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随着信息技术的不断发展，具有高频谱纯度、低相位噪声且灵活可调的微波信号源在无线通信、雷达、光通信等领域中发挥着越来越重要的作用[1-4]。然而通过传统电学方法生成的微波信号通常在相位噪声、频谱纯度、信号频率可调谐范围等性能指标上具有局限性，难以满足现代通信与雷达系统的性能指标要求。光电振荡器(Optoelectronic Oscillator, OEO)采用微波光子技术来产生微波信号[5]，可以有效克服基于传统电学技术的微波信号源在微波频段和调谐灵活性等方面的局限，具有高品质因数，同时能够产生具有低相位噪声的高频微波信号[6-8]，在高频段、大带宽的微波系统中具有广阔的应用前景。在早期的光电振荡器研究中，通常使用电滤波器作为频率选择器件来实现微波信号生成，然而在这种结构中系统生成微波信号的频率受电滤波器中心频率的限制，因此通常情况下光电振荡器的可调谐性较差[9]。为了提升光电振荡器的频率可调谐性，研究人员提出利用微波光子滤波器[10-11]取代电滤波器的方式来构造光电振荡器生成频率宽带可调的微波信号。参考文献[12]中提出利用级联相位调制器与相移光纤光栅的方式构造微波光子滤波器，通过调整可调谐激光器输出光信号的波长实现了频率为3~28 GHz可调的微波信号生成。参考文献[13]中提出了一种通过利用受激布里渊散射效应构造微波光子滤波器，并以此为基础构建光电振荡器实现微波信号生成的方案，通过该方案可以生成频率为2~18 GHz，且在10 kHz频偏处相位噪声为−95 dBc/Hz的微波信号。参考文献[14]中，通过利用级联相位调制器与光滤波器的方式构造微波光子滤波器，实现相位调制到强度调制的转换，生成频率为4.74 ~38.38 GHz的可调谐微波信号。但是，为了获取高性能的微波信号，基于微波光子滤波器结构实现光电振荡器的方案往往需要微波光子滤波器具有较窄的通带范围，导致实际应用存在一定的局限性。同时，上述方案中光电振荡器输出微波信号的近端相位噪声（频偏量为1 kHz以内）通常情况下相对较差。
文中提出了一种基于光注入半导体激光器技术的高频谱纯度的可调谐光电振荡器。该方案基于光注入半导体激光器下的单周期振荡态与波长选择放大特性构造光电振荡环路，实现频率可调谐的微波信号生成。通过在环路中引入次谐波信号调制，可以有效提升光电振荡器生成微波信号的杂散抑制比并降低信号线宽，提升频谱纯度。实验结果表明，文中方案所提出的光电振荡器可以生成频率最高为18 GHz的高质量可调谐微波信号，同时系统生成的微波信号在频偏量为10 kHz处的相位噪声低至−109 dBc/Hz。需要注意的是，方案中光电振荡器生成的微波信号频率调谐范围只受各类光电器件带宽的限制，通过使用具有更大工作带宽的光电器件可以有效提升系统生成信号的频率可调谐范围。
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基于光注入半导体激光器技术的光电振荡器系统结构图如图1所示，该系统主要包括可调谐激光器(Tunable Laser Source, TLS)，相位调制器（Phase Modulator, PM），马赫曾德尔强度调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)，偏振控制器(Polarization Controller, PC)，光环行器(Optical Circulator, OC)，分布反馈式半导体激光器(Distributed-Feedback Semiconductor Laser Diode, DFB-LD)，单模光纤(Single-Mode Fiber, SMF)，光电探测器(Photodetector, PD)，电滤波器(Electrical Band-Pass Filter, EBPF)和电放大器(Electrical Amplifier, EA)。通过电频谱分析仪(Electrical Spectrum Analyzer, ESA)和信号源分析仪(Signal Source Analyzer, SSA)对OEO产生的微波信号进行测量分析。
图 1 基于光注入半导体激光器技术的光电振荡器结构图
Figure 1. Schematic diagram of the optoelectronic oscillator of optically-injected-based semiconductor laser
如图1所示，将可调谐激光器作为主激光器(Master Laser, ML)，不含隔离器的半导体激光器作为从激光器(Slave Laser, SL)。当链路中无次谐波信号调制时，主激光器输出的光信号直接经过光环行器注入到从激光器中。由于从半导体激光器只对注入光信号的TE模式起作用，因此通过调节链路中的偏振控制器调整注入光信号的偏振态，以获得合适的注入效率。在适当的光注入条件下，从半导体激光器会处于单周期振荡工作状态，此时从激光器的谐振腔模式会发生红移并产生光学增益区。此后，从激光器输出的光信号再次经光环行器输入到强度调制器中，此时强度调制器工作在正交偏置点下。强度调制器输出的光信号经过一定长度的单模光纤后输入到光电探测器中，光电探测器输出的电信号经电放大器的放大与电滤波器的滤波后获取笔者所需要的纯净微波信号。最后，使用电分路器将系统生成的微波信号分成两路，其中一路信号输入到频谱仪与信号源分析仪中进行测量，另一路信号输入到强度调制器的射频输入端口中实现OEO的闭环振荡。
光注入半导体激光器技术的原理图如图2所示。主激光器输出的光信号频率与从激光器自由运行时的频率之间的差值被定义为主激光器与从激光器间的失谐频率，因此，主、从激光间的失谐频率可以表示为：
图 2 光注入半导体激光器原理图
Figure 2. Principle of optically injected semiconductor laser
$$\Delta f = {f_m} - {f_s}$$ (1) 在经过光环行器前，通过使用偏振控制器调节注入光的偏振态，获取合适的注入效率，从而保证从激光器将处于单周期振荡工作态。
在单周期振荡态下，从半导体激光器的谐振腔模式将受载流子浓度变化的影响红移至频率fcav处[15-16]。因此，新的信号频率fcav会随着半导体激光器自由运行频率fs的消失而产生，且红移后的频率fcav可以表示为：
$${f_{cav}} = {f_s} + \frac{1}{2}\alpha g(N - {N_{th}})$$ (2) 式中：α为线宽增强因子；g为线性增益系数；N为腔内载流子数量；Nth表示阈值载流子数量。主激光器与谐振腔模式红移后的从激光器间的频率差值为：
$${f_c} = {f_m} - {f_{cav}}$$ (3) 结合公式（1）~（3）可以得到：
$${f_c} = \Delta f - \frac{1}{2}\alpha g\left( {N - {N_{th}}} \right)$$ (4) 因此，当从激光器输出的光信号经光电探测拍频后会产生如图2中所示频率为fc的微波信号。通过单独或同时调节主、从激光器间的失谐频率和注入系数，fc可以由几GHz调节至数十GHz。其中，注入系数被定义为注入光功率与从激光器自由运行时功率之比的平方根。然而，由于单周期振荡态是一种非稳定的工作状态，处于单周期振荡工作状态下的半导体激光器的光频率会随着注入系数或失谐频率的变化而发生变化，因此外部实验环境的轻微变化都会对实验结果产生影响，从而导致OEO振荡环路生成微波信号的稳定性与频谱纯度的劣化。
而通过在基于光注入半导体激光器技术的OEO振荡环路中引入次谐波信号调制，能够有效提升系统生成微波信号的稳定性与频谱纯度，主激光器输出的光信号经相位调制器被频率为f0/N(N为整数，且频率f0与频率fc相近)的次谐波微波信号调制后，经光环行器注入到从半导体激光器中。由光注入半导体激光器的原理可知，在适当的光注入条件下，从半导体激光器的谐振腔模式在发生红移的同时会产生光学增益区，因此，调制信号的N阶边带，即频率为fm − f0的光信号将位于激光器的锁定区内并将其锁定，同时只有最接近N阶调制边带的振荡模式将被锁定，如图3所示。因此，通过在基于光注入半导体激光器的光电振荡器中引入次谐波信号调制可以实现OEO的稳定振荡，生成具有低相位噪声的稳定高质量单模微波信号。
图 3 次谐波调制原理图
Figure 3. Principle of subharmonic microwave modulation
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根据图1所示的系统结构图搭建实验链路对基于光注入半导体激光器技术的OEO性能进行实验验证。实验中主激光器为可调谐激光器(NKT E15)，主激光器输出光信号的功率为13 dBm，波长为1549.505 nm。主激光器输出的连续光信号经光环形器注入到自由运行光功率为10.5 dBm的从半导体激光器中。通过控制偏振控制器调节注入光的偏振态以获取合适的注入效率，从激光器输出的光信号进一步被强度调制器调制从而构建OEO环路。OEO环路中单模光纤长度为100 m左右，通过光电探测器的光电转换生成微波信号。工作带宽为0.3~18 GHz的电放大器用于实现信号放大，工作带宽为10~18 GHz的电滤波器用于信号滤波，获取纯净的微波信号。通过频谱分析仪和信号源分析仪对振荡信号进行测量。
基于图1所示的OEO结构，在固定失谐频率与注入系数的条件下对无次谐波信号调制的OEO生成微波信号的性能进行实验研究，实验结果如图4所示，OEO生成的频率为15.34 GHz的微波信号的输出功率为−9.8 dBm，信号的杂散抑制比为26 dB，且信号的3 dB带宽约为6 MHz。同时，OEO在室温环境下工作5 min后得到的实验结果如图5所示，此时系统生成微波信号的频率漂移至15.31 GHz，信号的3 dB带宽约为12.5 MHz。根据实验结果可以发现，受从半导体激光器工作在单周期振荡态时激光器稳定性较差的影响，无次谐波调制的OEO生成的微波信号并不是单一模式的微波信号，而是包含了很多不同频率分量的微波信号，且信号频率会随着时间发生偏移，因此系统生成微波信号的频率稳定性、谐波抑制比与频谱纯度较差。
图 4 扫频带宽2 GHz时无次谐波调制OEO生成15.34 GHz微波信号的频谱图
Figure 4. Measured 15.34 GHz signal spectrum without subharmonic microwave modulation OEO with a span of 2 GHz
图 5 扫频带宽1 GHz时无次谐波调制OEO生成的微波信号频率漂移至15.31 GHz的频谱图
Figure 5. Frequency drifted 15.31 GHz microwave signal without subharmonic microwave modulation OEO with a span of 1 GHz
利用相位调制器在OEO振荡环路中引入次谐波信号调制，同时通过固定注入系数，改变主、从激光器间的失谐频率对OEO生成的微波信号频率进行调谐。实验中失谐频率的调谐是通过固定主激光器输出光信号的波长，调节从激光器自由运行时的波长来实现的。控制DFB激光器驱动中的温控装置使从激光器自由运行时的波长从1549.580 nm调节至1549.615 nm，此时失谐频率从9.375 GHz变化至13.75 GHz。如图6所示，当加载到相位调制器的1/2次谐波，信号频率为6.25~8.75 GHz，功率为15 dBm左右时，利用光注入半导体激光器的单周期振荡工作状态和波长选择放大特性，文中方案提出的OEO可以生成输出功率大于5 dBm，频率调谐范围为12.5~17.5 GHz的微波信号。需要注意的是，OEO生成微波信号的频率只由系统中使用的各类光电器件的工作带宽决定，通过使用具有更大工作带宽的器件，系统生成微波信号的频率调谐范围可以进一步提升。
图 6 OEO生成不同频率微波信号的频谱
Figure 6. Generated microwave signal spectrum of OEO at different frequencies
微波信号主模式附近的边模会影响信号远端的相位噪声，因此笔者分别测量了系统生成微波信号频率为15 GHz时开环链路与OEO环路的边模抑制比。当频谱仪扫频带宽为2 MHz时，开环链路生成的15 GHz微波信号的频谱图如图7所示，此时信号的边模抑制比为47 dB。当频谱仪扫频带宽为2 MHz时，OEO环路生成的15 GHz微波信号的频谱图如图8所示，此时信号的边模抑制比为51 dB，与开环链路相比，信号的边模抑制比提升了4 dB。当频谱仪扫频带宽为10 MHz时，测得的15 GHz微波信号的频谱图如图9所示，信号的杂散抑制比为65 dB，与无次谐波信号调制的OEO相比，信号的杂散抑制比提升了约40 dB。同时信号的3 dB带宽约为100 kHz，远远小于无次谐波信号调制时OEO生成微波信号的3 dB带宽，OEO生成微波信号的频谱纯度得到了显著提升，此时系统生成的微波信号可以近似为单一模式的微波信号，且信号频率不会随时间发生偏移。因此，分析实验结果可以得到通过在基于光注入半导体激光器技术的OEO振荡环路中引入次谐波信号调制，能够有效提升系统生成微波信号的稳定度、边模抑制比与频谱纯度。
图 7 扫频带宽2 MHz时开环链路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 7. Measured 15 GHz signal spectrum of the open-loop structure with a span of 2 MHz
图 8 扫频带宽2 MHz时OEO环路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 8. Measured 15 GHz signal spectrum of the OEO loop with a span of 2 MHz
图 9 扫频带宽10 MHz时OEO环路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 9. Measured 15 GHz signal spectrum of the OEO loop with a span of 10 MHz
进一步对OEO生成微波信号的相位噪声性能进行实验分析，实验结果如图10所示，从图中可以看出开环链路所产生的频率为15 GHz的微波信号在频偏量为100 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为−77 dBc/Hz与−104 dBc/Hz。与此同时，文中方案提出的OEO环路所产生的频率为15 GHz的微波信号在频偏量为100 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为−78 dBc/Hz与−109 dBc/Hz。OEO环路生成的微波信号与开环链路生成的微波信号相比，在10 kHz频偏处的相位噪声优化了5 dB。实验结果表明，与开环链路相比，通过构造OEO振荡环路可以有效改善系统生成微波信号的相位噪声的性能指标，从而实现具有低相位噪声的高质量微波信号生成。
图 10 系统生成15 GHz微波信号的相位噪声
Figure 10. Measured phase noise of the generated 15 GHz microwave signals
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文中提出了基于光注入半导体激光器和次谐波信号调制的可调谐OEO，通过实验验证了基于光注入半导体激光器下的单周期振荡态和波长选择放大特性可以实现微波信号生成，同时通过利用次谐波信号调制与构造光电振荡环路的方式可以有效提升系统生成微波信号的质量。实验结果表明，OEO生成的微波信号的输出功率大于5 dBm，频率调谐范围为12~18 GHz，通过构造光电振荡环路并引入1/2次谐波信号，OEO生成微波信号的边模抑制比可以提升至51 dB，同时信号在100 Hz和10 kHz频偏处的相位噪声分别为−78 dBc/Hz 与−109 dBc/Hz。此外，通过在OEO环路中使用具有更大工作带宽的光电器件，能够有效提升OEO生成微波信号的频率调谐范围。
Tunable optoelectronic oscillator based on optically injected distributed-feedback semiconductor laser diode under subharmonic microwave modulation
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摘要: 为实现具有高频谱纯度、低相位噪声的宽带可调谐微波信号生成，提出并通过实验验证了一种次谐波信号调制下光注入半导体激光器结构的光电振荡器，其原理为通过利用光注入半导体激光器的单周期（P1）振荡工作状态和波长选择放大特性实现可调微波信号生成，并进一步通过在光电振荡环路中引入次谐波信号调制对系统生成微波信号的频率稳定性、边模抑制比与频谱纯度进行优化。实验结果表明，文中方案提出的光电振荡器可以生成输出功率大于5 dBm，频率调谐范围为12~18 GHz的微波信号。同时，系统生成的微波信号的3 dB带宽为100 kHz，边模抑制比可达 51 dB，且信号在频偏量为100 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为−78 dBc/Hz和−109 dBc/Hz。此外，光电振荡器生成微波信号的频率调谐范围只受系统中使用的各类光电器件工作带宽的限制，通过采用具有更大带宽的光电器件可以实现更高频率的微波信号生成。Abstract: In order to obtain microwave signal with high spectral purity, low phase noise and flexible tunability, a novel approach to achieving a tunable optoelectronic oscillator (OEO) which was based on optically injected semiconductor laser and subharmonic microwave modulation for microwave signal generation was proposed and experimentally demonstrated. The fundamental concepts for realizing the OEO were based on the wavelength-selective amplification effect and the period-one(P1) oscillation state of optically injected semiconductor laser. The frequency stability, side-mode-suppression ratio and spectral purity of the generated microwave signal could be optimized by introducing subharmonic microwave modulation via a phase modulator in the OEO loop. The experimental results show that the central frequency of the microwave signal generated by the proposed OEO could be tuned from 12 GHz to 18 GHz, and output power of the generated signal was more than 5 dBm. At the same time, the generated signal had a side-mode-suppression ratio of 51 dB and a 3 dB bandwidth of 100 kHz. Finally, the phase noise of the measured microwave signal could be optimized to −78 dBc/Hz and −109 dBc/Hz at 100 Hz and 10 kHz frequency offset by introducing subharmonic microwave modulation in the system, respectively. Furthermore, the tunable frequency range of the generated signal was restricted by the operating bandwidths of the optic-electronic devices which were utilized in the system. A higher frequency of the generated microwave signal could be achieved by using the devices with larger bandwidths in the OEO loop.
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图 1 基于光注入半导体激光器技术的光电振荡器结构图
Figure 1. Schematic diagram of the optoelectronic oscillator of optically-injected-based semiconductor laser
图 4 扫频带宽2 GHz时无次谐波调制OEO生成15.34 GHz微波信号的频谱图
Figure 4. Measured 15.34 GHz signal spectrum without subharmonic microwave modulation OEO with a span of 2 GHz
图 5 扫频带宽1 GHz时无次谐波调制OEO生成的微波信号频率漂移至15.31 GHz的频谱图
Figure 5. Frequency drifted 15.31 GHz microwave signal without subharmonic microwave modulation OEO with a span of 1 GHz
图 6 OEO生成不同频率微波信号的频谱
Figure 6. Generated microwave signal spectrum of OEO at different frequencies
图 7 扫频带宽2 MHz时开环链路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 7. Measured 15 GHz signal spectrum of the open-loop structure with a span of 2 MHz
图 8 扫频带宽2 MHz时OEO环路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 8. Measured 15 GHz signal spectrum of the OEO loop with a span of 2 MHz
图 9 扫频带宽10 MHz时OEO环路生成15 GHz微波信号的频谱图
Figure 9. Measured 15 GHz signal spectrum of the OEO loop with a span of 10 MHz
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