大动态范围微波光子链路的研究

发布时间：2017-04-03 12:15

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【摘要】：微波光子链路是指将微波电信号调制到光载波上,通过光纤进行传输的链路。与全电链路相比,微波光子链路具有损耗低、带宽大、尺寸小、质量轻以及抗电磁干扰的优点,因此被广泛地应用于光载无线、射电天文和雷达系统等领域。目前,雷达及电子战系统亟需大动态范围的微波光子链路,如抗干扰雷达要求微波光子链路的无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range, SFDR)须达到120～130dB·Hz2/3。而最常见的基于马赫-曾德尔调制器的外调制微波光子链路,其无杂散动态范围一般只能达到110dB·Hz2/3左右。因此,大动态范围微波光子链路是微波光子技术的关键技术,是目前微波光子学研究的热点和重点之一。另外,本振信号的远传也要求微波光子链路具有很低的残余相噪。本文研究重点为微波光子链路的动态范围和残余相噪,具体工作概况为以下几部分：(1)综述了微波光子技术的发展、微波光子链路的应用及其国内外的研究现状。介绍了基于马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)外调制微波光子链路的基本结构和主要器件,建立了该链路的理论模型,并推导了该链路的主要性能参数与元器件参数之间的关系。分析了光纤损耗、色散与布里渊散射对链路性能的影响。(2)提出了一种改善外调制链路动态范围的双波长双并联调制线性化方法。对该线性化方法进行了理论与实验研究。实验测得该线性化链路的SFDR达到了122.5dB·Hz4/5。采用MZM低偏置技术进一步优化该线性化链路,其SFDR可达到127.6dB·Hz4/5。(3)提出了一种测量长距离微波光子链路残余相位噪声的双音互相关方法。该方法可以有效抑制参考源引入测量系统的相位噪声,从而使长距离链路残余相噪的测量成为可能。建立了双音互相关残余相噪测量方法的理论模型并对该测量方法进行了实验研究。基于该方法测量了lm、2km和6km微波光子链路的残余相噪,结果显示6km链路的残余相噪比lm链路恶化了10dB。(4)基于双音互相关方法对光电探测器的残余相噪进行了实验研究。结果表明：探测器反偏电压越大,其残余相噪越小；探测器工作在线性区时,增大输入光功率,其残余相噪几乎不变,探测器工作在饱和非线性区时,增大输入光功率,其残余相噪随之增大；探测器非线性越严重,其残余相噪越大。(5)研制了激光器的电流驱动与恒温控制电路以及MZM的偏置控制电路,并制作了微波光子收发模块。实验测试显示,12小时内激光器输出光功率漂移≤0.2%,由光功率漂移引起的链路增益变化不足0.02dB；无颤音MZM偏置控制电路在15～35℃反复变化的环境下工作4.6小时,MZM输出光功率漂移1.4%,偏置角漂移小于0.8°,由工作点漂移引起的链路增益衰减小于0.001dB；无电放大器的微波光子收发模块的增益为-18.4dB、噪声系数为35.6dB、SFDR为109.3dB-Hz2/3;含前置电放大器并结合MZM低偏置技术的微波光子链路的增益为2.5dB,噪声系数为6.7dB, SFDR为112.3dB·Hz2/3。(6)提出了一种测量相位调制器半波电压的新方法,通过测量相位调制-干涉仪解调链路的输入1dB增益压缩点和马赫-曾德尔干涉仪的时延差,可直接得到相位调制器的半波电压。与传统光谱仪测量方法相比,该方法所需驱动功率小、无需在每个频率点手动调节微波功率,且可以测得低频率处的半波电压；与电域的链路增益法相比,该方法在测量前不需校准激光器输出光功率、光插损、探测器响应度。基于该方法实测了Covega LN53相位调制器的半波电压,测量误差小于0.2V,测量结果与厂家提供的数据基本一致。
【关键词】：微波光子技术 微波光子链路 马赫-曾德尔调制器 噪声系数 动态范围 残余相噪 半波电压
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN015
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 符号说明8-9
• 缩略词9-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 微波光子技术13-14
• 1.2 微波光子链路的应用14-17
• 1.2.1 有线电视15
• 1.2.2 光载无线15
• 1.2.3 天线远置15-16
• 1.2.4 射电天文16-17
• 1.2.5 其他应用17
• 1.3 微波光子链路的研究现状17-22
• 1.3.1 强度调制18-20
• 1.3.2 相位调制20-21
• 1.3.3 频率调制21
• 1.3.4 偏振调制21-22
• 1.4 本文主要研究内容22-25
• 第二章 外调制微波光子链路的基本理论25-49
• 2.1 基本结构25-26
• 2.2 主要器件26-33
• 2.2.1 激光器26-27
• 2.2.2 马赫-曾德尔调制器27-28
• 2.2.3 光电探测器28-29
• 2.2.4 光纤29-33
• 2.3 工作原理33-36
• 2.4 主要性能参数36-47
• 2.4.1 增益36-38
• 2.4.2 噪声与噪声系数38-43
• 2.4.3 动态范围43-47
• 2.5 本章小结47-49
• 第三章 外调制微波光子链路的线性化49-71
• 3.1 动态范围的改善方法49-58
• 3.1.1 提高信噪比的方法50-54
• 3.1.2 提高线性度的方法54-58
• 3.2 双波长双并联调制线性化方法的研究58-70
• 3.2.1 工作原理58-60
• 3.2.2 理论仿真60-65
• 3.2.3 实验验证65-68
• 3.2.4 结合MZM低偏置技术的DWDPM链路68-70
• 3.3 本章小结70-71
• 第四章 外调制微波光子链路残余相位噪声的测量71-81
• 4.1 外调制微波光子链路残余相位噪声的测量71-75
• 4.1.1 测量系统71-73
• 4.1.2 测量实验73-75
• 4.2 光电探测器残余相位噪声的测量75-79
• 4.2.1 测量系统75-76
• 4.2.2 测量实验76-79
• 4.3 本章小结79-81
• 第五章 外调制微波光子链路的稳定性81-99
• 5.1 激光器的稳定性81-85
• 5.1.1 激光器控制技术81-82
• 5.1.2 半导体激光器的内部结构82-83
• 5.1.3 激光器控制模块的制作与测试83-85
• 5.2 马赫-曾德尔调制器工作点的稳定性85-91
• 5.2.1 偏置控制的实现方法86-89
• 5.2.2 偏置电路的设计与测试89-91
• 5.3 微波光子收发模块的研制91-96
• 5.3.1 无电放大器的微波光子收发模块的研制91-93
• 5.3.2 含电放大器的微波光子发射模块的研制93-96
• 5.4 本章小结96-99
• 第六章 相位调制微波光子链路的研究99-109
• 6.1 相位调制-干涉仪解调微波光子链路99-104
• 6.1.1 工作原理99-101
• 6.1.2 主要性能参数101-104
• 6.2 相位调制器半波电压的测量104-108
• 6.2.1 测量原理104-106
• 6.2.2 测量实验106-108
• 6.3 本章小结108-109
• 第七章 总结与展望109-113
• 7.1 总结109-110
• 7.2 创新点110-111
• 7.3 展望111-113
• 参考文献113-131
• 攻读博士学位期间发表的研究论文131-133
• 致谢133

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本文编号：284316