基于激光外调制的频率可调谐光电振荡器

方 杰,王 菊,于晋龙,马 闯,谢田元,于 洋,刘 莉,彭海涛

(天津大学电气自动化与信息工程学院光纤通信实验室,天津 300072)

1 引 言

高性能微波源作为一切微波领域应用的基础,其相位噪声、频谱纯度和稳定性等指标直接影响航空航天、仪器测量、雷达等诸多领域中电子设备的性能[1-3]。随着应用需求的提高,传统微波源的噪声性能已接近极限[4]。光电振荡器(OEO)是一种高频谱纯度的新型微波信号发生器,其Q值高达1010量级,能够产生频率高达数百GHz的微波信号,且相位噪声低至-160 dBc/Hz@10 kHz,是一种非常理想的高性能微波振荡器[5]。

随着OEO相位噪声和边模抑制性能的不断完善[6-8],频率可调谐性成为了其实用化的阻碍,如何在兼顾低相位噪声和高边模抑制性能的同时产生频率可调谐的振荡信号成为了人们的研究热点。为了实现OEO输出频率的可调谐,Zhu等人提出了基于YIG电可调滤波器的OEO方案,方案中通过调节YIG滤波器的中心频率,成功地产生了8 GHz～10.675 GHz范围内可调的微波信号[9],这种方案输出信号的频率可调范围及步进完全由YIG滤波器的性能决定,因此输出信号的相位噪声较差,仅为-90.69 dBc/Hz @10 kHz。此外,为了保证输出信号的边模抑制效果,方案中通常需采用双环OEO结构,增加了系统的复杂性。

为了摆脱YIG滤波器对可调谐OEO系统性能的限制,Gao等人[10]提出了一种基于相移光栅的可调谐OEO方案。该方案通过调谐载光学波的波长实现输出频率的可调谐性,产生了6.6 GHz～13.1 GHz范围内可调谐的微波信号。但是由于相移光栅对于光源稳定度要求比较高,对于环境变化较为敏感,因此其稳定性较差；另外,方案中采用偏振双环来优化边模抑制,要求系统具有高消光比以及较高的偏振稳定性,因此输出信号的相位噪声较差,仅为-101.9 dBc/Hz @10 kHz。

上述两种方案为了提高输出信号的边摸抑制效果均采用了双环路OEO架构,增加了系统的成本和复杂性。为了避免这种情况,Jiang[11]等人提出了一种基于DFB腔注入锁定效应的可调谐光电振荡器的方案,产生了频率范围为18.7 GHz ～21.6 GHz的可调谐微波信号。该方案中通过注入锁定实现边模抑制,调节注入光波长和功率实现输出信号的频率可调谐。但由于无法精细控制注入光波长和功率,因此输出信号的调谐步进非常大。

为了实现OEO频率的精细可调谐,文献[12]提出了一种基于电增益环腔的精细调谐OEO,通过调节电移相器偏置电压实现输出频率的可调谐,产生了中心频率在11.3 GHz附近、可调谐范围为239 MHz、调谐最小步长为100 kHz的输出信号。方案中采用了直调激光器实现OEO振荡,虽然减少了调制器的使用,降低了成本,但是由于直调激光器内部载流子浓度的变化存在扰动,导致OEO产生信号的相噪性能较差,此方案中获得信号的相位噪声仅为-99 dBc/Hz @10 kHz；另外由于无法单独调节OEO光电腔增益与电增益环腔增益至最佳匹配状态,导致该系统边模抑制效果较差,仅为48 dB；此外,该方案中通过调节移相器改变电增益环腔输出信号频率的过程中并未调节OEO腔长与之匹配,进而无法使得整个系统工作在最佳状态。

为了改善可调谐OEO的相位噪声、边模抑制效果,实现频率连续可调谐,本文提出了一种基于激光外调制的频率可调谐OEO方案,并进行了实验验证。该方案采用了激光器与外部调制器的结构,虽然相比直调激光器提高了成本,但调制器内部的载流子浓度变化相对稳定,可以提高OEO输出信号的相噪性能；同时该方案中在电增益选频腔和OEO环腔内部分别加入电放大器,可以单独调节两个环腔的增益,使两者达到最佳匹配状态,改善边模抑制效果。在上述结构的基础上搭建OEO验证实验,得到了在10.05 GHz～10.09 GHz约40 MHz范围内的频率连续可调谐输出信号,输出频率为10.0519 GHz时的边模抑制比达到了60 dB,相位噪声为-115 dBc/Hz @10 kHz。

2 实验原理

基于激光外调制的频率可调谐OEO实验系统如图1所示,该系统由半导体激光器(LD)、马赫曾德尔调制器(MZM)、单模光纤(SMF)、可调光衰减器(VOA)、光延时线(ODL)、光电探测器(PD)、电放大器(EA)、电衰减器(ATT)、带通滤波器(BPF)、电移相器(PS)和功分器(MC)等器件组成。系统主要由单环OEO即环路1(loop 1)和电增益选频腔即环路2(loop 2)构成,电增益选频腔由电衰减器、电放大器、电移相器和微波滤波器构成,系统的输出信号由MC3的c口输出,系统输出信号的频率由OEO和电增益选频腔共同决定。

图1 基于激光外调制的可调谐OEO实验框图Fig.1 Structure of tunable OEO based on laser external modulation

在电增益选频腔中,令MC1、BPF和MC2这段路径的腔长为L1,MC2、ATT2、EA4、PS、EA5、ATT1和MC1这段路径的腔长为L2。根据文献[12]中的推导公式可得,电增益选频腔输出的微波信号为

(1)

其中,Pout是OEO产生的一个随机信号在电选频腔中振荡n次后,输出微波信号的功率;P0是OEO随机信号的功率;GP是电选频腔的功率增益;φ1是环路2中L1对应路径的延迟相位变化;φ2是环路2中L2对应路径的延迟相位变化。

用Matlab对公式(1)进行仿真,令L1=2 m,L2=3 m,选取电滤波器的带宽为10.05 GHz～10.09 GHz,仿真波形如图2(a)所示,起振中心频率约为10.072 GHz。

对于同一腔长的电增益选频腔,输入的随机信号P0的频率f不同,对其的幅频响应也不同。调节PS的偏置电压,改变电增益选频腔中振荡频率的时延,等效改变电选频腔腔长,可以改变电选频腔对于相同频率的幅频响应,最终输出信号的频率发生变化。在仿真过程中,以步进0.0003 m改变L2长度4次,等同于以0.1 V的调节精度改变移相器偏置电压4次,L2长度每增加0.0003 m,增益选频腔的中心频率对应变化了约400 kHz,如图2(b)所示。通过控制移相器偏置电压等效改变电增益选频腔的腔长,可以有效改变其输出频率,从而控制OEO输出频率。

由Paciorek[13]和Adler的理论推导可知,当两个信号的频率差满足|fo-fi|≤ω时(fi为注入源信号频率,fo为被注入信号频率,ω为锁定带宽),可以实现电注入锁定。本实验中,单环OEO自由振荡产生的信号为被注入信号,电增益选频腔产生的信号为注入源信号。

图2 电增益选频腔输出信号仿真Fig.2 Simulation of electrical gain frequency selective resonator cavity output signal

单环OEO腔长约为2 km,远大于电增益选频腔腔长,OEO起振模式间隔为100 kHz,远小于电增益选频腔起振模式间隔。

图3 频率可调谐OEO起振原理图Fig.3 Schematic of frequency tunable OEO

在调节PS的偏置电压时,如图3(b)中虚线位置所示,电增益选频腔输出信号频率最坏的情况是移动到OEO两个相邻起振模式的中间。如图3(a)中虚线位置所示,将OEO起振模式移动半个波长,OEO起振模式与电增益选频腔之间便可满足电注入锁定条件,实现OEO与电增益选频腔之间的电注入锁定。本实验中,通过调节ODL来改变OEO环腔腔长,移动半个波长等效于改变OEO腔长约1 cm,通过调节ODL完全可以实现。当电增益选频腔中微波信号与单环OEO内起振信号满足电注入锁定条件时,锁定信号功率被放大,从而大于其他模式,在腔内多次反馈最终抑制其他模式形成稳定输出。最终输出频率如图3(c)所示,由实线位置移动到虚线位置。

3 实验结果分析

将图1中MC1的c口和MC2的c口断开,即为单环OEO结构。将频谱分析仪(ESA,Aglient 8564EC)扫频宽度(SPAN)设置为250 kHz,分辨率(RBW)设置为3 kHz,测量所构造的单环OEO频谱图如图4(a)所示,可以看出OEO振荡在10.1395 GHz附近,中心频率的功率为-2 dBm,边模抑制比为37 dB,边模比较明显；从图4(b)所示的相位噪声图中可以看出,单环OEO振荡的输出频率在10 kHz频偏处的相位噪声大约是-115 dBc/Hz。

图4 单环OEO电谱及相位噪声Fig.4 The spectra and phase noise of single ring OEO

将图1中MC1的a口和MC2的a口断开,测量带通滤波器和移相器等器件构成的电增益选频腔性能,其频谱如图5(a)和图5(b)所示,中心频率约为10.0923 GHz,功率约为6 dBm。图5(c)是信号的相位噪声图,在10 kHz频偏处的相位噪声为-27.5 dBc/Hz,相位噪声性能比较差。

图5 选频腔频谱Fig.5 The spectra of frequency selective resonator cavity

将上述单环OEO和电增益选频腔结合,构造基于激光外调制的频率可调谐OEO,移相器PS的偏置电压设置为VΔφ=2.5 V,调节ODL使OEO与电增益选频腔匹配,得到的频谱如图6(a)所示,可见OEO振荡频率约为10.0519 GHz,中心频率功率约为7 dBm,边模抑制比约为60 dB,其边模抑制比明显优于单环OEO以及电增益选频腔,该振荡频率是由电选频腔与OEO环腔的振荡频率电注入锁定决定。从图6(b)所示的相位噪声图可以看出,其相位噪声约为-115 dBc/Hz @10 kHz,与单环OEO相位噪声性能相近。

图6 基于激光外调制的OEO性能测量结果Fig.6 Performance measurement results of OEO based on laser external modulation

电选频腔输出频率为注入源信号,单环OEO振荡频率为被注入信号,调节移相器PS的偏置电压VΔφ同时调节ODL使选频腔信号与单环OEO信号发生电注入锁定,实现对OEO输出信号频率的连续调谐。记录调谐过程中OEO信号的频谱,如图7所示,移相器PS偏置电压在2.5～12.6 V范围内,调节步进为0.1 V时,实现了OEO输出频率在10.05 GHz～10.09 GHz约40 MHz的范围内连续可调谐,调谐步长约为400 kHz。本实验验证了基于激光外调制的频率可调谐OEO方案的可行性,通过改变移相器的偏置电压来控制电增益选频腔的腔长,实现了输出振荡频率的连续调谐,单环OEO与电选频腔的结合形成光电双环路OEO有利于优化边模抑制,且不会引入新的噪声或增加系统的控制复杂度。

图7 输出信号频谱图Fig.7 The spectra of output signal

4 结 论

本文提出了一种基于激光外调制的频率可调谐OEO方案,并对系统进行了理论分析和实验验证。利用微波滤波器、电衰减器和电移相器等器件构成电增益选频腔,通过控制电选频腔内PS偏置电压来调节其输出频率,其产生的微波信号对OEO自由振荡的信号进行频率牵引,实现了振荡频率在10.05 GHz～10.09 GHz约40 MHz范围内的连续调谐,调谐精度约为400 kHz,与仿真结果一致。此方案不需要增加过多的有源器件,不仅实现了有效的边模抑制,而且几乎不会引入新的噪声,系统的控制复杂度较低,通过同时调节PS和ODL便可实现输出频率的连续调谐,系统结构较为简单,成本较低。实验中对移相器偏置电压调节步进可以达到0.1 V,后续实验中通过更精细准确控制移相器偏置电压,可以缩短OEO的调谐步长,实现更加精细的频率调谐；或者选用带宽较宽的电滤波器,同时缩短电增益选频腔腔长,扩大电增益选频腔起振模式间隔,从而扩大OEO调谐范围,可以实现更大范围的频率调谐。