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基于光子延迟线互相关法的光电振荡器相位噪声测量

发布:laserline    |    2019-04-15 23:37    阅读:784
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光电振荡器(OEO)由于其超低的相位噪声和长光纤较大的储能能力,被认为是提高雷达系统、传感系统、无线通信等性能的一种解决方案。相位噪声是评价OEO性能的关键指标之一,对其进行了数学和理论上的深入分析。为了准确测量微波发生器(包括OEO)的相位噪声,人们提出并演示了一系列基于电子或光子技术的相位噪声测量方法。电子技术,如直接频谱技术、鉴相技术、鉴频技术和双通道互相关技术,是近几十年来首次提出的评价微波源相位噪声特性的方法。然而,当这些电子技术遇到一个10 GHz载波偏移6 kHz相位噪声为−163 dbc/Hz的OEO时,这些技术和仪器可能会受到挑战。值得庆幸的是,光子技术具有损耗小、频带宽、能在任何微波频率范围内工作的优点,已经应用于相位噪声测量系统中,以降低较高频率下的相位噪声,扩大测量范围。例如,光子延迟线技术克服了同轴电缆的高损耗。微波光子移相器和微波光子降频器进一步扩大了基于光子延迟线的相位噪声测量系统的测量范围。利用电光梳提高了相位噪声的测量灵敏度。双光子延迟线互相关技术通过消除两个系统之间的不相关噪声进一步降低了测量系统的本底噪声。


图1. 基于光子延迟线互相关法的OEO相位噪声测量系统示意图。OEO,光电振荡器;LD,激光二极管;DWDM,密集波分复用器;MZM,Mach-Zehnder调制器;OD,光学分配器;PD,光电探测器;EA,电子放大器;BPF,带通滤波器;ED,电分配器;LPF,低通滤波器;FFT,快速傅里叶变换;VODL,可变光延迟线。

最近,电子科技大学报道了一种基于密集波分复用(DWDM)的光子延迟线互相关方法来测量微波信号相位噪声。在所提出的相位噪声测量系统中,数公里长度的光纤由两个信道以DWDM的形式共享,减少了数公里光纤和一个Mach–Zehnder调制器(MZM)的使用,使两个信道的数公里的长光纤更加容易保持相同长度。可变光延迟线(VODL)进一步拓宽了该方法的工作带宽。文章采用基于DWDM的双光子延迟线互相关方法来估计双环路OEO的相位噪声。Yao首先提出了双环OEO,它是一种有效的产生单模信号的方法。提出了一种基于双光子延迟线(dual-photonic-delay line)互相关法的双环光电振荡器相位噪声测量方法,并进行了实验验证。


图2. 中心频率为10.664570516 GHz的OEO的测量输出光谱。(a)单回路OEO,光纤为10 km(跨度为50 kHz; RBW,30 Hz);(b)具有12 km光纤的单环OEO(跨度,50 kHz; RBW,30 Hz);(c)具有10和12 km光纤的双环OEO(跨度,50 kHz; RBW,30 Hz);(d)具有10和12 km光纤的双环OEO(跨度,10 MHz; RBW,1 kHz)。

图1显示了基于双光子延迟线互相关法的OEO相位噪声测量系统的原理图。它由一个双环路OEO和一个基于双光子延迟线互相关法的相位噪声测量系统组成。光链路的发射机由两个激光二极管(LD)、一个密集波分复用器和一个MZM组成。在双回路OEO中,通过DWDM1将两束不同波长的LD1和LD2的光束耦合成一根光纤,然后将组合光引入MZM,通过一个分光器(OD)将其分为两束。在OD之后,其中一束光束被传输到10公里长的光纤上,并通过DWDM2以不同的波长分成两条路径。其中一种波长的光通过长度小于一米的短光纤传输,另一种波长通过长度为两公里的长光纤传输。然后,通过DWDM3再次组合不同波长的两束光,并通过光电探测器(PD1)进行检测。PD1的输出信号被放大,并被一个电子放大器(EA1)和一个带通滤波器(BPF)过滤。然后将滤波后的信号反馈给MZM。在此之前,信号用电分路器分开,通过频谱分析仪(ESA)或相位噪声测量系统测量振荡频率和相位噪声。双环OEO的输出微波信号由ED2分为两个支路,分别发送到两台混频器。经过OD后,由OEO的振荡信号调制的一束组合光通过长度为2千米的长光纤。长光纤由两个独立的光子辅助相位噪声测量系统通过DWDM4共享。然后将两束不同波长的光分别通过可变光延迟线1(VODL1)和VODL2,分别由PD2和PD3检测。PD2和PD3的输出被放大并与通过ED2的信号混合。然后,来自混频器1和混频器2的中频(IF)信号分别通过低通滤波器1(LPF1)和LPF2。最后,将两个独立的基于光子线的相位噪声测量系统的中频信号同时送入双端口快速傅立叶变换(FFT)分析仪进行相位噪声计算。注意,点A1(B1)和点A2(B2)处的信号应相互正交,这使得由混频器和LPF组成的相位检测器能够在一个线性点上工作,在该点上,相电压转换系数是恒定的。为此,LPF后两个中频信号的直流分量应保持为零。两个LPF的输出作为参考信号进行测量,并发送给两个VODLs的控制器,这使得两个输入信号在混频器之前的相位差为90度。另外,光纤L4的延迟变化应在VODL的补偿范围内,以保证相位噪声测量的稳定工作。


图3. 通过提出的基于双光子延迟线互相关方法的相位噪声测量系统和相位噪声基底(曲线D)测量的双环OEO(曲线A,B和C)的相位噪声。在所提出的相位噪声测量系统中,分别通过m=1(图A)、10(图B)、100(图C)和100获得的互相关谱(图D)。

双回路OEO与相位噪声测量系统相结合,通过共用光链路发射机使系统结构简单。在一些双环路OEO技术中,OEO的两个环路使用波分复用技术共享10公里长的光纤。两个回路同时获得较高的品质因数。在部分相位噪声测量系统中,通过互相关方法实现了较低的相位噪声基底。实验中产生了振荡频率为10.664GHz,边模抑制比为82.4dB的信号。利用该系统和PN9000C对其相位噪声进行了评价,两种系统的测量结果完全一致。当平均结果数为100时,信号的相位噪声在10 kHz频率偏移量下测量为−122 dbc/Hz,10μs延迟相位噪声测量系统的相位噪声下限在10.6GHz的10kHz偏移量下测量为−148 dbc/Hz。该方法为评价OEO的相位噪声提供了一种简单、经济、实用的方法,并有可能取代昂贵的商用仪器。相关内容以《Phase noise measurement of an optoelectronic oscillator based on the photonic-delay line cross-correlation method》为题,发表在《Optics Letters》杂志上。


图4. 提出的相位噪声测量系统和商用相位噪声测量仪器PN9000C之间的测量结果的比较。

来源: Optics Letters

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