基于光纤非线性双折射效应的微波信号全光处理技术研究

摘要

当今社会，随着信息化建设水平的完善，多媒体形式也在不断地更新，很大程度上改善了人们的生活，然而对通信容量和通信带宽的要求也越来越高。为满足不同需求，各种通信方式也应运而生。平常的生活和工作中，我们接触最多的就是光纤通信和无线通信。光纤通信具有大带宽和高速率的优点，但是却存在传输地点固定，接入不方便等缺点。与之相反，无线通信可以灵活接入，但是缺乏与光纤通信相比拟的带宽与速率。光载射频（ROF）技术则将两者优点完美地结合了起来。ROF技术利用光纤链路传送微波信号，具有传输损耗小，带宽大，速率高，接入灵活的优势，满足不同数据格式和通信业务的需求，真正意义上做到了“宽带移动化，移动宽带化”。
　　在 ROF系统中，微波信号的产生是一个至关重要的环节，因为微波信号的质量直接决定了整个系统的性能。光域倍频技术可以有效地将低频本振信号转化为高频信号，降低了成本。微波光子相移器（MPS）是微波光子学中十分重要的器件，它可以对微波信号的相位进行处理。若将倍频技术和相移技术结合起来，能够应用于一些特殊场合，例如相位编码信号、光控相控阵雷达。ROF系统另一个重要的环节就是信号的调制格式，将光纤色散的影响减到最小。在接收端，经探测器（PD）拍频得到射频（RF）信号，它的强度会受光纤色散影响，随着光纤长度呈现出周期性变化，即“周期性衰落”效应。周期性衰落会造成光载RF信号在光纤中的传输距离缩短，且频率越高，限制就越严重。在众多减小色散影响的方案中，单边带（SSB）调制能够有效地克服周期性衰落效应。在检测端，微波频率测量（MFM）对电子对抗战中十分重要，破译对方的电子信息的准确与否左右着战争的胜负。利用MFM系统识别敌方的雷达信号频率，并迅速发往相应的电子系统进行信息的截取和窃听、电子干扰和反干扰等。
　　本论文针对产生信号、调制信号、测量信号这三个方面入手，进行了一系列的理论分析、仿真模拟及实验研究，取得的主要创新成果如下：
　　（1）提出了既能产生多倍频又具有相移功能的微波系统。系统是基于高非线性光纤（HNLF）中的交叉相位调制（XPM）效应，实现线性相移。马赫增德尔调制器（MZM）结合延时干涉仪（DLI），可以产生一个二倍频或四倍频的微波信号。实验获得10 GHz到30 GHz频段内0~2Π的相移，RF信号的输出功率稳定。该方案最大的优点是HNLF中的XPM效应与输入载波的波长和 RF信号的频率无关，适用与大带宽和波分复用（WDM）的ROF系统中。只需要简单调节泵浦的光功率大小就能实现线性相移，调节MZM的偏置点和DLI的自由光程差（FSR）能够实现二倍频和四倍频的转换。
　　（2）提出了能够同时实现倍频和SSB调制的方案。该方案是基于HNLF中的XPM效应。两个正交偏振方向上分别注入泵浦光，在光域上构建出一个的双驱动 MZM（DD-MZM），不需要任何偏置电信号。系统具有倍频功能，倍频系数（MF）能在1、2、4、8间切换，通过模拟可以生成一个八倍频的微波信号，频率为144 GHz。另外，系统还能完成两类SSB调制，一类为光载波边带比（OCSR）可调的SSB调制，另一类为同时抑制-1阶和+2阶边带的SSB调制。实验得到工作频率范围为10~40 GHz， OCSR范围为-8.7~26.7 dB的SSB信号。
　　（3）提出了基于高双折射滤波器的SSB调制。高双折射滤波器是由 Solc-和Lyot-Sagnac环级联形成。改变偏振控制器（PC）的偏振角度，滤波器的滤波特性也会随之变化。原本用来抑制边带的凹陷位置会频移，相应SSB调制的工作频率也随之改变。由于Sagnac环滤波谱的周期性，系统对光载波波长和调制频率具有很大的调谐度。在特定的频率处，调节PC可以实现可调的OCSR。模拟和实验都证明系统能在5~40 GHz的范围内工作。模拟得到的结果中，在27 GHz处OCSR的变化范围为-34.53~40.78 dB；实验得到在30 GHz处OCSR的变化范围为-9.174~34.408 dB。
　　（4）提出了一种基于受激布里渊散射（SBS）效应的SSB调制。首先，通过调节加载在MZM上的两个驱动电信号的相位差，可以生成OCSR可调的双边带（DSB）信号，OCSR的调谐范围为-23~44 dB。再将该DSB信号输入至光滤波器，使其转换成SSB信号。光滤波器是由SBS效应实现的，在外泵浦光的作用下，抑制不需要的边带。作为泵浦光的光源波长可调，因此系统的带宽不会受到布里渊频移的限制。且布里渊损耗谱的带宽很窄，所以在移除一个边带时不会影响其他边带。SSB信号的OCSR范围为-21~44 dB。我们还研究了DSB和SSB两种调制信号传输时的最佳OCSR值，使得接收端得到RF信号功率最大。
　　（5）提出了光功率-频率映射的MFM系统。利用HNLF中的XPM效应，在正交偏振方向上构建一对互补的FSR可调的滤波器。滤波器的传输谱和微波频率有关，可以得到一个关于微波频率和两端口输出光功率比值的关系式，从而测出频率。系统的测量范围和分辨率可以通过调节泵浦功率，DC偏置电压和 PC的旋转角度来改变。实验得到在2.5-30 GHz除16-17.5 GHz的频段内，频率测量误差在0.5 GHz内。该系统结构简单，不需要使用高速 PD，测量范围可调、分辨率高，且与光源波长无关，不受波长漂移的影响，在电子战中有良好的应用前景。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 ROF技术简介

1.3 本论文所涉及研究领域的国内外动态

1.4 本论文的研究内容

1.5 本论文的结构

1.6 本课题受资助情况

2 光纤非线性双折射特性

2.1 光纤的基本参数

2.2 光纤的非线性传输

2.3 光纤的非线性双折射效应

2.4 本章小结

3 ROF系统的关键技术

3.1 光调制技术

3.2 光电探测技术

3.3 色散对ROF系统传输性能的影响

3.4 光载波边带比

3.5 本章小结

4 基于非线性双折射实现微波信号的产生

4.1 相位可控的倍频信号的产生

4.2 单边带调制的倍频信号的产生

4.3 本章小结

5 微波信号的调制

5.1 基于高双折射级联Sagnac环的SSB调制

5.2 基于受激布里渊散射的SSB调制

5.3 本章小结

6 微波信号的测量

6.1 引言

6.2 基于HNLF中光致双折射效应实现MFM的原理

6.3 实验结果和分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本论文的工作

7.2 进一步研究内容

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 论文中缩略词的含义