基于光纖非線性雙折射效應的微波信號全光處理技術(shù)研究.pdf

1、當今社會，隨著信息化建設水平的完善，多媒體形式也在不斷地更新，很大程度上改善了人們的生活，然而對通信容量和通信帶寬的要求也越來越高。為滿足不同需求，各種通信方式也應運而生。平常的生活和工作中，我們接觸最多的就是光纖通信和無線通信。光纖通信具有大帶寬和高速率的優(yōu)點，但是卻存在傳輸?shù)攸c固定，接入不方便等缺點。與之相反，無線通信可以靈活接入，但是缺乏與光纖通信相比擬的帶寬與速率。光載射頻（ROF）技術(shù)則將兩者優(yōu)點完美地結(jié)合了起來。ROF技術(shù)利

2、用光纖鏈路傳送微波信號，具有傳輸損耗小，帶寬大，速率高，接入靈活的優(yōu)勢，滿足不同數(shù)據(jù)格式和通信業(yè)務的需求，真正意義上做到了“寬帶移動化，移動寬帶化”。
　　在 ROF系統(tǒng)中，微波信號的產(chǎn)生是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因為微波信號的質(zhì)量直接決定了整個系統(tǒng)的性能。光域倍頻技術(shù)可以有效地將低頻本振信號轉(zhuǎn)化為高頻信號，降低了成本。微波光子相移器（MPS）是微波光子學中十分重要的器件，它可以對微波信號的相位進行處理。若將倍頻技術(shù)和相移技術(shù)結(jié)合起來

3、，能夠應用于一些特殊場合，例如相位編碼信號、光控相控陣雷達。ROF系統(tǒng)另一個重要的環(huán)節(jié)就是信號的調(diào)制格式，將光纖色散的影響減到最小。在接收端，經(jīng)探測器（PD）拍頻得到射頻（RF）信號，它的強度會受光纖色散影響，隨著光纖長度呈現(xiàn)出周期性變化，即“周期性衰落”效應。周期性衰落會造成光載RF信號在光纖中的傳輸距離縮短，且頻率越高，限制就越嚴重。在眾多減小色散影響的方案中，單邊帶（SSB）調(diào)制能夠有效地克服周期性衰落效應。在檢測端，微波頻率測量

4、（MFM）對電子對抗戰(zhàn)中十分重要，破譯對方的電子信息的準確與否左右著戰(zhàn)爭的勝負。利用MFM系統(tǒng)識別敵方的雷達信號頻率，并迅速發(fā)往相應的電子系統(tǒng)進行信息的截取和竊聽、電子干擾和反干擾等。
　　本論文針對產(chǎn)生信號、調(diào)制信號、測量信號這三個方面入手，進行了一系列的理論分析、仿真模擬及實驗研究，取得的主要創(chuàng)新成果如下：
　?。?）提出了既能產(chǎn)生多倍頻又具有相移功能的微波系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于高非線性光纖（HNLF）中的交叉相位調(diào)制（XPM

5、）效應，實現(xiàn)線性相移。馬赫增德爾調(diào)制器（MZM）結(jié)合延時干涉儀（DLI），可以產(chǎn)生一個二倍頻或四倍頻的微波信號。實驗獲得10 GHz到30 GHz頻段內(nèi)0~2Π的相移，RF信號的輸出功率穩(wěn)定。該方案最大的優(yōu)點是HNLF中的XPM效應與輸入載波的波長和 RF信號的頻率無關(guān)，適用與大帶寬和波分復用（WDM）的ROF系統(tǒng)中。只需要簡單調(diào)節(jié)泵浦的光功率大小就能實現(xiàn)線性相移，調(diào)節(jié)MZM的偏置點和DLI的自由光程差（FSR）能夠?qū)崿F(xiàn)二倍頻和四倍頻的

6、轉(zhuǎn)換。
　　（2）提出了能夠同時實現(xiàn)倍頻和SSB調(diào)制的方案。該方案是基于HNLF中的XPM效應。兩個正交偏振方向上分別注入泵浦光，在光域上構(gòu)建出一個的雙驅(qū)動 MZM（DD-MZM），不需要任何偏置電信號。系統(tǒng)具有倍頻功能，倍頻系數(shù)（MF）能在1、2、4、8間切換，通過模擬可以生成一個八倍頻的微波信號，頻率為144 GHz。另外，系統(tǒng)還能完成兩類SSB調(diào)制，一類為光載波邊帶比（OCSR）可調(diào)的SSB調(diào)制，另一類為同時抑制-1階和+2

7、階邊帶的SSB調(diào)制。實驗得到工作頻率范圍為10~40 GHz， OCSR范圍為-8.7~26.7 dB的SSB信號。
　?。?）提出了基于高雙折射濾波器的SSB調(diào)制。高雙折射濾波器是由 Solc-和Lyot-Sagnac環(huán)級聯(lián)形成。改變偏振控制器（PC）的偏振角度，濾波器的濾波特性也會隨之變化。原本用來抑制邊帶的凹陷位置會頻移，相應SSB調(diào)制的工作頻率也隨之改變。由于Sagnac環(huán)濾波譜的周期性，系統(tǒng)對光載波波長和調(diào)制頻率具有很大

8、的調(diào)諧度。在特定的頻率處，調(diào)節(jié)PC可以實現(xiàn)可調(diào)的OCSR。模擬和實驗都證明系統(tǒng)能在5~40 GHz的范圍內(nèi)工作。模擬得到的結(jié)果中，在27 GHz處OCSR的變化范圍為-34.53~40.78 dB；實驗得到在30 GHz處OCSR的變化范圍為-9.174~34.408 dB。
　?。?）提出了一種基于受激布里淵散射（SBS）效應的SSB調(diào)制。首先，通過調(diào)節(jié)加載在MZM上的兩個驅(qū)動電信號的相位差，可以生成OCSR可調(diào)的雙邊帶（DSB

9、）信號，OCSR的調(diào)諧范圍為-23~44 dB。再將該DSB信號輸入至光濾波器，使其轉(zhuǎn)換成SSB信號。光濾波器是由SBS效應實現(xiàn)的，在外泵浦光的作用下，抑制不需要的邊帶。作為泵浦光的光源波長可調(diào)，因此系統(tǒng)的帶寬不會受到布里淵頻移的限制。且布里淵損耗譜的帶寬很窄，所以在移除一個邊帶時不會影響其他邊帶。SSB信號的OCSR范圍為-21~44 dB。我們還研究了DSB和SSB兩種調(diào)制信號傳輸時的最佳OCSR值，使得接收端得到RF信號功率最大。

10、
　?。?）提出了光功率-頻率映射的MFM系統(tǒng)。利用HNLF中的XPM效應，在正交偏振方向上構(gòu)建一對互補的FSR可調(diào)的濾波器。濾波器的傳輸譜和微波頻率有關(guān)，可以得到一個關(guān)于微波頻率和兩端口輸出光功率比值的關(guān)系式，從而測出頻率。系統(tǒng)的測量范圍和分辨率可以通過調(diào)節(jié)泵浦功率，DC偏置電壓和 PC的旋轉(zhuǎn)角度來改變。實驗得到在2.5-30 GHz除16-17.5 GHz的頻段內(nèi)，頻率測量誤差在0.5 GHz內(nèi)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要使用高速