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运用自参考延迟线的光频梳制造低相位噪声微波

摘要——为了制造一个频率为10GHZ的低相位噪声微波信号，我们针对光纤延迟线对锁模激光器（MLL）的重复率加以稳固。我们设计了一个电路直接除去了MLL载体包络偏移噪声对稳定反馈信号的影响。光频与产出微波频率的比率提高了我们反馈方法的灵敏度。因为我们正在使用一种光纤延时线，不需要超稳定的法布里 - 珀罗标准具或者其他的参考途径。当前的结果就是该原理的证明；在相同条件下进行测试时，我们期望这种方法可以生产出一种低相位的微波，而不是准确的报告出稳固的MLLS光纤延迟线。
关键词——低相位噪声；微波频率产生器；锁模激光器

I 前言
低相位噪声微波信号对许多应用包括射电望远镜以及雷达都很重要。一种生产低相位噪声微波信号的方法就是采用参考光纤来稳固由固定激光模型产生的光频梳的重复率。一些参考光纤有很低的部分频率不稳定性，以至于当光频被分解成微波频率时，相位噪声低于直接在微波体制中运行的参考噪声。
已经证明MLLS能够将一个光学参考信号分解为一个10HZ的微波信号，同时保留参考光纤的部分频率稳定性。当利用参考光纤检测一个MLL谐波频率时，差拍信号对重复率非常重要。nth谐波的频率fn由fn = fceo + n frep得出，在这个公式里，n是一个整数，fceo是包络载体偏移(CEO）的频率，frep是重复率。整数n很大，通常情况下大约为。当MLL和参考光纤、频率fopt生成叠加融合成一个光电二极管，强烈的光电流会有一个组成fph = fceo + n frep − fopt。系数n在重复率方面极大地提高了光电流的灵敏度，但是这种量度对CEO频率也会变得灵敏，其相位噪声一定会在光电流用来稳定重复率之前减少或者被删除。
以往有报告指出，低相位噪声微波由这种方法产生。参考光纤是一个被锁定为一种超低膨胀的法布里 - 珀罗标准具的超稳定激光。CEO频率直接利用1f-2f干扰量度法进行检测，并由击拍信号混合而成，以此来抑制CEO频率噪声。在另一个不同的方法里，光纤延迟线可进行自参考，不需要一个体积庞大且价格昂贵的标准具。然而，通过两个独立的梳状线可以检测到光拍——一个频率为f1 = fceo + n frep，另一个频率为f2 = fceo + m frep，以至于重复率噪声仅仅被一个系数n-m（大约）所增强，而不是系数n（大约）。
在这项工作里，我们将运用一种光频梳检测一种产生低相位噪声微波的替代方案，这种光频梳运用光纤延迟线进行自参考。我们的技术维持着重复率噪声所有系数n的增强，而且可能允许低相位噪声微波信号的产生。

II实验结果
实验设置显示在图1中，在上框里标示着“自零差众议员检测率”，我们利用一个50% - 50%的熔融光纤耦合器将光从一个光纤耦合锁模（门罗系统 FC1500）中分离出来。其中一个分支进入了相当于30us时间延迟的6km光纤延迟中，另一个分支的频率则通过声光调制器转变成68 MHz。这两条光路融合成第二个50%-50%的光纤耦合器，产出照亮了一对平衡二极管(u2t BPD-2020R)。一种可变的延迟元素包含在AOM之后，是为了保证在二极管中短暂的脉冲重叠。
上框的产出频率fup =n × [frep(t) − frep(t−τ)] + [fceo(t) − fceo(t−τ)] + fAOM，其中τ是光纤中的时间延迟。fup 在第一个方括号中的组成是我们希望把伺服电子设置为零的信号。第二个方括号的组成表示不希望CEO频率噪声产生的影响，我们要在这种不良影响被送到伺服系统之前将它从信号中移除掉。因为延迟线的存在，CEO频率在瞬时以及延时方面都产生了影响，将产生这样的项fceo(t) − fceo(t−τ)。因此，在CEO频率从fup 中被移除之前，它必须被过滤掉，以便于能够匹配这个项。

图1，自参考延迟锁模激光器（MLL：锁模激光器，AOM：声光调制器，BPF：带通滤波器，Amp:放大器，EOM：电光调制器）

图一的下框标示着“CEO相位噪声的过滤”，展示了为了将它从fup 中移除CEO频率是如何被过滤的。首先，运用门罗系统MLL（fceo 检测）具有商业价值的1f-2f干涉法设置对CEO频率进行检测。光纤和干涉法设置是全光纤耦合的机架式单位。CEO频率通过微波功率分配器进行扩大和分离。上支通过与18 MHz的信号混合向上变频，下支通过一个6KM无线电频率光子连接（连续波激光器：EM4分布反馈激光器，电光调制器：马赫10-051，光电二极管：发现半导体DSC-40）进行延迟。两支相互融合，较低混合的产出经带通滤波器的筛选，下箱产出的频率为fdn =[fceo(t) − fceo(t−τ)] + fLO，其中τ是光纤中的时间延迟。
最后，图1中的两框的产出混合成一个无线电混频器，低频混合产出由带通滤波器筛选。最终产生信号的频率为n × [frep(t) − frep(t−τ)] + 50 MHz，并将被用来锁定MLL的重复率。
为了表示微波相位噪声，我们生产了一个10 GHz的微波信号，这个信号由图2中显示的电路生成，MLL中的一部分光照亮了快速光电探测器（发现半导体DSC-50S），光电流通过一个带通滤波器，该滤波器的40th谐波重复率是独立的。正如[4]中描述的那样，通过运用互相交光子延迟线相位噪声检测系统以及6km光纤延迟线对10 GHz相位噪声信号进行测量。

图2，自延迟参考锁模激光器设置（MLL：锁模激光器，AOM：声光调制器，BPF：带通滤波器，Amp：放大器，EOM：电光调制器）

图3显示的是在一些锁定状态下的相位噪声，最高点都出现在33KHZ的曲线处，它的谐波是延迟线相位噪声检测系统产生的结果，而不是微波信号。蓝色和绿色的曲线显示的是相位噪声被检测的情况，这种情况是在当仅利用图1中自零差检测电路，重复率被锁定的状态下测量的。至于蓝色曲线，CEO频率噪声没有被锁定，也没有混合。因此，这条曲线受到CEO频率相位噪声的控制，将错误信号泄露成重复率被锁定成上面描述的那样。

图3，10 GHz微波信号相位噪声由锁模激光器产生。所有的曲线里，重复率被锁定到图1上框产生的自延迟信号里。CEO频率噪声自由运行（蓝色曲线），锁定一个参考（绿色曲线），或者像图1中下框所示进行混合（红色曲线）。

至于绿色曲线，CEO频率被锁定到一个受制于铷气泡（斯坦福大学研究系统，FS-725）的石英振荡器。由于这个原因，CEO频率相位噪声在电子锁的带宽里减少。因此，相位噪声减少到大约1 kHz的频偏，之后会达到由锁定伺服引起的制高点。红色曲线显示的是当运用图1中显示的完整电路且重复率锁定的状态下相位噪声的情况。CEO频率相位噪声没有被锁定，但是它是由错误信号混合出来的。既然如此，相位噪声减少至大约30 kHz的频偏，在这种频偏下，信号变成由白色噪声本底控制，最可能是由于图2中显示的10 GHz信号产生方案中的光电探测器散粒噪声引起的。因此，光延迟线会合理地过滤CEO频率，以便于它由被用来稳定锁模激光器重复率的错误信号混合而成。这个实验是一个简单的概念验证，还有许多增加环路增益的工作要做，以及控制光电子电路和其他噪声源组成的相位噪声的影响。因此，在不增加光纤延迟线长度的前提下进一步减少微波相位噪声是有可能的。