朱 丹，杜天華，胡曉朋，陸滿君，潘時龍

（1.南京航空航天大學電子信息工程學院雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，江蘇南京 211106；2.上海無線電設備研究所，上海 201109）

0 引言

超短光脈沖是由時域上極短的光學脈沖序列組成，脈沖序列具有極低的時間抖動［1］。而在頻域上，超短光脈沖的輸出光譜是由一系列等間隔的譜線組成的寬譜光信號，譜線間隔一般在微波頻段。這一特性使得超短光脈沖在光子模數(shù)轉換器、光子任意波形產(chǎn)生、光子輔助信道化接收、光子傅里葉變換等微波光子射頻系統(tǒng)及其關鍵技術領域中具有重要的應用前景和價值。因而，高質量光脈沖的產(chǎn)生成為研究的熱點。光脈沖的產(chǎn)生方法有多種［2］，其中鎖模光纖激光器因結構簡單、性能穩(wěn)定，且產(chǎn)生的光脈沖重復頻率高、時間抖動小而掀起研究熱潮。鎖模光纖激光器按照鎖模機理的不同，分為被動和主動鎖模激光器兩種。1964年，HARGROVE等［3］提出了主動鎖模激光器的概念。主動鎖模激光器通過在激光腔內(nèi)引入主動鎖模器件（如電光調(diào)制器），選出特定頻率間隔的縱模，具有可實現(xiàn)超高重復頻率和易調(diào)諧等優(yōu)勢，但用于選定鎖模頻率的外注入射頻信號相位噪聲將直接影響所產(chǎn)生的光脈沖的時間抖動等特性。

針對這一挑戰(zhàn)，耦合式光電振蕩器成為可能的解決方案。耦合式光電振蕩器（COEO）由YAO等［4-5］于1997 年首次提出，由共享同一個調(diào)制器的鎖模激光器環(huán)路和光電振蕩環(huán)路耦合構成，具備同時產(chǎn)生高質量光脈沖信號和微波本振信號的功能。耦合光電振蕩器的光電振蕩環(huán)路與光纖鎖模激光器環(huán)路之間的正反饋，保證了所產(chǎn)生光脈沖和射頻信號的高質量［6］。耦合式光電振蕩器既繼承了光電振蕩器產(chǎn)生高質量微波信號的優(yōu)勢，又同時具備了產(chǎn)生低抖動、高重頻光脈沖的功能，因此，成為研究熱點，在光子雷達、微波光子衛(wèi)星載荷等系統(tǒng)中存在著廣泛需求。很多應用需要高重頻的光脈沖或者高頻率的低相噪射頻信號，這就要求光纖鎖模激光器環(huán)在腔模的高次模式下鎖模。而光纖激光器環(huán)支持多個以腔基模為間隔的模式振蕩，這些模式之間的跳動是所產(chǎn)生光脈沖的主要噪聲來源。因此，對于基于耦合光電振蕩器的光脈沖產(chǎn)生，超模抑制比是關鍵性能指標之一。國內(nèi)外學者對如何改善耦合式光電振蕩器中的噪聲開展了大量研究。SALIK 等［7］在環(huán)路中采用全保偏結構的光纖，結合色散位移光纖抑制偏振噪聲并對色散進行管理，使得系統(tǒng)的相噪性能得到改善。北京郵電大學研究人員在光電反饋環(huán)中引入光脈沖能量前饋機制抑制超模噪聲［8］。浙江大學研究人員引入保偏機制來抑制耦合光電振蕩器的噪聲［9］。南京航空航天大學在這方面也開展了研究，包括在光電反饋環(huán)中采用偏振雙環(huán)結構［10］，以及利用非泵浦摻鉺光纖中由周期性空間燒孔引入的飽和吸收效應來抑制超模噪聲［11-13］。但無論是光脈沖前饋結構、雙環(huán)結構還是加入摻鉺光纖，都會在一定程度上提高系統(tǒng)的復雜度，降低了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不利于系統(tǒng)的小型化和集成化。

針對上述問題，本文提出并研究了一種基于半導體可飽和吸收鏡（SESAM）的耦合光電振蕩器。半導體可飽和吸收體通常用于重復頻率為MHz 級別的被動鎖模激光器中，本項工作則將半導體可飽和吸收鏡創(chuàng)新性地引入到重頻高達10.6 GHz 的主動鎖模機理的耦合光電振蕩器中。通過半導體可飽和吸收鏡引入飽和吸收效應，有效提高所產(chǎn)生的光脈沖的超模抑制比，以及耦合光電振蕩器的系統(tǒng)性能。該結構只需引入一個半導體可飽和吸收鏡，結構簡單，且由于所引入的為半導體器件，易于整個系統(tǒng)的小型化和集成化。開展了驗證實驗，構建了基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器，產(chǎn)生了重頻10.6 GHz的光脈沖，超模抑制比為55.3 dB，光電振蕩環(huán)中所對應產(chǎn)生的10.6 GHz 射頻信號的邊模抑制比達79.7 dB，相位噪聲為-108 dBc/Hz@ 10 kHz。

1 基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器結構和原理

本文所提出的基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器的原理結構圖如圖1 所示。將偏置于正交傳輸點的馬赫-曾德爾調(diào)制器連接到光分束器上，光分束器的兩路輸出分別連接到共享同一個電光調(diào)制器的光電振蕩回路和光纖鎖模激光器環(huán)路中。對于光纖鎖模激光器環(huán)路，光分束器的輸出口1依次連接可調(diào)光延時線、摻鉺光纖放大器和一個連接了半導體可飽和吸收鏡的光環(huán)形器，光環(huán)形的3口通過一個偏振控制器連接回馬赫-曾德爾調(diào)制器的光輸入口。偏振控制器用來調(diào)節(jié)優(yōu)化光纖鎖模激光器環(huán)路的偏振態(tài)，光纖鎖模激光器環(huán)路的腔長通過可調(diào)光延時線來調(diào)節(jié)，環(huán)路增益通過摻鉺光纖放大器進行控制。對于光電振蕩環(huán)路，光分束器的輸出口2 依次連接用于實現(xiàn)光電轉換的光電探測器，用于選擇振蕩頻率的電帶通濾波器，以及一個用于提供光電振蕩環(huán)路增益的電放大器，并最終連接到馬赫-曾德爾調(diào)制器的射頻端口，構建光電振蕩環(huán)路。

圖1 基于半導體可飽和吸收體的耦合式光電振蕩器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed coupled optoelectronic oscillator（COEO）based on a semiconductor saturable absorber

半導體可飽和吸收鏡是半導體可飽和吸收體和反射鏡的結合，其關鍵參數(shù)包括吸收率η、調(diào)制深度ΔR、弛豫時間τ和飽和通量Fsat。對于高斯型脈沖，半導體可飽和吸收鏡的吸收率η表示為

式中：η0為小信號飽和吸收率；F0為脈沖能量平均值；F（r）=為高斯型脈沖徑向相關的輻射通量，其中，r0、r分別為高斯光束半徑和光斑半徑。

反射率R是半導體可飽和吸收鏡另一個關鍵參數(shù)，定義如下：

式中：ηns為非飽和損耗；ΔR=η0-ηns為調(diào)制深度；γ為雙光子吸收率；d為吸收層厚度；τp為脈沖寬度。

可以看出，半導體可飽和吸收鏡的反射率隨著脈沖能量的變大而變大。通過半導體可飽和吸收鏡引入飽和吸收效應，使得對所需要的高功率模式吸收較弱，環(huán)路增益較大。而其余不需要的競爭模式則由于被吸收，從而環(huán)路增益較小，經(jīng)過多次環(huán)路循環(huán)后將被有效抑制。和已有耦合光電振蕩器結構相比，該耦合光電振蕩器的結構簡單，且無需引入額外的雙環(huán)、反饋等結構，有效提高了所構建的耦合光電振蕩器的結構簡單性和穩(wěn)定性。

2 實驗結果與分析

如圖1 所示的結構搭建了實驗系統(tǒng)，對基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器進行了實驗驗證，實驗裝置圖如圖2 所示。所使用的主要器件和儀器參數(shù)如下：馬赫-曾德爾強度調(diào)制器（Fujitsu，F(xiàn)TM7938EZ-A）的3 dB 工作帶寬為40 GHz；光電探測器（KG-PT-10G）的響應度為0.88 A/W，3 dB工作帶寬為10 GHz；低噪聲電放大器的增益為40 dB，工作頻率范圍為8～18 GHz；所使用電帶通濾波器中心頻率位于10.664 GHz，3 dB 帶寬為11.8 MHz；半導體可飽和吸收鏡（FC-SANOS-15XX-TEC，BATOP）的工作中心波長位于1 550 nm，最大平均輸入功率為0.5 W，強、弱信號的通過率分別為45%和3%，飽和通量F為100 μJ/cm2，弛豫時間為5 ps。實驗中采用光譜分析儀（Yokogawa AQ6 370C）測量光譜，采用采樣示波器（Agilent 86 100C，光電接口模塊為86 116C）對光脈沖的波形進行測量，采用相位噪聲分析儀（R&S FSWP26，工作頻率范圍1 MHz～26.5 GHz）對微波信號的頻譜和相位噪聲進行測試分析。

圖2 基于半導體可飽和吸收鏡的耦合式光電振蕩器實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup of the proposed SESAM-based COEO

基于圖2 的實驗裝置圖構建了耦合光電振蕩器，實現(xiàn)了重頻為10.6 GHz 的穩(wěn)定光脈沖序列和頻率為10.6 GHz 的高質量微波信號的產(chǎn)生。當耦合式光電振蕩器達到穩(wěn)定狀態(tài)后，所產(chǎn)生光脈沖的時域波形眼圖如圖3（a）所示，對應的光譜如圖3（b）所示。光脈沖的光譜中心波長由半導體可飽和吸收鏡的工作波長以及所使用的摻鉺光纖放大器的增益譜共同決定，約為1 561.1 nm。為了得到產(chǎn)生光脈沖的超模噪聲特性，將所產(chǎn)生的光脈沖注入到一個光電探測器中，得到的電信號頻譜如圖3（c）所示。可以看出，超模噪聲抑制比為55.3 dB，因此，通過引入半導體可飽和吸收鏡可有效地抑制超模噪聲。

圖3 基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器產(chǎn)生的光脈沖Fig.3 The optical pulses generated from the proposed SESAM-based COEO

此時，對應光電振蕩環(huán)中產(chǎn)生頻率為10.6 GHz的單頻微波信號，其頻譜和相位噪聲譜分別如圖4（a）和圖4（b）所示。由圖可見，光電振蕩環(huán)中產(chǎn)生微波信號的邊模抑制比達到79.7 dB，邊模得到了有效抑制。所產(chǎn)生的10.6 GHz 微波信號的相位噪聲，在光電振蕩環(huán)中無需額外引入長光纖的情況下，可低至-108 dBc/Hz@10 kHz?？梢钥闯?，通過引入半導體可飽和吸收鏡來抑制高頻工作的耦合光電振蕩器中的超模噪聲，可以使得耦合光電振蕩器的整體綜合性能均得以提升，所產(chǎn)生微波信號的邊模抑制比和相位噪聲均得到了有效改善。

圖4 基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器產(chǎn)生的微波信號Fig.4 The RF signal generated from the proposed SESAM-based COEO

3 結束語

本文提出并研究了基于半導體可飽和吸收鏡的耦合式光電振蕩器，介紹了工作原理，理論分析了半導體可飽和吸收鏡在耦合式光電振蕩器中抑制超模噪聲的過程。搭建了耦合光電振蕩器的實驗驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了重頻為10.6 GHz 的高質量光脈沖和頻率為10.6 GHz 的高質量射頻信號產(chǎn)生，超模抑制比為55.3 dB，射頻信號的邊模抑制比為79.7 dB，相位噪聲為-108 dBc/Hz@10 kHz。通過進一步優(yōu)化所使用飽和吸收體的吸收系數(shù)等參數(shù)，以及對整體結構引入保偏和封裝措施，耦合光電振蕩器的性能可以進一步提升。本文理論分析和實驗驗證了基于半導體可飽和吸收鏡的耦合光電振蕩器的可行性，將半導體可飽和吸收鏡應用于主動鎖模機制的耦合光電振蕩器內(nèi)，實現(xiàn)了對超模噪聲的抑制，并為系統(tǒng)的小型化和集成化提供了關鍵技術支撐。