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中科院半导体研究所李明团队Nat. Commun.:宽带随机光电振荡器

邃瞳科学云

2020-11-20

导读：作者将光纤中的随机瑞利散射现象作为随机分布反馈与OEO结构相结合，提出一种新型的光电振荡器。与环腔闭合来产生单频微波信号的传统OEO不同，该宽带随机OEO能够在开放环腔结构中振荡并产生宽带随机微波信号

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第一作者：葛增亭

通讯作者：李明

通讯单位：中国科学院半导体研究所

全文速览

在过去的几十年中，光在传输介质中的随机散射引起了光子学领域的广泛关注。光电振荡器（OEO）是一种微波光子系统，可产生具有超低相位噪声的微波振荡信号。作者提出一种基于随机分布反馈的OEO结构，结合了随机瑞利散射现象和OEO技术的独特功能。由于光纤结构中随机分布的折射率不均匀性引起了大量随机分布的瑞利散射，光信号从OEO腔中进入一端开放的光纤中传输时，会在光纤中不同位置产生了大量散射，其中后向瑞利散射光被光纤重新捕获并与入射光信号方向相反继续传输，返回至OEO的环腔中。利用光纤中的随机散射作为随机分布反馈机制，作者实现了开放环腔OEO中振荡产生超宽带（最高可达40GHz）随机微波信号。该宽带随机OEO产生的信号具有良好的随机特性，其信号频率不受环腔长度的限制，没有任何纵模间隔。作者在文中对信号的随机特性进行了计算和比较，信号自相关结果接近δ函数，其重构相空间分布与白噪声的分布相似，并与非周期、伪随机的混沌信号进行了比较，说明产生的信号具有良好的随机性。作者还在OEO环路中使用不同的滤波器来改变振荡信号的频率，可以对随机信号的中心频率和带宽进行调谐，操作简单方便，这一特点使得该宽带随机OEO可以针对不同的应用场合来改变信号的中心频率和带宽。宽带随机OEO可以在许多领域有应用潜力，例如随机数生成，雷达系统，电子干扰和对抗以及电子通信领域。

背景介绍

光在随机介质中的传输已引起了广泛的关注，并在生物医学成像，传感和光通信领域有了广泛的发展。研究表明材料中固有的随机无序现象是具有应用价值的。其中，源自光纤结构内部折射率不均匀特性的瑞利散射在实际应用中具有巨大潜力，例如随机激光器和光时域反射计。另一方面，光电振荡器作为一种光子辅助微波产生系统在产生较高频率和较低相位噪声的微波信号方面具有非常好的性能。OEO由光电子器件组成，构成一个正反馈环路，在环路中微波信号从噪声起振并形成稳定的微波振荡，产生具有超低相位噪声的单频微波信号。在过去的几十年中，各个研究团队提出了多种OEO结构的改进方案和更加复杂的环路结构，并在实验上证明了这些方案在信号产生上的独特优势，例如耦合式OEO，多环路OEO，注入锁定OEO，傅立叶域锁模（FDML）OEO，单片集成OEO和宇称时间对称的OEO等等。从本质上讲，传统的OEO基于闭合的光电环腔，其频率振荡范围非常有限，其中心是一组离散的腔模，固定的环腔长度决定了振荡信号的频率。

作者利用光纤中的瑞利散射作为反馈机制将随机分布反馈与OEO结构结合起来，提出了具有独特功能的光电系统。在该方案中，OEO环腔与传统OEO的闭合环腔不同，它的光纤延迟线部分一端开放，光信号从OEO腔中进入光纤传输时，光纤中的后向瑞利散射光返回环腔，实现开放环腔中信号的反馈。光纤中随机分布了大量的折射率不均匀导致了瑞利散射，在不同位置发生的瑞利散射光经历了不同的延时，这些瑞利散射点可视作在光纤中嵌入的多个反射截面，因而与环路中其他器件共同构成了大量不同长度的环腔。OEO环腔长度决定振荡信号的频率，大量且随机分布的瑞利散射使得环腔长度近似连续地改变，因而振荡信号的频率也近似连续，没有任何纵模间隔，这与传统闭环的单频OEO完全不同。同时，瑞利散射自身具有随机性，其散射强度随时间随机改变，不同位置的散射强度也不相同，因此振荡信号的幅度是随机变化的，不同频率的功率变化也不相同，产生的宽带信号具有随机特性。在文章中，作者演示了基于随机分布反馈的开放环腔的宽带随机OEO，可产生宽带随机信号，所提出的宽带随机OEO产生的信号带宽和频率可调谐。

图文解析

Fig. 1 Block diagram of the broadband random OEO. LD, laser diode; MZM, Mach-Zehnder modulator; WDM, wavelength division multiplexer; DCF, dispersion compensation fiber; EDFA, erbium-doped fiber amplifier; PD, photodetector; EA, electrical amplifier. Angled cleaving is used at the fiber end facets.

文章图1给出了该宽带随机OEO的结构图。激光器发出的光载波经过马赫曾德调制器（MZM）调制后从光环行器进入一端开放的色散补偿光纤（DCF）中，在DCF中发生大量瑞利散射作为随机分布反馈，其中后向散射光从光环行器重新返回OEO环腔中，在光电探测器（PD）和MZM处分别进行了光电/电光转换，完成信号的反馈。

Fig. 2 Experimental results. A radiofrequency filter centered at 5 GHz with a 3-dB bandwidth of 60 MHz is used in the cavity. (a) Spectrum results of signals oscillating in the OEO. All frequencies in the passband oscillate in the OEO without discrete mode interval. (b) Temporal waveform and the probability density function of the signal. The inset is a section of the waveform. The right panel displays the Gaussian probability density function of the random signal as shown by the blue solid line. The orange dotted line shows the Gaussian distribution. (c) Real-time frequency distribution of the temporal waveform. (d) Simulation result of the frequency distribution.

文章图2给出了OEO环路中使用了中心频率为5GHz带宽60MHz的电滤波器时振荡信号的频谱、时域波形和时频分布，以及理论仿真结果。滤波器通频带内所有频率都能够起振，没有任何纵模间隔，并且任一频率的功率随时间随机变化，不同频率之间功率变化也不相同。波形幅度的概率密度函数呈高斯型分布，与高斯白噪声相似。

Fig. 3 Experimental results without any radiofrequency filter in the link. (a) The broadband signal spectrum result. All the frequencies within the passband (from DC to about 40 GHz) oscillate in the broadband random OEO. (b) Optical spectrum measured after the EDFA. The optical spectrum is significantly broadened when the loop is closed, and all frequencies of the broad spectrum are modulated onto the signal light. (c) Temporal waveform from the OEO. No periodicity is seen from the temporal waveform, and its amplitude varies randomly. (d) Autocorrelation function. The inset shows the expanded view of the center peak.

文章图3给出了OEO环路中不使用电滤波器时产生的超宽带信号的频谱、光谱结果、时域波形和信号自相关结果。当MZM处的射频反馈断开时，进入DCF的光信号在光纤中发生受激布里渊散射（SBS），产生的stokes光与光信号方向相反并从光环形器进入OEO环路，因此PD前测量的光谱中光载波两侧出现两个小的鼓包，对应PD拍频后频谱噪底中9.8GHz处出现的尖峰。当反馈闭合后宽带频谱同时振荡，经MZM电光转换后对光载波进行调制，光谱展宽，且抑制了SBS过程。产生的宽带随机信号波形无周期无规律，其自相关结果旁瓣微弱。

Fig. 4 Spectrum results with different radiofrequency filters in the link. (a) A low-pass radiofrequency filter with the cutoff frequency at 3.3 GHz (S & L bands) is placed in the cavity. (b) A bandpass radiofrequency filter centered at 12 GHz (X band) with a 3-dB bandwidth of 200 MHz is placed in the cavity.

文章图4给出了OEO环路中使用不同的电滤波器时产生的宽带信号频谱结果。图4a、b分别是使用了截止频率为3.3GHz的低通滤波器和中心频率12GHz带宽200MHz的窄带滤波器时的振荡信号频谱。振荡信号的中心频率和带宽可调谐，操作简单，能够适应不同场景的需求。

总结与展望

作者将光纤中的随机瑞利散射现象作为随机分布反馈与OEO结构相结合，提出一种新型的光电振荡器。与环腔闭合来产生单频微波信号的传统OEO不同，该宽带随机OEO能够在开放环腔结构中振荡并产生宽带随机微波信号。作者的工作扩展了OEO的能力，并为OEO产生随机信号提供了新的解决方案，该方案将在许多领域具有潜在应用价值，例如超宽带信号生成，噪声雷达系统，随机数生成，目标检测和成像，电磁干扰与对抗以及保密通信等。

作者介绍

葛增亭现为中国科学院大学在读博士研究生，研究方向为微波光子学、新型光电振荡器研究，导师是中国科学院半导体研究所李明研究员。

李明研究员，现任中国科学院半导体研究所所务委员、光电子研发中心副主任。2015年和2019年分别获得国家自然科学基金委优秀青年基金和杰出青年基金资助。2009年博士毕业于日本国立静冈大学，2009-2013年在加拿大渥太华大学与国立科学研究院从事博士后研究，致力于微波光子学、高速光电子器件和光子模拟信号处理器件研究，实现了可编程光子模拟运算集成芯片与新型光电振荡器等技术突破。发表了SCI论文100余篇，包括1篇Nature Photonics、5篇Nature Communications、2篇Light: Sciences & Applications。获2016年度中国电子学会“优秀科技工作者”称号，2016年度中国光学工程学会科技创新奖一等奖，2016年度中国通信学会科学技术一等奖。担任半导体学报常务副主编，中国电子学会青年科学家俱乐部半导体科技专委会主任委员。

文献来源

Ge, Z., Hao, T., Capmany, J. et al. Broadband random optoelectronic oscillator. Nat Commun 11, 5724 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19596-x