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《Optica》刊發張新亮教授、于源副教授研究成果

來源:武漢光電國家研究中心    作者:    發布時間:2019年08月19日    浏覽:153次


摘要:7月25日,美國光學學會(OSA)旗下《Optica》刊發武漢光電國家研究中心張新亮教授、于源副教授與唐海濤博士在光電振蕩器(OEO)方面的最新研究成果。論文題目為“Widely tunable optoelectronic oscillator based on selective parity-time-symmetry breaking”(基于選擇性宇稱-時間對稱破缺的寬帶可調諧光電振蕩器)

高質量的微波信号可以為雷達、電子對抗、數字通信等各類電子系統提供時鐘基準信号或者載波信号,而微波信号的頻率高低和相位噪聲大小會直接影響并決定系統的速率、容量和性能極限。随着國際戰場局勢的日趨變化為滿足國際戰場新局勢的需求實現通訊雷達以及電子對抗三者系統的融合需要可在300 MHz~60 GHz甚至更大的範圍内自由切換的高質量微波信号光電振蕩器(OEO)可以很好的滿足這個需求OEO是一個包含正反饋環路的光電混合腔,其原理如圖1所示。通過使用低損耗的長光纖實現反饋環路的大延時,使得反饋腔具有高Q (Q=2pfocst)因子。更高的Q值意味着更窄的諧振峰的帶寬Df,因而長光纖可以起到窄化頻譜的作用确保微波信号具有低相位噪聲。然而,長光纖環路也同時帶來了本征模式間隔過窄導緻的多模起振問題。為确保單模振蕩,必須使用超窄帶寬的電濾波器作為選模工具。假設采用 2 km長光纖作為延時介質,OEO本征模式間隔為100 kHz即需要帶寬小于100 kHz的電濾波器保證單模起振目前中心頻率在10 GHz附近的高頻窄帶電濾波器,通帶最窄也隻能做到5 MHz附近。因此如果僅僅使用電濾波器作為OEO中的模式選擇器,多模起振不可避免。與此同時,超窄電濾波器的中心頻率固定,不易調節,導緻OEO輸出信号頻率無法調諧,從而嚴重限制OEO靈活性。


 


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1. 光電振蕩器的示意圖

為了克服這個難題,華中科技大學武漢光電國家研究中心的張新亮教授、于源副教授和唐海濤博士利用PT對稱破缺超強的模式選擇能力,實現了OEO單模起振。同時利用寬帶可調的微波光子濾波器來精确選擇PT對稱破缺的頻率實現OEO大範圍可調諧。PT對稱破缺被證明是一種極好的模式選擇工具,早期應用于微環激光器的模式選擇實現單模激射。在這裡,我們把PT對稱破缺引入到光電混合腔,構建兩個物理尺寸一樣的互相耦合腔,并在其中一個腔引入增益,另外一個引入損耗。當增益和損耗相等的時候,這個雙腔系統我們稱為PT對稱系統,如圖2(a)所示。基于這個思路,我們構建了一個PT對稱OEO,如圖2(b)所示。通過一個偏振控制器(PC3)和一個偏振分束器(PBS)把光信号分成兩路,且可以精确控制這兩路的分光比。讓其中一個環路具有增益,另外一個環路具有損耗。兩個光學支路分别通過兩個可調光學延時線OTDL)來精确控制兩個環路的長度。當環路的增益等于損耗時,就滿足了PT對稱性。

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2(a) PT對稱雙腔系統;(b) 基于PT對稱破缺的OEO


利用PT對稱破缺選模的原理圖如圖3所示。滿足PT對稱系統的本征頻率可描述為:圖片16其中k為兩個腔之間的耦合系數g為增益調節環路的增益使其小于耦合系數k則系統處于PT對稱狀态模式呈現劈裂狀态如圖3灰色虛線所示,此時所有的模式都處于中性狀态,不會起振。當調節環路的增益,使得具有最大增益的模式剛好滿足其增益大于耦合系數k則這個模式就打破了PT對稱性出現一對共轭模式其中一個模式具有增益特性,另外一個具有損耗特性。具有增益的模式就會實現穩定起振,如圖3藍色實線所示,而其他的模式仍然保持PT對稱而被抑制。與此同時,利用高非線性光纖(HNLF)實現受激布裡淵散射(SBS)效應,進而構建寬帶可調的窄帶微波光子濾波器,通過選擇不同的模式來打破PT對稱性,從而實現OEO的大範圍可調諧。

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3 PT對稱破缺選模示意圖


研究人員搭建了如圖2(b)所示的 OEO,采用的HNLF長度為1 km,首先測得系統的開環響應如圖4(a)中紅色虛線所示,濾波器的帶寬20 MHz左右。當該濾波器作為OEO唯一的選模工具而沒有采用PT對稱時,OEO起振信号如圖4(a)中黑色實線所示,可以看到模式競争非常嚴重。這是因為1 km的環長對應OEO模式間隔約200 kHz,在20 MHz的帶寬裡存在上百個可以起振的模式,很難保證單模起振。進一步,當把PT對稱破缺用于OEO系統的選模之後,可大幅抑制幹擾模式,完美地實現了單模振蕩,結果如圖4(b)所示。圖4(c)是圖4(b)中振蕩信号的細節圖,可以明顯地看到OEO的振蕩模式,同時也發現存在兩套超模。這是由于OEO的兩路環長沒有完全相等,沒有達到理想的PT對稱系統狀态。通過調節OTDL使得兩路環長逐漸相等,可以發現兩套超模在慢慢靠近的過程中也逐漸消失,最終實現了完美的單模振蕩,最終結果如圖4(d)所示。可以看到,OEO輸出信号的邊模抑制比達到了71.4 dB,是目前報到的大範圍可調諧OEO中實現的最大邊模抑制比。同時可以看到輸出振蕩信号的最大功率從-3.5增大到9.4 dBm,增加了約13 dB,這是由于PT對稱可以增大主振模式和競争模式間的增益差,在增大邊模抑制比的同時增大OEO的輸出功率。

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由于微波光子濾波器可以用來選擇不同的頻率打破PT對稱(即選擇性PT對稱破缺),因此OEO的振蕩頻率取決于微波光子濾波器的中心頻率。

在該OEO中,由于采用了寬帶可調諧的微波光子濾波器,因此輸出信号的頻率也呈現出超寬範圍的可調諧性,如圖5所示。可以看到,OEO輸出頻率可在2.6~40 GHz範圍内可調,其中頻率下限受限于SBS的增益帶寬,即調諧頻率下限為20 MHz,頻率上限受限于實驗中所用相位調制器、光電探測器、電放大器等器件帶寬,如果使用帶寬更大的器件,該OEO的輸出頻率可在更大範圍内調諧。

相位噪聲是評價微波源質量的一個非常重要的指标。研究人員将該OEO的相位噪聲和商用安捷倫微波源進行了對比,如圖5所示。當OEO環路長度為2 km時,測得的相位噪聲如圖5紅色曲線所示,10 kHz附近的噪聲是-129 dBc/Hz,在同樣的測試頻率下,比安捷倫微波源輸出信号(藍色曲線)低20 dB。這是因為商用微波源是通過倍頻方式得到高頻信号,每倍頻一次,相位噪聲就會劣化6 dB,而OEO最大的優勢就在于理論上其相位噪聲不會随振蕩頻率的增加而劣化。如果想進一步提升相位噪聲,可以進一步增大環長,利用PT對稱破缺超強的模式選擇能力保證單模振蕩。

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5(a) OEO的可調諧性;(b)OEO和商業微波源相位噪聲對比圖


研究人員表示,選擇性PT對稱破缺作為一種新穎的模式選擇方法,為實現具有低相位噪聲、超大邊模抑制比以及頻率大範圍可調諧的OEO提供了一種新思路,對增強OEO性能,促進OEO在實際中更好的應用具有重要意義。

該成果于20197月25日發表在美國光學學會(OSA)旗下頂級期刊《Optica》,于源副教授、張新亮教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金(No. 61501194, 11664009)、湖北省自然科學基金(No. 2015CFB231, 2014CFA004, 2016CFB370)和華中科技大學自主創新基金No. HUST: 2016YXMS025)的支持。

 

參考文獻:H. Tang, Y. Yu, and X. Zhang, “Widely tunable optoelectronic oscillator based on selective parity-time-symmetry breaking,” Optica, 6(8), pp. 944-950 (2019).

論文鍊接:http://p1vb4.juhua777476.cn