基于色散效应双抽头微波光子滤波器的可调谐光电振荡器

[摘 要]本文提出一种利用色散效应双抽头微波光子滤波器（MPF）实现频率可调谐的光电振荡器（OEO）。其设计重点来源于电耦合器、光耦合器、可变相移器（VPS）、双驱动Mach-Zehnder调制器（DDMZM）及啁啾光栅联合运行形成的双抽头MPF，对应的中心频率是关于光源波长和VPS相位的函数。将该MPF融合于OEO后，利用其进行振荡模式的筛选，能有效抑制边摸。理论分析和仿真结果表明，通过调节VPS相位可实现OEO振荡频率的宽带调谐功能。

[关键词]光电振荡器;微波光子滤波器;啁啾光栅;频率可调谐

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.22.050

[中图分类号]TN713 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2015）22-00-01

光电振荡器作为一种微波信号产生技术，主要由激光源和光电反馈环路组成。其可应用于通信、雷达、光信号处理、现代仪表仪器等相关领域。传统的OEO大多采用电滤波器完成振荡模式的选择，但其窄带宽将OEO的频率调谐范围限制在MHz量级。为此，微波光子滤波器因其调谐范围宽的固有特征可用来代替电滤波器实现OEO的宽带调谐功能。利用Mach-Zehnder调制器和Fabry-Perot激光器形成MPF，通过调节FP-LD的波长实现OEO的宽带频率调谐功能，但其系统的稳定性差。利用双端口相位调制器和线性啁啾光栅形成MPF，通过调节线性啁啾光栅的累计色散进而调谐OEO的振荡频率，但实际中很难实现色散参数的大范围改变。利用级联的相位调制器和非线性CFBG形成MPF，通过调节光源波长进而实现振荡频率的调谐功能，但系统中非线性CFBG的制作存在一定的难度。

本文提出了一种宽带频率可调谐OEO。该结构利用电耦合器、可变移相器、π偏置双驱动Mach-Zehnder调制器及光耦合器构成的载波相移双边带调制系统和色散器件CFBG形成双抽头MPF，通过调节VPS，使得光载波与边带间存在不同的相位差，进而利用色散效应实现MPF传输峰值的改变，从而实现OEO的频率可调谐性。同时，环路中利用电耦合器将反馈信号功分后经由不同延时线耦合进DD-MZM的两个输入端，根据Vernier原理，可获得较好抑制边模性能的振荡信号。

图1 基于色散效应双抽头MPF型的可调谐OEO系统模型

提出方案的系统模型如图1所示。首先，在开环条件下对系统进行分析。针对CPS-DSB系统，上臂光载波通过VPS后的光场可表示为。而下臂光载波经由偏振控制器（PC1）后传输至π偏置DDMZM进行调制。进而，假定输入的调制信号为Vin（t）=Vecos（ωet），在小信号情形下，忽略高阶贝塞尔函数（≥2），可将π偏置DDMZM的输出光场如下表示

（1）

其中，β=πVe/Vπ，式中的Vπ为DDMZM的半波电压;α为反馈信号经过EC分成两路后分别传输至DDMZM两个射频端的振幅比;E0和ωc分别为输入光场的振幅和角频率;Ve和ωe分别为Vin（t）的振幅和角频率;Jn（）为n阶第一类Bessel函数;τ为电延时线的传输延时。

经过OC2合并后输出CPS-DSB信号，对应的光场如下

（2）

从CFBG反射回来的光信号经过单模光纤传输至光电探测器（PD）进行平方律检波，忽略直流和高阶分量，恢复出的微波信号为

（3）

其中，ρ为PD的响应度，R为PD的负载阻抗，x=Dgl为CFBG的累积色散值，τ1为SMF的传输延时。

系统的开环频率响应可表示为

（4）

通过调谐VPS和光源波长实现，可实现振荡角频率ωosc的调谐功能。实现了一种基于色散效应双抽头MPF的频率可调谐OEO。系统中，利用EC、VPS、π偏置DDMZM及OC构成的CPS-DSB系统和色散器件CFBG形成双抽头MPF，对应的中心频率取决于光源波长和VPS的相位。同时，由EC、DL及DDMZM形成的双抽头结构，能在单环光纤环路上有效地抑制边模，简化了系统结构。