光電振蕩器相位噪聲的研究.pdf

1、微波、毫米波振蕩器是通信、雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的核心器件，相位噪聲是振蕩器的關(guān)鍵性能指標之一。傳統(tǒng)電子學振蕩器的相噪指標已經(jīng)達到理論極限而難以繼續(xù)提升。光電振蕩器(Opto-Electronic Oscillator，OEO)是一種結(jié)合了微波技術(shù)和光子技術(shù)的新型振蕩器。OEO使用光電諧振腔來代替純電子學諧振腔，得益于電光調(diào)制技術(shù)和光纖的低損耗特性，光電諧振腔的品質(zhì)因子通常很高且不隨振蕩頻率的升高而降低。這預示著OEO在微波、毫米波頻段仍然擁

2、有產(chǎn)生極低相噪信號的能力，擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前，在OEO相位噪聲方面的研究已取得長足進展，但尚不完善，因此有必要對OEO的相噪進行進一步研究。本文將圍繞OEO振蕩信號的相噪和OEO中器件的殘余相噪(Residual Phase Noise，RPN)展開研究，主要的研究內(nèi)容可概括如下:
　　(1)綜述了OEO相噪的研究現(xiàn)狀。列舉了OEO的各種典型結(jié)構(gòu)，對比了不同結(jié)構(gòu)OEO的相噪的特點，同時也研究了現(xiàn)有的OEO相噪理論模型，指出了

3、各種模型的不足之處。
　　(2)對OEO中主要器件的RPN進行了理論和實驗研究。在實驗中用傳統(tǒng)方法測量了微波放大器的RPN，并提出了一種測量光電子器件的RPN的雙光源互相關(guān)方法。研究了馬赫-曾德爾調(diào)制器(Mach-zehnder modulator，MZM)和光電探測器(Photodetector，PD)的RPN與其工作點之間的關(guān)系。另外還提出了一種測量激光器相對強度噪聲(Relative Intensity Noise，RIN)

4、在PD內(nèi)通過AM-PM轉(zhuǎn)換而引入的相位噪聲，測量結(jié)果給出了RIN引入相噪與PD輸入光功率之間的關(guān)系。
　　(3)研究了微波光纖鏈路中輸出微波信號相噪與群速色散(Group Velocity Dispersion，GVD)的關(guān)系，建立了輸出微波信號的相噪與GVD之間關(guān)系的理論模型。提出了一種測量微波光纖鏈路RPN的雙音互相關(guān)方法，這種方法最多可以將基于傳統(tǒng)方法的測量系統(tǒng)噪底降低20dB，緩解了傳統(tǒng)方法無法測量大延時裝置RPN的缺陷。

5、基于該方法測量了微波光纖鏈路的RPN與GVD的關(guān)系，測量結(jié)果表明由于GVD，當光纖長度從1m增加到6km時，微波光纖鏈路在10kHz頻偏處的RPN惡化了接近10dB，驗證了本文所建理論模型的正確性。
　　(4)在相位域內(nèi)建立了單環(huán)自由振蕩OEO相噪的理論模型。該模型建立了OEO振蕩信號的相噪與環(huán)路內(nèi)器件RPN的關(guān)系。將該相位域模型與經(jīng)典的準線性模型進行對比，表明相位域模型在近載頻處更加準確。另外，研制了一種基于延時自零差法的雙通道

6、互相關(guān)相噪測量系統(tǒng)，系統(tǒng)噪底可達到-130dBc/Hz@1kHz和-170dBc/Hz@10kHz。用自研測量系統(tǒng)測量了單環(huán)OEO的相噪，研究了光電混合鏈路的RPN對單環(huán)OEO相噪的影響，研究結(jié)果與相位域理論模型相符。
　　(5)提出了一種注入鎖相結(jié)構(gòu)的OEO。一方面利用注入鎖定來改善OEO的近載頻相噪以及邊模抑制比，另一方面將OEO的輸出信號與外注入源進行鑒相，通過鎖相環(huán)來提升頻率穩(wěn)定性，并進一步改善OEO的近載頻相噪。這種結(jié)構(gòu)

7、可以使得OEO同時具有單模振蕩、低相噪和高頻穩(wěn)的特性。建立了注入鎖相OEO相噪的相位域模型，該模型表明注入鎖相OEO的相噪與注入源相噪、注入源功率、鎖相環(huán)帶寬和OEO環(huán)內(nèi)器件的RPN有關(guān)。
　　(6)研制了注入鎖相OEO樣機并對其進行實驗研究，其中包括激光器溫控與驅(qū)動電路、調(diào)制器偏置控制電路、鎖相控制電路和光纖溫控盒等配套裝置的研制。對比了注入鎖相OEO、注入鎖定OEO和自由振蕩OEO的相噪，對比結(jié)果顯示了注入鎖相結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。研

8、究結(jié)果還表明注入源功率越大，注入鎖相OEO的遠載頻相噪就越接近注入源的遠載頻相噪。注入鎖相OEO在電濾波器中心頻率為9.6GHz、3dB帶寬為20MHz和光纖環(huán)長度為6km的情況下，實現(xiàn)了輸出信號頻率為9.6GHz的單模穩(wěn)定振蕩。當注入鎖定帶寬為1.98kHz時，OEO輸出信號在1kz頻偏處的相位噪聲為-125dBc/Hz，在10kHz頻偏處的相位噪聲為-147dBc/Hz，雜散抑制度高于80dBc，阿倫偏差接近1.37×10-11@1