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谐波锁模光电振荡器(特邀)

曾珍 张旨遥 章令杰 张尚剑 李和平 刘永

曾珍, 张旨遥, 章令杰, 张尚剑, 李和平, 刘永. 谐波锁模光电振荡器(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(7): 20211053. doi: 10.3788/IRLA20211053
引用本文: 曾珍, 张旨遥, 章令杰, 张尚剑, 李和平, 刘永. 谐波锁模光电振荡器(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(7): 20211053. doi: 10.3788/IRLA20211053
Zeng Zhen, Zhang Zhiyao, Zhang Lingjie, Zhang Shangjian, Li Heping, Liu Yong. Harmonically mode-locked optoelectronic oscillator (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(7): 20211053. doi: 10.3788/IRLA20211053
Citation: Zeng Zhen, Zhang Zhiyao, Zhang Lingjie, Zhang Shangjian, Li Heping, Liu Yong. Harmonically mode-locked optoelectronic oscillator (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(7): 20211053. doi: 10.3788/IRLA20211053

谐波锁模光电振荡器(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20211053
基金项目: 科技部国家重点研发计划项目(2019YFB2203800);国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(61927821);中央高校基本科研业务费面向重大需求类项目(ZYGX2020ZB012)
详细信息
    作者简介:

    曾珍,女,博士生,主要从事光电振荡器相关方向的研究

    通讯作者: 刘永,男,教授,博士生导师,主要从事高速光电子、微波光子、光电检测等方面的研究工作。
  • 中图分类号: TN29

Harmonically mode-locked optoelectronic oscillator (Invited)

图(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-15
  • 修回日期:  2021-05-15
  • 刊出日期:  2021-07-23

谐波锁模光电振荡器(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20211053
    作者简介:

    曾珍,女,博士生,主要从事光电振荡器相关方向的研究

    通讯作者: 刘永,男,教授,博士生导师,主要从事高速光电子、微波光子、光电检测等方面的研究工作。
基金项目:  科技部国家重点研发计划项目(2019YFB2203800);国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(61927821);中央高校基本科研业务费面向重大需求类项目(ZYGX2020ZB012)
  • 中图分类号: TN29

摘要: 

提出了一种主动锁模光电振荡器(OEO)方案,可以实现高阶谐波锁模,从而产生具有高重复频率的微波脉冲信号。在所提方案中,通过在OEO腔内的电光强度调制器直流偏置端口引入一个正弦驱动信号,当该正弦信号的频率

为OEO环腔自由光谱范围的整数倍

时,实现基频(

)或谐波(

)锁模,输出重复频率为

的微波脉冲信号。实验中分别实现了10阶、50阶和100阶谐波锁模,输出微波脉冲信号的重复频率分别为360 kHz、1.8 MHz和3.6 MHz。该方案为脉冲多普勒雷达等系统应用提供了一种全新的、具备低相噪潜力的微波脉冲信号产生的技术途径。

English Abstract

    • 光电振荡器(OEO)可以在高频段产生具有低相位噪声的微波信号,近年来获得了各国研究人员的广泛关注[1]。在传统OEO中,各个模式从噪声独立起振,纵模之间具有随机的相位关系,由于增益竞争效应,只能产生具有单一频率的微波信号。对于脉冲多普勒雷达等应用,利用OEO产生具有低相位噪声的超短微波脉冲信号更具应用价值。

      OEO是一种光电混合的闭合振荡环路,其结构与环形腔光纤激光器类似。在光纤激光器中,采用被动或主动锁模技术可以产生超短光脉冲序列[2-3]。类似地,将锁模技术引入OEO中,通过对各个纵模实现相位锁定,打破腔内模式竞争效应的限制,可以实现超短微波脉冲信号的产生。2011年,Levy等人首次提出了基于被动锁模机制的OEO[4]。他们在OEO腔内中加入饱和射频放大器(等效于被动锁模激光器中的可饱和吸收体),产生了载频650 MHz、5 dB带宽440 MHz的宽带射频脉冲信号。该技术方案的不足之处在于,射频梳齿的频率间隔由环腔长度决定,难以实现脉冲信号重复频率的调谐。2021年,笔者所在课题组提出了一种基于主动锁模OEO的微波脉冲信号产生方案[5]。通过在OEO腔内加入电学幅度调制器,对环腔内的损耗进行周期性调制,实现了纵模之间的相位锁定,产生了重复频率可调谐的超短微波脉冲信号。主动锁模技术的优势在于,在不改变环腔结构的条件下,可以通过谐波锁模技术,获得更大的微波梳齿频率间隔,即更高的脉冲重复频率。然而,在该验证系统中,电学幅度调制器的工作带宽仅为百kHz量级,限制了微波脉冲信号的重复频率。

      文中提出了一种能够实现高阶谐波锁模的主动锁模OEO方案。通过对OEO腔内电光强度调制器的直流偏压点进行周期性调控,使得环腔中的损耗曲线呈周期性变化,当调控周期为OEO环腔自由光谱范围的整数倍$N$时,实现基频($N = 1$)或谐波($N \geqslant 2$)锁模。实验中分别实现了10阶、50阶和100阶谐波锁模,产生的微波脉冲信号重复频率分别为360 kHz、1.8 MHz和3.6 MHz。

    • 图1给出了文中所提出的主动锁模OEO系统的结构及工作原理。主动锁模OEO的系统结构与传统OEO类似,其工作原理简述如下:半导体激光二极管输出窄线宽激光,由可调谐光衰减器控制进入OEO腔内的光功率,从而实现环腔内增益的精细调节,保证OEO能够进入稳定的锁模状态。直流光进入电光强度调制器(IM),IM输出的调制光信号通过一段非零色散位移光纤(NZ-DSF),在光电探测器内转换成微波信号,之后依次经过带通滤波器、低噪声放大器后,被电耦合器分成两路,一路用于输出OEO的振荡信号,一路连接至IM的射频输入端口,实现OEO闭环。与传统OEO不同的是,IM的偏置端口不再由直流信号驱动,而是由函数发生器(FG)输出的正弦信号进行控制,该正弦信号实现OEO环腔内损耗的周期性调控,当调控周期为环腔自由光谱范围的整数倍$N$时,实现主动锁模。

      图  1  主动锁模OEO系统结构(a)及工作原理(b)示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of system structure (a) and work principle (b) of the proposed actively mode-locked OEO

      为了实现稳定的锁模,需要通过可调光衰减器控制输入OEO环腔的光功率,并调节FG输出的驱动信号电平值,获得如图1所示的周期性损耗变化。当IM偏置端口加载的正弦信号频率${f_{bias}}$与OEO环腔的自由光谱范围$\Delta {f_{FSR}}$满足

      $$ {f_{bias}} = N \times \Delta {f_{FSR}}{\rm{ = }}N \times \frac{c}{{nL}}(N \geqslant {\rm{1}}{\text{且为整数}}) $$ (1)

      时,腔内的净增益在调制损耗最小值附近大于0,其余时刻均小于0,进而产生重复频率${f_{bias}}$、周期${{\rm{1}} / {{f_{bias}}}}$的微波脉冲信号。微波脉冲信号的载频由带通滤波器的中心频率决定,脉冲宽度取决于环腔内的净增益谱(主要由带通滤波器的通带宽度决定)。当$N = 1$时,实现基频锁模;当$N \geqslant 2$时,实现$N$阶谐波锁模。由于在所提方案中采用了控制IM的偏置电压来对OEO环腔进行损耗调制,相比于使用电学幅度调制器而言[5],系统结构更加简单,并且可以实现更高阶的谐波锁模,产生重复频率高达数MHz的超短微波脉冲信号。

    • 基于图1所示的系统结构,对高阶谐波锁模OEO进行了实验验证。实验中,窄线宽激光器的输出中心波长为1560 nm、功率为17 dBm,IM的工作速率为20 Gb/s,传输光纤为长度5.5 km的NZ-DSF,光电探测器的工作速率为20 Gb/s、转换效率为300 V/W,带通滤波器的中心频率为10 GHz、3 dB带宽约为30 MHz,低噪声放大器的工作频段为1~20 GHz、增益为25 dB。函数发生器的工作频段为0~20 MHz,设置其输出为正弦信号,高电平为4.04 V (对应IM的线性偏置点),低电平为0 V。采用频谱分析仪(R & S FSU50, 20~50 GHz)和高速实时示波器(Tektronix DPO75002SX, 100 GS/s, 33 GHz)分别对OEO输出的微波脉冲信号频谱和波形进行测量。

      OEO腔内的光纤长度为5.5 km,对应环腔的自由光谱范围为36 kHz。将加载在IM直流偏置端口的正弦信号频率设置为360 kHz,实现10阶谐波锁模OEO,其输出频谱如图2所示。从图2可以看到,OEO输出了10 GHz附近频率间隔为360 kHz的微波信号,相较于基频锁模OEO (频率间隔为36 kHz),起振模式的频率间隔扩大了10倍。需要特别指出的是,由图2可以看到在各个振荡的微波梳齿之间,还残留许多功率较高的频率成分,这些频率成分为超模噪声,与主动锁模激光器中的超模噪声具有相似的物理起源[6-7]。由于在超模噪声中,总会有一组微波信号的频率间隔满足谐波锁模条件,因此超模噪声将同OEO输出的振荡信号产生模式竞争,从而影响振荡信号的稳定性。可以通过在谐波锁模OEO环腔里引入“Vernier”效应[6]或者注入锁定技术[7],实现对超模噪声的有效抑制。除了超模噪声以外,环腔长度的变化也会对锁模状态的稳定性造成影响。为了获得具有低相位噪声的微波脉冲信号,通常需要采用长光纤结构,环境温度的改变会引起较大的OEO腔长变化,导致系统失锁,从而影响输出脉冲信号的稳定性。因此,需要通过在主动锁模OEO中引入腔长反馈控制[8],对环腔延迟量进行监控和动态补偿,使系统保持稳定的锁模状态,提高主动锁模OEO的长时稳定性。

      图  2  10阶谐波锁模OEO输出微波信号频谱图

      Figure 2.  Measured output spectrum of 10th-order harmonically mode-locked OEO

      设置函数发生器输出的正弦信号频率分别为1.8 MHz和3.6 MHz,实现了50阶和100阶谐波锁模OEO,其输出频谱分别如图3(a)(b)所示。从图3可以看到,在50阶和100阶谐波锁模的条件下,振荡信号均出现在10 GHz附近,且频率间隔分别为1.8 MHz和3.6 MHz。从实验结果可以看到,相较于采用电学幅度调制器的主动锁模OEO[5],所提方案可以产生梳齿间隔为数MHz的微波振荡信号,有效地提高了所产生微波脉冲信号的重复频率。需要指出的是,该结构产生微波脉冲信号的重复频率仍受限于IM直流偏置端口的响应速率,通过采用级联电光调制器或采用双平行电光调制器,可以进一步提高所产生微波脉冲信号的重复频率。此外,振荡信号的带宽受到OEO环腔中带通滤波器带宽的限制,可以通过在OEO中采用宽带的带通滤波器进一步扩展振荡信号的频谱宽度。

      图  3  50阶和100阶谐波锁模OEO输出微波信号频谱图

      Figure 3.  Measured output spectrum of 50th-order and 100th-order harmonically mode-locked OEO

      主动锁模OEO产生的一系列等间隔微波频率梳齿在时域内相干叠加,形成微波脉冲序列。图4给出了采用高速实时示波器对10阶、50阶和100阶谐波锁模OEO输出信号的时域波形测量结果。从图4可以看到,在10阶、50阶和100阶谐波锁模条件下,OEO分别输出周期为2.78 μs、0.56 μs和0.28 μs的微波脉冲序列,相应的脉冲宽度分别为0.66 μs、0.19 μs和0.09 μs。可以通过进一步增大带通滤波器的工作带宽,从而获得脉宽更窄的微波脉冲信号。

      图  4  10阶(上)、50阶(中)和100阶(下)谐波锁模OEO输出微波脉冲信号时域波形

      Figure 4.  Measured temporal waveforms under 10th-order (the upper), 50th-order (the middle) and 100th-order (the lower) mode locking

      在文中所提出的主动锁模OEO方案中,带通滤波器的中心频率和3 dB带宽均为固定值,因此无法实现振荡信号载频和谱宽的调谐。在下一步研究工作中,可以在OEO环腔内引入微波光子滤波结构[9],从而实现对输出微波脉冲信号载频、谱宽以及脉冲宽度的调控,提高系统的调谐性能。此外,文中提出的谐波锁模OEO结构简单,可以通过混合集成技术实现激光器、电光调制器、电放大器、带通滤波器等光学和电学器件甚至芯片的高密封装,实现谐波锁模OEO的小型化和集成化,从而提升系统的稳定性。

    • 综上所述,文中提出了一种基于主动锁模机制的OEO方案,通过采用谐波锁模技术,可以产生高重复频率的微波脉冲信号。与传统OEO不同的是,该方案中IM的直流偏置端口由频率为${f_{bias}}$的正弦信号驱动,当该正弦信号的频率与OEO的自由光谱范围满足$N$倍关系($N \geqslant 2$且为整数)时,实现谐波锁模,产生重复频率为${f_{bias}}$、脉冲周期为${{\rm{1}} / {{f_{bias}}}}$的微波脉冲序列。谐波锁模OEO可以产生高载频、高重频的微波脉冲信号。相较于引入电锁模器件的主动OEO方案[5],文中所提出的方案系统结构更为简单,同时可以实现MHz量级的脉冲重复频率。课题组对所提出的谐波锁模OEO方案进行了实验验证,在采用长度5.5 km的光纤情况下,成功实现了10阶、50阶和100阶谐波锁模,输出微波脉冲信号的载波频率为10 GHz,重复频率分别为360 kHz、1.8 MHz和3.6 MHz。文中提出的谐波锁模OEO为脉冲多普勒雷达等系统应用提供了一种全新的、具有低相噪潜力的微波脉冲信号产生技术途径。

参考文献 (9)

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