基于電光外調(diào)制的寬帶微波光子信號生成技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，低頻段的微波頻帶資源已難以滿足人們生產(chǎn)生活的需求，高速增長的無線數(shù)據(jù)流量對微波載頻提出了更高的要求。但是，基于傳統(tǒng)電子學(xué)的方法產(chǎn)生、傳輸和處理高頻微波信號，面臨著電子瓶頸等問題。在此背景下，研究光與微波相互作用的微波光子學(xué)，吸引了眾多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界人士的關(guān)注。由于光子學(xué)技術(shù)具有大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，利用光子學(xué)手段來產(chǎn)生、傳輸和處理高頻段微波信號，無疑是解決高頻段微波使用所面臨問題的一種理想方案。本

2、文將圍繞微波光子學(xué)中的一個(gè)主要研究方向——微波信號的光子學(xué)產(chǎn)生，以基于電光外調(diào)制的寬帶微波光子信號生成技術(shù)研究為選題，旨在探索新的低相位噪聲單頻微波信號和任意波形微波信號的產(chǎn)生方法，提高微波光子信號產(chǎn)生系統(tǒng)的性能。
　　本文分別研究了基于光電振蕩器(OEO)的低相位噪聲單頻微波信號產(chǎn)生技術(shù)和基于外調(diào)制的任意波形微波信號產(chǎn)生技術(shù)。首先，在基于OEO的單頻微波信號產(chǎn)生方面，詳細(xì)研究了OEO的幅值特性與調(diào)制系數(shù)可調(diào)諧性，在此基礎(chǔ)上，提出

3、了一種基于OEO的高速光脈沖產(chǎn)生方案;同時(shí)，探討了OEO的頻率調(diào)諧、邊模抑制和高頻輸出等問題的解決方法，設(shè)計(jì)了兩種新型的OEO方案。其次，在基于外調(diào)制的任意波形微波信號產(chǎn)生方面，詳細(xì)研究了任意波形微波信號的精細(xì)生成與快速調(diào)諧的實(shí)現(xiàn)方法，分別提出了一種大信號電光調(diào)制下的啁啾微波脈沖產(chǎn)生方案和一種基于非線性調(diào)制的三角形微波信號產(chǎn)生方案。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)推導(dǎo)了可用于描述OEO振蕩過程的迭代方程組。通過數(shù)值仿真，

4、詳細(xì)研究了OEO從起振開始，振蕩幅值和環(huán)路增益所經(jīng)歷的變化過程;分析了OEO能夠維持穩(wěn)定振蕩的開環(huán)增益條件;得到了由OEO直接產(chǎn)生的微波信號的最大幅值。在上述分析基礎(chǔ)上，估算了OEO中調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)的可調(diào)諧范圍;同時(shí)，探討了工作在特定調(diào)制系數(shù)下的OEO在信號產(chǎn)生中的新應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于OEO的高速光脈沖信號產(chǎn)生方案，并通過實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了歸零碼(RZ)和抑制載波歸零碼(CS-RZ)光脈沖信號。
　　(2)設(shè)計(jì)了一種基于級聯(lián)光纖循環(huán)延

5、時(shí)線(RDL)結(jié)構(gòu)的多環(huán)OEO。分析了級聯(lián)RDL結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)響應(yīng)。應(yīng)用級聯(lián)RDL結(jié)構(gòu)作為OEO的儲能器件，同時(shí)執(zhí)行OEO的模式選擇功能，可以產(chǎn)生頻率等于兩個(gè)RDL的自由頻譜范圍(FSR)最小公倍數(shù)的微波信號。這樣一個(gè)多環(huán)OEO方案，不僅可以有效增大振蕩模式間隔，提高OEO的邊模抑制效果，還可以通過電光、熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)諧。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種基于光載波布里淵處理的倍頻OEO。在小信號調(diào)制下，利用PolM來產(chǎn)生抑制載波雙邊帶(D

6、SB-SC)信號。對DSB-SC信號實(shí)施光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了二倍頻微波信號。為了維持OEO的穩(wěn)定振蕩，利用布里淵增益放大被抑制的載波，完成DSB-SC信號到雙邊帶(DSB)信號的轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生基頻微波信號。這一方案可以使OEO在采用低頻電子器件的前提下，產(chǎn)生更高頻率的微波信號。
　　(4)提出了一種大信號電光調(diào)制下的啁啾微波脈沖信號產(chǎn)生方案。利用強(qiáng)度調(diào)制器構(gòu)建脈沖型強(qiáng)度時(shí)域開關(guān)，在時(shí)域上選取兩個(gè)光相位調(diào)制信號的不同相位調(diào)制區(qū)間，并對選

7、出的相位調(diào)制區(qū)間內(nèi)的光信號進(jìn)行拍頻，實(shí)現(xiàn)了啁啾微波脈沖信號的產(chǎn)生。由于生成的啁啾微波脈沖的中心頻率、啁啾率和脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)，直接決定于調(diào)制器外加微波信號的幅度、頻率和初始相位。因此，這一方法可以實(shí)現(xiàn)對生成的啁啾微波脈沖信號的參數(shù)的精細(xì)調(diào)控。
　　(5)提出了一種脈沖重復(fù)頻率可簡易調(diào)諧的三角形微波脈沖信號產(chǎn)生方案。在大信號調(diào)制下，利用工作于最小傳輸點(diǎn)的強(qiáng)度調(diào)制器(IM)和光帶通濾波器(OBPF)來產(chǎn)生正奇次階邊帶信號。應(yīng)用光載波

8、布里淵處理技術(shù)，控制被抑制的光載波的幅值和相位，最終通過拍頻實(shí)現(xiàn)了三角形微波脈沖信號的產(chǎn)生。分析了布里淵增益、布里淵非線性相移和載波抑制比對波形的影響，實(shí)驗(yàn)證明了上述方案的有效性和簡易的調(diào)諧性。
　　綜上所述，本論文重點(diǎn)研究了寬帶微波光子信號的產(chǎn)生技術(shù)。基于新型結(jié)構(gòu)的OEO和外調(diào)制技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了高頻/寬帶的單頻、啁啾和三角形微波信號的光子學(xué)產(chǎn)生，在通信系統(tǒng)、脈沖雷達(dá)、電子測量等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。此外，基于光子集成技術(shù)提高系統(tǒng)的穩(wěn)