基于少模光纤高非线性容限的射频信号传输技术研究

发布时间：2020-05-08 07:57

【摘要】：光纤因为其低损耗、大带宽、低重量和抗电磁干扰而被作为传输射频信号的一种重要媒介。模拟光链路因为能同时实现高增益、低噪声和大无杂散动态范围(SFDR:Spurious Free Dynamic Range)而在微波光子的许多应用中扮演重要的角色,提高光电探测器的接收光功率是改善模拟光链路系统性能最有效的方法。目前高发射光功率的激光器和大接收光功率的光电探测器已经制造完备,相比之下,光纤的功率处理能力要低一个数量级,这主要是由于光纤中的两个非线性效应导致的,分别是受激布里渊散射(SBS:Stimulated Brillouin Scattering)和克尔非线性效应。SBS导致较强的背向散射,限制了接收端探测到的光功率,同时降低了链路的增益和信噪比;克尔非线性导致交调失真,限制了链路SFDR的提升,所以目前提升模拟光链路性能的主要障碍就是光纤本身。我们对提升模拟光链路的增益和SFDR等关键性能的光纤因素从理论分析和实验验证展开研究,在深入研究SBS阈值特性及其影响因素的基础上,提出三种提升模拟光链路性能的方法,搭建相应的实验平台分别测试其SBS阈值、传输光功率、链路增益和SFDR等性能指标并进行分析,实验结果符合理论预期,也证明了我们方法的可行性,最后数值计算了基于SBS慢光效应补偿模间色散。本论文的具体工作包括以下三部分:一、在介绍模拟光链路光源、调制器和光电探测器的基础上,指出高光功率发射或处理能力是这些器件的内在要求,同时提高链路接收端的探测光功率是提升链路增益和SFDR等指标最有效的方法。对阶跃折射率光纤中的模式进行了求解,推导了模间色散计算公式,综合考虑模式耦合和模间色散而在模分复用实验系统中选择LP01和LP11进行复用传输。搭建4f系统并实现了LP0I到LP11的模式激励,为后续实验做了准备。二、在对SBS原理、阈值特性、尤其是SBS阈值影响因素做了详细研究的基础上,提出在模拟光链路中用少模光纤代替单模光纤和在少模光纤中传输高阶模LP11两种方法来提升链路增益和SFDR,并搭建SBS阈值测试平台和链路性能测试平台进行了测试,结果显示,单模链路和两种少模链路的SBS阈值分别为8dBm、12dBm和17dBm,少模链路的SBS阈值和传输光功率得到提高且抑制了三阶交调失真,从而提升了链路增益和SFDR,两种少模链路的SFDR分别比单模链路高1.4dB和3.4dB,证明了我们提出方法的可行性。三、在研究模式联运对SBS阈值影响的基础上,提出基于2×2模分复用系统的模拟光链路来进一步改善链路性能,并搭建相应的实验平台进行了测试,结果显示,与少模LP11链路相比,模分复用模拟光链路的SBS阈值高2dB且传输光功率高ldB,从而链路增益更大且三阶交调失真得到进一步抑制,链路的SFDR增大到90dB,实验结果符合理论预期。最后我们提出并数值计算了利用SBS慢光效应补偿模间色散,并对结果做了解释。
【图文】：

逑第二章模拟光链路器件、性能指标和少模光纤模式特性逡逑模拟光链路主要由三部分组成，如图２－１所示，包括射频信号发送端、传输逡逑倍号的光纤以及射频倌号接收端。逡逑射频输入逡逑「 逦，邋！邋－４邋．７；＇．邋Ｉ逦Ｊ邋＼ＸＸＸ逡逑光源逦〈调制器〉—！逦￣！—邋－－邋逦ｊ—－邋Ｖ逡逑一１邋—逦Ｌ二二ｒｚｌｌ邋｜邋—＊邋｜邋；邋＿＿邋：邋｜逦１邋射频输出逡逑ＵＦ－ｔｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ逦丨光纤链路邋Ｉ邋Ｏｐｔｉｃａｌ－ｔｏ－ＲＦ邋丨邋｜逡逑模拟＿光链路逡逑发射模块逦传输介质邋Ｉ接收模块逡逑图２－１模拟光链路系统结构示意图逡逑发送端通过调制将ＲＦ信号加载到光载波上，主要器件为光源和调制器。光逡逑纤作为模拟光链路中传输信号的介质，其损耗和色散等特性会直接影响光信号的逡逑传输质量，短距离传输时一般只考虑损耗，而本文中使用少模光纤传输两种复用逡逑模式信号光，就需要考虑模间色散的影响。接收端将已调光信号解调还原为ＲＦ逡逑信号，主要器件包括光电探测器（ＰＤ：邋Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）和一些辅助电路，ＰＤ性逡逑能决定探测到射频信号的质量。模拟光链路的主要性能指标包括系统增益、链路逡逑噪声系数、非线性失真以及动态范围，模拟光链路的性能和所使用的器件性能逡逑直接相关

逑第二章模拟光链路器件、性能指标和少模光纤模式特性逡逑模拟光链路主要由三部分组成，如图２－１所示，包括射频信号发送端、传输逡逑倍号的光纤以及射频倌号接收端。逡逑射频输入逡逑「 逦，邋！邋－４邋．７；＇．邋Ｉ逦Ｊ邋＼ＸＸＸ逡逑光源逦〈调制器〉—！逦￣！—邋－－邋逦ｊ—－邋Ｖ逡逑一１邋—逦Ｌ二二ｒｚｌｌ邋｜邋—＊邋｜邋；邋＿＿邋：邋｜逦１邋射频输出逡逑ＵＦ－ｔｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ逦丨光纤链路邋Ｉ邋Ｏｐｔｉｃａｌ－ｔｏ－ＲＦ邋丨邋｜逡逑模拟＿光链路逡逑发射模块逦传输介质邋Ｉ接收模块逡逑图２－１模拟光链路系统结构示意图逡逑发送端通过调制将ＲＦ信号加载到光载波上，主要器件为光源和调制器。光逡逑纤作为模拟光链路中传输信号的介质，其损耗和色散等特性会直接影响光信号的逡逑传输质量，短距离传输时一般只考虑损耗，而本文中使用少模光纤传输两种复用逡逑模式信号光，就需要考虑模间色散的影响。接收端将已调光信号解调还原为ＲＦ逡逑信号，主要器件包括光电探测器（ＰＤ：邋Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）和一些辅助电路，，ＰＤ性逡逑能决定探测到射频信号的质量。模拟光链路的主要性能指标包括系统增益、链路逡逑噪声系数、非线性失真以及动态范围，模拟光链路的性能和所使用的器件性能逡逑直接相关
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.11

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本文编号：2654369