光电振荡器与参量放大的性能及应用研究

光电振荡器与参量放大的性能及应用研究 天津大学博士学位论文光电振荡器与参量放大的性能及应用研究,,,,,,,,,;, ,,, ,,,,,;,,,,, ,,,,,,;, ,, ,,,,,,,;,,,,,; ,,;,,,,,,, ,,, ,,,,; ,,,,,,,,,; ,,,,,,,,, 学科专业:通信与信息系统 研究生:江阳 指导教师:于晋龙教授 天津大学电子信息工程学院 二零零八年五月 中文摘要 本论文主要在光电振荡器(,,,)和光参量放大(,,,,)的性能改进与应用方面进行了研究。 在,,,中，通过理论分析多个光纤环路之间的模式竞争效应提出可以在光域构建一个正交分、合路的无源双环路结构以抑制起振边模并能保持,,,的噪声性能。实验结果显示这种方案能达到预期的目的。 提出了大信号直接调制加相位调制产生光窄脉冲方案并将它与,,,系统融合得到了光窄脉冲与电时钟信号发生的装置。在,,,,,工作频率下，通过实验，再次验证了光域双环路对边模的抑制，最终产生了脉宽为,(,,,，具有,,,,,低抖动性能的光窄脉冲和高品质电时钟信号。 将电编码器和相位调制器置于,,,系统中，并采用双波长注入的方式可以实现多功能的信号产生。双波长的注入可以避免编码信号中的非时钟分量进入振荡环路影响时钟质量;相位调制可以完成一个波长上的,,,到,,的码型转换并在另一个波长产生时钟光脉冲。实验系统自由运转结果明，这种设计可以同时产生,,,、,,、光时钟脉冲和电时钟信号。 在,,,,中，利用对抽运光的正弦强度调制可以通过参量放大作用在直流信号光上产生光脉冲。通过理论分析提出若对直流信号光的同频强度或相位调制可以在固定抽运功率的情况下改善脉冲性能，并给出了实验证明。 对抽运光进行相位调制是抑制受激布里渊散射(,,,)的常用方法，但是它会引起所生成闲频光光谱的展宽，影响,,,,的应用。通过理论分析指出，在双抽运,,,,结构下，可以利用对两路抽运光的反相相位调制得到无展宽的闲频光光谱。经过实验，首次演示了多路正弦信号的反相相位调制得到了理想的闲频光光谱。与传统,,,,反相调制相比，这种方法对系统器件性能的要求更低。 双抽运的,,,,具有平坦的增益带宽，可以用于多波长变换(组播)。在理论上分析了这种系统的工作原理，提出了将信号光用作一路抽运光的多波长实验方案。进一步还提出了若将另一路抽运光采用正弦强度调制可以在实现多波长变换的同时完成,,,到,,的码型转换。实验验证了所提出的方案，并表明利用,,,,进行波长变换还可以使信号获得一定程度的再生。关键词:光电振荡器边模抑制光窄脉冲参量放大受激布里渊散射波长变换 ,,,,,,,, ，, ,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,, ,,,, ,,,,,, ,,;,,,,, ,,, ,,,,,,，,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,,;, ,,, ,,,,,;,,,,,, ,, ,,,,,,,,;,,,,,; 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,,;,,,,,,,)。关于,,,的工作原理，特性和应用是本论文的一个重点，将在二、三、四章中给出详细的分析和讨论。 微波光纤传输系统，即所谓的,,,(,,,,, ,,,, ,,,,,)其主要思想是把微波射频信号调制在光载波上并通过光纤网络进行传输分配，这样做的优点在于可以利用光纤重量轻、低损耗、廉价、抗电磁干扰等优点构建一个高性能，低成本，易于安装维护的光子微波系统实现商用微波通信。此外光纤微波链接还可以使用在天线阵列以及无线电探测与定位(,,,,,(,,,,, ,,,,;,,,, ,,,,,,,)系统。这些系统包括远程天线和天线间的参考信号光纤传输。配合微波信号的光纤传输，往往还伴随基于光子技术的上、下变频，滤波等信号处理部件。,(,微波信号的光纤传输(,,,) ,,,一个主要研究方向是用于宽带无线接入。它包括了光子微波信号的产生、传输、处理、光电信号转换等部分，其典型构架包括中心站(,,)，基站(,,)以及光纤线路等，如图,(,所示。由于,,频谱资源已经被严格划分并分配为不同用途，所以可供通信使用的只有极为有限的部分。根据，,,,,,,(,,，可用于移动电话(,,,和,,,,)的频段为,(,，,(,，,(,和,(,,,,。,(,,,,和,,,,左右的频带被用于无线局域网(,,,,)。虽然一些高频段的频谱可用于 天津大学博士学位论文满足宽带无线接入的要求，但是如果采用传统电域处理方法，载波频率和数据率的提高对硬件和系统设计都提出了很高的要求。在宽带无线接入的设计目标上，现在众多的目光集中在了,,,,,的频段附近，以及微蜂窝(,,;, ;,,,,)的系统结构。在这个频段上的无线传输具有接近光波的直线传输特性，消除了多径传输带来的干扰问题，并且由于大气中的氧对这个频段有很强的吸收作用，使得这个频段具有很大的自由空间损耗，这对于微蜂窝系统也是有利的，它可以保证小范围的大容量传输，降低邻近蜂窝单元的干扰，具有很高的频率重复使用性。为了提高无线通信的覆盖面积，在系统结构上每个单元的无线信号覆盖通过基站的天线发射完成。中心站通过光纤或无线连接主网并把信息分配到基站，这样就需要比较大数量的基站数，因此，努力简化基站功能，降低基站成本成为研究的目标。 ??? 蕊,孟蕊, ,,,？,,,;,, ,,),, ,,,,,,,, 图,,, ,,,用于宽带无线接入构架 目前宽带无线接入设计思想是将高频信号的处理和控制放在中心站，而基站只进行光波与毫米波之间的转换，由此所有复杂的系统部分都留在了中心站，而使基站大大简化，因此可以实现低成本、小型化、易于安装和维护的系统构架。从图,—,可以看出，光纤可以传输基带，中频(，,)或者射频(,,)信号，这里的，,与,,的区别在于它们相对于无线传输的载波频率关系，，,要远小于,,的频率。但是在选择传输信号的频率时，需要考虑光纤色散对微波信号传输的影响。我们知道，光载波经调制后会在光载波两侧产生边带。这些边带，载波间具有确定的相位关系。当这个信号被光电探测器接收时，所转换得到的是边带， 载波间合成的拍信号。对于双边带调制信号，光纤色散会改变载波、边带间的相位关系，使得在,,接收时产生微波,毫米波信号功率的周期性变化睁,,，其变化规律如图 第一章绪论,(,所示,?。由图可以看出，采用低频信号传输可以有比较大的传输距离，另外若采用单边带调制,,,、光纤光栅色散补偿‘,,,和光学相位共轭,耵等方法加以补偿可以有效地改善传输性能。具体采用什么传输信号可以根据系统的具体情况进行选择。 , , 加 虿一各夏墨(,譬壹丑誊毒石 妁 图,(,色散对双边带光微波信号传输的影响 为了实现,,,的系统功能，在具体的实现方案上大致可以分为两类。一类是在中心站先将数字基带信号加载在毫米波载波上形成毫米波副载波，通过调制后用光链路传输，在基站直接用,,接收后得到无线发射信号，如图,(,所示;这种方法虽然比较直接，但是会受到比较大的光纤色散影响。 图,(,中心站直接产生,,信号的,,,链路方式 另一类是在中心站采用两路具有固定频差的光波并在其中一路光波上调制数据信号同时经由光纤传输。在基站接收时，利用两路光载波在,,上的拍产生无线发射信号对终端进行发射，如图,(,所示,引，这种方式不需要在中心站提供微波射频源，并且在传输时的性能类似于单边带调制信号，可排除色散的影响。类似功能的实现也可以采用将在,(,(,中介绍的谐波产生方法，在中心站生成携带信息的多次谐波光源，在基站根据需要滤出两个边带实现上变频后得到无线发射 天津大学博士学位论文信号。为了实现双工的工作模式，基站一般需要有一个光源和调制器用于终端一基站一中心站的联系，实现双向交互的通信，为了节省成本，基站的光源也可以由中心站提供。此外，为了提高通信容量，波分复用技术也可以在,,,系统使用。 图,,,通过基站上变频方式产生,,信号的基本,,,构架 除了民用通信上的应用，利用光纤传输微波信号具有损耗低、频带宽等固有的优点，还可以用于雷达系统，比如应用于连接雷达天线和雷达控制中心，它可使两者的距离从原来用同轴电缆时的,,,,以内扩大到,,,,,,,。 除了单纯的信号传输，光纤也能用作光子微波信号处理，一个典型代表就是光相控阵雷达中的光纤延迟线(,,,,:,,,,;,, ,,,, ,,,, ,,,,,),引。在国外从,,年代开始有人提出将光子技术应用于相控阵雷达。进入,,年代以来，随着光调制技术和半导体光电子集成电路技术的迅猛发展，国外许多公司和学者对该应用领域进行了大量广泛的深入研究，实验系统覆盖,波段到毫米波的整个雷达工作频段。为了适应相控阵雷达系统的宽带宽角扫描，应该采用实时延迟线,,,(,,,,,,,, ,,,,,)取代常规相控阵雷达中的移相器。相较于波导和同轴缆传输雷达信号，,,,,具有损耗低(在,”,,,,, ,,,频段内，单位延迟时间的损耗仅,(,”,,’,(,,,,,,)、时间带宽积大(达,,,””,,,)、带宽宽等优点，是非常理想的选择。 虽然利用光纤作为微波信号的传输介质和微波信号处理器件有种种优势，但是这些应用前提是如何产生微波光子信号，下一节我们将重点讨论这个问题。,(,微波光子信号的产生,(,(,电光调制法 最直接得到光微波信号的方法是利用电微波信号驱动电光调制器，在光载波两侧产生上、下两个边带，形成光微波信号。可用的电光调制器类型主要有马赫一曾德调制器(,,,),,和电吸收调制器(,,,),,,〕，〔,,〕。在工作带宽方面，已报道 第一章绪论的,,,具有,,,,,的工作带宽九，并仍有提高的潜力。在调制的灵活性上，,,,可以通过改变偏压和调制信号电压得到载波抑制或高次谐波(倍频) 信号输出。如果,,,偏置在最小传输点，驱动正弦信号频率为‖,，可以得到频率为肭载波抑制输出。另一种选择是采,弭,？,的驱动信号，偏置在最大传输点并仔细调节驱动信号幅度，可以得到抑制一阶边带的信号输出乜?。这些被调制信号的边带在,,上发生拍频，产生所需要的微波,毫米波频段的信号。调制法的信号产生、传输和检测原理框图如图,(,所示。 ? ,鼍‖, ,, ,,,,,; ,,,萨,,,,, 图,(,调制法的信号产生、传输和检测原理框图 调制法最明显的优势是可以直接得到光微波信号，但是驱动信号的质量会直接影响所得到的光微波信号质量。,(,(,外差法 外差法是使用两个具有固定频差的激光器混频后，通过,,检测，产生频率为激光频差微波信号的一类方法，如图,(,所示。 ?, ?时贰‘ 图,(,外差法产生微波,毫米波信号原理示意图 应该说在,(,(,中所介绍的直接调制法调制所得的光微波信号在检测时所产生的电微波信号也是利用了这个原理，不过这种情况中所用于拍出信号的各边带来源于同一光源，相互间具有特定的相位关系。外差法的优势在于，两路激光在 天津大学博士学位论文光纤中传输时不会受到光纤色散的影响，所拍出信号的功率不会随传输距离而变化。另外一个好处是所产生信号的频率连续可调，并且可以获得很高的频率，探测器带宽是对所生成电信号频率的唯一限制。目前所报道的光探测的带宽已经可以达到,,,,,,以上拉,,。 考虑到激光器的自身制作工艺和外界温度影响等因素，激光器的输出一般都具有一定的线宽和波长波动，这会使产生的信号具有比较大的相位噪声和频率不稳定性。通常需要采用一些锁相措施，如光相位锁相环(,,,,;,, ,,,,,(,,;,,,,,,,，,,,,)嵋引和光注入相位锁相环(,,,,;,, ，,,,;,,,, ,,,,,(,,;, ,,,,(,，,,,)啦副等技术加以控制。 图,(,光相位锁相环结构 图,(,所示为一个光相位锁相环结构。它利用两个不同工作频率的主、从激光器通过差拍得到一个毫米波信号并被光探测器检测输出。该拍频信号经放大后，与一个参考信号比较检出相位噪声信号。经由环路滤波器放大处理，反馈调整从激光器的工作电流，实现从激光器对主激光器输出光波的相位锁定。 图,一,光注入相位锁定环结构 光注入相位锁定的结构如图,(,所示，主激光器(,,)被希望产生的信号频率的,,,分频信号所调制，其输出由耦合器分出一路通过环行器输入到从激光 第一章绪论器(,,)并锁定注入信号的,阶边带。从激光器的输出与主激光在从激光器腔面上反射的光波回到环形器输出分路后，与上面一路主激光输出耦合进入光纤链路。下面一路被,,接收，转换为主,从激光的拍频信号。由于产生拍频的两路光波都是由从激光器的腔面出发的，它们走过完全相同的光路，不存在由于光路不同引入的对拍频信号的干扰，消除了由于光程差引起的拍频信号相位对波长的依赖关系。该拍频信号通过与主激光器的调制信号比较检出偏差，经过环路滤波器 (,,)处理，反馈调整从激光器的工作电流，实现相位的锁定。环路中的可调延时线,,是为了补偿鉴相参考信号与主激光器调制过程之间的时延差。 除了使用两个独立的激光器进行外差，双波长激光器也是一种选择。已有报道的一种双模,,,激光器输出光频差为,,,,,可用于产生微波信号晗朝，而另一种双区增益耦合的可调谐,,,激光器(,,, ,,;,,,, ,,,, ;,,,,,, ,,,(,,,,,)可以实现,,(,,,,,的信号产生瞳引。此外基于光纤结构的双波长激光器也有报道。一种基于光纤的,,,激光器利用刻有光纤布拉格光栅(,,,)的掺铒(镱 光纤形成分布反馈区，可以在,(,,,,的范围内产生微波信号，调谐性由温度 变化实现乜”。另一类可调谐双波长光纤激光器利用.