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1、第3 5 卷，增干q V 0 1 3 5S u p p l e m e n t 红外与激光工程 I n f r a r e da n dL a s e rE n g i n e e r i n g 2 0 0 6 年l O 月 0 c t 2 0 0 6 光电振荡器的原理及其实验研究 周涛，廖丰卓 ( 电子对抗国防科技重点实验室，四川成都6 1 0 0 3 6 ) 摘要：光电振荡器应用了光电混合的技术手段，通过光纤储能和延迟的方法可实现频率精度、稳定度、 相位噪声都显著优于常规微波介质振荡器的一种新型振荡源。简要介绍了光电振荡器的基本原理和研究现状， 并应用内调制激光器和长光纤环结构进行了实验
2、研究，得到了相位噪声优于1 1 2d B c I - l z 1 0k H z ，线宽 3 0G H z ) 的高性能信号输出。最近，国外应用两个光纤环和一个电环路构 成的新型振荡器结构，并且应用了载波抑制技术提升了系统对相噪的灵敏度，将相噪进一步压缩了- 2 0d B 嘲。 展示出了光电振荡器在频谱纯度等方面所具有的优异性能和巨大扩展潜力。 1 实验研究 为了验证光电振荡器的性能，进行了实验研究。应用 到的基于光纤环路的光电振荡器如图1 所示。其中主要包 括一个激光器+ 调制器的组件、后接光隔离器( I S O ) 、光纤、 光电探测器等光学元件，以及微波滤波器、功分器、放大 器等微波元件，
3、并与激光调制组件的射频激励端相连。 采用光纤环路结构的光电振荡器实际上可以认为是 一个反馈式的微波环形腔。所不同的是普通的介质振荡器 的腔长很短，因此纵模间隔很大，但是需要很高的品质因 子才能保证输出的微波信号具有较小的线宽和较高的频 率稳定度。由于受到体积结构和传输损耗的影响，介质振 荡器很难大幅度增加自己的腔长，而转换成光信号以后， 利用光纤具有的宽带和低损耗特性，就可以显著缩小纵模 图1 光电振荡器结构图 F i g 1 E x p e r i m e n t a ls e t u po fo p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r 的线
4、宽，并且对环路的相位变化更敏感，从而能获得更高频率稳定度、更低相位噪声以及更窄线宽的高性能 微波输出。 从光电振荡器的原理可知：振荡器的噪声随着有源器件的噪声系数( 尤其是激光器的R I N 指标) 的减小、 整个环路的总长度的增加而降低。由于光纤延迟线长度远远大于电器件的延迟长度，因此选取较长的光纤有助 于获取高性能的微波信号输出。但实际应用中光纤长度受到了另外一些因素的限制：由于振荡的微波频率，和 环路等效总长度L 间满足关系f = m c l L ；其中的m 和c 分别表示振荡的纵模阶数和光速。因此，随着光纤长度 增加，波模之间的频率间隔就会变小，多模振荡的概率显著增加，往往需要非常窄带
5、的滤波器来进行模式选择 和边模抑制。因此，考虑到所用的中频2 2 5M H z 、带宽5 0M H z 的微波滤波器，以及各器件的幅频性能，选取 的光纤长度约为3 0 0m ，加上连接器和射频电路的延迟，等效的光纤长度约为3 0 7m 左右。为了防止环路中光 学端面的反射耦合进激光器中，造成R I N 性能的恶化，环路中还应用了光隔离器抑制反向传输的激光。选取 的射频放大器带宽为D C “ - 3G H z ，小信号增益约为1 3d B ，3d B 的射频耦合器用于分出一部分微波信号输出给 高性能的频谱仪进行测试。整个环路的开环增益控制在2d B 左右，可以满足闭环振荡的增益条件。 8 2 红
6、外与激光工程：光电子器件技术第3 5 卷 2 结果分析 应用图1 所示的光电振荡器实验结构，对光电振荡器的频谱结构、相位噪声等主要的参数性能进行了测 试和分析： 图2 示出了光电振荡器输出的频谱与边模振荡情况。由图中可以看到，振荡输出的载频( 主模振荡) 频率为 2 1 4 6 5M H z 、功率1 1 8d B m 。 图2 中还示出：在载频周围还存在周期的边模振荡，边模的间隔约为6 5 1K H z ，临近载频处的模式幅度 最强。这是由于滤波器5 0M H z 的带宽过大的缘故，通带内至少存在8 0 个以上的模式。即便如此，载频和边 模的最小比值( 边模抑制比) 也达到了达到6 0 2
7、1B ，表现出光电振荡器具有很强的模式抑制能力。若采用更窄 的滤波器，边模振荡完全可以被抑制到很低的程度。此时注意图2 中边模间的杂散在9 0d B m 左右，因此光 电振荡器的杂散抑制能力有望达到8 0d B 以上，优于微波介质振荡器。如此大的边模和杂散抑制能力，无疑 在要求大动态范围的雷达接收机或电子侦察接收机等场合下具有非常重要的应用价值。 图2 光电振荡器的频谱与边模抑制图3 光电振荡器的线宽测量 F i g 2 S p e c t r u ma n ds i d e - b a n ds u p p r e s s i o no fo p t o e l e c t r o n i
8、co s c i l l a t o rF i g 3 M e a s u r e dl i n ew i d t ho fo p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r 图3 示出了频谱仪测量到的主模振荡的精细频谱。此时的视频带宽V B W = IH z 、频谱范围S P A N = 5 0H z 。 可以看到即使比主峰低至一1 0d B ，频差也只变化了1H z ，说明光电振荡器的纵模线宽小于1H z ( 由于实验中频 谱仪最高频率分辨率只有1H z ，更高精度的线宽无法测量) ，相对载波的频率精度至少优于1o - 8 ，显著优于微 波介质振荡
9、器。 然而，受到温度变化和器件相位抖动等因素的影响，光 电振荡器还是存在一定的频率漂移。实验中观察到的最大漂 移速度 3 0H z s ，最大频飘范围 2 0 0H z 。但相比常规未 锁相的介质振荡器1 0k H z 以上的频飘范围仍具有一定优 势。如果进：步引入锁相等技术，频率稳定度还会更高。对 此，将在下一步的实验研究中开展。 相位噪声是振荡器最重要的技术指标之一，也是光电振 荡器的优势所在。图4 为实验中测量到的光纤环光电振荡器 的相位噪声频谱线图，测试时的R B W = IH z 、S P A N = 2 0k H z 。 从频谱上看来，应用光纤3 0 0I 1 时，在中心频率f =
10、 2 1 4M H z 的情况下，相噪低至1 1 1 8d B c H z 1 0k H z ；而常规的介质F i g 4 M e a s u r e dp h a s e - n o i s eo fo p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r 增干I j周涛等：光电振荡器的原理及其实验研究 振荡器的相位噪声约在8 0 一9 0d B c H z 1 0l d - I z 的水平，相比之下光电振荡器的频谱纯度要高2 0d B 以上。 若采用更长的光纤，相位噪声还会有所降低，但是趋势并不明显。实验结果得到的最优相噪和国际最高 水平相比仍有较大差距
11、。初步分析认为，当前实验中应用到的激光器的强度噪声和放大器的1 矿噪声较高可能 是限制高性能相位噪声获取的重要原因，可通过后续优化设计来改进。此外，实验中频谱仪的噪声基低最好 只有1 2 51 3 0d B m R B W = IH z 的水平，相对于输出功率1 0d B m 左右的载频无法对优于1 1 5d B m H z 的相 噪进行测试，因此有必要寻求其它相位噪声的测试方法。 3 结论 综上所述，光电振荡器由于采用了光电混合的技术途径和分布式的结构，成为一种可实现高频率精度、 窄线宽和低相位噪声的新型振荡源。通过长约3 0 0n l 的光纤环型光电振荡器的实验研究，获得了边模抑制优 于6
12、 0 2d B 、频率线宽小于1H z 、相噪低至- 1 1 1 8d B c H z 1 0l d - I z 的高纯度微波信号输出，验证了光电振荡器 相对于常规介质振荡器的优异性能，并对影响光电振荡器性能的因素进行了初步的分析。 参考文献： 【1 1Y A OXS ，M A L E K IL ，E L I Y A H UD P r o g r e s si nt h eo p t o e l e c t r o n i co s c i I l a t o r - at e ny e a ra n n i v e r s a r yr e v i e w J I E E EM T T -
13、S D i g e s t ，2 0 0 4 ，2 8 7 - 2 9 0 【2 】M A L E K IL ，Y A OX S An e wc l a s so fo p t o e l e c t r o n i co s c i H a t o r s ( O E O ) f o rm i c r o w a v es i g n a lg e n e r a t i o na n dp r o c e s s i n g C F P r o e o fS P I E ，P h o t o n i c sa n dR a d i oF r e q u e n c y ，1 9 9 6 ，2 8 4 4 ：9 - 1 4 【3 】Y A OXS ，M A L E K IL M u l t i - l o o po p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r 们I E E EJo f Q u a n t E l e c t r o n ，2 0 0 0 ，3 6 ：7 9 8 4
