科学研究

基于受激布里渊散射的宇称-时间对称光电振荡器

来源:   作者:于源  发布时间:2023年09月27日  点击量:

高质量的微波信号是现代微波系统的基石,在民用和国防军事等领域具有广泛的应用。由于电子瓶颈的限制,传统的电子技术在产生高频、低相位噪声的微波信号时仍然面临着严峻的挑战。微波光子技术借助光子技术低损耗、大带宽、抗电磁干扰的优势,为高质量微波信号的产生、处理和传输提供了全新的思路和有力的支持。其中,光电振荡器(Optoelectronic Oscillator,OEO)是一种可以产生高频、低相位噪声、高频率稳定性的光生微波技术,是理想的微波信号源。

模式选择已然成为OEO研究的重中之重。宇称时间(parity−time,PT)对称因其具有强大的模式选择能力尤为引人瞩目。然而,基于空间的双环路PT对称OEO由两个空间分离的物理环路构成,需要两个反馈环路完全一致,增加了系统复杂性并且对环境扰动即为敏感。因此,在单一空间环路中构建PT对称能够有效地简化PT对称系统,同时增强OEO的稳定性。

近日,18luck新利电竞 张新亮教授、于源副教授团队提出了一种基于受激布里渊(SBS)效应的PT对称OEO的新方案。该方案基于SBS效应构建了单环路的PT对称结构,结合基于SBS的微波光子滤波器与PT对称在OEO中进行模式选择,增强了环路中的选模特性,获得了稳定的单模振荡。相关研究成果以“Parity–time-symmetricoptoelectronic oscillator based on stimulated Brillouin scattering”为题,发表于ACS Photonics 2023年第10卷第7期。

1. 基于SBSPT对称OEO的实验装置图

2. HNLF环路为1388.9m (a)多模振荡电谱图,插图Span700 kHz,分辨率为 6.8 kHz的电谱细节图(b)单模振荡电谱图,插图Span2 MHz,分辨率为 18 kHz的电谱细节图;(c) Span0.4 MHz分辨率3.9 kHz下单模振荡与多模振荡对比电谱图。

图1展示了基于SBS的PT对称OEO的实验装置图。SBS过程会同时产生增益和损耗。当泵浦光和探测光波长相同时,SBS增益和SBS损耗会分别对边带进行放大和衰减,从而构成PT对称的增益和损耗。实验中,通过调节泵浦光功率以及SBS效率,匹配增益与损耗,进而实现稳定的单模振荡。当不满足PT对称时,闭合OEO回路,OEO处于多模振荡状态,如图2(a)所示。多模振荡电谱的细节图表明OEO环路的模式间隔为144 kHz,对应的环路长度为1388.9m。可以看到,此时的模式竞争十分严重。通过调节探测光和泵浦光的偏振态平衡增益和损耗,可以获得稳定的单模振荡。图2(b)展示了单模振荡时的电谱图,其中心频率为9.66GHz。当减小频谱范围至为2 MHz时,此时振荡信号的边模抑制比为41 dB。为了更清晰地观察单模振荡与多模振荡的差别。测试相同的频谱范围下的电谱,如图2(c)所示。单模振荡时,起振信号的功率增加了2.74 dB,左、右侧边带分别被抑制了33.42dB和34.55dB。由此可知,当基于SBS的微波光子滤波器与PT对称同时作用时,增强了环路中的模式选择能力。

图3. (a) 基于SBS效应的PT对称OEO输出频率调谐电谱图;(b)不同频率的微波信号相位噪声谱;(c)系统频率稳定性。

为了评估该方案中产生微波信号的质量,测试了微波信号的相位噪声和频率稳定性。如图3(a)为不同环路长度下产生微波信号的相位噪声谱。当环路长度为1388.9m时,输出信号在10kHz处的相位噪声为−120.1 dBc/Hz,边模噪声分别低于−70 dBc/Hz,进一步证明了所提出PT对称OEO中模式选择机制的有效性。图3(c)展示了微波信号在1分钟内的频率漂移情况,漂移量为3.84 kHz。由图可知,在测试过程中,没有发生跳模现象,也没有明显的功率波动,表明该方案具有出色的稳定性。

该工作利用SBS效应构建了单环路的PT对称OEO,极大地简化了系统结构。采用基于SBS的微波光子滤波器与PT对称共同进行选模,实现了稳定的单模振荡,提高了模式选择能力。相关的研究成果在雷达、无线通信系统以及电子战等方面具备广泛的应用前景。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和18luck新利电竞 学术前沿青年团队科研项目的资助。

(https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01518)