引用本文：王靖，胡总华，李洪波，等.基于马赫-曾德尔干涉仪的可调谐光电振荡器［J］.光通信技术,2021,45（6）:40-42. 基于马赫一曾德尔干涉仪的可调谐光电振荡器
王靖，胡总华，李洪波，聂奎营
（兴％民族师范学院物理与工程技术学院，贵州兴％562400）
摘要：为了进一步提高基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI&的可调谐光电振荡器的可调谐范H，讨论分析了MZI中两臂的相对光功率之比和两臂的臂长差对光电振荡器传输性能的影响'通过仿真分析可知：在MZI两臂的相对功率比都为0.5，臂长差在12mm〜50cm范围内变化时，光电振荡器可以在0.411〜16.892GHz范围内有单一频率的微波信号输出' 关键词：马赫-曾德尔干涉仪；光电振荡器；频率；自由频谱范H；光纤
中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号$1002-5561（2021）06-0040-03
D01：10.13921/jki.issn1002-5561.2021.06.010开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Tunable optoelectronic oscillator based on
Mach-Zehnder interferometer
WANG Jing,HU Zonghua,LI Hongbo,NIE Kuiying
(College of Physics&Engineering Technology,Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi Guizhou562400,China)
Abstract:In order to further improve the tunable range of the tunable optoelectronic oscillator based on Mach-Zehnder interferometer(MZI),the influence of the relative power ratio of t he two arms and the arm length difference of t he two arms in the MZI on the transmission performance of the optoelectronic oscillator is discussed and analyzed.Through simulation analysis,it can be known that when the relative power ratio of the two arms of the MZI is0.5,when the arms length difference changes between 12mm〜50cm,the optoelectronic oscillator can output a single frequency microwave signal in the range of0.411〜16.892GH z.
Key words:Mach-Zehnder interferometer;optoelectronic oscillator;frequency;free spectrum range;fiber
0引言
暖风炉
光电振荡器可以把连续的光能转换成相位噪声超低和连续可调的稳定微波信号，因而受到光通信领域高度关注和深入研究叫传统的光电振荡器需要电带通滤波器来选择所需要的振荡频率，但是电带通滤波器具有固定的振荡中心频率，这导致光电振荡器的可调性非常有限。随着微波光子技术的发展，高Q值和可调谐的微波光子滤波器代替了电子滤波器选择振荡模式叫近年来，研究者相继提出了可调谐的光电
收稿日期：2020-11-04。
基金项目：贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字［2015］461号、黔教合KY字［2017］360号）资助。
作者简介：王靖（1980—），男，汉族，贵州普安人，讲
师，硕士，主要从事光通信技术方面的研究，负责了
省级教改项目一项目（“三平台互补式助推数字电子
技术实验教学改革与实践一以兴％民族师范学院为
例”已结题），负责和参与省部级项目3项。振荡器的设计方案,PAN S L等人P］采用法布里-珀罗 激光
二极管（FP-LD）微波光子滤波器代替光电振荡器中的电滤波器，通过改变入射光波长或FP-LD的纵向模式，可以实现振荡频率在6.41-10.85GHz可调谐，但是可调谐范围有限。LI WZ等人旳将由相位调制器构成的微波光子滤波器和相移光纤布喇格光纤集成在光电振荡器中，通过调谐光波的波长实现了从3-28GHz的频率调谐，然而与基频信号相比，有6dB的相位噪声衰减。M0RAJ等人冋利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）对宽带光源光谱进行切割，通过可调光纤延时线（V0DL）调节MZI的臂长差，可以实现5-17GHz 的调谐，但是其存在功率涨落点，不能实现连续可调谐。因此，本文把可调谐MZI放在电光调制器（E0M）后面，先采用E0M调制，后利用MZI切割宽带光源，通过V0DL调节MZI的臂长差，产生频率间隔均匀且可调的光束，与长散光纤一起构成一个中心频率可调的微波光子滤波器，实现对光电振荡器振荡频率的选择。
⑩比弧隼■教•辰2021年第6
期
1系统模型及理论基础
1.1MZI工作原理及理论分析
MZI是由2个3dB耦合器将光纤相连的全光纤器件，光源发出的光经过第一个3*B耦合器被分成2束，然后经过不同的路径厶(在厶中嵌入VODL)和，产生相对相移变化，最后经过第二个3*B耦合器输出，其结构图如图1所示。假设入射光从入射端口1输入，耦合器1和耦合器2的分光比相同，都为sin29：cos2。，出
射光从端口3输出，则端口3输出的光强I3与端口1输入的光强I#之比为问：
其中，0为光纤中的模式传播常数，0=2警，阴为光
钓鱼船
入
纤的有效折射率，两臂的臂长差8L=L#-L2，!为耦合器的相位因子。假设2个耦合器的分光比为1：1，即cos2!=sin2!=2，改变VODL的长度，当&#，二(2<+1)$
时,<；为正整数，丰二1；而当&8L=2m$时，I^=0o这一'水垢过滤器
(1(1
特性可以被用来对振荡器的损耗进行调制％当2个耦合器的分光比都为1：1，光纤两臂的臂长差8L=1mm 时，丰透射谱如图2所示％
马铃薯曲奇I1
改变2个耦合器的分光比，在耦合系数sin2!分别为0.2、0.3和0.5时J3/I1的透射谱如图3(a)所示。可以看出，耦合系数越大，输出光强越大，因此本文选择sin2!=0.5,2个耦合器的分光比为1:1，此时改变臂长差(8L，8L+10'm)，得到端口3输出的光强图如
£1
图1臂长差可调的MZI结构图
波长/nm
图2MZI中/3//i的透射谱
图3耦合系数和臂长差8L对I3I的透射谱的影响
图3(b)所示。可以看出，MZI的输出光强随臂长差的改变而发生平移。
1.2基于MZI的可调谐光电振荡器的工作原理及理论分析
图4为基于MZI的可调谐光电振荡器的原理图*可以看出，宽带光源发出连续的光波经过掺钮光纤放大
器(EDFA)后进入EOM，EOM把输入的微波信号转换为光信号，光信号从端口1进入MZI，之后依次通过EDFA+光纤和光电探测器，最后被转化为微波信号。微波信号经过电放大器、合路器后一部分输出，另一部分反馈回EOM用来调制光波，构成一个闭环反馈系统。
图4基于MZI的可调谐光电振荡器原理图
设MZI两臂L#和L2的延迟时间分别为(1和(2，则光电振荡器产生的信号振荡频率为67］：
仁=耍(2) (1(2
其中，m、n为正整数。在光电振荡器中该系统的传输函数为67］：
H=a1exp(-j2$(1)+a2exp(-j2$(2)(3)
■2021年第6期比弧信蜕辰
)
王靖，胡总华，李洪波，等：基于马赫—曾德尔干涉仪的可调谐光电振荡器
其中，f 是振荡器的工作频率，&1、&2为(1和的相对 光功率比，定义为：a i =卩
叫 ,&2= *此*
, *-.1
*opt_1+*
opt_2 *opt_1+*
opt_2
和P °pt _2分别为(和(的光功率。由于光电振荡器是 一个闭环系统，经过循环叠加后的传输函数为：
0=1/# 1-[a i exp (-j2!fr i )+a 2exp (-j2!f"2)] } (4)根据系统的传输函数可以计算臂长差不同时振 荡器的振荡模式。
碳化硅纳米线在基于MZI 的光电振荡器中，光电振荡器的振荡
频率，即微波信号的振荡频率间隔为冬
其中，c 是真空中的光速，企尸1.48。可以看出，光电振
荡器的振荡频率与MZI 两臂的臂长差呈反比关系，因 此可以通过调整MZI 其中一臂的OVLD 调整两臂的
臂长差6(，实现振荡频率的调谐。
当MZI 两臂的相对光功率比a #和&2都为0.5、
MZI 臂长差8L 不同时，光电振荡器振荡模式如图5所 示。可以看出，改变MZI 的臂长差EL ，光电振荡器振荡 模式的自由频谱范围(FSR )也随之改变，当8L =50 cm
时，FSR =0.411 GHz ；当 8L =20 cm 时，FSR =1.027 GHz ；
CQ P
、<-^
*X
黑
频率/GHz
(a ) MZI 臂长差8L 分别为20 cm 和50 cm
图5不同MZI 臂长差8L 时光电振荡器的震荡模式
当8L =20.5 mm 时，FSR =9.888 GHz ，光电振荡器在
19.776 GHz 范围内只有一个震荡模式；当6L =12 mm ， FSR =16.892 GHz ，光电振荡器在33.784 GHz 范围内只 有一个振荡模式。由此可知，当减小MZI 的两臂的臂 长差，光电振荡器振荡模式的FSR 随之增大；调整
MZI 臂长差8L 在12mm~50cm 范围内时，光电振荡 器可以在0.411~16.892 GHz 范围内有单一频率的微
波信号输出。
3结束语
本文提出了一种基于MZI 的可调谐光电振荡器， 通过在MZI 的一臂上嵌入VODL 调节MZI 两臂的臂 长差，实现了光电振荡器振荡频率的可调谐。通过计
算分析可知：基于MZI 的光电振荡器的振荡频率与
MZI 两臂的臂长差成反比，当MZI 两臂的臂长差在
12 mm~50 cm 范围内变化时，光电振荡器可以在
0.411 ~16.892 GHz 范围内有单一频率的微波信号输 出。本文的研究为基于MZI 的可调谐光电振荡器在通 信、雷达和导航系统中的应用提供了技术基础。
参考文献：
鼠标跟随[1] YAO X S, MALEKI L. Optoelectronic microwave oscillator[J]. Journal of the Optical Society of America A, 1996, 13(8): 1725-1735.
[2] LI M, LI W Z, YAO J P. Tunable optoelectronic oscillator incorporating a gigh-Q spectrum-sliced photonic microwave transversal filter [J]. IEEE
Photonics Technology Letters, 2012, 24(14): 1251-1253.
[3] PAN S L, YAO J P. Wideband and frequency-tunable microwave gener ation using an optoelectronic oscillator incorporating a Fabry -Perot laser
diode with external optical injection[J]. Optics Letters, 2010, 35(1):1911-
1913.
[4] LIW Z, YAO J P. A Wideband frequency tunable optoelectronic oscilla
tor oncorporating a tunable microwave photonic filter based on phase-mod ulation to intensity-modulation conversion using a phase-shifted fiber Bragg
grating[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60(6): 1735-1742.
[5] MORA J, ORTEGA B, DIEZ A, et al. Photonic microwave tunable sin
gle-bandpass filter based on a Mach-Zehnder interferometer [J]. Journal of
Lightwave Technology, 2006, 24(7): 2500-2509.
⑹夏江珍，蔡海文，瞿荣辉，等.M-Z 干涉仪调Q 的光谱研究!J].光电工
程,2003,30(6)：15—17.
[7] 陈吉欣，陈少勇，师勇，等•频率可调高性能光电振荡器研究[J]•光学
学报，2013,33(7)：0706016-1—0706016-5.
[8] 王旭，韩海燕，聂奎营，等.光纤干涉器中的微波频率响应!J].河南师
范大学学报,2010,38(2):63—66.
⑫ 比弧隼■教•辰 2021年第6
期
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