基于受激布里渊散射的二倍频光电振荡器

娄宏博,王天枢,李德琦,张景凯,孙 畅,郑佳伟,陈 严

(1.长春理工大学 电子信息工程学院,长春 130022;2.长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,长春130022;3.长春理工大学 光电工程学院,长春 130022)

0 引 言

随着通信的快速发展,微波信号广泛应用于雷达、卫星通信等领域[1-2],人们对射频信号的需求越来越高。光电振荡器(optoelectronic oscillator,OEO)是一种微波光子技术,应用于高质量微波信号的产生,其利用高储能特性的长光纤构造光电反馈回路。OEO具有频率范围大、信号Q值高等优势,且所产生的微波信号具有低相位噪声以及高稳定性的优点,近年来被广泛研究并应用在雷达、光纤通信、光纤传感、自由空间光通信(free space optical communication,FSO)等领域[3-5]。传统OEO由于受到调制器的带宽、光电探测器(photodetector,PD)及滤波器中心频率的影响,产生的微波信号的频率较低[6]。为了充分发挥OEO的特性,获得更高频率的微波信号,让其广泛地应用在实际中,近年来,国内外的研究学者提出了多种扩展OEO频率范围的倍频方案。S.Shang等[7]提出了一种基于相位调制器(phase modulator,PM)嵌入锁相环(saganc loop)的倍频光电振荡器,减小了偏置漂移的影响并且降低了系统的复杂性,最终得到抑制比约为40 dB的二倍频信号。Y.Chen等[8]提出了一种基于2个并联双平行马赫曾德尔调制器(dual parallel Mach Zender modulator,DP-MZM)组成的FTM7977调制器的倍频光电振荡器系统,得到了基频振荡信号为7.5～12.5 GHz且与基频信号相对应的低相噪四倍频信号。X.B.Zhuansun等[9]提出将DP-MZM和主从环路相结合,一方面,调制器用于实现倍频;另一方面,主从环路可以有效地降低所生成的微波信号的相位噪声,从而使系统产生的倍频微波信号在相位噪声和信噪比方面都有较好的性能。F.Fan等[10]提出一种基于受激布里渊(stimulated Brillouin scattering,SBS)效应的耦合型双环结构OEO,能产生2～12 GHz的可调谐微波信号,并且可以实现二倍频信号输出,输出信号频率为18.38～18.74 GHz。Y.Wang等[11]提出频率和相位均可调谐的三倍频OEO结构,增加其应用的灵活性。Y.Zhang等[12]提出一种基于DP-MZM和相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)的倍频光电振荡器,该方案未使用任何滤波器、偏振器件和SBS结构,降低了系统的成本和复杂度,最终得到了11～20 GHz的二倍频微波信号。

本文提出了一种新型的基于PM与DP-MZM结构的二倍频OEO系统,振荡环路中利用SBS效应,经PD拍频为系统提供基频信号,然后通过调制DP-MZM的偏置电压,实现二倍频微波信号的产生。这个系统采用的光电器件相对较少,相比于已经报道过的方法,该方案具有结构简单、相位噪声低的优点。

1 系统及理论分析

图1为基于SBS效应的二倍频光电振荡器原理图,其中,ωc为输入光波的角频率;ωs为输入射频信号的角频率。光从可调谐激光器(tunable laser,TLS)(型号为EXFO,FLS-2800)输出,经耦合器(optical coupler,OC)分成两路光信号:一路光载波经过偏振控制器(polarization controller,PC)1进入PM,通过调整PM的偏置电压对光载波移相,激光器(laserdiode,LD)(型号为KG-DFB-15)产生的光波通过环形器1口进入2口,作为SBS效应的泵浦光进入高非线性光纤(highly nonlinear fiber,HNLF)中,提高光功率使其达到SBS效应的阈值时,SBS效应会发生并产生一阶斯托克斯,它与泵浦光的方向相反,而后与光载波一起通过环形器进入单模光纤(single-mode fiber,SMF)中,经过PD1拍频后通过电放大器以及电滤波器得到微波信号,此微波信号被用来调制PM和DP-MZM。另一路光载波经过PC2进入到DP-MZM,通过调整偏置电压,使其工作在输出光功率最小的点即最小输出点(minimum transmission point,MITP),形成具有偶次谐波抑制效果的载波抑制双边带调制(double side band with suppressed carrier,DSB-SC)信号,经掺铒光纤放大器(Erbium doped fiber amplifier,EDFA)对功率进行放大后,通过PD2拍频产生二倍频信号输出。图1a中,A,B,C,D处的频谱图分别见图1b—图1e。

图1 基于受激布里渊散射的二倍频光电振荡器原理图Fig.1 Schematic diagram of a frequency-doubling optoelectronic oscillator based on stimulated Brillouin scattering注:TLS为可调谐激光器;OC为耦合器;PC为偏振控制器;PM为相位控制器;HNLF为高非线性光纤;LD为激光器;SMF为单模光纤;PD为光电探测器;EA为电放大器;EBPF为电带通滤波器;Div为功分计;DP-MZM为双平行马赫曾德尔调制器;EDFA为掺铒光纤放大器。

1.1 基频调制

通过一个50∶50的光耦合器,将TLS输出的光分为两路,其中一路输入到相位调制器中进行调制,输入的光信号Ein和射频信号V分别表示为

Ein=E0exp(jωct)

(1)

V=V0exp(jωst)

(2)

(1)—(2)式中:E0为输入光波的幅度;V0为射频信号的幅度。

在驱动信号的作用下,对应的相位变化量为

(3)

(3)式中:Vπ为PM的半波电压;m为调制指数,m=πV0/Vπ。调制后的光信号可以表示为

Eout(t)=E0exp(jωct+jφ0+jφ(t))=

(4)

由于是小信号调制,只考虑一阶边带,即

(5)

(5)式中,Jn(·)为n阶第一类贝赛尔函数。

由(5)式可知,正负一阶边带幅值相同,且与载波相位分别相差π/2和-π/2。

1.2 二倍频调制

输入DP-MZM调制器的光信号如(6)式所示,假设功分器反馈到DP-MZM的射频信号为

vRF(t)=VRFsin(ωRFt)

(6)

可以得到DP-MZM总输出信号[13]为

(7)

(7)式中:V1,V2,V3分别为DP-MZM的直流偏置电压。

cos[φb2+φb3]}

(8)

将(9)式利用贝塞尔函数展开,表示为

cos(φb2+φb3)}

(9)

(9)式中,tff为DP-MZM的插入损耗。

当DP-MZM处于MITP状态时,令(9)式中的cosφb1=0,在小信号调制且忽略高阶边带的情况下,DP-MZM输出的信号为

sin(ωc-ωRF)t]

(10)

此时,处于载波抑制双边带调制,只留下正负一阶光边带,经过PD拍频后即可得到二倍频的微波信号。

1.3 SBS效应

SBS效应是指两束光波在光纤中进行相向传输时,满足受激布里渊的相位匹配条件,能量就会从频率高的光信号转移到频率低的光信号[14]。图2为受激布里渊效应的产生模型,其中,光谱仪(optical spectrum analyzers,OSA)为光谱仪,电信号分析仪(electrical signal analyzer,ESA)为频谱仪。LD发出的光信号作为SBS效应的泵浦光从环形器1口进入2口,而后进入一段SMF,调节光信号功率,使其达到SBS效应阈值,则会产生一束与泵浦光反向的一阶斯托克斯光进入环形器2口进入3口,经过OC耦合器分成两束光信号,一束进入OSA观测,得到一阶斯托克斯光的光谱图,如图3所示;另一束光通过PD拍频后,进入ESA观测SBS效应的频移量,以确保SBS的增益谱所在频率范围达到要求。

图2 受激布里渊散射效应模型Fig.2 Schematic diagram of stimulated Brillouin scattering effect

图3 一阶斯托克斯光谱图Fig.3 Spectra of first order Stokes light

SBS效应在光纤中引起的布里渊增益谱和损耗谱为[15]

(11)

(12)

(11)—(12)式中:gB是谱线中心的增益系数;IP是泵浦光的功率;ΔvB是布里渊线宽;f是距离增益g(f)或损耗谱a(f)中心的频率偏差。

通过计算和测量,布里渊频移量在1 550 nm波段处为10 GHz,存在能量传递的过程,故认为存在一个增益谱和损耗谱。使PM产生的+1阶边带落在增益谱内,实现相位转强度调制。

2 实验结果及分析

为了验证图1所示结构的性能,搭建相应的实验并进行验证,主要相关器件和仪器参数如下:3 dB带宽为40 GHz的DP-MZM(型号为Fujitsu,FTM7937EZ);3 dB带宽为50 GHz,响应度为0.65 A/W的PD(型号为KG-PD-50G);低噪声电放大器的增益为30 dB,工作频率为0.01～18 GHz;电带通滤波器中心频率分别位于10 GHz和20 GHz,3 dB带宽均为20 MHz。

2.1 基频信号分析

将光谱仪接入图1所示结构中的B点,得到如图4所示的正一阶边带放大光谱图,由于SBS效应产生了一阶斯托克斯光,形成了SBS增益谱,通过调节增益谱范围,使其位于正一阶边带,实现正一阶边带被放大的效果。

图4 正一阶边带放大光谱图Fig.4 Spectra of positive first-order sideband amplification

放大后的正一阶边带和光载波通过一段单模光纤,经过PD拍频后,将所得电信号放大并通过EBPF1。观察通过EBPF1后输出的基频信号,如图5所示,此时频谱仪的参数设置分别为扫描范围10 MHz,分辨率200 Hz,从图5可知,输出了一个中心频率约为10 GHz的基频信号,信号的边模抑制比约为47 dB。

图5 10 GHz的基频信号频谱图Fig.5 Electrical spectra of 10 GHz fundamental frequency signal

2.2 二倍频信号分析

光电振荡环输出的10 GHz基频信号通过功分器反馈至DP-MZM中,通过调节偏置电压,使得调制器工作于MITP,以实现DSB-CS调制。频谱仪的参数设定其扫描范围为25 kHz,分辨率为82 Hz,其光谱图如图6所示。由图6可知,输入光信号的载波以及偶次谐波被较好地抑制,主要分量为正负一阶边带,其与载波的功率差约为10 dB。但是由于所采用实验器材的精度有限,完全消除滤波尚有一定的难度。

图6 DSB-SC调制光谱图Fig.6 Spectra of DSB-SC modulated

主要分量为一阶边带的光信号经过PD2拍频后观测到的信号频谱如图7所示,得到中心频率约为20 GHz的二倍频信号,信号的边模抑制比约为42 dB。

图7 20 GHz的二倍频信号频谱图Fig.7 Electrical spectra of 20 GHz frequency-doubled microwave signal

2.3 二倍频信号的稳定性分析

在室温条件下,该系统连续工作10 min,任意选取15个时间点记录数据,得出二倍频信号的频率较中心频率偏移和功率抖动情况,如图8所示。由图8可知,二倍频信号频率与中心频率最大的差值小于3 kHz,功率抖动小于1 dBm,这表明系统的工作稳定性较好。

图8 10 min内的二倍频信号的稳定性测量 Fig.8 Stability measurement of the frequency-doubled microwave signal over 10 min

2.4 相位噪声分析

对实验所得到的10 GHz基频信号和20 GHz的二倍频信号进行相位噪声分析,相位噪声曲线如图9所示,在10 kHz相噪处,基频10 GHz与倍频20 GHz信号的相位噪声依次为-115.56 dBc/Hz和-109.83 dBc/Hz,通过对比二者可知,该结构产生二倍频信号恶化了约5.73 dB,体现了OEO不随频率的增高而相噪恶化的优点。理论上,二倍频信号的相位噪声恶化约为10lg(22)≈6.02 dB,实验结果基本符合理论结果[16]。

图9 相位噪声曲线Fig.9 Phase noise curve

3 结束语

本文设计了一种基于受激布里渊散射实现二倍频的光电振荡器。通过调节相位调制器产生相位相反的正负一阶边带,再与由SBS效应产生的一阶反向斯托克斯光通过探测器进行拍频,经过电滤波器选频,产生系统的基频信号。再调节DP-MZM偏置电压实现偶次谐波抑制的载波抑制调制,通过探测器实现二倍频信号输出。试验结果表明,该系统实现了边模抑制比为47 dB的10 GHz基频信号,相位噪声-115.56 dBc/Hz@10 kHz;同时输出20 GHz的二倍频信号,边模抑制比为42 dB,相位噪声为-109.83 dBc/Hz@10 kHz,二倍频依然具有较好的稳定性。