面向超寬帶信號處理的光頻梳產(chǎn)生技術(shù)

梁曉東， 李少波,， 劉彥丹， 張 磊， 羅青松

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050000； 2.河北省光子信息技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，石家莊 050000)

0 引言

當(dāng)前綜合電子系統(tǒng)一體化、電磁頻譜戰(zhàn)體系以及綜合射頻系統(tǒng)等對電子信息裝備的寬帶、高效、并行處理能力等方面提出了迫切需求，傳統(tǒng)電子技術(shù)在多頻段一體化綜合處理、多通道高集成并行實施、多功能通用化靈活控制、小型低功耗易重構(gòu)擴(kuò)展等方面存在技術(shù)瓶頸，具有超寬帶并行處理能力的微波光子信道化處理被認(rèn)為是一項關(guān)鍵使能技術(shù)[1]，能夠有效突破傳統(tǒng)電子技術(shù)在處理射頻帶寬和動態(tài)范圍的瓶頸。微波光子信道化處理技術(shù)通過寬譜光源將大瞬時帶寬信號在光域進(jìn)行操控，實現(xiàn)“窄帶”并行精細(xì)處理。作為一種寬譜光源，相干光頻梳直接決定了接收機(jī)的寬帶處理能力[2]，在寬帶光子信道化技術(shù)中，固定頻率間隔、多頻率梳齒以及梳齒平坦度等是影響信道化性能的關(guān)鍵[3]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，有鎖模激光器法、電光調(diào)制法、非線性介質(zhì)法以及微環(huán)諧振腔法等多種方式生成相干光頻梳等。通過光子晶體光纖和光纖鎖模激光器可以產(chǎn)生多梳齒、高穩(wěn)定性的相干光頻梳，受限于激光器的腔長難以精確控制，存在產(chǎn)生的光頻梳重復(fù)頻率的調(diào)諧性、穩(wěn)定性差等問題[4]；借助于調(diào)制器的非線性效應(yīng)，將多個工作于大調(diào)制深度的調(diào)制器級聯(lián)生成相干光頻梳的方法，具有梳齒間隔靈活可調(diào)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但梳齒數(shù)目取決于調(diào)制深度和調(diào)制器個數(shù)，系統(tǒng)規(guī)模較大[5]。利用光學(xué)的非線性效應(yīng)法來產(chǎn)生光頻梳，利用非線性介質(zhì)的相位調(diào)制技術(shù)增加譜線帶寬，但存在梳齒平坦度較差、能量分布不均且光頻梳信號抖動較大的問題[6]。微環(huán)波導(dǎo)借助于光子集成和周期性濾波技術(shù)產(chǎn)生相干光頻梳，最大的優(yōu)勢是實現(xiàn)了集成芯片化的光頻梳，但存在結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜、周期較長、譜線平坦度較差和芯片工藝的環(huán)境適應(yīng)性差等問題[7]。另外，光頻梳的重復(fù)頻率及重頻調(diào)諧性決定了系統(tǒng)能夠處理的帶寬和靈活性，本文提出了一種面向微波光子信道化應(yīng)用的高平坦、多梳齒、高穩(wěn)定相干光頻梳生成和重頻調(diào)諧技術(shù)，通過級聯(lián)調(diào)制器生成初級相干光頻梳，選出種子梳齒后進(jìn)行注入鎖定，在保證窄線寬的同時提高梳齒功率，最后進(jìn)行非線性展寬生成高重頻、多梳齒相干光頻梳，為大容量衛(wèi)星通信、超寬帶綜合射頻一體化等應(yīng)用提供支撐。

1 基本概念

相干光頻梳為信道化接收機(jī)接收射頻信號或者基帶信號的生成提供光域的“頻率池”，是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)[8]。需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計每次切換所得微波頻率的變化范圍以及整體系統(tǒng)的工作頻率覆蓋范圍生成信號光頻梳和本振光頻梳，光頻梳的重復(fù)頻率均需滿足由后續(xù)光信號波長分離模塊決定的頻率限制；且通過級聯(lián)相位調(diào)制器的方式可近似線性疊加梳齒數(shù)量，通過光纖參量放大等非線性過程亦可使梳齒數(shù)量倍增。

系統(tǒng)設(shè)計的10梳齒光頻梳，信號光頻梳和本振光頻梳的頻率間隔分別大于80 GHz和79.4 GHz，實現(xiàn)信道帶寬為600 MHz，信道數(shù)量為10，從而在DC-40 GHz的通頻覆蓋范圍中接收任意6 GHz帶寬信號。另外，通過控制光頻梳的平坦度，實現(xiàn)梳齒平坦度小于5 dB；通過對調(diào)制的射頻信號的功率放大和相位匹配，以及對級聯(lián)調(diào)制器的調(diào)制深度控制，可滿足梳齒間距和梳齒數(shù)量要求，實現(xiàn)系統(tǒng)光載波信號的頻率池，完成超寬帶信號的信道化接收和變頻功能。

圖1所示為相干光頻梳系統(tǒng)方案框圖。首先利用級聯(lián)調(diào)制器產(chǎn)生重復(fù)頻率較低的相干光頻梳，再選取符合系統(tǒng)要求的種子梳，經(jīng)光注入鎖定后采用參量混頻器進(jìn)行頻譜展開，生成重復(fù)頻率大、梳齒數(shù)目多且平坦度高的相干光頻梳。

激光器產(chǎn)生的光載波被光耦合器分成兩個種子光，采用2個級聯(lián)PM和1個MZM來產(chǎn)生20 GHz重復(fù)頻率的種子頻率梳。為實現(xiàn)加載到調(diào)制器上的射頻驅(qū)動信號相位匹配，通過電移相器對相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得兩射頻信號保持同相位。本振光頻梳使用2個級聯(lián)的PM產(chǎn)生19.85 GHz的頻率梳，2個射頻合成器共用1個10 MHz參考信號。隨后選取2根生成信號光頻梳的頻率間隔為80 GHz和本振光頻梳頻率間隔為79.4 GHz的梳齒，用于從激光器注入鎖定，新的梳齒代表參量混頻器種子光，可以在幾乎任意頻率間隔下產(chǎn)生，僅受前面生成光頻梳參考梳的能力的限制，2個光頻梳頻率間隔不同，通過設(shè)置信號光頻梳混頻器和本振光頻梳中的光纖長度，可以產(chǎn)生多播信號光頻梳頻率間隔為80 GHz，本振光頻梳頻率間隔為79.4 GHz，在2個梳齒之間有600 MHz頻率差，生成光頻梳。

圖1 相干光頻梳系統(tǒng)方案框圖Fig.1 Schematic diagram of coherent OFCs

2 理論模型

圖2所示為光頻梳的光譜圖和頻譜圖。

圖2 光頻梳的頻域譜形和時域波形圖Fig.2 Frequency domain spectrum and time domain waveform of OFCs

在光域和電域都是由一定間隔的梳齒組成，第N個梳齒的頻率表示為

fN=N·fr+f0

(1)

式中：fr為光頻梳的重復(fù)頻率或自由譜范圍(FSR)；f0為由群速度和相速度的不匹配帶來的頻率偏移[9]。

光頻梳通過光電探測器(PD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，在電域表現(xiàn)為具有固定重復(fù)周期的離散諧波頻率。

2.1 級聯(lián)調(diào)制器生成光頻梳

級聯(lián)相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器原理如圖3所示。

圖3 級聯(lián)調(diào)制器生成光頻梳原理圖Fig.3 Schematic diagram of OFC generation based on cascaded MZM

設(shè)由激光源輸出的單頻點光信號表達(dá)式為

Ein=E0exp(jω0t)

(2)

式中：ω0為中心頻率；E0為光場強(qiáng)度。射頻信號通過MZM調(diào)制在光載波上，調(diào)制電信號分別為

V1(t)=VDC1+VRF1cos(ωc1t)

(3)

V2(t)=VDC2+VRF2cos(ωc2t)

(4)

式中：VDC1，VDC2分別表示上、下側(cè)的直流電壓偏置；VRF1cos(ωc1t)和VRF2cos(ωc2t)為射頻驅(qū)動電壓。當(dāng)MZM工作于推挽狀態(tài)時，有V1(t)+V2(t)=0。經(jīng)過相位調(diào)制后

(5)

(6)

式中，Vπ1為MZM的半波電壓。則經(jīng)MZM調(diào)制后輸出的光信號為

(7)

將經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制后的光信號Eout1(t)輸入到相位調(diào)制器，相位調(diào)制的驅(qū)動電壓為

V3(t)=VDC3+VRF3cos(ωct+φ)

(8)

式中:VDC3和VRF3分別為加載到相位調(diào)制器的直流偏置和驅(qū)動電壓;ωc為與ωc1的值相同的射頻頻率;φ為初始相位。

則由相位調(diào)制器引起的相位改變?yōu)?/p>

(9)

經(jīng)過相位調(diào)制器調(diào)制后輸出的光信號為

Eout2(t)=Eout1(t)exp(jφ3)

。

(10)

2.2 參量混頻器頻譜擴(kuò)展

級聯(lián)調(diào)制器生成的光頻梳重復(fù)頻率受制于調(diào)制信號的頻率，不能滿足本系統(tǒng)的頻段要求，通過引入?yún)⒘炕祛l器，利用非線性效應(yīng)和精確的色散控制，對光梳進(jìn)行頻譜展寬，具體過程為選擇上述生成的光頻梳中的2根梳齒，經(jīng)過泵浦激光器對2根梳齒注入鎖定放大后，進(jìn)入如圖4所示的參量混頻器中。需要注意的是，根據(jù)系統(tǒng)的6 GHz的頻段在DC-40 GHz中的位置，選擇進(jìn)入?yún)⒘炕祛l器的種子梳齒，進(jìn)行后續(xù)操作。

圖4 參量混頻器原理圖Fig.4 Schematic diagram of parametric mixer

在高非線性光纖(HNLF)中的四波混頻效應(yīng)(FWM)考慮為簡并FWM過程，當(dāng)頻率為ω1和ω2的泵浦光(假設(shè)ω1<ω2)注入到HNLF中時，會產(chǎn)生2個閑頻光，頻率分別為ω3=ω1-(ω2-ω1)和ω4=ω2+(ω2-ω1)。在FWM過程中，泵浦光、信號光和閑頻光之間的轉(zhuǎn)化取決于相位匹配的程度。當(dāng)波矢量失配因子k=0時，滿足相位匹配條件，其中

k=Δk+ΔkNL=0

(11)

式中，Δk和ΔkNL為波矢量失配因子，與色散和非線性效應(yīng)相關(guān)聯(lián)。在簡并FWM結(jié)構(gòu)中，ΔkNL=γ(P1+P2)，P1，P2分別為頻率ω1和ω2的信號功率，γ為高非線性光纖的非線性系數(shù)。為滿足波矢量失配因子k=0，泵浦波長需要大于HNLF的零色散波長(ZDW)(即Δk<0)。然后，借助于調(diào)整泵浦功率來調(diào)節(jié)ΔkNL，從而滿足相位匹配條件。通常情況下，需將泵浦波長選定于ZDW附近的反常色散區(qū)域，滿足相位匹配條件。此外，由FWM效應(yīng)新產(chǎn)生的頻率，可進(jìn)一步與主泵浦波相互作用產(chǎn)生更多的頻率成分，即四波混頻的級聯(lián)過程(CFWM)。因此，為得到精確頻率間隔為(ω2-ω1)的寬帶光頻梳，可利用CFWM效應(yīng)。

另外，由相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾將影響輸出頻率束的峰值功率，可利用一定長度的單模光纖(SMF)來產(chǎn)生色散效應(yīng)，進(jìn)而彌補(bǔ)相位調(diào)制器調(diào)制輸出的頻率啁啾，從而獲得一個高峰值功率的泵浦信號，實現(xiàn)增強(qiáng)HNLF中的CFWM效應(yīng)的目的。

在光脈沖注入時，所產(chǎn)生的自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)同樣可以達(dá)到色散匹配的目的。由SMF產(chǎn)生的色散量，即光纖長度，理論計算可由非線性薛定諤方程(NLSE)估算，即

(12)

在實際操作中，所需的最大脈沖壓縮量(SMF長度)，可根據(jù)實驗方案中所用器件的參數(shù)確定，也可通過提高光脈沖的峰值功率來調(diào)整。

然后，傳輸光信號經(jīng)過具有色散平坦特性的第1段HNLF，用于實現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展和復(fù)制。通過以上原理分析，擬生成滿足系統(tǒng)要求，即重復(fù)頻率分別為80 GHz和79.4 GHz、梳齒數(shù)量大于10的相干光頻梳。

3 仿真分析

為驗證上述理論分析與方案，使用VPI仿真軟件對所設(shè)計的方案進(jìn)行仿真，首先對級聯(lián)強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器進(jìn)行仿真，生成了初級光頻梳，調(diào)制射頻信號的功率為20 dBm，從級聯(lián)調(diào)制器生成的光頻梳選出2根種子梳齒，濾波采用的波分復(fù)用器帶寬為20 GHz，得到梳齒頻率間隔為80 GHz的2根梳齒，2根梳齒幅度相同，進(jìn)行后續(xù)的非線性展寬，仿真如圖5所示。

圖5 波分復(fù)用器濾出的種子梳齒仿真圖Fig.5 Simulation result of seed combs filtered by WDM

種子梳齒經(jīng)過第2段HNLF，產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，梳齒從2根擴(kuò)展到8根(-20 dBm以上)，非線性光纖長度設(shè)置為40 m，非線性系數(shù)8.79 W-1·km-1，得到的仿真圖如圖6所示。

第2段HNLF所產(chǎn)生的正頻率啁啾，經(jīng)過薛定諤方程計算后，可以用來確定所需的反常色散SMF的最佳長度。然后，帶有頻率啁啾的光脈沖傳輸經(jīng)過反常色散SMF去啁啾，并對光脈沖的時域波形產(chǎn)生壓縮，從而提高峰值功率，得到極限的光脈沖。

然后，無啁啾光脈沖經(jīng)過第3段零色散平坦HNLF進(jìn)行頻譜展寬，設(shè)計HNLF的總長度為250 m。對光脈沖在第3段零色散平坦HNLF的頻譜展寬過程進(jìn)行了仿真，如圖7所示。從圖中可以看到頻譜總體呈現(xiàn)展寬的趨勢，并且對比圖6，各梳齒的平坦度隨著傳輸距離的增加變得更平坦。最終實現(xiàn)了時域和頻域都極大展寬的平坦光頻梳，可滿足未來信道化對超寬帶信號處理的需求。

圖6 經(jīng)高非線性光纖復(fù)制擴(kuò)展后光頻梳仿真圖Fig.6 Simulation result of extended OFC copyed by HNLF

圖7 經(jīng)零色散平坦光纖后光頻梳仿真圖Fig.7 Simulation result of OFC after zero dispersion flattened fiber

4 結(jié)束語

本文設(shè)計面向?qū)拵l(wèi)星通信、一體化等應(yīng)用系統(tǒng)的多梳齒、高平坦度的相干光頻梳生成方案，并通過仿真驗證，實現(xiàn)重復(fù)頻率為80 GHz和79.4 GHz，平坦度7 dB內(nèi)梳齒數(shù)量各20，平坦度3 dB內(nèi)梳齒數(shù)量各10，滿足雙邊帶調(diào)制射頻信號DC-40 GHz的寬帶信道化接收，解決綜合射頻一體化、大容量衛(wèi)星通信等應(yīng)用對微波光子信道化中相干光頻梳帶寬越來越大的迫切需求。