基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號處理技術(shù)與毫米波頻段ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、微波光子學(xué)是一門涉及微波工程和光子學(xué)的新興交叉學(xué)科，其包括了微電子技術(shù)、光電器件、關(guān)鍵單元技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用等多方面。微波光子學(xué)的研究初衷是在微波系統(tǒng)中引入強(qiáng)大的光子技術(shù)，從而消除電子瓶頸同時(shí)帶來諸多優(yōu)點(diǎn)，比如，低損耗、重量輕、尺寸小、高帶寬、抗電磁干擾、頻率響應(yīng)平坦等等。因此，通過采用微波光子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以前在電域內(nèi)很難甚至是無法完成的功能或任務(wù)。正是由于在此方面的巨大優(yōu)勢，微波光子學(xué)自上世紀(jì)70年代開始研究以來，在信號處理、民用通信、軍

2、事國防、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。微波光子信號處理關(guān)鍵技術(shù)與光載無線(ROF)系統(tǒng)作為微波光子學(xué)最重要的兩個(gè)研究分支，最近引起了人們極大的興趣，并成為當(dāng)前微波光子學(xué)的研究熱點(diǎn)。然而，國內(nèi)才剛剛開始此方面的研究，無論從研究成果、科研實(shí)力還是資金投入方面與國際先進(jìn)水平存在巨大的差距。本論文主要針對寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)和軍事國防應(yīng)用需求，依托國家863計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等多個(gè)國家級項(xiàng)目，重點(diǎn)開展微波

3、光子信號處理關(guān)鍵技術(shù)和ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。 另一方面，鈮酸鋰調(diào)制器作為電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件在高速數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛采用。典型的微波光子系統(tǒng)同樣需要電光轉(zhuǎn)換的器件，而鈮酸鋰調(diào)制器由于其特有的優(yōu)勢已成為微波光子系統(tǒng)中外調(diào)制器的首選。隨著高速鈮酸鋰調(diào)制器相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展及加速商用化，其單個(gè)成本不斷降低。因此，我們希望鈮酸鋰調(diào)制器能夠在微波光子系統(tǒng)中扮演更重要的角色，完成更多的功能，而不僅限于簡單的信號調(diào)制功能。目前，國

4、內(nèi)外對于鈮酸鋰調(diào)制器在微波光子學(xué)領(lǐng)域的新功能應(yīng)用，缺少系統(tǒng)全面的研究。鑒于此，本論文著眼于拓展鈮酸鋰調(diào)制器在微波光子信號處理技術(shù)和ROF系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用范圍，創(chuàng)造性地提出了幾項(xiàng)基于鈮酸鋰調(diào)制器特性的微波光子信號處理關(guān)鍵技術(shù)和ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方案，使得鈮酸鋰調(diào)制器在微波光子系統(tǒng)中完成了更多更復(fù)雜的功能。此外，基于鈮酸鋰調(diào)制器特性的方案相比于其他方案具有簡單、可靠以及高性能等優(yōu)點(diǎn)。因此，此方面的研究工作將為鈮酸鋰調(diào)制器的廣泛應(yīng)用以及微波光子

5、信號處理技術(shù)和ROF系統(tǒng)的實(shí)用化提供重要參考。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下： 一、基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號處理技術(shù)研究 1)微波光子濾波器 分別基于鈮酸鋰相位調(diào)制器和雙電極驅(qū)動(dòng)馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)提出了兩種新型微波光子濾波器結(jié)構(gòu)，克服了通常情況下非相干系統(tǒng)的低通濾波特性限制，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波，并且較其他方案結(jié)構(gòu)更加簡單，功能更加靈活。第一種方案利用鈮酸鋰相位調(diào)制器的偏振調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)反相調(diào)制，由此獲

6、得典型橫向?yàn)V波器的負(fù)抽頭系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了帶通濾波特性，并且具有可重構(gòu)性和可調(diào)性；與第一種方案不同，第二種方案基于單邊帶調(diào)制構(gòu)建了一個(gè)復(fù)合傳遞函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)等效的帶通濾波特性，同樣具有可調(diào)性和可重構(gòu)性。 鑒于目前國際上對于微波光子信號處理技術(shù)研究的獨(dú)立性，我們首次提出了兩種不同微波光子信號處理技術(shù)之間融合方案，并通過理論和仿真闡明了其可行性。在所提出的第二種方案中，微波帶通濾波技術(shù)可以有效地與全光頻率上變換技術(shù)融合于同一毫米波頻段

7、ROF系統(tǒng)中，在對中頻信號進(jìn)行濾波處理的同時(shí)將其上變頻到所需的射頻頻段(可以到毫米波頻段)。故通過此方案可以在獲得多種高性能處理功能的同時(shí)顯著降低ROF系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。 2)超寬帶脈沖無線電(IR-UWB)脈沖產(chǎn)生技術(shù) 全光產(chǎn)生IR-UWB脈沖不僅可以克服傳統(tǒng)電域方法的一些限制，還可以應(yīng)用于UWB-Over-Fiber系統(tǒng)中延長UWB信號的傳輸距離從而擴(kuò)大通信覆蓋范圍。本論文基于MZM和相位調(diào)制器創(chuàng)造性地提出并實(shí)驗(yàn)演

8、示了四種IR-UWB脈沖產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明利用這四種方案產(chǎn)生的IR-UWB脈沖在中心頻率5～6GHz附近相對帶寬均超過100％，這是利用傳統(tǒng)電域處理方法很難實(shí)現(xiàn)的。這四種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，且具有不同的應(yīng)用范圍，在實(shí)際中可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來選擇合適的方案。 目前，利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)IR-UWB脈沖調(diào)制的技術(shù)在國際上鮮有成果發(fā)表。然而，利用本論文提出的四種方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)全光IR-U

9、WB脈沖產(chǎn)生與調(diào)制兩大功能，并創(chuàng)新性的提出了脈沖調(diào)制方案，這對降低成本和UWB-Over-Fiber系統(tǒng)的實(shí)用化意義重大。 3)微波頻率測量技術(shù) 基于鈮酸鋰調(diào)制器提出了兩種新型光子微波頻率測量方案，相比于傳統(tǒng)瞬時(shí)測頻(IFM)技術(shù)具有良好的電磁兼容、低損耗、大頻率覆蓋范圍和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對安全性和測頻性能要求較高的電子對抗應(yīng)用。第一種方案參考傳統(tǒng)IFM接收機(jī)的基本原理，在光域?qū)崿F(xiàn)了延遲相干的過程，將微波功率與頻

10、率聯(lián)系起來，通過測量微波功率計(jì)算得出頻率信息。此方案利用一個(gè)雙輸出MZM實(shí)現(xiàn)了單波長操作，從而節(jié)省了額外的光源和波分復(fù)用和解復(fù)用器件；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在目前常用到的7～12.7GHz頻段測量誤差保持在50MHz以內(nèi)，并且測量范圍可調(diào)。第二種方案采用了兩個(gè)級聯(lián)的工作于抑制載波雙邊帶調(diào)制模式下的MZM，完成了微波頻率到光功率的映射，可以直接監(jiān)測光功率來獲得頻率信息，從而省掉了光電探測器，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。此兩種方案的共同點(diǎn)是將某些復(fù)雜的操作

11、放到光域中完成，只將一些簡單的運(yùn)算進(jìn)行電域處理，由于光在鏈路中傳輸時(shí)間很短，這樣可以大大縮短整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間，提高響應(yīng)速度。 由于實(shí)驗(yàn)條件所限，實(shí)驗(yàn)演示的測量范圍有限，但利用提出的方法可以將測量范圍擴(kuò)展到毫米波頻段。 二、新型毫米波頻段ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳輸實(shí)驗(yàn) 針對毫米波頻段ROF系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本論文進(jìn)行了毫米波頻段ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)與大型傳輸實(shí)驗(yàn)，其中鈮酸鋰調(diào)制器被用來實(shí)現(xiàn)ROF系統(tǒng)中電光轉(zhuǎn)換和信號處理等功能。

12、首先，提出了波分復(fù)用全雙工毫米波頻段ROF系統(tǒng)的一種高頻譜利用效率新型實(shí)現(xiàn)方案。此方案采用了基于外調(diào)制器的新型全光下變頻技術(shù)，利用光間插復(fù)用器(Interleaver)特性進(jìn)行了有效地頻譜設(shè)計(jì)，在100GHz信道間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下行雙向傳輸，并且在遠(yuǎn)端天線單元端省去了光源和微波源，顯著降低了系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)成本。其次，基于偏振復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了無線與固定混合業(yè)務(wù)傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了2.5Gbit/s有線業(yè)務(wù)信號和20GHz頻段2.5Gbit/s無線業(yè)務(wù)信

13、號在25km光纖上的混合傳輸，功率代價(jià)均保持在1dB以內(nèi)，此種技術(shù)可以應(yīng)用于ROF系統(tǒng)與無源光網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)中，在同一波長信道內(nèi)同時(shí)提供有線和無線業(yè)務(wù)。最后，進(jìn)行了40GHz頻段ROF系統(tǒng)光纖與無線聯(lián)合大型傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了40GHz頻段1.25Gbit/s數(shù)據(jù)速率的無線信號的2m以上無線傳輸和25km光纖傳輸，功率代價(jià)小于1dB。 總之，本論文全部研究工作屬于微波光子學(xué)領(lǐng)域，跨電子科學(xué)與技術(shù)與信息與通信工程兩個(gè)一級學(xué)科，在創(chuàng)新性