拓宽光电振荡器的增益裕度以实现稳定的单模振荡

《Journal of Lightwave Technology》：Broadening Gain Margin of an Optoelectronic Oscillator for Stable Single-Mode Oscillation

光电子振荡器（OEO）增益边距优化研究。通过减小带通滤波器（EBPF）带宽至20MHz（原1GHz）和降低电放大器（EA）饱和输出功率至3dBm（原16dBm），数值模拟和实验均验证了增益边距（RoG）分别提升5.5dB和9dB，有效增强单模振荡稳定性。

　　

摘要：

光电振荡器（OEO）的增益裕度（Gain Margin，简称RoG）是指在不切换到多模振荡的情况下，能够维持稳定单模振荡的增益范围。较大的RoG表明系统能够抵抗环境干扰导致的增益变化，从而保持稳定的单模振荡。对于采用电带通滤波器（EBPF）和电放大器（EA）的OEO，我们提出通过减小EBPF的带宽和降低EA的饱和输出功率来提高RoG。该方案通过数值仿真进行了研究，并通过实验进行了验证。基于扩展的微波-光子迭代非线性增益（eMING）模型的仿真结果显示，将EBPF的带宽从1 GHz降低到20 MHz后，RoG提高了5.5 dB；同时，将EA的饱和输出功率从16 dBm降低到3 dBm后，RoG又提高了9 dB。实验结果也证实了这一改进效果，实验证明将EBPF的带宽从1 GHz降低到20 MHz可使RoG提高3.6 dB，将EA的饱和输出功率从16 dBm降低到3 dBm可使RoG提高2.6 dB。这项工作提供了一种有效的解决方案，能够在不复杂化系统架构的情况下最大化OEO的稳定单模工作范围。

引言

光电振荡器（OEO）因其能够生成频率可调且相位噪声较低的微波信号而受到广泛研究，这使得它们适用于那些相位噪声对微波系统性能有关键限制的应用场景[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。维持稳定的单模振荡对于OEO生成稳定的单频微波信号至关重要。然而，环境干扰可能会影响OEO的环路增益稳定性。研究表明，增益波动可能导致OEO从单模切换到多模[7]、[8]。导致增益波动的典型因素包括电光调制器的偏置漂移[9]、[10]以及电放大器（EA）的温度依赖性增益变化（0.1 dB/°C）[11]。此外，OEO内部电光调制器[12]、[13]、光电探测器[14]和EA[11]的频率依赖特性也会在快速频率调节过程中引起增益变化。当增益降低到振荡阈值以下时，OEO将停止振荡[1]；而当环路增益增加时，非线性会增强，从而破坏维持稳定单模振荡的条件，最终导致多模振荡[7]。因此，为了保持稳定的单模振荡，需要扩大增益裕度，即在不切换到多模振荡的情况下能够维持单模振荡的增益范围（RoG）。较大的增益裕度对于OEO在光通信和分布式传感等应用中的实际部署至关重要，因为它决定了系统抵抗环境干扰的能力。