基于电光外调制的高倍频微波信号光子学生成研究与实验

摘要

近年来，随着电子战、雷达以及下一代通信等应用中采用的微波频段节节攀升，传统电域的微波产生方法由于受到“电子瓶颈”的制约，难以获得高频微波信号，微波光子学的发展为微波生成技术提供了一种新的思路。利用光子学技术生成微波信号，其频率高，稳定性和可调谐性更好。本文主要就微波信号的光子学产生方法展开理论和实验研究，主要工作如下:
　　(1)首先介绍了马赫曾德尔电光调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)的工作原理和调制特性，从小信号调制和大信号调制两个方面详细分析了MZM调制器的调制特性，进而探索了利用级联调制器结构生成4、6、8倍频微波信号的原理。基于理论分析及相关实验结果表明基于外调制的倍频方案能够借助低频电驱动信号得到高频微波信号，可调谐性和稳定性好。
　　(2)提出了一种基于级联调制器和四波混频效应的24倍频微波信号产生方法，并展开理论与实验研究。该方案采用两个MZM级联的结构，在大信号调制下，利用调制非线性产生多个谐波分量，然后通过调节调制深度和调制信号的初始相位，在无需滤波的情况下能够得到两个光边带信号;同时结合高非线性光纤的三阶超快非线性作用，实现了更高次谐波分量的产生，经过滤波得到了拍频所需的两个12阶光边带。文中通过搭建仿真与实验系统，当驱动信号的频率在11～12 GHz调节时，成功地获得了频率间隔为264～288GHz的高频微波信号对应的光谱，仿真结果显示拍频后的谐波抑制效果均达到了35dB。
　　(3)提出了一种基于单个偏振调制器(Polarization Modulator, PolM)和光交错滤波器的八倍频微波信号产生方法，并展开理论与实验研究。在大信号调制下，由于偏振调制器的调制非线性会产生多个高次谐波分量，通过调节偏振控制器，使得偏振片仅输出偶数阶谐波分量;通过选取合适的调制深度，使得光功率主要集中在四阶边带上，然后采用光交错滤波器进一步滤除光载波及其它高次谐波（杂波）。文中利用MATLAB仿真绘制出了调制后产生的各次谐波分量的功率和调制深度的关系曲线，分析并找出了使杂波功率最小的调制深度值;同时利用光交错滤波器的滤波特性，设计了两种滤波方案，通过选用25GHz和50GHz两种不同信道间隔的光交错滤波器，使得微波信号在四个不同频率范围内是连续可调谐的。在理论分析的基础上，搭建了光学实验平台，在两种滤波方案下得到了八倍频微波信号对应的拍频光谱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究背景及意义

1．2 光生微波技术研究现状

1．2．1 直接调制法

1．2．2 光学外差法

1．2．3 光电振荡器法

1．2．4 谐波倍频生成法

1．3 本文研究内容和组织结构

第2章 电光外调制器MZM的基本理论研究

2．1 MZM结构与调制原理

2．1．1 小信号调制特性

2．1．2 大信号调制特性

2．2 级联MZM结构与微波信号生成

2．2．1 四倍频微波信号产生原理及仿真结果

2．2．2 六倍频微波信号产生原理及仿真结果

2．2．3 八倍频微波信号产生原理及仿真结果

2．3 本章小结

第3章 基于级联调制器和四波混频效应的24倍频微波信号光子学生成

3．1 生成方案设计与原理分析

3．1．1 基于级联调制器的一级倍频

3．1．2 基于四波混频的二级倍频

3．2 仿真与实验

3．2．1 仿真分析

3．2．2 实验验证与结果分析

3．3 本章小结

第4章 基于单个偏振调制器和光交错滤波器的八倍频微波信号光子学生成

4．1 生成方案设计与原理分析

4．1．1 偏振调制器原理

4．1．2 调制深度的选取

4．1．3 交错滤波器的滤波方案设计

4．2 仿真与实验

4．2．1 仿真分析

4．2．2 实验验证与结果分析

4．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文