基于电吸收调制激光器的双功能微波光子系统

江芝东，谢溢锋，周沛，2，唐志刚，李念强，2

（1 苏州大学 光电科学与工程学院，苏州 215006）

（2 苏州大学 教育部现代光学技术重点实验室，苏州 215006）

0 引言

微波信号源是导航、雷达、通信等系统的关键部件［1-2］，其性能对现代射频（Radio-frequency，RF）系统有着举足轻重的影响。光电振荡器（Optoelectronic Oscillator，OEO）是一种新型的微波信号源，能够直接产生低相位噪声的高频微波信号［3-4］。因此，OEO 被视作一种极具潜力的高性能微波信号产生的方案。相位噪声是评价包括OEO 在内的微波信号源性能的重要参数之一。当前，研究人员已提出并实现了一系列的相位噪声测量（Phase Noise Measurement，PNM）方法，包括直接频谱法、鉴相法和鉴频法［5］，以准确测量微波信号源的相位噪声。在上述方法中，鉴频法由于无需额外的低相噪微波振荡器作参考源，吸引了研究人员的广泛关注。然而，由于该方法的测量灵敏度与延时有关，受限于电缆的高损耗，其测量灵敏度有限。为此，研究人员提出了一种基于光延时线的PNM 方法，通过一卷低损耗的光纤代替电缆来提供长延时，从而提高了测量灵敏度［6］。近年来，为提高基于光延时线PNM 系统的整体性能，研究人员开展了大量的工作［7-10］。例如，通过采用微波光子移相器和微波光子混频器代替传统光延时线PNM 系统中的电移相器和电混频器，以扩展工作带宽［7-8］。在文献［9，10］中，利用数字相位解调技术来免除相位噪声测量中的校准过程，以提高测量速度。然而，现有基于光延时线的PNM 方案的一个普遍问题在于，过多分立的电子和光学元件的使用使得系统体积庞大，且耦合损耗高。此外，目前光延时线PNM 系统的功能性较为单一，仅具备相噪测量的功能，具有双功能或多功能的方案鲜有报道［11］。但是，在基于OEO 的射频系统，特别是信号产生系统［12］的研制、优化与工作过程中，为及时评估信号源的质量并作出相应的参数调整以优化其性能，研发一种成本低廉、简单紧凑的相位噪声测量方案十分必要。

本文提出了一个基于光子学的双功能系统，利用电吸收调制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）实现了微波信号的产生和相位噪声的测量。在该系统中，基于EML 搭建了一个结构紧凑的OEO，同时通过基于EML 的光延时线方法实现了相位噪声测量。通过单个EML 代替激光器和强度调制器［13-14］，本方案所提出的基于光子学的双功能系统不仅具有成本低廉、结构简单等优势，且性能表现优异。实验中，基于EML 的OEO 模块生成的9.952 GHz 微波信号的边模抑制比（Side Mode Suppression Ratio，SMSR）为66 dB，相位噪声为-116.53 dBc/Hz@10 kHz，其相噪表现优于商用信号源Anritsu MG3692B。此外，PNM 模块的测量灵敏度达-133.71 dBc/Hz@10 kHz，优于商用信号分析仪R&S FSV40。实验结果表明，本系统能在产生高质量微波信号的同时，灵活地为任意内部或外部微波信号源提供高灵敏度相位噪声测量的解决方案。

1 实验装置与原理

基于EML 的微波信号产生和相位噪声测量的双功能系统的原理示意如图1，其关键元件是一个10 GHz 的EML，它由一个激光二极管和一个电吸收调制器单片集成［14-15］。系统中，OEO 模块与PNM 模块共用一个EML，用作光载波的产生与强度调制，随后经一个80∶20 的光耦合器1，将EML 的输出信号分成两部分，分别用于OEO 模块和PNM 模块。

图1 基于EML 的微波信号产生和相位噪声测量双功能系统的原理示意Fig.1 Schematic of the EML-based dual-functional system for microwave signal generation and phase noise measurement

1.1 光电振荡器模块

在OEO 模块中，EML 产生的调制光信号首先通过一卷单模光纤1，随后经一个50∶50 的光耦合器2 分为两束。其中一半光信号直接输入光电探测器1，而另一半则经另一卷单模光纤2 后输入光电探测器2。经光电探测器1 和光电探测器2 作光电转化后，输出的两路电信号经一个50∶50 的电耦合器耦合为一路，依次通过一个低噪声放大器1 和一个带通滤波器后反馈回EML 中，以形成一个闭合的振荡环路。其中，使用了双环结构以抑制振荡腔内的边模［16］，且在长环路中插入了一个移相器来调节该环路的等效长度。最终，所生成的微波信号经电功分器输出，以便输入商用信号分析仪或PNM 模块测量其振荡频率与相位噪声。

1.2 相位噪声测量模块

PNM 模块中，来自OEO 模块或其他模块的待测微波信号经功分器分为两个支路。在下支路中，待测微波信号直接输入混频器的一端。在上支路中，来自EML 的调制光信号通过单模光纤3 以获得长延时，随后经过可调光延时线，从而引入上下两支路间可调谐的相位差。随后，光信号输入光电探测器3 转换为电信号，经低噪声放大器2 作功率补偿后，再输入混频器与下支路信号相混频。最后，经低通滤波器提取混频器输出的基带信号，输入快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）分析仪中计算待测微波信号的相位噪声［6］。

2 实验结果与分析

根据图1 搭建了基于EML 的微波信号产生和相位噪声测量双功能系统。实验中，使用的EML 为Fiber-photonics 公司生产的商用器件，中心波长为1 551.32 nm，3-dB 带宽为10 GHz。光电探测器1 和光电探测器2的3-dB带宽为30 GHz，灵敏度为0.85 A/W。光电探测器3的3-dB带宽为18 GHz，灵敏度为0.8 A/W。带通滤波器的3-dB 带宽为20 MHz，中心频率为9.95 GHz。低噪声放大器1 和低噪声放大器2 的工作频率范围为8～18 GHz，增益为45 dB。可调光延时线的调谐范围为0～1 500 ps，调节精度为10 fs。低通滤波器的3-dB 截止频率为5 MHz。由Keysight 公司生产的N9020A FFT 分析仪被用于采集LPF 输出的基带信号并作相位噪声计算。OEO 的性能主要由带宽为40 GHz 的商用信号分析仪R&S FSV40 表征，其光谱由分辨率为0.02 nm 的光谱分析仪Ando AQ6317B 监测。

2.1 光电振荡器模块的性能测试

在OEO 模块中，首先对EML 的特性进行了研究。如图2，通过调节电吸收调制器的偏置电压，测量其对应的输出光功率：当反向偏置电压从0 V 增加到-1.5 V 时，EML的输出功率从5.39 dBm 下降到-2.01 dBm。

图2 EML 输出功率与其偏置电压的关系Fig.2 EML output power versus its bias voltage

实验中，选取的单模光纤1 和单模光纤2 的长度分别为2 km 和0.1 km。当EML 中电吸收调制器的偏置电压为-0.7 V 时，测量了OEO 信号的光谱和频谱。图3（a）为EML 输出端的光谱，可以观察到几个等间距的光边带，该结果意味着OEO 环路中已形成了一个稳定的模式振荡。这一结论可以通过观察信号的频谱作进一步验证。如图3（b），将电功分器的输出端连接信号分析仪，可以观察到一个频率为9.952 GHz 的微波信号。需要指出的是，通过在反馈环路引入可调的信号延时或相位，可在滤波器的通带范围内实现一定的频率调节能力。进一步通过采用中心频率可调的电滤波器或微波光子滤波器，可使OEO 具备更大范围的频率调节能力［17-20］。此外，由于2 km 和2.1 km 的双环结构所引起的游标卡尺效应，振荡腔内的边模可以得到有效的抑制。因此，信号的SMSR 达到了66 dB。

图3 OEO 模块的光谱与频谱Fig.3 Optical and electrical spectra of the OEO module

2.2 相位噪声测量模块的性能测试

对PNM 模块的性能进行了相应测试。为验证基于EML 的PNM 模块的测量准确性，首先测量了一个10 GHz 微波振荡器（BZB10G）的相位噪声。实验中，EML 的偏置电压保持在-0.7 V，使用的单模光纤3 长度为2 km。图4 给出了PNM 模块（黑色曲线）和R&S FSV40（红色曲线）的相位噪声测量结果的比较。如图4，基于EML 的PNM 模块在偏移频率大于1 kHz 时，与商用信号分析仪的相位噪声测量结果保持着较好的一致性，证明了所构建的PNM 系统的测量结果是可信的。在频偏小于1 kHz 时，测量结果存在着轻微的差异，该差异可能是由于光电探测器3 的闪烁噪声所引起的［21］。

图4 10 GHz 微波振荡器的相位噪声Fig.4 Measured phase noise of a 10 GHz microwave oscillator

为验证PNM 模块的测量灵敏度，根据文献［7］中所述的方法，使用一个具有相同损耗的光衰减器代替长度为2 km 的单模光纤3，测量了PNM 模块的相位噪声基底。作为比较，图5（a）中绘制了商用信号分析仪的相位噪声基底。在10 GHz 载波下，PNM 模块在10 kHz 频偏处的相位噪声基底为-123.73 dBc/Hz，优于R&S FSV40（约-104.9 dBc/Hz @10 kHz @10 GHz），该结果证明了PNM 模块的高测量灵敏度。如图5（b），还探究了使用不同长度单模光纤3 时PNM 模块的相位噪声基底。实验结果表明，随着光纤长度的增加，测量系统的灵敏度得到了提高，但测量的有效频偏范围也随之减小［6］。具体地，当光纤长度为5 km时，PNM 模块的相位噪声基底达-133.71 dBc/Hz @10 kHz。

图5 PNM 模块的相位噪声基底Fig.5 Phase noise floor of the proposed PNM module

2.3 双功能系统的性能测试

使用PNM 模块测量了OEO 模块产生的9.952 GHz 信号的相位噪声。如图6 所示，探究了相位噪声与EML 偏置电压和光纤长度的变化关系。图6（a）为当单模光纤1 的长度固定为2 km 时，在不同的EML 偏置电压下测量的OEO 的相位噪声。当偏置电压为-0.1 V、-0.4 V、-0.7 V 和-1.0 V 时，10 kHz 频偏处OEO的相位噪声分别为-109.62 dBc/Hz、-110.89 dBc/Hz、-113.82 dBc/Hz 和-111.97 dBc/Hz。结果表明，所生成微波信号的相位噪声均低于-109 dBc/Hz @10 kHz，且其波动保持在4.2 dB 以内。图6（b）给出了使用三段不同长度的单模光纤1（1 km、2 km 和5 km）时，所生成微波信号的相位噪声结果，其中单模光纤2 长度固定为0.1 km，EML 偏置电压保持在-0.7 V。随着光纤长度的增加，由于OEO 的品质因数的提高，所生成信号的相位噪声也随之降低，该实验结果与理论相吻合［3］。当使用1 km、2 km 和5 km 的单模光纤1 时，10 kHz 频偏处的相位噪声分别为-107.52 dBc/Hz、-113.82 dBc/Hz 和-116.53 dBc/Hz。

图6 由PNM 模块测得的OEO 模块的相位噪声Fig.6 Phase noise of the OEO module measured by the PNM module

如图7 所示，比较了使用2 km 单模光纤1 时，基于EML 的OEO 与商用信号源（Anritsu MG3692B）产生的同频信号的相位噪声。可以看出，OEO 在大于1 kHz 频偏处，具备更好的相噪表现。具体而言，OEO 生成的微波信号的相位噪声达-113.82 dBc/Hz@10 kHz，较Anritsu MG3692B（-88.3 dBc/Hz@10 kHz）低25.52 dB。然而，由于系统中闪烁噪声的影响［2］，OEO 模块在低频偏处的相位噪声较高。通过使用低相位噪声的放大器和其它低噪声的器件来减小系统内的闪烁噪声，可以进一步抑制OEO 在频偏小于1 kHz 处的相位噪声。

图7 OEO 模块与Anritsu MG3962B 的相位噪声Fig.7 Measured phase noises of the OEO module and Anritsu MG3962B

3 结论

本文提出并实验验证了一个基于光子学的双功能系统，系统可同时实现微波信号的产生和相位噪声的测量。利用单个EML 代替激光器和强度调制器，所提出的基于光子学的双功能系统不仅具有成本低廉、结构简单等优势，且性能表现优异。实验中，基于EML 的OEO 模块所生成的9.952 GHz 信号的SMSR 为66 dB，相位噪声为-116.53 dBc/Hz@10 kHz，较Anritsu MG3692B 生成同频信号的相位噪声低25 dB 以上。此外，PNM 模块的相位噪声基底达-133.71 dBc/Hz@10 kHz，其测量灵敏度优于商用信号分析仪R&S FSV40。实验结果表明，该双功能系统能够同时产生高性能的微波信号，并为OEO 的相位噪声测试提供了简单的解决方案。该方案将有利于在基于OEO 的射频系统，特别是信号产生系统的研制、优化与工作过程中，及时评估信号源的质量并作出相应的参数调整以优化其性能。因此，本方案适用于需产生高质量微波信号，并同时需对系统内部或外部不同微波信号的相位噪声作测量的情境。