1.  导读

暨南大学微波光子团队在低抖动脉冲方面取得重要进展，研究成果以“Low jitter microwave pulse train generation based on an optoelectronic oscillator”（基于光电振荡器的低抖动脉冲序列产生）为题，于2021年9月29日发表在 Optics Express上。

他们提出了基于双环光电振荡器的低时间抖动超短脉冲序列的产生方案，该双环光电振荡器包含两个级联的调制器以及一个色散补偿光纤。分析表明，梳状结构具有二次相位函数，通过色散补偿光纤将其转换为线性相位函数，实现了脉冲压缩。低时间抖动的超短脉冲序列可以得到多种应用，如高速通信、高精度光谱学、毫米波和太赫兹波形生成以及雷达系统。

2. 研究背景

基于光纤的锁模（MLL）已经被证明是一种产生低时间抖动光脉冲序列的有效方法。由锁模激光器和光电振荡器(OEO)组成的耦合光电振荡器(COEO)也被证明可以产生低定时抖动的微波脉冲序列。然而，基于光纤的MLL源或COEO通常是复杂和昂贵的，因为需要高精度色散管理和稳定锁相以确保稳定运行。此外，MLL脉冲序列的重复频率在被动MLL源中是固定不可调，在主动MLL源中离散可调。为了产生重复频率连续可调的脉冲序列，可以采用光调制。级联或并联多个光调制器可以产生具有更多梳线的光梳，另外光学非线性可以用来拓宽光梳的光谱宽度，进一步压缩脉冲宽度。通过光调制得到的光梳梳线的幅值和相位可以被设计成产生质量更好的光脉冲。

虽然光学脉冲序列生成基于光学调制不需要锁模脉冲序列与一代使用MLL来源,外部需要微波源驱动调节器,和生成的脉冲序列的性能高度依赖外部微波源的质量。OEO已经被证明能够产生低相位噪声和宽频率可调范围的微波信号，因此可以作为基于调制器的脉冲序列产生系统中的高质量微波源。

3. 创新研究

在本文中，我们提出并实验证明了一个微波脉冲序列产生系统的双环OEO包含两个电光调制器。由于游标效应的选模机制保证单频振荡。微波信号被施加在两个调制器上，产生多个光梳线，并且发现梳状线具有二次相位函数，利用具有线性色散的色散元件可将其变为线性相位关系。这样就产生了一个脉冲压缩的脉冲序列。实验证明了该方法的有效性。实验产生了重复频率为2.023 GHz、脉冲宽度为40 ps的光脉冲序列。在10 kHz偏置频率下，测量振荡频率的单边带相位噪声为-118 dBc/Hz，对应391.2 fs的时间抖动。

图1本研究提出的脉冲序列产生系统的原理图

图1所示为微波脉冲序列发生器的原理图。激光二极管(LD)用来产生连续波光载波，为了获得具有更多梳状线的光梳，我们使用两个级联调制器(PM和MZM)来产生具有多个梳状线的光梳。在PM和MZM之间的OEO中加入了单模光纤(SMF1)和可变光延迟线(ODL)，以引入时间延迟，以确保应用到PM和MZM的微波信号之间的相位匹配。由掺铒光纤放大器(EDFA)进行光放大后。光信号的一半被发射到色散补偿光纤（DCF）中，在DCF中实现脉冲压缩。光信号的后半部分被发送到第二个PD (PD2)，产生的微波信号作为调制器的调制信号。OEO的运行在光谱域由电频谱分析仪(ESA)和光谱分析仪(OSA)监控，在时间域由示波器(OSC)监控。

图2双环OEO的选模机制

双环OEO，模间距由给出的短环确定，相位噪声由长环确定。因此，使用双环有两个主要好处:大模式间距和低相位噪声。模距由短环决定，而整体Q因子由长环改善，相位噪声比只用短环时更低。图2展示了双环OEO的模式选择，其中FSR1、FSR2和FSR3分别是长环、短环和双环的模式间距。

图3 (a)所产生脉冲序列的电频谱和(b)所产生脉冲序列的时域波形

要产生基于光调制的微波脉冲序列，梳状线必须具有线性相位关系。对于所提出的基于级联PM和MZM的双环光电振荡器，光梳的相位函数具有非线性的相位关系。经调制后直接检测梳状线不会产生脉冲压缩的脉冲序列。由于光梳的相位关系近似为二次型，可以用DCF进行补偿。脉冲序列的重复频率为2.023 GHz，这是由EBPF确定的OEO的振荡频率。通过级联调制，产生了一个具有十余条梳线的频率梳。时域波形显示，脉冲宽度只有40 ps。通过提高OEO的基频振荡频率，我们的系统可以在超过10 GHz的重复频率下产生更短的脉冲。

图4频率在2 GHz的单边带相位噪声

如图4所示，在偏移频率为10 kHz的情况下，产生的微波载波在2 GHz时的相位噪声为−118 dBc/Hz。边模小于−88.64 dBc/Hz，第一个边模位于距微波载波182 kHz的偏移频率处，对应于短环的模式间距。我们计算不同偏移频率范围内的相位噪声功率，将其转换为时间抖动，如图4所示。利用的总相位噪声功率计算脉冲序列的总时间抖动为391.2 fs。

4. 应用与展望

文中提出了一种基于光电振荡器的低时间抖动的超短脉冲序列产生方案，分析表明，经电光调制产生的光梳具有二次相位函数，通过DCF将其转换为线性相位函数，可实现脉冲压缩。基于此原理，构建了一个低抖动脉冲序列产生方案，实验证明，该方案实现了低抖动的脉冲序列的产生，我们估计时间抖动可以降低到18 fs。具有低时间抖动的超短脉冲序列可以得到多种应用，如高速通信、高精度光谱学、毫米波和太赫兹波形生成以及雷达系统。

该工作得到了国家自然科学基金项目（61860206002, 61905095）的资助。

论文链接(待更新)：

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-21-33491&id=460022