微波光子学中的毫米波产生及应用研究

摘要

微波光子学是一门融合微波技术和光子学技术、研究微波和光信号相互作用的新兴交叉学科。其特征是使用光子学的技术手段实现对微波/毫米波信号的产生、传输、控制和处理。光载无线通信系统和光控相控阵雷达系统即是其中的两个典型应用例子。本论文以此为技术基础,系统研究了高质量微波/毫米波的光子学产生和传输技术,并进而应用于新一代光载毫米波无线通信(Radio-over-Fiber,ROF)系统的研制。取得多项创新性研究成果,促进了微波光子学技术的研究和应用。论文的主要工作和创新性结果如下:
　　 1.首次提出并实现了基于半导体光放大器(SOA)中四波混频和载波抑制技术产生偏振不敏感光毫米波的方案。在此方案中,两个来自同一激光器、具有相同偏振方向的泵浦光和波分复用信号在SOA中进行四波混频后,利用光滤波器滤除一个边带,产生上变频的40GHz毫米波。它具有与单边带信号相似的特性,能够近无色散长距离传输。实验表明,经过20kin光纤传输后信号功率损耗小于1dB。
　　 2、首次提出并实验演示了通过单个外部调制器实现四倍频产生DWDM(密集波分复用)光毫米波信号的新技术。其关键技术是通过选择加载在外部调制器合适的直流偏置(DC)来抑制中心局的一阶边带,同时采用光交错复用器分离出基站中的光毫米波和光载波。此方案只使用一个调制器,能够显著减少外部调制器的带宽要求和降低成本;剩余的光载波在通过可调的光滤波后,被重用作上传的光载波,从而很大地减少了对高频的射频源需求。实验表明,下行链路信号传输超过20公里时只有0.7dB功率损耗。实现了高速率、长距离双向光毫米波通信,同时又简化了系统结构。
　　 3、以太赫兹通信、太赫兹相控阵雷达等未来应用为需求背景,探索并成功地实现了基于微波光子学方法产生低端太赫兹波的技术路线。在实验中,利用马赫曾德尔强度调制器和光交错复用器滤波,获得了稳定的0.1THz量级的太赫兹波,其载波抑制比效果良好。
　　 4.将光生毫米波技术应用于ROF系统的研制,参与完成了10-60GHz光载毫米波无线通信系统。达到了稳定、可靠、高性能的光毫米波信号的调制、传输、发送和接收。同行专家对成果鉴定的评价为:总体达到国际先进水平,对推进ROF技术的实用化有重要意义。有四项成果为国内外首创,包括前述作者提出并实现的全光上变频的偏振不敏感和光交错复用器的光波长重用等技术方案在内。