基于自插入自锁相多模半导体激光模间振荡的X波振荡器

俞浩

（江苏省无锡交通高等职业技术学校 江苏省无锡市 214151）

1 前言

低相位噪声的射频信号源是许多射频应用中核心技术相参检波的重要组成部分，例如陆地，空间通信，高分辨率遥感等等。传统方法受限于使用晶振倍频带来的高功耗，大体积，较高的幅度调制噪声从而引入的相位调制噪声，因此其综合性能远远落后于基于自插入自锁相技术的强迫振荡器。为了产生覆盖X-波段以及K-波段的稳定可调射频信号，基于电调节钇铁石榴石滤波器和光调节横向滤波器的光电振荡器曾被报道于。该光电振荡器的未来发展方向将会主要集中于芯片级多模激光器的集成。利用多模半导体激光器产生射频信号主要有两种方法：一是使用两个对称激光器的拍频输出，二是运用多模激光器模间相互振荡。第一种方法因为极高的光学输出频通常应用于产生几百吉赫兹的射频信号，但同时其信号线宽较差，一般为数十兆赫兹；第二种方法得益于利用多模半导体激光器的模间相互振荡，输出频率通常在数十吉赫兹，射频信号最高输出频率为40GHz。但是，关于第二种方法中的多模半导体激光器模间振荡的锁模都得益于纯净的外部射频信号，其自由模间振荡射频输出的稳定性仍有待提高。

本文中，笔者将会提出一种基于布拉格反射镜的多模半导体激光器，这种半导体激光器将会用于产生无需任何外部参考信号的稳定射频输出。该多模半导体激光器由荷兰SmartPhotonics代工厂的磷化铟晶圆分享计划代工。

该半导体激光器一共有四大组成部分，分别是增益介质（SOA），相位调制器（PM），分布式布拉格反射镜（DBR）以及电吸收调制器（EAM）。其中增益介质部分是由砷化铟镓/磷化铟 (InGaAs/InP) 多量子阱结构构成用来产生1550纳米的光信号。前后两个布拉格反射器将作为滤波反射镜以形成激光器的完整腔体，该反射镜的带宽将会与激光器的有效多模数量直接相关。相位调制器可以用来调节射频信号输出频率，其实现原理为利用磷化铟材料的折射率随静态偏置电压变化的特性，改变其偏置电压从而改变相位调制器的有效腔长从而最终改变射频信号输出频率。同时，该相位调制器的动态调制也将会作为自锁相环节中非常重要的一部分。最后，在激光器腔体之外的电吸收调制器主要利用其不同偏置电压下不同的波长吸收率，从而实现调整多模有效输出模式数量的目的。该多模激光器的输出将会连接在一个高速光电探测器（Discovery Semiconductor DSC50S）上，从而将其多模模间相互振荡的射频输出呈现在相位噪声分析仪上。除了以上提到的基于磷化铟芯片的紧凑型多模激光器设计，新型的强迫振荡技术自插入自锁相也会被应用于该激光器从而进一步降低输出射频信号的相位噪声并且提高激光器模间振荡的稳定性。最后，在本文中，使用优化过长度的光纤延迟的自插入自锁相多模半导体激光器将会实现目前报道文献中最好的射频相位噪声输出并且完全摆脱对外界纯净参考信号源的依赖。

2 多模半导体激光器的设计

2.1 多模半导体激光器的参数设定

多模半导体激光器前后为两个布拉格反射镜的长度分别为200μm和600μm。相位调制器的设计长度是1250μm，增益介质则为800μm。不同部分之间由浅蚀刻的波导连接从而形成完整的激光腔体。其中激光腔体的物理总腔长大约为4000μm，因此其对应多模激光器的多模模间振荡频率为11.5GHz。受限于布拉格反射镜带宽，增益介质的有效增益频宽大约为80GHz。位于激光器腔体之外的电吸收调制器长度为200μm，其主要作用为提供基于波长的光强度控制从而改变输出的有效模式数量。在芯片上，三条供电连接线将连接各个主要器件从而提供直流偏置给增益介质，相位调制器和电吸收调制器。最后，一个穿孔型地接口将在芯片表面提供接地用以服务放置探针。

实验中的芯片放置以及必要的温度控制系统如图1所示。其中放置于机械探针台的电学微探针将提供必须的直流/交流信号给芯片的三大主要部件，同时，透镜光纤将通过同样放置于机械探针台的光学探测设备检测芯片的激光输出。芯片下方将放置一条形黄铜片，用以连接珀尔帖冷却器与芯片。该温控系统还包括一个温敏电阻以及激光器温度控制器（Thorlabs TED8040）用以提供恒定的20°C环境温度，其中温度变化范围始终保持在+/-0.2°C以内。

图1：布拉格反射器多模半导体激光器测试环境

2.2 多模激光器模间的实验分析

激光器的光学输出将通过棱镜光纤连接在光学频谱仪（Anritsu MS9710C）上进行检测。同时，其通过光电探测器之后的射频信号将连接相噪分析仪（R&S FSWP26）进行分析。半导体激光器中的相位调制器以及电吸收调制器的起始偏置将设置在0V用以进行初始测量和静态校准。该激光器的测量结果如表1所示，其中主要有5个输出模式。

表1：多模激光器输出波长及其对应输出功率

当增益介质插入电流为80mA时，其基础模式的光功率为-12dBm，波长为1550.85nm。 多模输出各个模式之间的间隔大约为11.5GHz，该间隔与估计的有效腔长13.065mm相吻合。在无强迫振荡的介入下，自由多模模间振荡的射频输出如图2所示。其中射频信号输出频率为11.5496GHz, 输出功率为-10.59 dBm。此时增益介质的插入电流仍然为80mA，相位调制器以及电吸收调制器偏置电压为0V。

图2：多模激光器模间自由振荡射频输出：中心频率=11.5496 GHz，输出功率=-10.59 dBm。

多模模间相互振荡及其频谱纯净度在这里被进一步分析，其中包括其近载波相位噪声以及相关的时间抖动。测量结果如图3所示，其中相位噪声的表现很差。在自由振荡时，其在1kHz和10kHz频率偏移处相位噪声分别为-5dBc/Hz以及-30dBc/Hz。保持运行状态并用相噪分析仪进行10分钟测量，该输出频率中心偏移超过30MHz。另外经过计算，该自由振荡器时间抖动在频率偏移1kHz至1MHz范围内为266.1ps。

图3：近载波相位噪声，显示范围1kHz频率偏移至1MHz频率偏移

除了固定射频频率输出，如前文所述，调节相位调制器的直流输入电压可以改变激光器模间振荡输出频率。通过将-5V—+1V的直流电压加在相位调制器上，可以改变该相位调制器的光波导内的折射率，从而分别带来20°/mm到17.5°/mm的相移并最终改变多模半导体激光器的有效腔长。当有效腔长改变，模间振荡输出频率也会改变（模间隔=光速/(2*有效腔长)）从而得到不同的射频输出。除了静态激光输出外，作者对相位调制器不同偏置下的频率调节灵敏度也进行了测试。如表2所示，相位调制器在-5V—+1V的偏置电压下，其平均频率灵敏度大约为150MHz/V，覆盖范围为X-波段内800MHz。该射频调节范围与灵敏度是作者所知的已发表的文献中最佳的，并且显著好于传统压控振荡器调节灵敏度。

表2：相位调制器不同直流电压下的灵敏度及其对应的信号输出频率

为了进一步提高自由振荡振荡器的信号纯净度，强迫振荡的概念将会被引入用以稳定输出频率。在这些系统中，外部参考源的稳定性将直接决定输出信号纯净度。但是，当没有外部参考源时，一种新型的自行强迫振荡系统就变得十分具有竞争力。强迫振荡技术自插入，自锁相以及自插入自锁相的结合也可以被用在半导体激光器系统中用以稳定模间相互振荡所产生的射频信号，并且极大的降低其相位噪声和时间抖动。

在此结构中，自插入自锁相将会被同时使用并且引入不同的延迟。其总相位噪声经过拉普拉斯变换之后的表达式如下，其中Sn_i,Sn_0分别指代系统和振荡器的残余相位噪声，τ根据下标不同代表不同长度光纤引入的延迟，G则根据下标不同代表自插入或者自锁相所在环路的增益。

其中

由以上公式，我们可以轻易得出结论，无论是自插入，自锁相还是他们的结合都能在不依靠外部参考源的前提下显著降低系统的相位噪声。同时为了更好的实现基于半导体多模激光器的自插入自锁相系统，接下来的章节将会分别针对自插入和自锁相进行优化。

3 自插入和自锁相的优化

3.1 自插入系统优化

自插入系统的优化实验框图如图4所示。多模激光器的瞬时输出将会首先被固定增益的掺铒光纤放大器放大，然后通过5km（25μs）光纤的延迟，最后经过光学环路器反馈回激光器自身。除去以上主要器件外，在该环路中光学衰减器将被放置在环路器之前用以调整反馈光强度，进而评估自插入系统的相位噪声动态变化情况。另外，极化控制器也会被放置在该环路中用以调整反馈光极化状态以获得较高的光学插入效率。最后，多模模间振荡产生的射频信号会通过光电探测器进行还原从而在相噪分析仪（R&S FSWP-26）上进行观察。

图4：用于优化的自插入系统框图

运用上述系统，将进一步进行自插入系统的性能比较。图5(a)展示了使用不同自插入功率的系统与自由振荡系统的输出信号相位噪声比较。从中我们可以得出结论，输出相位噪声在Pinj/Po=0.3时获得了最大程度的降低。其中，自插入功率为-10dBm减去棱镜光纤耦合损耗6dB等于-16dBm，激光器输出功率为=-10dBm。此时，该自插入系统相位噪声在1kHz和10kHz频率偏移处为-40dBc/Hz以及-80dBc/Hz。相比于自由震荡情况，分别提供了35dB以及50dB的降低。在获得了最佳插入功率比后，笔者还对不同延迟长度的自插入系统进行了比较以证明最佳的延迟光纤长度。图5(b)展示了-10dBm插入功率下不同光纤长度对相位噪声的影响。同样的，5km光纤相比于1km，3km以及7km光纤，提供了最佳的相位噪声性能。除了相比于自由振荡在相位噪声上的提升，5km自插入系统在时间抖动上的提升也十分巨大。优化过插入功率的5km延迟自插入系统时间抖动为5.17ps，这一数值仅为同样积分频率下自由振荡系统的五十分之一。除去相位噪声的巨大提升外，图5(a)还展现了因为使用自插入而带来的边模谐振。该谐振发生在40kHz的整数倍频率处，其产生原因为5km也就是25μs的光纤延迟，其中最低谐振频率为光纤延迟的倒数。同样的，图5(b)也显示了由于使用1-7km不同延迟光纤而带来的不同频率的边模谐振。这些边模谐振将会一定程度上影响系统时间抖动的数值，因此使用多路锁相技术去进一步消除他们将会变得十分必要。

图5：自插入锁定与自由振荡系统的相位噪声比较

3.2 自锁相的优化

在完成关于自插入的优化后，自锁相的优化则相对简单并且可以类比传统锁相环系统。在该锁相系统中，核心部件为集成低通滤波放大器以及混频器用以检测放大瞬时信号与参考信号（可以是外部参考源，也可以是引入了自插入之后的瞬时信号）之间的相位差并进行实时反馈调整。为了排除自插入对锁相系统优化的影响，本文将采取外部参考源进行优化。该锁相系统中利用低通滤波放大器以及X-波段混频器来实现鉴频鉴相器的功能，环路带宽被重新设计为50MHz用以覆盖前文中在20℃环境温度条件下测量得到的30MHz-35MHz的多模振荡中心频率偏移。因此，该环路带宽将保证包括任何潜在的频率抖动并且能始终保持系统的相位追踪状态。为了优化该锁相系统，如图6所示，一个来自外界参考源（Gigatronics GT9000信号合成器）的稳定信号将会被输入到锁相环电路用以和经过掺饵光纤放大器以及光电探测器的激光器模间振荡输出进行比较。如果一旦这两路信号之间的相位差不在恒定，则被锁相环电路检测到。同时，低通滤波放大器的输出将会产生反馈信号给半导体激光器的相位调制模块从而改变激光器的模间振荡频率来重新回归相位锁定状态。

图6：外接参考源的相位锁定优化框图

加入了锁相环的系统相位噪声如图7所示。对比于自由振荡输出，进行过锁相的多模激光器模间振荡射频输出的纯净度得到了极大的提升。与锁相环的基本原理相符，靠近载波处的相位噪声基本与外部参考源相似，其1kHz与10kHz频率偏移处的相位噪声都为-85dBc/Hz。最后，应用了锁相环的系统其频率稳定性也得到了巨大提升，10分钟内的频率漂移从最大30MHz减小到5kHz。

图7：使用外接参考源的锁相系统与自由振荡输出的相位噪声性能比较，射频中心频率=11.54GHz，输出功率=5.39dBm。

4 综合优化系统

在分别完成自插入以及自锁相的系统优化之后，接下来两者将会被合并从而取得最佳的系统稳定效果。结合了自插入以及自锁相的系统框图如图8所示。自插入系统仍然使用单路5km光纤延迟，但是自锁相系统将会使用多条光纤延迟作为参考源从而取代优化时为了简化操作而使用的外部参考信号源。受益于稳定长光纤延迟极高的品质因数，当该光纤延迟信号作为参考源与未进行延迟处理的多模模间振荡信号分别到达锁相环电路时，任何瞬时的相位变化都会被检测到并且通过低通滤波放大器反馈回半导体激光器的相位调制模块。到达相位调制模块的信号将会把该瞬时信号重新拉回到与延迟过的信号相同的相位状态，由于延时信号延时显著大于所需锁定时间，因此所有激光器自身的变化都会最终通过实时反馈来追踪并保持与延迟信号一致，从而实现激光器稳定输出。另外，因为相位调制模块拥有平均为150MHz/V的调频灵敏度，所以锁相环电路扫描反馈电压范围被设置在-1V--+1V之间，该扫描范围可以完全覆盖所需的最大纠正范围30MHz。最后，当锁相状态稳定时，锁相环扫描电路输出将稳定在直流电压。如有任何环境变化再次影响激光器模间振荡，该扫描电压即会重新扫描直到再次达到稳定状态。

图8：加入了单路自插入三路自锁相的多模模间振荡系统实验框图

最终的自插入自锁相系统如图8所示，其使用了5km的自插入光纤延迟，500m，1km，3km的三路自锁相光纤延迟来搭建系统并测量其相位噪声性能。其中，使用三路无长度倍数关系自锁相延迟是为了最大程度的压制自插入带来的边模谐振。另外，不同的相位调制器直流偏置电压也会被进一步优化从而获得最好的系统性能。

该系统相位噪声性能如图9所示。首先，所有明显的边模谐振都得到了极大的压制。对比于仅仅使用自插入，结合了多路自锁相的系统将边模谐振与载波的功率比从-30dBc降低到-90dBc。另外，从图9的测量结果来看，当相位调制器直流偏置电压为0V时系统可以达到最佳的相位噪声性能。其系统相位噪声在1kHz和10kHz频率偏移处分别为-58dBc/Hz以及-98dBc/Hz。该相位噪声结果对比于自由振荡的多模激光器在1kHz以及10kHz频率偏移处分别取得了53dB以及68dB的提升。在最好的情况下，系统时间抖动可以进一步降低至0.448ps，这一数值仅为自由振荡情况下的六百分之一。另外，如图9所示，实验结果与仿真结果基本吻合，这也从侧面进证明了前文所述噪声模型的正确性。

图9：自插入自锁相多模模间振荡系统在不同相位偏置电压下的射频输出相位噪声性能比较，射频中心频率=11.54GHz，输出功率=3.59dBm。

5 结论

本文介绍了一种基于多模半导体激光器模间振荡的X-波段射频振荡器。通过使用自插入自锁相强迫振荡技术，该射频振荡器可以同时实现不依赖于任何外界参考源的相位噪声降低以及频率调整。本文中输出射频信号11.5GHz在1kHz和10kHz频率偏移处可以分别实现最低-58dBc/Hz和-98dBc/Hz的相位噪声。该结果十分具有竞争力，甚至可以媲美许多使用了外界参考源的基于激光器的射频信号系统。事实上，这是首次实现基于整体集成多模激光器模间振荡的超稳定射频信号发生器，其时间抖动在11.5GHz稳定输出时始终低于0.5ps。该设计的成功同时展示了其进一步开发更高频率射频信号发生器的巨大潜力。当使用模数量更多，模间隔更大的半导体激光器时，本文所证明的系统仍可适用并且只需简单优化即可生成无需外界参考源的低噪声稳定高频信号。同时，文中所用到的光纤延迟也可用高品质因数的集成型谐振器替代，从而进一步缩小总体体积。总体来说，文中论述的基于自插入自锁相的多模模间振荡半导体激光器系统十分先进，具有进一步开发实现集成型低噪声毫米波信号发生器的良好前景。