CN108963726B - 一种基于光谱分割的可重构光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光谱分割的可重构光电振荡器，该光电振荡器由光源、光隔离器、光调制器、光放大器、阵列波导光栅、MEMS光纤开关、多芯光纤扇入耦合器、泵浦光源、多芯光纤、多芯光纤扇出耦合器、光接收器、电耦合器、电滤波器、电放大器组成，该光电振荡器通过对宽带光源的光谱分割，在单根多芯光纤中构建了一个等效的双环振荡回路，输出相应光电振荡信号。通过MEMS光纤开关进行光电振荡信号频率的调谐，及通过泵浦光源进行光电振荡信号带宽的调谐。本发明解决了常规光电振荡器对窄带光源的依赖，和长度差异明显且分立结构的双环振荡回路导致的输出光电振荡信号稳定性问题，且光电振荡信号的频率、带宽皆可调谐，从而构建一种可重构的光电振荡器。

Description

一种基于光谱分割的可重构光电振荡器

技术领域

本发明涉及一种光电振荡器，属于微波光子学技术领域。

背景技术

微波/毫米波信号源在雷达、无线通信、星间链路及现代测量等诸多领域有着广泛的应用。传统的电学方法产生髙频微波/毫米波信号通常需要通过倍频实现，此方法会极大恶化信号的相位噪声。由此，利用光子学方法产生微波信号的实践应运而生。光子技术和微波技术融合交叉，促进了彼此的发展，开辟了新的微波光子学研究领域。在微波光子学研究领域相关产生髙频微波/毫米波信号的技术涵盖：光外差法、频率时间映射法、脉冲整形法、时域自镜像效应，以及光电振荡器。其中光电振荡器的技术方案利用闭合的光电振荡环将连续的光能转换为周期性微波信号输出，因此具有较高的品质因子。

光电振荡器产生的信号相位噪声低、频谱纯度高、频率稳定度好、频率可调谐度高，是非常优质的微波信号源，可被应用于如光脉冲输出、光时钟恢复和射频载波恢复、光载无线传输系统中的上、下变频等领域，尤其是频率、带宽可重构的光电振荡信号还可以应用于国防领域的电子对抗，以实现压制性无线信号干扰。由美国OEwaves公司生产的光电振荡器，其尺寸与一个硬币大小相当，产生的信号频率可以高达35GHz，相位噪声性能在距离载波频偏10kHz处可达到-108dBc/Hz。

光电振荡器的结构早在二十世纪80年代己被提及(《Optics Communications》,1980,32,1:72-74)，但是利用光电振荡器产生频率稳定、相位噪声较低的微波信号概念是由Steve等人在1996年首次提出(《J.opt.soc.amer.bOpt.phys》,1996,13,12:34-35)。

光电振荡器的噪声特性、频率可调谐性在学术界中已被广泛研究。选择噪声特性更好的激光源或是更长的光纤振荡回路有助于改善光电振荡器的噪声特性，双环振荡器也被证明是行之有效的方法，相比单环光电振荡器，双环结构能够有效抑制较多的边模产生。此外，国际上已有将多芯光纤应用于光电振荡器的报道，国内尚未见诸报道(中国知网CNKI检索关键字：多芯光纤、光电振荡)与申请专利(国家知识产权局查询关键字：多芯光纤、光电振荡)，即便如此，国际上目前基于多芯光纤的光电振荡器解决思路也不可避免的在实际应用中暴露出对光源、特殊制造工艺的多芯光纤的依赖，以及长度差异明显且分立结构的多环振荡回路所导致的输出光电振荡信号稳定性以及可重构问题。

发明内容

技术问题：目前已有的光电振荡器设计方案，大多数致力于其某项性能指标的改进，或是使用某种关键性器件，或是使用光子集成与互连的技术方案，或是侧重于基于光电振荡原理的其他领域技术解决方案，尤其是采用多芯光纤的光电振荡器设计方案尚有待于研究。学术界目前基于多芯光纤的光电振荡器解决思路不可避免的在实际应用中暴露出对光源、特殊制造工艺的多芯光纤的依赖，以及长度差异明显且分立结构的多环振荡回路所导致的输出光电振荡信号稳定性以及可重构问题。本发明针对这一问题提出一种针对多芯光纤的，基于光谱分割的可重构光电振荡器设计方案，本方案融合了微波光子学领域相关技术进展，解决了常规光电振荡器对窄带光源的依赖；采用单根多芯光纤的双环振荡回路结构，改善了常规光电振荡器多环回路所导致的输出光电振荡信号稳定性问题，并且本发明输出光电振荡信号的频率、带宽皆可调谐，从而构建了一种可重构的光电振荡器。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于光谱分割的可重构光电振荡器，其特征在于：所述光电振荡器包括依次相连的光源(1)、光隔离器(2)、光调制器(3)、光放大器(4)、阵列波导光栅(5)、MEMS光纤开关(6)、多芯光纤扇入耦合器(7)、多芯光纤(9)、多芯光纤扇出耦合器(10)；多芯光纤扇出耦合器输出分别连接两个光接收器(11)、(12)、两个光接收器(11)、(12)通过电耦合器(13)输出至电滤波器(14)，再经由电放大器(15)反馈至光调制器(3)，泵浦光源(8)输出的光波与MEMS光纤开关(6)输出的光波经过多芯光纤扇入耦合器(7)输出至多芯光纤。

进一步，所述光源为超辐射发光二极管。

进一步，所选超辐射发光二极管的中心波长为C波段1530nm～1565nm，在激励电源为150mA时半峰宽为110nm，室温下连续输出功率为10mW，器件的垂直发散角为35℃，水平发散角为10℃。

进一步，所述阵列波导光栅、MEMS光纤开关、多芯光纤依次连接构成振荡回路，所述多芯光纤纤芯数目不少于3组，其中2组以上纤芯用于构建双环或多环振荡回路，1组纤芯用于传输泵浦光源。

进一步，所述阵列波导光栅的中心波长为C波段1530nm～1565nm，信道数目为16，信道间隔可以为25GHZ、50GHZ、100GHZ，最小信道损耗小于5dB，串扰小于-30dB，所述MEMS光纤开关为16×16阵列，以完成16信道的任意开关选择。

进一步，所述光电振荡器输出的光电振荡信号的频率，可由MEMS光纤开关控制与调谐。

通过选择两组不同中心波长的光波，耦合进入多芯光纤的不同纤芯，产生的振荡信号的频率将反比于这两组光波的中心波长之差，从而完成了输出光电振荡信号的频率调谐。

进一步，所述光电振荡器输出的光电振荡信号的带宽，可由泵浦光源的注入功率控制与调谐。

通过控制耦合进多芯光纤的泵浦光源的注入功率，可以引起多芯光纤各个纤芯中的光波相位噪声，光波相位噪声会劣化光电振荡信号的带宽，即产生的振荡信号的带宽随着光功率的上升而增加，从而完成了输出光电振荡信号的带宽调谐。

有益效果：

本发明提出的基于光谱分割的可重构光电振荡器，分别在光源、振荡回路、以及可调谐控制方法的设计与选用等方面对常规光电振荡器进行了创新与改进。

(1)本发明在光源的设计与选用方面，选择了宽谱光源的超辐射发光二极管(SLD)，与半导体激光器相比，超辐射发光二极管有更宽的发光光谱，也即更短的相干长度，可以显著地降低由光纤瑞利散射和非线性光克尔效应等引起的噪声以及光纤传输的模式噪声；与一般的发光二极管相比，超辐射发光管的输出功率更高，发散角更小，耦合效率更高以及响应速度更快。现有光电振荡器的公开专利中选用宽谱光源的技术方案是上海交通大学于2013年提出的《基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置》(申请公布号：CN103166706A)，对比分析表明其与本发明选用的宽谱光源在连接方式及调制机理方面存在明显差异：该上述公开专利虽然选用了宽谱光源，但紧接光源其后连接了可调光滤波器，姑且不考虑该可调光滤波器在实际应用中的器件成本与可操作性，就其可调光滤波器输出的光信号而言，与一般可调窄带光源的输出并无本质差异；而本发明中宽谱光源直接连至光电调制器，光电振荡装置输出频率的可调谐性由振荡回路的设计与选用决定，明显区别于上述专利中的可调光滤波器的作用。

(2)本发明在振荡回路的设计与选用方面，选择了阵列波导光栅(AWG)、微机械系统(MEMS)光纤开关，以及多芯光纤(MCF)，其中AWG基于不同波长的光相互间线性干涉的基本光学原理，用于将宽带光谱进行分割；基于半导体微细加工技术的MEMS光纤开关，用于开/关选通特定的分割后的宽带光谱，耦合进入MCF；分割后的宽带光谱具有不同的中心波长，耦合进入MCF后经过一定距离的传输产生不同的延迟，在单根的MCF中构建了一个等效的多环振荡回路，并由此输出相应光电振荡信号。国际上已有报道将多芯光纤应用于光电振荡器，以构建多环振荡回路，如西班牙的研究者(《Optics Express》,2015,23,3:2403-2415)，以及美国/西班牙的研究者(《IEEE Photonics Journal》,2012,4,3:877-888)。如上两篇期刊文章的作者有一定的重叠，究其研究思路：其一，将MCF的多根纤芯分为两组，一组数目不等的纤芯首尾相接作为双环振荡回路的“短环”，另1组将上一环节所剩余的纤芯首尾相接作为双环振荡回路的“长环”，以此构建双环振荡回路；其二，假设已有一种特殊的MCF，其各个纤芯的材料离子掺杂浓度、制造工艺各不相同，导致不同波长的光在其中以不同速率传输，以此构建双/多环振荡回路。对比分析表明如上研究思路与本发明设计的振荡回路存在明显差异：上述期刊文章均不同程度涉及对MCF的“改变”，或是连接方式，或是制造工艺，降低了光电振荡器的工程普适性；而本发明的设计中则没有涉及对MCF的使用限制。

(3)本发明在可调谐控制的设计与选用方面，通过控制MEMS光纤开关选通不同的分割后，具有不同中心波长的宽带光谱，在MCF各个纤芯中构建不同的振荡回路，完成了输出光电振荡信号的频率调谐；并且本发明还创造性的利用MCF的传输特性，通过控制耦合进MCF的泵浦光源的注入功率，给出了一种光学的调谐光电振荡信号带宽的方法，从而构建了一种真正意义上的可重构的光电振荡器，即频率、带宽皆可调谐。

据此，本发明提出的一种基于光谱分割的可重构光电振荡器设计方案解决了常规光电振荡器对窄带光源的依赖，以及长度差异明显且分立结构的双环振荡回路所导致的输出光电振荡信号稳定性问题，并且光电振荡信号的频率、带宽皆可调谐。

附图说明

图1是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器的系统框图。图1中有：超辐射发光二极管1、光隔离器2、光电调制器3、光放大器4、阵列波导光栅5、微机械系统光纤开关6、多芯光纤扇入耦合器7、泵浦光源8、多芯光纤9、多芯光纤扇出耦合器10、光接收器11，光接收器12，电耦合器13，电滤波器14，电放大器15，频谱分析仪16。

图2是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器产生的频率可调的振荡信号频谱图，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口7的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中。产生的振荡信号频率为18.1595GHz，30dB带宽为43.40MHz。

图3是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器产生的频率可调的振荡信号频谱图，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口8的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中。产生的振荡信号频率为15.9352GHz，30dB带宽为43.98MHz。

图4是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器产生的频率可调的振荡信号频谱图，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口9的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中。产生的振荡信号频率为14.0321GHz，30dB带宽为43.20MHz。

图5是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器产生的频率可调的振荡信号频谱图，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口10的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中。产生的振荡信号频率为12.7620GHz，30dB带宽为43.35MHz。

图6是本发明实施例中，一种基于光谱分割的可重构光电振荡器产生的带宽可调的振荡信号频谱图，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口10的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，产生的振荡信号频率为12.7620GHz，振荡信号的带宽随着泵浦光源光功率的上升而增加。泵浦光源将光功率为0dBm时，30dB带宽为43.35MHz；泵浦光源将光功率为5dBm时，30dB带宽为45.39MHz；泵浦光源将光功率为10dBm时，30dB带宽为46.96MHz；泵浦光源将光功率为15dBm时，30dB带宽为48.22MHz；泵浦光源将光功率为20dBm时，30dB带宽为49.92MHz；泵浦光源将光功率为25dBm时，30dB带宽为51.63MHz；泵浦光源将光功率为30dBm时，30dB带宽为54.11MHz；泵浦光源将光功率为35dBm时，30dB带宽为58.94MHz；泵浦光源将光功率为40dBm时，30dB带宽为67.18MHz；泵浦光源将光功率为45dBm时，30dB带宽为90.50MHz。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明实施例进行的基于光谱分割的可重构光电振荡器的实现过程。超辐射发光二极管1的输出光载波耦合通过光隔离器2，光隔离器2避免了反射光进入超辐射发光二极管1而引发的损伤。实施例所选超辐射发光二极管的中心波长为1550nm，在激励电源为150mA时半峰宽可以达到110nm，室温下连续输出功率为10mW，器件的垂直发散角为35℃，水平发散角为10℃。光电调制器3将电放大器15输出的微波信号调制在光载波上；光放大器4对通过其的光载波信号进行放大。阵列波导光栅5对通过其的宽带光载波信号进行光谱分割。实施例所选阵列波导光栅的中心波长为1550nm，信道数目为16，信道间隔为25GHz即0.2nm，最小信道损耗小于5dB，串扰小于-30dB。根据振荡信号的频率设定，可通过微机械系统光纤开关6选择两组不同中心波长的光波，耦合进入多芯光纤的不同纤芯进行频率调谐。实施例所选微机械系统光纤开关为16×16阵列，以完成16信道的任意开关选择。在操作上，一般可固定一组光波选择端口0，另1组光波在端口1至端口15中选择。多芯光纤扇入耦合器7将如上两组光波，连同泵浦光源8输出的光波，耦合输出至多芯光纤9。根据振荡信号的带宽设定，可通过调节泵浦光源8输出的光功率耦合进入多芯光纤进行带宽调谐。实施例所选多芯光纤纤芯数目为3组，其中2组纤芯用于构建双环振荡回路，1组纤芯用于传输泵浦光源。经过多芯光纤9的传输，不同中心波长的光波产生了不同的延迟，在单根的多芯中构建了一个等效的多环振荡回路。多芯光纤扇出耦合器10将2组不同中心波长的光波分别耦合输出至光接收器11以及光接收器12。光接收器11、光接收器12输出的微波信号由电耦合器13进行合波，电滤波器14滤除高频噪声分量之后，输出至电放大器15进行增益补偿，然后输出至光电调制器3，完成了光电振荡环路。

如图2至图5所示，通过选择两组不同中心波长的光波，耦合进入多芯光纤的不同纤芯，产生的振荡信号的频率f_OEO将反比于这两组光波的中心波长之差Δλ^k＝λ_k-λ₀,k＝1,2,3,...,15，即

其中D代表多芯光纤的色散，取值范围2ps/(nm·km)～20ps/(nm·km),本实施例所选多芯光纤的色散为16ps/(nm·km)；L代表多芯光纤的长度，本实施例所选多芯光纤长度为2.5km；λ₀代表MEMS光纤开关选择AWG端口0的输出光波的中心波长；λ_k代表MEMS光纤开关选择AWG端口k的输出光波的中心波长；Δλ^k代表如上两端口输出光波的中心波长之差。同时，若保持一致的泵浦光源光功率，使得产生的振荡信号有着稳定的带宽。其中由图2数据分析表明，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口7的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中，此时Δλ⁷＝1.4nm。产生的振荡信号频率为18.1595GHz，30dB带宽为43.40MHz。其中由图3数据分析表明，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口8的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中，此时Δλ⁸＝1.6nm。产生的振荡信号频率为15.9352GHz，30dB带宽为43.98MHz。其中由图4数据分析表明，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口9的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中，此时Δλ⁹＝1.8nm。产生的振荡信号频率为14.0321GHz，30dB带宽为43.20MHz。其中由图5数据分析表明，当通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口10的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，且通过泵浦光源将光功率为0dBm的光波耦合进入多芯光纤的另1组纤芯当中，此时Δλ¹⁰＝2.0nm。产生的振荡信号频率为12.7620GHz，30dB带宽为43.35MHz。由此，本发明实施例完成了输出光电振荡信号的频率调谐。

如图6所示，通过控制耦合进多芯光纤的泵浦光源的注入功率，可以引起多芯光纤各个纤芯中的光波相位噪声，光波相位噪声会劣化光电振荡信号的带宽，即产生的振荡信号的带宽随着光功率的上升而增加；同时，若保持一致的微机械系统光纤开关端口选择方式，使得产生的振荡信号有着稳定的频率。由图6数据分析表明，通过微机械系统光纤开关选择端口0与端口10的光波耦合进入多芯光纤的2组纤芯当中，此时Δλ¹⁰＝2.0nm。产生的振荡信号频率为12.7620GHz。泵浦光源将光功率为0dBm时，30dB带宽为43.35MHz；泵浦光源将光功率为5dBm时，30dB带宽为45.39MHz；泵浦光源将光功率为10dBm时，30dB带宽为46.96MHz；泵浦光源将光功率为15dBm时，30dB带宽为48.22MHz；泵浦光源将光功率为20dBm时，30dB带宽为49.92MHz；泵浦光源将光功率为25dBm时，30dB带宽为51.63MHz；泵浦光源将光功率为30dBm时，30dB带宽为54.11MHz；泵浦光源将光功率为35dBm时，30dB带宽为58.94MHz；泵浦光源将光功率为40dBm时，30dB带宽为67.18MHz；泵浦光源将光功率为45dBm时，30dB带宽为90.50MHz。由此，本发明实施例完成了输出光电振荡信号的带宽调谐。

数据分析表明：通过控制耦合进多芯光纤的泵浦光源的注入功率，可以引起多芯光纤各个纤芯中的光波相位噪声，光波相位噪声会劣化光电振荡信号的带宽，即产生的振荡信号的带宽随着光功率的上升而增加；同时，若保持一致的微机械系统光纤开关端口选择方式，使得产生的振荡信号有着稳定的频率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于光谱分割的可重构光电振荡器，其特征在于：所述光电振荡器包括依次相连的光源(1)、光隔离器(2)、光调制器(3)、光放大器(4)、阵列波导光栅(5)、光纤开关(6)、多芯光纤扇入耦合器(7)、多芯光纤(9)、多芯光纤扇出耦合器(10)；所述多芯光纤扇出耦合器将2组不同中心波长的光波分别耦合输出至第一光接收器(11)、第二光接收器(12)，所述第一光接收器(11)、第二光接收器(12)通过电耦合器(13)输出至电滤波器(14)，再经由电放大器(15)反馈至光调制器(3)，泵浦光源(8)输出的光波与光纤开关(6)输出的光波经过多芯光纤扇入耦合器(7)输出至多芯光纤；所述多芯光纤纤芯数目为3组，其中2组纤芯用于构建双环振荡回路，1组纤芯用于传输泵浦光源。

2.根据权利要求1所述的可重构光电振荡器，其特征在于：所述光源为超辐射发光二极管。

3.根据权利要求1所述的可重构光电振荡器，其特征在于：所述光纤开关为MEMS光纤开关。

4.根据权利要求3所述的可重构光电振荡器，其特征在于：所述阵列波导光栅、MEMS光纤开关、多芯光纤依次连接构成振荡回路。

5.根据权利要求1所述的可重构光电振荡器，其特征在于：所述光纤开关控制与调谐所述光电振荡器输出的光电振荡信号的频率。

6.根据权利要求1所述的可重构光电振荡器，其特征在于：所述泵浦光源的注入功率控制与调谐所述光电振荡器输出的光电振荡信号的带宽。

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