1 引言

射频任意波形产生(AWG)技术是一种可以根据需求输出任意射频波形的技术,在无线通信、现代仪器测试、雷达等诸多领域有着广泛的应用。基于电子学的任意波形产生技术受制于电子器件的电子瓶颈,通常难以实现高频率的任意波形输出,产生超高频率的波形信号较困难。随着微波光子学技术的发展,光子任意波形产生(OAWG)技术突破了电学技术瓶颈^[1],具有成本低、抗电磁干扰、体积小、质量轻等许多突出的优点,其巨大的潜在应用价值已在世界范围内引起了广泛关注。

目前对光脉冲的频谱进行幅度、相位操控是实现OAWG的主流技术,即傅里叶合成技术。此技术通过对谱线的精确操控实现了任意波形的合成产生。2007年,美国普渡大学的Weiner课题组提出了一种基于液晶调制器的光学任意波形产生方案^[2],利用液晶调制器实现了可编程的相位和幅度控制,实现了对108条谱线的独立精确控制。通过在时域内对光脉冲进行频谱整形是实现OAWG的另一种方法。Ye等^[3]利用光谱整形结合频率-时域映射(FTTM)实现了三角波的产生,但该方法无法产生全占空三角波信号。典型的时域光脉冲整形(TPS)系统通常由一个脉冲激光器(锁模激光器)、一对具有共轭色散值(即色散值大小相等,色散符号相反)的色散元件和一个电光调制器组成,脉冲谱线以整体的形式进行控制,灵活性不高。此外,利用连续光的外调制也是产生任意波形的有效手段之一,它通过控制调制边带来获得所需波形。这种方式相对简单,近年来得到了广泛研究,其中利用双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)和双电极马赫-曾德尔调制器(DE-MZM)实现三角波产生的报道有很多^[4-8];虽然这些方法都获得了成功,但是DP-MZM和DE-MZM的成本相对较高,而且需要同时控制多个偏置电压和调制信号,大大增加了实验参数的控制难度。此外,利用光学方法产生三角波的实现方法还有很多^[9-11],但都存在一定缺点,例如,产生波形切换的响应速度慢,产生波形的实验参数精度要求高而难以控制,无法产生全占空比波形,结构复杂成本高等。Ma等^[12]利用单驱动马赫-曾德尔调制器(MZM)对入射光偏振敏感的特性实现了对光载波和调制边带的独立操控,成功产生了三角波,该方案系统结构简单,但需要辅助滤波系统,偏振稳定性的控制较难。贾振蓉等^[13]利用受激布里渊散射(SBS)来锁定高阶边带成功实现了三角波信号的输出,Wu等^[14]在光电振荡器(OEO)系统中利用调制和时域合成技术成功实现了三角波信号的输出^[13-14],但这两种方案受系统固有特性的影响,产生波形信号的可调谐性不理想。

此外,还可以通过时域处理方法得到任意波形。Jiang等^[15]利用两个MZM对激光器输出的连续光(CW)进行多级调制整形,成功实现了矩形波、三角波和半占空锯齿波的同时输出,并利用复用技术获得了全占空的锯齿波信号,该方案较好地体现了利用时域综合的方法产生任意波形信号的灵活性与高效性。此外,有研究利用工作在正交偏置(QB)点的MZM调制外腔激光器发出的连续光展宽频谱后注入分布反馈激光器(DFB),再利用激光器腔内的非线性效应(四波混频)进一步展宽频谱并锁定放大其高阶边带,最后合路进行包络叠加输出三角波,成功实现了9,10,12 GHz的三角波输出^[16]。这种方案结构相对简单,对实验参数的控制较为容易,实现其系统的成本低,便于集成。但以上两种方案产生的波形信号频率与调制信号频率相同,当需要更高频的信号时,调制信号的频率也要提高,成本势必会增加。

本文提出并验证了一种更加高效的三角波产生方法,在文献[ 16]的基础上,采用载波抑制调制(OCS)方法,直接调制产生二倍频信号,然后将该信号注入DFB锁定放大其高阶谐波分量,从而产生六倍频信号。当两路信号经过恰当的移相和功率比控制后,在光电探测器(PD)上叠加产生三角波信号。实验从3 GHz和4 GHz射频信号出发,成功产生了6 GHz和8 GHz的全占空三角波信号。这种方法为高频任意波形的产生提供了新路径。

2 工作原理

提出的倍频三角波信号产生实验原理如图1所示(ω_e为调制信号的频率),外腔可调谐激光器(ECL)发出的连续光被正弦信号驱动的MZM调制,此时MZM的偏置点置于最小传输偏置点(MITB点),调制后的光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后用耦合比为20∶80的耦合器分为两路信号,功率较低的一路注入DFB,锁定放大五阶谐波分量。通过调节光延时线(ODL)和偏振合束器(PBC)前的两个偏振控制器(PC)可使两路信号获得恰当的相移和功率比,经PD检测得到倍频输出的三角波。

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic of experimental device

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根据信号的傅里叶分析方法,任意周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示,一个周期性的三角波的傅里叶展开式可以表示为

f(t)=E2+4Eπ2cosωt+19cos3ωt+…+1(2n-1)2cos(2n-1)ωt,(n=1,2,3,…),(1)

式中t为时间,E为三角波的幅度,ω为波形的频率,n为谐波的阶数。由(1)式可知,一个周期性的三角波可以由频率分别为ω,3ω,…,(2n-1)ω的余弦函数叠加产生。频率越高的谐波分量,其幅度系数越小,对整个波形包络的影响越小。在大部分情况下,三阶以后的频率分量对波形包络的影响可以忽略,故(1)式可以简写为

f(ω)=Aa1a+cosωt+19cos3ωt,(2)

式中A和a为表示幅度的常量。

从(2)式可以看出,存在基频和三倍频分量。换算成相对功率比为

LP=10lgP1P3=10lg1(1/9)2=10lg81≈19.08dB,(3)

式中P₁为一阶谐波分量的功率,P₃为三阶谐波分量的功率。可见产生三角波包络信号的一、三倍频功率比约为19.08 dB。采用载波抑制调制的方式对信号光进行调制,输入到调制器中的光载波电场强度为

Ein(t)=E0cosω0t,(4)

式中E₀为电场强度的振幅,ω₀为光载波频率。正弦调制信号可表示为

V(t)=VB+Vecos(ωet+ϕ),(5)

式中V_B为调制器的偏置电压,V_e为调制信号的幅度,ω_e为调制信号的频率,ϕ为调制电信号的相位。当MZM工作在MITB点时,调制器偏置电压为V_π(半波电压),调制器输出光的电场可以表示为

Eout(t)=E0cosω0tcos[(π/2)(1+ε)+βcos(ωet+ϕ)],(6)

式中ε为调制器的归一化基准电压,且有V_B=V_π(1+ε);β为相位调制系数。将(6)式用贝塞尔函数展开后,光场输出近似为

Eoutt≈12J0βE0cos[(π/2)(1+ε)]cosω0t+J1βE0sin[(π/2)(1+ε)]{cos[(ω0-ωe)t-ϕ]+cos[(ω0+ωe)t+ϕ]},(7)

当V_B=V_π(ε=0)时,即MZM工作在MITB点时,调制器基准电压为半波电压,(7)式的第一项为零,即光载波频率ω₀被抑制,而一阶边带得到保留。最后输出光场近似为

Eoutt≈J1βE0{cos[(ω0-ωe)t-ϕ]+cos[(ω0+ωe)t+ϕ]},(8)

由(8)式可知,经过抑制载波调制产生了两个相位相关且频差为2ω_e的光边带。

连续光经工作在MITB偏置点的MZM调制后的信号光只有奇数阶边带(正、负一阶)得到保留,经PD拍频检测后得到倍频的光电流输出。如图2所示,抑制载波调制产生的含有两个光边带的信号光再注入DFB,由于激光器腔内的非线性效应会产生高阶谐波分量,如果此时其中的一个谐波分量恰好落入锁定区域,则DFB的自由振荡频率和相位将会跟随该谐波分量,相当于选择并放大一个高阶边带^[17-20]。

图 2. 注入锁定产生倍频信号的原理图

Fig. 2. Schematic of frequency doubled triangular waveform generation by injection locking

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本方案使调制光的五阶谐波分量落入从激光器的锁定区,放大后的五阶边带与负一阶边带经PD检测后得到六倍频的光电流输出。六倍频信号包络与二倍频信号包络经过恰当的相位延时和功率比后叠加,就可以获得所需倍频三角波信号。

3 实验及分析

为了验证上述分析的可行性,按图1所示方案进行实验。实验中,ECL输出波长为1549.68 nm的连续光,其被3 GHz正弦信号驱动的MZM调制,此时MZM置于MITB点, 经过调制后的信号光是重复频率为6 GHz的正弦信号,波形、电谱和光谱如图3所示。从电谱图中可知该信号的中心频率为6 GHz,高低谐波分量的抑制比都在30 dB以上。从光谱图可知信号光载波被抑制,此时正负一阶边带的功率最高。抑制载波调制后的信号光被分成上下两路,上路的光场通过光环形器的1口,从2口

输出。置于光环形器2口处的PC 2用于控制注入信号光的偏振态,实验所用半导体激光器为多量子阱结构,只有横电磁波(TE模)才能获得明显的注入锁定效果^[21],因此实验通过控制DFB前的PC来实现锁定状态的调控。调节DFB的中心波长使信号光的五阶边带刚好落入到其锁定区,锁定放大后得到了中心频率为18 GHz的包络信号,其波形、电谱和光谱如图4所示。由于注入锁定输出信号包含多个谐波分量,其波形并不是标准的正弦信号,含有一定的抖动和噪声,这是因为实验用主激光的工作稳定性不理想,输出光场的幅度和波长缓慢变化,从而引起从激光器锁定后的光场出现不稳定,最终表现为拍频信号的抖动。改用性能更佳的激光器后这一现象将会有明显改善。从电谱图中可以看出六倍频分量明显强于其他分量,其抑制比超过了9 dB,这种波形的起伏变化对最后叠加产生三角波的影响不大。图4(c)给出了注入锁定前后的光谱图比较。信号光注入前,从激光器工作在1549.79 nm波长处,如图中点线所示;注入锁定后,由于非线性效应,激光器的输出表现出较多谐波分量,从激光器波长发生红移^[18],激射模式位于1549.8 nm波长处,正好被五阶边带锁定,如图中实线所示。

图 3. 载波抑制调制信号。(a)波形;(b)电谱;(c)光谱

Fig. 3. Carrier suppression signal. (a) Waveform; (b) electrical spectrum; (c) optical spectrum

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图 4. 注入锁定信号。(a)波形;(b)电谱;(c)光谱

Fig. 4. Injection locking signal. (a) Waveform; (b) electrical spectrum; (c) optical spectra

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下路调制信号光经过可调光延时线可调节与上路锁定放大后的六倍频信号间的包络相位关系,再分别利用两个偏振控制器(PC 3和PC 4)控制两路光经偏振合束器(PBC)后的功率比,达到了合成三角波的目的。合路后的信号光最后在PD处叠加产生倍频的三角波信号。

通过对各实验参数的调节,在PD端成功检测到了三角波,其波形、电谱和光谱如图5所示。从图5(a)可知该信号为一路三角波信号,频率为6 GHz,是调制信号频率的两倍;从电谱图中可看出信号的基频与三倍频的功率比为19.24 dB,接近理论值19.08 dB,其他谐波分量的抑制比都在10 dB以上,产生的信号符合三角波包络信号的频谱特性。合路后的输出光谱也与理论分析的预期结果相符。

图 5. 重复频率为6 GHz的三角波。 (a)波形;(b)电谱;(c)光谱

Fig. 5. Triangular waveform with repetition rate of 6 GHz. (a) Waveform; (b) electrical spectrum; (c) optical spectrum

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为了验证本方案的可调谐性,进行了调制信号频率为4 GHz的重复实验,成功产生了重复频率为8 GHz的三角波,波形和电谱如图6所示,与预期相符。

图 6. 重复频率为8 GHz三角波。(a)波形;(b)电谱

Fig. 6. Triangular waveform with repetition rate of 8 GHz. (a) Waveform; (b) electrical spectrum

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理论分析和实验结果说明了该方案的可行性。所提方案充分利用了注入锁定倍频信号产生与时域合成波形的优势,与传统谱线操作方法相比,所提方案中时域包络控制的方法简单高效,提高了系统的稳定性、灵活性和可调谐性。通过增加注入锁定支路的数量,有望实现更复杂函数波形信号的合成产生。

4 结论

提出了利用载波抑制调制和注入锁定过程在时域进行包络叠加产生倍频三角波的方案,进行了理论分析和实验验证。实验成功利用重复频率为3 GHz和4 GHz的调制信号产生了重复频率为6 GHz和8 GHz的二倍频三角波射频信号。本方案结合调制特性和注入锁定过程来实现各包络信号的产生,最终叠加生成了三角波信号,是更为简单、高效、稳定的系统,对高频信号的产生表现出了巨大潜力。