基于雙路光電反饋下光注入半導(dǎo)體激光器的高性能線性調(diào)頻信號產(chǎn)生*

周沛 張仁恒 朱尖 李念強?

1)(蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,蘇州 215006)

2)(蘇州大學(xué),江蘇省先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)重點實驗室,教育部現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)重點實驗室,蘇州 215006)

提出了一種基于雙路光電反饋下,光注入半導(dǎo)體激光器的高性能微波線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方案,并進(jìn)行了實驗驗證.在合適的注入?yún)?shù)下,光注入半導(dǎo)體激光器可工作于單周期振蕩態(tài),生成頻率由注入強度和失諧頻率決定的可調(diào)諧微波信號.通過加載波形為類三角波的電壓信號控制注入強度,光注入半導(dǎo)體激光器可生成寬帶微波線性調(diào)頻信號.進(jìn)一步通過引入延時匹配的雙路光電反饋環(huán)路,來提升光注入半導(dǎo)體激光器生成線性調(diào)頻信號的質(zhì)量: 分別基于傅里葉域模式鎖定原理和自注入鎖定技術(shù),引入短環(huán)光電反饋和長環(huán)光電反饋,以同時實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的梳齒信噪比提升和線寬窄化.在驗證實驗中,本方案產(chǎn)生了帶寬為8 GHz(18-26 GHz)的線性調(diào)頻信號,其梳齒信噪比達(dá)到40 dB,梳齒線寬為1 kHz.實驗結(jié)果證明了本方案能夠生成同時具有大帶寬、高梳齒信噪比、窄線寬且相位關(guān)系穩(wěn)定的高性能微波線性調(diào)頻信號.

1 引言

線性調(diào)頻(linear frequency-modulated,LFM)信號已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng).特別是在雷達(dá)系統(tǒng)中,借助脈沖壓縮處理等手段,大帶寬線性調(diào)頻信號能夠提高雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率,因此成為雷達(dá)系統(tǒng)中最常用的發(fā)射信號之一[1-6].傳統(tǒng)線性調(diào)頻信號主要在電域通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)所需信號的相位或幅度信息生成[7].然而,受時鐘速率和數(shù)模轉(zhuǎn)換速率等的限制,傳統(tǒng)電學(xué)方法所產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的頻率和帶寬等均較低.因此,為了獲取高頻、寬帶的線性調(diào)頻信號,研究人員提出了多種基于光子技術(shù)的線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方案[8-13],其中主要包括頻譜整形-頻時映射法、微波光子倍頻法和微波光子調(diào)相法.頻譜整形-頻時映射法中通常包含脈沖光源、光頻譜整形器和色散元件[8,9].該方法利用脈沖光源光譜較寬的優(yōu)勢,首先利用頻譜整形器對寬帶光譜進(jìn)行整形,然后通過頻時映射將頻譜特征映射到時域,得到所需的時域波形.然而受現(xiàn)有光頻譜整形器件精度的限制,基于該方法生成的線性調(diào)頻信號的波形精細(xì)度較差,調(diào)諧困難,難以滿足實際應(yīng)用需求.微波光子倍頻法的基本原理是利用電域產(chǎn)生的基帶線性調(diào)頻信號驅(qū)動電光調(diào)制器,生成不同諧波邊帶,然后選取其中不同的光信號拍頻,產(chǎn)生高頻、寬帶線性調(diào)頻信號[10,11].該方法的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)和操作方式簡單.然而,微波光子倍頻法的倍頻系數(shù)有限,導(dǎo)致對基帶波形發(fā)生器的要求很高.微波光子調(diào)相法則通過電光相位調(diào)制等光學(xué)手段對微波信號引入二次拋物線型的相位變化,產(chǎn)生所需的線性調(diào)頻信號[12,13].該方法的主要缺陷是生成線性調(diào)頻信號的時寬帶寬積受限于調(diào)制器的調(diào)制系數(shù),通常不超過10.

近年來,人們提出了基于主從激光器結(jié)構(gòu)的光注入半導(dǎo)體激光器法產(chǎn)生寬帶微波線性調(diào)頻信號[14].在適當(dāng)?shù)淖⑷霔l件下,半導(dǎo)體激光器可工作在單周期(period-one,P1)振蕩態(tài),生成頻率由注入強度和失諧頻率決定的可調(diào)諧微波信號[14].通過加載低速電壓信號控制注入強度,實現(xiàn)單周期振蕩頻率的線性掃頻,光注入半導(dǎo)體激光器可生成寬帶微波線性調(diào)頻信號[15-19].該方案的主要缺點是受限于主從激光器的固有自發(fā)輻射噪聲,所生成微波信號的頻譜純度較差,具體表現(xiàn)為信號的梳齒信噪比低,梳齒線寬較寬[20].針對該問題,研究人員基于傅里葉域模式鎖定(Fourier domain mode locking,FDML)原理引入延時匹配反饋結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的性能提升,包括延時匹配的光電反饋結(jié)構(gòu)[20,21]和全光反饋結(jié)構(gòu)[22].然而,上述方法難以同時獲得具有高梳齒信噪比和窄線寬的線性調(diào)頻信號.

本文提出了一種基于雙路光電反饋下,光注入半導(dǎo)體激光器的高性能微波線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方案.本方案中首先通過加載波形為類三角波的電壓信號控制注入強度,使得光注入半導(dǎo)體激光器生成寬帶微波線性調(diào)頻信號;然后通過引入延時匹配的雙路光電反饋環(huán)路,來全面提升生成線性調(diào)頻信號的質(zhì)量: 分別基于傅里葉域模式鎖定原理和自注入鎖定技術(shù),引入短環(huán)光電反饋和長環(huán)光電反饋以同時提升線性調(diào)頻信號的頻譜純度和相位穩(wěn)定性.在驗證實驗中,本方案產(chǎn)生了帶寬為8 GHz(18-26 GHz)的線性調(diào)頻信號,其梳齒信噪比達(dá)到40 dB,梳齒線寬為1 kHz.實驗結(jié)果證明了本方案能夠生成同時具有大帶寬、高梳齒信噪比、窄線寬且相位關(guān)系穩(wěn)定的高性能微波線性調(diào)頻信號.

2 實驗裝置及工作原理

圖1 為本文提出的基于光注入半導(dǎo)體激光器的高性能線性調(diào)頻信號產(chǎn)生裝置示意圖,主要包含光注入和光電反饋兩個模塊.光注入模塊主要包含一個主激光器(master laser,ML)和一個從激光器(slave laser,SL),其中從激光器為單模半導(dǎo)體激光器.主激光器輸出的連續(xù)光信號依次通過光衰減器(Att1)、雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器(dual-drive Mach-Zehnder modulator,DMZM)、偏振控制器(polarization controller,PC)和光環(huán)行器(optical circulator,CIR)后注入到從激光器中.其中Att1用于控制ML 的輸出光功率,PC1 用于調(diào)整注入光信號的偏振態(tài),以獲得最優(yōu)的注入效率.在適當(dāng)?shù)墓庾⑷霔l件下,SL 可工作在單周期振蕩態(tài).該單周期振蕩態(tài)的光信號輸入到光電探測器(photodetector,PD)后可生成頻率可調(diào)的單頻微波信號,其頻率等于單周期振蕩頻率fo.通過改變注入強度ξ和主從失諧頻率Δf,單周期振蕩頻率fo可在數(shù)GHz 至上百GHz 的范圍內(nèi)調(diào)諧[23].其中,注入強度ξ定義為ξ=,Pin和Psl分別是注入光功率和從激光器輸出功率.對于給定的失諧頻率Δf,單周期振蕩頻率fo與注入強度ξ近似成線性關(guān)系.因此,通過施加波形為類鋸齒波或者類三角波的控制信號S(t)驅(qū)動DMZM 實現(xiàn)對注入強度的動態(tài)控制,使得注入光具有隨時間線性變化的注入強度ξ,生成微波信號的瞬時頻率fo也將隨時間線性變化,即生成了寬帶微波線性調(diào)頻信號.

圖1 實驗裝置示意圖(ML,主激光器;SL,從激光器;Att,光衰減器;PC,偏振控制器;DMZM,雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器;S(t),控制信號;CIR,光環(huán)行器;OC,光耦合器;SMF,單模光纖;PD,光電探測器;EC,電耦合器)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.

為了提升線性調(diào)頻信號的質(zhì)量,本方案進(jìn)一步引入了光電反饋模塊.該光電反饋模塊包括分別基于傅里葉域模式鎖定原理和自注入鎖定技術(shù)構(gòu)建的延時匹配的雙路光電反饋環(huán)路.每個光電反饋環(huán)路均包含一段單模光纖(single-mode fiber,SMF)、光衰減器和光電探測器.其中單模光纖用于提供反饋環(huán)路的延遲,光衰減器用于調(diào)節(jié)反饋回路的光功率,而光電探測器的功能是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換獲得延遲后的微波線性調(diào)頻信號.上下兩路線性調(diào)頻信號合成后反饋調(diào)制DMZM 的射頻端口形成閉環(huán)光電反饋.需要指出的是: 上路的光電反饋回路具有較短的環(huán)路延時τu,其目的是建立傅里葉域模式鎖定,提升線性調(diào)頻信號的梳齒信噪比;該反饋回路的延時τu需等于控制信號S(t)周期τm的整數(shù)倍,即τu=nτm(n為正整數(shù))[24].下路的光電反饋回路則具有較長的環(huán)路延時τd,即τd＞τu,其作用是通過自注入鎖定機制來進(jìn)一步降低線性調(diào)頻信號的線寬和相位噪聲.本方案中,為了維持上路短環(huán)光電反饋回路建立的傅里葉模式鎖定振蕩狀態(tài),下路長環(huán)光電反饋回路需滿足: 1)下路長反饋回路的延時τd等于上路短反饋回路延時τu的整數(shù)倍,即:τd=Nτu(N為正整數(shù));2)下路長反饋回路中反饋光信號的功率Pd小于上路短反饋回路中反饋光信號的功率Pu,即Pd＜Pu.在上述雙路光電反饋回路的作用下,本方案能夠生成同時具有大帶寬、高梳齒信噪比和窄線寬的高性能微波線性調(diào)頻信號.

3 實驗結(jié)果

根據(jù)圖1 所示實驗裝置進(jìn)行了實驗驗證.從激光器是閾值電流為8.0 mA 的商用分布反饋半導(dǎo)體激光器(Wuhan 69os Inc.).從激光器的工作溫度和偏置電流分別設(shè)置為25.0 ℃和32.0 mA,其輸出功率和頻率分別為8.0 dBm 和193.246 THz.主激光器為可調(diào)諧激光器(Newkey Photonics Inc.),其輸出頻率設(shè)置為193.242 THz,對應(yīng)的頻率失諧Δf=-4 GHz.實驗中所用的DMZM(Fujitsu FTM 7937EZ)和PD(Fiber-Photonics MPD-40)的3 dB帶寬均為30 GHz.當(dāng)注入強度ξ=0.89 時,光注入半導(dǎo)體激光器的單周期振蕩態(tài)光譜如圖2(a)所示,光譜中包含兩個主要的光波長分量,其頻率間隔等于單周期振蕩頻率fo=15.7 GHz.作為比較,圖2(a)中還給出了主激光器和自由諧振從激光器的光譜圖.在實驗中,通過改變DMZM 偏置電壓的大小可實現(xiàn)注入功率的快速調(diào)諧.圖2(b)是頻率失諧Δf=-4 GHz 時,單周期振蕩頻率fo與DMZM偏置電壓的關(guān)系.從圖2(b)可以得出,光注入半導(dǎo)體激光器輸出微波頻率受DMZM 的偏置電壓控制,且隨著偏置電壓值的增加而單調(diào)遞增.

基于圖2(b)所示的P1 頻率-電壓關(guān)系曲線,首先設(shè)計了類三角波狀的電控制信號S(t)以精確控制輸出微波信號的瞬時頻率,實現(xiàn)線性調(diào)頻信號產(chǎn)生[17].如圖3(a1)所示,S(t)的周期為1.14 μs,幅度為0.3 V.在不連接反饋回路的情況下,光注入半導(dǎo)體激光器生成的線性調(diào)頻信號的時域波形如圖3(a2)所示.圖3(a3)是對時域波形進(jìn)行短時傅里葉變換后得到的瞬時頻率圖.從圖3(a3)可以看出,該線性調(diào)頻信號的瞬時頻率隨時間交替地線性上升與下降: 帶寬是4 GHz(13-17 GHz),周期為1.14 μs.圖3(b)和圖3(c)分別是僅接入上路短環(huán)光電反饋回路和接入雙路光電反饋回路時生成線性調(diào)頻信號的結(jié)果.從圖3(b)和圖3(c)可以觀察到,接入單環(huán)光電反饋和雙環(huán)光電反饋并未對線性調(diào)頻信號的瞬時頻率和帶寬造成明顯影響.這是因為實驗中光電反饋回路并未改變光注入半導(dǎo)體激光器的單周期振蕩動力學(xué)狀態(tài),其作用主要是負(fù)責(zé)提升線性調(diào)頻信號的頻譜純度等性能.實驗中光電反饋回路的參數(shù)設(shè)置以及其對線性調(diào)頻信號的性能提升將在下文詳細(xì)介紹.

圖2 單周期振蕩態(tài)光譜圖與頻率調(diào)諧特性(a)單周期振蕩態(tài)光譜圖;(b)單周期振蕩頻率fo 隨DMZM 偏置電壓的變化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.

圖3 所產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的結(jié)果(控制信號S(t)(第一行);時域波形(第二行);瞬時頻率(第三行))(a)無反饋情形;(b)單反饋情形;(c)雙反饋情形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.

圖4 是產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的頻譜圖.理想線性調(diào)頻信號的頻譜表現(xiàn)為一系列離散的頻率梳分量,其梳齒間隔等于線性調(diào)頻信號周期的倒數(shù).然而,由于主從激光器之間存在相位不相關(guān)以及受到激光器自發(fā)輻射噪聲的影響,在無反饋的情況下,光注入半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)直接產(chǎn)生的微波線性調(diào)頻信號的信號純度較差,如圖4(a1)所示.圖4(a2)和圖4(a3)是對圖4(a1)頻譜圖的局部放大,其頻譜顯示范圍(span)分別為5 MHz 和500 kHz,可以看出,頻譜中無明顯的梳齒分量.作為對比,首先連接上路較短延時的光電反饋回路,并且設(shè)置反饋回路的延遲時間τu等于控制信號S(t)的周期τm,即τu=τm=1.14 μs,以實現(xiàn)傅里葉域模式鎖定.如圖4(b)所示,得益于傅里葉域模式鎖定帶來的相位噪聲降低,線性調(diào)頻信號的頻譜純度得到了明顯的提升.如圖4(b2)和圖4(b3)所示,梳齒信噪比達(dá)到35 dB,其中單根梳齒的3 dB 線寬為10 kHz.為了進(jìn)一步提升線性調(diào)頻信號的質(zhì)量,加載了延時匹配的雙路光電反饋環(huán)路,其中上路短延時的光電反饋回路的延時τu保持不變,下路較長延時的光電反饋回路的延遲時間設(shè)置為τd=22τu=25.08 μs.值得注意的是,為了不破壞由短延時反饋回路建立的模式鎖定或者使FDML 振蕩模式由第一反饋回路來主導(dǎo),下路長反饋回路中反饋光信號的功率Pd需小于上路短反饋回路中反饋光信號的功率Pu: 實驗中,上下兩路反饋光信號的功率,即光電探測器的輸入光功率分別為(Pu,Pd)=(1.5 dBm,-1.5 dBm).實驗結(jié)果如圖4(c)所示,線性調(diào)頻信號的梳齒信噪比達(dá)到40 dB,同時梳齒線寬窄至1 kHz,這是下路長延時光電反饋回路所實現(xiàn)的自注入鎖定效果.圖4 的實驗結(jié)果表明,相比于單一光電反饋回路所建立的傅里葉域模式鎖定,本文提出的基于傅里葉域鎖模和自注入鎖定的雙路光電反饋方案可以同時實現(xiàn)梳齒對比度的提高和梳齒線寬的降低,全面提升光注入半導(dǎo)體激光器生成線性調(diào)頻信號的性能.

圖4 線性調(diào)頻信號的頻譜圖(頻譜圖(第一行);細(xì)節(jié)頻譜圖(第二、三行))(a)無反饋情形;(b)單反饋情形,延時τu=1.14 μs;(c)雙反饋情形,延時(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,線性調(diào)頻信號性能的提升還可以通過計算產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的相位偏差來驗證.通過將圖3 中實驗獲得的線性調(diào)頻信號的時域波形與對應(yīng)的理想線性調(diào)頻信號進(jìn)行混頻,即以理想線性調(diào)頻信號的相位作為參考,比較了實驗信號與理想信號的相位差,獲得了產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的相位偏差Δφ.圖5 給出了不同情形下產(chǎn)生線性調(diào)頻信號在100 μs 時長內(nèi)的相位偏差計算結(jié)果.如圖5(a)所示,無反饋情況下產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號具有較大的相位偏差,相位波動明顯.圖5(b)是僅采用單路短延時光電反饋的結(jié)果.可以看出,得益于傅里葉域模式鎖定,線性調(diào)頻信號的相位偏差得到顯著降低: Δφ的波動幅度不超過5π/8.如圖5(c)所示,采用延時匹配的雙環(huán)光電反饋回路后,產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的相位偏差得到進(jìn)一步降低: 在100 μs 時長內(nèi),Δφ的波動幅度不超過π/3.相位偏差的分析結(jié)果表明,本文提出的雙路光電反饋環(huán)路能夠有效提升光注入半導(dǎo)體激光器生成線性調(diào)頻信號的相位穩(wěn)定性.

圖5 線性調(diào)頻信號的相位偏差圖(a)無反饋情形;(b)單反饋情形;(c)雙反饋情形;插圖為相位偏差細(xì)節(jié)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.

在圖3-圖5 結(jié)果的基礎(chǔ)上,本方案產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的帶寬和工作頻段均可靈活調(diào)節(jié).如圖6所示,在雙路光電反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)下,增加控制信號S(t)的幅度至0.9 V,產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的帶寬可增加至6 GHz(12-18 GHz),覆蓋整個Ku 波段.圖6(a)是控制信號S(t)的波形,產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的時域波形和瞬時頻率特性分別如圖6(b)和圖6(c)所示.圖6(d)-(f)為該線性調(diào)頻信號的頻譜結(jié)果,可以觀察到梳齒信噪比為40 dB 且梳齒線寬為1 kHz.進(jìn)一步調(diào)整頻率失諧Δf和控制信號S(t)的振幅,可以獲得更高頻段、更大帶寬的線性調(diào)頻信號.如圖7 所示,通過增加頻率失諧Δf到6 GHz,并將控制信號S(t)的幅度增加至1.5 V,可產(chǎn)生帶寬為8 GHz(18-26 GHz)的K 波段線性調(diào)頻信號.圖7(a)給出了控制信號S(t)的波形,產(chǎn)生K 波段線性調(diào)頻信號的頻譜結(jié)果如圖7(b)-(d)所示.需要說明的是,受限于示波器的帶寬限制(20 GHz),實驗中并未采集該線性調(diào)頻信號的時域波形.得益于延時匹配的雙環(huán)光電反饋回路,該K 波段線性調(diào)頻信號依然保持了高頻譜純度的特點: 梳齒信噪比達(dá)到40 dB,單根梳齒的線寬是1 kHz.

圖6 Ku 波段線性調(diào)頻信號產(chǎn)生結(jié)果(a)控 信號S(t);(b)時域波形;(c)瞬時頻率;(d)頻譜圖;(e)5 MHz 頻譜圖;(f)50 kHz 頻譜圖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.

圖7 K 波段線性調(diào)頻信號產(chǎn)生結(jié)果(a)控制信號S(t);(b)頻譜圖;(c)5 MHz 頻譜圖;(d)50 kHz 頻譜圖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 結(jié)論

本文提出了一種基于雙路光電反饋下光注入半導(dǎo)體激光器的高性能微波線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方案并進(jìn)行了實驗驗證.本方案中首先通過加載波形為類三角波的電壓信號控制注入強度,使得光注入半導(dǎo)體激光器生成寬帶微波線性調(diào)頻信號;然后通過引入延時匹配的雙路光電反饋環(huán)路,來全面提升生成線性調(diào)頻信號的質(zhì)量: 分別基于傅里葉域模式鎖定原理和自注入鎖定技術(shù),引入短環(huán)光電反饋和長環(huán)光電反饋,以同時實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的梳齒信噪比提升和梳齒線寬窄化.在驗證實驗中,通過對本方案產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的頻譜質(zhì)量和相位偏差分析得到,其梳齒信噪比達(dá)到40 dB,梳齒線寬為1 kHz,且最大相位偏差不超過π/3.此外,本方案產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的帶寬和中心頻率等參數(shù)能夠靈活調(diào)諧,實驗中產(chǎn)生了帶寬最大為8 GHz(18-26 GHz)的線性調(diào)頻信號.研究結(jié)果證明了,本方案能夠生成同時具有大帶寬、高梳齒信噪比、窄線寬和相位關(guān)系穩(wěn)定的高性能微波線性調(diào)頻信號.本方案具有結(jié)構(gòu)簡單、信號質(zhì)量高和調(diào)諧靈活等優(yōu)勢,因此有望在寬帶雷達(dá)和高速通信等射頻系統(tǒng)中得到應(yīng)用.