量感知方面具有巨大潛力。本文通過調(diào)研基于光電振蕩器的射頻信號接收以及動靜參量傳感器等感知技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為我國軍工技術(shù)的快速發(fā)展提供參考。

1 光電振蕩器的低相噪產(chǎn)生技術(shù)

光電振蕩器是一種可以將激光能量轉(zhuǎn)化為射頻微波能量的新型振蕩器，能產(chǎn)生低相噪，高穩(wěn)定性的射頻信號。最早的結(jié)構(gòu)由X.S.Yao等人提出[2]，如圖1所示，OEO環(huán)路主要由激光器、電光調(diào)制器、低損耗光纖、光電探測器、微波帶通濾波器、低噪聲放大器組成。光信號經(jīng)過電光調(diào)制后經(jīng)過光纖環(huán)路注入光電探測器，再由光電探測器拍頻輸出電信號，電信號再經(jīng)過放大，帶通濾波，移相返回至電光調(diào)制器射頻口。一旦滿足振蕩器的幅度和相位起振條件，OEO就可以輸出高質(zhì)量的特定頻率的射頻信號。由于微波頻率遠低于光頻率，低損耗光纖的儲能性能不易受到微波頻率波動的影響，因此可以輸出幾十GHz甚至幾百GHz的穩(wěn)定振蕩信號。正因為這些優(yōu)勢，OEO開始逐步取代傳統(tǒng)振蕩器應(yīng)用在各種高精領(lǐng)域。

圖1 光電振蕩器原理圖

相位噪聲是衡量OEO性能的重要指標之一，最初研究人員一般選用長光纖提供更長的儲能時間，提升OEO的Q值，降低相位噪聲。但是長光纖也會減小模式間隔，降低頻譜的純凈度。降低OEO相噪還可以采取多種方法，其一就是采取注入鎖定方法[4]。注入鎖定式OEO是在單環(huán)OEO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在振蕩環(huán)路注入一個與OEO自由振蕩頻率接近，但幅度遠小于振蕩主模的射頻信號。由于電光調(diào)制器的非線性引起的競爭效應(yīng)，會抑制其他振蕩模式，保留主模，最終振蕩器鎖定在注入頻率附近。在基于注入鎖定型OEO中，由于利用高穩(wěn)參考注入信號，如：高穩(wěn)晶振、原子鐘及其他高穩(wěn)射頻源等，可以顯著提高OEO的長期穩(wěn)定性，使得在近載頻處相噪由外部注入信號相噪決定，而遠載頻處相噪由OEO自由振蕩的相噪決定，從而降低了整體系統(tǒng)的近載頻處相噪，避免跳?，F(xiàn)象。國內(nèi)外針對注入鎖定型OEO也進行了深入的研究，其中比較典型的有Abhijit Banerjee等人[13]對注入鎖定的動態(tài)過程進行了詳細分析，較為清楚地揭示了注入鎖定在OEO中的鎖相以及頻率牽引機制，并且討論了不同強度射頻信號對于OEO鎖相效果的影響。降低OEO相噪的第二種方法是采取耦合型光電振蕩器結(jié)構(gòu)(Coupled Optoelectronic oscillator, COEO)[5,14,15]。COEO是由光放大器的自發(fā)輻射產(chǎn)生初始光信號，經(jīng)過選頻、放大形成一系列等頻率間隔的光縱模。一部分光信號再經(jīng)由耦合器引出，提供OEO振蕩所需能量。光信號再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、低噪放大、帶通選頻，產(chǎn)生光生電信號耦合至電光調(diào)制器射頻口，形成OEO振蕩環(huán)路。由于諧波鎖模效應(yīng)，經(jīng)過若干周期循環(huán)后，不滿足鎖模條件的縱模將被抑制，滿足鎖模條件的縱模線寬變窄，相位趨于同步，振蕩器的Q值也因此提升，從而降低相噪。降低OEO相噪的第三種措施是利用鎖相環(huán)電路[16,17]補償OEO環(huán)路中的長光纖受溫度、應(yīng)變所引發(fā)的相位漂移，從而提高輸出振蕩信號的穩(wěn)定性，避免跳?，F(xiàn)象的產(chǎn)生。通過比較參考信號與OEO的輸出信號之間的相位，產(chǎn)生相位誤差電壓進而調(diào)整光學(xué)補償器從而改變光域傳輸?shù)纳漕l信號相位，直至OEO輸出信號的相位與參考信號之間的相位差保持常數(shù)。通過穩(wěn)相的方法，提高OEO的相噪性能與穩(wěn)定性。

2 基于光電振蕩器的靜態(tài)量傳感研究

近年來，隨著我國科技水平的不斷進步，越來越多的溫度、應(yīng)力傳感設(shè)備在核電、橋梁堤壩建設(shè)、電力電網(wǎng)等基礎(chǔ)工業(yè)中，發(fā)揮著重要作用，這也對傳感器的穩(wěn)定性提出了更高的要求。OEO以光柵、光纖作為敏感元件，具有更好的耐腐蝕安全性，憑借更好的抗電磁干擾能力，已經(jīng)開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳感器件投入到工業(yè)領(lǐng)域使用。在2008年基于OEO的溫度傳感器首次被提出[8]后，研究人員對其折射率、長度等參數(shù)也進行了深入研究。但目前已發(fā)表的基于光電振蕩器的傳感器解調(diào)方法較為單一，穩(wěn)定性較差。在此背景下，課題組設(shè)計了基于單環(huán)結(jié)構(gòu)的低相噪光電振蕩器的溫度傳感器[11]，對其誤差，靈敏度，解調(diào)范圍進行了深入研究，克服了傳統(tǒng)OEO可能存在的跳模、動態(tài)范圍較小以及低頻溫度漂移帶來的相噪惡化等問題。

2.1 基于單環(huán)光電振蕩器的溫度傳感器

隨著外界溫度的變化，光纖的折射率以及長度也會發(fā)生相應(yīng)改變，OEO的振蕩頻率也會發(fā)生變化?；谶@項特性，基于單環(huán)OEO的溫度傳感器結(jié)構(gòu)也隨之提出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[11]。光電振蕩環(huán)路生成的振蕩信號與本振下變頻后由ADC采集，并進行快速傅里葉計算得出光電振蕩環(huán)路的頻率。此外，整個系統(tǒng)還通過第一章的外部注入鎖定方法，穩(wěn)定光電振蕩環(huán)路初始振蕩頻率，避免出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象，減小實驗系統(tǒng)誤差。當(dāng)待測溫度ΔT變化時，OEO的頻率變化量Δf如式(1)所示，其中α表示熱膨脹系數(shù)，ξ表示熱光系數(shù)，Lh表示傳感光纖長度，L表示OEO環(huán)路長度?？梢婎l率與溫度變化量是線性關(guān)系，因此很容易解調(diào)出溫度數(shù)據(jù)。

(1)

實驗結(jié)果如圖3所示，圖3(a)顯示當(dāng)溫度從20 ℃線性增加到240 ℃時，光電振蕩器的振蕩頻率隨著溫度的升高而線性下降，根據(jù)實驗結(jié)果擬合的曲線線性度為2.18%，其靈敏度為-43.91 kHz/℃。而圖3(b)則記錄了光電振蕩器在不同溫度下10分鐘內(nèi)的頻率波動，并且轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度測量精度。實驗結(jié)果表明，OEO最大頻率波動在±5.5 kHz內(nèi)，測量不確定度為±0.12 ℃，頻率波動隨溫度變化不大?？紤]到光纖加熱器的溫度精度只有0.1 ℃，這表明該溫度傳感器已具備較高精度。

圖2 基于光電振蕩器的溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

(a)振蕩頻率隨溫度變化圖 (b)不同溫度下振蕩頻率波動及對應(yīng)不確定度

2.2 基于受激布里淵散射光電振蕩器的溫度傳感器

受激布里淵散射是指，當(dāng)注入光纖中的光功率達到一定閾值時，會產(chǎn)生頻率高于泵浦光的反斯托克斯光以及頻率低于泵浦光大約9 GHz-12 GHz的斯托克斯光，而低頻的斯托克斯光功率遠大于反斯托克斯光功率。斯托克斯光邊帶帶寬大約幾十MHz，且會隨溫度發(fā)生變化，因此基于受激布里淵散射的光電振蕩器(Simulated Brillouin Scattering Optoelectronic Oscillator，BOEO)可以應(yīng)用于溫度傳感領(lǐng)域[18]。

基于BOEO的溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示[9]，激光器輸出連續(xù)光經(jīng)光耦合器分成兩路，其中一路經(jīng)摻餌光纖放大器放大，進入環(huán)形器1端口作為高功率泵浦光，用以激發(fā)光纖中的布里淵散射，產(chǎn)生對溫度敏感的斯托克斯光邊帶。另一路光信號經(jīng)過擾偏器消除偏振態(tài)后，注入環(huán)形器2端口，構(gòu)成光電振蕩環(huán)路。輸出的振蕩信號經(jīng)頻譜儀解調(diào)其頻率，得到待測溫度。理論上根據(jù)式(2)可知，布里淵頻移與溫度和應(yīng)變均相關(guān)。但應(yīng)變靈敏度 遠小于溫度靈敏度 ，其對實驗結(jié)果影響可忽略。計算可得溫度靈敏度約為1 MHz/℃，相比于單環(huán)OEO的溫度傳感器提高了10倍。

Δf=CεΔε+CTΔT

(2)

圖4 基于受激布里淵散射OEO 的溫度傳感器原理圖

實驗結(jié)果如圖5所示，為BOEO在不同溫度下振蕩的頻譜圖，可見其具有較好的單模振蕩特性，BOEO的振蕩頻率隨溫度的升高而線性增大，隨溫度變化的靈敏度達到了997.67 kHz/℃，與理論值1 MHz/℃十分吻合。因為在解調(diào)時還加入了鎖相環(huán)電路，BOEO并未出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象，因此解調(diào)結(jié)果線性度較好。

(a)BOEO振蕩頻率與溫度間的關(guān)系

(b)不同溫度下BOEO的振蕩頻譜

2.3 基于光電振蕩器的應(yīng)變傳感器

為了解決OEO在工作時，由于光纖環(huán)路的應(yīng)變帶來的低頻抖動甚至跳模等現(xiàn)象。課題組提出了一種基于鎖相跟蹤解調(diào)的應(yīng)變傳感器。該傳感器的設(shè)計思路是，雖然每次實驗時光纖應(yīng)變引起的頻率變化量是不同的，但可以通過鎖相環(huán)控制電控移相器實時抵消應(yīng)力帶來的頻率抖動，使得光電振蕩器的輸出頻率始終鎖定在外部本振頻率。因此，移相器控制電壓的變化就對應(yīng)著光纖的應(yīng)變?？刂齐妷旱淖兓梢酝ㄟ^計算機解調(diào)出來，進而解調(diào)得到應(yīng)變信號。

應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6所示[10]，激光器輸出連續(xù)光進入偏置在正交點的強度調(diào)制器，輸出的調(diào)制光經(jīng)由用于應(yīng)力傳感的單模光纖注入光電探測器，轉(zhuǎn)化為電信號。光生電信號再經(jīng)過窄帶帶通濾波、低噪放大后輸入至電控移相器的輸入端。移相后的電信號由3 dB功分器分為兩路，一路與本振信號鑒相后經(jīng)過低通濾波生成移相器的壓控信號，該壓控信號也作為解調(diào)的輸出信號。功分器的另一路則輸入至強度調(diào)制器的射頻口閉合光電振蕩環(huán)路。

圖6 基于鎖相跟蹤解調(diào)的應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

控制電壓與應(yīng)變大小的關(guān)系如圖7(a)所示，控制信號的電壓隨著應(yīng)變的增大而線性增加，且實驗中的數(shù)據(jù)點都落在直線上，解調(diào)線性度較高。同時對光纖施加了190.48 με應(yīng)變時，測量移相器的長時間穩(wěn)定性的結(jié)果如圖7(b)所示，在160分鐘內(nèi)的電壓波動范圍為±2.3 mV，對應(yīng)著±2 με的測量不確定度，說明振蕩頻率具有較高穩(wěn)定性。圖7(b)中小圖顯示了1秒鐘內(nèi)的移相器控制電壓波動情況，可知其短期內(nèi)波動為±1 mV，對比長期波動可知，該傳感器測量中的環(huán)境溫漂很小，應(yīng)變引起的頻率波動占主導(dǎo)地位，實驗結(jié)果較為可靠。

(a)電移相器控制電壓隨應(yīng)變大小關(guān)系圖

(b)應(yīng)變?yōu)?90.48 με時電移相器控制電壓的穩(wěn)定性

3 基于光電振蕩器的振動傳感研究

高動態(tài)、高靈敏度的振動傳感器在地震監(jiān)測、水聲探測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的光學(xué)振動傳感器諸如光纖光柵、薩格納克干涉儀等，存在著靈敏度較低，解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜等缺點。其中，基于光纖光柵的振動傳感器其典型的最小可檢測動態(tài)相移大約為上百μrad[21]，而傳統(tǒng)干涉儀型傳感器典型的最小檢測動態(tài)相移為數(shù)十μrad[22]。憑借著極低的相位噪聲以及振蕩頻率與振動量的線性關(guān)系，光電振蕩器在眾多傳感技術(shù)中脫穎而出。課題組在前人工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款高靈敏度的基于相移載波光電振蕩器的振動傳感器。

(3)

·cos[ωct+φm(t-τ)]

(4)

圖8 基于相移載波調(diào)制OEO的振動傳感器原理圖

經(jīng)過實驗測試，施加1 kHz，5.5 V與10 kHz，1.25 V的驅(qū)動信號均可使壓電陶瓷環(huán)產(chǎn)生1000 μrad的相移，經(jīng)過一個小時的熱穩(wěn)定后，對1 kHz與10 kHz兩個頻點處進行解調(diào)分析。使用信號分析儀的時域解調(diào)結(jié)果如圖9所示，在1 kHz信號解調(diào)時，OEO頻偏的峰峰值在±1 Hz左右，對應(yīng)相位1000 μrad。10 kHz信號調(diào)制時，振蕩頻偏的峰峰值為±10 Hz，同樣對應(yīng)相位1000 μrad，兩個頻點解調(diào)結(jié)果與壓電陶瓷環(huán)施加相移量一致。

對圖9的時域信號加漢明窗經(jīng)過FFT變換得到的頻譜如圖10所示。1 kHz信號的信噪比達到64.6 dB，當(dāng)信噪比降低到0 dB時，對應(yīng)的最小檢測量為0.58 μrad；而10 kHz信號的信噪比達到73.4 dB，其對應(yīng)的最小檢測量為0.21 μrad，這個結(jié)果要比傳統(tǒng)的光學(xué)干涉儀得到的最佳解調(diào)靈敏度優(yōu)1個量級以上。

(a)1 kHz信號解調(diào)時域波形

(b)10 kHz信號解調(diào)時域波形

圖10 在1000μrad振動下，解調(diào)信號頻譜圖

4 基于OEO的射頻信號接收

射頻接收機是無線通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一。為了滿足5G通信大帶寬，高速率的性能指標，傳統(tǒng)的電子學(xué)射頻接收機需要更高的載波頻率來提升帶寬，但這也會增加系統(tǒng)的成本和能量損耗。近年來，新型的光子射頻接收機憑借其損耗低、頻帶寬、容量大等優(yōu)點有望成為新型接收機的解決方案[12，19，20]。

4.1 基于OEO的光子外差接收機

在實驗時，調(diào)節(jié)可調(diào)帶通濾波器的控制電壓，使得本振頻率從小到大變化。當(dāng)相調(diào)制的待測射頻信號頻率ωRF等于本振頻率ωRF加中頻濾波器的中心頻率時，由式(5)可知，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital converter, ADC)可以監(jiān)測到中頻信號。并且根據(jù)本振信號和中頻信號的各參數(shù)，就可以算出待測信號的幅度和頻率。

(5)

圖11 基于單邊帶可調(diào)OEO的射頻接收機原理圖

在基于單邊帶可調(diào)OEO射頻接收機結(jié)構(gòu)中，在底噪為-148 dBm/Hz的實驗條件下，系統(tǒng)SFDR為73.8 dB·Hz2/3，10.1GHz處最小可探測射頻功率為-84.6 dBm。為了驗證系統(tǒng)的寬帶信號解調(diào)能力，在相位調(diào)制器上調(diào)制載波頻率10.1 GHz，波特率30 Mbps的QPSK矢量信號，解調(diào)后的信號誤差矢量幅度(EVM)為10.3%。

為了提高中頻信號接收效率與結(jié)構(gòu)集成度，如圖12所示的改進結(jié)構(gòu)中，使用單個雙電級調(diào)制器，其中一個射頻口用作待測射頻信號輸入，另一個射頻口則用來閉合OEO環(huán)路，產(chǎn)生本振信號。為了盡可能提高接收機的轉(zhuǎn)換效率和雜散抑制能力，雙電級調(diào)制器需要偏置在最小點，同時為了滿足起振條件，還需要加入光放大器和電放大器來提供增益。在底噪為-135 dBm/Hz的實驗條件下，系統(tǒng)三階SFDR為98 dB·Hz2/3，最小可檢測射頻功率為-114.8 dBm。在同樣的寬帶矢量信號測試條件下，信號解調(diào)誤差矢量幅度降低至5.5%。

圖12 基于雙電極調(diào)制器的光子射頻掃描接收機原理圖

4.2 基于光電振蕩器的鏡頻抑制接收機

外差式接收機憑借其大動態(tài)范圍、高靈敏度以及低雜散的優(yōu)勢在雷達、衛(wèi)星通信、電子對抗等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但外差式接收機最大的問題是容易受到鏡頻信號的干擾，接收到的中頻信號疊加上鏡頻信號噪聲會導(dǎo)致解調(diào)信號的質(zhì)量惡化。因此，抑制鏡頻信號產(chǎn)生的中頻信號，保留期望信號的中頻信號在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中格外重要。由于電子學(xué)的鏡頻抑制接收機受限于工作帶寬和頻率，基于微波光子學(xué)的鏡頻抑制系統(tǒng)成為更有前景的解決方案。Li Peixuan等人曾在2017年提出了一種基于偏振控制器和相位調(diào)制器的鏡頻抑制方案[8]，然而這種方案會引入受偏振影響的相差，惡化了系統(tǒng)相噪特性。2019年，課題組提出了一種利用光電振蕩器作高穩(wěn)本振源，實現(xiàn)鏡頻抑制的新型鏡頻抑制光子接收機方案[7]。

圖13所示的為基于雙電級調(diào)制器的鏡頻抑制光子接收機結(jié)構(gòu)圖。其中激光器輸出窄線寬激光，經(jīng)由一段保偏光纖輸入至雙電級調(diào)制器(DEMZM)，用來調(diào)制射頻信號和本振信號。輸出的光信號經(jīng)光耦合器分成兩路，其中一路光經(jīng)過一段單模光纖后，注入光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號。該路光生電信號再經(jīng)過帶通濾波、放大，反饋至DEMZM的射頻口，形成光電振蕩環(huán)路。光耦合器輸出的另一路光信號，則送入Waveshaper進行處理。Waveshaper的兩個通道分別設(shè)置為不同中心波長的帶通光濾波器，輸出起始光信號的上、下邊帶信號。上、下邊帶兩路光信號再分別輸入至兩路光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，這兩路電信號再經(jīng)過正交耦合器以及低通濾波，從而構(gòu)成鏡頻抑制光子接收機。

圖13 基于雙電極調(diào)制器的鏡頻抑制光子射頻接收機原理圖

(a)0.85 GHz II 和IF 信號正交合成后的時域波形

(b)0.85 GHz II 和IF 信號正交合成后的頻譜圖

為了驗證該結(jié)構(gòu)的鏡頻抑制性能，在DEMZM上輸入13.15 GHz鏡頻信號。圖14(a)為射頻信號和鏡頻信號下變頻后輸出的IF和II信號正交合成的時域波形。IF信號幅度為69.1 mV，而II信號僅為0.5 mV。圖14(b)所示的則是IF和II信號的頻譜圖，可以看到，IF信號功率為-13.2 dBm，而II信號功率小于-55.8 dBm，這表明該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的鏡頻抑制比達到42.6 dB。

為了檢測對寬帶信號的抑制能力，在DEMZM調(diào)制上載頻14.85 GHz，波特率大小為30 Mbps的QPSK矢量信號。光電振蕩器產(chǎn)生14 GHz的本振信號，其鏡像頻率為13.15 GHz，中頻信號為0.85 GHz。圖15(a)和圖15(b)分別為射頻和鏡頻解調(diào)后的星座圖，可以看到射頻信號解調(diào)后的星座圖較為清晰，EVM僅為6.2%，而鏡頻信號的已經(jīng)無法解調(diào)，說明該結(jié)構(gòu)對寬帶信號同樣有很好的鏡頻抑制能力。

(a)射頻信號解調(diào)后的星座圖

(b)鏡頻信號解調(diào)后的星座圖

5 結(jié)論

針對航天系統(tǒng)信號參量感知的應(yīng)用需求，文章介紹了幾種基于低相位噪聲光電振蕩器的幾種新型參量感知技術(shù)。實驗驗證了基于光電振蕩器的高精度溫度、大范圍應(yīng)變傳感器，高靈敏微弱振動信號檢測器以及具有鏡頻高度抑制的射頻信號外差接收機。隨著低相噪、高穩(wěn)定、高集成化、可調(diào)諧等技術(shù)的發(fā)展，未來基于低相噪光電振蕩器的參量感知必將在我國航天等國防領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

致謝

本文的部分研究工作得到中國衛(wèi)星海上測控部趙文華研究員、叢波高工以及西安空間無線電技術(shù)研究所譚慶貴博士、王國永博士等同志的合作支持，在此深表謝意。