俞浩

（江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省無錫市 214151）

1 前言

低相位噪聲的射頻信號源是許多射頻應(yīng)用中核心技術(shù)相參檢波的重要組成部分，例如陸地，空間通信，高分辨率遙感等等。傳統(tǒng)方法受限于使用晶振倍頻帶來的高功耗，大體積，較高的幅度調(diào)制噪聲從而引入的相位調(diào)制噪聲，因此其綜合性能遠遠落后于基于自插入自鎖相技術(shù)的強迫振蕩器。為了產(chǎn)生覆蓋X-波段以及K-波段的穩(wěn)定可調(diào)射頻信號，基于電調(diào)節(jié)釔鐵石榴石濾波器和光調(diào)節(jié)橫向濾波器的光電振蕩器曾被報道于。該光電振蕩器的未來發(fā)展方向?qū)饕杏谛酒壎嗄＜す馄鞯募?。利用多模半?dǎo)體激光器產(chǎn)生射頻信號主要有兩種方法：一是使用兩個對稱激光器的拍頻輸出，二是運用多模激光器模間相互振蕩。第一種方法因為極高的光學(xué)輸出頻通常應(yīng)用于產(chǎn)生幾百吉赫茲的射頻信號，但同時其信號線寬較差，一般為數(shù)十兆赫茲；第二種方法得益于利用多模半導(dǎo)體激光器的模間相互振蕩，輸出頻率通常在數(shù)十吉赫茲，射頻信號最高輸出頻率為40GHz。但是，關(guān)于第二種方法中的多模半導(dǎo)體激光器模間振蕩的鎖模都得益于純凈的外部射頻信號，其自由模間振蕩射頻輸出的穩(wěn)定性仍有待提高。

本文中，筆者將會提出一種基于布拉格反射鏡的多模半導(dǎo)體激光器，這種半導(dǎo)體激光器將會用于產(chǎn)生無需任何外部參考信號的穩(wěn)定射頻輸出。該多模半導(dǎo)體激光器由荷蘭SmartPhotonics代工廠的磷化銦晶圓分享計劃代工。

該半導(dǎo)體激光器一共有四大組成部分，分別是增益介質(zhì)（SOA），相位調(diào)制器（PM），分布式布拉格反射鏡（DBR）以及電吸收調(diào)制器（EAM）。其中增益介質(zhì)部分是由砷化銦鎵/磷化銦 (InGaAs/InP) 多量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成用來產(chǎn)生1550納米的光信號。前后兩個布拉格反射器將作為濾波反射鏡以形成激光器的完整腔體，該反射鏡的帶寬將會與激光器的有效多模數(shù)量直接相關(guān)。相位調(diào)制器可以用來調(diào)節(jié)射頻信號輸出頻率，其實現(xiàn)原理為利用磷化銦材料的折射率隨靜態(tài)偏置電壓變化的特性，改變其偏置電壓從而改變相位調(diào)制器的有效腔長從而最終改變射頻信號輸出頻率。同時，該相位調(diào)制器的動態(tài)調(diào)制也將會作為自鎖相環(huán)節(jié)中非常重要的一部分。最后，在激光器腔體之外的電吸收調(diào)制器主要利用其不同偏置電壓下不同的波長吸收率，從而實現(xiàn)調(diào)整多模有效輸出模式數(shù)量的目的。該多模激光器的輸出將會連接在一個高速光電探測器（Discovery Semiconductor DSC50S）上，從而將其多模模間相互振蕩的射頻輸出呈現(xiàn)在相位噪聲分析儀上。除了以上提到的基于磷化銦芯片的緊湊型多模激光器設(shè)計，新型的強迫振蕩技術(shù)自插入自鎖相也會被應(yīng)用于該激光器從而進一步降低輸出射頻信號的相位噪聲并且提高激光器模間振蕩的穩(wěn)定性。最后，在本文中，使用優(yōu)化過長度的光纖延遲的自插入自鎖相多模半導(dǎo)體激光器將會實現(xiàn)目前報道文獻中最好的射頻相位噪聲輸出并且完全擺脫對外界純凈參考信號源的依賴。

2 多模半導(dǎo)體激光器的設(shè)計

2.1 多模半導(dǎo)體激光器的參數(shù)設(shè)定

多模半導(dǎo)體激光器前后為兩個布拉格反射鏡的長度分別為200μm和600μm。相位調(diào)制器的設(shè)計長度是1250μm，增益介質(zhì)則為800μm。不同部分之間由淺蝕刻的波導(dǎo)連接從而形成完整的激光腔體。其中激光腔體的物理總腔長大約為4000μm，因此其對應(yīng)多模激光器的多模模間振蕩頻率為11.5GHz。受限于布拉格反射鏡帶寬，增益介質(zhì)的有效增益頻寬大約為80GHz。位于激光器腔體之外的電吸收調(diào)制器長度為200μm，其主要作用為提供基于波長的光強度控制從而改變輸出的有效模式數(shù)量。在芯片上，三條供電連接線將連接各個主要器件從而提供直流偏置給增益介質(zhì)，相位調(diào)制器和電吸收調(diào)制器。最后，一個穿孔型地接口將在芯片表面提供接地用以服務(wù)放置探針。

實驗中的芯片放置以及必要的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。其中放置于機械探針臺的電學(xué)微探針將提供必須的直流/交流信號給芯片的三大主要部件，同時，透鏡光纖將通過同樣放置于機械探針臺的光學(xué)探測設(shè)備檢測芯片的激光輸出。芯片下方將放置一條形黃銅片，用以連接珀爾帖冷卻器與芯片。該溫控系統(tǒng)還包括一個溫敏電阻以及激光器溫度控制器（Thorlabs TED8040）用以提供恒定的20°C環(huán)境溫度，其中溫度變化范圍始終保持在+/-0.2°C以內(nèi)。

圖1：布拉格反射器多模半導(dǎo)體激光器測試環(huán)境

2.2 多模激光器模間的實驗分析

激光器的光學(xué)輸出將通過棱鏡光纖連接在光學(xué)頻譜儀（Anritsu MS9710C）上進行檢測。同時，其通過光電探測器之后的射頻信號將連接相噪分析儀（R&S FSWP26）進行分析。半導(dǎo)體激光器中的相位調(diào)制器以及電吸收調(diào)制器的起始偏置將設(shè)置在0V用以進行初始測量和靜態(tài)校準。該激光器的測量結(jié)果如表1所示，其中主要有5個輸出模式。

表1：多模激光器輸出波長及其對應(yīng)輸出功率

當增益介質(zhì)插入電流為80mA時，其基礎(chǔ)模式的光功率為-12dBm，波長為1550.85nm。 多模輸出各個模式之間的間隔大約為11.5GHz，該間隔與估計的有效腔長13.065mm相吻合。在無強迫振蕩的介入下，自由多模模間振蕩的射頻輸出如圖2所示。其中射頻信號輸出頻率為11.5496GHz, 輸出功率為-10.59 dBm。此時增益介質(zhì)的插入電流仍然為80mA，相位調(diào)制器以及電吸收調(diào)制器偏置電壓為0V。

圖2：多模激光器模間自由振蕩射頻輸出：中心頻率=11.5496 GHz，輸出功率=-10.59 dBm。

多模模間相互振蕩及其頻譜純凈度在這里被進一步分析，其中包括其近載波相位噪聲以及相關(guān)的時間抖動。測量結(jié)果如圖3所示，其中相位噪聲的表現(xiàn)很差。在自由振蕩時，其在1kHz和10kHz頻率偏移處相位噪聲分別為-5dBc/Hz以及-30dBc/Hz。保持運行狀態(tài)并用相噪分析儀進行10分鐘測量，該輸出頻率中心偏移超過30MHz。另外經(jīng)過計算，該自由振蕩器時間抖動在頻率偏移1kHz至1MHz范圍內(nèi)為266.1ps。

圖3：近載波相位噪聲，顯示范圍1kHz頻率偏移至1MHz頻率偏移

除了固定射頻頻率輸出，如前文所述，調(diào)節(jié)相位調(diào)制器的直流輸入電壓可以改變激光器模間振蕩輸出頻率。通過將-5V—+1V的直流電壓加在相位調(diào)制器上，可以改變該相位調(diào)制器的光波導(dǎo)內(nèi)的折射率，從而分別帶來20°/mm到17.5°/mm的相移并最終改變多模半導(dǎo)體激光器的有效腔長。當有效腔長改變，模間振蕩輸出頻率也會改變（模間隔=光速/(2*有效腔長)）從而得到不同的射頻輸出。除了靜態(tài)激光輸出外，作者對相位調(diào)制器不同偏置下的頻率調(diào)節(jié)靈敏度也進行了測試。如表2所示，相位調(diào)制器在-5V—+1V的偏置電壓下，其平均頻率靈敏度大約為150MHz/V，覆蓋范圍為X-波段內(nèi)800MHz。該射頻調(diào)節(jié)范圍與靈敏度是作者所知的已發(fā)表的文獻中最佳的，并且顯著好于傳統(tǒng)壓控振蕩器調(diào)節(jié)靈敏度。

表2：相位調(diào)制器不同直流電壓下的靈敏度及其對應(yīng)的信號輸出頻率

為了進一步提高自由振蕩振蕩器的信號純凈度，強迫振蕩的概念將會被引入用以穩(wěn)定輸出頻率。在這些系統(tǒng)中，外部參考源的穩(wěn)定性將直接決定輸出信號純凈度。但是，當沒有外部參考源時，一種新型的自行強迫振蕩系統(tǒng)就變得十分具有競爭力。強迫振蕩技術(shù)自插入，自鎖相以及自插入自鎖相的結(jié)合也可以被用在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中用以穩(wěn)定模間相互振蕩所產(chǎn)生的射頻信號，并且極大的降低其相位噪聲和時間抖動。

在此結(jié)構(gòu)中，自插入自鎖相將會被同時使用并且引入不同的延遲。其總相位噪聲經(jīng)過拉普拉斯變換之后的表達式如下，其中Sn_i,Sn_0分別指代系統(tǒng)和振蕩器的殘余相位噪聲，τ根據(jù)下標不同代表不同長度光纖引入的延遲，G則根據(jù)下標不同代表自插入或者自鎖相所在環(huán)路的增益。

其中

由以上公式，我們可以輕易得出結(jié)論，無論是自插入，自鎖相還是他們的結(jié)合都能在不依靠外部參考源的前提下顯著降低系統(tǒng)的相位噪聲。同時為了更好的實現(xiàn)基于半導(dǎo)體多模激光器的自插入自鎖相系統(tǒng)，接下來的章節(jié)將會分別針對自插入和自鎖相進行優(yōu)化。

3 自插入和自鎖相的優(yōu)化

3.1 自插入系統(tǒng)優(yōu)化

自插入系統(tǒng)的優(yōu)化實驗框圖如圖4所示。多模激光器的瞬時輸出將會首先被固定增益的摻鉺光纖放大器放大，然后通過5km（25μs）光纖的延遲，最后經(jīng)過光學(xué)環(huán)路器反饋回激光器自身。除去以上主要器件外，在該環(huán)路中光學(xué)衰減器將被放置在環(huán)路器之前用以調(diào)整反饋光強度，進而評估自插入系統(tǒng)的相位噪聲動態(tài)變化情況。另外，極化控制器也會被放置在該環(huán)路中用以調(diào)整反饋光極化狀態(tài)以獲得較高的光學(xué)插入效率。最后，多模模間振蕩產(chǎn)生的射頻信號會通過光電探測器進行還原從而在相噪分析儀（R&S FSWP-26）上進行觀察。

圖4：用于優(yōu)化的自插入系統(tǒng)框圖

運用上述系統(tǒng)，將進一步進行自插入系統(tǒng)的性能比較。圖5(a)展示了使用不同自插入功率的系統(tǒng)與自由振蕩系統(tǒng)的輸出信號相位噪聲比較。從中我們可以得出結(jié)論，輸出相位噪聲在Pinj/Po=0.3時獲得了最大程度的降低。其中，自插入功率為-10dBm減去棱鏡光纖耦合損耗6dB等于-16dBm，激光器輸出功率為=-10dBm。此時，該自插入系統(tǒng)相位噪聲在1kHz和10kHz頻率偏移處為-40dBc/Hz以及-80dBc/Hz。相比于自由震蕩情況，分別提供了35dB以及50dB的降低。在獲得了最佳插入功率比后，筆者還對不同延遲長度的自插入系統(tǒng)進行了比較以證明最佳的延遲光纖長度。圖5(b)展示了-10dBm插入功率下不同光纖長度對相位噪聲的影響。同樣的，5km光纖相比于1km，3km以及7km光纖，提供了最佳的相位噪聲性能。除了相比于自由振蕩在相位噪聲上的提升，5km自插入系統(tǒng)在時間抖動上的提升也十分巨大。優(yōu)化過插入功率的5km延遲自插入系統(tǒng)時間抖動為5.17ps，這一數(shù)值僅為同樣積分頻率下自由振蕩系統(tǒng)的五十分之一。除去相位噪聲的巨大提升外，圖5(a)還展現(xiàn)了因為使用自插入而帶來的邊模諧振。該諧振發(fā)生在40kHz的整數(shù)倍頻率處，其產(chǎn)生原因為5km也就是25μs的光纖延遲，其中最低諧振頻率為光纖延遲的倒數(shù)。同樣的，圖5(b)也顯示了由于使用1-7km不同延遲光纖而帶來的不同頻率的邊模諧振。這些邊模諧振將會一定程度上影響系統(tǒng)時間抖動的數(shù)值，因此使用多路鎖相技術(shù)去進一步消除他們將會變得十分必要。

圖5：自插入鎖定與自由振蕩系統(tǒng)的相位噪聲比較

3.2 自鎖相的優(yōu)化

在完成關(guān)于自插入的優(yōu)化后，自鎖相的優(yōu)化則相對簡單并且可以類比傳統(tǒng)鎖相環(huán)系統(tǒng)。在該鎖相系統(tǒng)中，核心部件為集成低通濾波放大器以及混頻器用以檢測放大瞬時信號與參考信號（可以是外部參考源，也可以是引入了自插入之后的瞬時信號）之間的相位差并進行實時反饋調(diào)整。為了排除自插入對鎖相系統(tǒng)優(yōu)化的影響，本文將采取外部參考源進行優(yōu)化。該鎖相系統(tǒng)中利用低通濾波放大器以及X-波段混頻器來實現(xiàn)鑒頻鑒相器的功能，環(huán)路帶寬被重新設(shè)計為50MHz用以覆蓋前文中在20℃環(huán)境溫度條件下測量得到的30MHz-35MHz的多模振蕩中心頻率偏移。因此，該環(huán)路帶寬將保證包括任何潛在的頻率抖動并且能始終保持系統(tǒng)的相位追蹤狀態(tài)。為了優(yōu)化該鎖相系統(tǒng)，如圖6所示，一個來自外界參考源（Gigatronics GT9000信號合成器）的穩(wěn)定信號將會被輸入到鎖相環(huán)電路用以和經(jīng)過摻餌光纖放大器以及光電探測器的激光器模間振蕩輸出進行比較。如果一旦這兩路信號之間的相位差不在恒定，則被鎖相環(huán)電路檢測到。同時，低通濾波放大器的輸出將會產(chǎn)生反饋信號給半導(dǎo)體激光器的相位調(diào)制模塊從而改變激光器的模間振蕩頻率來重新回歸相位鎖定狀態(tài)。

圖6：外接參考源的相位鎖定優(yōu)化框圖

加入了鎖相環(huán)的系統(tǒng)相位噪聲如圖7所示。對比于自由振蕩輸出，進行過鎖相的多模激光器模間振蕩射頻輸出的純凈度得到了極大的提升。與鎖相環(huán)的基本原理相符，靠近載波處的相位噪聲基本與外部參考源相似，其1kHz與10kHz頻率偏移處的相位噪聲都為-85dBc/Hz。最后，應(yīng)用了鎖相環(huán)的系統(tǒng)其頻率穩(wěn)定性也得到了巨大提升，10分鐘內(nèi)的頻率漂移從最大30MHz減小到5kHz。

圖7：使用外接參考源的鎖相系統(tǒng)與自由振蕩輸出的相位噪聲性能比較，射頻中心頻率=11.54GHz，輸出功率=5.39dBm。

4 綜合優(yōu)化系統(tǒng)

在分別完成自插入以及自鎖相的系統(tǒng)優(yōu)化之后，接下來兩者將會被合并從而取得最佳的系統(tǒng)穩(wěn)定效果。結(jié)合了自插入以及自鎖相的系統(tǒng)框圖如圖8所示。自插入系統(tǒng)仍然使用單路5km光纖延遲，但是自鎖相系統(tǒng)將會使用多條光纖延遲作為參考源從而取代優(yōu)化時為了簡化操作而使用的外部參考信號源。受益于穩(wěn)定長光纖延遲極高的品質(zhì)因數(shù)，當該光纖延遲信號作為參考源與未進行延遲處理的多模模間振蕩信號分別到達鎖相環(huán)電路時，任何瞬時的相位變化都會被檢測到并且通過低通濾波放大器反饋回半導(dǎo)體激光器的相位調(diào)制模塊。到達相位調(diào)制模塊的信號將會把該瞬時信號重新拉回到與延遲過的信號相同的相位狀態(tài)，由于延時信號延時顯著大于所需鎖定時間，因此所有激光器自身的變化都會最終通過實時反饋來追蹤并保持與延遲信號一致，從而實現(xiàn)激光器穩(wěn)定輸出。另外，因為相位調(diào)制模塊擁有平均為150MHz/V的調(diào)頻靈敏度，所以鎖相環(huán)電路掃描反饋電壓范圍被設(shè)置在-1V--+1V之間，該掃描范圍可以完全覆蓋所需的最大糾正范圍30MHz。最后，當鎖相狀態(tài)穩(wěn)定時，鎖相環(huán)掃描電路輸出將穩(wěn)定在直流電壓。如有任何環(huán)境變化再次影響激光器模間振蕩，該掃描電壓即會重新掃描直到再次達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8：加入了單路自插入三路自鎖相的多模模間振蕩系統(tǒng)實驗框圖

最終的自插入自鎖相系統(tǒng)如圖8所示，其使用了5km的自插入光纖延遲，500m，1km，3km的三路自鎖相光纖延遲來搭建系統(tǒng)并測量其相位噪聲性能。其中，使用三路無長度倍數(shù)關(guān)系自鎖相延遲是為了最大程度的壓制自插入帶來的邊模諧振。另外，不同的相位調(diào)制器直流偏置電壓也會被進一步優(yōu)化從而獲得最好的系統(tǒng)性能。

該系統(tǒng)相位噪聲性能如圖9所示。首先，所有明顯的邊模諧振都得到了極大的壓制。對比于僅僅使用自插入，結(jié)合了多路自鎖相的系統(tǒng)將邊模諧振與載波的功率比從-30dBc降低到-90dBc。另外，從圖9的測量結(jié)果來看，當相位調(diào)制器直流偏置電壓為0V時系統(tǒng)可以達到最佳的相位噪聲性能。其系統(tǒng)相位噪聲在1kHz和10kHz頻率偏移處分別為-58dBc/Hz以及-98dBc/Hz。該相位噪聲結(jié)果對比于自由振蕩的多模激光器在1kHz以及10kHz頻率偏移處分別取得了53dB以及68dB的提升。在最好的情況下，系統(tǒng)時間抖動可以進一步降低至0.448ps，這一數(shù)值僅為自由振蕩情況下的六百分之一。另外，如圖9所示，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，這也從側(cè)面進證明了前文所述噪聲模型的正確性。

圖9：自插入自鎖相多模模間振蕩系統(tǒng)在不同相位偏置電壓下的射頻輸出相位噪聲性能比較，射頻中心頻率=11.54GHz，輸出功率=3.59dBm。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于多模半導(dǎo)體激光器模間振蕩的X-波段射頻振蕩器。通過使用自插入自鎖相強迫振蕩技術(shù)，該射頻振蕩器可以同時實現(xiàn)不依賴于任何外界參考源的相位噪聲降低以及頻率調(diào)整。本文中輸出射頻信號11.5GHz在1kHz和10kHz頻率偏移處可以分別實現(xiàn)最低-58dBc/Hz和-98dBc/Hz的相位噪聲。該結(jié)果十分具有競爭力，甚至可以媲美許多使用了外界參考源的基于激光器的射頻信號系統(tǒng)。事實上，這是首次實現(xiàn)基于整體集成多模激光器模間振蕩的超穩(wěn)定射頻信號發(fā)生器，其時間抖動在11.5GHz穩(wěn)定輸出時始終低于0.5ps。該設(shè)計的成功同時展示了其進一步開發(fā)更高頻率射頻信號發(fā)生器的巨大潛力。當使用模數(shù)量更多，模間隔更大的半導(dǎo)體激光器時，本文所證明的系統(tǒng)仍可適用并且只需簡單優(yōu)化即可生成無需外界參考源的低噪聲穩(wěn)定高頻信號。同時，文中所用到的光纖延遲也可用高品質(zhì)因數(shù)的集成型諧振器替代，從而進一步縮小總體體積?？傮w來說，文中論述的基于自插入自鎖相的多模模間振蕩半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)十分先進，具有進一步開發(fā)實現(xiàn)集成型低噪聲毫米波信號發(fā)生器的良好前景。