基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术与毫米波频段ROF系统设计

摘要

微波光子学是一门涉及微波工程和光子学的新兴交叉学科，其包括了微电子技术、光电器件、关键单元技术和系统应用等多方面。微波光子学的研究初衷是在微波系统中引入强大的光子技术，从而消除电子瓶颈同时带来诸多优点，比如，低损耗、重量轻、尺寸小、高带宽、抗电磁干扰、频率响应平坦等等。因此，通过采用微波光子技术可以实现以前在电域内很难甚至是无法完成的功能或任务。正是由于在此方面的巨大优势，微波光子学自上世纪70年代开始研究以来，在信号处理、民用通信、军事国防、航空航天和医疗等领域已经得到了广泛的应用，并引起国内外学者的广泛关注。微波光子信号处理关键技术与光载无线(ROF)系统作为微波光子学最重要的两个研究分支，最近引起了人们极大的兴趣，并成为当前微波光子学的研究热点。然而，国内才刚刚开始此方面的研究，无论从研究成果、科研实力还是资金投入方面与国际先进水平存在巨大的差距。本论文主要针对宽带无线接入网络和军事国防应用需求，依托国家863计划和国家自然科学基金等多个国家级项目，重点开展微波光子信号处理关键技术和ROF系统设计方面的研究。 另一方面，铌酸锂调制器作为电光转换的关键器件在高速数字光纤通信系统中得到了广泛采用。典型的微波光子系统同样需要电光转换的器件，而铌酸锂调制器由于其特有的优势已成为微波光子系统中外调制器的首选。随着高速铌酸锂调制器相关技术的快速发展及加速商用化，其单个成本不断降低。因此，我们希望铌酸锂调制器能够在微波光子系统中扮演更重要的角色，完成更多的功能，而不仅限于简单的信号调制功能。目前，国内外对于铌酸锂调制器在微波光子学领域的新功能应用，缺少系统全面的研究。鉴于此，本论文着眼于拓展铌酸锂调制器在微波光子信号处理技术和ROF系统中的潜在应用范围，创造性地提出了几项基于铌酸锂调制器特性的微波光子信号处理关键技术和ROF系统设计新方案，使得铌酸锂调制器在微波光子系统中完成了更多更复杂的功能。此外，基于铌酸锂调制器特性的方案相比于其他方案具有简单、可靠以及高性能等优点。因此，此方面的研究工作将为铌酸锂调制器的广泛应用以及微波光子信号处理技术和ROF系统的实用化提供重要参考。 本论文的主要创新工作如下： 一、基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术研究 1)微波光子滤波器 分别基于铌酸锂相位调制器和双电极驱动马赫曾德尔调制器(MZM)提出了两种新型微波光子滤波器结构，克服了通常情况下非相干系统的低通滤波特性限制，实现了带通滤波，并且较其他方案结构更加简单，功能更加灵活。第一种方案利用铌酸锂相位调制器的偏振调制效应实现反相调制，由此获得典型横向滤波器的负抽头系数，最终实现了带通滤波特性，并且具有可重构性和可调性；与第一种方案不同，第二种方案基于单边带调制构建了一个复合传递函数，最终实现等效的带通滤波特性，同样具有可调性和可重构性。 鉴于目前国际上对于微波光子信号处理技术研究的独立性，我们首次提出了两种不同微波光子信号处理技术之间融合方案，并通过理论和仿真阐明了其可行性。在所提出的第二种方案中，微波带通滤波技术可以有效地与全光频率上变换技术融合于同一毫米波频段ROF系统中，在对中频信号进行滤波处理的同时将其上变频到所需的射频频段(可以到毫米波频段)。故通过此方案可以在获得多种高性能处理功能的同时显著降低ROF系统的复杂度和成本。 2)超宽带脉冲无线电(IR-UWB)脉冲产生技术 全光产生IR-UWB脉冲不仅可以克服传统电域方法的一些限制，还可以应用于UWB-Over-Fiber系统中延长UWB信号的传输距离从而扩大通信覆盖范围。本论文基于MZM和相位调制器创造性地提出并实验演示了四种IR-UWB脉冲产生实现方案。实验结果与理论分析相符，同时实验结果还表明利用这四种方案产生的IR-UWB脉冲在中心频率5～6GHz附近相对带宽均超过100％，这是利用传统电域处理方法很难实现的。这四种方案各有优缺点，且具有不同的应用范围，在实际中可以根据不同的应用需求和系统结构来选择合适的方案。 目前，利用光学方法实现IR-UWB脉冲调制的技术在国际上鲜有成果发表。然而，利用本论文提出的四种方法，可以同时实现全光IR-UWB脉冲产生与调制两大功能，并创新性的提出了脉冲调制方案，这对降低成本和UWB-Over-Fiber系统的实用化意义重大。 3)微波频率测量技术 基于铌酸锂调制器提出了两种新型光子微波频率测量方案，相比于传统瞬时测频(IFM)技术具有良好的电磁兼容、低损耗、大频率覆盖范围和快速响应等优点，非常适合对安全性和测频性能要求较高的电子对抗应用。第一种方案参考传统IFM接收机的基本原理，在光域实现了延迟相干的过程，将微波功率与频率联系起来，通过测量微波功率计算得出频率信息。此方案利用一个双输出MZM实现了单波长操作，从而节省了额外的光源和波分复用和解复用器件；实验结果表明在目前常用到的7～12.7GHz频段测量误差保持在50MHz以内，并且测量范围可调。第二种方案采用了两个级联的工作于抑制载波双边带调制模式下的MZM，完成了微波频率到光功率的映射，可以直接监测光功率来获得频率信息，从而省掉了光电探测器，进一步降低了系统成本。此两种方案的共同点是将某些复杂的操作放到光域中完成，只将一些简单的运算进行电域处理，由于光在链路中传输时间很短，这样可以大大缩短整个系统的执行时间，提高响应速度。 由于实验条件所限，实验演示的测量范围有限，但利用提出的方法可以将测量范围扩展到毫米波频段。 二、新型毫米波频段ROF系统设计与传输实验 针对毫米波频段ROF系统的发展趋势，本论文进行了毫米波频段ROF系统设计与大型传输实验，其中铌酸锂调制器被用来实现ROF系统中电光转换和信号处理等功能。首先，提出了波分复用全双工毫米波频段ROF系统的一种高频谱利用效率新型实现方案。此方案采用了基于外调制器的新型全光下变频技术，利用光间插复用器(Interleaver)特性进行了有效地频谱设计，在100GHz信道间隔内实现上下行双向传输，并且在远端天线单元端省去了光源和微波源，显著降低了系统或网络成本。其次，基于偏振复用技术进行了无线与固定混合业务传输实验，实现了2.5Gbit/s有线业务信号和20GHz频段2.5Gbit/s无线业务信号在25km光纤上的混合传输，功率代价均保持在1dB以内，此种技术可以应用于ROF系统与无源光网络的融合网络中，在同一波长信道内同时提供有线和无线业务。最后，进行了40GHz频段ROF系统光纤与无线联合大型传输实验，实现了40GHz频段1.25Gbit/s数据速率的无线信号的2m以上无线传输和25km光纤传输，功率代价小于1dB。 总之，本论文全部研究工作属于微波光子学领域，跨电子科学与技术与信息与通信工程两个一级学科，在创新性上的共同点是通过提出特殊方案拓展铌酸锂调制器的应用范围。具体地讲：在研究内容上，本论文研究工作涉及到微波光子学领域内的关键单元处理技术、ROF系统设计、系统级传输实验以及相关的应用问题等；在研究方法上，本论文从研究动态把握、理论分析、仿真模拟、实验验证和结果讨论五个方面阐述各项研究工作；在应用场景上，本论文研究工作主要面向基于ROF的超宽带无线接入系统、电子对抗系统、雷达系统以及其它需要高性能信号处理功能的领域。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语

声明

第一章绪论

1.1微波光子学

1.1.1概述

1.1.2器件与设备

1.1.3主要应用

1.2微波光子系统关键器件与设备

1.2.1半导体激光器

1.2.2外调制器

1.2.3光电探测器

1.3 ROF系统

1.3.1 ROF系统的提出

1.3.2系统结构与基本原理

1.3.3评价性能指标

1.4研究工作意义与主要内容

1.5论文结构安排

参考文献

第二章铌酸锂调制器

2.1物理基础

2.2常用铌酸锂调制器类型

2.3相位调制器

2.4马赫曾德尔调制器(MZM)

2.4.1基本数学模型

2.4.2啁啾特性

2.4.3模拟调制方式

2.5本章小结

参考文献

第三章基于铌酸锂调制器的微波光子带通滤波器研究

3.1研究背景

3.1.1滤波器概述

3.1.2微波光子滤波器

3.1.3微波光子滤波器技术难点与研究热点

3.1.4本章研究工作

3.2基于反相调制的微波光子带通滤波器设计与实验

3.2.1基本原理

3.2.2实验装置

3.2.3实验结果与讨论

3.3微波光子带通滤波与全光频率上变换联合实现方案

3.3.1基本原理

3.3.2数值仿真

3.3.3仿真结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章基于铌酸锂调制器的IR-UWB脉冲产生技术研究

4.1研究背景

4.2方案一：利用MZM不同调制区域的实现方案

4.2.1基本原理

4.2.2实验装置

4.2.3实验结果与讨论

4.2.4脉冲调制可行性讨论与仿真

4.3方案二：基于MZM调制特性之波长依赖性的实现方案

4.3.1基本原理

4.3.2实验装置

4.3.3实验结果与讨论

4.4方案三：基于Sagnac干涉环路的实现方案

4.4.1基本原理

4.4.2实验装置

4.4.3实验结果与讨论

4.5方案四：基于光域微分操作的实现方案

4.5.1基本原理与实验装置

4.5.2实验结果与讨论

4.6本章小结

参考文献

第五章基于铌酸锂调制器的光子微波频率测量技术研究

5.1研究背景

5.2基于双输出铌酸锂调制器的微波频率测量实现方案

5.2.1基本原理

5.2.2实验装置

5.2.3结果分析与讨论

5.3基于微波频率到光功率映射的微波频率测量实现方案

5.3.1基本原理

5.3.2数值仿真与结果分析

5.4本章小结

参考文献

第六章新型毫米波频段ROF系统设计与传输实验

6.1研究背景

6.2 WDM全双工毫米波频段ROF系统及网络新方案

6.2.1方案描述

6.2.2基本原理

6.2.3数值仿真与结果讨论

6.3基于偏振复用的宽带无线与有线混合接入系统方案

6.3.1研究意义

6.3.2方案描述

6.3.3实验演示

6.4 40GHz频段ROF系统光纤与无线传输实验

6.5本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1论文工作总结

7.2未来相关工作展望

致谢

攻读博士学位期间论文发表情况