周沛 张仁恒 朱尖 李念强†

1)(苏州大学光电科学与工程学院,苏州 215006)

2)(苏州大学,江苏省先进光学制造技术重点实验室,教育部现代光学技术重点实验室,苏州 215006)

提出了一种基于双路光电反馈下,光注入半导体激光器的高性能微波线性调频信号产生方案,并进行了实验验证.在合适的注入参数下,光注入半导体激光器可工作于单周期振荡态,生成频率由注入强度和失谐频率决定的可调谐微波信号.通过加载波形为类三角波的电压信号控制注入强度,光注入半导体激光器可生成宽带微波线性调频信号.进一步通过引入延时匹配的双路光电反馈环路,来提升光注入半导体激光器生成线性调频信号的质量: 分别基于傅里叶域模式锁定原理和自注入锁定技术,引入短环光电反馈和长环光电反馈,以同时实现线性调频信号的梳齿信噪比提升和线宽窄化.在验证实验中,本方案产生了带宽为8 GHz(18-26 GHz)的线性调频信号,其梳齿信噪比达到40 dB,梳齿线宽为1 kHz.实验结果证明了本方案能够生成同时具有大带宽、高梳齿信噪比、窄线宽且相位关系稳定的高性能微波线性调频信号.

1 引言

线性调频(linear frequency-modulated,LFM)信号已广泛应用于现代雷达系统和通信系统.特别是在雷达系统中,借助脉冲压缩处理等手段,大带宽线性调频信号能够提高雷达系统的距离分辨率,因此成为雷达系统中最常用的发射信号之一[1-6].传统线性调频信号主要在电域通过数模转换器根据所需信号的相位或幅度信息生成[7].然而,受时钟速率和数模转换速率等的限制,传统电学方法所产生线性调频信号的频率和带宽等均较低.因此,为了获取高频、宽带的线性调频信号,研究人员提出了多种基于光子技术的线性调频信号产生方案[8-13],其中主要包括频谱整形-频时映射法、微波光子倍频法和微波光子调相法.频谱整形-频时映射法中通常包含脉冲光源、光频谱整形器和色散元件[8,9].该方法利用脉冲光源光谱较宽的优势,首先利用频谱整形器对宽带光谱进行整形,然后通过频时映射将频谱特征映射到时域,得到所需的时域波形.然而受现有光频谱整形器件精度的限制,基于该方法生成的线性调频信号的波形精细度较差,调谐困难,难以满足实际应用需求.微波光子倍频法的基本原理是利用电域产生的基带线性调频信号驱动电光调制器,生成不同谐波边带,然后选取其中不同的光信号拍频,产生高频、宽带线性调频信号[10,11].该方法的优点在于结构和操作方式简单.然而,微波光子倍频法的倍频系数有限,导致对基带波形发生器的要求很高.微波光子调相法则通过电光相位调制等光学手段对微波信号引入二次抛物线型的相位变化,产生所需的线性调频信号[12,13].该方法的主要缺陷是生成线性调频信号的时宽带宽积受限于调制器的调制系数,通常不超过10.

近年来,人们提出了基于主从激光器结构的光注入半导体激光器法产生宽带微波线性调频信号[14].在适当的注入条件下,半导体激光器可工作在单周期(period-one,P1)振荡态,生成频率由注入强度和失谐频率决定的可调谐微波信号[14].通过加载低速电压信号控制注入强度,实现单周期振荡频率的线性扫频,光注入半导体激光器可生成宽带微波线性调频信号[15-19].该方案的主要缺点是受限于主从激光器的固有自发辐射噪声,所生成微波信号的频谱纯度较差,具体表现为信号的梳齿信噪比低,梳齿线宽较宽[20].针对该问题,研究人员基于傅里叶域模式锁定(Fourier domain mode locking,FDML)原理引入延时匹配反馈结构以实现线性调频信号的性能提升,包括延时匹配的光电反馈结构[20,21]和全光反馈结构[22].然而,上述方法难以同时获得具有高梳齿信噪比和窄线宽的线性调频信号.

本文提出了一种基于双路光电反馈下,光注入半导体激光器的高性能微波线性调频信号产生方案.本方案中首先通过加载波形为类三角波的电压信号控制注入强度,使得光注入半导体激光器生成宽带微波线性调频信号;然后通过引入延时匹配的双路光电反馈环路,来全面提升生成线性调频信号的质量: 分别基于傅里叶域模式锁定原理和自注入锁定技术,引入短环光电反馈和长环光电反馈以同时提升线性调频信号的频谱纯度和相位稳定性.在验证实验中,本方案产生了带宽为8 GHz(18-26 GHz)的线性调频信号,其梳齿信噪比达到40 dB,梳齿线宽为1 kHz.实验结果证明了本方案能够生成同时具有大带宽、高梳齿信噪比、窄线宽且相位关系稳定的高性能微波线性调频信号.

2 实验装置及工作原理

图1 为本文提出的基于光注入半导体激光器的高性能线性调频信号产生装置示意图,主要包含光注入和光电反馈两个模块.光注入模块主要包含一个主激光器(master laser,ML)和一个从激光器(slave laser,SL),其中从激光器为单模半导体激光器.主激光器输出的连续光信号依次通过光衰减器(Att1)、双驱动马赫-曾德尔调制器(dual-drive Mach-Zehnder modulator,DMZM)、偏振控制器(polarization controller,PC)和光环行器(optical circulator,CIR)后注入到从激光器中.其中Att1用于控制ML 的输出光功率,PC1 用于调整注入光信号的偏振态,以获得最优的注入效率.在适当的光注入条件下,SL 可工作在单周期振荡态.该单周期振荡态的光信号输入到光电探测器(photodetector,PD)后可生成频率可调的单频微波信号,其频率等于单周期振荡频率fo.通过改变注入强度ξ和主从失谐频率Δf,单周期振荡频率fo可在数GHz 至上百GHz 的范围内调谐[23].其中,注入强度ξ定义为ξ=,Pin和Psl分别是注入光功率和从激光器输出功率.对于给定的失谐频率Δf,单周期振荡频率fo与注入强度ξ近似成线性关系.因此,通过施加波形为类锯齿波或者类三角波的控制信号S(t)驱动DMZM 实现对注入强度的动态控制,使得注入光具有随时间线性变化的注入强度ξ,生成微波信号的瞬时频率fo也将随时间线性变化,即生成了宽带微波线性调频信号.

图1 实验装置示意图(ML,主激光器;SL,从激光器;Att,光衰减器;PC,偏振控制器;DMZM,双驱动马赫-曾德尔调制器;S(t),控制信号;CIR,光环行器;OC,光耦合器;SMF,单模光纤;PD,光电探测器;EC,电耦合器)Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup.ML,master laser;SL,slave laser;Att,optical attenuator;PC,polarization controller; DMZM,dual-drive Mach-Zehnder modulator;S(t),control signal;CIR,optical circulator;OC,optical coupler;SMF,single-mode fiber;PD,photodetector;EC,electrical coupler.

为了提升线性调频信号的质量,本方案进一步引入了光电反馈模块.该光电反馈模块包括分别基于傅里叶域模式锁定原理和自注入锁定技术构建的延时匹配的双路光电反馈环路.每个光电反馈环路均包含一段单模光纤(single-mode fiber,SMF)、光衰减器和光电探测器.其中单模光纤用于提供反馈环路的延迟,光衰减器用于调节反馈回路的光功率,而光电探测器的功能是实现光电转换获得延迟后的微波线性调频信号.上下两路线性调频信号合成后反馈调制DMZM 的射频端口形成闭环光电反馈.需要指出的是: 上路的光电反馈回路具有较短的环路延时τu,其目的是建立傅里叶域模式锁定,提升线性调频信号的梳齿信噪比;该反馈回路的延时τu需等于控制信号S(t)周期τm的整数倍,即τu=nτm(n为正整数)[24].下路的光电反馈回路则具有较长的环路延时τd,即τd＞τu,其作用是通过自注入锁定机制来进一步降低线性调频信号的线宽和相位噪声.本方案中,为了维持上路短环光电反馈回路建立的傅里叶模式锁定振荡状态,下路长环光电反馈回路需满足: 1)下路长反馈回路的延时τd等于上路短反馈回路延时τu的整数倍,即:τd=Nτu(N为正整数);2)下路长反馈回路中反馈光信号的功率Pd小于上路短反馈回路中反馈光信号的功率Pu,即Pd＜Pu.在上述双路光电反馈回路的作用下,本方案能够生成同时具有大带宽、高梳齿信噪比和窄线宽的高性能微波线性调频信号.

3 实验结果

根据图1 所示实验装置进行了实验验证.从激光器是阈值电流为8.0 mA 的商用分布反馈半导体激光器(Wuhan 69os Inc.).从激光器的工作温度和偏置电流分别设置为25.0 ℃和32.0 mA,其输出功率和频率分别为8.0 dBm 和193.246 THz.主激光器为可调谐激光器(Newkey Photonics Inc.),其输出频率设置为193.242 THz,对应的频率失谐Δf=-4 GHz.实验中所用的DMZM(Fujitsu FTM 7937EZ)和PD(Fiber-Photonics MPD-40)的3 dB带宽均为30 GHz.当注入强度ξ=0.89 时,光注入半导体激光器的单周期振荡态光谱如图2(a)所示,光谱中包含两个主要的光波长分量,其频率间隔等于单周期振荡频率fo=15.7 GHz.作为比较,图2(a)中还给出了主激光器和自由谐振从激光器的光谱图.在实验中,通过改变DMZM 偏置电压的大小可实现注入功率的快速调谐.图2(b)是频率失谐Δf=-4 GHz 时,单周期振荡频率fo与DMZM偏置电压的关系.从图2(b)可以得出,光注入半导体激光器输出微波频率受DMZM 的偏置电压控制,且随着偏置电压值的增加而单调递增.

基于图2(b)所示的P1 频率-电压关系曲线,首先设计了类三角波状的电控制信号S(t)以精确控制输出微波信号的瞬时频率,实现线性调频信号产生[17].如图3(a1)所示,S(t)的周期为1.14 µs,幅度为0.3 V.在不连接反馈回路的情况下,光注入半导体激光器生成的线性调频信号的时域波形如图3(a2)所示.图3(a3)是对时域波形进行短时傅里叶变换后得到的瞬时频率图.从图3(a3)可以看出,该线性调频信号的瞬时频率随时间交替地线性上升与下降: 带宽是4 GHz(13-17 GHz),周期为1.14 µs.图3(b)和图3(c)分别是仅接入上路短环光电反馈回路和接入双路光电反馈回路时生成线性调频信号的结果.从图3(b)和图3(c)可以观察到,接入单环光电反馈和双环光电反馈并未对线性调频信号的瞬时频率和带宽造成明显影响.这是因为实验中光电反馈回路并未改变光注入半导体激光器的单周期振荡动力学状态,其作用主要是负责提升线性调频信号的频谱纯度等性能.实验中光电反馈回路的参数设置以及其对线性调频信号的性能提升将在下文详细介绍.

图2 单周期振荡态光谱图与频率调谐特性(a)单周期振荡态光谱图;(b)单周期振荡频率fo 随DMZM 偏置电压的变化Fig.2.Optical spectra and frequency tuning curve of the P1 oscillation state:(a)Optical spectra of the P1 oscillation state;(b)the relationship between the microwave frequency fo and the bias voltage applied to DMZM.

图3 所产生线性调频信号的结果(控制信号S(t)(第一行);时域波形(第二行);瞬时频率(第三行))(a)无反馈情形;(b)单反馈情形;(c)双反馈情形Fig.3.Results of the generated LFM microwave signals(Control signals S(t)(the first row);temporal waveforms(the second row);instantaneous frequencies(the third row)):(a)Without feedback;(b)single-loop feedback;(c)dual-loop feedback.

图4 是产生线性调频信号的频谱图.理想线性调频信号的频谱表现为一系列离散的频率梳分量,其梳齿间隔等于线性调频信号周期的倒数.然而,由于主从激光器之间存在相位不相关以及受到激光器自发辐射噪声的影响,在无反馈的情况下,光注入半导体激光器系统直接产生的微波线性调频信号的信号纯度较差,如图4(a1)所示.图4(a2)和图4(a3)是对图4(a1)频谱图的局部放大,其频谱显示范围(span)分别为5 MHz 和500 kHz,可以看出,频谱中无明显的梳齿分量.作为对比,首先连接上路较短延时的光电反馈回路,并且设置反馈回路的延迟时间τu等于控制信号S(t)的周期τm,即τu=τm=1.14 µs,以实现傅里叶域模式锁定.如图4(b)所示,得益于傅里叶域模式锁定带来的相位噪声降低,线性调频信号的频谱纯度得到了明显的提升.如图4(b2)和图4(b3)所示,梳齿信噪比达到35 dB,其中单根梳齿的3 dB 线宽为10 kHz.为了进一步提升线性调频信号的质量,加载了延时匹配的双路光电反馈环路,其中上路短延时的光电反馈回路的延时τu保持不变,下路较长延时的光电反馈回路的延迟时间设置为τd=22τu=25.08 µs.值得注意的是,为了不破坏由短延时反馈回路建立的模式锁定或者使FDML 振荡模式由第一反馈回路来主导,下路长反馈回路中反馈光信号的功率Pd需小于上路短反馈回路中反馈光信号的功率Pu: 实验中,上下两路反馈光信号的功率,即光电探测器的输入光功率分别为(Pu,Pd)=(1.5 dBm,-1.5 dBm).实验结果如图4(c)所示,线性调频信号的梳齿信噪比达到40 dB,同时梳齿线宽窄至1 kHz,这是下路长延时光电反馈回路所实现的自注入锁定效果.图4 的实验结果表明,相比于单一光电反馈回路所建立的傅里叶域模式锁定,本文提出的基于傅里叶域锁模和自注入锁定的双路光电反馈方案可以同时实现梳齿对比度的提高和梳齿线宽的降低,全面提升光注入半导体激光器生成线性调频信号的性能.

图4 线性调频信号的频谱图(频谱图(第一行);细节频谱图(第二、三行))(a)无反馈情形;(b)单反馈情形,延时τu=1.14 µs;(c)双反馈情形,延时(τu,τd)=(1.14 µs,25.08 µs)Fig.4.Electrical spectra of the generated LFM microwave signals(Electrical spectra(the first row);the zoomed-in views of the electrical spectra(the second and third row)):(a)Without feedback;(b)single-loop feedback with τu=1.14 µs;(c)dual-loop feedback with(τu,τd)=(1.14 µs,25.08 µs).

另一方面,线性调频信号性能的提升还可以通过计算产生线性调频信号的相位偏差来验证.通过将图3 中实验获得的线性调频信号的时域波形与对应的理想线性调频信号进行混频,即以理想线性调频信号的相位作为参考,比较了实验信号与理想信号的相位差,获得了产生线性调频信号的相位偏差Δφ.图5 给出了不同情形下产生线性调频信号在100 µs 时长内的相位偏差计算结果.如图5(a)所示,无反馈情况下产生的线性调频信号具有较大的相位偏差,相位波动明显.图5(b)是仅采用单路短延时光电反馈的结果.可以看出,得益于傅里叶域模式锁定,线性调频信号的相位偏差得到显著降低: Δφ的波动幅度不超过5π/8.如图5(c)所示,采用延时匹配的双环光电反馈回路后,产生线性调频信号的相位偏差得到进一步降低: 在100 µs 时长内,Δφ的波动幅度不超过π/3.相位偏差的分析结果表明,本文提出的双路光电反馈环路能够有效提升光注入半导体激光器生成线性调频信号的相位稳定性.

图5 线性调频信号的相位偏差图(a)无反馈情形;(b)单反馈情形;(c)双反馈情形;插图为相位偏差细节Fig.5.Phase deviation of the generated LFM microwave signals:(a)Without feedback;(b)single-loop feedback;(c)dual-loop feedback.Insets: the zoomed-in views of the phase deviation.

在图3-图5 结果的基础上,本方案产生线性调频信号的带宽和工作频段均可灵活调节.如图6所示,在双路光电反馈环路结构下,增加控制信号S(t)的幅度至0.9 V,产生线性调频信号的带宽可增加至6 GHz(12-18 GHz),覆盖整个Ku 波段.图6(a)是控制信号S(t)的波形,产生线性调频信号的时域波形和瞬时频率特性分别如图6(b)和图6(c)所示.图6(d)-(f)为该线性调频信号的频谱结果,可以观察到梳齿信噪比为40 dB 且梳齿线宽为1 kHz.进一步调整频率失谐Δf和控制信号S(t)的振幅,可以获得更高频段、更大带宽的线性调频信号.如图7 所示,通过增加频率失谐Δf到6 GHz,并将控制信号S(t)的幅度增加至1.5 V,可产生带宽为8 GHz(18-26 GHz)的K 波段线性调频信号.图7(a)给出了控制信号S(t)的波形,产生K 波段线性调频信号的频谱结果如图7(b)-(d)所示.需要说明的是,受限于示波器的带宽限制(20 GHz),实验中并未采集该线性调频信号的时域波形.得益于延时匹配的双环光电反馈回路,该K 波段线性调频信号依然保持了高频谱纯度的特点: 梳齿信噪比达到40 dB,单根梳齿的线宽是1 kHz.

图6 Ku 波段线性调频信号产生结果(a)控 信号S(t);(b)时域波形;(c)瞬时频率;(d)频谱图;(e)5 MHz 频谱图;(f)50 kHz 频谱图Fig.6.Results of the Ku-band LFM microwave signal:(a)Control signal S(t);(b)temporal waveform;(c)instantaneous frequency;(d)electrical spectrum;(e)5 MHz electrical spectrum;(f)50 kHz electrical spectrum.

图7 K 波段线性调频信号产生结果(a)控制信号S(t);(b)频谱图;(c)5 MHz 频谱图;(d)50 kHz 频谱图Fig.7.Results of the K-band LFM microwave signal:(a)Control signal S(t);(b)electrical spectrum;(c)5 MHz electrical spectrum;(d)50 kHz electrical spectrum.

4 结论

本文提出了一种基于双路光电反馈下光注入半导体激光器的高性能微波线性调频信号产生方案并进行了实验验证.本方案中首先通过加载波形为类三角波的电压信号控制注入强度,使得光注入半导体激光器生成宽带微波线性调频信号;然后通过引入延时匹配的双路光电反馈环路,来全面提升生成线性调频信号的质量: 分别基于傅里叶域模式锁定原理和自注入锁定技术,引入短环光电反馈和长环光电反馈,以同时实现线性调频信号的梳齿信噪比提升和梳齿线宽窄化.在验证实验中,通过对本方案产生线性调频信号的频谱质量和相位偏差分析得到,其梳齿信噪比达到40 dB,梳齿线宽为1 kHz,且最大相位偏差不超过π/3.此外,本方案产生线性调频信号的带宽和中心频率等参数能够灵活调谐,实验中产生了带宽最大为8 GHz(18-26 GHz)的线性调频信号.研究结果证明了,本方案能够生成同时具有大带宽、高梳齿信噪比、窄线宽和相位关系稳定的高性能微波线性调频信号.本方案具有结构简单、信号质量高和调谐灵活等优势,因此有望在宽带雷达和高速通信等射频系统中得到应用.