梁晓东， 李少波,， 刘彦丹， 张 磊， 罗青松

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050000； 2.河北省光子信息技术与应用重点实验室，石家庄 050000)

0 引言

当前综合电子系统一体化、电磁频谱战体系以及综合射频系统等对电子信息装备的宽带、高效、并行处理能力等方面提出了迫切需求，传统电子技术在多频段一体化综合处理、多通道高集成并行实施、多功能通用化灵活控制、小型低功耗易重构扩展等方面存在技术瓶颈，具有超宽带并行处理能力的微波光子信道化处理被认为是一项关键使能技术[1]，能够有效突破传统电子技术在处理射频带宽和动态范围的瓶颈。微波光子信道化处理技术通过宽谱光源将大瞬时带宽信号在光域进行操控，实现“窄带”并行精细处理。作为一种宽谱光源，相干光频梳直接决定了接收机的宽带处理能力[2]，在宽带光子信道化技术中，固定频率间隔、多频率梳齿以及梳齿平坦度等是影响信道化性能的关键[3]。

随着技术的发展，有锁模激光器法、电光调制法、非线性介质法以及微环谐振腔法等多种方式生成相干光频梳等。通过光子晶体光纤和光纤锁模激光器可以产生多梳齿、高稳定性的相干光频梳，受限于激光器的腔长难以精确控制，存在产生的光频梳重复频率的调谐性、稳定性差等问题[4]；借助于调制器的非线性效应，将多个工作于大调制深度的调制器级联生成相干光频梳的方法，具有梳齿间隔灵活可调、稳定性高等优点，但梳齿数目取决于调制深度和调制器个数，系统规模较大[5]。利用光学的非线性效应法来产生光频梳，利用非线性介质的相位调制技术增加谱线带宽，但存在梳齿平坦度较差、能量分布不均且光频梳信号抖动较大的问题[6]。微环波导借助于光子集成和周期性滤波技术产生相干光频梳，最大的优势是实现了集成芯片化的光频梳，但存在结构设计较复杂、周期较长、谱线平坦度较差和芯片工艺的环境适应性差等问题[7]。另外，光频梳的重复频率及重频调谐性决定了系统能够处理的带宽和灵活性，本文提出了一种面向微波光子信道化应用的高平坦、多梳齿、高稳定相干光频梳生成和重频调谐技术，通过级联调制器生成初级相干光频梳，选出种子梳齿后进行注入锁定，在保证窄线宽的同时提高梳齿功率，最后进行非线性展宽生成高重频、多梳齿相干光频梳，为大容量卫星通信、超宽带综合射频一体化等应用提供支撑。

1 基本概念

相干光频梳为信道化接收机接收射频信号或者基带信号的生成提供光域的“频率池”，是系统功能实现的关键基础[8]。需要根据系统设计每次切换所得微波频率的变化范围以及整体系统的工作频率覆盖范围生成信号光频梳和本振光频梳，光频梳的重复频率均需满足由后续光信号波长分离模块决定的频率限制；且通过级联相位调制器的方式可近似线性叠加梳齿数量，通过光纤参量放大等非线性过程亦可使梳齿数量倍增。

系统设计的10梳齿光频梳，信号光频梳和本振光频梳的频率间隔分别大于80 GHz和79.4 GHz，实现信道带宽为600 MHz，信道数量为10，从而在DC-40 GHz的通频覆盖范围中接收任意6 GHz带宽信号。另外，通过控制光频梳的平坦度，实现梳齿平坦度小于5 dB；通过对调制的射频信号的功率放大和相位匹配，以及对级联调制器的调制深度控制，可满足梳齿间距和梳齿数量要求，实现系统光载波信号的频率池，完成超宽带信号的信道化接收和变频功能。

图1所示为相干光频梳系统方案框图。首先利用级联调制器产生重复频率较低的相干光频梳，再选取符合系统要求的种子梳，经光注入锁定后采用参量混频器进行频谱展开，生成重复频率大、梳齿数目多且平坦度高的相干光频梳。

激光器产生的光载波被光耦合器分成两个种子光，采用2个级联PM和1个MZM来产生20 GHz重复频率的种子频率梳。为实现加载到调制器上的射频驱动信号相位匹配，通过电移相器对相位差进行调节，使得两射频信号保持同相位。本振光频梳使用2个级联的PM产生19.85 GHz的频率梳，2个射频合成器共用1个10 MHz参考信号。随后选取2根生成信号光频梳的频率间隔为80 GHz和本振光频梳频率间隔为79.4 GHz的梳齿，用于从激光器注入锁定，新的梳齿代表参量混频器种子光，可以在几乎任意频率间隔下产生，仅受前面生成光频梳参考梳的能力的限制，2个光频梳频率间隔不同，通过设置信号光频梳混频器和本振光频梳中的光纤长度，可以产生多播信号光频梳频率间隔为80 GHz，本振光频梳频率间隔为79.4 GHz，在2个梳齿之间有600 MHz频率差，生成光频梳。

图1 相干光频梳系统方案框图Fig.1 Schematic diagram of coherent OFCs

2 理论模型

图2所示为光频梳的光谱图和频谱图。

图2 光频梳的频域谱形和时域波形图Fig.2 Frequency domain spectrum and time domain waveform of OFCs

在光域和电域都是由一定间隔的梳齿组成，第N个梳齿的频率表示为

fN=N·fr+f0

(1)

式中：fr为光频梳的重复频率或自由谱范围(FSR)；f0为由群速度和相速度的不匹配带来的频率偏移[9]。

光频梳通过光电探测器(PD)进行光电转换后，在电域表现为具有固定重复周期的离散谐波频率。

2.1 级联调制器生成光频梳

级联相位调制器和强度调制器原理如图3所示。

图3 级联调制器生成光频梳原理图Fig.3 Schematic diagram of OFC generation based on cascaded MZM

设由激光源输出的单频点光信号表达式为

Ein=E0exp(jω0t)

(2)

式中：ω0为中心频率；E0为光场强度。射频信号通过MZM调制在光载波上，调制电信号分别为

V1(t)=VDC1+VRF1cos(ωc1t)

(3)

V2(t)=VDC2+VRF2cos(ωc2t)

(4)

式中：VDC1，VDC2分别表示上、下侧的直流电压偏置；VRF1cos(ωc1t)和VRF2cos(ωc2t)为射频驱动电压。当MZM工作于推挽状态时，有V1(t)+V2(t)=0。经过相位调制后

(5)

(6)

式中，Vπ1为MZM的半波电压。则经MZM调制后输出的光信号为

(7)

将经过强度调制后的光信号Eout1(t)输入到相位调制器，相位调制的驱动电压为

V3(t)=VDC3+VRF3cos(ωct+φ)

(8)

式中:VDC3和VRF3分别为加载到相位调制器的直流偏置和驱动电压;ωc为与ωc1的值相同的射频频率;φ为初始相位。

则由相位调制器引起的相位改变为

(9)

经过相位调制器调制后输出的光信号为

Eout2(t)=Eout1(t)exp(jφ3)

。

(10)

2.2 参量混频器频谱扩展

级联调制器生成的光频梳重复频率受制于调制信号的频率，不能满足本系统的频段要求，通过引入参量混频器，利用非线性效应和精确的色散控制，对光梳进行频谱展宽，具体过程为选择上述生成的光频梳中的2根梳齿，经过泵浦激光器对2根梳齿注入锁定放大后，进入如图4所示的参量混频器中。需要注意的是，根据系统的6 GHz的频段在DC-40 GHz中的位置，选择进入参量混频器的种子梳齿，进行后续操作。

图4 参量混频器原理图Fig.4 Schematic diagram of parametric mixer

在高非线性光纤(HNLF)中的四波混频效应(FWM)考虑为简并FWM过程，当频率为ω1和ω2的泵浦光(假设ω1<ω2)注入到HNLF中时，会产生2个闲频光，频率分别为ω3=ω1-(ω2-ω1)和ω4=ω2+(ω2-ω1)。在FWM过程中，泵浦光、信号光和闲频光之间的转化取决于相位匹配的程度。当波矢量失配因子k=0时，满足相位匹配条件，其中

k=Δk+ΔkNL=0

(11)

式中，Δk和ΔkNL为波矢量失配因子，与色散和非线性效应相关联。在简并FWM结构中，ΔkNL=γ(P1+P2)，P1，P2分别为频率ω1和ω2的信号功率，γ为高非线性光纤的非线性系数。为满足波矢量失配因子k=0，泵浦波长需要大于HNLF的零色散波长(ZDW)(即Δk<0)。然后，借助于调整泵浦功率来调节ΔkNL，从而满足相位匹配条件。通常情况下，需将泵浦波长选定于ZDW附近的反常色散区域，满足相位匹配条件。此外，由FWM效应新产生的频率，可进一步与主泵浦波相互作用产生更多的频率成分，即四波混频的级联过程(CFWM)。因此，为得到精确频率间隔为(ω2-ω1)的宽带光频梳，可利用CFWM效应。

另外，由相位调制导致的频率啁啾将影响输出频率束的峰值功率，可利用一定长度的单模光纤(SMF)来产生色散效应，进而弥补相位调制器调制输出的频率啁啾，从而获得一个高峰值功率的泵浦信号，实现增强HNLF中的CFWM效应的目的。

在光脉冲注入时，所产生的自相位调制效应(SPM)同样可以达到色散匹配的目的。由SMF产生的色散量，即光纤长度，理论计算可由非线性薛定谔方程(NLSE)估算，即

(12)

在实际操作中，所需的最大脉冲压缩量(SMF长度)，可根据实验方案中所用器件的参数确定，也可通过提高光脉冲的峰值功率来调整。

然后，传输光信号经过具有色散平坦特性的第1段HNLF，用于实现频谱的扩展和复制。通过以上原理分析，拟生成满足系统要求，即重复频率分别为80 GHz和79.4 GHz、梳齿数量大于10的相干光频梳。

3 仿真分析

为验证上述理论分析与方案，使用VPI仿真软件对所设计的方案进行仿真，首先对级联强度调制器和相位调制器进行仿真，生成了初级光频梳，调制射频信号的功率为20 dBm，从级联调制器生成的光频梳选出2根种子梳齿，滤波采用的波分复用器带宽为20 GHz，得到梳齿频率间隔为80 GHz的2根梳齿，2根梳齿幅度相同，进行后续的非线性展宽，仿真如图5所示。

图5 波分复用器滤出的种子梳齿仿真图Fig.5 Simulation result of seed combs filtered by WDM

种子梳齿经过第2段HNLF，产生四波混频效应，梳齿从2根扩展到8根(-20 dBm以上)，非线性光纤长度设置为40 m，非线性系数8.79 W-1·km-1，得到的仿真图如图6所示。

第2段HNLF所产生的正频率啁啾，经过薛定谔方程计算后，可以用来确定所需的反常色散SMF的最佳长度。然后，带有频率啁啾的光脉冲传输经过反常色散SMF去啁啾，并对光脉冲的时域波形产生压缩，从而提高峰值功率，得到极限的光脉冲。

然后，无啁啾光脉冲经过第3段零色散平坦HNLF进行频谱展宽，设计HNLF的总长度为250 m。对光脉冲在第3段零色散平坦HNLF的频谱展宽过程进行了仿真，如图7所示。从图中可以看到频谱总体呈现展宽的趋势，并且对比图6，各梳齿的平坦度随着传输距离的增加变得更平坦。最终实现了时域和频域都极大展宽的平坦光频梳，可满足未来信道化对超宽带信号处理的需求。

图6 经高非线性光纤复制扩展后光频梳仿真图Fig.6 Simulation result of extended OFC copyed by HNLF

图7 经零色散平坦光纤后光频梳仿真图Fig.7 Simulation result of OFC after zero dispersion flattened fiber

4 结束语

本文设计面向宽带卫星通信、一体化等应用系统的多梳齿、高平坦度的相干光频梳生成方案，并通过仿真验证，实现重复频率为80 GHz和79.4 GHz，平坦度7 dB内梳齿数量各20，平坦度3 dB内梳齿数量各10，满足双边带调制射频信号DC-40 GHz的宽带信道化接收，解决综合射频一体化、大容量卫星通信等应用对微波光子信道化中相干光频梳带宽越来越大的迫切需求。