Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 12 · RADIO ENGINEERING

Generation of ultrawideband microwave signals with laser diode self-heterodyning in Michelson interferometer

K.B. Mikitchuk1, A.S. Lebedev1, A.L. Chizh1

1 State scientific and production association “Optics, Optoelectronics and Laser Technology” of National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.12.7 UDC 537.862 EDN FQICGU

Abstract

In this paper, microwave photonic technique of ultrawideband linearly frequency modulated signals generation is proposed. The proposed method based on direct modulation of the laser diode current, which provides a periodic change in the emission frequency. The Michelson interferometer summarizes laser signal and its replica with time delay exceeding 10 ms, which, in turn, is defined by time difference between arms. Optoelectronic conversion is performed in high-speed high-power photodiode. The proposed approach makes it possible to generate microwave signals with linear frequency modulation in the frequency range up to several tens of gigahertz by means of laser pump current modulation in the frequency range less than 100 MHz. The method of ultra-wideband microwave signals generation is implemented using a Michelson fiber-optic interferometer with Faraday mirrors. Such interferometer topology provides a doubling of the path length, and reduced gyroscopic effects due to a counter-propagating double pass. Changing the parameters of the generated microwave ultrawideband signals with frequency modulation is achieved by pump current shape and amplitude control. It is also proposed to use real-time oscilloscope without need of changing of the internal structure of such generator to pre-tune it. Time-frequency analysis is used to extract frequency versus time dependence. By so doing, direct impulse response estimation is performed. This method allows to characterize laser diode frequency response for arbitrary microwave waveform generation by means of pump current waveform calculation from experimental data.

  • microwave photonics
  • generation of ultrawideband microwave signals
  • laser diode
  • Self-heterodyning
  • fiber-optic Michelson interferometer
Аннотация (на русском)

Метод генерации сверхширокополосных СВЧ-сигналов с линейно-частотной модуляцией на основе самогетеродинирования излучения лазерного диода

В статье рассматривается метод генерации сверхширокополосных СВЧ-сигналов с линейно-частотной модуляцией на основе самогетеродинирования излучения лазерного диода в волоконно-оптическом интерферометре Майкельсона. Метод генерации сверхширокополосных СВЧ-сигналов реализован с помощью волоконно-оптического интерферометра Майкельсона с зеркалами Фарадея. Предлагаемая схема интерферометра обеспечивает удвоение длительности задержки, уменьшение гироскопических эффектов из-за встречно распространяющегося оптического сигнала, а также позволяет получать стабильный СВЧ-сигнал биений независимо от состояния поляризации оптических сигналов в оптическом волокне. В предлагаемом методе используется прямая модуляция тока лазерного диода, обеспечивающая периодическое изменение частоты лазерного излучения. Оптическое излучение с модуляцией частоты направляется в волоконно-оптический интерферометр Майкельсона с большим рассогласованием плеч (более 10 мкс), обеспечивающий на входе мощного СВЧ-фотодиода режим самогетеродинирования. После оптоэлектронного преобразования на выходе СВЧ-фотодиода формируется сверхширокополосный СВЧ-сигнал с линейно-частотной модуляцией. Предлагаемый метод позволяет формировать СВЧ-сигналы с линейно-частотной модуляцией и полосой частот до нескольких десятков гигагерц, причем это достигается при модуляции тока накачки лазера в диапазоне частот менее 100 МГц из-за высокого коэффициента перестройки частоты излучения с изменением тока накачки лазерного диода (~1 ГГц/мА). Изменение параметров генерируемых СВЧ-сигналов с линейно-частотной модуляцией достигается с помощью изменения формы и амплитуды управляющего импульса тока накачки лазерного диода. В статье также предлагается использовать частотно-временной анализ для извлечения зависимости частоты от времени, что позволяет выполнить прямую оценку импульсной характеристики частоты лазерного диода и рассчитать необходимую форму и амплитуду импульса тока накачки для обеспечения заданных свойств выходного СВЧ-сигнала.

For citation

Mikitchuk K.B., Lebedev A.S., Chizh A.L. Generation of ultrawideband microwave signals with laser diode self-heterodyning in Michelson interferometer // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.7

References

  1. Chi H., Wang C., Yao J. Photonic generation of wideband chirped microwave waveforms. IEEE Journal of Microwaves. 2021. V.1. №3. P.787-803. https://doi.org/10.1109/JMW.2021.3085868
  2. Pan S., Zhang Y. Microwave photonic radars. Journal of Lightwave Technology. 2020. V.38. №19. P.5450-5484. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2993166
  3. Luo X., Wang A., Wo J., Wang Y., Fu J., Zhu Y., Zhang J., Cong W., Liu R., Yang H., Yu L. Microwave photonic video imaging radar with widely tunable bandwidth for monitoring diverse airspace targets. Optics Communications. 2019. V.451. P.296-300. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.06.073
  4. Serafino G., Scotti F., Lembo L., Hussain B., Porzi C., Malacarne A., Maresca S., Onori D., Ghelfi P., Bogoni A. Toward a new generation of radar systems based on microwave photonic technologies. Journal of Lightwave Technology. 2019. V.37. №2. P.643-650. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2894224
  5. Schuetz C., Harrity C., Schneider G., Murakowski J., Shi S., Deroba J., Prather D. A promising outlook for imaging radar. Imaging flash radar realized using photonic spatial beam processing. IEEE Microwave Magazine. 2018. V.19. №3. P.91-101. https://doi.org/10.1109/MMM.2018.2801639
  6. Herrera L., Ribeiro R., Jabulka V., Tovar P., von der Weid J. Photonic generation and transmission of linearly chirped microwave pulses with high TBWP by self-heterodyne technique. Journal of Lightwave Technology. 2018. V.36. №19. P.4408-4415. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2844099
  7. Tovar P., Herrera L., Ribeiro R., von der Weid J. Photonic generation of NLFM microwave pulses from DFB-laser chirp. IEEE Photonics Technology Letters. 2019. V.31. №17. P.1417-1420. https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2929709
  8. Tovar P., Herrera L., von der Weid J. Time-resolved spectroscopy for laser chirp characterization and self-heterodyne generation of apodized-NLFM microwave pulses. Proceedings of International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2018. P.1-4. https://doi.org/10.1109/MWP.2018.8552851
  9. Aslund M., Michie A., Canning J., Holdsworth J., Fleming S.Comparison between a Mach-Zender interferometer and a Michelson interferometer employing Faraday mirrors for delayed self-heterodyne interferometry. 35th Australian Conference on Optical Fibre Technology. 2010. P.1-4. https://doi.org/10.1109/ACOFT.2010.5929884
  10. Pistoni N., Martinelli M. Polarization noise suppression in retracing optical fiber circuits. Optics Letters. 1991. V.16. №10. P.711-713. https://doi.org/10.1364/OL.16.000711
  11. Malyshev S., Chizh A., Vasileuski Y. High-power InGaAs/InP partially depleted absorber photodiodes for microwave generation. Journal of Lightwave Technology. 2008. V.26. №15. P.2732-2739. https://doi.org/10.1109/JLT.2008.927594
  12. Mikitchuk K., Chizh A., Malyshev S. Noise and gain of an erbium-doped fiber amplifier for delay-line optoelectronic oscillator. IEEE International Conference on Noise and Fluctuations. 2017. P.1-4. https://doi.org/10.1109/ICNF.2017.7985957
  13. Oberlin T., Sylvain M., Perrier V. The Fourier-based synchrosqueezing transform. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. 2014. P.315-319. https://doi.org/10.1109/ICASSP.2014.6853609