基于啁啾相移FBG的頻率可調(diào)諧光電振蕩器

韓曉曉,徐恩明,王 斐,陳 誠(chéng)

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210046)

基于啁啾相移FBG的頻率可調(diào)諧光電振蕩器

韓曉曉,徐恩明,王 斐,陳 誠(chéng)

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210046)

為了擴(kuò)大OEO(光電振蕩器)的頻率可調(diào)諧范圍,利用Matlab軟件仿真設(shè)計(jì)了一種基于Chirped PS-FBG(啁啾相移光纖光柵)的頻率可調(diào)諧OEO。對(duì)PS-FBG(相移光纖光柵)的反射譜和基于PS-FBG的頻率可調(diào)諧范圍進(jìn)行了理論和仿真研究,分析了Chirped PS-FBG的反射譜和基于Chirped PS-FBG的頻率可調(diào)諧范圍。仿真結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)可調(diào)諧激光源的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào),與PS-FBG相比,Chirped PS-FBG擴(kuò)大了反射譜帶寬及OEO的頻率可調(diào)諧范圍。

光纖光柵;可調(diào)諧;啁啾相移;振蕩器

0 引 言

OEO(光電振蕩器)產(chǎn)生的微波信號(hào)具有低噪聲、寬帶寬和可調(diào)諧的特性,已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)、光信號(hào)處理以及現(xiàn)代測(cè)量等領(lǐng)域[1]。為了實(shí)現(xiàn)OEO單模輸出與頻率可調(diào)諧,迄今已提出了多種結(jié)構(gòu)的OEO[2-4]。文獻(xiàn)[2]提出了一種雙環(huán)路結(jié)構(gòu)OEO,振蕩器起振的振蕩模式間隔由短光纖環(huán)路決定,相位噪聲則由長(zhǎng)光纖環(huán)路決定。但該方案只是在相位噪聲性能和邊模抑制比之間做了一個(gè)權(quán)衡,并不能獲得有效的單模輸出。文獻(xiàn)[3]通過(guò)調(diào)節(jié)LCFBG(線性啁啾光纖光柵)的色散系數(shù)實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)諧,然而實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)大范圍的色散系數(shù)調(diào)節(jié)。為了克服這一難題,文獻(xiàn)[4]利用PS-FBG (相移光纖光柵)實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)諧。但PS-FBG的反射譜范圍較小,導(dǎo)致基于PS-FBG的OEO的頻率可調(diào)諧范圍較小。

本文提出了相位調(diào)制器與Chirped PS-FBG(啁啾相移光纖光柵)相結(jié)合的新型頻率可調(diào)諧OEO。 Chirped PS-FBG結(jié)合了啁啾光纖光柵和PS-FBG的特點(diǎn),其反射譜不僅具有PS-FBG窄陷波的特點(diǎn),還具有啁啾光纖光柵寬帶寬的優(yōu)點(diǎn),最后通過(guò)仿真成功實(shí)現(xiàn)了振蕩器的頻率大范圍可調(diào)諧。

1 理論模型

圖1所示為本文所提OEO結(jié)構(gòu)圖。TLS(可調(diào)激光源)發(fā)出的光波入射到PM(相位調(diào)制器),PM輸出的信號(hào)經(jīng)OC(光環(huán)行器)入射到Chirped PS-FBG,被其反射后的光波經(jīng)PD(光電探測(cè)器)探測(cè)轉(zhuǎn)換成微波信號(hào),微波信號(hào)經(jīng)PA(微波放大器)放大后一部分反饋到PM進(jìn)行相位調(diào)制,另一部分進(jìn)入ESA(電頻譜分析儀),得到微波信號(hào)的頻譜圖。

圖1 OEO結(jié)構(gòu)圖

圖1中PM和Chirped PS-FBG組成了等價(jià)的頻率可調(diào)諧MPF(微波光子濾波器),其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 MPF結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)VNA(網(wǎng)絡(luò)分析儀)中的微波信號(hào)為νecos(ωet),其中νe為加載于PM上的調(diào)制信號(hào)的振幅,ωe為調(diào)制信號(hào)的角頻率。對(duì)PM中的光波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,在小信號(hào)條件下,PM輸出端的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

式中,E0為輸入光電場(chǎng)單位振幅;ω0為光波角頻率;νπ為PM上的半波電壓;J0(β)和J1(β)分別為0階和一階貝塞爾函數(shù);β=πνe/νπ為相位調(diào)制系數(shù),當(dāng)調(diào)制系數(shù)很小時(shí),高階邊帶可以忽略不計(jì)。由式(1)可以看出,PM輸出的信號(hào)只包含光載波和位于載波兩邊的一階邊帶,若PD直接探測(cè)相位調(diào)制信號(hào),則除直流信號(hào)再無(wú)其他微波信號(hào)。這是由于相位調(diào)制后的兩個(gè)一階邊帶與載波進(jìn)行拍頻所產(chǎn)生的信號(hào)中,總存在一對(duì)頻率和振幅相等、相位相反的信號(hào),且最終相互抵消。Chirped PS-FBG反射譜存在一個(gè)很窄的陷波,若光載波處在反射譜的通帶處,當(dāng)其中某一個(gè)調(diào)制邊帶落在陷波位置時(shí),那么此時(shí)只剩下另外一個(gè)邊帶,上下兩邊帶幅度平衡被打破,實(shí)現(xiàn)了相位信號(hào)到強(qiáng)度信號(hào)的轉(zhuǎn)換,經(jīng)PD探測(cè)后將產(chǎn)生一個(gè)單通帶頻率響應(yīng),如圖3所示。單通帶MPF的中心頻率由Chirped PS-FBG的陷波所在處的波長(zhǎng)與激光源的波長(zhǎng)差所決定,因而通過(guò)調(diào)節(jié)激光源的波長(zhǎng),可實(shí)現(xiàn)OEO的頻率可調(diào)。

圖3 MPF的濾波原理圖

由傳輸矩陣法可知,啁啾光纖光柵的傳輸函數(shù)可以表示為

根據(jù)耦合模理論[5],可得第i段光纖光柵的傳輸矩陣Fi為

若在啁啾光纖光柵中引入φ相移量時(shí),Chirped PS-FBG的傳輸函數(shù)可表示為則光波通過(guò)整個(gè)Chirped PS-FBG的傳輸函數(shù)可表示為

式中,RM為前向場(chǎng)的復(fù)振幅;SM為后向場(chǎng)復(fù)振幅; R0=R(L/2)=1、S0=S(L/2)=0為復(fù)振幅初始值。啁啾光纖光柵反射系數(shù)ρ(ω)=SM/RM,則光柵反射率r(ω)=|ρ(ω)|2,其中,ω為入射到啁啾光纖光柵的光波角頻率。

經(jīng)Chirped PS-FBG反射后,相位調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制/強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換,PD輸入信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

式中,τ′=L′n0/c表示光波經(jīng)PM到PD之間的時(shí)延,L′為PM到PD的纖長(zhǎng),n0為光纖折射率,c為真空中的光速。則PD輸出信號(hào)為

令啁啾系數(shù)為0 nm/cm,光柵長(zhǎng)為22 cm,光纖有效折射率為1.446 7,折射率調(diào)制深度為1.28× 10―4,布拉格波長(zhǎng)為1 550.14 nm,光柵中點(diǎn)處引入π相移量,PS-FBG的反射譜如圖4所示。從圖中可看出,當(dāng)陷波位于反射譜中點(diǎn)1 550.14 nm時(shí),光柵反射率為0,整個(gè)光柵反射譜的帶寬約為0.5 nm。

式中,s為PD響應(yīng)系數(shù)。當(dāng)β很小時(shí),有J0(β)≈1,J1(β)≈β/2,則頻率響應(yīng)函數(shù)可表示為

式中,[1―r(ω0―ωe)]2表示Chirped PS-FBG帶來(lái)的頻率響應(yīng),若環(huán)中增益大于損耗,當(dāng)環(huán)路閉合時(shí),OEO開(kāi)始起振。環(huán)中的信號(hào)不斷循環(huán)相加,總信號(hào)可表示為

式中,Geff(ωe)=s G(1―r)πνe/(2νπ)表示開(kāi)環(huán)增益;G為功率放大器的放大倍數(shù);m為光波在閉環(huán)中的循環(huán)次數(shù)。

OEO開(kāi)始振蕩后,開(kāi)環(huán)增益近似等于1,則式(8)可簡(jiǎn)化為

最終,微波信號(hào)的功率可以表示為

當(dāng)相位時(shí)延ωeτ′為2π整數(shù)倍并且r(ω0―ωe)=0時(shí),增益達(dá)到最大值,OEO即開(kāi)始振蕩,通過(guò)調(diào)節(jié)光源波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)OEO的頻率可調(diào)諧。

2 參數(shù)分析及特性研究

圖4 PS-FBG的反射譜

取不同的光波長(zhǎng)對(duì)振蕩器的可調(diào)諧性進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。從圖中可看出,信號(hào)頻率可調(diào)范圍為5～55 GHz。

圖5 基于PS-FBG的OEO頻譜圖

15 GHz處振蕩信號(hào)的邊模抑制比如圖6所示,信號(hào)邊模抑制比超過(guò)了30 d B。

圖6 基于PS-FBG的微波信號(hào)邊模抑制比

令啁啾系數(shù)為0.056 6 nm/cm,其他參數(shù)不變。此時(shí),光柵變成Chirped PS-FBG,其反射譜如圖7所示。從圖中可看出,整個(gè)光柵反射譜帶寬擴(kuò)大到了1.5 nm。

基于Chirped PS-FBG的OEO的頻譜圖如圖8所示,信號(hào)頻率可調(diào)諧范圍擴(kuò)大到5～155 GHz。

15 GHz處振蕩信號(hào)的邊模抑制比如圖9所示,信號(hào)邊模抑制比達(dá)到40 dB。

以上仿真結(jié)果表明,與基于PS-FBG的OEO

相比,基于Chirped PS-FBG的OEO實(shí)現(xiàn)了更好的單模輸出并擴(kuò)大了頻率可調(diào)諧范圍。

圖7 Chirped PS-FBG的反射譜

圖8 基于Chirped PS-FBG的OEO頻譜圖

圖9 基于Chirped PS-FBG的微波信號(hào)的邊模抑制比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文仿真驗(yàn)證了基于PS-FBG和Chirped PSFBG的OEO的單模輸出及頻率可調(diào)諧性。通過(guò)對(duì)比可知,Chirped PS-FBG在PS-FBG窄陷波的基礎(chǔ)上具有寬帶寬的優(yōu)點(diǎn),且擴(kuò)大了OEO的頻率可調(diào)諧范圍,更好地實(shí)現(xiàn)了單模輸出,提高了系統(tǒng)性能。本文的研究對(duì)今后頻率可調(diào)諧OEO的應(yīng)用有一定的理論指導(dǎo)意義。

[1]Zhang Jiejun,Gao Liang,Yao Jianping.Tunable optoelectronic oscillator incorporating a single passband microwave photonic filter[J].IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(4):326―329.

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[3]Li Wang,Yao J.An optically tunable optoelectronic oscillator[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(18):2640―2645.

[4]Li Wangzhe,Yao Jianping.A wideband frequency tunable optoelectronic oscillator incorporating a tunable microwave photonic filter based on phase modulation to intensity modulation conversion using a phase-shifted fiber bragg grating[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2012,60(6):1735―1742.

[5]Erdogan T.Fiber grating spectra[J].Journal of Lightwave Technology,1997,15(8):1277―1294.

A Frequency Tunable Optoelectronic Oscillator Based on A Chirped Phase-Shifted FBG

HAN Xiao-xiao,XU En-ming,WANG Fei,CHEN Cheng
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts&Telecommunications,Nanjing 210046,China)

To widen the frequency tunable range of the Optoelectronic Oscillator(OEO),a frequency tunable OEO based on a chirped Phase-Shifted(PS)is simulated and designed by the Matlab software.Firstly,the characteristics of the reflective spectrum of a common PS-FBG and the frequency tunable range of the OEO based on the common PS-FBG are theoretically and studied via simulation.Then,a method of transfer matrix is employed to analyze the reflective spectrum of the chirped PS-FBG and the tunable range of the OEO based on the chirped PS-FBG.The simulation results show that the tunability of frequency is achieved by tuning the wavelength of a tunable laser source.Compared with the common PS-FBG,the bandwidth of the chirped PS-FBG is increased so that the frequency tunable range of the optoelectronic oscillator is widened.

fiber Bragg grating;tunable;chirped phase-shifted;oscillator

TN713

A

1005-8788(2016)06-0046-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.013

2016-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302026,61275067,61575034);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20123223120005)

韓曉曉(1990―),男,江蘇宿遷人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣饫w通信與光波技術(shù)。