光毫米波生成技术与高性能微波光子链路的研究

1、光毫米波生成技术与高性能微波光子链路的研究 代号 10701 学号 1075190122分类 TN929.11 密级 公开号 UDC 编号题 ( 中 、 英 文 ) 目 光毫米 波生成技术与高性 能微波光子链路研 究 Research on Novel Optical Millimeter-wave Generationand High-performance Microwave Photonic Links作 者 姓 名 王 越 学校指导教师姓名职称 文爱军 教授 电子与 通信工程 王世奎 高工 工 程 领 域 企 业 指 导 教 师 姓 名 职技术论文 二?一 三年三 月 论文 类型 提

2、称 交 论 文 日 期摘要 高带宽、低损耗的现代光子 学技术,引发了通过光子学的方法 设计和实现系统以辅助解决微波信号的产生、处理、控制和分配的问题,这种被称之为微波光子学的新技术领域受到了越来越多的关注。 它研究微波信号和光波之间的相互作用,主要应用在雷达,通信,传感器网络等领域。 光生毫米波技术以及微波光子链路技术对于各种 应用至关重要,因此,本文针对 这两方面进行了研究,并取得了一定的成果。 本文首先分析了基于 LN-MZ 调制器的 外调 制 光生毫米波 技术的 原理和关键技术,并简要介绍了外调制系统中常用的 DSB 、SSB 和 OCS 三种调制结构 。并在此基础上提出了两种基于双平行

3、马赫- 曾德尔调制器 的多倍频光生毫米波方案,第一种方案实现了高质量的 十倍频毫米波信号, 第二种方案提出使用 两个双平行马赫- 曾德尔调制器 级联产生 十六 倍频 毫米波信号 ,并 对其 进行了理论 及 仿真分析, 通过 4GHz 的射频信号 十六倍频产生了 64GHz 的微波射频信号。 分析讨论了不理想的直流偏置 、 射频驱动电压、 消光比和两个 双平行马赫- 曾德尔调制器 之间的相移对光边带抑制和射频杂散抑制的影响 ,之后,分析了倍频方案的相位噪声性能。最后,文章对微波光子链路的原理进行了介绍, 并对最基本的强度调制直接探测链路进行建模,得 到了外调制链路的增益、噪声系数以及动态范围的数

4、学模型, 并且 仿真分析了激光器的相对强度噪声、 激光器功率 、 马赫- 曾德尔外调制器的半波电压以及光电探测器灵敏度 对微波光子链路 性能的影响,最终 分析得到外调制链路的最优化条件。关键词: 微波光子学 马赫- 曾德尔调制器 毫米波倍频产生 微波光子链路 Abstract The broad bandwidth and low loss offered by modern photonics have led to an ever-increasing interest in the design and implementation of photonically assisted so

5、lutions for the generation, processing, control and distribution of microwave signals, an area called microwave photonics. Microwave photonics is an area that studies the interaction between microwave and optical waves for application such as radar, communications, sensor networks. Optical millimete

6、r-wave generation and microwave photonic links are essential for this applications. In this thesis, photonic frequency-multiplication generations of high quality millimeter-wave signals and microwave photonic links are investigated. Several original results are obtainedIn this thesis, firstly, we an

7、alyze the principles and key techniques of the LN-MZM based external modulation scheme, and three normally used external modulation schemes DSB, SSB and OCS are briefly introduced. Secondly, we proposed and demonstrated two novel schemes based on an integrated dual-parallel Mach?Zehnder modulator fo

8、r frequency-multiplication generations of millimeter-waveScheme 1 can be used to generate a frequency 10-tupling millimeter-wave with high performance. In scheme 2, A novel scheme for filterless frequency 16-tupling millimeter-wave generation using two cascaded dual-parallel Mach?Zehnder modulator i

9、s proposed. And Theoretical and emulationally analysis is presented. A 64 GHz millimeter-wave is generated by 16-tupling of a 4 GHz RF oscillator. The impact of the nonideal DC bias, RF driven voltage ,extinction ratio and phase delay between the first and second dual-parallel Mach?Zehnder modulator

10、s on OSSR and RFSSR is discussed and analyzed. And, the expressions and characteristics about the phase noise were studied. Finally, this thesis has introduced the principle of microwave photonic links and modeled them ,get the mathematical models of externally modulator links ,and analyzed the fact

11、ors which influenced the performances of microwave photonic links ,such as the relative intensity noise, the power of laser, half-wave voltage of Mach?Zehnder modulator, the responsivity of photodetector, And obtained by analyzing the optimal condition of the externally modulator linksKeywords: Micr

12、owave photonics Mach ?Zehnder modulator Millimeter-wave frequency-multiplication generationsMicrowave photonic links 目录 第一章 绪论. 1 1.1 研究背景与意义. 1 1.2 Radio-over-fiber 技 术介绍. 3 1.2.1 RoF 简介 3 1.2.2 RoF 技术基本原理3 1.2.3 RoF 的特点3 1.2.4 RoF 的应用4 1.3 光生毫米波技术简介 6 1.4 高性能微波光子链路技术介绍. 7 1.5 论文结构安排8 第二章 外调制光生毫米波理

13、论模型 9 2.1 铌酸锂调制器简介 9 2.2 外调制理论模型分析 10 2.2.1 锂酸铌外调制器理论分析10 2.2.2 光电检测理论分析12 2.3 DSB 、SSB 和 OCS 调制技术12 2.3.1 双边带(DSB ) 调制. 12 2.3.2 单边带(SSB )调制13 2.3.3 抑制载波双边带(OCS )调制 14 2.4 本章小结15 第三章 基于 DP-MZ 调 制器的多倍频技术研究 17 3.1 DP-MZM 调制原理. 17 3.2 基于并联 DP-MZM 的十倍频技术研究 18 3.2.1 实现原理 18 3.2.2 仿真分析 19 3.3 基于串联 DP-MZM

14、 的十六倍频技术研究20 3.3.1 实现原理 21 3.3.2 仿真验证 24 3.3.3 分析讨论 25 3.4 相位噪声性能分析27 3.4.1 相位噪声. 27 3.4.2 倍频法相位噪声分析293.4.3 相位噪声抑制方法 30 3.4.4 光电振荡器(OEO )的提出. 31 3.5 本章小结31 第四章 高性能微波光子链路研究33 4.1 微波光子链路性能指标 34 4.1.1 增益 34 4.1.2 噪声系数. 34 4.1.3 无杂散动态范围. 35 4.1.4 最小可检测信号. 35 4.2 强度调制直接探测光链路建模分析. 36 4.2.1 外调制器建模36 4.2.2

15、外调制链路增益分 析39 4.2.3 外调制链路噪声分析40 4.2.4 外调制链路动态范围分析 43 4.3 强度调制直接探测光链路仿真分析. 44 4.3.1 增益仿真分析44 4.3.2 噪声系数仿真分析 47 4.3.3 动态范围仿真分析 49 4.4 本章小结52 第五章 总结与展望53 致 谢 55 参考文献57 在读期间研究成果. 61 第一章 绪论 1 第 一章 绪论 1.1 研究 背景与 意义 以 计 算 机 和 通 信 网 络 为 标 识 的 信 息 技 术 成 果 将 人 类 社 会 推 进 到 了 信 息 时 代。近 年 来 , 互 联 网 业 务 形 式 多 样 化

16、和 业 务 量 飞 速 发 展 , 人 们 对 包 括 声 音 、 数 据 、 图像 和 影 视 等 多 媒 体 通 信 的 需 求 越 来 越 高 、 越 来 越 迫 切 , 对 网络的 带 宽 和 移 动 性 方面要求 也 更 高 。 高 带 宽 、 低 损 耗 、 低 成 本 、 易 于 维 护 的 光 纤 通 信 技 术 逐 渐 成 为 高速 宽 带 网 络 的 首 选 , 高 灵 活 性 、 高 移 动 性 的 无 线 通 信 技 术 使 得 通 信 在 任 何 时 候 、任 何 地 点 成 为 可 能 。 因此 宽 带 化 的 光 纤 通 信 与 高 移 动 性 的 无 线 通 信

17、 相 互 融 合 , 将1-8是未来宽带无线通信的发展方向 。 目前, 由于 GSM 、CDMA、Wi-Fi 、 卫星通信 等 常用无线接入技术的工作波段都集中分布在 800MHz 、2GHz 、2.5GHz 和 6GHz 处, 导致 10GHz 以 下频段频谱资源 已 经 非 常 有 限 , 这 已 成 为 移 动 通 信 未 来 发 展 的 瓶 颈 , 再 加 上 现 有 无 线 接 入 技 术的数据传输速率最高也只有 20Mbps 左右, 无法达到高速链路 接入的需求, 所以无线通信系统只能选择更高的频段进行通信。 我们发现,现有无线通信系统对于 30GHz 以上的频率资源利用很少。因此

18、极高频 EHF (30-300GHz ) 将 是 未 来 宽 带 无 线 接 入 通 信 系 统 的 应 用 方 向 , 又 因 为40/60GHz 频段接 入速 率高、免牌照申请,该频段成为了宽带无线接入的首 选。但是 , 高 频 段 的 毫 米 波 在 大 气 中 传 播 时 会 受 到 严 重 的 衰 减 , 因 此 毫 米 波 通 信 系 统 覆盖范围受到很大限制, 覆盖半径一般最多只有 10 米左右, 另外高频率的毫米波信号 在 电 缆 中 的 损 耗 和 电 磁 干 扰 非 常 严 重 , 因 此 如 果 使 用 电 缆 扩 展 高 频 系 统 的 覆 盖范围,性能将会很差。 为

19、解 决 以 上 问 题 , 提 出 使 用 基 于 分 布 式 覆 盖 的 多 基 站 毫 米 波 通 信 系 统 。 然而我们发现 该 分 布 式 系 统 中 高频 毫 米 波 的 生成 就 是一个 很 大 的 难 题 , 传 统 电 域 的 方法 很 难 甚 至 几 乎 无 法 完 成 非 常 复 杂 的 极 高 频 微 波 信 号 生 成 , 其 主 要 由 于 :现在使用 晶 体 振 荡 器 通 过 倍 频 锁 相 方 法 , 产 生 的 高 频 微 波 信 号 因 为 电 子 瓶 颈 很 难 产 生 高频 率 、 高 质 量 信 号 ; 就 算 有 方 法 可 以 在 电 域 产 生

20、 极 高 频 、 高 质 量 信 号 , 高 频 段 大气 损 耗 严 重 的 问 题 也 无 法 解 决 ; 此 外 , 使 用 电 的 方 法 产 生 高 频 微 波 信 号 对 器 件 有更高的要求,复杂的加工制作工艺要求可能大大 降低器件的性能。 为 解 决 毫 米 波 信 号 的 远 距 离 传 输 及 多 基 站 分 布 式 覆 盖 , 微 波 技 术 和 光 纤 技术相 结 合 的 微 波 光 子 学 为 其 提 供 了 新 的 方 案 。 高 频 微 波 信 号 可 以 通 过 拥 有 良 好 非 线性 效 应 的 电 光 调 制 器 、 半 导 体 光 放 大 器 等 电 光

21、 器 件 产 生 , 另 外 , 微 波 光 子 技 术 通过光纤传输 高 频 微 波 信 号 可 大 大 降 低 损 耗 。 目 前 , 国 际 上 直 接 调 制 激 光 器 的 频 率可达 40GHz , 外调制器的频率可达 70GHz 或更高, 光电探测器的可探测 频率更是2光毫米 波生 成技 术与 高性 能微波 光子 链路 研究 达到 520GHz ,光器件技术水平如下表 所示: 表 1 光调 制器 与光 电探 测 器技术 指标 器件类 型 最大效 率 3dB 带宽 光电探 测器 :直接强 度调 制半 导体 激光 器:外调制 激光 器: 15A/W 70 GHz M-Z 干涉仪型 1

22、5A/W 60 GHz 电吸收 型可 以 看 出 目 前 光 电 变 换 和 电 光 变 换 的 频 率 已 经 覆 盖 到 很 大 的 范 围 , 完 全 可以适 应 现 在 的 民 用 系 统 , 甚 至 雷 达 、 卫 星 等 军事 系 统 的 应 用 。 因 此 , 使 用 微 波 光 子技 术 , 可 以 很 好 解 决 上 述 高 频 微 波 信 号 在 分 布 式 覆 盖 多 基 站 毫 米 波 系 统 中 所 面 临的 问 题 , 主 要 表 现 为 : 在 光 域 中 可 以 克 服 电 子 瓶 颈 , 通 过 光 学 倍 频 等 方 法 产 生 频率 很 高 的 微 波 信

23、 号 , 光 纤 传 输 后 使 用 光 电 探 测 器 便 产 生 需 要 的 高 频 微 波 信 号 。 光纤 具 有 损 耗 小 、 频 带 宽 、 价 格 低 、 重 量 轻 、 不 受 电 磁 干 扰 等 优 点 , 因 此 , 采 用 微波光子技 术可以明显简化微波信号传输系统,并大幅提高微波系统性能。 射频信号输出信 号E/O 转换 O/E 转换光纤链路图 1.1 典型 的微 波光 子链 路 图 1.1 给出了一个典型 的微波光子链路 组成结构 ,包括电/ 光转换模块、光纤链路以 及光/ 电转 换模 块,第 一部 分可 以看 作 是链路 系统 的发 射端 , 而第二 部分为接收端

24、,它们之间通过光纤链路来连接。 在以上需求和技术背景下,出现了光载射频 通信(RoF ,radio over fiber)技术 。 该 技 术 结 合 了 高 移 动 性 、 接 入 灵 活 的 无 线 通 信 和 高 带 宽 、 低 损 耗 、 不 受 电 磁干扰的光纤通信两者的优点。 此外, 现有的光 纤核心网上可以直接传输 RoF 信号,不需要大量的投资即可进行技术应用, 因此, 在未来的宽带无线接入系统中,RoF1-8技术将是一种很有竞争力的技术 。 因 此 , 对 光 载 射 频 技 术 中 毫 米 波 产 生 技 术 和 高 性 能 微 波 光 子 链 路 等 关 键 技术的研究

25、非常 有必 要。 本 论文将 主要 对微 波光 子 学领域 中微 波/ 毫 米波 信号的 光子多第一章 绪论 3 倍频产生技术加以介绍和研究,同时对微波光子链路传输技术进行了研究探讨。 1.2 Radio-over-fiber 技术介绍 1.2.1 RoF 简介 光 载 射 频 技 术 结 合 了 光 纤 通 信 和 微 波 射 频 通 信 的 特 点 , 通 过 光 纤 链 路 传 输微9波信号 ,在 1990 年由 Cooper 提出。RoF 技术在实现宽带移动服务的同时扩展了宽 带 无 线 网 络 的 覆 盖 范 围 , 并 通 过 光 的 方 法 实 现 毫 米 波 段 的 频 谱 利

26、 用 。 该 技 术 可简 化 基 站 、 增 加 带 宽 、 降 低 成 本 , 因 此 , 在 宽 带 无 线 通 信 、 卫 星 通 信 、 雷 达 系 统中将有很好的应用前景。 1.2.2 RoF 技术基本原理 在 RoF 系统中,中心 站与基站之间直接通过光纤进行连接,运用光载波传输所 需 的 射 频 信 号 , 因 此 光载射频 系 统 传 输 的 是 被 调 制 的 模 拟 信 号 , 本 质 上 是 一 个模拟传输系统。RoF 中心站负责电光转换, 并有信号交换、 控制以及再生的功能,10-11基站只需负责将光纤传输的光信号进行光电转换并通过天线转发即可 , 这样,不 同 基

27、站 可 以 共 享 中 心 站 的 设 备 , 很 大 程 度 的 简 化 了 基 站 , 节 约 了 成 本 。 以 下 为RoF 系统原理图: 用户无线 链路光网 络中心站 用户用户基 站图 1.2 RoF 系统结 构原 理 图 1.2.3 RoF 的特点 (1) 低衰减。 众所周 知, 信号在光纤中传输的损耗远小于其它媒介, 因此, 使用光纤进行传输,可以减少中继站。 (2) 低复杂度。 运用中心站和基站的概念, 意味着基站的资源管理和信号生成等工作可以移动到中心站集中进行, 并有多个远端基站共享, 大大降低系统复杂度。 4光毫米 波生 成技 术与 高性 能微波 光子 链路 研究 (3)

28、低成本。简单的远程基站结构,意味着更低的设施成本和维护成本。 (4) 面向未来。 光纤被设计用来传输千兆比特速率的信息, 它可以满足未来几代人对网络速度的需求。 1.2.4 RoF 的应用 传输带宽大、覆盖范围广、损耗低和不受电磁干扰等优点使得 RoF 系统在民用无线通信和军事通信领域都有广阔的应用前景。 光 载 射 频 系 统 在 民 用 领 域 主 要 应 用 于 智 能 交 通 通 信 系 统 、 室 内 信 号 的 无 缝覆盖、 宽带无线信号的远 距离覆盖等。 图 1.3 给 出了民用光载无线网络的拓扑图。 可以 看 到 , 通 过 光 载 无 线 通 信 网 络 , 可 以 有 效

29、解 决 室 内 计 算 机 设 备 、 室 外 移 动 终 端设备的互通互联和 internet 连接, 并且实现无线交通通信, 进行实时交通管理与控制。 防火墙 路由 器 光载无 线 交换 机Internet室 内计算 机等交换机数据库 服务器手持WiFi应用 服务器终端等Web 服 务器车辆交通光 载 无线 网络有线网络图 1.3 光 载 无线 网络 拓扑 图 在军事通信领域,光载射频系统的应用更加广泛,且表现出了极大优越性。 由于中心 站- 基 站的设 计模式, 中心站可 以设 置在相对 安全的位 置, 使得在战争 中 的 电 子 支 援 与 对 抗 系 统 有 更 强 的 生 存 性

30、, 因 为 部 分 基 站 或 者 天 线 被 毁 不 会 影响 到 整 个 系 统 的 工 作 。 此 外 , 在 战 场 中 , 电 磁 环 境 复 杂 , 通 过 光 纤 传 输 的 军 事 信息可以免受各种电磁辐射的干扰, 相对电缆, 大幅降低了衰减, 保证了信号质量。 近 年 来 , 光 载 射 频 技 术 在 卫 星 上 的 应 用 成 为 众 人 关 注 的 热 点 。 欧 洲 空 间 局(European Space Agency ,ESA ) 在微波光子学方面进行大量的 研究和应用开发项目,2009 年 11 月 2 日 ,欧洲空间局地球探索者系列的第二颗卫星- 土壤湿度与海

31、水 盐 度 卫星 (SMOS ) , 其 利 用光 纤 来传 送光本 振 信号 和 时钟 参 考信号 。 卫 星光 本12振的产生与馈送技术 ,凭借其性能、质量、造价等方面的优点,已经成为一个独立的研究方向,其在卫星、雷达都有重要应用。此外,2009 年 LAAS-CNRS 和ALCATEL ALENIA SPACE 联合提出了全光卫星的概念, 考虑通过全光的方法实现星 上 载 荷 , 本 振 产 生 、 变 频 、 交 换 都 通 过 光 子 学 技 术 实 现 , 采 用 这 样 的 体 制 ,卫第一章 绪论 5 星可以工作在 ka 波段, 甚至 EHF 波段, 且拥有 信号质量高, 电磁

32、干扰小, 功耗小 ,成 本 低 , 体 积 小 , 质 量 轻 等 优 点 , 它 克 服 了 电 域 卫 星 , 尤 其 是 高 频 段 电 域 卫 星 的13种种缺点,图 1.4 给出了通过微波光子技术实现的全光卫星转发方案 : 下变 频中频上变频 放大低噪放大光交换下变 频低噪放大 中频 上变频 放大光本 振馈 送光本振产生图 1.4 RoF 在星载 微波 本 振光学 产生 及馈 送与 微波 光子变 频中 的应 用 先 进 的 军 用 雷 达 , 可 以 同 时 形 成 多 个 波 束 跟 踪 探 测 多 个 目 标 。 传 统 电 子 波束形 成 方 案 抗 电 磁 能 力 差 , 结

33、 构 相 对 复 杂 , 体 积 相 对 较 大 , 不 能 很 好 在 飞 机 等 飞 行器 中 集 成 。 用 光 学 方 法 形 成 波 束 的 原 理 和 电 子 学 的 基 本 一 致 , 且 可 以 解 决 以 上 问题。 相控阵雷达是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的多波束雷达, 我国 2004年服役的第三代飞机歼-10 的改进型歼-10b 就 安装了这种雷达。 该雷达波束指向灵活, 能实现无惯性快速扫描; 可同时形成多个波束, 分别实现搜索、 识别、 跟踪、制 导 、 无 源 探 测 等 多 种 功 能 ; 目 标 容 量 大 , 可 在 空 域 内 同 时 监 视 、 跟

34、踪 数 百 个 目标 ; 对 复 杂 目 标 环 境 的 适 应 能 力 强 。 但 是 我 们 发 现 , 传 统 电 相 控 阵 雷 达 的 相 位 延迟 单 元 进 行 相 位 延 迟 的 精 度 不 高 , 且 结 构 复 杂 , 使 得 不 能 满 足 宽 带 宽 的 要 求 , 而然 , 通 过 微 波 光 学 的 光 延 迟 技 术 的 应 用 可 大 大 提 高 延 迟 精 度 , 在 增 加 雷 达 带 宽 的同时,提高了雷达的抗辐射能力。 图 1.5 为光控相控阵雷达的基本原理, 将电光调制好的携带信息的光信号通过光分配器分配至各个信号阵列, 然后通过不同的延迟单元 (可控

35、光延迟 OTTD)进行 延 迟 操 作 , 使 得 不 同 信 道 的 光 信 号 产 生 不 同 的 延 迟 , 光 电 检 测 后 , 便 可 实 现 各路雷达微波信号的不同相移。 宽带信 号源E/O1 :N 功 分OTTD O/E T/R1 :M光光隔分离配OTTD O/E 1 :N 功 分 T/R图 1.5 光控 相控 阵雷 达的 基本原 理图 6光毫米 波生 成技 术与 高性 能微波 光子 链路 研究 虽 然 光 载 射 频 通 信 有 广 阔 的 应 用 前 景 , 但 不 可 避 免 的 , 也 存 在 一 些 需 要 解决的 问 题 。 比 如 : 光 纤 中 存 在 很 多

36、的 非 线 性 效 应 和 色 散 问 题 , 将 会 对 信 号 产 生 畸 变影 响 , 从而 使 得传 输距离 受 限 ;RoF 链 路中, 较 大 的信 号 衰减 以及较 差 的 相位 噪声 性 能 将 会 严 重 制 约 光 载 射 频 通 信 系 统 的 动 态 范 围 和 噪 声 系 数 等 重 要 参 数 , 激 光器 、 光 放 大 器 、 电 放 大 器 等 器 件 的 使 用 会 引 入 一 些 额 外 的 噪 声 , 从 而 使 光 载 射 频系 统 的 噪 声 性 能 变 差 。 针 对 上 述 问 题 , 我 们 需 要 通 过 相 关 技 术 的 研 究 , 保

37、证 系 统的信号质量、传输距离并控制系统的噪声水平。 1.3 光 生毫米 波技术 简介 光生毫米波技术是 RoF 系统的关键技术之一,再加之 毫米波信号已经在各种10-11应用中广泛被使用, 比如: 宽带无线通信 、 阿塔卡马大型毫米波阵列 (ALMA )14 15、 毫 米波 成像 ,因 此 对 于光 生毫 米 波 技术 的 研 究有 较大 意 义 。毫 米 波 产生 的传 统 电 域 方 案 是 : 通 过 一 个 多 级 的 倍 频 器 实 现 低 频 率 本 振 到 毫 米 波 本 振 的 变 换 。但 是 , 我 们 发 现 随 着 倍 频 次 数 和 频 率 的 增 高 , 该 传

38、 统 方 案 生 成 的 毫 米 波 信 号 相 位噪 声 性 能 变 差 , 稳 定 度 降 低 , 对 器 件 的 要 求 也 越 来 越 高 , 甚 至 达 到 电 子 瓶 颈 从而无 法 实 现 , 并 且 电 域 高 频 毫 米 波 生 成 系 统 价 格 昂 贵 , 因 此 , 我 们 需 要 探 求 新 的 毫米波生成方案。 近 年 来 , 微 波 光 子 学 的 发 展 为 毫 米 波 生 成 提 出 了 新 的 方 法 。 通 过 该 方 法 生成的毫米波有 稳定度高、不受电子瓶颈影响、系统结构简单且造价低廉等优点。 16微波光本振信号生成技术有直接调制技术、光外差技术 、

39、基 于 非 线性 效 应17 18-22四波混频效应法 、 外调制技术等 、 以及 基于 OEO (Optoelectronic microwave23oscillator )的方法 。 (1) 直接调制是最简单的微波信号光传输方式, 但是由于激光器调制带宽受限 , 同 时 光 学 微 波 的 性 能 受 激 光 器 的 性 能 限 制 , 因 此 不 适 合 产 生 高 频 微 波 信 号 。当需要的微波信号的频率较低时 (几 GHz 或者更低) , 可以考虑选用直接调制技术,以简化系统结构 。 (2) 光外差技术是产生高频微波信号的有效方法, 产生的频率只决定于两个激光器的频率差,通过光外

40、差法产生的微波信号的频率可以达到几十 GHz 甚至百GHz 。当工作频率很高,比如达到 EHF 频段 时,可以考虑使用光外差法来实现高频 微 波 信 号 的 产 生 。 但 是 , 该 方 法 中 由 于 两 个 激 光 器 彼 此 相 互 独 立 , 初 始 相 位 并不 相 关 , 造 成 由 拍 频 产 生 的 微 波 信 号 相 位 噪 声 很 大 , 线 宽 很 宽 , 这 将 对 系 统 性 能造成很大影响。 (3 ) 外 部 调 制 技 术 相 比 直 接 调 制 , 可 以 提 供 更 好 的 调 制 带 宽 , 达 到 70GHz以上, 完全适应现有以及未来宽带无线通信、 雷

41、达通信、 卫星通信的需要。 另 外,第一章 绪论 7 为 了 降 低 对 本 振 信 号 频 率 的 要 求 , 可 以 利 用 调 制 器 的 非 线 性 , 通 过 几 个 级 联 或 者并 联 的 调 制 器 , 实 现 多 倍 频 微 波 信 号 的 生 成 , 这 样 解 决 了 昂 贵 的 高 频 微 波 本 振 源的 问 题 。 所 以 说 , 基 于 光 外 调 制 器 产 生 的 微 波 本 振 信 号 , 实 现 方 法 简 单 , 大 大 降低了系统 对 本 振 信 号 频 率 的 要 求 , 且 光 电 探 测 时 由 于 光 波 是 来 自 一 个 激 光 器 , 具

42、有 很 强 的 相 关 性 。 所 以 说 外 调 制 是 一 种 很 有 前 景 的 高 频 微 波 信 号 产 生 技 术 ,本文将对此技术进行深入的研究探讨 。 (4) 光电振荡器 (OEO ) 通过电光调制器、 光纤、 光电探测器、 窄带 电滤波器 、 电 放 大 器 的 应 用 可 产 生 相 位 噪 声 低 、 频 率 稳 定 度 高 、 频 谱 纯 净 的 微 波 信 号 ,生成信号的频率范围可以在几百 MHz 到 100GHz 以上, 更重要的,光电振荡器可以克服使用外调制倍频方案中随着倍频次数的增加,相位噪声性能下降的缺点。本 文 将 在 外 调 制 技 术 的 基 础 上

43、, 结 合 现 有 的 方 案 , 研 究 高 质 量 、 高 频 率 的 毫米波信号生成技术。 1.4 高性 能微波 光子 链路技术 介绍 由 于 光 纤 传 输 射 频 信 号 有 低 损 耗 、 低 造 价 、 不 受 电 磁 干 扰 等 特 点 , 因 此 ,用光 纤 代 替 电 缆 传 输 射 频 信 号 的 方 案 随 着 激 光 器 技 术 和 光 纤 技 术 的 凶 猛 发 展 受 到 极大关注。此项技术已经在雷达阵列等相关方向有重要应用。Stephens 等人于 198724年提出了直接调制链路方案 , 该方案直接 用射频信号调制激光器, 将需要传输的 射 频 信 号 加 载

44、 到 光 上 , 通 过 光 纤 传 输 到 目 的 地 后 , 通 过 光 电 探 测 器 拍 频 就 实 现了 射 频 信 号 光 纤 传 输 的 简 单 微 波 光 子 链 路 。 该 方 案 结 构 简 单 , 但 是 由 于 激 光 器 带宽受限,只能传输 10GHz 以下的射频信号,此外直接调制激光器会使谱线增宽,引发严重的色散效应, 降低了信号质量。 为了解决以上问题,1989 年 Charles 等人25又提出通过外调制方案实现射频信号的光纤传输 。 虽 然 高 性 能 外 调 制 链 路 的 提 出 解 决 了 直 接 调 制 中 存 在 的 一 些 问 题 , 但 是 为了

45、26提高微波光子链路的性 能, 依然需要通过平衡探测、 最佳偏置点 、 光载波抑制、27阻抗匹配 等技术来改 善。 凭 借 技 术 以 及 器 件 水 平 的 遥 遥 领 先 , 国 外 诸 多 实 验 室 和 公 司 已 经 做 出 噪 声系数很 低 、 动 态 范 围 很 大 的 高 频 率 微 波 光 子 链 路 , 而 国 内 由 于 技 术 水 平 和 器 件 水平的限制 , 在 微 波 光 子 链 路 研 究 方 面 还 处 于 相 对 较 低 的 层 面 , 链 路 承 载 的 射 频 信 号频 率 较 低 , 噪 声 系 数 较 大 , 动 态 范 围 性 能 也 较 差 。

46、因 此 , 对 微 波 光 子 链 路 技 术 的研究有重要意义。 本文将针对性能 相对 较 好 的 外 调 制 链 路 , 分 析 其 增 益 、 噪 声 系 数 、 无 杂 散动态范围等, 并探究光链路中各种因素对增益、 噪声系数、 无杂散动态范 围的影响。 8光毫米 波生 成技 术与 高性 能微波 光子 链路 研究 1.5 论文 结构安 排 本 论 文 主 要 研 究 了 微 波 光 子 学 中 基 于 电 光 调 制 器 实 现 倍 频 毫 米 波 产 生 与 高性能微波光子链路研究两方面的内容,章节安排如下: 第 一 章 主 要 概 括 了 微 波 光 子 技 术 的 发 展 现 状

47、 、 课 题 研 究 背 景 与 意 义 , 重 点介绍了 RoF 传输系统及 其应用,并对毫米波产生技术和微波光子链路技术做了简单的介绍 , 最后,给出了本论文的结构安排。 第 二 章 对 外 调 制 倍 频 产 生 光 毫 米 波 的 关 键 器 件 电光 外 调 制 器 和 光 电 探 测 器 做了详细的建模推导研究,并基于外调制器原理 推导仿真了几种简单的调制方案。 第三章是 本论文 的第一 个重点研 究内容 , 首先 介绍了双 平行马赫- 曾 德尔调制器(DP-MZM ) 的原理 , 然后给出了基于 DP-MZM 的十 倍频、 十六 倍频两种光毫米波生成方案, 并对两种方案进行了理论

48、推导和 VPI Transmission Maker 软件仿真验 证 , 最 后 对 射 频 驱 动 电 压 偏 离 、 直 流 漂 移 、 调 制 器 消 光 比 等 影 响 毫 米 波 生 成 性能 的 非 理 性 参 数 进 行 分 析 研 究 。 此 外 , 本 章 分 析 了 外 调 制 倍 频 方 案 随 着 倍 频 次 数的 增 加 对 生 成 毫 米 波 信 号 相 位 噪 声 性 能 的 影 响 , 提 出 了 解 决 方 案 , 引 出 光 电 振 荡器并做了简单介绍。 第四 章 为 本 论 文 第 二 个 重 点 研 究 内 容 , 该 部 分 对 外 调 制 微 波 光

49、 子 链 路 进 行公式 推 导 , 给 出 链 路 增 益 、 噪 声 系 数 和 动 态 范 围 的 模 型 和 公 式 , 然 后 对 基 于 外 调 制的 微 波 光 子 链 路 进 行 分 析 , 对 影 响 链 路 性 能 的 各 种 参 数 , 比 如 调 制 器 半 波 电 压 ,激光器 相对强度噪声 等进行了研讨,得出链路性能最优化的条件。 最后 一章 对 论 文 的 工 作 和 不 足 进 行 了 总 结 , 并 提 出 了 未 来 研 究 工 作 展 开 的建议。 第二 章 外调 制光 生毫 米 波理论 模型9 第 二章 外调 制光生 毫米波 理论模型 毫 米 波 在 众

50、 多 应 用 领 域 起 着 非 常 重 要 的 作 用 , 传 统 电 域 产 生 毫 米 波 的 方 法面对 当 前 的 需 求 已 经 体 现 出 了 诸 多 不 足 和 问 题 : 实 现 结 构 复 杂 , 信 号 质 量 差 , 传 输带 宽 受 限 , 损 耗 大 , 成 本 高 等 。 而 微 波 光 子 技 术 的 发 展 为 微 波 、 毫 米 波 的 产 生 提供 了 前 所 未 有 的 优 势 。 通 过 对 各 种 光 生 毫 米 波 方 案 的 初 步 分 析 对 比 , 我 们 发 现 ,外 调 制 光 生 毫 米 波 技 术 可 以 通 过 级 联 或 者 并联

51、 两个或者 多 个 马 赫- 曾 德 尔 调 制 器(Mach?Zehnder modulator, MZM ) , 并调节 MZM 两臂上的偏置电压 以及射频驱动信号的幅度和相位实现不同的光谱结构, 进而拍频产生不同频率的微波本振信号,这种调制方式的系统可以工作在多个频段从而满足不同的应用需求。 因 此 , 本 章 将 对 外 调 制 法 产 生 光 毫 米 波 的 方 案 进 行 探 讨 。 首 先 , 对 外 调 制方案中用到的锂酸铌 (LiNbO ,LN ) 马赫- 曾德 尔电光调制器 和光电探测器 的工作原3理进行了重点的建模理论分析, 然后对基于一个外调制器的 DSB 、SSB 和

52、 OCS 三种基本光外调制方案进行了理论推导和仿真分析。2.1 铌酸 锂调制 器简 介 电 光 调 制 器 是 最 重 要 的 集 成 光 学 器 件 之 一 。 它 是 通 过 电 压 或 电 场 的 变 化 最终调 控 输 出 光 的 折 射 率 、 吸 收 率 、 振 幅 或 相 位 的 器 件 。 它 所 依 据 的 基 本 理 论 是 各 种不 同 形 式 的 电 光 效 应 、 声光效应 、 磁光效应 、Frang-Keldgsh 效 应 、 量 子 阱 Stark效应、载流子色散效应 等。 用铌酸锂 晶体制 成的马 赫- 曾 德尔调制 器是基 于电光效 应的 电光 调制 器,其具有 很 强 的 电 光 效 应 , 是 目 前 光 通 信 系 统 中 广 泛 使