基于偏振自穩定雙環的受激Brillouin散射光電振蕩器

摘要：基于偏振自穩定雙環結構提出一種受激Brillouin散射（SBS）光電振蕩器（OEO），利用SBS的窄帶寬增益譜實現相位調制到強度調制的轉換（PM-IM），并選擇OEO的振蕩模式，構造偏振自穩定雙環結構，在每個回路中的輸入光被45°Faraday旋轉鏡反射后，將通過45°Faraday旋轉器和不同長度單模光纖返回其路徑，保證輸出信號和輸入信號的偏振態始終相差180°，從而消除外界機械振動和溫度干擾.由于環路結構為反射式往返傳輸，因此所需光纖長度縮短1/2.實驗結果表明，該OEO通過改變泵浦光波長實現頻率調諧，可產生1～16GHz的微波信號，10GHz處邊模抑制比（SMSR）達67.14dB，相位噪聲為-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

關鍵詞：受激Brillouin散射；光電振蕩器；偏振自穩定；雙環

中圖分類號：O437文獻標志碼：A文章編號：1671-5489（2024）05-1241-07

Stimulated Brillouin Scattering Optoelectronic Oscillator Based on Self-polarization-stabilization Dual-Loop

HAN Lu'，LIU Lu2

（1.Editorial De part ment of Journal，Jilin Provincial Institute of Education，Changchun 130022，China;2.School of Energy and Power Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China）

Abstract：We proposed a stimulated Brillouin scattering（SBS）optoelectronic oscillator（OEO）based on a self-polarization-stabilization dual-loop structure.By utilizing the narrow bandwidth gain spectrum of SBS to achieve the conversion from phase modulation to intensity modulation（PM-IM），and selecting the oscillation mode of the OEO.A polarization self-polarization-stabilization dual-loop structure was constructed.After the input light in each loop was reflected by a 45°Faraday rotator mirror.It would return to its path through a 45°Faraday rotator and different lengths of single-mode fiber，ensuring that the polarization state of the output signal and the input signal always differed by 180°，thereby eliminating external mechanical vibrations and temperature disturbances.Since the loop structure was reflective and bidirectional，the required fiber length was reduced by half.The experimental results show that the OEO can achieve frequency tuning by changing the pump wavelength，and can generate microwave signals of 1-16 GHz，with a side mode suppression ratio（SMSR）of 67.14 dB at 10 GHz，and a phase noise of-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

Keywords：stimulated Brillouin scattering;optoelectronicoscillator;self-polarization-stabilization;dual-loop

光電振蕩器（OEO）可產生高光譜純度和低相位噪聲的微波和毫米波信號[，在無線通信[5、光信號處理、雷達和現代儀器等領域應用廣泛.傳統的單回路OEO由一個強度調制器（IM）、長度為幾百米的單模光纖（SMF）、一個光電二極管（PD）和一個電帶通濾波器組成.光纖是儲能組件，較長光纖會產生更高的光譜純度信號。但較長光纖會引入更小的模式間距，導致需具有較窄帶寬的電帶通濾波器.由于電濾波器不易調諧，因此OEO的可調諧性也受到限制.當電濾波器被光濾波器取代時，通過改變激光器的波長或光濾波器的中心頻率可實現OEO的頻率可調性.受激Brillouin散射（SBS）可提供窄帶放大，其帶寬低至幾十兆赫茲1.它可應用于OEO中，同時實現信號增益和濾波[1215].在文獻[12，14]中，一個激光器的光波被分為兩條路徑，分別作為信號光和泵浦光。文獻[12]通過改變SBS效應的波長變化，將OEO的輸出頻率調諧在400MHz內.為克服頻率調諧范圍的限制，文獻[16]利用兩個激光器分別作為信號光和泵浦光，通過改變信號光的波長實現大范圍調諧.但為獲得高非線性而使用了較長光纖，導致OEO系統環路較長，自由光譜范圍（FSR）較小.SBS的增益譜無法濾除單一頻率導致OEO存在多模振蕩，信號的邊模抑制比較高且不穩定.為提高基于SBS的OEO性能，構建了雙光路和雙光探測器（PD）的雙環配置，由于需兩個PD，因此雙環配置結構較復雜.文獻[10]研究了一種基于波長復用技術的雙環OEO，該方案使用了一個PD，但仍需兩個不同波長的激光器和一個波分復用器.文獻[13]提出了一種基于受激Brillouin散射的雙環光電振蕩器，該結構產生10GHz微波信號的邊模抑制比僅為35dB.為降低系統的復雜性，文獻[11]提出了另一種基于偏振復用技術的方案，并將這兩個環路直接組合在光域中，而沒有任何額外的有源器件.上述研究雖然采用了雙環結構提高了系統性能，但雙環路的長光纖導致系統產生偏振不穩性，由于每根光纖的特性均易受溫度和機械振動等環境因素的影響，因此不易保持這兩個環路中光信號的偏振狀態穩定.全保偏結構成本較高，且工藝復雜，為此保持雙環路中長光纖的偏振穩定至關重要.

本文提出一種利用偏振自穩定技術的雙環受激Brillouin光電振蕩器.該方案有2對Faraday旋轉器（FR）和Faraday旋轉器反射鏡（FRM）用于保持正交偏振態，消除偏振態不穩定的影響.與傳統偏振復用的雙環相比，該系統不需保偏光纖、偏振控制器（PC）、偏振合束器（PBC）和多個PD，反射式雙環路結構光纖較短.即使環路中單模光纖受機械振動或溫度影響，光信號的偏振狀態也始終保持正交，從而提高了系統的穩定性，實驗結果表明，該方案具有比傳統單環和偏振復用方法更優的相位噪聲，有效抑制了微波信號的邊模，改善了傳統受激Brillouin散射型光電振蕩器的性能.

1原理

基于偏振自穩定雙環的受激Brillouin散射光電振蕩器示意圖如圖1所示.來自信號激光器頻率為f。的光波經PC送入相位調制器中，經反饋電信號調制的光波通過隔離器（ISO）進入色散補償光纖（DCF）中.頻率為f的泵浦激光器通過摻鉺光放大器（EDFA）進入環形器1，將調制光波信號以傳播相反的方向注入DCF以提供SBS增益.采用色散位移光纖（DSF）作為SBS介質以確保相位轉強度調制是Brillouin放大而不是光纖色散所致.由圖1可見，調制光經DCF后在A點被反向傳輸的SBS增益譜放大，打破了士1階邊帶幅值平衡，實現了相位轉強度調制.B點所示的不平衡相位調制器（PM）信號經環形器2發送到EDFA2中被放大后進入偏振分束器（PBS）偏振自穩定雙環結構，強度調制的光被分割成兩個正交偏振態.在每個回路中，輸入光在經45°FRM反射后，先將通過45°FR和不同長度的單模光纖返回其路徑，再將這些雙回路光信號組合到PBS中后被光電探測器（PD）捕獲.最后，生成的射頻信號通過電放大器（EA）放大，經電功分器，一部分用于監測，一部分返回PM形成閉環.為消除各偏振回路中偏振態變化的干擾，兩條光信號耦合時需保持光信號的偏振態穩定且相互正交.

利用偏振自穩定技術可解決該問題，偏振自穩定示意圖如圖2所示.由圖2可見，輸入光在每個回路中先通過45°FRM反射后，再利用45°FR和單模光纖調整偏振態返回其路徑.點A處輸入光信號

其中Ex 和Ey 分別表示x 軸和y 軸的偏振分量.

偏振旋轉Jones矩陣為

其中φ為偏振旋轉角度.反射鏡的Jones矩陣為

假設標準單模光纖的偏振相關損耗非常小，光纖傳輸的Jones矩陣可由一個Jones矩陣U 表示

其中A，02和4分別表示改變光纖中偏振態的參數，隨著外界環境因素的改變，導致光纖中偏振光的偏振態發生改變，3個參數也隨之變化，由于外界環境變化使偏振態的擾動時間遠大于光纖往返一圈的時間，等同于6，02和4這3個參數是保持不變的，因此光纖的反向傳輸Jones矩陣為正向傳輸Jones矩陣的轉置矩陣，假設從FR到FRM輸入端的傳輸Jones矩陣為U，則從FRM反射輸出的光到FR的傳輸Jones矩陣為UT.從A點出發回到A'點的傳輸Jones矩陣為

其中α為從A點到FRM的單程損耗.將U和R（φ）代入TAB可得

因此，輸出光的偏振狀態可表示為

由于在點A'的輸出信號的偏振狀態總是與點A輸入信號的偏振狀態相差180°，并且它與往返光纖雙折射的所有細節均無關，因此在基于SBS的OEO中引入這種偏振自穩定雙環技術能保證這兩條路徑的兩個輸出信號的偏振態總是正交的，并且可在PBS中完美組合，而無需考慮在往返光纖中的影響.此外，由于在每條路徑上往返傳輸所需的光纖長度縮短了1/2，因此降低了光電振蕩器的結構體積.

當循環回路的增益大于損耗時，即可建立在 SBS增益帶寬中選擇振蕩的模式.由于游標效應， 因此只有在短環和長環頻率對應的最小公倍數下，振蕩模式才能穩定起振，并能有效抑制邊模[18-19].

基于受激 Brillouin散射的相位轉強度調制如圖3所示，其中fc 為光載波頻率，fm為反饋進入調制器的射頻頻率，fp為泵浦光的頻率， fB≈10GHz為Stokes頻移量.當光載波通過相位調制器后產生fc+fm和fc-fm兩個一階邊帶.由于兩條邊帶幅值相同，相差的相位為 π，因此無法直接通過光電探測器拍頻.利用受激Brillouin散射產生約為30MHz帶寬的帶通增益譜，調節泵浦光頻率，控制 Brillouin增益譜頻移量νB =2npVA/λp （np 為光纖在λp波長處的折射率，VA 為聲波在光纖中的傳播速度），使 Brillouin增益譜落在相位調制的+1邊帶上對其增益，+1邊帶幅值被增益后打破±1階邊帶幅值平衡的幅值，實現相位轉強度調制，進而實現 OEO 光域內的濾波，構成受激 Brillouin散射微波光子濾波器，代替了傳統電濾波器. OEO 的輸出頻率為

由圖3和式（6）可見，SBS產生的增益譜增益+1邊帶后得到頻率為v的振蕩信號，該微波信號閉環反饋驅動PM，產生相位調制的光載波在相同位置產生強度更大的邊帶.通過這種正反饋作用，最終得到穩定振蕩的微波信號.因此通過改變信號激光器或泵浦激光頻率可實現可調諧OEO的輸出頻率.同時通過偏振自穩定雙回路OEO可將不平衡PM信號的游標效應和偏振狀態改變為PBS，從而靈活分配長環路和短環路的功率，且兩個環路的整個功率保持恒定值而不衰減.這種穩定性可較好地抑制邊模噪聲，其結構簡單且成本更低.

2結果與討論

根據圖1配置進行實驗.采用輸出功率為10dBm分布式反饋激光器（DFB，Emcore-1772型，線寬為380kHz）和輸出功率為8dBm的可調諧激光器（NKT，DK-3460型，線寬為0.9kHz）分別為信號激光器和泵浦激光器.DFB產生的光波通過偏振控制器使載波的偏振態與相位調制器的主軸對準，并被反饋到相位調制器中的電信號調制.被調制的光經隔離器確保光波不會回返.泵浦光被EDFA1放大后達到受激Brillouin散射閾值，在長度為600m的DSF上產生與泵浦光反向傳播的Stokes光和增益.調制光的+1階邊帶在A點被SBS增益譜放大后，通過環形器1到達B點.此時的調制光為強度調制，通過環形器2進入PBS偏振自穩定雙環路.偏振分束器分為兩條路徑，光纖長度分別為100m和1km.光信號通過FR和FRM對偏振進行自穩定，反射光從環形器2出來經1W的EDFA2以補償回路中的損耗.EDFA2輸出的光信號進入功率比為90：20光纖耦合器（OC）中，90%的光進入帶寬為18GHz的光電探測器（GD45220R-Ku-1型）進行拍頻，經放大器（TLLA1G18G-48-30型）放大增益最終反饋進入PM構成閉環.用電頻譜分析儀（E4440A型）測量電功分器分路微波信號的頻譜和相位噪聲.20%的光進入光譜儀（AQ6375型）觀測系統內光譜的變化情況.

將傳統基于SBS的OEO與雙環結構OEO的系統穩定性進行比較.傳統結構的受激Brillouin光電振蕩器示意圖如圖4所示.在與圖1所示裝置相同環境下，利用外界振動和移動光纖導致偏振態變化，測量其光功率的穩定性.

偏振態的不穩定直接影響輸出光功率的抖動強弱，易導致頻率偏移.分別對單環結構和雙環結構的OEO進行對比測量，測量結果如圖5所示.由圖5可見，在傳統單環結構中，由于溫度和機械振動的影響，所測光功率波動較大，功率抖動約為3.82dB，在雙環結構中，光功率波動約為0.08dB，因此雙環結構在長單模光纖環路中實現了偏振自穩定，有效消除了偏振擾動。

通過改變泵浦激光器的頻率可實現頻率調諧.以0.008nm的調節步長調諧頻率，測量雙環OEO的輸出微波信號如圖6所示.在測量過程中，經EA放大后，高功率微波信號可從1GHz調諧到16GHz.調諧頻率的范圍受調制器、電功分器、光電探測器和電放大器帶寬的限制，頻率上限受相位調制器和PD頻率響應帶的限制.若相應器件具有高帶寬，則可實現更大的調諧范圍.

傳統單環和偏振自穩定雙環結構OEO產生10GHz的振蕩信號頻譜如圖7所示.在測試中采用相同的掃頻寬度（SPAN）和分辨率帶寬（RBW）進行觀測.結構中有約500m的高非線性光纖（HNLF）和約2km的SMF，在基于SBS光濾波器的帶寬中仍存在幾種振蕩模式在增益中相互競爭.圖7（A）為2km單環路OEO振蕩產生的微波信號.由圖7（A）可見，邊模抑制比為24.29dB.由于光纖環路較長，因此自由光譜范圍較小，受激Brillouin增益譜的頻譜帶寬約為30MHz，并不能單一濾出頻率分量，導致多個頻率模式分量均被增益.圖7（B）為采用偏振自穩定雙環OEO振蕩產生的微波信號.由圖7（B）可見，邊模抑制比為67.14dB，比單環結構提升了42.85dB.雙環結構的光電振蕩器需同時滿足短環路與長環路模式間距的最小公倍數才能起振，既保證了短光纖自由光譜范圍的間隔，又保持了長光纖環路低相位噪聲的優勢.

為研究所提偏振自穩定雙環路 OEO 的邊摸抑制效果和整體性能特性，使用頻譜儀中的相位噪聲測試模塊對系統進行測量.雙環 OEO 和單環 OEO 在10GHz頻率下的相位噪聲如圖8所示.在實驗過程中，1kHz附近單環路 OEO（抑制前）優于雙環路 OEO（抑制后）的相位噪聲.這是由于存在雙環路，光功率分散到兩個環路中，儲能時間變少所致.此外，相位噪聲受邊模的影響，使雙環結構的相位噪聲邊模受到大幅度抑制，與圖 7 相符.在 10kHz處邊模抑制下，雙環結構的相位噪聲為 -116.3dBc/Hz， 單環路的相位噪聲為 -105.6dBc/Hz.與單環結構相比，雙環結構中的相位噪聲得到優化.

綜上，本文提出了一種基于偏振自穩定雙環的受激 Brillouin散射光電振蕩器，該方案通過偏振自穩定技術消除了外界環境對長光纖偏振干擾的問題，有效抑制了鏈路雜散的問題.通過 Brillouin選擇側帶放大以實現有效的相位轉強度調制，實現了 1～16GHz的寬帶調諧.振蕩產生的邊模抑制比約為67.14dB，在加入偏振自穩定雙環后，OEO 的相位噪聲在10kHz偏移處降低了10.7dB，避免了頻率漂移或多模振蕩.因此，相比于傳統單環 OEO， 基于偏振自穩定雙環的 OEO 各項性能均有提升，該結構為發展集成 OEO 提供了新思路，進一步拓展了 OEO 潛在的應用.

參考文獻

[1] YAO X S，MALEKIL.Optoelectronic Microwave Oscillator[J].Journal of the Optical Society of America B.1996，13（8）：1725-1735.

[2]YAO XS，MALEKIL.Dual Microwave and Optical Oscillator[J].Optics Letters，1997，22（24）：1867-1869.

[3] YU N.SALIK E，MALEKI L.Ultralow-Noise Mode-Locked Laser with Coupled Optoelectronic Oscillator Configuration[J].Optics Letters，2005，30（10）：1231-1233.

[4]MALEKIL.The Opto-Electronic Oscillator（OEO）：Review and Recent Progress C]//2012 European Frequency and Time Forum.Piscataway，NJ：IEEE，2012：497-500.

[5]TSUCHIDA H，SUZUKI M.40-GB/s Optical Clock Recovery Using an Injection-Locked Optoelectronic Oscillator[J].IEEE Photonics Technology Letters，2004，17（1）：211-213.

[6]PAUL D.A Review of Optoelectronic Oscillators for High Speed Signal Processing Applications[J].International Scholarly Research Notices，2013，2013：1-17.

[7]LI W Z，KONG F Q，YAO J P.Arbitrary Microwave Waveform Generation Based on a Tunable Optoelectronic Oscillator[J].Journal of Lightwave Technology，2013，31（23）：3780-3786.

[8]ZOU X H，LIU XK，LIW Z，etal.Optoelectronic Oscillators（OEOs）to Sensing，Measurement，and Detection[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，2015，52（1）：1-16.

[9]YAO X S，MALEKI L.Optoelectronic Oscillator for Photonic Systems[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1996，32（7）：1141-1149.

[10]HU S L，LI L W，YI X K，etal.Ultraflat Widely Tuned Single Bandpass Filter Based on Stimulated Brillouin Scattering[J].IEEE Photonics Technology Letters，2014，26（14）：1466-1469.

[11]HAN X Y，WANG L N.SHAO Y C，etal.Filtering Properties of the Tunable Microwave Photonic Filter with Stimulated Brillouin Scattering[J].Optical Engineering，2014，53（6）：066110-1-066110-10.

[12]YANG B，JIN X F，CHI H，etal.Optically Tunable Frequency-Doubling Brillouin Optoelectronic Oscillator with Carrier Phase-Shifted Double Sideband Modulation[J].IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（12）：1051-1053.

[13]PENG H F，ZHANG C，XIE X P，etal.Tunable DC-60 GHz RF Generation Utilizing a Dual-Loop Optoelectronic Oscillator Based on Stimulated Brillouin Scattering[J].Journal of Lightwave Technology，2015，33（13）：2707-2715.

[14]YAOXS.High-Quality Microwave Signal Generation by Use of Brillouin Scattering in Optical Fibers[J].Optics Letters，1997，22（17）：1329-1331.

[15]朱鴻飛，段若東，肖林，等.基于受激布里淵散射的可調諧穩定光電振蕩器[J].光學學報，2023，43（11）209-216.（ZHU H F，DUAN R D，XIAO L，etal.Tunable and Stable Optoelectronic Oscillator Based on Stimulated Brillouin Scattering[J].Acta Optica Sinica，2023，43（11）：209-216.）

[16]SUN T.ZHANG C.XIE X P.et al.A Wideband Tunable Optoelectronic Oscillator Based on Stimulated Brillouin Scattering[C]//2013 18th Optoelectronics and Communications Conference and Photonics in Switching.Kyoto：Optica Publishing Group，2013：375-390.

[17]JIANG Y，YU J L，WANG Y T，etal.An Optical Domain Combined Dual-Loop Optoelectronic Oscillator[J].IEEE Photonics Technology Letters，2007，19（11）：807-809.

[18]ELIYAHU D，MALEKI L.Low Phase Noise and Spurious Level in Multi-loop Optoelectronic Oscillators[C]//IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum，2003.Proceedings of the 2003.Piscataway，NJ：IEEE，2003：405-410.

[19]BANKY T，HORVATH B.BERCILI T.Optimum Configuration of Multiloop Optoelectronic Oscillators[J].Journal of the Optical Society of America B，2006，23（7）：1371-1380.

（責任編輯：王健）