基于啁啾相移FBG的频率可调谐光电振荡器

基于啁啾相移FBG的频率可调谐光电振荡器
韩晓晓;徐恩明;王斐;陈诚
【摘要】为了扩大OEO(光电振荡器)的频率可调谐范围,利用Matlab软件仿真设计了一种基于Chirped PS-FBG(啁啾相移光纤光栅)的频率可调谐OEO.对PS-FBG(相移光纤光栅)的反射谱和基于PS-FBG的频率可调谐范围进行了理论和仿真研究,分析了Chirped PS-FBG的反射谱和基于Chirped PS-FBG的频率可调谐范围.仿真结果表明,通过对可调谐激光源的波长调节可实现频率可调,与PS-FBG相比,Chirped PS-FBG扩大了反射谱带宽及OEO的频率可调谐范围.
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】光纤光栅;可调谐;啁啾相移;振荡器
【作者】韩晓晓;徐恩明;王斐;陈诚
【作者单位】南京邮电大学光电工程学院,南京 210046;南京邮电大学光电工程学院,南京 210046;南京邮电大学光电工程学院,南京 210046;南京邮电大学光电工程学院,南京 210046
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
OEO(光电振荡器)产生的微波信号具有低噪声、宽带宽和可调谐的特性,已广泛应用于无线通信、雷达、光信号处理以及现代测量等领域[1]。

为了实现OEO单模输
出与频率可调谐,迄今已提出了多种结构的OEO[2-4]。

文献[2]提出了一种双环路结构OEO,振荡器起振的振荡模式间隔由短光纤环路决定,相位噪声则由长光纤环路决定。

但该方案只是在相位噪声性能和边模抑制比之间做了一个权衡,并不能获得有效的单模输出。

文献[3]通过调节LCFBG(线性啁啾光纤光栅)的色散系数实现频率可调谐,然而实际应用中很难实现大范围的色散系数调节。

为了克服这一难题,文献[4]利用PS-FBG (相移光纤光栅)实现频率可调谐。

但PS-FBG的反射谱范围较小,导致基于PS-FBG的OEO的频率可调谐范围较小。

本文提出了相位调制器与Chirped PS-FBG(啁啾相移光纤光栅)相结合的新型频率可调谐OEO。

Chirped PS-FBG结合了啁啾光纤光栅和PS-FBG的特点,其反射谱不仅具有PS-FBG窄陷波的特点,还具有啁啾光纤光栅宽带宽的优点,最后通过仿真成功实现了振荡器的频率大范围可调谐。

图1所示为本文所提OEO结构图。

TLS(可调激光源)发出的光波入射到PM(相位调制器),PM输出的信号经OC(光环行器)入射到Chirped PS-FBG,被其反射后的光波经PD(光电探测器)探测转换成微波信号,微波信号经PA(微波放大器)放大后一部分反馈到PM进行相位调制,另一部分进入ESA(电频谱分析仪),得到微波信号的频谱图。

图1中PM和Chirped PS-FBG组成了等价的频率可调谐MPF(微波光子滤波器),其结构图如图2所示。

假设VNA(网络分析仪)中的微波信号为νecos(ωet),其中νe为加载于PM上的调制信号的振幅,ωe为调制信号的角频率。

对PM中的光波信号进行调制,在小信号条件下,PM输出端的电场强度可表示为
式中,E0为输入光电场单位振幅;ω0为光波角频率;νπ为PM上的半波电压;J0(β)和J1(β)分别为0阶和一阶贝塞尔函数;β=πνe/νπ为相位调制系数,当调制系数很小时,高阶边带可以忽略不计。

由式(1)可以看出,PM输出的信号只包含光载波和位于载
波两边的一阶边带,若PD直接探测相位调制信号,则除直流信号再无其他微波信号。

这是由于相位调制后的两个一阶边带与载波进行拍频所产生的信号中,总存在一对
频率和振幅相等、相位相反的信号,且最终相互抵消。

Chirped PS-FBG反射谱存
在一个很窄的陷波,若光载波处在反射谱的通带处,当其中某一个调制边带落在陷波
位置时,那么此时只剩下另外一个边带,上下两边带幅度平衡被打破,实现了相位信号到强度信号的转换,经PD探测后将产生一个单通带频率响应,如图3所示。

单通带MPF的中心频率由Chirped PS-FBG的陷波所在处的波长与激光源的波长差所决定,因而通过调节激光源的波长,可实现OEO的频率可调。

由传输矩阵法可知,啁啾光纤光栅的传输函数可以表示为
根据耦合模理论[5],可得第i段光纤光栅的传输矩阵Fi为
式中,为“交流”耦合系数,λ为光波波长,δneff为折射率调制深度,υ为折射率变化
条纹可见度;表示“直流”自耦合系数,且δ=2πneff( 1/λ―1/λB),neff为光栅有效折射率,λB为布拉格波长,σ为直流耦合系数,表示光栅啁啾量;Δz表示第i段光纤光栅
长度。

若在啁啾光纤光栅中引入φ相移量时,Chirped PS-FBG的传输函数可表示为则光
波通过整个Chirped PS-FBG的传输函数可表示为
式中,RM为前向场的复振幅;SM为后向场复振幅; R0=R(L/2)=1、S0=S(L/2)=0
为复振幅初始值。

啁啾光纤光栅反射系数ρ(ω)=SM/RM,则光栅反射率
r(ω)=|ρ(ω)|2,其中,ω为入射到啁啾光纤光栅的光波角频率。

经Chirped PS-FBG反射后,相位调制信号实现了相位调制/强度调制的转换,PD输入信号的电场强度可表示为
式中,τ′=L′n0/c表示光波经PM到PD之间的时延,L′为PM到PD的纤长,n0为光纤折射率,c为真空中的光速。

则PD输出信号为
令啁啾系数为0 nm/cm,光栅长为22 cm,光纤有效折射率为1.446 7,折射率调制
深度为1.28× 10―4,布拉格波长为1 550.14 nm,光栅中点处引入π相移量,PS-FBG的反射谱如图4所示。

从图中可看出,当陷波位于反射谱中点1 550.14 nm时,光栅反射率为0,整个光栅反射谱的带宽约为0.5 nm。

式中,s为PD响应系数。

当β很小时,有J0(β)≈1,J1(β)≈β/2,则频率响应函数可表示为
式中,[1―r(ω0―ωe)]2表示Chirped PS-FBG带来的频率响应,若环中增益大于损耗,当环路闭合时,OEO开始起振。

环中的信号不断循环相加,总信号可表示为
式中,Geff(ωe)=s G(1―r)πνe/(2νπ)表示开环增益;G为功率放大器的放大倍数;m 为光波在闭环中的循环次数。

OEO开始振荡后,开环增益近似等于1,则式(8)可简化为
最终,微波信号的功率可以表示为
当相位时延ωeτ′为2π整数倍并且r(ω0―ωe)=0时,增益达到最大值,OEO即开始振荡,通过调节光源波长可实现OEO的频率可调谐。

取不同的光波长对振荡器的可调谐性进行仿真,结果如图5所示。

从图中可看出,信号频率可调范围为5～55 GHz。

15 GHz处振荡信号的边模抑制比如图6所示,信号边模抑制比超过了30 d B。

令啁啾系数为0.056 6 nm/cm,其他参数不变。

此时,光栅变成Chirped PS-FBG,其反射谱如图7所示。

从图中可看出,整个光栅反射谱带宽扩大到了1.5 nm。

基于Chirped PS-FBG的OEO的频谱图如图8所示,信号频率可调谐范围扩大到5～155 GHz。

15 GHz处振荡信号的边模抑制比如图9所示,信号边模抑制比达到40 dB。

以上仿真结果表明,与基于PS-FBG的OEO
相比,基于Chirped PS-FBG的OEO实现了更好的单模输出并扩大了频率可调谐范围。

本文仿真验证了基于PS-FBG和Chirped PSFBG的OEO的单模输出及频率可调谐性。

通过对比可知,Chirped PS-FBG在PS-FBG窄陷波的基础上具有宽带宽的优点,且扩大了OEO的频率可调谐范围,更好地实现了单模输出,提高了系统性能。

本文的研究对今后频率可调谐OEO的应用有一定的理论指导意义。

【相关文献】
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[2]Yao X S,Lute Maleki.Multi-loop microwave oscillator[J].IEEE Journal of Quant Electron,2000,36 (1):79―84.
[3]Li Wang,Yao J.An optically tunable optoelectronic oscillator[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(18):2640―2645.
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