基于光譜整形的微波光子信號產生及處理技術研究.pdf

1、隨著微波技術在雷達系統(tǒng)、無線通信、射頻天文學等多個應用領域的蓬勃發(fā)展，對高頻微波信號進行實時的產生、處理和操控成為目前學術界及工業(yè)界共同面臨的問題。微波光子學正是針對這一發(fā)展需求所產生的新興交叉學科，它旨在利用光學技術的高速、高帶寬及低損耗等固有優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)微波技術所面臨的帶寬及速率瓶頸問題。本論文針對于微波光子學領域中的國際研究熱點，圍繞微波光子信號產生技術及光載無線信號處理技術兩方面展開研究。一方面探索新型的波形構造方法，提高基于

2、全光器件任意波形產生技術的靈活性;另一方面旨在解決光載無線系統(tǒng)中的性能損傷問題，通過全光處理技術提高光載微波信號的傳輸性能。
　　在微波信號的光學產生方面，本論文基于偏光干涉濾波器單元，提出了兩種結構方式以構建具有三角形濾波響應的全光濾波器，進而結合頻域到時域映射技術實現(xiàn)了三角形微波信號的產生;接著，將串聯(lián)結構的光譜構造模型推廣到任意波形產生領域，并通過理論和實驗共同證明了該模型的有效性;進一步通過光譜濾波器結構上的優(yōu)化設計實現(xiàn)了

3、參數(shù)可調的微波信號產生。在光載微波信號的處理方面，搭建了光載無線系統(tǒng)的下行傳輸線路系統(tǒng)，提出了解決功率衰落效應及調制深度問題的預失真技術，有效增加了系統(tǒng)的接收靈敏度。本文主要的研究內容和成果如下:
　　(1)提出了基于并聯(lián)結構的三角微波脈沖產生方法。結合保偏光纖及偏振片設計了基于偏光干涉的梳狀濾波器結構，從理論上分析了該濾波器的實現(xiàn)原理，并給出了濾波響應函數(shù)隨保偏光纖長度的變化趨勢。隨后，基于傅里葉級數(shù)展開原理，分析了三角波函數(shù)的

4、諧波分量構成，并探討了諧波分量階數(shù)對三角波形質量的影響。在忽略高階諧波影響的情況下，通過并聯(lián)的偏光干涉濾波器產生了對應基波及三次諧波的兩路正弦形光譜。引入偏振合束器實現(xiàn)了兩路正弦光譜的強度疊加，完成了三角光譜構造。最后，研究了頻時域映射的理論基礎及應用條件，實現(xiàn)了三角光譜到脈沖的映射過程。實驗結果表明，產生的三角脈沖頻率及脈寬可以通過保偏光纖長度及光纖色散大小調節(jié)，符合理論模型期望。
　　(2)設計了基于串聯(lián)型偏光干涉濾波器的任意

5、微波波形產生系統(tǒng)。首先分析了輸入光偏振控制對偏光干涉濾波器濾波響應函數(shù)的影響，探討了輸出正弦形光譜的消光比系數(shù)可調范圍。構建了基于串聯(lián)型偏光干涉濾波模塊的系統(tǒng)結構，推導了該結構的輸出光譜理論模型。推導公式表明，串聯(lián)型的偏光干涉濾波模塊能產生傅里葉級數(shù)式的多分量光譜組合。另外，通過合理的調節(jié)模塊中各級濾波器的偏振關系，可以實現(xiàn)對各光譜分量的幅度控制，從而完成任意光譜輸出。通過仿真證明，輸出光譜精確度與濾波器級聯(lián)個數(shù)有關。而級聯(lián)個數(shù)的增加又

6、提高了控制算法復雜度，因此，利用遺傳算法解決了各級濾波器偏振關系的復雜計算。實驗中使用三級級聯(lián)結構的偏光干涉濾波器實現(xiàn)了正弦形、三角形及矩形光譜的產生。同樣利用色散光纖及高速光電探測器組成的頻時域映射模塊結合上述串聯(lián)型構造器實現(xiàn)了三角形微波信號的產生。
　　(3)通過加入可調光器件對偏光干涉濾波器系統(tǒng)結構進行優(yōu)化，以實現(xiàn)二維可調的微波信號產生。取代保偏光纖的可調差分群時延模塊用于控制輸出光譜的自由譜范圍，并采用帶寬及波長可調的光學

7、濾波器用以控制輸出光譜帶寬。基于該光譜構造系統(tǒng)結構并結合頻時域映射機制，理論推導了輸出微波波形與差分群時延及后級濾波器帶寬的關系，并通過實驗證明了該理論正確性。實驗結果表明，該系統(tǒng)方案能實現(xiàn)頻率范圍為4GHz-30GHz、信號寬度為0.7nm-3nm的微波信號生成。
　　(4)通過在偏光干涉濾波器中引入差分群時延擾動以實現(xiàn)相位編碼的微波信號產生。基于偏光干涉濾波器中差分群時延與輸出光譜自由譜范圍的關系，利用相位調制器引入額外的相位

8、延時，以實現(xiàn)輸出光譜的頻移調制，結合頻時域映射技術將頻移調制轉換為輸出微波信號的相位調制。實驗產生了頻率為10GHz的相位編碼信號，并證明了輸出微波信號相位與相位調制器射頻輸入電壓成正比關系。
　　(5)提出了用于提高光載無線信號系統(tǒng)傳輸性能的光學預失真技術。首先從理論上分析了光載無線系統(tǒng)中雙邊帶信號及單邊帶信號的最優(yōu)載波邊帶比，并根據理論結果，通過實驗比較了具有最優(yōu)化載波邊帶比的雙邊帶信號及單邊帶信號傳輸性能，證明了前者具有1.