方 杰,王 菊,于晉龍,馬 闖,謝田元,于 洋,劉 莉,彭海濤

(天津大學電氣自動化與信息工程學院光纖通信實驗室,天津 300072)

1 引 言

高性能微波源作為一切微波領域應用的基礎,其相位噪聲、頻譜純度和穩(wěn)定性等指標直接影響航空航天、儀器測量、雷達等諸多領域中電子設備的性能[1-3]。隨著應用需求的提高,傳統(tǒng)微波源的噪聲性能已接近極限[4]。光電振蕩器(OEO)是一種高頻譜純度的新型微波信號發(fā)生器,其Q值高達1010量級,能夠產(chǎn)生頻率高達數(shù)百GHz的微波信號,且相位噪聲低至-160 dBc/Hz@10 kHz,是一種非常理想的高性能微波振蕩器[5]。

隨著OEO相位噪聲和邊模抑制性能的不斷完善[6-8],頻率可調(diào)諧性成為了其實用化的阻礙,如何在兼顧低相位噪聲和高邊模抑制性能的同時產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的振蕩信號成為了人們的研究熱點。為了實現(xiàn)OEO輸出頻率的可調(diào)諧,Zhu等人提出了基于YIG電可調(diào)濾波器的OEO方案,方案中通過調(diào)節(jié)YIG濾波器的中心頻率,成功地產(chǎn)生了8 GHz～10.675 GHz范圍內(nèi)可調(diào)的微波信號[9],這種方案輸出信號的頻率可調(diào)范圍及步進完全由YIG濾波器的性能決定,因此輸出信號的相位噪聲較差,僅為-90.69 dBc/Hz @10 kHz。此外,為了保證輸出信號的邊模抑制效果,方案中通常需采用雙環(huán)OEO結(jié)構(gòu),增加了系統(tǒng)的復雜性。

為了擺脫YIG濾波器對可調(diào)諧OEO系統(tǒng)性能的限制,Gao等人[10]提出了一種基于相移光柵的可調(diào)諧OEO方案。該方案通過調(diào)諧載光學波的波長實現(xiàn)輸出頻率的可調(diào)諧性,產(chǎn)生了6.6 GHz～13.1 GHz范圍內(nèi)可調(diào)諧的微波信號。但是由于相移光柵對于光源穩(wěn)定度要求比較高,對于環(huán)境變化較為敏感,因此其穩(wěn)定性較差；另外,方案中采用偏振雙環(huán)來優(yōu)化邊模抑制,要求系統(tǒng)具有高消光比以及較高的偏振穩(wěn)定性,因此輸出信號的相位噪聲較差,僅為-101.9 dBc/Hz @10 kHz。

上述兩種方案為了提高輸出信號的邊摸抑制效果均采用了雙環(huán)路OEO架構(gòu),增加了系統(tǒng)的成本和復雜性。為了避免這種情況,Jiang[11]等人提出了一種基于DFB腔注入鎖定效應的可調(diào)諧光電振蕩器的方案,產(chǎn)生了頻率范圍為18.7 GHz ～21.6 GHz的可調(diào)諧微波信號。該方案中通過注入鎖定實現(xiàn)邊模抑制,調(diào)節(jié)注入光波長和功率實現(xiàn)輸出信號的頻率可調(diào)諧。但由于無法精細控制注入光波長和功率,因此輸出信號的調(diào)諧步進非常大。

為了實現(xiàn)OEO頻率的精細可調(diào)諧,文獻[12]提出了一種基于電增益環(huán)腔的精細調(diào)諧OEO,通過調(diào)節(jié)電移相器偏置電壓實現(xiàn)輸出頻率的可調(diào)諧,產(chǎn)生了中心頻率在11.3 GHz附近、可調(diào)諧范圍為239 MHz、調(diào)諧最小步長為100 kHz的輸出信號。方案中采用了直調(diào)激光器實現(xiàn)OEO振蕩,雖然減少了調(diào)制器的使用,降低了成本,但是由于直調(diào)激光器內(nèi)部載流子濃度的變化存在擾動,導致OEO產(chǎn)生信號的相噪性能較差,此方案中獲得信號的相位噪聲僅為-99 dBc/Hz @10 kHz；另外由于無法單獨調(diào)節(jié)OEO光電腔增益與電增益環(huán)腔增益至最佳匹配狀態(tài),導致該系統(tǒng)邊模抑制效果較差,僅為48 dB；此外,該方案中通過調(diào)節(jié)移相器改變電增益環(huán)腔輸出信號頻率的過程中并未調(diào)節(jié)OEO腔長與之匹配,進而無法使得整個系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

為了改善可調(diào)諧OEO的相位噪聲、邊模抑制效果,實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)諧,本文提出了一種基于激光外調(diào)制的頻率可調(diào)諧OEO方案,并進行了實驗驗證。該方案采用了激光器與外部調(diào)制器的結(jié)構(gòu),雖然相比直調(diào)激光器提高了成本,但調(diào)制器內(nèi)部的載流子濃度變化相對穩(wěn)定,可以提高OEO輸出信號的相噪性能；同時該方案中在電增益選頻腔和OEO環(huán)腔內(nèi)部分別加入電放大器,可以單獨調(diào)節(jié)兩個環(huán)腔的增益,使兩者達到最佳匹配狀態(tài),改善邊模抑制效果。在上述結(jié)構(gòu)的基礎上搭建OEO驗證實驗,得到了在10.05 GHz～10.09 GHz約40 MHz范圍內(nèi)的頻率連續(xù)可調(diào)諧輸出信號,輸出頻率為10.0519 GHz時的邊模抑制比達到了60 dB,相位噪聲為-115 dBc/Hz @10 kHz。

2 實驗原理

基于激光外調(diào)制的頻率可調(diào)諧OEO實驗系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)由半導體激光器(LD)、馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)、單模光纖(SMF)、可調(diào)光衰減器(VOA)、光延時線(ODL)、光電探測器(PD)、電放大器(EA)、電衰減器(ATT)、帶通濾波器(BPF)、電移相器(PS)和功分器(MC)等器件組成。系統(tǒng)主要由單環(huán)OEO即環(huán)路1(loop 1)和電增益選頻腔即環(huán)路2(loop 2)構(gòu)成,電增益選頻腔由電衰減器、電放大器、電移相器和微波濾波器構(gòu)成,系統(tǒng)的輸出信號由MC3的c口輸出,系統(tǒng)輸出信號的頻率由OEO和電增益選頻腔共同決定。

圖1 基于激光外調(diào)制的可調(diào)諧OEO實驗框圖Fig.1 Structure of tunable OEO based on laser external modulation

在電增益選頻腔中,令MC1、BPF和MC2這段路徑的腔長為L1,MC2、ATT2、EA4、PS、EA5、ATT1和MC1這段路徑的腔長為L2。根據(jù)文獻[12]中的推導公式可得,電增益選頻腔輸出的微波信號為

(1)

其中,Pout是OEO產(chǎn)生的一個隨機信號在電選頻腔中振蕩n次后,輸出微波信號的功率;P0是OEO隨機信號的功率;GP是電選頻腔的功率增益;φ1是環(huán)路2中L1對應路徑的延遲相位變化;φ2是環(huán)路2中L2對應路徑的延遲相位變化。

用Matlab對公式(1)進行仿真,令L1=2 m,L2=3 m,選取電濾波器的帶寬為10.05 GHz～10.09 GHz,仿真波形如圖2(a)所示,起振中心頻率約為10.072 GHz。

對于同一腔長的電增益選頻腔,輸入的隨機信號P0的頻率f不同,對其的幅頻響應也不同。調(diào)節(jié)PS的偏置電壓,改變電增益選頻腔中振蕩頻率的時延,等效改變電選頻腔腔長,可以改變電選頻腔對于相同頻率的幅頻響應,最終輸出信號的頻率發(fā)生變化。在仿真過程中,以步進0.0003 m改變L2長度4次,等同于以0.1 V的調(diào)節(jié)精度改變移相器偏置電壓4次,L2長度每增加0.0003 m,增益選頻腔的中心頻率對應變化了約400 kHz,如圖2(b)所示。通過控制移相器偏置電壓等效改變電增益選頻腔的腔長,可以有效改變其輸出頻率,從而控制OEO輸出頻率。

由Paciorek[13]和Adler的理論推導可知,當兩個信號的頻率差滿足|fo-fi|≤ω時(fi為注入源信號頻率,fo為被注入信號頻率,ω為鎖定帶寬),可以實現(xiàn)電注入鎖定。本實驗中,單環(huán)OEO自由振蕩產(chǎn)生的信號為被注入信號,電增益選頻腔產(chǎn)生的信號為注入源信號。

圖2 電增益選頻腔輸出信號仿真Fig.2 Simulation of electrical gain frequency selective resonator cavity output signal

單環(huán)OEO腔長約為2 km,遠大于電增益選頻腔腔長,OEO起振模式間隔為100 kHz,遠小于電增益選頻腔起振模式間隔。

圖3 頻率可調(diào)諧OEO起振原理圖Fig.3 Schematic of frequency tunable OEO

在調(diào)節(jié)PS的偏置電壓時,如圖3(b)中虛線位置所示,電增益選頻腔輸出信號頻率最壞的情況是移動到OEO兩個相鄰起振模式的中間。如圖3(a)中虛線位置所示,將OEO起振模式移動半個波長,OEO起振模式與電增益選頻腔之間便可滿足電注入鎖定條件,實現(xiàn)OEO與電增益選頻腔之間的電注入鎖定。本實驗中,通過調(diào)節(jié)ODL來改變OEO環(huán)腔腔長,移動半個波長等效于改變OEO腔長約1 cm,通過調(diào)節(jié)ODL完全可以實現(xiàn)。當電增益選頻腔中微波信號與單環(huán)OEO內(nèi)起振信號滿足電注入鎖定條件時,鎖定信號功率被放大,從而大于其他模式,在腔內(nèi)多次反饋最終抑制其他模式形成穩(wěn)定輸出。最終輸出頻率如圖3(c)所示,由實線位置移動到虛線位置。

3 實驗結(jié)果分析

將圖1中MC1的c口和MC2的c口斷開,即為單環(huán)OEO結(jié)構(gòu)。將頻譜分析儀(ESA,Aglient 8564EC)掃頻寬度(SPAN)設置為250 kHz,分辨率(RBW)設置為3 kHz,測量所構(gòu)造的單環(huán)OEO頻譜圖如圖4(a)所示,可以看出OEO振蕩在10.1395 GHz附近,中心頻率的功率為-2 dBm,邊模抑制比為37 dB,邊模比較明顯；從圖4(b)所示的相位噪聲圖中可以看出,單環(huán)OEO振蕩的輸出頻率在10 kHz頻偏處的相位噪聲大約是-115 dBc/Hz。

圖4 單環(huán)OEO電譜及相位噪聲Fig.4 The spectra and phase noise of single ring OEO

將圖1中MC1的a口和MC2的a口斷開,測量帶通濾波器和移相器等器件構(gòu)成的電增益選頻腔性能,其頻譜如圖5(a)和圖5(b)所示,中心頻率約為10.0923 GHz,功率約為6 dBm。圖5(c)是信號的相位噪聲圖,在10 kHz頻偏處的相位噪聲為-27.5 dBc/Hz,相位噪聲性能比較差。

圖5 選頻腔頻譜Fig.5 The spectra of frequency selective resonator cavity

將上述單環(huán)OEO和電增益選頻腔結(jié)合,構(gòu)造基于激光外調(diào)制的頻率可調(diào)諧OEO,移相器PS的偏置電壓設置為VΔφ=2.5 V,調(diào)節(jié)ODL使OEO與電增益選頻腔匹配,得到的頻譜如圖6(a)所示,可見OEO振蕩頻率約為10.0519 GHz,中心頻率功率約為7 dBm,邊模抑制比約為60 dB,其邊模抑制比明顯優(yōu)于單環(huán)OEO以及電增益選頻腔,該振蕩頻率是由電選頻腔與OEO環(huán)腔的振蕩頻率電注入鎖定決定。從圖6(b)所示的相位噪聲圖可以看出,其相位噪聲約為-115 dBc/Hz @10 kHz,與單環(huán)OEO相位噪聲性能相近。

圖6 基于激光外調(diào)制的OEO性能測量結(jié)果Fig.6 Performance measurement results of OEO based on laser external modulation

電選頻腔輸出頻率為注入源信號,單環(huán)OEO振蕩頻率為被注入信號,調(diào)節(jié)移相器PS的偏置電壓VΔφ同時調(diào)節(jié)ODL使選頻腔信號與單環(huán)OEO信號發(fā)生電注入鎖定,實現(xiàn)對OEO輸出信號頻率的連續(xù)調(diào)諧。記錄調(diào)諧過程中OEO信號的頻譜,如圖7所示,移相器PS偏置電壓在2.5～12.6 V范圍內(nèi),調(diào)節(jié)步進為0.1 V時,實現(xiàn)了OEO輸出頻率在10.05 GHz～10.09 GHz約40 MHz的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧,調(diào)諧步長約為400 kHz。本實驗驗證了基于激光外調(diào)制的頻率可調(diào)諧OEO方案的可行性,通過改變移相器的偏置電壓來控制電增益選頻腔的腔長,實現(xiàn)了輸出振蕩頻率的連續(xù)調(diào)諧,單環(huán)OEO與電選頻腔的結(jié)合形成光電雙環(huán)路OEO有利于優(yōu)化邊模抑制,且不會引入新的噪聲或增加系統(tǒng)的控制復雜度。

圖7 輸出信號頻譜圖Fig.7 The spectra of output signal

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于激光外調(diào)制的頻率可調(diào)諧OEO方案,并對系統(tǒng)進行了理論分析和實驗驗證。利用微波濾波器、電衰減器和電移相器等器件構(gòu)成電增益選頻腔,通過控制電選頻腔內(nèi)PS偏置電壓來調(diào)節(jié)其輸出頻率,其產(chǎn)生的微波信號對OEO自由振蕩的信號進行頻率牽引,實現(xiàn)了振蕩頻率在10.05 GHz～10.09 GHz約40 MHz范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧,調(diào)諧精度約為400 kHz,與仿真結(jié)果一致。此方案不需要增加過多的有源器件,不僅實現(xiàn)了有效的邊模抑制,而且?guī)缀醪粫胄碌脑肼?系統(tǒng)的控制復雜度較低,通過同時調(diào)節(jié)PS和ODL便可實現(xiàn)輸出頻率的連續(xù)調(diào)諧,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單,成本較低。實驗中對移相器偏置電壓調(diào)節(jié)步進可以達到0.1 V,后續(xù)實驗中通過更精細準確控制移相器偏置電壓,可以縮短OEO的調(diào)諧步長,實現(xiàn)更加精細的頻率調(diào)諧；或者選用帶寬較寬的電濾波器,同時縮短電增益選頻腔腔長,擴大電增益選頻腔起振模式間隔,從而擴大OEO調(diào)諧范圍,可以實現(xiàn)更大范圍的頻率調(diào)諧。