基于電吸收調(diào)制激光器的雙功能微波光子系統(tǒng)

江芝東，謝溢鋒，周沛，2，唐志剛，李念強，2

（1 蘇州大學 光電科學與工程學院，蘇州 215006）

（2 蘇州大學 教育部現(xiàn)代光學技術重點實驗室，蘇州 215006）

0 引言

微波信號源是導航、雷達、通信等系統(tǒng)的關鍵部件［1-2］，其性能對現(xiàn)代射頻（Radio-frequency，RF）系統(tǒng)有著舉足輕重的影響。光電振蕩器（Optoelectronic Oscillator，OEO）是一種新型的微波信號源，能夠直接產(chǎn)生低相位噪聲的高頻微波信號［3-4］。因此，OEO 被視作一種極具潛力的高性能微波信號產(chǎn)生的方案。相位噪聲是評價包括OEO 在內(nèi)的微波信號源性能的重要參數(shù)之一。當前，研究人員已提出并實現(xiàn)了一系列的相位噪聲測量（Phase Noise Measurement，PNM）方法，包括直接頻譜法、鑒相法和鑒頻法［5］，以準確測量微波信號源的相位噪聲。在上述方法中，鑒頻法由于無需額外的低相噪微波振蕩器作參考源，吸引了研究人員的廣泛關注。然而，由于該方法的測量靈敏度與延時有關，受限于電纜的高損耗，其測量靈敏度有限。為此，研究人員提出了一種基于光延時線的PNM 方法，通過一卷低損耗的光纖代替電纜來提供長延時，從而提高了測量靈敏度［6］。近年來，為提高基于光延時線PNM 系統(tǒng)的整體性能，研究人員開展了大量的工作［7-10］。例如，通過采用微波光子移相器和微波光子混頻器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光延時線PNM 系統(tǒng)中的電移相器和電混頻器，以擴展工作帶寬［7-8］。在文獻［9，10］中，利用數(shù)字相位解調(diào)技術來免除相位噪聲測量中的校準過程，以提高測量速度。然而，現(xiàn)有基于光延時線的PNM 方案的一個普遍問題在于，過多分立的電子和光學元件的使用使得系統(tǒng)體積龐大，且耦合損耗高。此外，目前光延時線PNM 系統(tǒng)的功能性較為單一，僅具備相噪測量的功能，具有雙功能或多功能的方案鮮有報道［11］。但是，在基于OEO 的射頻系統(tǒng)，特別是信號產(chǎn)生系統(tǒng)［12］的研制、優(yōu)化與工作過程中，為及時評估信號源的質(zhì)量并作出相應的參數(shù)調(diào)整以優(yōu)化其性能，研發(fā)一種成本低廉、簡單緊湊的相位噪聲測量方案十分必要。

本文提出了一個基于光子學的雙功能系統(tǒng)，利用電吸收調(diào)制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）實現(xiàn)了微波信號的產(chǎn)生和相位噪聲的測量。在該系統(tǒng)中，基于EML 搭建了一個結(jié)構(gòu)緊湊的OEO，同時通過基于EML 的光延時線方法實現(xiàn)了相位噪聲測量。通過單個EML 代替激光器和強度調(diào)制器［13-14］，本方案所提出的基于光子學的雙功能系統(tǒng)不僅具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，且性能表現(xiàn)優(yōu)異。實驗中，基于EML 的OEO 模塊生成的9.952 GHz 微波信號的邊模抑制比（Side Mode Suppression Ratio，SMSR）為66 dB，相位噪聲為-116.53 dBc/Hz@10 kHz，其相噪表現(xiàn)優(yōu)于商用信號源Anritsu MG3692B。此外，PNM 模塊的測量靈敏度達-133.71 dBc/Hz@10 kHz，優(yōu)于商用信號分析儀R&S FSV40。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能在產(chǎn)生高質(zhì)量微波信號的同時，靈活地為任意內(nèi)部或外部微波信號源提供高靈敏度相位噪聲測量的解決方案。

1 實驗裝置與原理

基于EML 的微波信號產(chǎn)生和相位噪聲測量的雙功能系統(tǒng)的原理示意如圖1，其關鍵元件是一個10 GHz 的EML，它由一個激光二極管和一個電吸收調(diào)制器單片集成［14-15］。系統(tǒng)中，OEO 模塊與PNM 模塊共用一個EML，用作光載波的產(chǎn)生與強度調(diào)制，隨后經(jīng)一個80∶20 的光耦合器1，將EML 的輸出信號分成兩部分，分別用于OEO 模塊和PNM 模塊。

圖1 基于EML 的微波信號產(chǎn)生和相位噪聲測量雙功能系統(tǒng)的原理示意Fig.1 Schematic of the EML-based dual-functional system for microwave signal generation and phase noise measurement

1.1 光電振蕩器模塊

在OEO 模塊中，EML 產(chǎn)生的調(diào)制光信號首先通過一卷單模光纖1，隨后經(jīng)一個50∶50 的光耦合器2 分為兩束。其中一半光信號直接輸入光電探測器1，而另一半則經(jīng)另一卷單模光纖2 后輸入光電探測器2。經(jīng)光電探測器1 和光電探測器2 作光電轉(zhuǎn)化后，輸出的兩路電信號經(jīng)一個50∶50 的電耦合器耦合為一路，依次通過一個低噪聲放大器1 和一個帶通濾波器后反饋回EML 中，以形成一個閉合的振蕩環(huán)路。其中，使用了雙環(huán)結(jié)構(gòu)以抑制振蕩腔內(nèi)的邊模［16］，且在長環(huán)路中插入了一個移相器來調(diào)節(jié)該環(huán)路的等效長度。最終，所生成的微波信號經(jīng)電功分器輸出，以便輸入商用信號分析儀或PNM 模塊測量其振蕩頻率與相位噪聲。

1.2 相位噪聲測量模塊

PNM 模塊中，來自OEO 模塊或其他模塊的待測微波信號經(jīng)功分器分為兩個支路。在下支路中，待測微波信號直接輸入混頻器的一端。在上支路中，來自EML 的調(diào)制光信號通過單模光纖3 以獲得長延時，隨后經(jīng)過可調(diào)光延時線，從而引入上下兩支路間可調(diào)諧的相位差。隨后，光信號輸入光電探測器3 轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)低噪聲放大器2 作功率補償后，再輸入混頻器與下支路信號相混頻。最后，經(jīng)低通濾波器提取混頻器輸出的基帶信號，輸入快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）分析儀中計算待測微波信號的相位噪聲［6］。

2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)圖1 搭建了基于EML 的微波信號產(chǎn)生和相位噪聲測量雙功能系統(tǒng)。實驗中，使用的EML 為Fiber-photonics 公司生產(chǎn)的商用器件，中心波長為1 551.32 nm，3-dB 帶寬為10 GHz。光電探測器1 和光電探測器2的3-dB帶寬為30 GHz，靈敏度為0.85 A/W。光電探測器3的3-dB帶寬為18 GHz，靈敏度為0.8 A/W。帶通濾波器的3-dB 帶寬為20 MHz，中心頻率為9.95 GHz。低噪聲放大器1 和低噪聲放大器2 的工作頻率范圍為8～18 GHz，增益為45 dB?？烧{(diào)光延時線的調(diào)諧范圍為0～1 500 ps，調(diào)節(jié)精度為10 fs。低通濾波器的3-dB 截止頻率為5 MHz。由Keysight 公司生產(chǎn)的N9020A FFT 分析儀被用于采集LPF 輸出的基帶信號并作相位噪聲計算。OEO 的性能主要由帶寬為40 GHz 的商用信號分析儀R&S FSV40 表征，其光譜由分辨率為0.02 nm 的光譜分析儀Ando AQ6317B 監(jiān)測。

2.1 光電振蕩器模塊的性能測試

在OEO 模塊中，首先對EML 的特性進行了研究。如圖2，通過調(diào)節(jié)電吸收調(diào)制器的偏置電壓，測量其對應的輸出光功率：當反向偏置電壓從0 V 增加到-1.5 V 時，EML的輸出功率從5.39 dBm 下降到-2.01 dBm。

圖2 EML 輸出功率與其偏置電壓的關系Fig.2 EML output power versus its bias voltage

實驗中，選取的單模光纖1 和單模光纖2 的長度分別為2 km 和0.1 km。當EML 中電吸收調(diào)制器的偏置電壓為-0.7 V 時，測量了OEO 信號的光譜和頻譜。圖3（a）為EML 輸出端的光譜，可以觀察到幾個等間距的光邊帶，該結(jié)果意味著OEO 環(huán)路中已形成了一個穩(wěn)定的模式振蕩。這一結(jié)論可以通過觀察信號的頻譜作進一步驗證。如圖3（b），將電功分器的輸出端連接信號分析儀，可以觀察到一個頻率為9.952 GHz 的微波信號。需要指出的是，通過在反饋環(huán)路引入可調(diào)的信號延時或相位，可在濾波器的通帶范圍內(nèi)實現(xiàn)一定的頻率調(diào)節(jié)能力。進一步通過采用中心頻率可調(diào)的電濾波器或微波光子濾波器，可使OEO 具備更大范圍的頻率調(diào)節(jié)能力［17-20］。此外，由于2 km 和2.1 km 的雙環(huán)結(jié)構(gòu)所引起的游標卡尺效應，振蕩腔內(nèi)的邊?？梢缘玫接行У囊种?。因此，信號的SMSR 達到了66 dB。

圖3 OEO 模塊的光譜與頻譜Fig.3 Optical and electrical spectra of the OEO module

2.2 相位噪聲測量模塊的性能測試

對PNM 模塊的性能進行了相應測試。為驗證基于EML 的PNM 模塊的測量準確性，首先測量了一個10 GHz 微波振蕩器（BZB10G）的相位噪聲。實驗中，EML 的偏置電壓保持在-0.7 V，使用的單模光纖3 長度為2 km。圖4 給出了PNM 模塊（黑色曲線）和R&S FSV40（紅色曲線）的相位噪聲測量結(jié)果的比較。如圖4，基于EML 的PNM 模塊在偏移頻率大于1 kHz 時，與商用信號分析儀的相位噪聲測量結(jié)果保持著較好的一致性，證明了所構(gòu)建的PNM 系統(tǒng)的測量結(jié)果是可信的。在頻偏小于1 kHz 時，測量結(jié)果存在著輕微的差異，該差異可能是由于光電探測器3 的閃爍噪聲所引起的［21］。

圖4 10 GHz 微波振蕩器的相位噪聲Fig.4 Measured phase noise of a 10 GHz microwave oscillator

為驗證PNM 模塊的測量靈敏度，根據(jù)文獻［7］中所述的方法，使用一個具有相同損耗的光衰減器代替長度為2 km 的單模光纖3，測量了PNM 模塊的相位噪聲基底。作為比較，圖5（a）中繪制了商用信號分析儀的相位噪聲基底。在10 GHz 載波下，PNM 模塊在10 kHz 頻偏處的相位噪聲基底為-123.73 dBc/Hz，優(yōu)于R&S FSV40（約-104.9 dBc/Hz @10 kHz @10 GHz），該結(jié)果證明了PNM 模塊的高測量靈敏度。如圖5（b），還探究了使用不同長度單模光纖3 時PNM 模塊的相位噪聲基底。實驗結(jié)果表明，隨著光纖長度的增加，測量系統(tǒng)的靈敏度得到了提高，但測量的有效頻偏范圍也隨之減?。?］。具體地，當光纖長度為5 km時，PNM 模塊的相位噪聲基底達-133.71 dBc/Hz @10 kHz。

圖5 PNM 模塊的相位噪聲基底Fig.5 Phase noise floor of the proposed PNM module

2.3 雙功能系統(tǒng)的性能測試

使用PNM 模塊測量了OEO 模塊產(chǎn)生的9.952 GHz 信號的相位噪聲。如圖6 所示，探究了相位噪聲與EML 偏置電壓和光纖長度的變化關系。圖6（a）為當單模光纖1 的長度固定為2 km 時，在不同的EML 偏置電壓下測量的OEO 的相位噪聲。當偏置電壓為-0.1 V、-0.4 V、-0.7 V 和-1.0 V 時，10 kHz 頻偏處OEO的相位噪聲分別為-109.62 dBc/Hz、-110.89 dBc/Hz、-113.82 dBc/Hz 和-111.97 dBc/Hz。結(jié)果表明，所生成微波信號的相位噪聲均低于-109 dBc/Hz @10 kHz，且其波動保持在4.2 dB 以內(nèi)。圖6（b）給出了使用三段不同長度的單模光纖1（1 km、2 km 和5 km）時，所生成微波信號的相位噪聲結(jié)果，其中單模光纖2 長度固定為0.1 km，EML 偏置電壓保持在-0.7 V。隨著光纖長度的增加，由于OEO 的品質(zhì)因數(shù)的提高，所生成信號的相位噪聲也隨之降低，該實驗結(jié)果與理論相吻合［3］。當使用1 km、2 km 和5 km 的單模光纖1 時，10 kHz 頻偏處的相位噪聲分別為-107.52 dBc/Hz、-113.82 dBc/Hz 和-116.53 dBc/Hz。

圖6 由PNM 模塊測得的OEO 模塊的相位噪聲Fig.6 Phase noise of the OEO module measured by the PNM module

如圖7 所示，比較了使用2 km 單模光纖1 時，基于EML 的OEO 與商用信號源（Anritsu MG3692B）產(chǎn)生的同頻信號的相位噪聲?？梢钥闯觯琌EO 在大于1 kHz 頻偏處，具備更好的相噪表現(xiàn)。具體而言，OEO 生成的微波信號的相位噪聲達-113.82 dBc/Hz@10 kHz，較Anritsu MG3692B（-88.3 dBc/Hz@10 kHz）低25.52 dB。然而，由于系統(tǒng)中閃爍噪聲的影響［2］，OEO 模塊在低頻偏處的相位噪聲較高。通過使用低相位噪聲的放大器和其它低噪聲的器件來減小系統(tǒng)內(nèi)的閃爍噪聲，可以進一步抑制OEO 在頻偏小于1 kHz 處的相位噪聲。

圖7 OEO 模塊與Anritsu MG3962B 的相位噪聲Fig.7 Measured phase noises of the OEO module and Anritsu MG3962B

3 結(jié)論

本文提出并實驗驗證了一個基于光子學的雙功能系統(tǒng)，系統(tǒng)可同時實現(xiàn)微波信號的產(chǎn)生和相位噪聲的測量。利用單個EML 代替激光器和強度調(diào)制器，所提出的基于光子學的雙功能系統(tǒng)不僅具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，且性能表現(xiàn)優(yōu)異。實驗中，基于EML 的OEO 模塊所生成的9.952 GHz 信號的SMSR 為66 dB，相位噪聲為-116.53 dBc/Hz@10 kHz，較Anritsu MG3692B 生成同頻信號的相位噪聲低25 dB 以上。此外，PNM 模塊的相位噪聲基底達-133.71 dBc/Hz@10 kHz，其測量靈敏度優(yōu)于商用信號分析儀R&S FSV40。實驗結(jié)果表明，該雙功能系統(tǒng)能夠同時產(chǎn)生高性能的微波信號，并為OEO 的相位噪聲測試提供了簡單的解決方案。該方案將有利于在基于OEO 的射頻系統(tǒng)，特別是信號產(chǎn)生系統(tǒng)的研制、優(yōu)化與工作過程中，及時評估信號源的質(zhì)量并作出相應的參數(shù)調(diào)整以優(yōu)化其性能。因此，本方案適用于需產(chǎn)生高質(zhì)量微波信號，并同時需對系統(tǒng)內(nèi)部或外部不同微波信號的相位噪聲作測量的情境。