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一种基于双波长延迟自外差干涉仪用于低相位噪声可调微/毫米波合成的光子鉴频器

发布:laserline    |    2018-10-01 23:23    阅读:584
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低相位噪声微毫米波振荡器是无线通信,雷达,射电天文和现代仪器必不可少的,例如,低相位噪声毫米波便于使用复杂的调制格式用于毫米波通信系统,这已被建议用于克服未来无线超高带宽数据传输的容量瓶颈。另一个例子是多普勒雷达,其中灵敏度受到相位噪声的强烈影响。传统上,低相位噪声频率合成是通过低相位噪声微波参考振荡器的倍频(×N)来执行的。虽然该方案允许产生几百GHz的频率,但是与参考振荡器相比,高载波频率相位噪声的功率谱密度(PSD)将放大N^2倍。为了克服这个问题,已经建立的光子方法有望超越传统微波技术的相位噪声限制。一个是光分频技术,但是其太复杂且难以操作只适合在计量实验室使用;另外两种方法是光电震荡器(OEO)(<50GHz)和两个连续激光器的外差(> 50 GHz)。

图1.(a)光子频率鉴别器的示意图。AOM,声光调制器;OBPF,光学带通滤波器;PD,光电探测器。(b)用于可调谐OEO相位噪声降低的两个光输入的示意图。(c)用于两个连续激光器外差的两个光学输入的示意图。

低相位噪声频率合成器在微毫米波技术的许多领域中都是极为重要的,包括例如先进无线通信,雷达,射电天文学和精密仪器。虽然这个广泛的研究领域内有很多产生低相位噪声微波或毫米波的方法,但是还没有一个通用系统被证明适用于产生低相位噪的微波和毫米波。IMAR公司的研发人员提出了一种基于双波长延迟自外差干涉仪的新型光子鉴频器(PFD),如图1a所示,用于降低可调谐OEO和两个连续激光器外差的相位噪声。光子频率鉴别器可以是微波和毫米波的参考,以降低它们的相位噪声。作为概念验证,作者演示了低相位噪声可调谐光电震荡器(OEO)(6-18GHz)和两个具有低相对相位噪声的连续光激光器(10-400GHz)之间的外差拍频锁定。

图2.(a)可调OEO的示意图;(b)OEO振荡频率相对于YIG滤波器的驱动电流的变化;(c)粗调OEO振荡频率。(d)在约10ms内测量的自由运行的OEO的瞬时RF频谱,插图显示锁定到PFD的OEO的RF频谱;(e)10 GHz振荡的自由运行OEO的相位噪声PSD。

首先如图2a所示,通过可调谐RF滤波器(YIG滤波器)搭建一个从4-26.5GHz可调谐的OEO。这个调谐频率粗略由YIG滤波器的通带设定,并且精确地由“有效”OEO环路延迟时间倒数的整数倍确定。如图2b,c所示,通过改变YIG滤波器的驱动电流,可以从6到18GHz选择OEO振荡频率。RF谱的例子如图2c所示。但是,如果没有锁定,OEO会抖动,如图2d所示(测量时间约为10 ms),图2e显示了OEO的自由运行相位噪声。

当可调谐OEO锁定到PFD后,OEO输出的一小部分放大后驱动相位调制器产生如图3a所示的EO梳。改变延迟控制平台可以精确连续的调谐OEO频率。把EO梳的不同阶谐波滤出后当做图1a所示的延迟自外差干涉仪(TWDI)的输入。通过将可调谐OEO中的延迟调整为与PFD中相同的量,可以获得超过1 FSR的调谐,从而允许在整个OEO调谐范围内合成微波频率而没有任何频率间隙。

图3(a)EO梳(黑色)和带通滤波滤出的+10(红色)和-10(蓝色)阶谐波处的EO梳光谱;(b)微调OEO振荡频率;(c)10GHz载波的OEO的环路内和环路外相位噪声;(d)当使用+/- 3 rd和+/- 10 EO梳状模式时,10 GHz载波的OEO的环路外相位噪声;(e)锁定到外部合成器后的OEO振荡频率。

如图1a,c所示,两个独立的连续激光器被注入PFD,通过改变两个激光器中一个的波长,分离出10GHz和400GHz的成分。光子频率鉴别器所需的部件是现成的并且可以容易地组装,并且这种新型光子鉴频器将为X,K,V,W和mm波段及以后的新一代通用精密可调谐光源提供支持。相关论文以《A photonic frequency discriminator based on a two wavelength delayed self-heterodyne interferometer for low phase noise tunable micro/mm wave synthesis》为题,发表在《Scientific Reports》杂志上。

图4.(a)没有锁定到PFD的两个连续激光器之间的拍频;(b)锁定到PFD的两个连续激光器之间的拍频;(c)当PFD锁定到外部参考时,在两个连续激光器之间拍频;(d)当PFD锁定到外部参考时,微调两个连续激光器之间的拍频。

来源: Scientific Reports

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