《Optica》刊发张新亮教授、于源副教授研究成果

摘要：7月25日，美国光学学会（OSA）旗下《Optica》刊发武汉光电国家研究中心张新亮教授、于源副教授与唐海涛博士在光电振荡器（OEO）方面的最新研究成果。论文题目为“Widely tunable optoelectronic oscillator based on selective parity-time-symmetry breaking”(基于选择性宇称-时间对称破缺的宽带可调谐光电振荡器)。

高质量的微波信号可以为雷达、电子对抗、数字通信等各类电子系统提供时钟基准信号或者载波信号，而微波信号的频率高低和相位噪声大小会直接影响并决定系统的速率、容量和性能极限。随着国际战场局势的日趋变化，为满足国际战场新局势的需求，实现通讯、雷达以及电子对抗三者系统的融合，需要可在300 MHz~60 GHz甚至更大的频率范围内自由切换的高质量微波信号，光电振荡器(OEO)可以很好的满足这个需求。OEO是一个包含正反馈环路的光电混合腔，其原理如图1所示。通过使用低损耗的长光纤实现反馈环路的大延时，使得反馈腔具有高Q (Q=2pfocst)因子。更高的Q值意味着更窄的谐振峰的带宽Df，因而长光纤可以起到窄化频谱的作用，即确保微波信号具有低相位噪声。然而，长光纤环路也同时带来了本征模式间隔过窄导致的多模起振问题。为确保单模振荡，必须使用超窄带宽的电滤波器作为选模工具。假设采用 2 km长光纤作为延时介质，OEO的本征模式间隔为100 kHz，即需要带宽小于100 kHz的电滤波器保证单模起振。目前中心频率在10 GHz附近的高频窄带电滤波器，通带最窄也只能做到5 MHz附近。因此如果仅仅使用电滤波器作为OEO中的模式选择器，多模起振不可避免。与此同时，超窄电滤波器的中心频率固定，不易调节，导致OEO输出信号频率无法调谐，从而严重限制了OEO的灵活性。

图1. 光电振荡器的示意图

为了克服这个难题，华中科技大学武汉光电国家研究中心的张新亮教授、于源副教授和唐海涛博士利用PT对称破缺超强的模式选择能力，实现了OEO单模起振。同时利用宽带可调的微波光子滤波器来精确选择PT对称破缺的频率实现OEO大范围可调谐。PT对称破缺被证明是一种极好的模式选择工具，早期应用于微环激光器的模式选择实现单模激射。在这里，我们把PT对称破缺引入到光电混合腔，构建两个物理尺寸一样的互相耦合腔，并在其中一个腔引入增益，另外一个引入损耗。当增益和损耗相等的时候，这个双腔系统我们称为PT对称系统，如图2(a)所示。基于这个思路，我们构建了一个PT对称OEO，如图2(b)所示。通过一个偏振控制器（PC3）和一个偏振分束器（PBS）把光信号分成两路，且可以精确控制这两路的分光比。让其中一个环路具有增益，另外一个环路具有损耗。两个光学支路分别通过两个可调光学延时线（OTDL）来精确控制两个环路的长度。当环路的增益等于损耗时，就满足了PT对称性。

图2(a) PT对称双腔系统；(b) 基于PT对称破缺的OEO

利用PT对称破缺选模的原理图如图3所示。满足PT对称系统的本征频率可描述为：

，其中k为两个腔之间的耦合系数，g为增益。调节环路的增益使其小于耦合系数k，则系统处于PT对称状态，模式呈现劈裂状态，如图3灰色虚线所示，此时所有的模式都处于中性状态，不会起振。当调节环路的增益，使得具有最大增益的模式刚好满足其增益大于耦合系数k，则这个模式就打破了PT对称性，出现一对共轭模式，其中一个模式具有增益特性，另外一个具有损耗特性。具有增益的模式就会实现稳定起振，如图3蓝色实线所示，而其他的模式仍然保持PT对称而被抑制。与此同时，利用高非线性光纤（HNLF）实现受激布里渊散射（SBS）效应，进而构建宽带可调的窄带微波光子滤波器，通过选择不同的模式来打破PT对称性，从而实现OEO的大范围可调谐。

图3 PT对称破缺选模示意图

研究人员搭建了如图2(b)所示的 OEO，采用的HNLF长度为1 km，首先测得系统的开环响应如图4(a)中红色虚线所示，滤波器的带宽20 MHz左右。当该滤波器作为OEO唯一的选模工具而没有采用PT对称时，OEO起振信号如图4(a)中黑色实线所示，可以看到模式竞争非常严重。这是因为1 km的环长对应OEO模式间隔约200 kHz，在20 MHz的带宽里存在上百个可以起振的模式，很难保证单模起振。进一步，当把PT对称破缺用于OEO系统的选模之后，可大幅抑制干扰模式，完美地实现了单模振荡，结果如图4(b)所示。图4(c)是图4(b)中振荡信号的细节图，可以明显地看到OEO的振荡模式，同时也发现存在两套超模。这是由于OEO的两路环长没有完全相等，没有达到理想的PT对称系统状态。通过调节OTDL使得两路环长逐渐相等，可以发现两套超模在慢慢靠近的过程中也逐渐消失，最终实现了完美的单模振荡，最终结果如图4(d)所示。可以看到，OEO输出信号的边模抑制比达到了71.4 dB，是目前报到的大范围可调谐OEO中实现的最大边模抑制比。同时可以看到输出振荡信号的最大功率从-3.5增大到9.4 dBm，增加了约13 dB，这是由于PT对称可以增大主振模式和竞争模式间的增益差，在增大边模抑制比的同时增大OEO的输出功率。

由于微波光子滤波器可以用来选择不同的频率打破PT对称（即选择性PT对称破缺），因此OEO的振荡频率取决于微波光子滤波器的中心频率。

在该OEO中，由于采用了宽带可调谐的微波光子滤波器，因此输出信号的频率也呈现出超宽范围的可调谐性，如图5所示。可以看到，OEO输出频率可在2.6~40 GHz范围内可调，其中频率下限受限于SBS的增益带宽，即调谐频率下限为20 MHz，频率上限受限于实验中所用相位调制器、光电探测器、电放大器等器件带宽，如果使用带宽更大的器件，该OEO的输出频率可在更大范围内调谐。

相位噪声是评价微波源质量的一个非常重要的指标。研究人员将该OEO的相位噪声和商用安捷伦微波源进行了对比，如图5所示。当OEO环路长度为2 km时，测得的相位噪声如图5红色曲线所示，10 kHz附近的噪声是-129 dBc/Hz，在同样的测试频率下，比安捷伦微波源输出信号（蓝色曲线）低20 dB。这是因为商用微波源是通过倍频方式得到高频信号，每倍频一次，相位噪声就会劣化6 dB，而OEO最大的优势就在于理论上其相位噪声不会随振荡频率的增加而劣化。如果想进一步提升相位噪声，可以进一步增大环长，利用PT对称破缺超强的模式选择能力保证单模振荡。

研究人员表示，选择性PT对称破缺作为一种新颖的模式选择方法，为实现具有低相位噪声、超大边模抑制比以及频率大范围可调谐的OEO提供了一种新思路，对增强OEO性能，促进OEO在实际中更好的应用具有重要意义。

图5(a) OEO的可调谐性；(b)OEO和商业微波源相位噪声对比图

该成果于2019年7月25日发表在美国光学学会（OSA）旗下顶级期刊《Optica》，于源副教授、张新亮教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金(No. 61501194, 11664009)、湖北省自然科学基金(No. 2015CFB231, 2014CFA004, 2016CFB370)和华中科技大学自主创新基金（No. HUST: 2016YXMS025）的支持。

参考文献：H. Tang, Y. Yu, and X. Zhang, “Widely tunable optoelectronic oscillator based on selective parity-time-symmetry breaking,” Optica, 6(8), pp. 944-950 (2019). 论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000944