基于光纖非線性雙折射效應(yīng)的微波信號(hào)全光處理技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)，隨著信息化建設(shè)水平的完善，多媒體形式也在不斷地更新，很大程度上改善了人們的生活，然而對(duì)通信容量和通信帶寬的要求也越來(lái)越高。為滿足不同需求，各種通信方式也應(yīng)運(yùn)而生。平常的生活和工作中，我們接觸最多的就是光纖通信和無(wú)線通信。光纖通信具有大帶寬和高速率的優(yōu)點(diǎn)，但是卻存在傳輸?shù)攸c(diǎn)固定，接入不方便等缺點(diǎn)。與之相反，無(wú)線通信可以靈活接入，但是缺乏與光纖通信相比擬的帶寬與速率。光載射頻（ROF）技術(shù)則將兩者優(yōu)點(diǎn)完美地結(jié)合了起來(lái)。ROF技術(shù)利

2、用光纖鏈路傳送微波信號(hào)，具有傳輸損耗小，帶寬大，速率高，接入靈活的優(yōu)勢(shì)，滿足不同數(shù)據(jù)格式和通信業(yè)務(wù)的需求，真正意義上做到了“寬帶移動(dòng)化，移動(dòng)寬帶化”。
　　在 ROF系統(tǒng)中，微波信號(hào)的產(chǎn)生是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)槲⒉ㄐ盘?hào)的質(zhì)量直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。光域倍頻技術(shù)可以有效地將低頻本振信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，降低了成本。微波光子相移器（MPS）是微波光子學(xué)中十分重要的器件，它可以對(duì)微波信號(hào)的相位進(jìn)行處理。若將倍頻技術(shù)和相移技術(shù)結(jié)合起來(lái)

3、，能夠應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，例如相位編碼信號(hào)、光控相控陣?yán)走_(dá)。ROF系統(tǒng)另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是信號(hào)的調(diào)制格式，將光纖色散的影響減到最小。在接收端，經(jīng)探測(cè)器（PD）拍頻得到射頻（RF）信號(hào)，它的強(qiáng)度會(huì)受光纖色散影響，隨著光纖長(zhǎng)度呈現(xiàn)出周期性變化，即“周期性衰落”效應(yīng)。周期性衰落會(huì)造成光載RF信號(hào)在光纖中的傳輸距離縮短，且頻率越高，限制就越嚴(yán)重。在眾多減小色散影響的方案中，單邊帶（SSB）調(diào)制能夠有效地克服周期性衰落效應(yīng)。在檢測(cè)端，微波頻率測(cè)量

4、（MFM）對(duì)電子對(duì)抗戰(zhàn)中十分重要，破譯對(duì)方的電子信息的準(zhǔn)確與否左右著戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。利用MFM系統(tǒng)識(shí)別敵方的雷達(dá)信號(hào)頻率，并迅速發(fā)往相應(yīng)的電子系統(tǒng)進(jìn)行信息的截取和竊聽、電子干擾和反干擾等。
　　本論文針對(duì)產(chǎn)生信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、測(cè)量信號(hào)這三個(gè)方面入手，進(jìn)行了一系列的理論分析、仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究，取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：
　?。?）提出了既能產(chǎn)生多倍頻又具有相移功能的微波系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于高非線性光纖（HNLF）中的交叉相位調(diào)制（XPM

5、）效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)線性相移。馬赫增德爾調(diào)制器（MZM）結(jié)合延時(shí)干涉儀（DLI），可以產(chǎn)生一個(gè)二倍頻或四倍頻的微波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)獲得10 GHz到30 GHz頻段內(nèi)0~2Π的相移，RF信號(hào)的輸出功率穩(wěn)定。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是HNLF中的XPM效應(yīng)與輸入載波的波長(zhǎng)和 RF信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，適用與大帶寬和波分復(fù)用（WDM）的ROF系統(tǒng)中。只需要簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)泵浦的光功率大小就能實(shí)現(xiàn)線性相移，調(diào)節(jié)MZM的偏置點(diǎn)和DLI的自由光程差（FSR）能夠?qū)崿F(xiàn)二倍頻和四倍頻的

6、轉(zhuǎn)換。
　?。?）提出了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)倍頻和SSB調(diào)制的方案。該方案是基于HNLF中的XPM效應(yīng)。兩個(gè)正交偏振方向上分別注入泵浦光，在光域上構(gòu)建出一個(gè)的雙驅(qū)動(dòng) MZM（DD-MZM），不需要任何偏置電信號(hào)。系統(tǒng)具有倍頻功能，倍頻系數(shù)（MF）能在1、2、4、8間切換，通過(guò)模擬可以生成一個(gè)八倍頻的微波信號(hào)，頻率為144 GHz。另外，系統(tǒng)還能完成兩類SSB調(diào)制，一類為光載波邊帶比（OCSR）可調(diào)的SSB調(diào)制，另一類為同時(shí)抑制-1階和+2

7、階邊帶的SSB調(diào)制。實(shí)驗(yàn)得到工作頻率范圍為10~40 GHz， OCSR范圍為-8.7~26.7 dB的SSB信號(hào)。
　?。?）提出了基于高雙折射濾波器的SSB調(diào)制。高雙折射濾波器是由 Solc-和Lyot-Sagnac環(huán)級(jí)聯(lián)形成。改變偏振控制器（PC）的偏振角度，濾波器的濾波特性也會(huì)隨之變化。原本用來(lái)抑制邊帶的凹陷位置會(huì)頻移，相應(yīng)SSB調(diào)制的工作頻率也隨之改變。由于Sagnac環(huán)濾波譜的周期性，系統(tǒng)對(duì)光載波波長(zhǎng)和調(diào)制頻率具有很大

8、的調(diào)諧度。在特定的頻率處，調(diào)節(jié)PC可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的OCSR。模擬和實(shí)驗(yàn)都證明系統(tǒng)能在5~40 GHz的范圍內(nèi)工作。模擬得到的結(jié)果中，在27 GHz處OCSR的變化范圍為-34.53~40.78 dB；實(shí)驗(yàn)得到在30 GHz處OCSR的變化范圍為-9.174~34.408 dB。
　?。?）提出了一種基于受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)的SSB調(diào)制。首先，通過(guò)調(diào)節(jié)加載在MZM上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的相位差，可以生成OCSR可調(diào)的雙邊帶（DSB

9、）信號(hào)，OCSR的調(diào)諧范圍為-23~44 dB。再將該DSB信號(hào)輸入至光濾波器，使其轉(zhuǎn)換成SSB信號(hào)。光濾波器是由SBS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在外泵浦光的作用下，抑制不需要的邊帶。作為泵浦光的光源波長(zhǎng)可調(diào)，因此系統(tǒng)的帶寬不會(huì)受到布里淵頻移的限制。且布里淵損耗譜的帶寬很窄，所以在移除一個(gè)邊帶時(shí)不會(huì)影響其他邊帶。SSB信號(hào)的OCSR范圍為-21~44 dB。我們還研究了DSB和SSB兩種調(diào)制信號(hào)傳輸時(shí)的最佳OCSR值，使得接收端得到RF信號(hào)功率最大。

10、
　　（5）提出了光功率-頻率映射的MFM系統(tǒng)。利用HNLF中的XPM效應(yīng)，在正交偏振方向上構(gòu)建一對(duì)互補(bǔ)的FSR可調(diào)的濾波器。濾波器的傳輸譜和微波頻率有關(guān)，可以得到一個(gè)關(guān)于微波頻率和兩端口輸出光功率比值的關(guān)系式，從而測(cè)出頻率。系統(tǒng)的測(cè)量范圍和分辨率可以通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦功率，DC偏置電壓和 PC的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)改變。實(shí)驗(yàn)得到在2.5-30 GHz除16-17.5 GHz的頻段內(nèi)，頻率測(cè)量誤差在0.5 GHz內(nèi)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要使用高速