光电振荡器的性能及应用

光电振荡器的性能及应用 光电振荡器的性能及应用江阳于晋龙胡林张莉贵州大学理学院贵州省光电子技术与应用重点实验室贵州贵阳天津大学电子信息工程学院光纤通信实验室光电信息技术科学教育部重点实验室天津 蚴 跑 暾坤 晒摘要在对光电振荡器的工作原理和特性进行阐述和分析的基础上。回顾了边模抑制、降低相位噪声、提高频率稳定性等改善光电振荡器性能的各种技术手段和方案评述了基于光电振荡器的光脉冲产生、时钟提取等应用讨论了制约光电振荡器实用化的因素提出了可能的发展方向和改进措施。关键词光通信光电振荡器相位噪声边模抑制频率稳定性时钟提取光脉冲 — 。 。 中图分类号嗍引言高质量的微波信号在民用通信、电子测量、电子对抗、雷达等方面都有广泛的应用。在传统的微波信号产生方法中介质振荡器在低噪声、高谱纯度或可调谐的条件下。表现往往不尽如人意。石英虽然可以获得品质因素值很高的稳定晶振却不能直接得到高频信号。与之相比光电振荡器作为一种新型的微波信号发生器能产生频率从几个到上百吉赫兹值高达低相位噪声工作频率为时低于一的高品质信号并具有可调谐性和光、电两种输出是一种非常理想的信号发生装置】。光电振荡器的工作原理及特性光电振荡器一般是由光源、强度调制器、滤波器、光电探测器构成的一个正反馈环路。它利用调制器以及光纤低损耗的特性将连续光变为稳定的、频谱干净的射频微波信号其结构如图所示。激光器发出的连续光经电光调制器后通过光纤传输进入光电探测器光电探测器把光转变为电信号后进人选频、放大和反馈调制器件。在此过程中有源器件会产生不同频率的噪声扰动这些扰动在输出端被滤波器滤出希 望起振的频率并用来反馈控制电光调制器。环路中的放大器提供了增益信号经过多次循环后就能建立起稳定的振荡其振荡频率主要由滤波器的通带中国光学期刊网 万方数据图光电振荡器原理示意图特性决定。经过理论分析和实验环路中能量的衰减时间介质的储能能力决定了振荡器的值。这里兀其中厂为振荡频率为能量衰减时间。因此只要环路中的光纤具有足够的长度光电振荡器就可以产生比传统振荡器更高品质的信号输出【。此外研究还指出光电振荡器的相位噪声随其频偏量厂呈二次方下降而对于固定的厂相位噪声随环路延时呈二次方下降并且与振荡器的工作频率无关。尽管相位噪声不会随环路延时的增加而无限减信噪比最终受制于激光器的相对强度噪声】但是使用长光纤的仍是一个必然的趋势。光电振荡器的性能虽然突出但是它的系统构成也决定了它的一些不足。首先为了得到高值的信号输出一般需要在腔内使用长光纤而此时腔长长度还决定了起振模式之间的间隔腔越长模式间隔就越小。理论上可以用一个足够窄的滤波器滤除不需要的模式但在器件的获得上有相当的困难其次在信号的相位噪声方面光源的相对强度噪声、光电探测器以及电放大器都会对最终所产生微波信号的相位噪声造成影响。滤波器、放大器带宽过大也会使通带范围内的信噪比降低影响起振频率的品质最后由于环路主要由光纤构成其腔长容易受到环境温度、应力等的影响发生变化造成起振基频的变化使输出频率发生漂移或跳频另外长光纤占有比较大的体积对整个光电振荡器系统的小型化、集成化造成了障碍。解决以上这些问题是光电振荡器最终实用化的一些关键工作。光电振荡器的性能研究进展单模起振与边模抑制根据光电振荡器的工作原理起振模式的间隔?由环路对信号的延时决定可表示为这里为延时量【。当环路中使用光纤长度达到时则模式间隔约为。目前的商用电滤波器难以提供足够窄的带宽实现单一模式的选择。为了解决这一困难研究者分别提出了高光子滤波器代替长光纤储能和采用多环路结构抑制边模的光电振荡器方案。采用高值的滤波器实现单一模式起振的想法是很容易理解的。在众多光子微波滤波器中回音廊模式谐振器【—】是一个典型代表并被成功地用于光电振荡器的选频滤波【。它由电介质材料加工成亚毫米结构的盘圆柱型谐振腔通过波导输入输出光信号。光信号在谐振腔中反复振荡完成选频输出。以微盘结构为例其剖视图如图所示。这种谐振器的选频特性与法布里一珀罗—滤波器类似不像长光纤腔那样具有很多小间隔边模可通过控制电压、应力或温度变化实现调谐功能其值在的工作频率下可达到效果等效于数千米的光纤环路具有很好的选模特性为光电振荡器小型化奠定了良好的基础。但是这种谐振腔也并非没有缺点首先这种滤波器具有洛伦兹线性的滤波窗口为了满足对边模抑制要求比较高的场合的需要有时必须多个级联使用其次在同时要求高值和大范围可调谐方面还不理想最后这种结构的滤波器工作稳定性易受环境温度、应力的影响因此需要一些辅助的外围温控另外它的耦合损耗也是一个不容忽视的影响。图微盘结构微谐振腔滤波器剖视图多环路结构是另一类抑制边模的有效方法如图所示。假设一个光电振荡器结构中包含两个环路则每一个环长都决定了一套起振的模式当两个环路共同作用时由于两套模式之间的增益竞争只有同时满足两套模式的频率成分才能稳定起振加上滤波器的频率选择作用最终可以得到比较理想的单模输出。此时输出信号的边模间隔由短环决定而值和 万方数据图多环路抑制边 模原理示意图相位噪声性能由两路环长的平均值决定。环路路数越多对于单模选择效果越好。在已报道的具体实现方案上一般有四种做法。 等在年最早提出了光电混合多环路方案。在该方案中调制器输出的光信号被耦合器分为两路并各自通过独立的光电转换步骤后在电域进行耦合用于反馈调制形成双环路。它的一个显著优势在于反馈调制的微波信号在电域耦合形成。这种耦合不会引入噪声因此可以保证整个系统的性能不恶化。虽然这是一种成功的方案但是它的不足之处也很明显。由于每个环路都需要一套独立的光电探测、滤波、放大等器件使得系统结构比较复杂成本较高有源器件的数量增加也增添了引入噪声的可能。基于最初方案年—等提出了具有一路独立电环路的双环路结构。它包括一个由电放大器和滤波器组成的短腔电振荡环以产生电微波信号其部分输出耦合进入一个长腔光电振荡器的电域部分进行光电混合振荡。这种方案通过长光纤的储能效力极大地降低了注人信号的相位噪声并且获得了双环路抑制边模的效果。实验结果显示这种结构最终输出信号的相位噪声性能与电环路的注入功率有关在较大注入功率条件下输出信号的相位噪声较小。此外光电振荡器环路中光纤的长度越长噪声性能越好。在工作频率下电环注入功率接近饱和时所得信号的边模得到了的抑制注入信号的相位噪声减少了姚最终为一。可以看出这种方案虽然只需要一个光电探测器件但是电放大、电滤波器件仍需要两套系统成本较高并且电环路部分一般会有较大的连接损耗和噪声引入和最早的方案相比没有明显优势。另一类双环路结构由双振荡器构成。 等提出了采用两个光电振荡器的注入锁定方案改进了双环路结构在抑制边模的同时不能有效利用长腔降低相位噪声的缺陷。方案中先利用长光纤的光电振荡器作为主振荡器产生一路具有高值低噪声并具有许多小间隔边模的信号后注入一个短腔长的第二级光电振荡器。在第二级光电振荡器中信号的值和相位噪声性能得到保持而边模受到短腔与滤波器的再次选模得到消除最终输出高品质的微波信号。这种方案的实验演示显示出了极好的效果在工作频率下相位噪声可达一。比边模被抑制到了一以下。但是该方案的系统结构比较复杂成本为普通光电振荡器的两倍系统体积也大。年作者提出了全光域分、合路的双环光电振荡器结构【。系统中双环路由偏振分束器把连续光能量分成偏振方向相互垂直的两部分在进入光电探测器前再用偏振合束器合为一路。采用 和来形成双环结构的优点在于首先分出两臂中的光偏振方向相互垂直这就保证了在合束时两路光不会因为随机的干涉作用造成振荡频率的随机跳变和拍噪声的产生其次采用这种结构不需要在普通单环路光电振荡器的基础上增加有源器件避免由此带来的电噪声同时获得双环路结构对边模的抑制效果。在工作频率下显示出良好的性能四。抑制相位噪声相位噪声是评价微波信号质量的一个关键指标。在光电振荡器系统中其输出信号的相位噪声主要来源于光电探测器、放大器以及激光器等有源器件的热噪声、散射噪声、相对强度噪声。前面已经提到使用长光纤可以有效地降低相位噪声但不会无限减小。因此一个直接降低相位噪声的方法是采用高性能的器件以减少噪声的引入如使用高值滤波器可以降低带内的噪声优质的放大器、光源也可以提高光电振荡器噪声性能。在一超低相位噪声信号产生的实验中就使用了具有很低相对强度噪声的激光器。此外在特定器件条件下研究者也提出了一些通过优化光子微波链路和改变器件工作方式的方法以降低光电 振荡器相位噪声。等【通过研究激光器相对强度噪声与微波信号噪声之间的转换关系指出利用有源器中国光学期刊网 万方数据件的饱和工作状态可以抑制相对强度噪声提高光电振荡器的性能。理论和实验表明在光电振荡器环路中插入一个半导体光放大器并使其工作在饱和状态【利用其自增益调制效应】可以对相对强度噪声产生约的抑制。此外若使光电探测器工作在饱和状态也可以大幅提高输出的微波信号质量。对于系统中电放大器引入的噪声可以利用多个光电探测器接收光信号并采用载波抑制技术进行抑制??。载波抑制技术与多环路结构相配合也可以在抑制相位噪声的同时构成一个锁相结构以提高光电振荡器输出的频率稳定性。频率稳定性影响光电振荡器输出频率的稳定性因素有两个方面一是腔长受环境的影响发生变化使得起振模式发生改变造成输出频率的不稳定二是由于光电振荡器系统中使用的滤波器通常具有比较大的通带范围所以在环路的增益带宽内会出现很多边模。这些边模中的一个可能会在腔长的变化过程中获得足够增益而代替原有的起振频率造成起振频率的不稳定。针对这些起因有下面几种改善措施。为了消除环境温度变化的影响可以采用对温度不敏感的特殊光纤如实芯光子晶体光纤—代替普通单模光纤构成系统链路对频率稳定起到良好的效果。然而—的使用在获得系统对温度变化具有更大容忍性的同时却失去了的一些优势。由于现有光子器件的尾纤大多为因此在与—连接时会有比较大的连接损耗同时—自身结构的缺陷也会造成很大的传输损耗在利用光纤作为储能介质的光电振荡器系统中这对于输出信号的值和相位噪声性能都非常不利。将系统与环境隔离或者温度控制的方法降低环境变化对系统的影响也是一种提高输出信号稳定的方法。在等四的实验中这种实验系统被放置于一个填充泡沫的盒子里以隔绝振动带来的影响。而等四所做的实验经过温度控制的光电振荡器系统频率稳定性从一—提高到一?短期稳定性达到由腔长变化引起的跳频等现象被消除。另一个提高频率稳定性的方法是在系统中使用高值的滤波器严格选定一个模式起振强烈抑制边模则光电振荡器的输出频率稳定性可以得到极大的提高。等…对高值滤波器的稳频作用进行了详细的分析并演示了高值介质滤波器和利用铷原子蒸气室中的电磁诱导透明效应锁定起振频率的实验。等对利用高精细度的—滤波器用作高值滤波器的情况也进行了讨论。锁相环是一种用以提高系统频率稳定性的常用方案它同样有利于实现光电振荡器的频率稳定输出。重点介绍的是在多环路结构中通过载波抑制技术实现的锁相方案该方案整体上同时实现了对光电振荡器输出信号的边模抑制、降低相位噪声和频率稳定其锁相部分原理如图所示。振荡器的一路光输出经由长光纤传输延时后作为参考信号被光电探测器转换为电信号然后与一路振荡器输出的电信号藕合。仔细调节电信号的强度和相位使得两路耦合输出的一路为载波抑制输出耦合时两信号相位差兀一路为载波增强耦合时两信号同相。载波抑制输出端的载波可受到约的抑制载噪比增大该过程可以使频率相位的抖动转化为幅度的变化而该信号进入放大器放大时放大器不会饱和。被放大的信号再与一路振荡器的电输出信号本振进行混频其图载波抑制技术实现锁相、降噪方案示意图 万方数据二乏三三二蚕翟盈圈臣盈盈冒盈中频输出作用于压控移相器以调节载波增强一路的相位然后进行反馈调制。在这样一个结构中满足最佳载 波抑制条件时振荡环路中可以实现最大增益因此该方案可以保证振荡器的输出能跟踪腔长的变化保持数小时的稳定运转。同时由于频率抖动的消除相位噪声性能也得到了提高而多环路对边模的抑制特性也得到了发挥实验结果显示在离载波处的相位噪声得到了约的抑制。通过注入锁定一个低频信号的高次谐波也可以视为得到稳定高频输出的一类方法。利用一个低频稳定信号的调制非线性或其他光纤中的非线性效应产生高次谐波后注入光电振荡器在光电振荡器中选用合适的滤波器锁定一个高频谐波信号进行反馈增强就可以产生一个高品质的高频信号输出并具有很好的频率稳定性等研究演示了这类实验方案。光电振荡器的应用光电振荡器的基本功能是产生高品质的光、电微波信号但是经过发展也衍生出了一些新的应用方式。在这些应用中光电振荡器的电输出部分基本保持微波信号输出但是光输出部分出现了一些变化。光脉冲输出在年和年 等先后分析演示了由提供增益的光学谐振腔与光电振荡器环路混合的结构用以产生电微波信号与光脉冲。这个方案类似于再生锁模激光器主要区别在于的光电环路部分需要起振而最终输出模式受到两个环路的选模特性约束。在年】演示了基于掺铒光纤放大提供光路增益的结构得到了具有一在频偏—处超低相位噪声的微波信号输出和只有抖动的光脉冲输出。这种结构的光脉冲输出机理是基于光纤锁模激光器因此为了得到高性能的输出对光学腔的腔长稳定、色散控制和偏振保持有很高的要求。另一类可行的方案是通过改变光电振荡器环路中的光电调制特性产生光脉冲。在年 等五利用电吸收调制器替代传统方案中的马赫一曾德尔强度调制器通过对的偏压控制形成较窄的调制传输窗口得到了的电微波信号和光脉冲输出。若在光源部分采用多波长光源这种结构也可以方便地产生多波长光脉冲【罄。这种方案的结构比较简单但是一般具有较大的插入损耗所得到的脉冲宽度也较宽。此外使用工作在增益开关条件下或采用大信号直调的半导体激光器作为光电振荡器的光源可以不需要额外的调制器得到电微波信号和光脉冲输出文献分别给出了这类的实验报道。时钟提取由于光电振荡器结构具有选频和放大反馈的功能因此无论是将光信号或者电信号注入光电振荡器其时钟信号或分频时钟只要落人滤波器通带之内都可以被锁定再生后输出可恢复的最大时钟频率由环路中的滤波器中心频率与调制器和光电探测器的带宽决定等最先提出演示了光电振荡器的时钟提取功能。其后等硎在年分析了基于光电振荡器的分频时钟的提取方案通过利用光电振荡器的输出电信号作为触发信号在示波器上观察注入的光信号就可以判定此时的电输出是否为注入信号的分频时钟并在注入信号情况下实验验证了分频时钟提取。年等演示了注入信号速率为情况下的分频时钟提取实验。应当指出这种方法也为非归零信号的时钟提取提供了一个新思路理论上信号没有明显的时钟分量可供提取但是只要仔细调节光电振荡器滤波器的选频窗口就可以找到并产生所注入码信号的时钟信号等例提出了注入的码信号的时钟并在光电振荡器的光输出部分同时得到转换后的归零码信号。基于的光电振荡器也可以完成 码信号的时钟恢复作在等演示的实验中为了同时获得光时钟脉冲信号增加了一路与注入信号光波长不同的直流光。由于注入信号光的功率变化会在上形.