《Optics & Laser Technology》：Generation of short microwave pulse trains based on coupled signal mode-locked optoelectronic oscillator
编辑推荐：
短微波脉冲串生成新方法及实验验证基于耦合信号锁模光电振荡器（CML-OEO），通过双方波信号相位差调控实现脉冲宽度灵活调整，实验脉冲压缩比达73.0%。
Kuo Yang|Ruihuan Wu|Weiyi Hong|Hongzhan Liu
中国广东省华南师范大学光电科学与工程学院纳米光子功能材料与器件重点实验室，广州510006
摘要
本文提出了一种基于耦合信号锁模光电振荡器（CML-OEO）生成短微波脉冲列的新方法，并通过实验进行了验证。在所提出的系统中，由两个方波信号组成的耦合信号作为锁模信号，用于周期性调节OEO的腔内增益。通过调整方波信号之间的相位差，可以灵活调节输出脉冲列的脉冲宽度。这种机制为有效的脉冲压缩提供了手段。实验结果表明，CML-OEO通过基频锁模实现了重复频率为195.005 kHz的短微波脉冲列。与传统主动锁模光电振荡器相比，CML-OEO的脉冲压缩效果达到了73.0%。
引言
微波脉冲列具有高频率、高能量和短时延的特点，在雷达[1]、[2]、遥感[3]和精密计量[4]等领域具有关键应用。特别是对于多普勒脉冲雷达系统，微波脉冲列的质量起着决定性作用。脉冲宽度决定了距离分辨率，较窄的脉冲宽度可以直接提高分辨率[5]，[6]。
光电振荡器（OEO）能够将光信号转换为稳定的微波信号，已成为传统微波源的优越替代品[7]，[8]，[9]，[10]。最近利用OEO生成微波脉冲列的一种显著方法是锁模技术。在主动锁模OEO（AML-OEO）中，外部射频（RF）信号周期性调制环路增益[11]。当锁模频率等于腔体自由光谱范围（FSR）的整数倍时，会发生纵向模式的相位锁定。在这种模式下，OEO在锁模信号峰值对应的位置产生可调重复率的微波脉冲列[12]，[13]。这一原理促进了多种AML-OEO架构的发展。提出的方案包括通过光学Vernier效应抑制旁模的双环路设计[14]，[15]，以及通过双频注入来拓宽光谱带宽[16]。进一步的创新包括通过调节直流偏置电压生成具有可切换重复率的微波脉冲列或可定义脉冲位置[17]，通过电光参量振荡器实现相位编码脉冲[18]，甚至通过主动锁模生成混沌脉冲[19]。此外，还展示了通过偏振操控实现多格式波形[20]和通过锁模信号的波形工程实现可定制脉冲位置[21]，[22]的灵活性。
这些系统存在一个根本性限制：由于锁模信号和滤波器带宽的限制，脉冲宽度仍然过宽，无法满足雷达系统的高分辨率要求。尽管引入了可饱和吸收器实现了一定程度的脉冲压缩，但代价是较高的环路损耗和仅为49.3%的压缩比[23]。
本文提出了一种基于耦合信号锁模OEO（CML-OEO）的新短微波脉冲生成方案，以填补锁模OEO领域在脉冲压缩技术上的空白。与使用单一正弦信号进行强度调制的传统AML-OEO不同，所提出的CML-OEO利用了耦合的方波信号。通过主动调节两个方波之间的相位差，可以重新配置锁模信号的幅度峰值宽度，从而实现按需的脉冲压缩。通过数值模拟和实验验证了所提方法的可行性。实验中，DMZM由频率为195.005 kHz的锁模信号驱动。结果表明，CML-OEO的脉冲压缩比达到了73.0%，优于传统的AML-OEO。
部分内容摘要
原理
图1展示了所提出的CML-OEO的架构和工作原理。来自激光二极管（LD）的连续波（CW）光通过偏振控制器（PC）后，耦合到双驱动马赫-曾德尔调制器（DMZM）中进行载波强度调制。由信号发生器（SGs）产生的两个方波信号通过电耦合器（EC）结合后，通过DMZM的RF端口2注入OEO腔体，以周期性改变
实验结果与讨论
为了验证所提出的短微波脉冲列生成方法的可行性，基于上述理论模型进行了数值模拟，采用了[24]，[25]中报告的脉冲跟踪方法。在模拟中，OEO环路的总延迟为5.1 μs，包括1 km长的SMF中的5 μs延迟和2.4 GHz中心频率BPF中的0.1 μs延迟。LD发射波长为1555 nm、光功率为15 dBm的CW光。
结论
总之，本文提出并展示了一种基于CML-OEO的短微波脉冲列生成创新方法。其工作原理是利用耦合信号作为锁模信号，通过调节组成信号之间的相位差来实现脉冲宽度压缩。实验结果表明，所提出的CML-OEO的脉冲压缩比达到了73.0%，优于传统的AML-OEO。
作者贡献声明
Kuo Yang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，形式分析，数据整理。Ruihuan Wu：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，概念构思。Weiyi Hong：撰写 – 审稿与编辑，监督。Hongzhan Liu：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。
资助
本工作部分得到了国家自然科学基金（62305116）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515011385）、广州市科技项目（2025A04J2631）以及广东省光信息材料与技术重点实验室（2023B1212060065）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
